利用雷达和电子海图AIS的BCR、BCT来避碰

摘要：现代航海技术已经得到广泛应用并保持持续发展，如雷达ARPA、AIS、ECDIS的综合应用，船舶避碰通常是通过DCPA、TCPA来判断危险的紧迫程度。近年来，为了适应船舶在狭水道、港口等密集水域航行，提出了BCR（BOW CROSS RANGE）、BCT（BOW CROSS TIME）的概念，为船舶在狭水道和密集水域精确避让提供了可靠的数据。本文主要介绍利用ECDIS可视的DCPA、BCR点，参考TCPA、BCT来采取避碰。

关键词：狭水道避碰 雷达 AIS@ECDIS BCR BCTD CPA TCPA

0 引言

船舶碰撞是船舶海上安全带的事故，往往会造成海上人命、货物和当事船舶的巨大损失，也会造成严重的环境污染。航海界一直把如何避免船舶碰撞作为一门重要的课题来研究，随着科技的进步，船舶装备了大量的先进的雷达和AIS@ECDIS系统来减少海上的碰撞事故的发生，如何充分利用好这些先进的助航设备，是我们研究的重要课题。

1 雷达、AIS获取DCPA/TCPA，BCR/BCT的过程分析

1.1 雷达电磁波的反射特性

雷达是利用电磁波的反射特性在某一时刻测得相对我船的方位（舷角）和距离，得到目标船的位置A，经过时间Δt后，用同样方法测得目标船的第二个位置B。目标船相对航速、航向的计算，由图1可见，经过A、B位置差计算，可以推算出目标船的相对航向φR以相对航速VR。

图1 雷达坐标图

当系统观测目标到达B点时，我们根据VR、φR以及B点的位置可求得目标的DCPA来船与本船的最近会遇距离与TCPA来船与本船的最近会遇时间 、来船过本船船首的距离 BCR（BOW CROSS RANGE）和 来船过本船船首时间BCT（BOW CROSS TIME）

1.2 AIS协助避碰求DCPA TCPA和 BCR BCT

在避碰计算中，将本船与目标船的地理位置信息换算为相对本船的位置数据，设本船船位为（λo，φo），目标船的船位为（λt，φt），则目标船与本船的位置差为（Dλ，Dφ），其中Dλ=λt-λo Dφ=φt-φo

其中DMP为纬度渐长率差，因在避碰中本船和目标船的位置较近，近似认为

目标船的距离：

图2 AIS坐标图

2 比较雷达和AIS的避碰

2.1雷达避碰特性

由于雷达电磁波存在直线传播特性，雷达存在盲区，在应用雷达避碰时，当他船回波影像向本船靠近时，虽近在咫尺，却可能无法掌握来船当时情况;船舶在驶近被居间障碍物遮蔽他船的水道或航道的弯头时，由于雷达无线电波被阻挡，无法探测到障碍物遮蔽水域通航环境情况，盲目相信雷达将使驾驶员措手不及;在使用雷达进行避让时，避让效果在雷达上反应迟钝。普通雷达进行标绘采取避让行动时至少要对目标船进行3次以上，每次间隔3分钟，需要9分钟的时间。ARPA标会需要3分钟。 另外，雷达对小物标及对无线电波反射弱的物标可能探测不到，不恰当使用“雨雪抑制”和“海浪抑制”，以及外界环境干扰均可能丢失部分物标和出现假回波等现象。 ARPA能为驾驶员提供直观、连续的现场态势画面，同时可读出目标船的方位、距离、航向、航速、CPAT、CPA等参数。当目标与本船有碰撞危险时，ARPA通过灯光、声响、符合等方式发出碰撞危险警报。船舶驾驶员经过判断，可以利用ARPA进行试操船，从而得到能安全通过的避碰方案。但是这种利用ARPA进行避碰操作有很大的局限性，主要是ARPA获取目标信息的可靠性问题，比如处于海浪、雨雪和阴影盲区的目标。ARPA在对雷达探测的目标进行滤波和平滑处理的过程中，因受信息处理技术的局限性而存在“ 误、漏、丢”目标的现象，天气状 况不 好 时，从ARPA上得到的信息也有一定的误差。这些局限性将直接影响船舶安全。

2.2 AIS在避碰在的应用

AIS系统采用海上移动HF的161.975MHz和162.025MHz的两个频点即海上VHF87B/88B频道采用TDMA技术收发信号。

1）AIS系统可在无须人工介入的情况下，主动连续地向具有适当配备的主管当局的岸台和其他船舶提供本船的静态信息、动态信息、与航行有关信息和与安全有关信息。

①静态信息包括：IMO编码、呼号和船名、船的长度和宽度、船的类型、定位天线在船上的位置等

②动态信息包括：船位、国际协调时、对地航向、对地速度、航迹向、航行状态、转向率、横倾角、纵倾和横摆（其中后三项为选用项）等

③与航行有关信息：船舶吃水、危险货物类型、目的港和预计到达时间、航行计划（选用项）等。

④与安全有关信息包括：航行警告、气象警告、气象预报、潮流、搜救、卫导修正量和调度船代信息等

2）以适当的更新速率提供船位和操纵信息以便于管理当局和其他船舶精确跟踪和监视船舶动态，自主模式下的信息更新速率因船舶类型不同而不同，如表1。

表1 A类AIS信息更新时间表

表2 非A类AIS信息更新速率表

3）与AIS岸台交换数据，以使主管部门指配工作模式（使用广播式或受控应答式），控制数据传输的时间和时隙。

4）系统有内设测试设备（BITE）。

5）系统提供国际海事标准界面，并有人工输入和输出数据的接口。

6）识别船只，检测和跟踪船舶。

目前，船舶避碰过程中，尤其是在能见度不良的情况下，使用较多的助航设备是ARPA雷达。但ARPA雷达在使用上受自然环境的影响较大，而AIS的使用可以解决或改善这些问题，是ARPA雷达的有益补充。例如： 当遇到雨雪、大风浪等恶劣天气时，雷达的回波信号可能会受到干扰而出现杂波或丢失目标等问题。但AIS由于工作原理的不同，受恶劣天气的影响要比雷达小得多，而且只要在AIS的覆盖区，目标不会由于距离的远近、尺寸的大小和形状的不同而产生信号的差异。当目标船航行于多岛礁、航道的弯头或大船的背后等遮蔽水域时，雷达将无法观测到这些目标，而AIS在这些居间障碍物的高度不影响无线电波传输的情况下，仍可发现目标。这可使航行于遮蔽水域的船舶及早发现目标，从而提高在该水域的船舶航行安全。对于进入雷达盲区的极近距离的作业船舶（如拖轮），雷达上不能发现目标，而AIS仍能探测这些极近距离的小船。这将有利于对近距离作业船舶的监视和指挥，确保船舶的航行安全。

由于AIS信息更新速率延迟的问题，我们在实际应用时应该注意大多数商船安装A类AIS接收器，在港内速度在14节以下，延迟时间约10秒，小型船舶为节省成本安装非IMO标准的B类AIS，在港内航速14节以下时，延迟时间约30秒，在ECDIS上反应的目标船在“跳跃”，可能目标船已经转向，由于延迟在ECDIS上还没有实时反映出来，出现滞后现象。抛锚、靠泊船AIS刷新速率为3分钟，如果你刚刚打开ECDIS系统有些抛锚船或靠泊船可能需要几分钟才能显示、在实际应用时应该特别注意这一现象，任何时候不应该放弃视觉t望。

避碰数据CPA、TCPA、BCR和BCT的计算，雷达是通过本船和目标船的相对位置改变计算而得，误差来源于雷达本身，和本船、目标船的航向、航速的误差无关。AIS的计算是通过本船和目标船的地理位置反推相对位置，再以此位置关系为基础，依靠本船和目标船的航向、航速反计算而得，误差来源船舶的GPS、航速传感器、航向传感器等。ARPA标会需要3分钟延迟，而AIS是实时给出的，特别适合通航密度大的，需要频繁操作的水域，可以随时知道碰撞危险。

2.3 AIS与ECDIS结合

AIS与ECDIS结合，可以能够及时、自动识别周围的船只，并进行跟踪搜集其动态、静态以及附加信息。因此，我们可以根据需要随时调出来船的动态信息以及船舶资料。

AIS自动识别仪搜集到周围船舶的信息后，按照距离由近到远排列。对有碰撞危险的船舶，从AIS系统还可以获得目标的位置、航速、航向和船型（船长、船宽和船舶类型）等信息。基于AIS信息的自动标绘功能，提供的两船CPA、TCPA等碰撞参数，不受气象、海况因素的影响，比ARPA的自动标绘更精确、更实时、更可靠。AIS系统同时会发出警报并在运动图上标示出来，以便提醒驾驶人员。这时驾驶员就应根据当时实际情况和环境，对来船是否存在紧迫局面或存在碰撞危险做出正确的判断，及时、尽早地采取有效措施避让来船。

3 AIS & ECDIS结合ARPA雷达避碰

AIS目标数量有限，在实际避碰中与ARPA雷达结合使用则可突破这个限制，对驾驶员来说，也能更直观地看到避让的结果和过程。驾驶员在雷达上直接辨识目标船，读取AIS数据，使驾驶员从纷繁的查看仪器数据工作中解放出来，有更多的精力和时间对避碰局面和措施做出判断和决策。同时，现有的安全会遇距离最小值的量化公式是基于雷达获得的目标位置信息进行计算的。而雷达不能提供目标船的长度，所以在运算时是将目标船船长假设为599米。在宽水域通过多年的实践证明，显然是可以满足要求的。但如果进入狭水道就显得不够精确了，驾驶员将因为公式的误差太大而导致错误的判断。AIS&ECDIS可以实时显示本船和目标船的避碰数据如CPA/TCPA、BCR/BCT，利用可视的CPA、BCR点（如图4），驾驶员可以非常直观的判断与目标船的危险程度，以便采取正确的避碰措施。但有些小船没有安装AIS，或有的船舶AIS有问题或关闭，ECDIS无法显示该船，这样需要ECDIS与雷达结合来进行避碰。

AIS与VHF无线电话结合使两者优势充分发挥 当两机动船在航构成对遇局面或接近对遇局面需要避让时，或两船处于追越局面需要被追越船让路或保向保速时，让路船就需要通过VHF甚高频电话与直航船进行沟通采取避让行动。在此种情况下，如果周围船舶又较多，单凭雷达显示的资料无法直接叫通具体船舶与其沟通协调，这时，就从ECDIS找出该船舶的船名与呼号，然后直接地准确地用VHF甚高频电话呼叫其船名或船舶呼号与其进行沟通，协调两船之间的行动，以达到安全避让的目的。

可利用雷达来验证AIS目标位置的准确性，在本船和目标船航向稳定时，可利用雷达ARPA给出的CPA/TCPA/BCR/BCT，和AIS给出的CPA/TCPA/BCR/BCT进行比较，如果误差较大，应分析AIS产生误差的原因，并清醒认识到此时不能依赖AIS。如果经核查，误差在可以接受的范围，可以充分利用AIS快速处理的优势，及时有效协调避让。

实例：

图4“CSCL MARS”船长366米，宽52米，吃水12米，从深圳铜鼓航道出口，准备接入广州伶仃临时航道，与“CHANG FA KOU”船长224米，船宽32米，吃水11米，从伶仃临时航道出口，在广州1#浮筒交汇，利用AIS & ECDIS可以清楚看到黄色的二点，分别表示本船和目标船CPA的点3和点4，CPA为0.41NM，TCPA为6分31秒;红色的二点，分别表示本船和目标船BCR的点1和点2，BCR为1.6NM，BCT为2分钟20秒。图3，雷达也有目标船的CPA、TCPA、BCR和BCT。我们可以利用黄色CPA（3点至4点距离）、红色BCR（点1至点2距离）可视点来判断未来时间本船和目标船的最近会遇距离和目标船过本船船头的距离以及会遇时的具体地理位置。上述四点是通过AIS数据计算得来，是随时根据本船和目标船的航向、航速变化的，这二点的地理位置和时间是实时反应在ECDIA上的。驾驶员可以根据这二点位置来改变本船的航向、航速，也可以通过VHF和目标船协调，要求对方改变航向、航速，以避开航道交汇点、狭窄段或繁忙水域。在繁忙港口避让时，由于水域受限，无法大幅度转向避让船舶，仅仅依靠CPA、TCPA避让不够精确，大型集装箱船舶的盲区高达500米，小船经常进入大船的盲区，而驾驶员却不知道小船距离本船船头的精确距离，往往会采取倒车等措施，有时小船是避让过去，但本船却因为倒车等原因，无法控制船位，出现搁浅等事故。和目标船会遇时近距离CPA、BCR，两数值需要减去本船驾驶台到船头的距离。如果目标船从本船船尾过，BCR变为负数。我们可以提前知道本船和目标船会遇点。

4 小结

船舶驾驶员要做到对船载AIS的信息内容的理解及正确的应用，值班驾驶员必须意识到，有些小船没有AIS或没有打开AIS，AIS错误信息的发送或接收对他船和本船都将意味着危险。AIS是一个附加的航行信息来源，它不能替代但可支持诸如ARPA目标跟踪、VTS和ECDIS等系统。

在任何时候，AIS的使用并不免除值班驾驶员遵守《避碰规则》的义务。

值班驾驶员不应依赖AIS作为唯一的信息系统，而应使用一切可利用的与安全有关的信息值班驾驶员应利用AIS 、ARPA和ECDIS等诸多信息显示系统的信息，以便通过多种渠道获取船舶周围更多的信息，做出更为准确和全面的判断，相互取长补短，从而确保船舶的安全。

AIS@ECDIS可视的CPA、BCR会遇点，为船舶驾驶员提供了一种简单直观判断危险的方法，为我们保障航运安全提供了更多的新措施。

参考文献

[1]冯爱国，基于雷达、AIS的船舶避碰若干问题的思考，《航海技术》2009.