ARPA雷达在航海中的应用毕业论文.docx

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ARPA雷达在航海中的应用毕业论文

分类号编号

烟台大学

毕业论文

ARPA雷达在航海中的应用

ARPARadar’sApplicationinNavigation

申请学位：

工学学士

院系：

海洋学院

专业：

航海技术

姓名：

学号：

3325

指导老师：

2010年6月1日

烟台大学海洋学院

烟台大学海洋学院

烟台大学海洋学院毕业论文任务书

姓名

瞿绪太

学号

3325

毕业届别

2010

专业

航海技术

毕业论文题目

ARPA雷达在航海中的应用

指导教师

刘军

学历

大本

职称

副教授

所学专业

船舶无线电通信

主要内容：

根据老师提供的资料为参考，论述ARPA雷达的原理、组成及其在航海中的应用，并结合实验对它的局限性进行了分析，如测距、测方位、阴影区、影响雷达的诸因素造成的误差应如何消除，及以后应注意的问题。

参考资料：

《航海技术》，《中国航海》

《航海雷达与ARPA》王世远大连海事出版社

基本要求：

1、符合《海洋学院毕业论文写作规范》的要求

2、论点鲜明，论据充分，层次分明，结构严谨，语言流畅。

进度安排：

查阅资料撰写论文

修改论文提交论文准备答辩

指导教师（签字）：

刘军

2010年3月9日

院（系）意见：

教学院长（主任）（签字）：

年月日

备注：

[摘要]雷达问世以来，作为船长的“眼睛”，在船舶定位、导航、避碰应用中，发挥了巨大作用，如狭水道中船舶转向发生碰撞或搁浅的概率较大，利用ARPA雷达来确定转向时机，控制船舶航行在安全的预定航线上，是避免船舶发生碰撞或搁浅的有效途径；ARPA雷达的尾迹功能更能及时准确地显示出周围船舶的动态，使我们迅速作出判断；ARPA雷达速度矢量线航法操作方便，用法简单，图像直观，且绘算精度较高，在许多方面是ARPA捕获、跟踪无法做到的；但是由于工作原理和设备性能等方面的原因，ARPA的功能还存在一定的局限性，船舶驾驶员如果完全信任和依赖ARPA进行避碰操作，就可能危及船舶的航行安全。

船舶驾驶员应了解ARPA的局限性，正确使用其功能，才能保证航行安全。

关键词：

雷达；狭水道；尾迹；局限性

Abstract：

Radarisregardedascaptain’s"eye"sincetheradarcameout.Itplayedabigroleintheshipnavigation,positioningandapplicationofcollisionavoidance.Theprobabilityisbiggersuchasshipcollisionorgroundinginthenarrowwaterway.ARPAradarisusedtodeterminethesteeringmoment.Theshipiscontrolledinthesafetyestimatedline.Itistheeffectivewaytoavoidcollisionorshipgrounding.ARPAradar’strailfunctionmoreaccuratelyshowsdynamicaroundtheship,wequicklymadejudgment.ARPAradarvelocityvectormethodisconvenient,simpleandintuitiveanditishighprecisiontopaintimage.Inmanyaspects,ARPAisimpossibletocaptureortrackingsometargets.Butbecausetheworkprincipleandequipmentperformanceandotherreasons,ARPAalsoexistcertainlimitations.ItmayendangerthesafetyoftheshipsailingiftheseamantrustandrelyonARPAfullyincollisionoperation.ThedrivershouldunderstandtheshiplimitationsandcorrectlyuseARPAitsfunctiontoensuresafety.

Keywords:

radar；thenarrowwaterway;trail;limitations

绪论

ARPA（automaticradarplottingaids）～中文为“自动雷达标绘仪”，是在普通雷达的基础上，根据人工标绘原理，增加计算机的输入、存储、计算、判断、输出、模拟、绘图、报警等功能发展而成的一种新型雷达。

ARPA与普通雷达相比，能够自动、连续提供必要的航行及避碰信息数据和对航行态势进行评估，驾驶员利用ARPA进行早期了望与判断，避免了盲目采取避让措施，大大减少船舶碰撞事故的发生。

狭水道中船舶转向发生碰撞或搁浅的概率较大，利用ARPA雷达来确定转向时机，控制船舶航行在安全的预定航线上，是避免船舶发生碰撞或搁浅的有效途径；ARPA雷达的尾迹功能更能及时准确地显示出周围船舶的动态，使我们迅速作出判断；ARPA雷达速度矢量线航法操作方便，用法简单，图像直观，且绘算精度较高，在许多方面是ARPA捕获、跟踪无法做到的。

但是由于ARPA的功能方面还存在局限性，完全的信任和依赖ARPA进行避碰操作，可能因为信息不可靠，判断失误而构成新的碰撞危险，引发碰撞事故。

因此有必要对ARPA的局限性进行细致的分析，并有针对性地采取一系列措施，消除和减少ARPA的局限性给船舶航行安全带来的不利影响，正确使用其功能，才能保证航行安全。

1船舶在狭水道水域利用ARPA雷达准确转向的方法

问题的提出

狭水道通常是指可航水域宽度有限，致使船舶不能自由操纵的天然水道。

狭水道中航行具有下列特点：

（1）航道狭窄弯曲，航行船舶没有足够的回旋余地；

（2）航行船舶的密度较大，来往船只和各类渔船比较密集；

（3）船舶吃水可能会受到水深的限制；

（4）航路附近的暗礁、浅滩多，风、流影响比较复杂。

因此，船舶在狭水道中航行发生碰撞或搁浅的概率较大，尤其是在狭水道中船舶转向，如果不能准确地控制船位，很容易造成船舶冲上暗礁和浅滩而导致搁浅。

因为在狭水道中船舶转向，船位并不好控制，如果在航道并不很宽，而航道附近充满着浅滩、暗礁，则船舶很可能在不知不觉中陷入危险，因而导致搁浅。

在狭水道航行时，可以充分利用天然物标多的特点，选择合适的叠标或导标来导航。

在一些航行比较困难的地区，为了使船舶能准确地按照推荐的航线航行，常设有方位叠标，当船已离开叠标线，叠标就会立即错开，有些港口，在一对主导标两侧还设有一对或两对较小的立标，称为外侧标和内侧标。

如前后左内侧标成一直线，说明船位已偏左离开航道中线，如前后左外侧标成一直线，则说明船位在航道左边边线上。

这样极易校对船位，使船舶保持在需要的航道线上航行，以防止搁浅。

如没有合适的叠标时，可以在航线前方或后方选择一个单独而明显的物标作为导标来导航。

下面是一种在狭水道水域转向时准确控制船位、以提高船舶航行安全的方法。

船舶转向中准确控制船位法

航线计划

首先对海图、航路指南、水文气象、经验介绍等有关资料进行详细的研究，结合本人经验选择航线。

此航线计划必须标出预定航线、转向所依据明显目标的安全方位及安全距离（即选定转向所依据的圆心和半径）如图1所示。

图1狭水道中航行，其典型的航线计划图

新航线和用舵线间距离（D）的解算法

在航线计划中已决定转向时和明显目标的安全距离（R），此时尚未决定的是用舵点，就是决定由原航向的哪一点开始用舵转向，当转向完成后，船位刚好在新航向上。

经过用舵点画一线和新航向平行，此线称为用舵线，用舵线和新航向间距离称为舵距离，用D表示，如图2所示。

图2狭水道中船舶转向计划图

D值的求解法如下：

图3D值求解图

Ｐ＝Ｒ（１－cos△Ｃ）

Ｆ＇＝Ｆsin△Ｃ

Ｄ＝Ｐ+Ｆ＇

Ｒ——旋回半径；△Ｃ——转向角；Ｆ——滞距，其值为1～2倍船长

利用ARPA雷达来准确控制转向后的船位

利用ARPA雷达来准确控制转向后的船位，除了选择一个明显目标作为转向的方位、距离依据，并用以计算出D值，如可行，另在船前方选出另一个明显目标，此明显目标的目的是用以控制转向后新航路和此明显目标距离等于某安全距离。

而ARPA雷达上备有电子方位线（EBL）与可变距离圈（VRM）。

现以图2为例来说明如何准确控制转向后的船位，由上述新航线和用舵线间距离的解算法，已求出D值为，必须在船前方另选一明显目标，此明显目标和新航向的距离为，故明显目标和用舵线的垂直距离=+=

转向控制的方法是先在雷达屏幕上选取VRM等于，并将EBL的航向设定为290°，使它与VRM相切如图4（a）。

当明显目标影像接触到EBL时即开始转向，当转向时将VRM重设为，并将EBL保持航向290°并切此新VRM，如图4（b）。

转向时利用雷达的EBL，使转向后明显目标影像保持在EBL上，此意味着新航向航迹和明显目标距离保持在，这就是准确控制转向后船位的方法。

此方法可让船舶行驶在危险水域转向时，能确保船舶行驶在安全航路上。

图4（a）利用EBL和VRM开始转向图4（b）利用EBL和VRM完成转向

结论

在狭水道中船舶转向，由于船舶受到外界各种因素的影响，在转向时很难控制船舶的准确位置，因而常导致船搁浅。

使用本法能够准确控制船舶转向后的船位，即使转向时船位有误差，只要在用舵线用舵，转向后将不会出现船位偏差，而使船驶至安全的预定航线上。

此法也可以应用在沿岸航行，随时可以了解本船航迹偏离航线的情况。

图5有船位误差时转向效果图

2ARPA雷达的尾迹功能及正确的使用方法

近年来在新型的ARPA雷达出现了一种尾迹功能，它有很多优点，是传统自动标绘功能的完善与发展，对了望、避碰有很大帮助。

带有尾迹功能的ARPA雷达较普通的ARPA雷达更能及时准确地显示出周围船舶的动态，使我们迅速作出判断。

尾迹功能的出现可以说是继自动标绘功能后雷达技术的又一次进步。

这里所说的尾迹与老式ARPA尾迹点功能不同。

尾迹点是ARPA跟踪计算出目标的动态数据后，根据设定的时间间隔，自动在屏幕上显示出目标的历史航迹点，它需要事先对目标进行跟踪与标绘。

而这里所说的尾迹功能是运用先进的电子技术，处理雷达屏幕上的回波图像，暂时延长回波的存留时间，使其在设定的时间内逐渐消失，这样屏幕上的移动目标就拖出了一个尾迹。

这和旧式雷达显示器上回波的余辉很相似，只不过它经过了电子处理，使尾迹更加清晰、准确，而且长度可调。

但是在航海实践中，这种先进功能却有相当部分的驾驶员所不熟知与接受，一些人对尾迹功能的优点与作用缺乏了解，不会正确使用。

还有一部分人出于传统习惯对其存有偏见，他们认为打开尾迹会增大海浪干扰，并会使屏幕显得零乱，因而不愿接受与使用这一新兴功能。

这就使得这一先进功能失去了应有的作用，同时带有尾迹功能的ARPA雷达的优势也无法发挥。

其实只要正确地使用尾迹功能，不但能有效地抑制海浪干扰，而且还有助于发现一些隐藏在海浪回波中的弱小目标，如渔船、灯浮等。

至于屏幕零乱，其实只是视觉上的零乱，而心中却能更加清楚地了解周围各船舶的动态，作为值班驾驶员这才是至关重要的。

因此我们一定要消除这种偏见。

尾迹功能的优点很多，总结起来主要有以下6大优点：

1、能够及早地发现来船。

当远处的来船刚刚进入雷达的视程内，回波较弱，在屏幕上时有时无，因此不易被发现，而打开尾迹后，回波在屏幕上有一定存留时间不会马上消失。

因此，即使是远处的十分微弱回波，也清晰可见。

特别是大洋航行使用大量程档（24nmile）时效果更明显。

实践证明，使用尾迹功能能够提前7-8nmile左右发现来船。

在沿海航行时用小量程档（6nmile）时，对灯浮等小型目标同样也能及早发现。

2、可以及早判断出来船的动态。

仅仅及早发现来船是不够的，及早地判断出来船的动态，有无碰撞危险才是最重要的。

对于远处的来船，由于回波较弱，ARPA通常无法捕捉与标绘。

而人工标绘在现代高亮度显示器上很不方便，因此只能待来船驶近回波增强后，再进行捕捉标绘，这就丧失了及早判断、及早避让的时机。

而打开尾迹功能后，只要远处的来船一经发现，就能通过其在屏幕上留下的尾迹，大致判断出它的动态，并能通过其尾迹的反向延长线是否过本船中心，准确地判断出有无碰撞危险。

3、对多船、复杂局面下的态势判断与避让，效果十分明显。

当船只较多时，特别对于是中、日、韩沿海众多的小渔船，ARPA的自动标绘功能就显得力不从心。

由于渔船的密度大、之间的距离近，ARPA的跟踪窗很容易发生目标交换或丢失的现象，造成数据错误。

另外，ARPA跟踪目标的数量有限，无法将屏幕上的目标全部跟踪，而此时使用尾迹功能，优势就十分突出，周围所有船只的尾迹均清楚地显示在屏幕上，无需进行人工捕捉。

如其中有一条船与本船存在碰撞危险，其尾迹的反向延长线必过本船中心。

因此，在众多船只中一眼就能看出那条船是危险船，及早采取避让措施。

对于那些混杂在渔船群中的大型货船和高速快艇，因尾迹长度相差很大，更容易分辨。

如本人有一次通过丹麦海峡，周围船只很多且能见度不良（视程小于1nmile）。

突然在雷达荧光屏上发现右舷舷角70°方向距离6nmile处有一来船，其尾迹与其它船差别很大，长度很长且反延线过本船中心。

判断其为高速渡轮在抢本船船头。

立即对其捕捉标绘，2nmile后显示出来船矢量线与数据：

速度46kn、mile。

立即采取减速避让措施，3nmile后其以安全距离通过船头。

如当时未使用尾迹功能，则在众多的船只中很难及早发现舷角70°的危险来船，待其驶近再进行跟踪标绘恐怕已来不及。

通过以上实例证明，使用尾迹功能有助于对当时局势作出正确判断，及早发现危险来船，进行有效的避让。

4、当态势发生变化时，尾迹反应迅速。

当本船或来船的航向、航速发生变化时，物标的尾迹立即发生变化。

而矢量线的变化需通过内部运算，其反应时间大大迟于尾迹的变化时间。

在使用6nmile以下的小量程档时尤其明显。

目标矢量线的反应时间通常要比尾迹慢2~3min左右。

对于及早判断本船或来船避让行动的效果，争取时间上的主动，尾迹的优势十分明显。

5、尾迹准确可靠，不会造成错误判断。

这主要是相对ARPA的矢量线而言。

目前，ARPA的航向数据主要来自电罗经。

因此严格地讲ARPA所显示的航向只是船首向，而不是本船真实的航迹向。

当本船转向时，雷达屏幕上的本船与来船的运动态势也逐渐发生变化。

这个过程通常需要2~3min左右。

对于那些经验不足的驾驶员往往会误认为在本船转向避让的同时，来船并未保向保速而是正朝着减小双方CPA的方向转向。

因此会对自己的避让行动产生怀疑，作出错误的动作，导致紧迫局面的形成。

这也是ARPA的局限性所在。

尾迹不同于矢量线，它只显示出来船的相对位置的变化关系，而不需要外来的航向航速信息。

当本船采取避让行动后，通过观察来船相对尾迹的变化，即可准确地判断出避让效果，准确可靠，绝不会误导出任何错误结论。

这又是尾迹的一大优点。

6、使用尾迹功能可有效地抑制海浪干扰。

海浪干扰是影响我们发现近距离弱小目标的主要原因，通常用海浪抑制旋钮来抑制干扰。

但抑制强度调大，会连同弱小目标一起抑制掉。

调小、又达不到抑制的目的。

因此抑制效果的好坏通常取决于使用者的经验。

对于大风浪天气，其抑制效果很难令人满意。

使用尾迹功能则能很好地解决这一问题。

打开尾迹时海浪杂波虽然看上去有些增强，但这些杂波相对本船呈静止状态，无尾迹产生。

其他弱小目标相对本船均有一定速度（同向同速除外）能拖出长长的尾迹，因此它与海浪回波明显不同，从而很容易判断出隐藏在杂波中的小船。

以上分析了尾迹功能的主要优点和它的作用。

但和任何事物一样，它也存在着自身的缺点与不足。

首先，尾迹只能显示出来船相对于本船的位置变化关系，而不能像被ARPA跟踪的目标一样，显示出来船的航向、航速、CPA、TCPA等数据。

因此，它只能帮助我们大致地判断来船的动态，如果想了解来船的各项参数还必须依靠ARPA对来船进行跟踪标绘。

另外，由于目前技术的限制，当进行需刷新屏幕的操作（如改变量程、改变运动方式等）时，目标尾迹会消失，要等待数分钟后才能重新形成尾迹。

这就造成对目标观察的不连续。

ARPA标绘出来的矢量线却不受此限制。

因此尾迹功能只是对ARPA标绘功能的增强与补充，而无法取代之。

我们要正确了解二者的关系，取长补短配合使用，首先要打开尾迹功能，在对周围船只动态有所了解的情况下，还要对重点船舶进行标绘。

这样就能充分发挥二者的优势。

和标绘功能一样，尾迹功能在使用中也有一些需要注意的地方。

我们必须充分了解这些注意事项做到正确使用，才能充分发挥其功效。

否则很可能适得其反。

除此之外还要提起注意的是：

尾迹功能也可和海浪抑制、雨雪抑制旋钮配合使用，但要注意的是一定要在开启尾迹功能前，将海浪抑制和雨雪抑制调节好，然后再打开尾迹。

否则将无法调节好上述两个抑制，这是尾迹功能的原理决定的。

第三点须注意的是：

矢量线分为相对矢量线和真矢量线，同样尾迹也分为相对尾迹和真尾迹。

所不同的是，矢量线可用按钮在真与相对之间互相切换，而尾迹的真与相对是取决于雷达的运动方式。

雷达处于真运动时物标在屏幕上拖出真尾迹；处于相对运动时则拖出相对尾迹。

无法通过按钮进行切换，只能通过改变雷达的运动方式来变换。

当雷达的运动方式改变时，以前的尾迹消失，要经过几分钟后，新变换的尾迹才重新显示出来。

真尾迹的准确度受到计程仪精度的制约，它只适用于沿岸或狭水道航行。

相对尾迹值记录本船与来船的相对位置变化关系，与计程仪无关，因此准确度很高。

只有通过相对尾迹的反向延长线，才能判断出与来船是否有碰撞危险。

相对尾迹广泛应用于海上航行与避碰中，如果它与真矢量相配合使用，则来船的相对运动趋势与真运动的航向将同时显示在屏幕上，使驾驶员对来船的动态作出充分的了解。

在沿岸航行时，为防止岸上目标拖出的尾迹影响对岸形的观测，通常使用真尾迹。

为防止因计程仪不准造成的误差，可按AUTODRIFT键来自动跟踪某一固定物标（如：

灯塔、小岛等）即可修正计程仪的误差。

另外通过按TRAIL键可以选尾迹长度。

从10s至20min，分为9档可供选择。

使用时要根据量程的大小来选择适当的尾迹长度，既要保证足以判断来船的动态，又不使屏幕过于零乱。

以上仅总结了使用尾迹时要注意的问题。

但作为值班驾驶员，还必须对雷达有正确的认识。

必须要明白，再先进的雷达，再先进的功能，只能帮助我们进行判断与避让，人的判断与抉择才是至关重要的。

同样人眼的目视了望任何时候也不能被雷达所替代。

作为船舶的驾驶者，一定要紧把时代的脉搏，不断地学习掌握包括ARPA雷达在内的各种先进助航仪器，作为自己得力的武器，为船舶安全航行服务。

3ARPA雷达矢量线航法

ARPA雷达的问世给船舶驾驶带来了空前的革命，只要轻轻动一下几个按钮，便能较为准确地获悉周围船舶的运动要素及相对于本船的方位、距离、CPA、TCPA等重要导航信息，使驾驶人员从烦琐的绘算中解脱出来。

然而ARPA雷达也有其自身的不足，ARPA雷达的向位基准是由罗经提供的，这其中必有误差，因此ARPA雷达提供的导航信息也含有误差。

ARPA雷达的另一个不足之处是ARPA雷达不能对所有的回波（如弱回波、面积较大的回波）进行稳定跟踪，从而也就无法提供相关的导航信息。

本文所述的ARPA雷达矢量线航法是避开ARPA雷达的这一不足而采用的一种新型航法。

ARPA的矢量线

矢量线含义

用数学语言来讲，矢量线是指有大小有方向的线段。

本文的“ARPA雷达矢量线”是指ARPA雷达上的速度矢量线。

从ARPA雷达显示器上可见，矢量线的长度与航速和矢量时间成正比，航速越大，矢量时间越长，则矢量线长度越长。

在平常的操作中，一般采用改变矢量时间来改变矢量线长度。

如图6，ab、bc距离均为mile，本船速度14kn，矢量时间为6min时，本船的矢量线长度为mile；当矢量时间调整为12min时，本船的矢量线长度为mile。

用改变矢量时间来改变矢量线长度通常用于雷达量程的切换上，如雷达量程由12nmile切换到6nmile时，就应相应调小矢量时间，缩短矢量线长度，否则雷达显示器上将显得很乱。

反之，如雷达量程由6nmile切换到12nmile，就应相应调大矢量时间，增加矢量线长度，使雷达显示器上被跟踪目标的矢量显得更为直观。

本船矢量线

（1）真运动显示模式。

本船的速度矢量由<1;提供，方向为自本船向外，大小为本船对地实际航速。

当风流压差角为零时，本船的速度矢量与船首线重合；当风流压差角不为零时，本船的速度矢量与船首线存在一定的夹角。

图6

（2）相对运动显示模式。

本船的速度矢量为零。

他船矢量线

他船的速度矢量线是由ARPA雷达经过录取、跟踪、计算、标绘所得出的。

采用真运动显示模式时，他船的速度矢量线方向自他船向外，大小为他船对地实际航速；采用相对运动显示方式时，他船的速度矢量线方向自他船向外，大小为他船的速度矢量减去本船的速度矢量。

矢量线航法

以本船在虾峙门航道航行为例，设航速为14kn，静止回波为下栏山和上溜网重岛灯桩。

改变矢量时间

在航速一定的情况下，通过改变矢量时间，可以达到调整矢量线的长短。

矢量时间越大，则速度矢量线越长；反之，矢量时间越小，则速度矢量线越短。

（1）计算本船抵达静止回波所需时间。

如图7所示，当需要知道本船还需多少时间到达下栏山时，只需调节本船的矢量时间，使速度矢量末端延伸到下栏山即可。

然后从雷达上读取矢量时间，此时间即为本船抵达下栏山所需时间。

图7

（2）计算本船抵达静止回波时他船的方位距离。

如图8所示，当需要知道本船在抵达下栏山时他船的方位距离时，首先调节矢量时间，使本船的速度矢量末端延伸到下栏山，此时他船的速度矢量也随之变化，然后从雷达上直接量取他船的速度矢量末端相对于船速度矢量末端的方位距离即可。

（3）计算本船与他船交会时刻。

如图9所示，设当前时间为1800，调整矢量时间，使本船速度矢量末端与他船速度矢量末端交会，则此时的矢量时间即为本船与他船交会所需时间，所以，本船与他船交会的时刻为1800+当前的矢量时间。

（4）计算本船通过狭窄水道的时间段。

设本船通过虾峙门水道上溜网重岛灯桩到下栏山一段，当前时间为1800，用矢量线法求出本船通过上溜网重岛灯桩到下栏山这一段的时间段。

如图10所示，很显然，本船通过上溜网重岛灯桩的时间为1806，通过下栏山的时间为1812，即本船通过上溜网重岛灯桩到下栏山这一段的时间段为1812-1806。

图8

图9

图10

改变航速

在矢量时间一定的情况下，通过改变航速，也同样可以调整矢量线的长短。

航速越大，则速度矢量线越长；反之，航速越小，则速度矢量线越短。

（1）准时准点靠码头。

在船舶驾驶中，能准时准点靠码头是最能体现船长水平的。

在船接近码头时，船长首先要考虑的就是对船速的控制，但船速究竟在距离码头多远处进行控制，控制在什么范围内为好，尚且没有定论。

多数船长是根据以往靠码头的实操经验来控制船速的，但多少还是有误差的，不是提前