07导航雷达第七章雷达目标跟踪与AIS

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目标跟踪:雷达跟踪目标在屏幕上位置的变化,建立 目标运动轨迹,获取目标运动参数的跟踪器运算过程。
一般地,雷达目标跟踪在1 min之内可获得目标的运动 趋势,在3 min内,雷达对被捕获目标跟踪达到较高的精 度,获得目标的预测运动,进入稳定跟踪状态。
目标跟踪包括:目标检测、目标捕获、目标跟踪、危 险判断、试操船等过程。
1.雷达设置:
(1)图像调整: 增益、人工/自动调谐、脉冲宽度选择、人工杂波(海浪、雨雪) 抑制等控钮。
(2)量程选择: 按照IMO雷达性能标准,具有目标跟踪功能的量程至少包括3、
6和12 n mile,目前多数雷达从0.75 n mile~24 n mile量程都具有目 标跟踪功能。通常驾驶员可以在6~12 n mile量程捕获目标和判断 目标碰撞危险,在6 n mile量程确定对危险目标的避碰方案,在3 n mile量程实施避碰行动和评估避碰效果。
自动捕获功能具有以下特点:
(1)捕获速度快,可应付多目标快速逼近复杂会遇局面中及时 捕获目标的需要。
(2)能根据驾驶员自动捕获区和排除区的设置,按照优先方案 捕获目标。
(3)如果捕获区设置不合理,容易过多地捕获没有跟踪意义的 目标,浪费系统资源,分散驾驶员注意力。
(4)会误将干扰杂波、陆地或岛屿等当作有用目标捕获,造成 虚警。
人工捕获通过光标、轨迹球直接捕获需要跟踪的目 标;自动捕获通过设置捕获范围(警戒区/环)来实现。
(三)目标跟踪
雷达记录目标在屏幕上位置随扫描更新相继变化,建 立目标的运动轨迹的运算过程,称为目标跟踪。
目标跟踪原理:预测加修正,天线边扫描边跟踪, 不断提高跟踪的精度,直到跟踪稳定为止。
跟踪位置
探测位置 滤波位置 估算位置 跟踪窗
二、雷达目标跟踪基本原理 (四)危险判断
在目标跟踪过程中,跟踪器不断将跟踪目标的CPA/TCPA值 与驾驶员设定的安全界限CPA LIM/TCPA LIM比较,对小于安 全界限的目标给出危险报警。
(五)试操船
当本船在避碰行动或导航中需要机动(改向或改速或艏向 航速同时改变)航行时,试操船可以在图形显示区域模拟本 船机动操作的未来态势,辅助驾驶员做出保障船舶航行安全 的有效避碰决策。
近岸航行时,结合上述因素考虑安全界限,CPA LIM可为 1~2 n mile,TCPA LIM通常为12 n min以上;
狭窄水域航行时,雷达避碰的局限性比较大,特别当CPA LIM设置小于0.8 n mile仍然无法满足航行要求时,雷达目标跟 踪信息只能作为参考,驾驶员应考虑其他避碰手段。
二、目标捕获
自动捕获是捕获目标的辅助手段,更适合在气象海况条 件良好的大洋中使用,在回波复杂的环境,对目标的选择性要 求较高,不适合自动捕获。
在任何会遇局面中,适当设置自动捕获区,并配合排除 区是值得推荐的方案。
三、雷达目标跟踪功能
(一)目标跟踪
从目标被捕获开始,性能标准要求雷达应在1 min之内 指示目标的运动趋势(初始跟踪),通常是在雷达图像 区域显示目标的矢量和CPA,此时数据精度较低。
BCR
相对矢量应用3: 估算BCR和BCT
20min后目标 的位置
相对矢量应用4: 预测目标未来的位置
真矢量应用一:直观地判断会遇态势
T2
T3
T1
T4
本船与目标T1成交叉态势,本船 为直航船,目标T1为让路船;
本船与T2同向同速,互不影响;
本船与目标T3成交叉会遇态势, 本船为让路船,目标T3为直航船;
人工捕获具备如下特点:
(1)可按航行态势和航行需要逐个捕获目标,目的明确,针 对性强。
(2)可根据雷达观测经验,在复杂的回波环境中辨识和捕获 目标,避免捕获杂波、假回波和不需要捕获的目标。
(3)如驾驶员疏忽视觉及雷达瞭望,可能会遗漏相关目标, 造成漏警。
(4)操作过程费时,随着航行态势不断变化,对新出现的相 关目标或丢失后需再次捕获的目标需要额外操作,增加驾驶 员工作负担。
(一)目标检测
在噪声和杂波背景中发现目标的过程,称为目标检测。
检测原理:设定一个阈值电压,如果回波信号幅值大 于该电压,就认为是目标予以保留,相反则认为是杂波 或噪声不予记录。
检测注意事项:在目标检测时,近距离海浪和较强的 雨雪杂波的强度可能会比正常目标回波高出很多,设备无 法分辨目标与杂波,而将杂波判别为目标;
(2)按照驾驶员及程序指令综合处理、分配和综合 (融合)船位、艏向、航速、AIS目标报告、雷达目标 跟踪、海图的水文地理信息等信息,完成目标跟踪信息 与其他传感器信息的融合。
(三)跟踪器 跟踪器通过硬件和软件配合,在主处理器协调下,完
成对目标的检测、捕获和跟踪,建立目标的运动轨迹,警 示危险目标,辅助提供避碰措施等功能。
第七章 雷达目标跟踪与AIS目标报告
第一节 雷达目标跟踪基本原理
一、雷达目标跟踪装置构成
雷达
天线角位置 与船首标识
雷达视频 定时脉冲
传 陀螺罗经 或 THD


SDME
艏向 航速
I/O 接口 及视频处理器
跟踪器
EPFS、AIS
位置、识别
等其他传感器 水文地理信息
信息处理器

综合信息显示

与操作控制
在3 min之内,雷达指示目标的预测运动(稳定跟踪), 如目标相对矢量、真矢量、过去位置、PAD、危险标识等, 并在雷达数据显示区域显示目标跟踪数据(八参数) 。
对雷达目标跟踪距离的分析:
⑴<1.5nm: 处理延时导致了数据不可靠;
⑵>12nm: 无实际意义。
性能标准要求,自动跟踪装置至少应在3、6和12 n mile量 程上有效 。目前多数雷达从0.75 n mile量程到24 n mile量 程都具有目标跟踪功能。





主控制器


图 7-1-1 目标跟踪装置原理框图
(一)传感器
雷达信息(包括定时信号、回波视频信息、天线角位 置和船首标识信息)、艏向信息和航速信息是保证雷达 跟踪器正常工作的基本信息。
(二)信息处理器
功能:
(1)按照综合导航系统(INS)综合信息处理原则, 验证各传感器信息的完善性,对未通过完善性验证的传 感器信息发出报警。
(六)目标跟踪流程
未跟踪目标
确认丢失
报警
丢失目标
人工捕获 自动捕获
跟踪目标
确认删除
删除目标
图 7-1-3 雷达目标跟踪流程
确认危险
报 警
危险目标
第二节 雷达目标跟踪基本功能
一、目标跟踪初始设置
(一)传感器设置 保证雷达跟踪器正常工作的基本传感器包括: 雷达:为跟踪器提供了定时信号、回波视频信息、天线角位 置和船首标识信息。 陀螺罗经或艏向发送装置(THD):提供航向信息 船舶航速和航程测量设备(SDME,如计程仪):提供速 度信息 。
(二)矢量(Vector)
矢量是根据目标位置和本船CCRP位置,预测目 标和本船未来一段时间(时间长度可调)运动的线段。
相对矢量显示
真矢量显示
两种矢量适用范围:
相对矢量适合目标危险判断,真矢量适合在采取避碰行 动时掌握航行态势,做出避碰决策。
CPALIM圈
相对矢量应用1: 判断碰撞危险
CPA
相对矢量应用2: 估算CPA和TCPA
(四)综合信息显示与操作控制 在雷达显示器上,通过控制面板各种开关控钮或操作屏
幕菜单,能够控制雷达的所有功能。按照程序或操作面板的 指令,在主控制器的控制下,将视频处理器输出的雷达视频、 跟踪器获得的目标跟踪信息、以及信息处理器对多传感器信 息的运算结果融合为雷达综合视频,送显示器显示。
二、雷达目标跟踪基本原理
(5)可能因捕获区设置不合理,无法捕获相关目标。
(6)可能会因杂波干扰或阴影扇形区域影响,漏失弱小目标, 造成漏警。
(7)不可免除驾驶员雷达观测职责,必须与人工捕获配合使用, 确保不漏失对相关目标的捕获和跟踪。
(三)捕获方案选择
驾驶员应根据航行需要综合考虑目标捕获方案。
人工捕获适合各种海域和会遇局面,是辅助驾驶员判断 会遇局面必须使用的功能。
T4为固定目标,互不影响
真矢量应用二:判断碰撞危险
T3 T1
真矢量末端间距若小于 CPALIM,则有碰撞危险
真矢量判断碰撞危险不如相对矢 量直观方便,仅适合单船避碰。
(三)过去位置(Past Position)
过去位置是指目标(包括雷达和AIS报告目标) 及本船等时间间隔的过去(历史)位置标记。分 为:真过去位置和相对过去位置。
安全界限设置过大,虚警增加,给驾驶员带来不必要的 负担;设置过小,安全系数降低甚至不能达到对碰撞危险 预警的目的。安全界限的设置值与很多因素有关,包括本 船吨位和操纵特性、驾驶团队船艺水平、航行水域开阔程 度和船舶密度、气象海况等 。
CPA LIM/TCPA LIM在航海上设置的惯例:
结合海上避碰规则,大洋航行时CPA LIM通常为2 n mile左 右,TCPA LIM通常不低于18 min;
3.本船航速设置
在避碰时,雷达应采用对水航速(STW),以获得对水 稳定方式;在导航时,雷达应采用SOG,以获得对地稳定方 式。本船航速通常通过传感器取得,需要时人工输入。按照 性能标准要求,为雷达系统提供航速的传感器应能够提供本 船STW和SOG。
(二) 安全界限设置
设置避碰安全界限CPA LIM/TCPA LIM,目标跟踪 功能能够自动将被跟踪目标的CPA/TCPA值与安全界 限比较,对小于安全界限的目标发出危险报警。
SOLAS公约雷达最少捕获跟踪目标数量
船舶大小
500 GT以下
500 GT至10 000 GT以下
及10 000 GT以 下高速船
所有10 000 GT 及以上船舶
最少捕获雷达 目标数
20
30
40
(一)人工捕获
人工捕获目标时,应遵循驾驶员最关注目标优先捕获,即 船首(相对方位330~ 30) 、右舷(相对方位0~112.5 )、 近距离(8 n mile以内的范围)的原则,船首、右舷、近距离 三者无先后顺序,应当结合当时海面状况综合判断。
(3)显示方式选择:
使用雷达目标跟踪功能应选择方位稳定的显示方式,如N-up或 C-up,避免使用H-up显示方式。现代雷达在H-up显示方式下通常 会禁止目标跟踪功能。
2.本船艏向设置
确认雷达艏向复示器的读数应与本船艏向发送装置的示 数保持一致且随动正常。按照性能标准要求,在艏向信息失 效后1 min内,雷达应自动切换至艏向上不稳定模式,目标跟 踪功能停止工作。
为了提高目标自动检测的可靠性,驾驶员应细心调整 雷达,将回波保持在最佳状态。
(二)目标捕获(acquisition)
捕获:选择所需跟踪的目标,跟踪器记录其初始位置, 启动对目标位置在屏幕上相继变化的检测和跟踪的雷达 工作过程。
捕获分为人工捕获和自动捕获,小于10 000 GT的 船舶配备的雷达可不具有自动捕获目标的功能。
第一次探测位置 第二次探测位置
窗口稳定
第三次探测位置
第四次扫描 位置滑动滤波停止 第五次扫描
窗口缩小
估算位置 滤波位置
目标输出窗口
窗口放大 发现目标重新跟踪
跟பைடு நூலகம்树
ARPA目标跟踪原理
跟踪窗尺寸对跟踪性能的影响:
1.跟踪窗尺寸大,不易丢失目标,但易误跟踪; 2.跟踪窗尺寸小,不易跟踪上,易丢失目标。
目标丢失报警:按照性能标准规定,在连续10次天线 扫描中,只要有5次能够在显示器上清楚识别出目标,目标 跟踪就应能够继续。如果违反了这个原则,雷达就判定目 标丢失,给出目标丢失报警。
目标交换
将已跟踪的目标放弃,错误地跟踪上另一个目标,这 种错误跟踪的现象称为目标交换 。
目标交换产生原因: (1)目标进入强海浪区; (2)被跟踪的弱目标接近未被跟踪的强目标; (3)目标转向;
(二)自动捕获
1、 设置警戒/捕获区
(a)环形区
(b)环/扇形区配合
(c)多边形及排除区
2.排除区
排除区也称限制区,是驾驶员在雷达屏幕上设置的拒绝自 动捕获目标的区域。
3.自动捕获设置
一般地说,距本船8~12 n mile范围可设置为雷达警戒区, 在6 n mile左右设置目标捕获区,近于1.5 n mile的范围最好 设置为排除区。
一般大(0.18 n mile) 、中( 0.125 n mile )、小(0.07 n mile)三个,自动调节。开始大窗口,逐渐变小,稳定时最小窗 口,目标回波约占跟踪窗(波门)面积的75。
目标丢失
(1)目标回波变弱:未检测到目标,无法建立跟踪 (2)杂波干扰 (3)目标大幅度快速机动 (4)雷达实测目标误差太大 (5)目标进入阴影区或被高大目标遮挡
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