船舶通导电子设备的综合应用研究

许朝阳，吴自飞

（武警海警学院舰艇指挥系，浙江宁波，315801）

1 为ECDIS提供信息

电子海图显示和信息系统（ECDIS）是一种典型的电子海图应用系统，它集成了包含定向设备、测速设备和定位设备在内的各种航海传感器输入信息并进行综合显示。其中，船舶位置信息是最为重要的输入数据之一，提供船舶位置信息的定位设备包括GPS、罗兰—C、惯性导航系统，另外，ECDIS也可利用输入的罗经航向信息和计程仪航速信息，以初始位置为基准进行迭代计算，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、实时性好和可全天候使用的特点，对于保障船舶航行安全具有重要的作用，特别是在远洋航行陆地导航物标少、天文航海使用时机受限条件下，更是表现出了极强的优越性，成为远洋航行导航定位的主要手段。在综合集成使用方面，ECDIS对GPS的输入经纬度信息进行坐标变换，并实时、自动地将该位置标绘在电子海图上，航海人员可以在电子海图上直观地观察当前船舶位置和周围环境信息，为船舶操纵提供可视化的决策信息支撑。这一自动化的电子标绘将航海人员从繁琐的手工尺规海图作业中解放出来，使之更加注重对船舶航行的操纵决策和安全管理，是综合舰桥系统发展的标志性技术之一，也是航海技术发展史上的一项革命性变化。

在ECDIS或GPS导航仪中，对经纬度信息在时间上进行微分滤波计算，可得到高精度的船舶对地航速矢量（也称绝对速度），在一般航行任务中可替代计程仪的测速功能，特别是在一些小型船舶中，甚至不再列装计程仪，而直接使用GPS的测速功能来保障航行。

“时间”是船舶航行的重要数据，特别是对于跨时区航行船舶，精准的计时是确保船舶按计划航行和安排值班勤务的重要参考。长期以来，船舶的主要高精度计时装置是航海天文钟，再辅以船钟进行全船时间基准显示。但是，传统的航海天文钟存在误差较大的缺点，特别是在远海长时间航行后，更是无更高精度的时间参照。GPS在航海上的另一重要用途是提供授时服务，这种授时精度高达纳秒级，完全满足全球航运需求。

2 船位报告和船舶动态监视

全球海上遇险与安全系统（GMDSS）是国际海事组织为保障海上航行安全，在全球范围内建立的国际海上搜救通信网络、通信程序和机制。当海上船舶发生海难，遇险与安全系统机制启动，首先是对海难进行通播报警，这种报警信息包括遇难船舶识别码、遇难位置和事故性质，以及其他可能有助于救援的信息。其中，遇难船舶准确的船位信息是全球海上遇险与安全系统所必须掌握的基本信息之一，若采用手工收发报进行遇险船位的报告，需要经过多道中间环节，实时性较差，容易导致错失救援时机，在极特殊情况下，甚至可能出现不能上报遇险位置的情况。将GPS与GMDSS相结合，可将失事船舶位置实时地、自动地发送至监控中心，实现高效率、高可靠性的船位报告和船舶动态监视系统，监控中心对接收到的失事船舶信息进行处理，以图形化的方式进行显示，通过人工智能识别或人工判断，对该海域内航行异常船舶进行标识或警报，快速做出救援决策。根据上报的海难信息，可及时协调附近救援力量，组织海上救援。

3 船舶交通辅助管理

使用交管雷达监视港区船舶、并利用甚高频侧向仪（VHF DF）进行船舶识别是船舶交通管理系统的常用方式之一。为了在一定距离和方位上对船舶目标进行有效区分，VHF DF所使用天线必须具有极强的方向性，随之带来建设成本的增加。另外，在狭窄航道，由于海岸自然物或建筑物的遮挡，可能带来甚高频侧向仪漏测目标的可能性。实际上，使用交管雷达和甚高频侧向仪进行船舶交通管理的主要用途是获取船舶位置，并且是高精度的船舶位置。从这个角度出发，使用卫星导航系统辅助船舶交通管理是成本低廉且可行的方案。

对于一般航行船舶而言，普通GPS精度已经满足航行需求，不需要装备差分GPS（DGPS）接收机。为满足精准的船舶交通管理需要，可在船舶交通管理系统中使用更高精度的差分GPS船位信息，此时，需要考虑的重点采用系统的方法在普通GPS信息的基础上获取更高精度的定位信息，是不应当强制为每一艘船舶安装差分GPS接收机。为此，美国海岸警卫队在一些港湾采用以DGPS为基础的船舶交通管理系统，船舶将船载GPS直接接收的、未经过定位处理的数据和本船唯一识别编号打包发送至沿岸的DGPS基站，由DGPS基站对其进行位置解算和修正，而后再次将修正后的船位和船舶识别码打包发送至船舶交通管理系统终端，从而实现了船舶交通管理系统对责任海域内船舶的高精度的动态监管。

4 浮标和锚位动态监测

航标是船舶海上航行的重要参考标志，其位置的准确性对船舶航行安全具有重要意义。航标包括固定航标和浮标。浮标设置于水中，通过锚链锚碇于海底，因此受风和流等自然因素的影响较大，甚至会发生一定的位移，使得船舶可能因采用了错误的浮标位置信息进行导航而带来一定的航行风险。因此，对浮标位置的实时监控显得尤为重要。

利用DGPS可实现高精度的浮标位移监测管理。其原理是在浮标上安装包含DGPS功能在内的位置监控装置，当浮标位置偏差超过规定值时，说明浮标位置已经不具备航海参考作用，系统可自动关闭浮标灯光并显示失常信号，附近船舶通过目力观察该浮标灯光情况可以方便地对浮标的可用性进行识别。另一方面，将浮标上的DGPS与无线电通信系统结合，当浮标位移过大而失能时，浮标自动将故障标识通过无线电系统发送至浮标管理部门的航标综合管理系统，并在电子海图上进行显示，可实现对责任海域内所有航标的实时监测，对失能浮标进行报警。

海上锚泊是船舶经常性的勤务工作，常用于船舶待检、待引航、防风等特殊情况。通常情况下，锚泊区域船舶密度较大，当发生走锚时，不仅危及自身安全，同时也会对他船安全产生影响。为防止走锚现象的发生，采用人工对锚位进行观测和标绘，造成一定的人力成本浪费，且工作效率低下。一般情况下，船用GPS导航仪都具有锚位移位报警功能，一旦船舶锚位超出所设置的告警距离，系统将自动发出报警信号，提醒航海人员采取相应的应急措施。同时，采取与浮标监测相似的措施，港务部门可以实现对所有锚泊船实时动态监控。

5 GPS与雷达配合使用

碍航物是指对船舶航行安全由影响的自然物标或人工建筑物，包括明礁、暗礁、沉船、浅滩等。使用雷达观测进行碍航物规避是船舶海上航行避险的较为普遍和行之有效的手段，其原理是利用雷达测定露出海面的碍航物的距离和方位，经航海人员判断并采取相应操纵措施，使船舶避开碍航物标，确保航行安全。

但使用雷达有其不可避免的局限性，例如当碍航物水面以上部分边界尺寸过小时，雷达难以有效发现目标，特别是在恶劣的气象和海况条件下，很可能对航行船舶附近的一些小目标不能及时地发现，从而产生航行风险。对于海面以下的暗礁、沉船、浅滩等碍航物，由于雷达电磁波不能穿透海水，雷达对上述水下目标具有原理性的“失聪”。

上述使用雷达进行规避碍航物的方法核心问题是确定碍航物与船舶的位置关系。因此，如果ECDIS的电子海图数据库能够准确地表达出当前实际海域情况（通常情况是及时地对电子海图进行更新，且电子海图比例尺要达到一定的数值要求），并且可以在电子海图上进行地理信息的提取（主要是对碍航物的类型、位置、边界等进行提取），再辅以准确的GPS船位（应当确保GPS工作在正常状态），就可以为航海人员进行避碰决策提供参考依据，从而安全地避开碍航物。

电子海图分为光栅电子海图和矢量电子海图，光栅电子海图可以看成是纸质海图图像的电子化产品，相当于一幅纸质海图的扫描复制品，它通过图像的形式进行地理信息的表达，这种表达必须通过人工目力观察进行判读。矢量电子海图是当前电子海图的主要格式，其最典型的特点是海图信息采用分层分类存储，使用者可以根据自身需要对海图数据信息进行个性化的查询、显示和使用。因此，无论是水面以上或是水面以下的碍航物，均可在电子海图数据库中提取出其类型、位置（区域）、深度和高程等基本信息。当利用GPS导航仪，特别是ECDIS规划出船舶计划航线后，系统会根据船舶自身吃水、可用水深或人工设定的避碰距离等参数，对航线进行碍航物自动检测。当检测发现存在航行风险时，提醒航线设计人员重新进行航线规划，或ECDIS自动给出航线规划建议。航行过程中，结合GPS定位信息，系统会自动对航线附近碍航物的危险程度进行判别，当危及航行安全，会以声、光或语音提示进行告警。

6 GPS与声学水下联合定位

精确的水下定位一直是导航学科的难点之一，主要原因是电磁波入水后将迅速衰减，无法利用无线电进行水下定位，在水面平台上被广泛运用的GPS定位方式在水下变得无能为力了。但是，一定频率的声波却可以在水下进行传播，利用这一特性，可以利用GPS和水声系统进行联合定位。

为实现GPS与水声系统的联合水下定位，需要在装有GPS接收机的水面平台（船舶或其他装置）和待定位的水下平台或装置上安装声学换能器，利用类似雷达测距和侧向的原理实时测量两者之间的方位和距离，并且以水面平台GPS位置信息为基准，联合解算出水下装置的准确位置。

7 GPS与VDR、船舶操纵系统的组合使用

GPS与VDR和自动驾驶仪连接。船载航行数据记录仪（VDR，俗称航海“黑匣子”）是船舶重要的航海仪器之一。当前，一定吨位的海上船舶已按照有关规定强制安装VDR或VDR的简化版本。GPS导航仪与VDR连接，根据接口协议将GPS位置数据送入VDR进行存储，对于总结航海经验、分析海难原因和提供事故责任判别发挥着重要作用。

当GPS与船舶操纵系统连接时，可以组合成为船舶自动驾驶仪，自动驾驶系统实时比对GPS实时位置和航路规划点，自动发出操舵和操车指令，确保按航行计划航行，并降低人力成本，使航海人员集中精力于航行安全的管理。特别地，为满足水面大型平台定点工作（如钻井平台钻探）的需求，将差分GPS与船舶操纵系统组合和实现动力定位系统。当平台偏离预设位置时，差分GPS输出位置信息与预设位置出现偏差，动力系统启动进行缩小偏差推动的闭环控制，确保平台的定点工作需要。

8 GPS修正和测量其他导航系统误差

8.1 修正陆基无线电定位系统误差

劳兰C（LR-C）是一种远程陆基无线电定位系统，信号载频为100kHz，信号的传播速度因陆地地形、海域特点的不同而稍有变化。例如，LR-C信号在陆地环境的传播速度比海洋环境的传播速度偏慢，而不同性质的陆地环境和海洋环境的传播速度也存在差异。因此，出现信号传播时间的理论计算值与实现传播时间不一致的现象，从而引起定位误差。

与DGPS的实现原理相类似，可以在一个已知GPS或DGPS位置的地点测量LR-C定位信息，并计算出电波传播的修正值，经人工修正后得到准确定位值。也可以将电波延迟修正值存入LR-C导航仪进行自动修正。

8.2 测定雷达、罗经的误差

雷达的主要功能是进行测距和测向，航海人员必须采取一切可能手段检查雷达设备工作情况，测定其误差情况。当船舶在近岸停泊或航行时，可用雷达测量天然或人工物标的距离或方位，并利用上述测量数据在电子海图或纸质海图上，标绘出方位和距离的等值线，进而完成雷达定位。利用雷达观测时，同步进行GPS定位，在海图上就可方便地求得雷达方位测量误差和距离测量误差。罗经是指示船舶航向和测定附近物标方位的重要设备，罗经误差对船舶航向安全影响较大，测量罗经误差是航海勤务的重要工作，航海人员应当利用一切可能时机进行罗经差的测量。同样地，可以结合GPS位置信息辅助罗经误差的观测，操作原理是：利用罗经方位仪观测海上或海岸典型的物标，得到带有罗经误差的罗经方位；观测的同时记下GPS（或DGPS船位），在电子海图或纸质海图上标绘GPS船位，而后测量GPS船位与罗经方位仪观测的物标的图上标识之间的方位，称为GPS方位，当物标与船位距离较远时，可以认为GPS方位即为真方位；则真方位与罗经方位之间的差值即为罗经误差。

8.3 测定计程仪改正率

计程仪是测量船舶运动速度和航程的仪器，包含水压式计程仪、电磁式计程仪和水声计程仪等，计程仪的改正率表征了计程仪误差的大小。测量计程仪改正率的传统方法是利用海岸建设的测速场进行，受海域限制较大，受人为观测的影响，精度也受限。利用DGPS进行测速，用准确的DGPS位置代替测速场的基准物标，其原理和测速场测速是一致的，可在任一开阔海域进行测速，不受测速场地理位置的限制。同时，测速过程中，可通过计算机可监控船舶航速的稳定性，当航速稳定后，即可结束相应趟次的试验，相比测速场测速而言，更为节省时间。