导航雷达中试操船功能的实现

常传文，茅文深

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210007)

导航雷达中试操船功能的实现

常传文，茅文深

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 南京 210007)

导航雷达终端的试操船功能是船舶避碰中较为有效的手段之一。针对该功能，首先介绍了碰撞三角形工作原理；其次，将试操执行过程划分为延迟时间、保向、保速等4个环节，并推导出了各环节本船位置的计算公式；为简化计算，针对保速环节提出了等价运动矢量的计算方法。另外，从工程角度在安全性、显示方式、程序优化等方面提出了实现建议。

导航雷达；试操船；碰撞

1 概 述

在船舶安全航行中，导航雷达已经获得了广泛应用。导航雷达通过向船舶四周发射电磁波，再通过对接收到的反射回波进行分析，实现对船舶周围海上环境的判断，为船舶航行指引航向，同时躲避其他目标物体，避免发生碰撞事故[1]，提高海上航行时的安全系数。而试操船功能是船舶避碰中较为有效的手段之一，其原理是，当自动雷达标绘仪产生碰撞告警后，操作员通过设定本船的新航速、航向、运动特性等参数，模拟新运动状态下的碰撞告警情况，进而采取处置措施。一套完整的试操流程包括5个阶段：正常航行，产生碰撞告警，试操船，执行避碰动作，恢复航行，如图1所示，其中灰色阴影部分为执行试操船的动作过程。

国内外对于船舶避碰的研究较多，多采用全局/局部路径规划方法[2-4]，将船艇试操船轨迹寻优问题映射为最优化求解问题。结合各种寻优算法进行路径规划，也有相关论文针对水面无人艇避碰方法方面进行研究，涉及到的研究方法包括可视图、遗传算法、模糊算法、势场法等[5]。但上述方法多采用模拟/仿真手段进行验证，其计算过程复杂，难以在实际使用中进行验证。另外，从理论上来说，转换为最优化问题，不可避免地会出现无法寻优、局部最优和全局最优等问题，在工程实际中带来的负面影响有时是致命的。再次，上述研究或方法在设定角色参与方面，均认为计算机是独立完成避碰过程，是一个典型的开环控制系统，但却忽略了人在其中的反馈-修正作用，未将计算机和人认同为一个闭环系统。李月华[6]对试操船功能的实现给出了较为完整的方案，也考虑了操作员在试操过程中的反馈作用，但其采用相对本船运动显示，本船一直处于画面中心位置，目标船仅显示相对本船的运动矢量，经过试用，这会在很大程度上迷惑雷达操作员，并不直观。同时，实现过程并未考虑延迟时间、调谐率、本船线加速度情况等参数，另外仅考虑减速过程，并未考虑加速情形，工程应用仍有较大的改进空间。谢良诚[4]主要从延迟时间、显示模式等阐述国际海事组织关于试操船的相关规定，具有一定的参考价值。本人将从碰撞告警、原理、实现、后续工作几个方面介绍试操船功能在工程应用中的实现过程，同时考虑到人机闭环以达到更好的试操效果。

2 碰撞告警工作原理

在船舶航行中，针对危险目标的判断、告警是其中关键，最直接的方法是持续预测目标与本船之间的相对方位和距离，普遍采用计算碰撞三角形方法，随时给出危险预测数据。假定：水流为静止稳态；不考虑自然环境影响(如风、雨)；目标船均为保速、保向运动；根据国际航行规则，本船为义务船；本船当前位置为坐标原点，为适应操作员观察习惯，采用极坐标且正北向上。

设本船当前运动矢量为V0，方位为α0，距离为D0，航速为V0，航向为φ0。导航雷达发现目标n个，其中第i个目标的真运动矢量为Vi，方位为αi，距离为Di，真航速为Vi，真航向为φi，目标i相对于V0的相对运动矢量为ViR=Vi-V0，ViR为相对航速，φiR为相对航向，相对方位为αiR，相对距离为DiR。碰撞三角形原理如图2所示，目标当前位置、当前原点和自原点O作ViR延长线垂线的交点Ci组成的直角三角形即为碰撞三角形，Ci为该目标船相对本船的最近点，目标当前位置至Ci的航行时间为TC，O点至Ci的距离为DC，不难得出：αO=0，DO=0，αiR=αi，DiR=Di。

根据图2，给出计算目标i相对本船的DC和TC的计算公式为：

DCi=|Disin(φiR-αi-π)|

(1)

TCi=Dicos(φiR-αi-π)/ViR

(2)

设本船允许的最小DC为DCmin，允许的最小TC为TCmin，DCmin和TCmin与船体自身物理特性如尺寸、重量、运动特性等强相关，如果DCmini

3 试操船实现方案

船舶运动规律与传统机器人或车辆有较大区别，难以急停急转，其紧急刹车性能和快速转艏性能均较弱，且控制时滞性大，试操过程中要考虑船舶的运动特性[7]。因此，在执行试操船过程中，除前述章节所依赖的输入条件外，还需要已知以下条件：船舶单位时间的转向角度r，称为调谐率;船舶加速度A;启动变速延迟时间T;试操船目的航速V1;航向φ1。

如图3所示，整个试操执行过程按照时间划分为4个环节：

(1) 延迟时间环节,主要考虑船舶执行变速、变向动作的时滞性，该环节船舶保速、保向运行；

(2) 变速环节,船舶航向保持φ0不变，按照a开始变速，从V0达到V1；

(3) 变向环节,船舶保持航速V1不变，按照r开始转向，从φ0变为φ1；

(4) 更新TC和DC环节,重新计算所有阶段。

为向操作员呈现如图4所示完整的试操路线过程，鉴于计算机自身特性，以离散采样试操点绘制船舶运动轨迹。设采样时间间隔为Δ，试操执行过程耗时m个采样点，其中延迟时间环节耗时m1个采样点，变速环节耗时m2个采样点(假设变速过程耗时整数个采样点)，变向环节耗时m3个采样点(假设变向过程耗时整数个采样点)，则试操执行过程共耗时：Δm=Δ(m1+m2+m3)，绘制运动轨迹的过程即为在采样点k求船舶位置的过程。为计算简便，暂采用直角坐标，第k个采样点的坐标为(xk，yk)，运动矢量为V1k，航速为V1k，航向为φ1k，则有x1=0，y1=0。

在延迟时间环节：

(3)

在变速环节，船舶以加速度a进行保向运动：

k=(m1+1),…,m2

(4)

V1m2=V0+Δ(m2-m1)a

(5)

在变向环节，因船舶为保航速变航向运动模式，若不考虑运动时间因素，其进行的是圆周运动。为便于计算，采用等价运动矢量法进行计算，如图4所示。

第k个采样点位置为pk，下一个采样点为pk+1，弧长为L，弦长l，假定等效运动矢量为V2k，等效航速为V2k，等效航向为φ2k，则有：

d=rΔ

(6)

e=π/2-(π-d)/2=d/2

(7)

φ2k=φ1k+e=φ1k+rΔ/2=

φ0+Δr(k-m2)+rΔ/2

(8)

设圆周运动的半径为R，则2πR=V1m22π/r，得出R=V1m2/r,又由弦长l=ΔV2k=2Rsin(L/2R)=2Rsin(ΔV1k/2R)，得出:

V2k=2Rsin(ΔV1k/2R)/Δ=2V1m2sin(Δr/2)/Δr

(9)

可得出递推显示点公式：

(10)

在变向环节结束后，同步更新所有目标的位置信息，根据V1m重新计算所有目标的TC和DC值，以判断是否仍会出现告警。如果仍出现告警信息，需重新选取V1和φ1值；如果告警解除，则判定试操完成，本船可采取此航向、航速进行避让，此步骤需操作员深度参与。在实现过程中，还要注意：

(1) 不能中断周边目标跟踪、告警。为安全起见，在试操过程中，不得中断对已有、新发现目标的继续跟踪、计算和报警[8]。

(2) 试操过程显示要有区分。在执行试操过程中，应在画面以醒目位置提示操作员，以区别于正常显示；建议对每个采样点对目标船和本船均绘制矢量线，这样可以更加直观地提示操作员，矢量线长度参数可配置；试操过程中再次更新TC和DC环节，如仍有告警，其方式要与实际告警明显区分，防止出现不必要的干扰。

(3) 优化软件实现效率。为尽量不影响实际航行的显示，以及能够快速在人机之间反馈并闭环试操结果，应尽可能优化软件实现效率。如上所述，试操执行过程中需要进行大量的三角函数等运算，可采取查表(如正弦余弦计算)、固定值引用、浮点整形化等多种方式优化软件，以达到即时显示试操过程和结果的目标。

4 结束语

本文中所介绍的方法已在导航雷达显控终端中应用，实现了试操全过程模拟以及结果的即时显示，并已交付用户使用。期间用户也提出了许多良好的建议，比如结合滚轮调整航向即时显示试操结果、告警方式等；同时，还希望基于最小代价操作可达原则能够直接给出目的航向、航速的建议值，真正实现自动化、智能化。后续还有大量工作仍需改进完善。

[1] 王秀荣.海上导航雷达回波的数学模型研究及仿真[J].舰船科学技术，2016，38(2A)：100-102.

[2] 连晓峰，刘载文，左敏.移动机器人动态人工势场路径规划方法研究[J].计算机仿真，2011，28(1):27-31.

[3] 马浩，林学，成伟明.面向雷达模拟操作训练的雷达回波仿真[J].指挥信息系统与技术，2011(3):66-73.

[4] LIAO Y L，PANG Y J，WAN L.Combined speed and yaw control of under actuated unmanned surface vehicles[C]//Proceedings of International Asia Conference on Informatics in Control，Automation and Robot-ics.New York,USA:IEEE Press，2010:157-161.

[5] 吴博，文元桥，吴贝，等.水面无人艇避碰方法回顾与展望[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2016,40(3)：456-461.

[6] 李月华.船用雷达综合显示软件设计与开发[D].大连:大连海事大学，2011.

[7] 陈姚节，李爽，范桓，等.基于速度矢量坐标系的多船自动避碰研究[J].计算机仿真，2015，32(6)：420-424.

[8] 谢良诚.ARPA试操船功能与延迟时间[J].水运科技信息，1999,176(5):5-7.

RealizationofTrialShipsHandlingFunctionofNavigationRadar

CHANG Chuan-wen,MAO Wen-shen

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210007,China)

Trial ship handling function of navigation radar terminal is one of the effective means to avoid vessels collision.Aiming at the function,the article firstly introduces the working principle of collision triangle,secondly divides the trial handling implementation process into four sessions of delay time,orientation preservation,speed preservation,etc.,and derives the calculation formulas of vessel position in each session,in order to simplify the calculation,presents a method to calculate the equivalent motion vector aiming at speed preservation.In addition,from the engineering point of view,this paper puts forward the proposals to realize the security,display mode,program optimization,etc..

navigation radar;trial ship;collision

2017-04-28

TN959.2

A

CN32-1413(2017)06-0045-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.009