離靠泊作業參數誤差因素分析*

姚　曜　王清哲　王　宇　白曉勇

(1.海軍裝備研究院　北京　100161)(2.中船航海科技有限責任公司　北京　100070)

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離靠泊作業參數誤差因素分析*

姚曜1王清哲2王宇2白曉勇2

(1.海軍裝備研究院北京100161)(2.中船航海科技有限責任公司北京100070)

摘要船岸距離、船岸速度和入泊角度是離靠泊作業的關鍵參數，其計算精度對于安全可靠地實現船舶離靠泊具有重要作用。論文對岸基離靠泊作業設備與船基離靠泊作業設備的發展情況進行了概述，根據這兩類設備的參數測量手段，推導了基于激光測距儀和差分衛導接收機的離靠泊作業參數計算誤差模型，得到了離靠泊作業參數的誤差影響因素。

關鍵詞離靠泊； 激光測距儀； 差分衛導接收機； 誤差分析

Class NumberO212

1　引言

隨著航運業的發展，造船技術和航海技術呈現跨越性的進步，船舶的大型化已經由一種趨勢轉變為現實。與原來中小噸位船舶相比，大型船舶可控性難度更大，對船舶離靠泊作業要求更高[1]。

在船舶離靠泊作業過程中，要求駕引人員時刻掌握船舶周邊態勢、航道及水文氣象信息，確保船舶能夠航行在特定的航線上。目前，已普遍使用的ARPA雷達、衛星導航定位等助航設備無法為駕引人員提供直觀、精確、迅速的離靠泊作業信息，駕引人員要靠目視和經驗來協助引航，但是目視易受諸多因素的影響，如航道上航標亮度和海上能見度等，從而影響駕引人員做出正確的決策；又由于港口貿易的不斷增長、船運量不斷增多，港口附近航道環境變得越來越復雜，威脅船舶的離靠泊安全[1～3]。為有效避免上述不利因素，用來輔助大型船舶離靠泊作業的儀器設備得到快速發展。離靠泊作業設備通過激光測距儀、艦用差分衛導接收機等測量手段為駕引人員提供更加詳細、準確、實時的離靠泊動態數據，輔助駕引人員更好地控制離靠泊作業過程，提高工作效率和作業安全性，使駕引人員從過去純粹憑經驗靠感覺定勢靠泊到利用先進設備數字定量靠泊[4～7]。

本文首先對岸基離靠泊作業設備和船基離靠泊作業設備的發展情況進行了概述，分析了這兩類設備的特點。其次，建立了基于激光測距儀和差分衛導接收機的離靠泊作業參數計算公式，在此基礎上推導了各項參數的誤差模型。

2　離靠泊作業設備發展現狀

國外大型海工企業在離靠泊作業設備研制方面有多年技術積累，形成了多種完善的離靠泊解決方案。目前應用相對成熟的是激光離靠泊作業設備，相對前沿的是基于差分GPS或北斗等定位系統的離靠泊作業設備[8～10]。根據安裝與使用形式，離靠泊作業設備可分為兩類，一類將設備主要測量單元安裝在岸上，稱之為岸基離靠泊作業設備；另一類將設備主要測量單元安裝在船舶上，稱之為船基離靠泊作業設備，以下分別對這兩類設備進行分析。

2.1岸基離靠泊作業設備

岸基離靠泊作業設備通過安裝在碼頭前端的激光探頭采集信號回波，計算獲取船艏和船艉相對碼頭前沿線的距離、速度和入泊角度，記錄船舶靠泊碼頭的過程，并將靠泊速度和入泊角度等信號傳輸到設置在碼頭上的大型顯示屏和引航員隨身攜帶的無線便攜式顯示器上，以指導船舶靠泊作業，防止船舶靠泊速度和角度過大而損壞船舶或碼頭設施。岸基離靠泊作業設備布置示意圖如圖1所示。

圖1　岸基離靠泊作業設備布置示意圖

丹麥Marimatech公司和英國Harbour Marine公司推出的輔助離靠泊系統處于國際領先水平，它們設計的輔助離靠泊系統除包含激光離靠泊作業設備外，還包括環境監測設備及纜繩張力監控設備，能夠為船舶離靠泊提供全方位服務。Marimatech公司和Harbour Marine公司設計的岸基激光離靠泊作業設備分別如圖2和圖3所示。

岸基激光離靠泊作業設備由于性能出眾，可靠性高，越來越被客戶認可。從1992年起，岸基激光離靠泊作業設備已經廣泛應用于世界各大港口，如鹿特丹、樸次茅斯等。

2.2船基離靠泊作業設備

船基離靠泊作業設備綜合應用了電子海圖顯示技術、AIS技術、艦用差分衛星導航技術等，除顯示離靠泊作業參數外，還將本船周圍配有AIS裝備的船舶、港口周圍的航道、航線、水深、岸標、航標等航行信息實時地顯示在移動終端上，其框架如圖4所示。

圖2　Marimatech公司的岸基離靠泊作業設備

圖3　Harbour Marine公司的岸基離靠泊作業設備

圖4　船基離靠泊作業設備結構框架

目前船基離靠泊作業設備有較大發展，許多海工企業均推出相應產品，如Marimatech公司的SafePilot(圖5左上)、Harbour Marine公司的SmartDock(圖5右上)、新西蘭Navicom Dynamics公司的HarbourPilot Lightweight(圖5左下)、挪威AD NAVIGATION公司的ADX XR(圖5右下)等。這些設備綜合船體模型、DGPS定位信息與大比例尺電子海圖，計算船艏、船艉相對碼頭的垂向距離與速度信息，可為船舶離靠泊提供精確顯示和控制參考，工作人員通過PAD、加固筆記本等移動設備直接在船上進行離靠泊操作，如圖5所示。

圖5　船基離靠泊作業設備示意圖

2.3離靠泊作業設備特點分析

從現有設備方案來看，岸基離靠泊作業設備主要采用激光測距儀對離靠泊參數進行測量，船基離靠泊作業設備則采用差分BD/GPS進行作業參數測量，測量手段的差異導致設備呈現不同的特點，體現在[3，11～12]：

1) 岸基離靠泊作業設備在良好天氣條件下測程遠、精度高，即便在船舶搖晃的情況下仍可保持良好的測距性能。此外，岸基離靠泊作業設備直接測量船岸距離，船岸相對速度和入泊角的解算比較簡單。不足之處是激光測距儀對氣候的依賴性比較強，在濃霧、大雨等能見度很低的環境下，給離靠泊作業帶來一定困難，體現在兩個方面：一是測距精度降低，導致離靠泊參數計算精度降低；二是測程降低，可能導致船岸相對距離無法測量。

2) 船基離靠泊作業設備采用差分BD/GPS，定位精度高，受天氣的影響較小，設備可全程(航道引航+靠泊)使用，安裝方便、可適用于任何覆蓋差分衛星信號的碼頭。利用差分BD/GPS進行離靠泊作業時要求船只配備精確的港口大比例尺電子海圖，通過差分BD/GPS測定艦位，再與岸線進行精確量算獲得船岸距離、相對速度和入泊角。

可見，基于激光測距儀和基于差分衛導接收機的離靠泊作業參數測量方法各有優缺點，在實際應用中，應根據天氣條件、港口環境、差分衛導信號覆蓋程度、資料準備情況等選用合適的離靠泊作業設備。

3　離靠泊作業參數誤差分析

靠泊過程中需要對船岸距離、船岸速度和入泊角等參數進行計算，參數精度與采用的測量手段緊密相關，以下分別對岸基和船基離靠泊作業設備的計算參數進行誤差分析。

3.1坐標系定義

在岸端建立離靠泊坐標系，不失一般性，坐標系原點O選擇在激光測距儀1的中心，x軸方向指向正東，y軸方向指向正北，如圖6所示。

圖6　離靠泊坐標系

3.2岸基離靠泊作業設備計算參數誤差分析

如圖6所示，在碼頭前沿線安裝兩套激光測距儀，它們的間距為L，激光測距儀1與激光測距儀2測量的船岸距離分別為L1和L2。受離靠泊運動的影響，舷側一端接收到激光束的位置隨時間而變化，因此無法精確推算船艏和船艉的離岸距離和速度。在這種情況下，將激光測距儀1和激光測距儀2的測量值近似為對船艉和船艏的測量值。

船艏與船艉離碼頭前沿線的距離Lbow和Lstern為

Lbow=L2

(1)

Lstern=L1

(2)

入泊角βL為

(3)

船艏與船艉相對碼頭前沿線的速度VLbow和VLstern為

(4)

(5)

記激光測距儀1和激光測距儀2的測距均方差為σLP，測速均方差為σLV，根據式(1)～式(5)可知各離靠泊作業參數的均方誤差為

σLbow=σLP

(6)

σLstern=σLP

(7)

(8)

σVLbow=σLV

(9)

σVLstern=σLV

(10)

式中，σLbow和σLstern分別表示船艏、船艉離碼頭前沿線的距離均方差，σAL表示入泊角計算均方差，σVLbow和σVLstern分別表示船艏、船艉相對碼頭前沿線的速度均方差。

(11)

式中，βmax為最大入泊角。

3.3船基離靠泊作業設備計算參數誤差分析

船基離靠泊作業設備的差分衛導接收機在船上有多種布局方式，但不論采用哪種方式，都需要根據安裝位置與船艏、船艉的相對位置關系，將測量結果轉化為船艏、船艉的等價測量值[5]。為描述方便，本文假設差分衛導接收機1和差分衛導接收機2分別安裝于船艉和船艏。靠泊時碼頭前沿線的地理信息能夠事先獲取，通過大比例尺電子海圖選擇碼頭前沿線上兩點O和O1，并以O為原點建立離靠泊坐標系，各軸定義如圖6所示。

設O點和O1點經緯度分別為(λO，φO)和(λO1，φO1)，差分衛導接收機1測得的船艉經緯度為(λstern，φstern)，差分衛導接收機2測得的船艏經緯度為(λbow，φbow)，各個位置點在離靠泊坐標系內的坐標通過如下公式進行轉換：

(12)

(13)

式中，(Xi，Yi)為(λi，φi)在離靠泊坐標系下的坐標投影，Re為WGS-84坐標系下的地球長半軸，e為偏心率。

通過式(12)和式(13)，得到O1(λO1，φO1)、船艏(λbow，φbow)和船艉(λstern，φstern)在離靠泊坐標系下的坐標為O1(XO1，YO1)、船艏(Xbow，Ybow)和船艉(Xstern，Ystern)。據此得到碼頭前沿線與東向的夾角α1為

(14)

船體艏艉線與東向夾角α2為

(15)

入泊角βS為

(16)

kx-y=0

(17)

船艏(Xbow，Ybow)到碼頭前沿線的垂直距離Sbow為

(18)

船艉(Xstern，Ystern)到碼頭前沿線的垂直距離Sstern為

(19)

船艏與船艉相對碼頭前沿線的速度VSbow和VSstern為

(20)

(21)

記差分衛導接收機1和差分衛導接收機2的緯度均方誤差為σφ，經度均方誤差為σλ，東向與北向速度均方誤差為σSV，根據式(16)～式(21)推導各離靠泊作業參數的誤差為

(22)

(23)

(24)

σVSbow=σSV

(25)

σVSstern=σSV

(26)

式中，σSbow和σSstern分別表示船艏、船艉離碼頭前沿線的距離均方差，σAS表示入泊角計算均方差，σVSbow和σVSstern分別表示船艏、船艉相對碼頭前沿線的速度均方誤差。

特別地，若σφ=σλ，則式(22)～式(24)可簡化為

σSbow=σφ

(27)

σSstern=σφ

(28)

(29)

式中，Lvessel表示船的長度。

可見，當σφ≠σλ時，σSbow、σSstern和σAS既與差分衛導接收機的定位誤差有關，還與碼頭前沿線與北向夾角、船舶艏艉線與北向夾角有關。當σφ=σλ時，σSbow和σSstern僅與差分衛導接收機的定位誤差有關，而σAS既與差分衛導接收機的定位誤差有關，還與船的長度有關(即差分衛導接收機的安裝間距)，這與前述σAL的大小與兩激光測距儀的安裝距離有關這一結論相同。

綜上，離靠泊作業參數誤差的影響因素如表1所示。

表1　離靠泊作業參數誤差影響因素

4　結語

本文對岸基和船基離靠泊作業設備的發展現狀進行了概述，分析了這兩類設備的特點。在此基礎上，針對激光測距儀、差分衛導接收機這兩種離靠泊作業參數測量方式，推導了船艏與岸垂直距離、船艉與岸垂直距離、入泊角、船艏與岸垂直速度、船艉與岸垂直速度等離靠泊作業參數的誤差公式，得到各參數計算誤差的影響因素。通過誤差分析，一方面可指導設計人員進行離靠泊作業設備的選型與布局，另一方面可幫助航海作業人員知悉離靠泊過程中各項參數的誤差變化。

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*收稿日期：2015年10月14日,修回日期：2015年11月26日

作者簡介：姚曜，男，博士，工程師，研究方向：綜合導航系統。王清哲，男，博士，高級工程師，研究方向：電子海圖顯示與信息系統。王宇，男，碩士，工程師，研究方向：電子海圖顯示與信息系統。白曉勇，男，碩士，工程師，研究方向：電子海圖顯示與信息系統。

中圖分類號O212

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.013

Error Factor Analysis of Ship Berthing Parameters

YAO Yao1WANG Qingzhe2WANG Yu2BAI Xiaoyong2

(1. Naval Academy of Armament, Beijing100161)(2. CSSC Marine Technology Co., Ltd, Beijing100070)

AbstractDistance between vessel and mooring line, berthing speed and berthing angle are three key parameters for safe and reliable ship berthing. In this contribution, the development of shore-based berthing equipment and ship-based berthing equipment is firstly summarized, then according to different berthing parameter measurement methods, the computing error models of berthing parameters for laser range finder mode and differential satellite navigation receiver mode are derived, from which the error impact factors are finally obtained.

Key Wordsship berthing, laser range finder, differential satellite navigation receiver, error analysis