基于ARPA与AIS的船舶避碰问题的思考

第16卷第1期广州航海高等专科学校学报

V o.l 16 N o .1

2008年3月

J OURNAL OF GUANGZ HOU MARI TI M E COLLEGE

M ar .2008

文章编号:1009-8526(2008)03-0023-03

基于ARP A 与A IS 的船舶避碰问题的思考

冯爱国

(南通航运职业技术学院航海系,江苏南通226006)

摘 要:分析了两种流行的船舶避碰手段雷达ARPA 与A IS ,并给出一些合理对策或注意点,具有较好的参考价值.

关键词:避碰;雷达ARP A;A I S

中图分类号:U 675 文献标识码:A

收稿日期:2007-10-15

作者简介:冯爱国(1970-),男,讲师,甲类大副,主要从事航海仪器、计算机在航海中的应用研究.

为保证船舶的安全营运,现代航海技术已经得到广泛的应用并保持持续快速的发展,例如雷达ARP A 、A I S 、ECD I S 的综合运用,基于高精度定位等各类传感器技术的应用,基于网络的本船内部及远程实时或近于实时的监控等等,这些都极大限度地防范了船舶碰撞,触礁触浅等重大海事的发生.但是,现代航海技术均各有优缺点.不管技术如何发展,就实践应用而言,需要对其利弊全面权衡,从而正确地趋利避害,真正地达到探索与应用新技术的目的.目前航海技术用于避碰的两大利刃是雷达ARPA 与A IS ,本文就其避碰数据获得原理进行分析,在当前A IS 强制安装的实质性阶段,依据船舶碰撞危险经典理论,给出一些合理对策或注意点.

1 运用ARPA 与A IS 协助船舶避碰的基本原理

1.1 船舶碰撞危险判定的经典理论

经典船舶危险判断的依据是测算目标船的六大参数,分别为TB 真方位、D 距离、DCPA 最近会遇距离、TCPA 到达最近会船点所需时间、TC 目标真航向、TV 目标真航速.对于船舶会遇危险的考虑优先顺序从两个层面入手,一是位置关系,一般采纳先近后远,先首后尾,先正横前后正横后,先右后左的顺序,但这种原则显然是不专业的,并未考虑船舶之间的位置变化规律,只能在最初发现来船,所有标绘活动尚未开始时的一种粗浅的信息处理的先后排序;

第二是从DCPA 、TCPA 入手,认为DCPA 小于安全值为危险船,且越小越危险,结合TCPA 来决定危险的紧迫程度,认为TCPA 小于设置范围则存在紧急碰撞危险,同时根据5规则6要求,把会遇过程中的碰撞阶段分为自由行动阶段、碰撞危险阶段、紧迫局面阶段、紧迫危险阶段;按会遇态势划分不同区域的来船,如图1所示,本船又存在直航权利与让路义务之分,并对不同会遇态势下本船与来船的行动许可作了详尽的规定,5规则6还在能见度不良时作了进

一步陈述,此时船舶互有避让义务[1]

.

由此可见,DCPA 、TCPA 是海上避让的决定碰撞危险度的核心参数,对于船舶避碰行为的取决,DC -PA 、TCPA 是前提,以此评判是否避让,也可通过它们来评价避让或虚拟避让(试操船)的效果

.

图1 按会遇态势划分不同区域的来船

1.2 雷达与AIS 获得DCPA 与TCPA 的过

程分析

1.2.1 雷达ARPA 协助船舶避碰求取DCPA 与

TCPA 的过程分析

雷达协助船舶避碰是船舶探测目标并加以分析

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与决策的重要手段,特别是在能见度不良的情况下,这种手段尤显重要,雷达利用电磁波的反射特性,通过测量电磁波往返时间来测算物标的距离,利用电机同步或电磁场X )Y 解算的方法或使用天线方位编码的方法使雷达扫描线与天线朝向一致,从而测得目标相对我船的方位,即舷角,将我船的罗经航向考虑进去即得到目标的真方位,在某一时刻测得目标的方位和距离即得到目标第一时刻的位置A,随后进行目标的系统观测,经过$t 时间后,用同样方法得到目标第二位置

B.

图2 目标相对航速、航向的计算

如图2所示,经过A 、B 位置差解算,可以推算

出目标的相对航向U R 和相对航速V R .V R =

(R 1si n B 1-R 2si n B 2)2

+(R 1cos B 1-R 2cos B 2)2

/T

(1)

U R =arc tan

R 1si n B 1-R 2si n B 2

R 1cos B 1-R 2cos B 2

(2)

当系统观测目标到达B 点时,根据V R ,U R 及B

点的位置可求得目标的DCPA 与TCPA.

DCPA =R 2si n (U R -B 2)(3)

TCPA =R 2cos (U R -B 2)

V R

(4)

1.2.2 A IS 协助船舶避碰求取DCPA 与TCPA 的过程分析

A IS 协助船舶避碰是船舶相互发送与接收位置及运动参数信息并附加船舶的静态信息为船舶避让决策提供重要参考,并同时对船舶进行识别以利于有效的沟通.近年来,这一手段以其高效、直观、良好的数据兼容性、易于叠加与共享,得到了全面的重视及广泛的应用.

A IS 设备利用甚高频81、82频段,采用SOTD-MA 自组织时分多址技术,在一定的电磁波覆盖范围内,一定的容量下,实现船舶间或与岸基台的有效的无拥塞通信,通信的内容包含目标的静态信息(例如船名、呼号、I M O 编号、MM S I 等等)和目标船

传感器动态信息(例如GPS (GNSS )船位信息、航向

信息、航速信息等等)[2]

.

在避碰决策计算中,首先要将我船与目标船的地理位置信息换算为相对我船的位置数据,设我船

船位为(K 0,<0),目标船船位为(K t ,

=<1-<0,计算时北纬、东经取正值,南纬、西经取负值.

根据航海学知识,目标方位TB =arc tan D K

D <@D MP

,其中DMP 为纬度渐长率差.因在避碰研究

中,目标与我船位置较近,近似认为D MP U sec (<1+<0

2)

=sec

D <2

+D K

sec

2

.

图3 目标相对我船航向、航速计算

如图3所示,A IS 船舶航向航速数据来源于罗

经、计程仪等传感器,设我船航向、航速为(TC 0,TV 0),目标船航向、航速为(TC t ,TV t ),可以推算出目标的相对航向U R ,及相对航速V R .

U R =arc tan V t cos TC t -V 0cos TC 0

V t si n TC t -V 0si n TC 0(5)

V R =

(V t cos T C t -V 0cos TC 0)2

+(V t si n TC t -V 0si n TC 0)2

(6)DCPA =R sin (U R -B )(7)TCPA =

R cos (U R -B )

V R

(8)

2 运用不同技术协助船舶避碰的优劣比较举要

2.1 漏警与虚警方面

雷达电磁波具有直线传播的特性,因此雷达对目标的探测存在阴影区,另外雷达天线高度与垂直波束宽度的限制,以及雷达发射脉冲宽度与收发开关恢复时间的限制,存在盲区问题,这样近距离目标、遮挡物后的目标有可能探测不到,另外对于反射