船舶通導電子設備的綜合應用研究

許朝陽，吳自飛

（武警海警學院艦艇指揮系，浙江寧波，315801）

1 為ECDIS提供信息

電子海圖顯示和信息系統（ECDIS）是一種典型的電子海圖應用系統，它集成了包含定向設備、測速設備和定位設備在內的各種航海傳感器輸入信息并進行綜合顯示。其中，船舶位置信息是最為重要的輸入數據之一，提供船舶位置信息的定位設備包括GPS、羅蘭—C、慣性導航系統，另外，ECDIS也可利用輸入的羅經航向信息和計程儀航速信息，以初始位置為基準進行迭代計算，得到推算的船舶位置信息。

在上述的位置信息中，GPS位置信息具有定位精度高、實時性好和可全天候使用的特點，對于保障船舶航行安全具有重要的作用，特別是在遠洋航行陸地導航物標少、天文航海使用時機受限條件下，更是表現出了極強的優越性，成為遠洋航行導航定位的主要手段。在綜合集成使用方面，ECDIS對GPS的輸入經緯度信息進行坐標變換，并實時、自動地將該位置標繪在電子海圖上，航海人員可以在電子海圖上直觀地觀察當前船舶位置和周圍環境信息，為船舶操縱提供可視化的決策信息支撐。這一自動化的電子標繪將航海人員從繁瑣的手工尺規海圖作業中解放出來，使之更加注重對船舶航行的操縱決策和安全管理，是綜合艦橋系統發展的標志性技術之一，也是航海技術發展史上的一項革命性變化。

在ECDIS或GPS導航儀中，對經緯度信息在時間上進行微分濾波計算，可得到高精度的船舶對地航速矢量（也稱絕對速度），在一般航行任務中可替代計程儀的測速功能，特別是在一些小型船舶中，甚至不再列裝計程儀，而直接使用GPS的測速功能來保障航行。

“時間”是船舶航行的重要數據，特別是對于跨時區航行船舶，精準的計時是確保船舶按計劃航行和安排值班勤務的重要參考。長期以來，船舶的主要高精度計時裝置是航海天文鐘，再輔以船鐘進行全船時間基準顯示。但是，傳統的航海天文鐘存在誤差較大的缺點，特別是在遠海長時間航行后，更是無更高精度的時間參照。GPS在航海上的另一重要用途是提供授時服務，這種授時精度高達納秒級，完全滿足全球航運需求。

2 船位報告和船舶動態監視

全球海上遇險與安全系統（GMDSS）是國際海事組織為保障海上航行安全，在全球范圍內建立的國際海上搜救通信網絡、通信程序和機制。當海上船舶發生海難，遇險與安全系統機制啟動，首先是對海難進行通播報警，這種報警信息包括遇難船舶識別碼、遇難位置和事故性質，以及其他可能有助于救援的信息。其中，遇難船舶準確的船位信息是全球海上遇險與安全系統所必須掌握的基本信息之一，若采用手工收發報進行遇險船位的報告，需要經過多道中間環節，實時性較差，容易導致錯失救援時機，在極特殊情況下，甚至可能出現不能上報遇險位置的情況。將GPS與GMDSS相結合，可將失事船舶位置實時地、自動地發送至監控中心，實現高效率、高可靠性的船位報告和船舶動態監視系統，監控中心對接收到的失事船舶信息進行處理，以圖形化的方式進行顯示，通過人工智能識別或人工判斷，對該海域內航行異常船舶進行標識或警報，快速做出救援決策。根據上報的海難信息，可及時協調附近救援力量，組織海上救援。

3 船舶交通輔助管理

使用交管雷達監視港區船舶、并利用甚高頻側向儀（VHF DF）進行船舶識別是船舶交通管理系統的常用方式之一。為了在一定距離和方位上對船舶目標進行有效區分，VHF DF所使用天線必須具有極強的方向性，隨之帶來建設成本的增加。另外，在狹窄航道，由于海岸自然物或建筑物的遮擋，可能帶來甚高頻側向儀漏測目標的可能性。實際上，使用交管雷達和甚高頻側向儀進行船舶交通管理的主要用途是獲取船舶位置，并且是高精度的船舶位置。從這個角度出發，使用衛星導航系統輔助船舶交通管理是成本低廉且可行的方案。

對于一般航行船舶而言，普通GPS精度已經滿足航行需求，不需要裝備差分GPS（DGPS）接收機。為滿足精準的船舶交通管理需要，可在船舶交通管理系統中使用更高精度的差分GPS船位信息，此時，需要考慮的重點采用系統的方法在普通GPS信息的基礎上獲取更高精度的定位信息，是不應當強制為每一艘船舶安裝差分GPS接收機。為此，美國海岸警衛隊在一些港灣采用以DGPS為基礎的船舶交通管理系統，船舶將船載GPS直接接收的、未經過定位處理的數據和本船唯一識別編號打包發送至沿岸的DGPS基站，由DGPS基站對其進行位置解算和修正，而后再次將修正后的船位和船舶識別碼打包發送至船舶交通管理系統終端，從而實現了船舶交通管理系統對責任海域內船舶的高精度的動態監管。

4 浮標和錨位動態監測

航標是船舶海上航行的重要參考標志，其位置的準確性對船舶航行安全具有重要意義。航標包括固定航標和浮標。浮標設置于水中，通過錨鏈錨碇于海底，因此受風和流等自然因素的影響較大，甚至會發生一定的位移，使得船舶可能因采用了錯誤的浮標位置信息進行導航而帶來一定的航行風險。因此，對浮標位置的實時監控顯得尤為重要。

利用DGPS可實現高精度的浮標位移監測管理。其原理是在浮標上安裝包含DGPS功能在內的位置監控裝置，當浮標位置偏差超過規定值時，說明浮標位置已經不具備航海參考作用，系統可自動關閉浮標燈光并顯示失常信號，附近船舶通過目力觀察該浮標燈光情況可以方便地對浮標的可用性進行識別。另一方面，將浮標上的DGPS與無線電通信系統結合，當浮標位移過大而失能時，浮標自動將故障標識通過無線電系統發送至浮標管理部門的航標綜合管理系統，并在電子海圖上進行顯示，可實現對責任海域內所有航標的實時監測，對失能浮標進行報警。

海上錨泊是船舶經常性的勤務工作，常用于船舶待檢、待引航、防風等特殊情況。通常情況下，錨泊區域船舶密度較大，當發生走錨時，不僅危及自身安全，同時也會對他船安全產生影響。為防止走錨現象的發生，采用人工對錨位進行觀測和標繪，造成一定的人力成本浪費，且工作效率低下。一般情況下，船用GPS導航儀都具有錨位移位報警功能，一旦船舶錨位超出所設置的告警距離，系統將自動發出報警信號，提醒航海人員采取相應的應急措施。同時，采取與浮標監測相似的措施，港務部門可以實現對所有錨泊船實時動態監控。

5 GPS與雷達配合使用

礙航物是指對船舶航行安全由影響的自然物標或人工建筑物，包括明礁、暗礁、沉船、淺灘等。使用雷達觀測進行礙航物規避是船舶海上航行避險的較為普遍和行之有效的手段，其原理是利用雷達測定露出海面的礙航物的距離和方位，經航海人員判斷并采取相應操縱措施，使船舶避開礙航物標，確保航行安全。

但使用雷達有其不可避免的局限性，例如當礙航物水面以上部分邊界尺寸過小時，雷達難以有效發現目標，特別是在惡劣的氣象和海況條件下，很可能對航行船舶附近的一些小目標不能及時地發現，從而產生航行風險。對于海面以下的暗礁、沉船、淺灘等礙航物，由于雷達電磁波不能穿透海水，雷達對上述水下目標具有原理性的“失聰”。

上述使用雷達進行規避礙航物的方法核心問題是確定礙航物與船舶的位置關系。因此，如果ECDIS的電子海圖數據庫能夠準確地表達出當前實際海域情況（通常情況是及時地對電子海圖進行更新，且電子海圖比例尺要達到一定的數值要求），并且可以在電子海圖上進行地理信息的提取（主要是對礙航物的類型、位置、邊界等進行提取），再輔以準確的GPS船位（應當確保GPS工作在正常狀態），就可以為航海人員進行避碰決策提供參考依據，從而安全地避開礙航物。

電子海圖分為光柵電子海圖和矢量電子海圖，光柵電子海圖可以看成是紙質海圖圖像的電子化產品，相當于一幅紙質海圖的掃描復制品，它通過圖像的形式進行地理信息的表達，這種表達必須通過人工目力觀察進行判讀。矢量電子海圖是當前電子海圖的主要格式，其最典型的特點是海圖信息采用分層分類存儲，使用者可以根據自身需要對海圖數據信息進行個性化的查詢、顯示和使用。因此，無論是水面以上或是水面以下的礙航物，均可在電子海圖數據庫中提取出其類型、位置（區域）、深度和高程等基本信息。當利用GPS導航儀，特別是ECDIS規劃出船舶計劃航線后，系統會根據船舶自身吃水、可用水深或人工設定的避碰距離等參數，對航線進行礙航物自動檢測。當檢測發現存在航行風險時，提醒航線設計人員重新進行航線規劃，或ECDIS自動給出航線規劃建議。航行過程中，結合GPS定位信息，系統會自動對航線附近礙航物的危險程度進行判別，當危及航行安全，會以聲、光或語音提示進行告警。

6 GPS與聲學水下聯合定位

精確的水下定位一直是導航學科的難點之一，主要原因是電磁波入水后將迅速衰減，無法利用無線電進行水下定位，在水面平臺上被廣泛運用的GPS定位方式在水下變得無能為力了。但是，一定頻率的聲波卻可以在水下進行傳播，利用這一特性，可以利用GPS和水聲系統進行聯合定位。

為實現GPS與水聲系統的聯合水下定位，需要在裝有GPS接收機的水面平臺（船舶或其他裝置）和待定位的水下平臺或裝置上安裝聲學換能器，利用類似雷達測距和側向的原理實時測量兩者之間的方位和距離，并且以水面平臺GPS位置信息為基準，聯合解算出水下裝置的準確位置。

7 GPS與VDR、船舶操縱系統的組合使用

GPS與VDR和自動駕駛儀連接。船載航行數據記錄儀（VDR，俗稱航海“黑匣子”）是船舶重要的航海儀器之一。當前，一定噸位的海上船舶已按照有關規定強制安裝VDR或VDR的簡化版本。GPS導航儀與VDR連接，根據接口協議將GPS位置數據送入VDR進行存儲，對于總結航海經驗、分析海難原因和提供事故責任判別發揮著重要作用。

當GPS與船舶操縱系統連接時，可以組合成為船舶自動駕駛儀，自動駕駛系統實時比對GPS實時位置和航路規劃點，自動發出操舵和操車指令，確保按航行計劃航行，并降低人力成本，使航海人員集中精力于航行安全的管理。特別地，為滿足水面大型平臺定點工作（如鉆井平臺鉆探）的需求，將差分GPS與船舶操縱系統組合和實現動力定位系統。當平臺偏離預設位置時，差分GPS輸出位置信息與預設位置出現偏差，動力系統啟動進行縮小偏差推動的閉環控制，確保平臺的定點工作需要。

8 GPS修正和測量其他導航系統誤差

8.1 修正陸基無線電定位系統誤差

勞蘭C（LR-C）是一種遠程陸基無線電定位系統，信號載頻為100kHz，信號的傳播速度因陸地地形、海域特點的不同而稍有變化。例如，LR-C信號在陸地環境的傳播速度比海洋環境的傳播速度偏慢，而不同性質的陸地環境和海洋環境的傳播速度也存在差異。因此，出現信號傳播時間的理論計算值與實現傳播時間不一致的現象，從而引起定位誤差。

與DGPS的實現原理相類似，可以在一個已知GPS或DGPS位置的地點測量LR-C定位信息，并計算出電波傳播的修正值，經人工修正后得到準確定位值。也可以將電波延遲修正值存入LR-C導航儀進行自動修正。

8.2 測定雷達、羅經的誤差

雷達的主要功能是進行測距和測向，航海人員必須采取一切可能手段檢查雷達設備工作情況，測定其誤差情況。當船舶在近岸停泊或航行時，可用雷達測量天然或人工物標的距離或方位，并利用上述測量數據在電子海圖或紙質海圖上，標繪出方位和距離的等值線，進而完成雷達定位。利用雷達觀測時，同步進行GPS定位，在海圖上就可方便地求得雷達方位測量誤差和距離測量誤差。羅經是指示船舶航向和測定附近物標方位的重要設備，羅經誤差對船舶航向安全影響較大，測量羅經誤差是航海勤務的重要工作，航海人員應當利用一切可能時機進行羅經差的測量。同樣地，可以結合GPS位置信息輔助羅經誤差的觀測，操作原理是：利用羅經方位儀觀測海上或海岸典型的物標，得到帶有羅經誤差的羅經方位；觀測的同時記下GPS（或DGPS船位），在電子海圖或紙質海圖上標繪GPS船位，而后測量GPS船位與羅經方位儀觀測的物標的圖上標識之間的方位，稱為GPS方位，當物標與船位距離較遠時，可以認為GPS方位即為真方位；則真方位與羅經方位之間的差值即為羅經誤差。

8.3 測定計程儀改正率

計程儀是測量船舶運動速度和航程的儀器，包含水壓式計程儀、電磁式計程儀和水聲計程儀等，計程儀的改正率表征了計程儀誤差的大小。測量計程儀改正率的傳統方法是利用海岸建設的測速場進行，受海域限制較大，受人為觀測的影響，精度也受限。利用DGPS進行測速，用準確的DGPS位置代替測速場的基準物標，其原理和測速場測速是一致的，可在任一開闊海域進行測速，不受測速場地理位置的限制。同時，測速過程中，可通過計算機可監控船舶航速的穩定性，當航速穩定后，即可結束相應趟次的試驗，相比測速場測速而言，更為節省時間。