关于雷达在船舶导航的作用

关于雷达在船舶导航的作用

船用雷达是一种传统的无线电导航设备，在船舶近海定位、引导船舶进、出港，窄航道航行以及在避碰中发挥作用。GPS导航仪在海洋船舶中已普遍使用，它与雷达相比具有全球、连续、实时、高精度、多功能等优点。随着海用信标差分GPS(DGPS)基台的不断建立，可将使用GPS C/A码的定位精度提高到米量级。因此，还可应用DGPS或GPS导航仪来改善雷达的使用性能，测定雷达测距、测向精度，弥补雷达在避碰和锚位监视等方面的某些局限性。

2 GPS与雷达的定位与导航功能
2.1 定位功能
船用雷达发射无线电波，并接收该电波从目标反射的回波，在显示器上一目了然地显示周围物标相对于本船的图像。测定一个或几个固定物标相对于本船的方位和距离，可在海图上作出船位。由此可见，雷达对于船舶在近岸海区或窄航道上安全航行发挥重要作用，特别是在雾航中更加显示它的重要性。但是，由于受到雷达电波传播的视距所限，探测物标的距离通常只有几至几十海里，不能用于远洋定位。 GPS导航仪同时跟踪3颗或4颗卫星信号，测定到达卫星的伪距，通过导航仪内部计算机解算，实现实时、连续、全球、高精度定位，可弥补雷达不能实现远洋定位以及定位不连续、定位操作工作量大等缺点。
2.2 导航功能
30m左右的中型引航船。考虑到天津港冬季多大风，
锚地无遮蔽，以及在海况好时的工作方便，可考虑配置1艘不小于40m的大型子母引航船。天气及海况不好时，可单独执行任务；海况好时，可将其携带的2艘高速艇放下，共同执行任务。如子母船的设想不能成立，也可只配置1艘大型引航船，另配置2艘高速艇。 无论任何型号的引航船(艇)，在设计上必须考虑到靠船的要求和引航员上、下船的方便。
3.3 对速度和操纵性能的要求 引航船在速度上不能低于16kn。 高速艇一般不能低于20kn。 从操纵灵活的要求出发，采用可变螺距船；驾驶操纵系统，应以方便1人操作为原则；大型引航船，还应加装首侧推器。
3.4 要配置先进的雷达及通信设备
另外，船身应为白色，并在明显处标注英文“引航(PILOT)”。
以上仅是对引航船提出一些的初步设想，根据规范化及国际大港口的要求来考虑，配置专用引航船是非常必要的。

普通船用雷达要获得航速、航向航迹等航行数据，需通过几次定位，由人工标绘实现。自动雷达标绘仪(ARPA)虽然自动显示上述数据，但存在跟踪延迟和雷达、计程仪、罗经等传感器引入的误差。另外，由于ARPA设备昂贵，不能在所有的船上安装。 GPS导航仪采用现代电子计算机技术，可实时计算并显示航速，航向，航迹偏差，风、流压差，还具有设置航路点、计划航线、显示到达航路点的距离、时间等导航功能。

3 GPS的避碰功能
船用雷达测定海上运动物标和静止物标的距离、方位等相对参数，通过人工标绘得到最近会遇距离(CPA)和到达最近会遇点的时间(TCPA)等避碰数据，驾驶员根据这些数据及时采取避让措施。但是，有些物标反射回波微弱，操作人员难以看清它们的回波图像，ARPA有可能对它们漏跟踪或错误跟踪而不能提供避碰数据。在气象条件恶劣时，出现严重的海浪回波干扰或雨、雪回波干扰，上述丢失物标的现象时有出现。对于未露出海面的暗礁、沉船、浅滩等潜在物标，雷达更是无能为力。根据海图和航海通告事先查出在航线附近水面危险的小物标和水下的潜在障碍物，把它们作为航路点在GPS导航仪中存贮，并根据障碍物和船舶状况设置报警范围。在航行中，驾驶员可以随时检查这些物标相对于本船的距离和方位。一旦船舶进入所设定的报警范围的边界，GPS导航仪立即发出报警，驾驶员作出避让措施。

4 GPS辅助雷达定位
雷达定位的难点是正确识别物标，对于不大熟悉雷达观测的驾驶员更是如此。若用雷达观测几个比较接近的非独立物标，由于物标回波图像边缘扩大、失真等原因，这些物标的回波图像难以清楚分开，因而观测雷达图像找不出与海图所对应的物标，或把一物标回波图像错认为另一物标的回波图像，获得错误的雷达船位或造成不能允许的船位误差。又由于在海图上查找雷达回波反射点要耽误时间，因而定位是不连续、不实时的，获取船位的时间滞后于实测船位的时间。滞后时间的大、小与观测者对雷达观测的熟练程度有关。
普通的GPS导航仪，除了直接存贮任一位置的经、纬度以外，还可输入当前位置到达雷达测量位置的距离、方位，计算并显示物标的所在位置的经、纬度。若把雷达测定的物标的距离、方位数据迅速输入GPS导航仪，根据它显示的经、纬度数据，可迅速在海图上找到对应的物标，由此作出雷达船位。用此方法取得的雷达船位比用常规法作得的船位准确、可靠，避免因识别反射物标错误而引起雷达船位错误或偏差，标绘所用的时间也可明显缩短。如果将雷达测定的距离和方位数据通过接口和控制装置输入GPS导航仪，导航仪就不需人工干预直接显示相应物标所在位置的经、纬度。

5 锚位监视功能
在船舶锚泊时，船用雷达可通过测定陆标的方位和距离监视本船的锚位偏离状况，也可通过测定到达他船的方位和距离监视他船的漂移状况，一旦发现本船和他船走锚，便可采取相应的措施避免发生事故。GPS的锚位监视是以锚位点为中心，输入的设定距离为半径，一旦天线所在位置超出此范围，即被认为走锚而发出报警。监控半径大、小的选择要根据GPS导航仪的定位精度、周围环境及船舶状况而定。由于GPS具有较高的定位精度，可以减小设置监控半径，提高监控灵敏度。若采用DGPS可进一步减小监控半径，提高监控灵敏度。通常，GPS导航仪的最小设置监控半径为0.1n mile。 虽然GPS不能监视他船的锚移状况，但对本船的锚移监视具有不需通过测定物标定位、监视灵敏度高、快速实时等优点。GPS与雷达相结合的锚位监控手段，对防止大风造成的损失可起到很大的作用。

6 DGPS测定船用雷达测向、测距误差
6.1 测定方法
在近海航行或锚泊的船舶，选择一个独立、显著的固定物标测定雷达船位，同时测定DGPS或GPS船位作为参考位置，通过在海图上作图可得到雷达距离测量误差ε↓R和方位测量误差ε↓B(如图1所示)。图中，T为物标位置；R、G分别为雷达船位和DGPS(或GPS)船位；R↓r、R↓g分别为雷达船位和DGPS(或GPS)船位到达物标的距离；α↓r、α↓g分别为雷达和DGPS(或GPS)得到的目标方位角。显然：ε↓R=R↓r-R↓gε↓B=α↓r-α↓g
用GPS测定雷达的测向、测距误差 更简便的方法，是将被观测物标所在位置经、纬度作为航路点输入本船导航仪，导航仪自动计算到达物标的距离和方位。将雷达测定的距离和方位值分别减以导航仪计算值，便可得到ε↓R和ε↓B。 选用不同的雷达量程，改变被测船位置，使被观测物标回波尽量接近显示器荧光屏边缘，以便测定雷达在不同量程上的ε↓R和ε↓B。若锚泊测定可多次获取DGPS(或GPS)参考船位和雷达船位，计算ε↓R和ε↓B的平均值，以免单次测量的偶然性。
6.2 测定精度
根据国际海事组织(IMO)通过的关于船用雷达使用性能标准的A477(Ⅻ)协议，船用雷达测量位于显示器边缘物标方位误差不超过1°，利用距标测量物标距离误差不超过量程R的15%或70m。因此，要求DGPS或GPS定位误差引入的ε↓R、ε↓B的误差δ↓R和δ↓B远小于上述雷达允许的测距和测向误差。
GPS在海上95%概率的径向定位误差为100m，而DGPS优于10m。因此，用GPS或DGPS导航仪测定雷达测距误差的精度δ↓R分别为100m和10m。前者在6n mile以上中、远量程上满足δ↓R＜1.5%R的要求，后者在所有量程上满足δ↓R＜1.5%R和70m的要求。 如图2所示，δ↓B的大、小与物标至船位的距离R↓g和GPS的定位误差d有关δ↓B≈5.73d/R↓g(°)

7 GPS与雷达配合应用需注意的问题
7.1 GPS导航仪的坐标变换
GPS的坐标基准是采用美国推出的1984年世界大地测量坐标系(World Geodetic System)，即WGS-84测地系统。因此，GPS导航仪的定位解算统一采用WGS-84地球椭球参数。对于上述GPS与雷达配合使用，要求GPS导航仪输出结果与该区域的地图采用一致的坐标系统。只有这样，才能取得吻合的坐标值，不因所用的地图(含海图)与GPS的坐标系不一致而引入系统偏差。实际上，由于历史与地域等原因，目前各国地图(含海图)所采用的椭球和投影不尽相同，并非采用与WGS-84一致的坐标系统。例如，我国现行地图(含海图)广泛采用1954年北京坐标系
BEJ-54，在我国本土上它与WGS-84在经度与纬度方向误差达到几十米至一百多米。因此，在GPS导航仪中有必要将WGS-84系统转换成所需的各种坐标系。