CN104777480A

CN104777480A - 一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统

Info

Publication number: CN104777480A
Application number: CN201410017386.7A
Authority: CN
Inventors: 黄研; 张俊; 陈林木
Original assignee: Hangzhou One Sailing Boat Oceangoing Ship Equipment And Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou One Sailing Boat Oceangoing Ship Equipment And Technology Co Ltd
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-07-15

Abstract

本发明涉及通讯技术领域，关于一种雷达报警系统，尤其是关于一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统。包括电源模块；与主雷达的接口模块；模/数变换模块；数据处理与方程解算模块；电子罗盘模块；数据与图形显示模块；报警器驱动模块。本发明的优点在于：通过该系统能够实现主动计算相关数据，从而便于船只避开有安全隐患的行驶航线，主动避免船只、岛块或漂浮物的撞击，具备主动式防碰撞功能。

Description

一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，关于一种雷达报警系统，尤其是关于一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统。

背景技术

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。现有船舶防碰撞系统主要包括一般船载雷达、相控阵雷达（APAR）、自动雷达标绘仪（ARPA）、船舶自动识别系统（AIS）和渔船监控系统。1、一般船载雷达：雷达具有全天候自动发现目标的特点，且具有不受雾、云和雨阻挡的穿透能力，应用在航海方面主要是发挥了“眼睛”的作用，雷达“看”到目标后，能显示目标的距离和方位等信息，为船舶提供导航和防碰撞的参考依据。但一般船载雷达不能准确分辨危险目标，不具备主动防碰撞功能。2、APAR雷达：一种相控阵雷达，工作方式有别于机械扫描雷达，它通过电子技术控制雷达的波束指向快速变化来实现扫描。其功能特点是可同时自动发现、跟踪250个以上目标，具备主动防碰撞的功能。APAR雷达是重要的军事雷达，尚未实现民用。3、ARPA雷达：一种自动雷达标绘仪，装备这种标绘仪的雷达通常称作“避碰雷达”，能人工或自动发现目标，发现后能自动跟踪并显示目标的航向和航速。其功能特点是：可人工选定20个以上跟踪目标，通过设定双方最近会遇距离（CPA）和到达最近会遇距离的时间（TCPA）允许界限，当跟踪目标的会遇距离或时间小于设定的界限时，会自动报警提醒本船驾驶人员采取避让措施。其选定跟踪目标的方位、距离、航向、航速、最近会遇距离和到达最近会遇距离的时间等各种信息均显示在雷达屏幕上。ARPA雷达具备主动式防碰撞的功能，但对操作人员的要求较高，与现阶段渔船船员的文化水平不适应，且ARPA雷达价格昂贵，多数渔民目前难以承受。4、AIS-A系统：一种新型的助航设备，由AIS-A船台、AIS基站、AIS岸台和VHF、GPS网络等组成。其功能特点是：安装AIS-A船台的船舶能自动、定时将本船的精确动态信息和静态信息发送给基站、岸台和安装AIS-A船台的船舶；对进入设定的双方最近会遇距离（CPA）区域内安装AIS-A船台的所有船舶都会发出报警；能发送SOS信息；能在AIS岸台回放所有安装AIS-A船台船舶的航迹，为事故处理提供参考依据。AIS-A船台不具备准确分辨危险目标的功能，易误报警，对未安装AIS船台的船舶不具备发现和跟踪能力，操作要求高，设备价格较高。5、AIS-B船台：是针对渔船研发的、简化功能的AIS-A船台，增加了距离报警功能：对驶入距本船3海里范围内的安装AIS船台的所有船舶实施报警，并在屏幕上闪烁这些目标，对本船在航行中而对方处于锚泊状态的船舶不报警；其余功能、缺陷基本与AIS-A船台相似，但设备价格合理。6、渔船监控系统：是运用电信、移动、CDMA、北斗星卫星等通信系统，由监控终端、基站、岸台和VHF、GPS网络等组成，实现渔船与岸台的信息交换。其功能特点是；能使管理部门全面掌握渔船分布的动态、监控渔船安全生产；能发送和接收安全生产相关信息；能在处理渔事纠纷、渔船发生事故后有效施救和提供事故参考证据等方面发挥事中、事后作用。渔船监控系统基本不具备防碰撞功能。综上所述，如图1中的表格所示，○表示符合△表示有条件符合×表示不符合，虽然关于渔业船舶安全的产品很多，各有各的优势和特点，但都不是渔业船舶真正的主动防碰撞设备，都是比较被动的预防，这对于航行来说都无法自行的彻底消除相应的隐患。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种通过雷达能够主动收集，读取航行过程中附近船只与己方船只航行的相关数据的报警系统。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，包括下列模块：

电源模块；为报警系统提供工作电源；将不稳定的船电进行稳压、滤波、交直流转换；

与主雷达的接口模块；配不同型号雷达接口；将雷达的扫描信号导入到报警系统；

模/数变换模块；非数字雷达的扫描信号为模拟信号，通过此模块转换后，以提高报警系统报警的准确性，减少误报警及便于识别目标，同时提高抗干扰性；

数据处理与方程解算模块；与雷达数据采集模块连接，系统进行目标识别、危险目标的筛选、抗干扰、目标未来航向解算、报警信号的发出、危险等级的判断和取消等所有的功能均由此模块进行，是系统的核心；

电子罗盘模块；为系统提供独立的方为基准，保证系统能够独立准确判断本船及他船的相对位置和未来航迹方向；

数据与图形显示模块；将系统内部运算出的结果，包括本船和他船在设定量程内的距离、方位、未来航迹的位置信息；危险目标船的位置、方向、预计碰撞时间和航迹等信息通过图形、符号及表格数据的形式显现在显示器上，以便操舵人员直观准确的判明当前形势，并采取相应的避碰措施；

报警器驱动模块；将系统即时处理信号与系统设定的危险报警参数值进行实时比对，当即时信号值达到危险报警参数值时，触发报警，当危险条件消失，即时解除报警。

在上述的用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统中，所述的数据与图形显示模块连接有数据与图形显示器；报警器驱动模块连接有声/光报警器。

在上述的用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统中，所述的数据处理与方程解算模块能够实现滤除静止地物目标算法和最大运动概率目标身份分配算法，以及海杂波背景下的目标筛选算法。

在上述的用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统中，所述的数据处理与方程解算模块和电子罗盘模块能够实现船舶自身摇摆、旋转、航速不均等的补偿算法

在上述的用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统中，所述的数据处理与方程解算模块还能够实现船体大小的补偿算法。

在上述的用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统中，所述的数据处理与方程解算模块和电子罗盘模块还能够实现雷达测距、测向精度的补偿算法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过该系统能够实现主动计算相关数据，从而便于船只避开有安全隐患的行驶航线，主动避免船只、岛块或漂浮物的撞击，具备主动式防碰撞功能；通过系统的显示仪能够将报警分等级，准确度高。另外，它还具备以下特点；1）连续自动跟踪目标不少于30个；2）识别危险目标并自动评估、判断其危险程度；3）对危险目标按三个危险等级及时启动相应的报警；4）以图形和数据形式直观显示危险目标的方位、距离等信息；5）对非危险目标不误报警，对危险目标不漏报警，误警率低于10％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有产品实际功能评价表；

图2目标船的相对运动模型图；

图3危险等级区域划分；

图4坐标的旋转考虑和雷达测量与计算关系图；

图5分析船舶碰撞的实际模型；

图6本系统的模块结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图6所示，一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，包括下列模块：

电源模块1；为报警系统提供工作电源；将不稳定的船电进行稳压、滤波、交直流转换；

与主雷达的接口模块2；配不同型号雷达接口；将雷达的扫描信号导入到报警系统；

模/数变换模块3；非数字雷达的扫描信号为模拟信号，通过此模块转换后，以提高报警系统报警的准确性，减少误报警及便于识别目标，同时提高抗干扰性；

数据处理与方程解算模块4；与雷达数据采集模块连接10，系统进行目标识别、危险目标的筛选、抗干扰、目标未来航向解算、报警信号的发出、危险等级的判断和取消等所有的功能均由此模块进行，是系统的核心；它能够实现滤除静止地物目标算法和最大运动概率目标身份分配算法，以及海杂波背景下的目标筛选算法；以及船体大小的补偿算法；

电子罗盘模块5；为系统提供独立的方为基准，保证系统能够独立准确判断本船及他船的相对位置和未来航迹方向；通过与数据处理与方程解算模块的结合能够实现船舶自身摇摆、旋转、航速不均等的补偿算法；以及雷达测距、测向精度的补偿算法。

数据与图形显示模块6；将系统内部运算出的结果，包括本船和他船在设定量程内的距离、方位、未来航迹的位置信息；危险目标船的位置、方向、预计碰撞时间和航迹等信息通过图形、符号及表格数据的形式显现在显示器上，以便操舵人员直观准确的判明当前形势，并采取相应的避碰措施；

报警器驱动模块7；将系统即时处理信号与系统设定的危险报警参数值进行实时比对，当即时信号值达到危险报警参数值时，触发报警，当危险条件消失，即时解除报警。

数据与图形显示模块连接有数据与图形显示器9；报警器驱动模块连接有声/光报警器8。

工作时，如图2所示，设定我船位置始终在坐标原点O，我船航向始终沿Y轴方向航行，我船运动时，坐标系随着一起运动。根据相对运动原理，不管我船和目标船如何运动，都可以认为我船不动，目标船以某一合成的相对速度与我船作相对运动。如虚线C所示，系统与雷达天线扫描同步，以2.5秒的采集周期从主雷达采集目标位置信息，通过避碰设备一系列硬件/软件变换和相关处理后，拟合出目标的历史航迹（C段虚线）和当前位置（A点）以及当前相对航向角θ，计算出目标当前相对速度、径向速度（与我船接近的速度），进一步预测出目标的未来航迹L、目标的航路捷径（目标船与我船的最近会遇距离）S、航路捷径点（最近会遇点）P的方位角以及到达航路捷径点的时间t_S，可以看出，目标当前距离R越小，径向速度V_R越大，碰撞危险性越大，V_R为负值时，表示目标船远离我船，无危险；V_R为正值的条件下，S越小碰撞可能性越大，一旦S=0就意味着两船将会零距离接触，如果不采取避撞措施必然相撞；t_S是目标从当前位置运动到最近会遇点的时间，t_S越长，给我船提供的避撞预警时间就越充裕，我船便有足够的时间采取措施主动规避碰撞，反之，t_S越短越表明碰撞危险迫在眉睫；是两船最近会遇点的相对方位角，当采取主动避撞措施时，φs为驾驶员提供驾驶参考。以上五个参数定量反映了碰撞危险性的大小，我们称其为目标的危险度参数。为了使这五个危险度参数具有实际针对性和便于判断，系统将我船周围的区域做图3所示的危险区域划分。

多目标重叠和分离的身份识别算法，以及海杂波背而额外送的个人天景下的目标筛选算法：

船舶碰撞危险判断的前提是能够发现、识别并持续地跟踪他船，采集到准确、足够的先期数据。在海洋环境中，他船和地物背景及他船之间的频繁重叠和分离、海面波浪反射杂波等因素会对发现、识别和跟踪目标产生干扰。

多目标重叠和分离的身份识别算法：对于目标的重叠和分离，本项目设计了滤除静止地物目标（保留运动目标）和最大运动概率目标身份分配两种算法，有效解决了跟踪问题。具体方法是：

滤除静止地物目标算法：分别记录T=0和T=Ti两个时刻所有目标参数并储存，参考渔船实际航行速度均在15节以下的实际情况，当系统计算出从T到Ti时间段内所有目标相对本船的运动速度后，与我船最高航速相比较，大于15节的目标定义为动目标，予以保留；小于15节的目标定义为静止目标，予以滤除。

最大运动概率目标身份分配算法：由于渔船的最高航速为15节，同时雷达天线扫描周期为2.5秒，所以目标在T=0这个时刻经过2.5秒后可能出现的位置是以T=0时刻的位置点为圆心，半径为20米的圆形面积内任意一点，理论上目标1和目标i在T=0时刻处在相距大于20米的位置时，系统分配两个目标编号，当相对距离小于20米时，系统认为是一个目标，分配一个目标编号，同时认为这个目标的中心位置在目标的几何中心。由此，当两个目标重叠时，原有的两个目标编号和相对应的相关参数被清零，系统重新分配一个编号给重叠后的目标，并以此为时间起点采集相关航行参数，进行滤除运算；反之，重叠目标分离后，原有的身编号和相应参数清零，并分配两个编号，同时开始记录航行参数，进行滤除运算。

海杂波背景下的目标筛选算法：从海面杂波中发现目标采用硬件电路门限条件来实现，主要原理是利用渔船目标信号强度大于海面杂波信号强度的条件，在滤波电路中设置有效信号波幅下沿值，大于下沿值的信号为有效值并送入后续电路，小于下沿值的信号为杂波，予以滤除。

船舶自身摇摆、旋转、航速不均等的补偿算法

如图4所示，在海洋中航行的渔业船舶（含我船和他船）实际航线和状态并非始终保持一致，具有多样性，我船的摇摆（包含横摇和纵摇），将导致目标船在系统中产生一个高速伪速度；我船自身的旋转会引起不同时刻坐标系的不唯一性；航行速度不均匀性和航迹的S形，将导致系统报警频繁的断续。这些都将影响报警有效性和准确性，必须加以解决。

针对我船的摇摆和我船及他船的航行速度不均匀性和航迹的S形，本项目使用数据采集周期按照相对距离不同进行分级的方法来解决。即当系统得出目标在3海里以内时，天线扫描5个周期做一次数据采集；3～5海里之间时，15个周期采集一次数据；5～8海里，25个周期采集一次数据。

针对我船绕自身旋转的问题，如果我船和他船均无相对航行运动，但是我船在就地旋转，会引起坐标XOY旋转，系统内将产生一个伪速度，本项目通过引入电子罗盘来记录不同时刻的坐标，通过补偿运算来修正由于我船自身旋转所产生坐标偏移，有效解决了旋转问题。

考虑船体大小的补偿算法

如图5所示，在实际情况下，船只并不是一个点，而是一个相当大的刚性体积，船舶碰撞也不是两个点的碰撞，而是在海面上运动着的两个圆形板块的碰撞。因此必须对模型中的数据加以修订，对应的理论航路捷径的安全阈值即最低门限值至少应设置成RT=a+b，只当R_min>RT（即rmin>0）才是安全的。

考虑雷达测距、测向精度的补偿算法

如图4所示，在相对运动坐标系中，t=0时刻，我船雷观测到目标在A点，并测量到距离为R₀方位为φ₀，在t=t₁时刻，我船雷观测到目标在B点，并测量到距离为R₁方位为φ₁。A、B和坐标原点O确定了一个平面三角形OAB，由此三角形能计算出我们感兴趣的最后三个参数t_s、R_min、φ_s。由于雷达测量的目标距离R和方位φ都有误差，导致确定三角形OAB的拟和误差，从而又导致参数t_s、R_min、φ_s的计算误差。因此，以R和φ为原始数据计算得到的目标航路捷径R_min，航路捷径点的方位角φ_s，以及到达航路捷径点的时间t_s的预测结果，也必然是有误差的。为确保安全这些误差也必需加以考虑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，包括下列模块：

2.根据权利要求1中所述的一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述的数据与图形显示模块连接有数据与图形显示器；报警器驱动模块连接有声/光报警器。

3.根据权利要求1中所述的一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述的数据处理与方程解算模块能够实现滤除静止地物目标算法和最大运动概率目标身份分配算法，以及海杂波背景下的目标筛选算法。

4.根据权利要求1中所述的一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述的数据处理与方程解算模块和电子罗盘模块能够实现船舶自身摇摆、旋转、航速不均等的补偿算法。

5.根据权利要求1中所述的一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述的数据处理与方程解算模块还能够实现船体大小的补偿算法。

6.根据权利要求1中所述的一种用于海洋渔业船舶的主动防碰撞雷达报警系统，其特征在于，所述的数据处理与方程解算模块和电子罗盘模块还能够实现雷达测距、测向精度的补偿算法。