系统误差源及其性能精度的影响因素

子模块一　ARPA系统误差源及其性能精度的影响因素

学习目标：掌握ARPA系统误差源及其性能精度影响因素；

　　　　　掌握ARPA系统的局限性。

重点难点：传感器误差、ARPA本身误差、人为误差、目标船机动与航行态势误差。

ARPA的误差主要来源于几个方面：其一是设备误差，包括各传感器（雷达、陀螺罗经和计程仪）及ARPA本身产生的误差；其二是操作者对ARPA显示数据、信息的错误理解、操作不当、经验不足或疏忽而导致的误差；其三是本船及目标船机动的影响；其四是航行态势对跟踪精度的影响。

ARPA的各种误差将影响其录取、跟踪、计算、判断及显示等多种功能，进而直接影响避碰行动的正确决断。

一、传感器误差

（一）误差源

1.　雷达测距、测方位误差

（1）雷达测距误差

① 目标闪烁误差。各次雷达回波由目标不同部位反射回来使目标回波中心位置在船长范围内移动而产生测距误差。当船长为200m时，纵向标准误差为1/6船长（约30m）；横向标准误差为1m。

② 摇摆误差。由于本船摇摆使天线位置移动而产生的测距误差。其与摇摆角度、天线位置及目标舷角有关。对一般天线高度，摇摆10°时，误差约为0～4m。

③ 量化误差。当采用8MHz频率，距离量化单元为0.01n mile时，因量化处理而产生的误差最大值为0.01n mile（矩形分布时）。

④ 脉冲波形误差。利用非陡直的脉冲前沿进行测距而产生的误差。当误差为正态分布时，标准误差σ =20m。

（2）雷达测方位误差

① 目标闪烁误差。由于目标闪烁使回波中心位置移动，当目标船的舷角近090或270（即本船处在目标船正横附近）时，目标闪烁将引起随机的测方位误差，该误差随目标船的距离、视角等因素变化。

② 齿隙误差。由于天线旋转机构齿轮与方位发送机齿轮之间存在齿隙，在传送天线方位信号过程产生的方位误差，其最大值为±0.05°。

③ 摇摆误差。由于船舶摇摆使天线位置及波束指向变化而产生的方位误差。此误差具有象限性质，目标弦角为045、135、225、315时最大，标弦角为0、090、180、270时最小。同时随船摇而作正弦变化，变化频率为船摇频率的两倍。

④ 量化误差。由于对天线角位置信号进行量化处理而产生的误差。此误差一般较小，与罗经航向信号数字化过程产生的误差相比可略而不计。

⑤ 波束形状误差。雷达天线波束形状不对称使回波中心的位置随着回波的强度不同而变化产生的误差。此误差一般不大，当误差为正态分布时，标准误差σ = 0.05°。

2.　陀螺罗经误差

要求经校正后的剩余稳态误差不大于0.5°，正态分布时标准偏差σ=0.5°。

3.　计程仪误差

要求经校正后的剩余稳态误差不大于0.5海里，正态分布时3σ = 0.2海里。

（二）传感器误差对ARPA输出数据的影响

传感器误差即包括上述雷达测距、测方位数据的误差及由陀螺罗经、计程仪分别提供的本船航向、本船航速数据的误差。这些输入数据的误差对ARPA输出数据的影响如下。

1.　对相对速度矢量的影响

雷达测距、测方位误差将导致测定目标的相对位置不精确。虽然经ARPA跟踪滤波器处理，但仍有误差。位置数据误差使ARPA显示的方位、距离、相对航向、相对航速、CPA及TCPA的数据均有误差。另外，电罗经、计程仪误差不影响相对航向、相对航速、CPA及TCPA的数据的准确性。

2.　对真速度矢量的影响

目标真矢量是由相对矢量与本船矢量（本船航向和速度）的矢量和求得的。因此，除雷达测量误差外，电罗经和计程仪误差将影响目标真矢量的精度并进而影响PPC及PAD的精度。

（1）电罗经误差对真矢量的影响。设目标T和本船O处于碰撞势态，本船真矢量为5，目标真矢量为2，此时碰撞点为B，如图7-1所示。如果罗经误差使真矢量偏左为4，则目标真矢量变为1，碰撞点变为A。同理，如果罗经误差使真矢量偏右为6，则目标真矢量变为3，碰撞点变为C。可见，本船航向误差将导致碰撞点位置的改变及显示不正确的目标真航向和真航速，其结果可能导致避让决策的错误。如果本船和目标船处于有交会距离的状态（即CPA≠0），由于本船航向有误差，使显示的双方真矢量均有误差，这将导致对CPA、TCPA的判断产生误差，其结果有可能使对是否需要避让和如何进行避让产生错误判断。

图7-1　电罗经误差对真速度矢量影响

（2）计程仪误差对真速度矢量的影响。当计程仪输入的航速数据是正确的时候，本船速度矢量为5，则目标真速度矢量为2，如图7-2所示。若计程仪输入有误差，则目标真速度矢量也不正确。如图中所示，当计程仪读数偏大变为6时，目标真速度矢量为1；反之，当计程仪读数偏大变为4时，目标真速度矢量为3。根据这两种错误的矢量，就有可能判断错误并导致避让行动的错误。

图7-2　计程仪误差对真速度矢量影响

（三）本船航向航速对PPC的影响

1.　本船航向误差对PPC的影响

船首线经严格校准后，目标舷角是正确的。当由罗经输入的本船航向有误差时，尽管PPC相对于船首线的位置不变，但船首线、PPC及目标的位置均被偏了相应罗经航向误差角，如图7-3可见，当本船航向由正确值15°加上误差变成20°时，PPC仍在船首线右侧31°，但PPC真方位从原来46°右转5°，变为51° 因此若CPA≠0，原来PPC不在船首线上，当本船航向有误差时，PPC仍不在船首线上。CPA=0，原来PPC在船首线（现航向线）上，当本船航向有误差时，PPC仍在船首线上。

图7-3　本船航向误差对PPC的影响

2.　本船航速误差对PPC的影响

如图7-4所示，CPA=0有碰撞危险，O为本船，T为目标船，由计程仪输入的本船航速正确时，OB为本船运动轨迹，TB为目标船运动轨迹，可能碰撞点为B。若本船航速偏大，有+Δv误差，OA为本船运动轨迹，TA为目标船运动轨迹，可能碰撞点为A；反之，若本船航速偏小，有−Δv误差，OC为本船运动轨迹，TC为目标船运动轨迹，可能碰撞点为C。可见，在有碰撞危险的场合，碰撞点仍在本船航向线上。但与本船距离发生变化，变化大小与本船航速误差大小有关。如图7-5示，CPA≠0有交会距离PPC未在本船现航向线上。当本船航速正确时碰撞点为P₂；当本船航速有+Δv误差时，碰撞点变为P₁；当本船航速有-Δv误差时，碰撞点变为P₃。可见，本船航速误差使PPC出现在错误位置，这将导致驾驶员对局面的错误判断。

图7-4　本船航速误差对PPC的影响

图7-5　本船航速误差对PPC的影响

想一想

罗经误差影响ARPA输出的哪些数据？

二、ARPA本身的误差

ARPA设备本身产生的误差主要是因ARPA采用的数学模型、信号处理方法、数值计算方法及跟踪器的精度等引起的误差。

（一）滤波处理误差

本船或目标船都不可能是理想的匀速直线运动，再加上雷达存在的各种误差，使目标回波位置在目标实际航线两侧作随机分布。虽然经过滤波处理，显示的数据仍然有误差，而且还有少量变化。天气不好时，由于船舶的摇摆，误差还会增大，并且不稳定，虽经滤波处理，目标数据仍会连续发生变动。方位、距离的量化处理，使量化后的航迹各点的方位、距离与目标实际航迹的方位、距离变化不是连续的，而是步进式的，往往不能真实地反映目标的运动。

当本船或目标船变速时，跟踪滤波器的平滑作用将减少这种变化。当本船改向时，跟踪滤波器会根据目标船位置平滑其相对航迹，使描述目标船相对运动的只是一段时间的平均航迹。近距离方位的急剧变化，容易导致跟踪器丢失目标。

由于ARPA的跟踪处理所用数学模型（只适于匀速直线运动）、处理方法和精度等均能引起误差，驾驶员应当谨慎对待ARPA给出的数据，并且应当经常将目标的真速度矢量、相对速度矢量与尾迹等互相对比、分析。有条件时可用人工标绘或肉眼观测雷达图像，以核对ARPA数据并检查跟踪器性能。

（二）计算误差

用目标的相对运动数据去求目标真运动数据时，需要加上本船的运动参数。但当本船改向时，陀螺罗经提供的本船航向数据及计程仪提供的航速数据均有误差，由这些数据描述的本船航迹也就有误差。由此进行目标真运动数据计算而得到的数据就不精确。如图7-6所示，目标船作匀速直线运动，本船改向时，根据本船实际航迹算出的目标真运动矢量应该是一条直线，但是由于根据罗经和计程仪读数所描绘的本船轨迹偏离本船实际航迹，据此计算得到的目标真运动自然是不正确的，其轨迹为一条曲线，其航向变化可达20°～40°。一般而言，真运动的数据精度不及相对运动数据的精度。

图7-6　计算误差

（三）目标调换

当两个目标同时落入同一个跟踪窗时，可能发生目标调换（Target Swop）或误跟踪现象。这时ARPA显示的目标数据是不可靠的，切不可盲目信赖。

（四）录取假目标或杂波

当使用“自动录取”功能时，由于ARPA无法识别目标性质，有时会录取假回波或杂波，跟踪后输出无用信息，造成屏上显示混乱及跟踪器容量饱和现象，影响对其他需要的目标的录取。通常，当发现假回波、杂波或陆地严重干扰ARPA有效工作时，应改用人工录取模式。

三、操作者人为误差（数据解析误差）

操作者人为误差也称数据解析误差，由操作者对一些ARPA概念的误解、操作不当、缺乏经验或疏忽所致。

（一）对显示模式及矢量模式的误解与误用

ARPA可有多种显示模式组合，供操作者按需选用。如果操作者未经有效训练，则很容易混淆、误解和误用。例如：（R.M/T.V）组合时容易用真矢量去求目标的CPA。此组合本船在屏幕上是不动的，但同时本船有速度矢量出现，容易误解为本船也在屏幕上移动；另外，此时目标的尾迹作相对运动，目标矢量表示真运动，两者的方向不一致，容易误解为目标船改变航向。当采用真运动—相对矢量（T.M/R.V）组合时容易把相对矢量当作目标的真航向和真速度；为了防止诸如此类的误解及误用，驾驶员应熟练掌握各种显示模式的正确含义、特点及适用场合，熟练掌握各功能键操作方法，还应善于将矢量等图示显示提供的信息和读出数据作对比、分析和判断。

（二）本船航速输入不当

根据本船航行的水域、交通环境不同而调用不同ARPA的使用功能时，需要输入本船的航速。在大洋航行时，ARPA主要用于避碰，输入ARPA的本船航速（计程仪输入或人工输入）应是对水速度。在水流影响较大的狭水道航行时，ARPA用于定位导航，输入ARPA的本船航速应是对地速度，以实现对地稳定显示，使本船的实际航迹严格控制在安全航道上。可采用人工偏移修正、自动偏移修正功能，或直接采用双轴绝对计程仪获得本船对地航速。

如果本船速度输入不当，将导致ARPA的某些数据不可靠或容易发生误解。驾驶员应时刻清楚：本船正在使用的是何种速度，显示的真矢量是对地还是对水真矢量，矢量的方向是表示目标船航向还是船首向。如有流无风条件下，输入对水速度时，目标真矢量是对水真速度，其方向是目标船首向；输入对地速度时，目标真矢量是对地真速度，其方向是目标船航迹向，此时，本船航迹线与航向线之夹角即流压角。如有流有风，双轴多普勒计程仪对水速度中既计入流的影响，也计入风的影响，因此即使输入对水速度，真速度矢量的方向亦非目标船首向。

（三）对PPC、PAD等图示信息的错误理解

在ARPA的图示信息中，PPC、PAD是比较有使用价值的，但在实际使用中最常见的错误是对下列几点有关PPC、PAD概念理解不当：

（1）目标与PPC连线不表示目标速度；

（2）PPC不表示本船和目标船的会遇距离；

（3）PPC位置变化不表示目标真矢量变化；

（4）PPC一般不是PAD的中心，交会距离的改变不影响PAD的对称性；

（5）屏幕上显示的PPC或PAD表示本船与目标船之间的关系，即二者有否碰撞危险及确定可能发生碰撞的位置、区域和时间，而不表示目标船和目标船之间的关系。两个PAD重叠，并不意味着两目标船有碰撞危险。

在实际使用中应注意，当目标船或本船发生变速机动或目标船改向机动时，在机动稳定之前，原先的PPC或PAD均已无效，切不可被误用。

想一想

如果两条目标船的PAD相交，是否说明两条船有碰撞危险，为什么？

（四）试操船功能使用不当

前已述及，试操船是在出现碰撞危险报警后，本船正式采取避让机动前的一种模拟操船，在模拟计算过程中，未考虑目标船是否机动，而在实际避碰中，双方均可能采取避碰行动。大多数ARPA也未考虑本船的操纵性及船舶惯性。一旦本船模拟航速低于0.5kn时，模拟提供的信息和数据将极不可靠。由于上述原因，使模拟结果与现场未来情况可能产生差异。如果驾驶员忽视了模拟与实际情况的这种差异，过份信赖，则可能造成差错。

由于存在上述种种人为误差（操作误差），在使用ARPA时应特别注意以下几点。

（1）ARPA技术是先进的助航设备，但安全航行的关键因素仍然是驾驶员。要谨慎驾船，任何时候不可忽视嘹望，不可盲目信赖。

（2）必须正确理解矢量、PPC及PAD的概念。相对矢量与真矢量各有其特点及适用场合，不可误用。

（3）弱目标回波可能丢失，而丢失的可能是危险目标。因此，一旦发现目标丢失，要观察丢失标识符的位置，尤其近目标丢失，更要注意加强瞭望和对屏上可能再度出现的回波及时重新录取。

（4）自动录取时，不可忽视已处在警戒圈（区、环）内的危险而又不报警的目标的动态，并及时进行人工录取。

（5）要善于并经常对ARPA提供的图像信息与数据信息进行对比分析，以减少判断错误。

四、目标船和本船机动的影响

（一）目标船机动的影响

1.　导致自动跟踪失常

目标机动过大时，可能使目标回波落在跟踪窗外，导致ARPA扩大跟踪窗，从而增加跟踪误差，导致输出数据误差增加，直到目标稳定后才能恢复准确数据。

2.　导致目标丢失

目标机动过大时，可能造成目标丢失，在目标机动期间及重新稳定跟踪之前所提供的信息是不可靠的，不能用来评估运动态势。

3.　导致目标调换

当两目标船相互靠近，其中之一机动时，有可能造成目标调换，使输出数据发生差错，可能引起错误判断。

4.　导致确定目标船实际航向和实际航速有较大误差

目标大幅度机动转向但未发生目标丢失时，ARPA检测出目标机动需要一定时间，在目标机动完成时其显示的航向与实际航向相差最大可达几十度之多。在机动完成2～3min后稳定，有些ARPA有航迹重大变化报警功能。

5.　导致试操船失败

试操船计算的前提是目标船保向保速，一旦目标船发生机动，原实验结果无效，驾驶员应该注意。

（二）本船机动的影响

陀螺罗经与计程仪为本船提供航向与航速，当船舶转向特别是大角度转向时，由于船舶惯性导致顺势航向与船舶重心运动的切线不一致，其差值甚至可达到10°～20°，造成计算得到的目标真航向、真航速误差，其误差取决于目标的态势角和改向大小。此外，风流也会引起本船航向的误差，此误差随机动航向不同而变化。

五、航行态势对跟踪精度的影响

ARPA跟踪目标的精度与当时的航行态势（目标弦角、距离远近、速度快慢、航向）有关，IMO关于ARPA的跟踪精度的要求是按照四种不同的典型态势要求的，如图7-7与表7-1、表7-2、表7-3所示。

图7-7　航行势态

精度是ARPA的重要指标，必须保证不低于下表中的精度要求。表中只提出对相对运动的航向速度以及CPA的要求。

表7-1　四种航行态势

表7-2　稳定跟踪1min内应达到的精度（概率95%）

表7-3　稳定跟踪3min内应达到的精度（概率95%）

注：表中数值带正负号。

相对运动的精度和CPA的精度相关，近距离的精度比远距离的高，因为远距离时方位误差对相对运动的方向及CPA的影响较大。3和4两种态势中相对航向的误差较大是由于船舶纵摇和横摇导致雷达天线随之摆动引起的，此误差属于象限误差，在相对方位045、135、225、315时最大。

注意：满足上述精度的前提是所有与ARPA配接的传感器（雷达、电罗经、计程仪）都符合各自的性能标准，在横摇±10°以内的环境条件下能达到的最佳性能。

想一想

什么情况可能导致目标船丢失和调换？

思考与训练

1.　对ARPA的PPI所显示的目标真矢量，下列哪一个传感器数据对其精度有影响。

A.　雷达　B.　计程仪　C.　电罗经　D.　A、B、C均可

2.　因为雷达误差会造成ARPA输出数据的误差，下列精度会受到影响的项是。

A.　目标的方位、距离　　B.　CPA和TCPA的值

C.　目标的相对速度矢量　D.　A、B、C均受影响

3.　下列说法是明显错误的是。

A.　ARPA能自动录取和跟踪目标

B.　ARPA的误差与所接的传感器误差无关

C.　ARPA对目标跟踪计算后将输出六个数据信息

D.　ARPA能为驾驶员提供避让依据

4.　传感器的误差包括。

A.　雷达误差　B.　罗经误差　C.　计程仪误差　D.　以上都对

5.　以下因素的误差对PPC（可能碰撞点）无影响。

A.　计程仪　B.　罗经　C.　A和B都对　D.　A和B都不对

6.　ARPA本身误差包括。

A.　平滑误差和录取误差　　　B.　量化误差

C.　计算误差和目标调换误差　D.　以上都是

7.　当本船或目标改变速度时，ARPA的滤波器平滑作用会这种变化。

A.　减少　B.　增加　C.　不变　D.　以上都不对

8.　如在固定目标上出现了真速度矢量，而且此速度矢量的方向有很大变化，可能是ARPA的误差所引起的。

A.　计算误差　　　B.　量化误差

C.　平滑误差　　　D.　以上都不对

9.　ARPA在以下什么情况下可能发生误跟踪。

A.　两个目标速度相同　　　　　　　　　B.　两个目标速度与航向相同

C.　两个目标同时处在同一个跟踪窗内　　D.　两个目标为固定目标

10.　一般来说，ARPA真运动数据的精度相对运动数据的精度。

A.　低于　　B.　高于

C.　等于　　D.　以上都不对

11.　为了避免造成跟踪数饱和而不能录取其他需要录取的目标，这时可采取的措施。

A.　增大录取范围

B.　在假目标、杂波干扰严重时，改用人工录取

C.　根据情况将录取范围尽量缩小

D.　B+C都对

12.　由于ARPA存在着量化误差，所以。

A.　绝对准确反映目标的运动　B.　不能很准确反映目标的运动

C.　根本不能反映目标的运动　D.　以上都不对

13.　为了提高ARPA的导航数据的精度，在水流影响较大的狭水道航行，宜采用输入ARPA。

A.　对水速度　　　　　　　　　B.　对地速度

C.　对水速度和对地速度都可以　D.　以上都不对

14.　在大洋航行，输入ARPA的本船速度是。

A.　对水速度　　　　B.　对地速度

C.　任何速度都可以　D.　以上都错

15.　以下有关PAD（预测危险区）说法正确的是。

A.　PAD仅表示本船与目标之间关系，而不能表示目标与目标之间关系

B.　PAD仅表示目标与目标之间关系，而不能表示本船与目标之间关系

C.　A+B都对

D.　A+B都不对

16.　有关ARPA的PPC（可能碰撞点）与PAD（预测危险区）之说法错误的是。

A.　PPC一定是PAD的中心

B.　PPC位置变化不表示目标真矢量变化

C.　两个目标的PAD重迭不表示它们有碰撞危险

D.　B+C都不对

17.　当ARPA选择“相对运动—真矢量”时，本船的速度矢量在屏幕上是。

A.　不移动　　　　B.　以本船的速度移动

C.　A+B都对　　 　D.　A、B都不对

18.　有关ARPA试操船正确的说法是。

A.　试操船的结果是没有碰撞危险，则代表驾驶员按试操船的方法去行动则也一定没有碰撞危险。

B.　试操船是种计算机模拟操船，模拟结果并不能和未来实际情况完全一致

C.　试操船的条件是：目标船保向变速

D.　以上都是错误的

19.　以下说法正确的是。

A.　目标机动过大，使ARPA跟踪误差减小

B.　目标机动过大，可能引起ARPA误差增大

C.　目标机动过大，对ARPA的跟踪误差无影响

D.　以上都不对

20.　目标机动过大，对ARPA会引起的后果是。

A.　导致自动跟踪失常　　　　　　B.　导致目标丢失

C.　导致目标调换　　　　　　　　D.　A、B、C都对

21.　当目标机动过大，导致ARPA跟踪目标丢失，这时可重新对目标加以录取，在目标机动期间及重新稳定跟踪之前，ARPA所提供的信息是。

A.　可靠的　　　　　　B.　不可靠的

C.　可用评估运动态势　D.　A、C是对

22.　当两目标互相靠近，且目标机动过大时，可能会引起。

A.　目标调换　　　　　B.　目标丢失

C.　A、B都对　　　　　D.　A、B都不对

23.　当目标大角度转向，ARPA不发生目标丢失时，则。

A.　ARPA检测目标机动不需要延时处理

B.　ARPA检测目标机动需要延时处理

C.　A、B都对

D.　A、B都不对

24.　有关ARPA的试操船说法正确的是。

A.　试操船中未考虑目标的机动

B.　试操船中未考虑目标的机动，当目标机动后，原先试操船结果可采用

C.　当目标机动后，原先试操船结果无效

D.　A、C都对

25.　以下有关本船机动对ARPA的影响说法正确的是。

A.　本船航向和速度进行大幅度改变时，对ARPA的数据输出误差有影响

B.　本船航向和速度进行大幅度改变时，对ARPA的数据输出误差没有影响

C.　本船机动性对ARPA的误差无影响

D.　C、B都对

26.　ARPA跟踪目标的精度与以下有关。

A.　目标舷角　　　B.　目标距离远近

C.　目标速度快慢　D.　A、B、C

27.　ARPA相对运动精度是。

A.　近距离的精度比远距离的精度高

B.　远距离的精度比近距离的精度高

C.　近距离的精度和远距离的精度一样

D.　以上都不对

28.　ARPA的象限误差在相对方位为时最大。

A.　045度　　　　　　　　　B.　045度和135度

C.　045度，135度和225度　　D.　045度、135度、225度和315度

29.　关于ARPA跟踪目标的精度的说法正确的是。

A.　跟踪目标的精度只与当时目标航行速度快慢有关

B.　跟踪目标的精度只与当时目标航行距离远近有关

C.　跟踪目标的精度只与当时目标航行航向有关

D.　以上都不对

30.　ARPA稳定跟踪应能提供目标相对运动趋势（95%概率）。

A.　1min　B.　2min　C.　3min　D.　5min