1. 课程导入与航迹规划跟踪概览

船舶在开阔水域航行时，驾驶人员真正关心的往往不是“船现在在哪”，而是“船应该走哪条线、现在偏离了多少、接下来舵和主机该怎么动”。这一连串问题，正是《船舶航迹规划与自动跟踪》要解决的核心。简单来说，航迹规划回答“走哪条路”，自动跟踪回答“怎么沿着这条路走稳”。两者一前一后、互为前提：没有合理的规划，跟踪再精确也可能驶入浅水或违背避碰意图；没有可靠的跟踪，规划得再优也只停留在纸面上。

从系统角度看，一条完整的“规划—跟踪”链路可以拆成四个层次。第一层是环境与任务输入，包括电子海图、水深、碍航物、气象水文、本船操纵性能和航次任务（如目的港、预计到港时间）。第二层是航迹规划器，它把任务转化为一条几何上可行、动力学上可跟踪的参考航线，通常由一系列航路点（Waypoint）和连接它们的航段组成，必要时还要做平滑处理，避免出现船舶无法执行的急转弯。第三层是制导与控制器，它根据本船实时位置、航向、速度与参考航线的偏差，计算出期望航向或期望舵角，常见方法有视线制导（Line-of-Sight，LOS）、纯追踪（Pure Pursuit）等。第四层是执行与反馈，舵机、主机响应控制指令，罗经、GNSS、AIS 等传感器再把新的船位与姿态送回系统，形成闭环。

上图把这条链路画成了一个闭环：规划器输出参考航线，控制器据此算出操纵量，执行机构改变船舶运动，传感器再把新状态送回比较环节。理解这张图，就理解了本课程后续所有章节的骨架——后面要学的算法，无非是在这个闭环的某一环上做得更精细、更稳健。

典型应用场景

航迹规划与自动跟踪并不是单一场景的技术，它在不同任务下侧重点差别很大。开阔水域航线设计关注全局最优，例如在洋流影响下选择省油航线，规划器需要把流速、流向作为代价函数的一部分；狭窄水道与进出港关注几何精度和转弯可行性，航段要贴合航道走向，转弯半径必须大于本船在该航速下的最小回转半径；避碰与动态重规划关注实时性，当 AIS 或雷达发现来船构成碰撞危险时，系统要在秒级内生成新的局部航迹；动力定位与循迹作业（如测量船、疏浚船）则更强调低速下的航向保持与横向精度。教学示例中常设定一艘中型船舶以 12 kn 航速沿折线航段航行，横向偏差允许带取 ±10 m，超过即触发报警或重规划——这类参数只是合理假设，实际取值需依据船型、水域和作业要求确定。

课程学习路线图

本课程共 30 章，整体按“基础—规划—跟踪—集成—实战”推进。前期建立坐标系、船舶运动与操纵性、航迹描述等共同语言；中期分别深入全局规划（如 A*、Dijkstra、栅格与可视图法）与局部规划（如人工势场、动态窗口法）；随后进入跟踪环节，学习 LOS 制导、PID 与模型预测控制等控制方法，并讨论风浪流扰动下的鲁棒性；后期聚焦规划与跟踪的耦合、避碰约束下的重规划、系统集成与仿真验证，最后通过综合案例把整条链路串起来。学习时建议始终对照上面那张闭环图：每学一个算法，先问它作用在哪个环节、输入输出是什么、失败时闭环会表现成什么样。这样零散的知识点才会长成一张有结构的网。