海洋科考船導航中激光導航技術的運用范文

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《江蘇船舶》2017年第2期

摘要：激光技術是近幾年發展起來的一項高端技術，具有光線強、能量集中、傳播方向性好等優點，在海洋科考船導航方面有較大的應用前景。文章以實際工程為例，介紹了近年來海洋科考船導航技術的發展情況，并對激光導航技術在海洋科考船導航中應用進行了分析和探討。實踐證明，海洋科考船導航中應用激光導航技術可以顯著提升科考船導航精度，具有較高的應用價值。

關鍵詞：科考船導航；激光導航；判定系統

引言

海洋科考船導航是為了海洋科研工作而設計的輔助導航定位系統，海洋科考過程中，安全導航是非常重要的工作流程，對海洋科研有比較大的影響。同時在保證水運秩序、島礁和碼頭安全方面具有非常重要作用。雖然當前的科考船導航技術已經非常的成熟，但是由于這些導航技術都不完善，在進行導航時需要將各種導航技術結合到一起，互補弊端、相輔相成。激光導航技術作為一種新興的導航技術，具有亮度高、方向性好等優點，將其用作科考船航行導航是非?？尚械摹?/p>

一、工程概況

某島礁水利橋梁工程受設計要求和河床地形的限制，部分島礁橋墩會占用主航道，縮小河流過水面積，加快河水流動速度，影響了島礁航道通航環境。為了保證科考船順利通航，文章結合本案例的具體情況重點對激光導航技術在海洋科考船導航中的應用進行了分析和探討。

二、科考船導航的現狀

隨著科技發展浪潮的不斷推進，海洋科考船導航技術也在不斷改進，從發展至今，科考船導航技術共經歷了如下幾個階段：（1）雷達導航階段；（2）GPS技術導航階段；（3）羅經導航等，通過技術的不斷革新，也使得科考船導航技術的應用層面更加廣泛，借助該技術可實現船舶引航與獲取船舶信息等多項功能，為海洋科研和航海作業提供了一定的便捷之處[1]。未來，科考船導航系統也會朝著一體化、自動化等方向發展。

1．雷達導航

所謂雷達系統主要指的是在海洋科考船上安裝有雷達，借助雷達向物標發射脈沖電波信號，所發射出的電波信號經反射后由接收裝置傳回。反射波被進一步放大后，可在陰極射線熒光屏上將圖像信號清晰呈現出來。此外，雷達系統還可借助無線電波的等速性原理對物標的方位、距離等進行計算，進而確定出科考船的具體方位。這一技術適用于霧天、黑夜等情況下引導科考船從島礁和海灣出入，幫助科考船順利從狹窄水道通過，保證科考船在特殊水域的航行安全性。

2．羅經導航

海洋科考船可借助羅經導航系統對物標進行跟蹤觀測，明確航行的方向，而且該系統安裝方便，可操作性強，給工作人員節省了大量的時間與精力。常用的羅經設備有兩種：一種是陀螺羅經，陀螺羅經受設備自身和緯度的影響，易出現沖擊誤差、速度誤差等現象；另一種是磁羅經，磁羅經受地球引力的作用較為明顯，因此在使用中易發生磁差等現象，對海洋科研工作帶來復雜性。

3．GPS全球衛星導航

GPS全球衛星導航是一種借助GPS衛星進行船舶定位的導航技術。GPS全球衛星導航技術具有如下優點：（1）性能穩定；（2）適用面廣；（3）受外界干擾程度低；（4）精確度高。因而在海洋科考船導航中也得到了廣泛的應用。

4．航標導航

航標導航的工作原理是通過在過河標等位置作標記的方式對障礙物以及航道界線進行有效標識，確保船舶的安全航行。航標導航技術具有可操作性強、穩定性高等優點，但美中不足的是采取此種方法需耗費大量的資源，從經濟層面來考慮不科學。

近年來，隨著網絡信息技術的大力發展，基于AIS岸基臺站的智能航標系統得到廣泛的使用，保證了船舶航行的的安全性[2]。在實際使用過程中，由于導航環境的易變性，再加上導航設備自身因素的制約，盡管上述所提到的這些導航設備都具有一定的導航功能，但是在島礁和航道實際應用中，這些導航技術還有很多不足之處。隨著激光技術的不斷發展與成熟，其在海洋科考船導航領域得到了一定的應用，而且取得了顯著的效果。

三、激光導航技術介紹

激光具有亮度高、定向發光、顏色極純、能量密度極大、相干性好等優點，由于激光的上述特點，在海洋科考船導航中得到了廣泛的應用。一般來說，用作導航的激光機要選擇使用壽命長、安全可靠的激光器，其中最為理想的器件是可發射紅光的氦-氖激光器。研究證明，輸出功率為5毫瓦的內腔式激光器將其作為科考船導航激發器，可起到導航定位的作用，而且外部環境因素對激光器腔體的影響比較小，在島礁或窄航道上的射程有38km，在海灣或寬航道上的射程只有33km。在實際應用中，輸出5毫瓦的內腔式器件可在大部分航道中加以應用，但對一些特殊的島礁、海灣和港口則必須使用輸出功率較高的外腔式氦-氖激光器。為了避免因激光束照射區域較小，影響駕駛人員的視野，可借助偏光技術將島礁航道事先分為三部分，即左航道、中心航道以及右航道，先將光束照射到左航道，停留幾秒鐘后再將光束移至中間區域，隨后再偏轉到右航道，反復進行幾次后，即可在左航道看到亮短暗長的短閃光現象，在右航道部位看到亮長暗短的長閃光現象。而中間航道可以看到常亮的“定光”，如此一來就可以保證光束將島礁航道充滿，而駕駛人員可以根據光束預知島礁航道上的船舶是在中心位置、偏右側位置或者偏左位置，以便于駕駛人員可以有足夠的時間對航行方向進行調整。

四、激光導航技術在島礁橋區船舶導航中的具體應用

在此工程中所使用的激光船舶導航系統主要由兩部分組成：一是船舶位置判定系統，該系統可借助數學模型將船舶在海面上真實的航行動態信息呈現在熒屏上，幫助相關人員準確判斷當前的航海信息，對發現的異常情況及時采取有效的措施積極應對，提高航行的安全性；二是激光導航指引系統，它的主要作用是為船舶指引航路，使其在正確的航線上安全行駛。通過將這兩種系統整合到一起，一方面有助于駕駛人員及時更正航向錯誤情況，實現精確導航，另一方面也能提高船舶航行的安全性，盡可能降低不安全事故的發生，確保海洋科研工作順利開展。

1．島礁橋區激光導航系統設計

由四道強度中等的激光光束所組成的橋區激光導航指引系統在進行安裝時，應在左、右島礁橋墩兩側分別安裝一臺激光發射裝置，其中將發射紅光的激光裝置安放在右橋墩一側，左岸的激光裝置發射綠光，利用這兩種激光可以為將橋墩的具體位置展示給船舶駕駛員。此外，將兩臺激光發射器分別安裝在橋梁安全通行中心線的周圍，一臺激光以45°角的方向迎著船舶航線的方向進行發射，另外一臺激發器則順著水面垂直發射一條激光，駕駛人員可借助激發發射器所發射出來的激光準確判斷航線方向，提高船舶航行的安全性。在安裝過程中，可在下水航線一側進行安裝，這樣可避免因光線過度對信號造成一定的干擾，按照船舶的實際方位，駕駛人員借助激光攝像在觀測時會出現如下幾種情況：

（1）若橋梁安全通行垂直射線置于斜向射線左側位置時，表明船舶朝向左方行駛。

（2）如果橋梁安全通行中心線與射線處于同一水平線時，表明船舶按照正常的航向行駛，未發生偏離現象。

（3）若橋梁安全通行垂直射線置于斜向射線右側位置時，表明船舶朝向右方行駛。

2．島礁橋區船舶位置的判定系統

島礁橋區激光導航系統主要是借助GPS定位系統對船舶的行駛位置進行準確定位，獲取到船舶實時坐標數據，并將數據代入到相關公式中得出航線的偏差值。假設1號激光發射器的坐標為（a1，b1），2號激光發射器的坐標為（a2，b2），船舶坐標為（a3，b3）。通過在本工程中應用激光導航技術，科考船駕駛員通過激光導標可以在五公尺以內的精度將船只駛入到礁口或航道入口。相對于固定浮標來說，這一精度要明顯高出了好多倍[7]。不過需要注意的是，天氣因素對激光導航有一定的影響，尤其是在遇到霧天時，會影響導航的精度，這是目前需要克服的一大難題。

五、結語

總而言之，激光導航技術可以在視線不佳的情況實現野外勘測、海洋科研和科考船導航工作。因此，在海洋科考船導航中應用激光導航技術是非?？尚械囊豁椉夹g。當前本科考船導航中激光導航技術還處于發展初期，還需要進一步對系統進行整合。相信在不久的將來，激光導航技術會在科考船導航中得到廣泛的應用。

參考文獻

[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，（04）：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]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，（01）：66-70.

[6]梁娜，李鑫.一種船舶導航系統監測裝置的設計與研究[J].艦船科學技術，2016，（04）：56-58.

[7]唐聚霞，齊國清.船舶導航系統目標綜合信息模擬方法及精度分析[J].大連海事大學學報，2012，（03）：40-42.

作者：黃應邦；馬勝偉；吳洽兒；劉紅英；楊北勝；伍紹森 單位：中國水產科學研究院南海水產研究所