提高航標特殊氣象條件下的導航能力初探

在航標上安裝反射器，以此來提高船舶在特殊氣象條件下的安全航行能力，對今后如何在特殊氣象條件下提高航標的助航作用有一定借鑒意義。

近年來，長江航道局先后幾次充分利用自然水深分時段、分河段提高了航道維護尺度，一定程度提高了轄區航道的通過能力，但盡管如此仍然不能完全滿足長江航運快速發展的需求。航道維護尺度的進一步提高受到各種因素的限制，如何在現有航道條件下提高航道通過能力就成為了一個現實的課題。

長江航運的現狀及主要趨勢

隨著我國社會主義市場經濟體制的不斷推進，長江航運作為一種節能高效的運輸方式，受到各界重視和青睞，長江航運迎來了新的發展機遇。航運企業組織形式也由原來的幾家大型國有或集體所有航運企業，發展成個體、集體、國有控股等不同主體共同參與，船舶類型、大小參差不齊的共存互依共同發展的格局。同時，隨著時代的變化，技術的進步，其運輸方式等也悄然發生著變化。主要表現在以下幾方面：從運輸類型來看，客運逐步萎縮，貨運隨著經濟發展，增長迅速。從貨物運輸方式來看，目前單機駁船運輸方式基本取代了以前由拖輪和無動力駁船編隊組成的船隊運輸方式。其三是隨著技術的進步，以導航雷達、GPS為代表的新型助航設備在船舶中得到了推廣應用，非正常氣象條件下的船舶導航能力得到極大增強。與此對應的船舶在非正常氣象條件下航行對航道、航標識別需求也有了新的要求。即不再僅僅是只要航標白天顏色鮮明，晚上燈光明亮容易識別那簡單了。它更需要在視線條件不良時，如雨、雪、霧、霾天氣狀況下，航標也能起到助航作用。以方便船舶能在雷達等現代導航設備上更加清楚地顯示現場航標，進一步提高船舶在特殊氣象條件下的安全航行能力。

當前航標的現狀及其存在的不足

目前，長江中游的水面航標主要由浮具、航標標體、航標燈光系統三大塊組成。航標浮具一般為鋼制，近來引進了少數塑料制成的浮具作為試驗。浮具大小按長度分為6.7米、10米和15米三種，其中以6.7米的為主，目前正在逐步向10米的過渡。15米的浮具主要用在橋區等水流條件比較特殊的重點區域。標體過去多為木或竹制，部分少數為鋼制或塑料制品。從上述器材組成來講，長江中游航標仍屬于視覺航標，其主要依靠船舶駕引人員視覺識別來發揮導航效果。雖然鋼制浮具對雷達電磁波有一定的增強反射作用，但由于浮具較小，其增強作用十分有限。據枝江航道管理處統計，該處平均設置約60座左右，2010年1--10月共發生船舶碰撞浮標94艘次。從被碰航標的位置看，80%多是發生在蘆家河、枝江、江口三個中游有名的重點淺水道；從時間分布看，70%左右集中在冬春兩季的長江枯水期；從碰撞航標的船舶駕引人員反映和現場維護的航道工作艇觀察，碰撞航標大都發生在有霧、霾等視線不良的天氣狀況下，少數是因為搶航道擁擠造成。因此，結合枝江航道處轄區地處山區向平原過渡地區，冬春兩季江面霧情較多。而此時又恰逢長江枯水時期，轄區內的蘆家河、枝江、江口幾個淺水道航道狹窄、彎曲，船舶航行本來就相當困難的現場情況。我們可以設想：當航行船舶遇上視線不良的特殊氣象條件后，很難在遠距離分辯或正確識別航標，從而導致在逼近航標識別后再進行調向操作時，為時已晚，只能眼睜睜地看著輕則去碰撞航標，重則跑出航道發生擱淺事故。

綜上所述，長江中游現有的航標主要還屬視覺航標，其所使用材料和其結構沒有考慮對導航雷達所發射電磁波的反射問題，因此其在特殊氣象條件下的導航性能存在一定的不足，隨著航運的發展，其已不能完全滿足船舶導航需求。

關于提高現有航標在特殊氣象條件下導航性能設想

要提高現有航標在特殊氣象條件下導航性能，最簡單便捷的方法就是提高特殊氣象條件下航標在船舶導航雷達上的可識別性或可識別距離。提高特定目標的可識別性或可識別距離通常可采取安裝雷達應答器和雷達反射器兩種方法。由于雷達應答器，一是屬于有源設備，需要消耗一定電源能量，從現有資料看目前不適于安裝在中游游標上使用，二是成本較高也不適宜在內河航道上推廣。所以，我們首先選取無源雷達反射器作為考慮對象。

能產生強烈的雷達回波的反射器有角反射器、倫伯透鏡反射器、范·阿塔反射陣、雷達反射氣球等。

其中角反射器：由三個互相垂直相交的金屬平面構成的反射體，有三角形、方形、圓弧形角反射器之分(圖1)。角反射器可以在較大的角度范圍內，將入射的電磁波經過三次反射，按原入射方向反射回去（圖2），并產生很強的回波。尺寸不大的角反射器也具有很大的雷達截面積。最大的雷達截面積主要取決于反射器的各個面間保持直角的精確度，微小的角度偏差和板面不平都將導致雷達截面積的顯著減小。角反射器的方向圖約為25°～50°。三角形角反射器的方向圖比較寬平，界面剛度較大，制造要求也不高，因而被廣泛采用。 因此，我們首先考慮能否將它與現行航標結合起來，從而達到提高可識別性能。

反射器的結構及測試情況

1、試驗用角反射器的結構

為了盡可能地與現有航標標體配套，在現有標體基礎上安裝反射器后不至過于影響現有航標標體的外觀性能，又能產生較好的反射效果。我們選取底邊長566mm，高為400mm四棱錐形的角反射器（如圖3）。它由兩相對的四個角反射器組成一個整體盡可能在水平方向上前后左右能取得最大反射效果。材質采用3mm厚的不銹鋼板，具有一定強度，又有較好電磁反射效果。同時，灰白色的不銹鋼材外觀顏色，很容易與灰色的浮具和遠處的江水融合，不至太過影響航標標體外形。

在標位上安裝后的效果如圖4

2、測試前雷達設置情況

本次測試試驗采用枝江航道管理處的航迅501艇實裝的導航雷達。為保證測試的客觀、準確，我們首先將雷達的海浪抑制、頻率鎖定、增益等可能影響測試效果的調節項目全部調整到手動檔，經過一次性調整好后在整個測試過程中保持固定不變。以保證雷達在整個測試過程中的靈敏度不變。

3、測試時天氣情況

測試于2010年12月9日分別在長江中游枝江水道、江口水道進行。天氣晴，江面的薄霧，視距上午測試時約3公里左右，下午大于4公里。下午江面有2-3級上風、微浪，但從下午測試前的校驗看，不影響雷達測試效果。

4、測試情況

上午在枝江水道對采用10米浮具的標位進行了測試：當沒有安裝反射器時，采用屏幕最大顯示距離為3公里的檔時，目標標位在距測試船舶1.1公里左右時開始出現在顯示屏幕上，即可識別最大距離約為1.1公里；當安裝反射器后，測試可識別最大距離為1.2公里左右。

下午在漚水道對采用6.7米浮具的標位進行測試：沒有安裝反射器時，可識別最大距離，采用3公里檔時約為0.4-0.5公里， 當采用1.5公里檔時約為0.7-0.8公里；安裝反射器后，可識別最大距離，采用3公里檔時約為0.9-1.2公里， 當采用1.5公里檔時約為1.2-1.5公里.

5、對測試結果的分析

首先從測試數據看，該尺寸的反射器用在10米浮具的標位上，增強作用不明顯。這主要是10米浮具本身就有較大有效反射面的原因。這也就是為什么在航道現場維護中，用10米浮具時航標被碰撞流失的機率會大大減小的原因所在。

在6.7米浮具上，則可以明顯增加可識別距離，但是由于我們主要是采取從下游方向接近目標標位的方法進行的測試，而本次測試用的反射器面對下游方向的主要只有一個反射角起作用，而角反射器的方向圖只有約25°～50°。因此，當有船舶經過，造成航標搖擺時，會明顯影響到反射效果。這也是在多次測試時產生測試數據有明顯差異的主要原因。

6、結論

綜上所述，雖然本次試驗采用的是最簡單的角反射器，尺寸也不大，但從測試情況看，加裝無源反射器，能有效增加航標在導航雷達上的可識別距離，它不需要增加航標電源，是一種經濟有效的提高內河航標在特殊氣象條件下導航性能的方法。

存在的問題及今后改進建議

由于該試驗采用的是最簡單的角反射器，尺寸也不大，因此，在10米浮具上效果不甚明顯。在實際應用中可以通過增大反射器尺寸和優化其結構來擴大其反射面積。進一步提高導航效果。一是可以通過采用多個角反射器合理組合來增加和改善其單個角反射器水平和垂直反射角不足的問題，減少測試中受風浪影響較明顯的問題。二是如果能夠在制作標體時，采用適當的材料和工藝，使其既滿足航標規范的要求，又能滿足角反射器的要求，起到反射器作用，將會對進一步提高航標在特殊氣象條件下的導航性能。

（作者單位：長江宜昌航道局）