利用雷达图像叠加增进ECDIS导航安全*

龚安祥 刘加钊

利用雷达图像叠加增进ECDIS导航安全*

龚安祥 刘加钊

船舶驾驶人员不仅要熟悉和掌握ECDIS的性能和功能，还应该利用一些有效的瞭望手段和独立于该系统的方法检验其有效性和可靠性。使用ECDIS中的雷达图像叠加功能，可以实时快速有效地验证ECDIS的性能。分析雷达图像叠加显示的特点，并利用雷达图像叠加核对船位和罗经差，以期帮助驾驶员利用该功能增进航行安全。

ECDIS；RADAR；叠加雷达图像；导航安全

一、引言

电子海图显示与信息系统（ECDIS）是继航海雷达/ARPA之后在船舶导航方面又一项伟大的技术革命，彻底改变了船舶驾驶员的船舶导航方式，会逐步取代传统纸质海图。ECDIS是智能化的“海图”，能够自动检测海图中的浅水区、碍航物以及其他禁止船舶进入区域等，通过设置安全等深线、安全水深、船舶偏航报警、搁浅预警等，可以极大地提高航线设计、航行监控以及避碰决策的自动化程度。[1]ECDIS作为船上强制性配备的设备，将按船型、吨位从2012年至2018年逐步装船，[2]因此驾驶员应当熟悉使用作为船舶导航核心的ECDIS，并且能够及时有效地处理ECDIS的错误及故障。

ECDIS是将各种信息源的数据实时显示在一个显示器上的综合导航信息系统。这些数据包括电子海图数据、传感器数据（如定位系统、罗经、计程仪、雷达图像、雷达目标、AIS、测深仪、风速风向仪）等。ECDIS是船舶导航系统的核心设备，船舶导航雷达也在导航中起着重要的作用。将雷达图像叠加显示在ECDIS上，不仅可以提高避碰能力，还可以提高导航的准确性。ECDIS性能标准MSC.232（82）中对雷达的要求为：传输的雷达信息可包含雷达图像和/或跟踪目标信息。如果雷达图像叠加到ECDIS显示中，两者在显示比例、投影方式及指向上应相匹配。雷达图像和船位（来自船位传感器）应根据天线与驾驶位置的偏移量自动调节。[3]

二、雷达图像叠加显示的特点

将雷达图像叠加显示在海图上，并不仅仅是在ECDIS上查看重复的雷达图像，还可以验证整个导航系统的正确性。利用该功能，可以快速地根据雷达回波图像与海图上的岸形是否匹配来判断船位的准确性及仪器的工作状态。雷达与ECDIS的集成技术包括数字NMEA传输及雷达处理器两种。数字NMEA传输技术是将船舶导航雷达中的跟踪目标TT传输并叠显在ECDIS上。雷达处理器技术是对雷达图像进行信号处理并叠加显示在ECDIS上，如图1 所示。

图1 ECDIS中的雷达图像叠加

雷达自身特性导致有些物标回波与ECDIS中显示的海图信息不能完全一致，笔者在培训教学中发现，不少驾驶员无法解释这些现象，并产生很多疑问甚至误解，因此有必要进行详细说明，从而警示驾驶员在使用过程中对该现象加以注意。使用雷达图像叠加到ECDIS上时，应注意以下现象：

图2 不同脉冲宽度下灯浮的回波显示

（1）点状物标的显示。雷达回波图像存在方位扩展和径向扩展。方位扩展主要跟雷达的水平波束宽度有关，天线物理尺寸越大，水平波束宽度越窄，方位扩展越小，船用导航雷达的水平波束宽度一般为1°左右。因此，灯浮等点状物标，其雷达回波显示为1°的宽度，距离本船越远，回波宽度越大。如当该灯浮距离本船2海里时，其回波图像在海图上显示的宽度约为32米。雷达径向扩展主要跟雷达脉冲宽度有关，短脉冲约50纳秒，径向扩展约15米；长脉冲则径向扩展更大。ECDIS上叠加的雷达图像如点物标灯浮，显示的尺寸要比实际物理尺寸大得多。因此驾驶员应掌握雷达图像的显示特点，点状物标其真实位置位于回波中间的前沿，如图2所示，（a）为短脉冲时灯浮的回波显示，（b）为长脉冲时灯浮的回波显示。若雷达图像回波中间前沿的位置与海图上的灯浮位置（若没有移位）较吻合，则可说明当前船位准确；若出现不吻合的情况，则需要驾驶员核对船位和灯浮是否移位等，确保航行安全。

（2）不同夹角岸线的显示。雷达图像方位扩展的特点对岸线的显示也有不小的影响。如图3所示，图中标注为A的范围即船位与岸线成锐角时，显示为扩展的图像，与岸线不吻合；标注为B的范围即船位与岸线成直角时，没有扩展现象，和岸线较为吻合。当船舶沿着海岸线航行时，驾驶员可以信赖船位与岸线成直角附近的回波来导航。而船位与岸线成锐角时，将会有不可忽略的误差。

（3）不同坡度岸线的显示。雷达反射回波大多来自陡峭的岸线或者大量的岸上物标，而平缓的沙滩产生较差的反射，一些平坦的沙滩并不产生回波；有些地方的潮差太大，实际岸线与海图表示的岸线存在较大出入，使得雷达图像不能与岸线完全匹配。如图4所示，两侧都为平坦的岸线，雷达回波会显示在陆地上。当遭遇类似情况时，应使用海图或视觉瞭望了解岸线的平缓陡峭情况，以判断雷达图像叠加是否正常。驾驶员应特别注意的是，在核对岸线回波时，应重点核对显著物标的雷达图像，如陡峭的岬角、灯塔等。

图3 不同夹角岸线的回波显示

图4 平坦岸线的回波显示

三、利用雷达图像叠加核对船位

由于ECDIS能够将GPS船位实时显示在电子海图上，往往使得驾驶员形成了过分信赖ECDIS上的显示船位的习惯，而这存在极大的安全隐患。错误的输入导致错误的输出，ECDIS是以显示船位来计算导航数据的，所以显示船位错误时，其导航数据也是错误的，这样会导致船舶发生危险甚至海难事故。如图5中所示，该船船位准确且走在航线上，正确的航迹向为083.4°。若此时显示船位有向南偏0.5海里的误差，则如图6所示，其指示的航迹向为070.9°，显然如果继续保持原航迹向070.9°航行的话，船舶将穿越分隔带，进入反向航道。因此经常校验ECDIS显示船位的准确性，是使用ECDIS安全导航的必要条件。鉴于ECDIS显示船位对航行安全的重要性，港口国监督（PSC）对驾驶员是否有能力使用各种方式交叉确认船位进行重点检查。

图5 船位正常时的船舶导航数据

图6 船位向南偏离0.5海里时错误的导航数据

校验船位准确性的方法除了传统定位方法，如方位定位、距离定位等外，雷达图像叠加也是一种非常好的方法。如果海岸线的雷达回波与ECDIS的岸线不吻合，出现朝一个方向偏移，则极大可能是GPS船位误差造成的，也可能是海图数据由原来坐标系转换成WGS84坐标系时产生的计算误差造成的，这种可能性非常小。如图7所示，雷达回波产生了整体向右的偏移量。若出现这种现象，要用各种方法充分核实船位，确保安全。

图7 整体向右偏移的雷达回波

四、利用雷达图像叠加核对罗经差

ECDIS海图显示以真北为基准，理论上不存在方向误差。雷达图像的方向基准则与罗经信号有关，输入陀螺罗经信号的以陀螺罗北为基准。真北与陀螺北之间的差异，即为陀螺差。陀螺差误差的大小，取决于陀螺罗经校正是否准确。如图8所示，雷达图像与海图显示相比，出现了顺时针旋转，说明该轮的指向设备存在较大误差，应对指向设备误差进行校正。

图8 顺时针旋转的雷达回波

五、总结

船舶驾驶人员不仅要熟悉和掌握ECDIS的功能和性能，还应该利用一些有效的瞭望手段和独立于该系统的方法检验其有效性和可靠性。[4]使用ECDIS中的雷达图像叠加功能，可以有效、快速、直观地验证ECDIS显示。船舶驾驶员应熟悉雷达图像叠加的特点，正确使用该功能，以保证航行安全。

[1]龚安祥.从几起船舶搁浅事故谈ECDIS的使用[J].航海技术,2014(5):43-46.

[2]刘加钊,龚安祥,卫桂荣.现有船安装ECDIS的问题探析[J].世界海运,2015(8):36-39.

[3]Performance Standard for Electronic Chart and Display System(ECDIS).IMO MSC 232(82)[R].2006.

[4]刘加钊.电子海图导航的潜在风险[J].航海技术,2008(3):7-9.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.11.009

全国交通运输职业教育教学指导委员会2015年交通运输职业教育科研项目（项目编号：2015A02）；青岛远洋船员职业学院科研项目（合同编号：2015-R-002）

龚安祥（1983—），男，青岛远洋船员职业学院航海系，副教授，硕士。

刘加钊（1973—），男，青岛远洋船员职业学院航海系，副教授，副主任，硕士。