07导航雷达第七章雷达目标跟踪与AIS

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信息处理与显示系统传感器陀螺罗经或THDSDMEEPFS、AIS等其他传感器I/O接口及视频处理器跟踪器信息处理器雷达视频天线角位置与船首标识定时脉冲艏向航速图7-1-1目标跟踪装置原理框图雷达位置、识别水文地理信息主控制器综合信息显示与操作控制雷达信息（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（一）传感器功能：（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。（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。（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1min之内可获得目标的运动趋势，在3min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。（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；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10000GT的船舶配备的雷达可不具有自动捕获目标的功能。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。跟踪树第一次探测位置第二次探测位置估算位置滤波位置第三次探测位置第四次扫描目标输出窗口第五次扫描探测位置滤波位置估算位置跟踪窗发现目标重新跟踪ARPA目标跟踪原理位置滑动滤波停止窗口放大跟踪位置窗口缩小窗口稳定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。一般大（0.18nmile）、中（0.125nmile）、小（0.07nmile）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。跟踪窗尺寸对跟踪性能的影响：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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;（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CPALIM/TCPALIM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。二、雷达目标跟踪基本原理（六）目标跟踪流程未跟踪目标确认丢失人工捕获自动捕获丢失目标跟踪目标确认危险删除目标图7-1-3雷达目标跟踪流程危险目标确认删除报警报警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。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12nmile，目前多数雷达从0.75nmile~24nmile量程都具有目标跟踪功能。通常驾驶员可以在6~12nmile量程捕获目标和判断目标碰撞危险，在6nmile量程确定对危险目标的避碰方案，在3nmile量程实施避碰行动和评估避碰效果。（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1min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。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CPALIM/TCPALIM，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。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。CPALIM/TCPALIM在航海上设置的惯例：结合海上避碰规则，大洋航行时CPALIM通常为2nmile左右，TCPALIM通常不低于18min；近岸航行时，结合上述因素考虑安全界限，CPALIM可为1~2nmile，TCPALIM通常为12nmin以上；狭窄水域航行时，雷达避碰的局限性比较大，特别当CPALIM设置小于0.8nmile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、目标捕获船舶大小500GT以下500GT至10000GT以下及10000GT以下高速船所有10000GT及以上船舶最少捕获雷达目标数203040SOLAS公约雷达最少捕获跟踪目标数量（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（8nmile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。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。（二）自动捕获（a）环形区（b）环/扇形区配合（c）多边形及排除区1、设置警戒/捕获区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8~12nmile范围可设置为雷达警戒区，在6nmile左右设置目标捕获区，近于1.5nmile的范围最好设置为排除区。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。（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。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1min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。在3min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12nmile量程上有效。目前多数雷达从0.75nmile量程到24nmile量程都具有目标跟踪功能。（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。相对矢量应用1：判断碰撞危险CPALIM圈相对矢量应用2：估算CPA和TCPACPA相对矢量应用3：估算BCR和BCTBCR相对矢量应用4：预测目标未来的位置20min后目标的位置真矢量应用一：直观地判断会遇态势T2T1T3T4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；T4为固定目标，互不影响真矢量应用二：判断碰撞危险T3真矢量末端间距若小于CPALIM，则有碰撞危险T1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（PastPosition）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。新的性能标准要求雷达的过去位置模式与矢量模式保持一致。过去位置的应用：1、用于判断目标是否机动：相对过去位置用于判断目标相对于我船是否机动；对水真过去位置有助于在避碰行动中了解目标机动航行情况，掌握航行态势。对地真过去位置有助于在导航中了解本船是否沿正确航道航行。过去位置显示判断目标机动雷达选择对水真运动：本船O保速右转目标T1保速保向目标T2加速保向目标T3保速右转目标T4为水上漂浮目标过去位置的应用：2、检查雷达目标跟踪能力：在本船保速保向航行时，