激光導航技術在橋區船舶導航中的應用

郭義浩

（1.長江重慶航道局，重慶 400012）

激光導航技術在橋區船舶導航中的應用

郭義浩1

（1.長江重慶航道局，重慶 400012）

激光導航是一種利用激光良好的方向性和高亮性而發展起來的新興船舶航道技術。以激光船舶導航技術為基礎，根據國內外激光船舶導航發展情況，結合橋區航道特點，分析激光導航技術在橋區航道中運用的可行性，提出橋區激光船舶導航系統的設計構想，并開發適合橋區航道特點的激光導航系統。

橋區航道；船舶導航；激光導航；雷達導航；羅經導航

據有關統計，目前三峽水利樞紐以上的長江干線已建成跨江橋梁42座，在建橋梁8座，數量之多，十分罕見。這些橋梁的建設，極大地方便了陸上交通，但由于橋梁建設設計功用和河床地形的特殊性，存在橋墩占據主航道的情形，使得河流過水面積縮窄，流速增加，水流流速發生偏移，通航環境惡化，客觀上對船舶通航形成障礙，亟需找到一種全新養護方式來引導船舶安全通過橋區水域，保障船舶和橋梁的安全。

本文針對橋區航道的復雜特點，探討激光導航在橋區航道中運用的可行性，并研發相應的導航系統。

1 船舶導航現狀

船舶導航技術從上個世紀70年代開始，逐漸出現GPS技術導航、雷達導航、羅經導航等導航方式，實現了船舶信息獲取、船舶引航等功能。在80年代，隨著計算機技術的不斷發展，船舶導航系統朝著集成化、一體化方向發展，出現目前最為常見的一種導航系統——組合導航系統[1,2]。

1.1 GPS全球衛星導航

這種導航方式是指利用GPS衛星，在全球范圍內實時進行船舶定位、導航的技術[3]。這種導航技術具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今使用最好的導航定位系統。

1.2 雷達導航

雷達導航是利用雷達從船上向物標發射脈沖電波，由接收裝置接收電波的反射波，經放大檢波后作為圖像信號在陰極射線熒光屏上顯示，同時利用無線電波的直進性和等速性，計算物標的方位、距離以及船舶的位置等參數。它特別適用于黑夜、霧天引導船只出入海灣、通過窄水道和沿海航行。

1.3 羅經導航

船舶使用羅經確定航向和觀測物標方位，使用方便。常用的羅經設備有磁羅經和陀螺羅經兩種。磁羅經由于受地球磁場的影響，容易產生磁差和自差；陀螺羅經受自身設備、緯度等的影響，容易產生緯度誤差、速度誤差、沖擊誤差、搖擺誤差和基線誤差等[4]。

1.4 航標導航

航標導航是通過設置過河標、沿岸標等助航標志來標示航道方向、界線與礙航物，以實現引導船舶航行、定位[5]。這種導航技術在內河航道中運行較為廣范，具有設置速度快、簡單可靠、但資源消耗大等特點。隨著網絡技術的發展，基于AIS岸基臺站的智能航標逐漸投入運用，實現了航行信息綜合顯示和智能輔助導航，為船舶航行安全增加了一種有效的輔助手段。

受導航設備自身的局限和導航環境復雜多變的雙重影響，上述4種導航設備均能夠為船舶提供部分導航服務，但是在橋區航道，現行的導航方式仍存在不足。

隨著激光技術的不斷成熟和發展，它在船舶導航領域也取得了長足進步，比如在沿海港區船舶停靠、戰斗機起降等方面都發揮著十分重要的作用。

2 激光導航技術在橋區船舶導航中的應用

橋區激光船舶導航系統是一種引導船舶安全通行橋梁河段的輔助系統，它由橋區激光導航指引系統和橋區船舶位置判定系統兩部分組成，其中橋區激光導航指引系統起著視覺航標的作用，為船舶指引航路；橋區船舶位置判定系統則是通過數學模型計算，為船舶展示實時動態信息[6,7]。通過2種系統的整合，能夠實現航路的直觀顯示，幫助船舶駕駛人員對錯誤航向作出合理修正，以實現精確導航，保障船舶安全通過大橋區域。

2.1 橋區激光導航系統設計

橋區激光導航指引系統由4道中等強度激光光束組成（如圖1所示），左右橋墩分別安裝一臺激光發射裝置（左岸為綠光，右岸發射紅光），給駕駛員標示出橋墩準確位置；另兩臺激光發射器則安裝在橋梁安全通行中心線附近（燈質為黃光），一臺激光發射器向水面（如果橋梁凈空高度較低，也可向上方發射）垂直發射一條激光，另一條激光以45°角向迎船向發射，為駕駛人員標出安全的航線。為避免光線過多產生干擾，本系統主要安裝在下水航線一則。

圖1 橋區激光導航指引系統

根據船舶位置的不同，駕駛人員通過觀察激光射線會出現以下3種情況（如圖2所示）：

1）橋梁安全通行中心線重合為一條直線，即表明船舶正沿著中心線駛過橋區河段，航向正確。

2）橋梁安全通行垂直射線在斜向射線的左側時，表明船舶行駛靠左。

3）橋梁安全通行垂直射線在斜向射線的右側時，表明船舶行駛靠右。

2.2 橋區船舶位置判定系統

圖2 船舶激光導航

該系統通過船載GPS定位系統獲取船舶的實時坐標數據，再將數據導入后臺系統中進行綜合計算和分析，推算出船舶實時航行參數和船舶航線與正確航線的偏差值。

假設1號、2號激光發射器坐標為（a1，b1）和（a2，b2），船舶坐標為（a3，b3）（如圖3所示），首先利用激光發射器數據求出其軸線線性方程式：

其中，

再利用船舶坐標和激光發射器軸線線性方程聯解，求得船舶坐標在橋墩軸線上的垂足坐標（a4，b4）：

求得：

圖3 船舶航行線

3 結 語

激光導航是伴隨激光技術不斷成熟而發展起來的一種新興導航應用技術，適用于視線不良情況下的船舶導航、野外勘測定向等工作，將它作為船舶導航手段是十分可取的。橋區激光船舶導航系統目前仍處于起步階段，系統的整合仍需進一步加強，但可以預見，隨著激光導航技術的不斷豐富和完善，必將會引起船舶導航技術研究的新一輪高潮。

[1] 張宇飛, 陸全聰, 翁海娜． 基于 IMU 旋轉的船用激光導航系統分析與設計[J]． 海洋技術, 2009, 28(2): 88-91

[2] 張壽桂, 彭國均． 海監船舶導航與監控管理信息系統[J]． 上海海事大學學報, 2006, 27(3): 31-35

[3] 史國友, 賈傳熒, 賈銀山, 等． 基于 GPRS 和電子海圖的船舶導航與監控系統[J]． 中國航海, 2003 (4): 62-65

[4] 王子磊, 尹洪亮, 王丹． 激光陀螺雙軸旋轉慣導系統轉位方案設計[J]． 艦船科學技術, 2013 (12): 114-120

[5] 楊孟興, 徐兵華． 激光陀螺捷聯慣性導航系統的誤差參數標定[J]． 中國慣性技術學報, 2008, 16(3): 306-309

[6] 羅偉林, 甘浪雄, 鄒早建． 橋墩附近流場分布及對通航船舶的影響[J]． 中國航海, 2014 (1): 66-70

[7] 范平易, 鄒早建, 汪淳． 基于橋區水流數值模擬的橋墩對通航影響分析[J]． 中國航海, 2010 (1): 37-41

P228

B

1672-4623（2015）02-0020-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.008

郭義浩，高級工程師，從事航道測量與管理方面的研究工作。

2014-11-07。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41074025）。