上海交通大学 硕士学位论文 船用导航雷达ARPA跟踪算法研究 姓名：穆晔 申请学位级别：硕士 专业：计算机技术 指导教师：卢宏涛;王华祥 20070101 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 摘 要 摘 要 ARPA 算法是民用船舶导航雷达 ARPA 跟踪功能的核心算法， ARPA 功能用于船 舶避碰报警，它的可靠性和精确性直接关系到海上交通安全。本文主要阐述如何 在现有 ARPA 算法的基础上对其加以改进，以提高 ARPA 算法的性能。 本文第一部分首先对船舶导航雷达中ARPA的功能以及ARPA在在船舶避碰方 面所起的作用做了简单的介绍，对 ARPA 算法的相关技术和现状进行了分析。接 着对 ARPA 算法和雷达数据处理中涉及到的一些相关概念进行了讨论。介绍了量 测、航迹、波门、跟踪、动态模型、目标机动、线性滤波等概念。 第二部分首先对传统 ARPA 的原理、 实现方式和 ARPA 算法中采用的数据处理 流程做一个简单的介绍， 然后提出了传统 ARPA 算法在实际使用中表现出的不足： 1)传统 ARPA 算法在跟踪初始阶段以经验值作为默认的目标运动参数，在跟踪初 期会导致长时间的目标运动参数存在较大偏差或者在跟踪初期很容易丢失目标。 2)传统的 ARPA 算法假设目标做匀速直线运动，在目标预测位置上搜索目标，因 此容易在目标做大范围转向时发生较大误差，进而导致误跟踪的发生或目标丢 失。3)传统 ARPA 算法仅在目标波门范围内搜索跟踪目标，使得目标的量测位置 和目标质心位置存在较大误差,这会导致目标运动参数的不精确。4)由于船舶导 航雷达图像的不稳定，在目标做慢速运动或静止状态时，传统 ARPA 算法仍然会 计算得出不停摆动的运动航向。这容易给雷达使用人员造成目标运动的假象。 在分析了传统 ARPA 算法的各种不足和问题之后，第三部分提出了三点相应 的改进措施和具体实现方法： 首先是以目标上一轮的位置为中心建立波门，而不是在预测位置上建立波 门。由于船舶航行速度较慢，因此以上一轮位置建立的波门中仍然可以搜索到目 标。这样的做法一方面可以在 ARPA 算法初期不必借助于经验参数，而是可以通 过初期的统计来得到目标运动参数； 另一方面也可以降低目标做大范围转向时跟 踪丢失的几率。 其次目标航迹的获得是在搜索了目标全部边界点后再计算目标的量测位置。 这样的做法和传统 ARPA 算法在波门内计算目标量测位置的做法相比，由于统计 了目标的全部的边界坐标，因此可以适应不同形状的目标图像，从而更加精确的 计算出目标的量测位置。 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 第三点是在进行滤波计算前先将目标量测位置进行平滑处理， 这样可以消除 由于雷达图像的抖动而造成的数据的不稳定。 通过对多轮的目标参数进行平均来 得到较为稳定的数据，然后再进行滤波计算，可以提高数据的准确性。 ARPA 功能在船舶导航雷达中起到避碰预警的作用。对 ARPA 算法进行改进， 使其能够更快更精确的得到目标的参数，提高预警的可靠性，增强其在船舶避碰 方面的作用。 关键词：关键词：ARPA，导航雷达，算法，波门，滤波，自动跟踪 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 Abstract The ARPA algorithm of ship navigation radar is the most important part in the ARPA system. The ARPA system is used for ship collision alarm. The reliability and accuracy of the arithmetic relates to the safety of the maritime traffic. So the ARPA arithmetic of ship navigation radar research is a very important and useful topic. The ARPA arithmetic of ship navigation radar involves the generation of radar image, getting the metrical position of the target, filter arithmetic and so on. Today, the ARPA system has made some rules and standards. It depends on the assumption of the target runs in uniform rectilinear translation and it use the - filter to smooth the parameters. But in the process of actual using, there is a lot of problems and shortage in the old arithmetic, so we must analyze the old arithmetic and make the necessary improvement on them. The experiential value is used as the default value in the old arithmetic, so it is lack of the good adaptation. At the beginning of the tracking process it leads to the large deviation of the target parameters. The old arithmetic depends on the assumption of the target runs in uniform rectilinear translation and it search for the target in the predictable position. If the target turns in a large scope, it leads to the large deviation of the target parameters. There are many problems in the judgment of the target position. The old arithmetic only selects the position in the scope of the port door, so the target position has large deviation and it leads to the imprecision of the target parameters. As the instability of the ship navigation radar images, the old arithmetic still get the wobbly parameters when the target is stop. After analyzing the problems and shortage in the old arithmetic, some countermeasures and advices are given. These countermeasures and advices 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 are used to improve the accuracy of the arithmetic and enhance the effect in alarm of ships collide. KEY WORDS：KEY WORDS：ARPA, Navigation Radar, Algorithm, port door, filter, Auto Tracking 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：穆晔 日期： 200 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：穆晔 指导教师签名：卢宏涛 日期： 200 年 月 日 日期： 200 年 月 日 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 本论文研究的背景本论文研究的背景 自从雷达用于船舶导航以来，雷达长距离的覆盖范围，良好的环境适应能力 以及方便直观的图像显示等优点已经使得雷达成为了船舶上最为重要的导航设 备， 可以说现代船舶上其它的导航设备都是以雷达为基础的。 雷达作为船舶的 “眼 睛” ，成为了海上人员安全航行的基本保障。 船舶相撞是海上交通事故中最常见的一类交通事故， 它造成了巨大的人员伤 亡和财产损失。如 2007 年 3 月 18 日凌晨天津天惠船务有限公司的“惠龙号”和 深圳远洋运输有限公司的“鹏延号”在东海发生碰撞，造成 1 艘沉没，6 人获救、 23 人失踪。2007 年 4 月 8 日 4 时 16 分，福建省轮船总公司所属的“金海鲲”号 货轮与伯利兹籍“丰收”号货轮在浙江台州水域发生碰撞， “丰收”号当即沉没， 20 名船员失踪。 船舶避碰日益成为了船舶航行的首要问题， 传统导航雷达中操作人员都利用 雷达显示器的可见输入信号对海上船舶进行人工标绘， 推算出其它船舶的航行速 度和方位等数据，进而判断与本船是否有碰撞的危险。但是随着海上交通的迅速 发展，特别是船舶进出港口时由于航道中船舶数量众多，采用人工标绘的方法， 无论在速度上还是在准确性、可靠性方面均不能适应现代民用航海的要求。七十 年代初期电子计算机技术开始和导航雷达相结合，并逐步采用准确、快速、直观 的计算机自动标绘代替传统的人工标绘。 自动雷达标绘仪（Automatic Radar Plotting Aid ,简称 ARPA） 【1】作为现代 计算机和传统雷达相结合的产物，现在已经全面取代了传统的人工标绘的方法。 ARPA 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雷达功能。它的主 要功能有：人工录取目标；按要求自动录取目标；对已录取的目标进行跟踪；计 算并显示跟踪目标的参数；根据设定 MIN DCPA、MIN TCPA 的要求判断所跟踪的 目标有无碰撞危险并进行自动报警；通过模拟操作给出避让措施；对自身的工作 性能、输入、输出及各个部分进行自测等。通过计算机强大的处理能力，船舶驾 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 - 2 - 驶人员只要手工选择想要观察的目标，或者是画出警戒区域，就可以由计算机对 目标船舶进行自动跟踪并在短时间内得出目标船舶的运动数据。ARPA 可以做到 同时对多个目标进行跟踪，并且由计算机来自动判断是否有碰撞的可能，具有快 速，直观，实时等优点。所以国际海