許朝陽，吳自飛

（武警海警學(xué)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(tǒng)（ECDIS）是一種典型的電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)，它集成了包含定向設(shè)備、測速設(shè)備和定位設(shè)備在內(nèi)的各種航海傳感器輸入信息并進(jìn)行綜合顯示。其中，船舶位置信息是最為重要的輸入數(shù)據(jù)之一，提供船舶位置信息的定位設(shè)備包括GPS、羅蘭—C、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，另外，ECDIS也可利用輸入的羅經(jīng)航向信息和計(jì)程儀航速信息，以初始位置為基準(zhǔn)進(jìn)行迭代計(jì)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(shí)時(shí)性好和可全天候使用的特點(diǎn)，對(duì)于保障船舶航行安全具有重要的作用，特別是在遠(yuǎn)洋航行陸地導(dǎo)航物標(biāo)少、天文航海使用時(shí)機(jī)受限條件下，更是表現(xiàn)出了極強(qiáng)的優(yōu)越性，成為遠(yuǎn)洋航行導(dǎo)航定位的主要手段。在綜合集成使用方面，ECDIS對(duì)GPS的輸入經(jīng)緯度信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，并實(shí)時(shí)、自動(dòng)地將該位置標(biāo)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(dāng)前船舶位置和周圍環(huán)境信息，為船舶操縱提供可視化的決策信息支撐。這一自動(dòng)化的電子標(biāo)繪將航海人員從繁瑣的手工尺規(guī)海圖作業(yè)中解放出來，使之更加注重對(duì)船舶航行的操縱決策和安全管理，是綜合艦橋系統(tǒng)發(fā)展的標(biāo)志性技術(shù)之一，也是航海技術(shù)發(fā)展史上的一項(xiàng)革命性變化。

在ECDIS或GPS導(dǎo)航儀中，對(duì)經(jīng)緯度信息在時(shí)間上進(jìn)行微分濾波計(jì)算，可得到高精度的船舶對(duì)地航速矢量（也稱絕對(duì)速度），在一般航行任務(wù)中可替代計(jì)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(jì)程儀，而直接使用GPS的測速功能來保障航行。

“時(shí)間”是船舶航行的重要數(shù)據(jù)，特別是對(duì)于跨時(shí)區(qū)航行船舶，精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)是確保船舶按計(jì)劃航行和安排值班勤務(wù)的重要參考。長期以來，船舶的主要高精度計(jì)時(shí)裝置是航海天文鐘，再輔以船鐘進(jìn)行全船時(shí)間基準(zhǔn)顯示。但是，傳統(tǒng)的航海天文鐘存在誤差較大的缺點(diǎn)，特別是在遠(yuǎn)海長時(shí)間航行后，更是無更高精度的時(shí)間參照。GPS在航海上的另一重要用途是提供授時(shí)服務(wù)，這種授時(shí)精度高達(dá)納秒級(jí)，完全滿足全球航運(yùn)需求。

2 船位報(bào)告和船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)視

全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）是國際海事組織為保障海上航行安全，在全球范圍內(nèi)建立的國際海上搜救通信網(wǎng)絡(luò)、通信程序和機(jī)制。當(dāng)海上船舶發(fā)生海難，遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)機(jī)制啟動(dòng)，首先是對(duì)海難進(jìn)行通播報(bào)警，這種報(bào)警信息包括遇難船舶識(shí)別碼、遇難位置和事故性質(zhì)，以及其他可能有助于救援的信息。其中，遇難船舶準(zhǔn)確的船位信息是全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)所必須掌握的基本信息之一，若采用手工收發(fā)報(bào)進(jìn)行遇險(xiǎn)船位的報(bào)告，需要經(jīng)過多道中間環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)性較差，容易導(dǎo)致錯(cuò)失救援時(shí)機(jī)，在極特殊情況下，甚至可能出現(xiàn)不能上報(bào)遇險(xiǎn)位置的情況。將GPS與GMDSS相結(jié)合，可將失事船舶位置實(shí)時(shí)地、自動(dòng)地發(fā)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的船位報(bào)告和船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)控中心對(duì)接收到的失事船舶信息進(jìn)行處理，以圖形化的方式進(jìn)行顯示，通過人工智能識(shí)別或人工判斷，對(duì)該海域內(nèi)航行異常船舶進(jìn)行標(biāo)識(shí)或警報(bào)，快速做出救援決策。根據(jù)上報(bào)的海難信息，可及時(shí)協(xié)調(diào)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(dá)監(jiān)視港區(qū)船舶、并利用甚高頻側(cè)向儀（VHF DF）進(jìn)行船舶識(shí)別是船舶交通管理系統(tǒng)的常用方式之一。為了在一定距離和方位上對(duì)船舶目標(biāo)進(jìn)行有效區(qū)分，VHF DF所使用天線必須具有極強(qiáng)的方向性，隨之帶來建設(shè)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(cè)向儀漏測目標(biāo)的可能性。實(shí)際上，使用交管雷達(dá)和甚高頻側(cè)向儀進(jìn)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(gè)角度出發(fā)，使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)輔助船舶交通管理是成本低廉且可行的方案。

對(duì)于一般航行船舶而言，普通GPS精度已經(jīng)滿足航行需求，不需要裝備差分GPS（DGPS）接收機(jī)。為滿足精準(zhǔn)的船舶交通管理需要，可在船舶交通管理系統(tǒng)中使用更高精度的差分GPS船位信息，此時(shí)，需要考慮的重點(diǎn)采用系統(tǒng)的方法在普通GPS信息的基礎(chǔ)上獲取更高精度的定位信息，是不應(yīng)當(dāng)強(qiáng)制為每一艘船舶安裝差分GPS接收機(jī)。為此，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)在一些港灣采用以DGPS為基礎(chǔ)的船舶交通管理系統(tǒng)，船舶將船載GPS直接接收的、未經(jīng)過定位處理的數(shù)據(jù)和本船唯一識(shí)別編號(hào)打包發(fā)送至沿岸的DGPS基站，由DGPS基站對(duì)其進(jìn)行位置解算和修正，而后再次將修正后的船位和船舶識(shí)別碼打包發(fā)送至船舶交通管理系統(tǒng)終端，從而實(shí)現(xiàn)了船舶交通管理系統(tǒng)對(duì)責(zé)任海域內(nèi)船舶的高精度的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

4 浮標(biāo)和錨位動(dòng)態(tài)監(jiān)測

航標(biāo)是船舶海上航行的重要參考標(biāo)志，其位置的準(zhǔn)確性對(duì)船舶航行安全具有重要意義。航標(biāo)包括固定航標(biāo)和浮標(biāo)。浮標(biāo)設(shè)置于水中，通過錨鏈錨碇于海底，因此受風(fēng)和流等自然因素的影響較大，甚至?xí)l(fā)生一定的位移，使得船舶可能因采用了錯(cuò)誤的浮標(biāo)位置信息進(jìn)行導(dǎo)航而帶來一定的航行風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)浮標(biāo)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要。

利用DGPS可實(shí)現(xiàn)高精度的浮標(biāo)位移監(jiān)測管理。其原理是在浮標(biāo)上安裝包含DGPS功能在內(nèi)的位置監(jiān)控裝置，當(dāng)浮標(biāo)位置偏差超過規(guī)定值時(shí)，說明浮標(biāo)位置已經(jīng)不具備航海參考作用，系統(tǒng)可自動(dòng)關(guān)閉浮標(biāo)燈光并顯示失常信號(hào)，附近船舶通過目力觀察該浮標(biāo)燈光情況可以方便地對(duì)浮標(biāo)的可用性進(jìn)行識(shí)別。另一方面，將浮標(biāo)上的DGPS與無線電通信系統(tǒng)結(jié)合，當(dāng)浮標(biāo)位移過大而失能時(shí)，浮標(biāo)自動(dòng)將故障標(biāo)識(shí)通過無線電系統(tǒng)發(fā)送至浮標(biāo)管理部門的航標(biāo)綜合管理系統(tǒng)，并在電子海圖上進(jìn)行顯示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)責(zé)任海域內(nèi)所有航標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)失能浮標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。

海上錨泊是船舶經(jīng)常性的勤務(wù)工作，常用于船舶待檢、待引航、防風(fēng)等特殊情況。通常情況下，錨泊區(qū)域船舶密度較大，當(dāng)發(fā)生走錨時(shí)，不僅危及自身安全，同時(shí)也會(huì)對(duì)他船安全產(chǎn)生影響。為防止走錨現(xiàn)象的發(fā)生，采用人工對(duì)錨位進(jìn)行觀測和標(biāo)繪，造成一定的人力成本浪費(fèi)，且工作效率低下。一般情況下，船用GPS導(dǎo)航儀都具有錨位移位報(bào)警功能，一旦船舶錨位超出所設(shè)置的告警距離，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒航海人員采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。同時(shí)，采取與浮標(biāo)監(jiān)測相似的措施，港務(wù)部門可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有錨泊船實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

5 GPS與雷達(dá)配合使用

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

但使用雷達(dá)有其不可避免的局限性，例如當(dāng)?shù)K航物水面以上部分邊界尺寸過小時(shí)，雷達(dá)難以有效發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，特別是在惡劣的氣象和海況條件下，很可能對(duì)航行船舶附近的一些小目標(biāo)不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)，從而產(chǎn)生航行風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于海面以下的暗礁、沉船、淺灘等礙航物，由于雷達(dá)電磁波不能穿透海水，雷達(dá)對(duì)上述水下目標(biāo)具有原理性的“失聰”。

上述使用雷達(dá)進(jìn)行規(guī)避礙航物的方法核心問題是確定礙航物與船舶的位置關(guān)系。因此，如果ECDIS的電子海圖數(shù)據(jù)庫能夠準(zhǔn)確地表達(dá)出當(dāng)前實(shí)際海域情況（通常情況是及時(shí)地對(duì)電子海圖進(jìn)行更新，且電子海圖比例尺要達(dá)到一定的數(shù)值要求），并且可以在電子海圖上進(jìn)行地理信息的提?。ㄖ饕菍?duì)礙航物的類型、位置、邊界等進(jìn)行提?。?，再輔以準(zhǔn)確的GPS船位（應(yīng)當(dāng)確保GPS工作在正常狀態(tài)），就可以為航海人員進(jìn)行避碰決策提供參考依據(jù)，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(zhì)海圖圖像的電子化產(chǎn)品，相當(dāng)于一幅紙質(zhì)海圖的掃描復(fù)制品，它通過圖像的形式進(jìn)行地理信息的表達(dá)，這種表達(dá)必須通過人工目力觀察進(jìn)行判讀。矢量電子海圖是當(dāng)前電子海圖的主要格式，其最典型的特點(diǎn)是海圖信息采用分層分類存儲(chǔ)，使用者可以根據(jù)自身需要對(duì)海圖數(shù)據(jù)信息進(jìn)行個(gè)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(shù)據(jù)庫中提取出其類型、位置（區(qū)域）、深度和高程等基本信息。當(dāng)利用GPS導(dǎo)航儀，特別是ECDIS規(guī)劃出船舶計(jì)劃航線后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)船舶自身吃水、可用水深或人工設(shè)定的避碰距離等參數(shù)，對(duì)航線進(jìn)行礙航物自動(dòng)檢測。當(dāng)檢測發(fā)現(xiàn)存在航行風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，提醒航線設(shè)計(jì)人員重新進(jìn)行航線規(guī)劃，或ECDIS自動(dòng)給出航線規(guī)劃建議。航行過程中，結(jié)合GPS定位信息，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)航線附近礙航物的危險(xiǎn)程度進(jìn)行判別，當(dāng)危及航行安全，會(huì)以聲、光或語音提示進(jìn)行告警。

6 GPS與聲學(xué)水下聯(lián)合定位

精確的水下定位一直是導(dǎo)航學(xué)科的難點(diǎn)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(jìn)行水下定位，在水面平臺(tái)上被廣泛運(yùn)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(jìn)行傳播，利用這一特性，可以利用GPS和水聲系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合定位。

為實(shí)現(xiàn)GPS與水聲系統(tǒng)的聯(lián)合水下定位，需要在裝有GPS接收機(jī)的水面平臺(tái)（船舶或其他裝置）和待定位的水下平臺(tái)或裝置上安裝聲學(xué)換能器，利用類似雷達(dá)測距和側(cè)向的原理實(shí)時(shí)測量兩者之間的方位和距離，并且以水面平臺(tái)GPS位置信息為基準(zhǔn)，聯(lián)合解算出水下裝置的準(zhǔn)確位置。

7 GPS與VDR、船舶操縱系統(tǒng)的組合使用

GPS與VDR和自動(dòng)駕駛儀連接。船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR，俗稱航?！昂谙蛔印保┦谴爸匾暮胶x器之一。當(dāng)前，一定噸位的海上船舶已按照有關(guān)規(guī)定強(qiáng)制安裝VDR或VDR的簡化版本。GPS導(dǎo)航儀與VDR連接，根據(jù)接口協(xié)議將GPS位置數(shù)據(jù)送入VDR進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)于總結(jié)航海經(jīng)驗(yàn)、分析海難原因和提供事故責(zé)任判別發(fā)揮著重要作用。

當(dāng)GPS與船舶操縱系統(tǒng)連接時(shí)，可以組合成為船舶自動(dòng)駕駛儀，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)比對(duì)GPS實(shí)時(shí)位置和航路規(guī)劃點(diǎn)，自動(dòng)發(fā)出操舵和操車指令，確保按航行計(jì)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(tái)定點(diǎn)工作（如鉆井平臺(tái)鉆探）的需求，將差分GPS與船舶操縱系統(tǒng)組合和實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位系統(tǒng)。當(dāng)平臺(tái)偏離預(yù)設(shè)位置時(shí)，差分GPS輸出位置信息與預(yù)設(shè)位置出現(xiàn)偏差，動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行縮小偏差推動(dòng)的閉環(huán)控制，確保平臺(tái)的定點(diǎn)工作需要。

8 GPS修正和測量其他導(dǎo)航系統(tǒng)誤差

8.1 修正陸基無線電定位系統(tǒng)誤差

勞蘭C（LR-C）是一種遠(yuǎn)程陸基無線電定位系統(tǒng)，信號(hào)載頻為100kHz，信號(hào)的傳播速度因陸地地形、海域特點(diǎn)的不同而稍有變化。例如，LR-C信號(hào)在陸地環(huán)境的傳播速度比海洋環(huán)境的傳播速度偏慢，而不同性質(zhì)的陸地環(huán)境和海洋環(huán)境的傳播速度也存在差異。因此，出現(xiàn)信號(hào)傳播時(shí)間的理論計(jì)算值與實(shí)現(xiàn)傳播時(shí)間不一致的現(xiàn)象，從而引起定位誤差。

與DGPS的實(shí)現(xiàn)原理相類似，可以在一個(gè)已知GPS或DGPS位置的地點(diǎn)測量LR-C定位信息，并計(jì)算出電波傳播的修正值，經(jīng)人工修正后得到準(zhǔn)確定位值。也可以將電波延遲修正值存入LR-C導(dǎo)航儀進(jìn)行自動(dòng)修正。

8.2 測定雷達(dá)、羅經(jīng)的誤差

雷達(dá)的主要功能是進(jìn)行測距和測向，航海人員必須采取一切可能手段檢查雷達(dá)設(shè)備工作情況，測定其誤差情況。當(dāng)船舶在近岸停泊或航行時(shí)，可用雷達(dá)測量天然或人工物標(biāo)的距離或方位，并利用上述測量數(shù)據(jù)在電子海圖或紙質(zhì)海圖上，標(biāo)繪出方位和距離的等值線，進(jìn)而完成雷達(dá)定位。利用雷達(dá)觀測時(shí)，同步進(jìn)行GPS定位，在海圖上就可方便地求得雷達(dá)方位測量誤差和距離測量誤差。羅經(jīng)是指示船舶航向和測定附近物標(biāo)方位的重要設(shè)備，羅經(jīng)誤差對(duì)船舶航向安全影響較大，測量羅經(jīng)誤差是航海勤務(wù)的重要工作，航海人員應(yīng)當(dāng)利用一切可能時(shí)機(jī)進(jìn)行羅經(jīng)差的測量。同樣地，可以結(jié)合GPS位置信息輔助羅經(jīng)誤差的觀測，操作原理是：利用羅經(jīng)方位儀觀測海上或海岸典型的物標(biāo)，得到帶有羅經(jīng)誤差的羅經(jīng)方位；觀測的同時(shí)記下GPS（或DGPS船位），在電子海圖或紙質(zhì)海圖上標(biāo)繪GPS船位，而后測量GPS船位與羅經(jīng)方位儀觀測的物標(biāo)的圖上標(biāo)識(shí)之間的方位，稱為GPS方位，當(dāng)物標(biāo)與船位距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以認(rèn)為GPS方位即為真方位；則真方位與羅經(jīng)方位之間的差值即為羅經(jīng)誤差。

8.3 測定計(jì)程儀改正率

計(jì)程儀是測量船舶運(yùn)動(dòng)速度和航程的儀器，包含水壓式計(jì)程儀、電磁式計(jì)程儀和水聲計(jì)程儀等，計(jì)程儀的改正率表征了計(jì)程儀誤差的大小。測量計(jì)程儀改正率的傳統(tǒng)方法是利用海岸建設(shè)的測速場進(jìn)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(jìn)行測速，用準(zhǔn)確的DGPS位置代替測速場的基準(zhǔn)物標(biāo)，其原理和測速場測速是一致的，可在任一開闊海域進(jìn)行測速，不受測速場地理位置的限制。同時(shí)，測速過程中，可通過計(jì)算機(jī)可監(jiān)控船舶航速的穩(wěn)定性，當(dāng)航速穩(wěn)定后，即可結(jié)束相應(yīng)趟次的試驗(yàn)，相比測速場測速而言，更為節(jié)省時(shí)間。