郭義浩

（1.長(zhǎng)江重慶航道局，重慶 400012）

激光導(dǎo)航技術(shù)在橋區(qū)船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用

郭義浩1

（1.長(zhǎng)江重慶航道局，重慶 400012）

激光導(dǎo)航是一種利用激光良好的方向性和高亮性而發(fā)展起來(lái)的新興船舶航道技術(shù)。以激光船舶導(dǎo)航技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外激光船舶導(dǎo)航發(fā)展情況，結(jié)合橋區(qū)航道特點(diǎn)，分析激光導(dǎo)航技術(shù)在橋區(qū)航道中運(yùn)用的可行性，提出橋區(qū)激光船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，并開(kāi)發(fā)適合橋區(qū)航道特點(diǎn)的激光導(dǎo)航系統(tǒng)。

橋區(qū)航道；船舶導(dǎo)航；激光導(dǎo)航；雷達(dá)導(dǎo)航；羅經(jīng)導(dǎo)航

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前三峽水利樞紐以上的長(zhǎng)江干線已建成跨江橋梁42座，在建橋梁8座，數(shù)量之多，十分罕見(jiàn)。這些橋梁的建設(shè)，極大地方便了陸上交通，但由于橋梁建設(shè)設(shè)計(jì)功用和河床地形的特殊性，存在橋墩占據(jù)主航道的情形，使得河流過(guò)水面積縮窄，流速增加，水流流速發(fā)生偏移，通航環(huán)境惡化，客觀上對(duì)船舶通航形成障礙，亟需找到一種全新養(yǎng)護(hù)方式來(lái)引導(dǎo)船舶安全通過(guò)橋區(qū)水域，保障船舶和橋梁的安全。

本文針對(duì)橋區(qū)航道的復(fù)雜特點(diǎn)，探討激光導(dǎo)航在橋區(qū)航道中運(yùn)用的可行性，并研發(fā)相應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 船舶導(dǎo)航現(xiàn)狀

船舶導(dǎo)航技術(shù)從上個(gè)世紀(jì)70年代開(kāi)始，逐漸出現(xiàn)GPS技術(shù)導(dǎo)航、雷達(dá)導(dǎo)航、羅經(jīng)導(dǎo)航等導(dǎo)航方式，實(shí)現(xiàn)了船舶信息獲取、船舶引航等功能。在80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶導(dǎo)航系統(tǒng)朝著集成化、一體化方向發(fā)展，出現(xiàn)目前最為常見(jiàn)的一種導(dǎo)航系統(tǒng)——組合導(dǎo)航系統(tǒng)[1,2]。

1.1 GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航

這種導(dǎo)航方式是指利用GPS衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行船舶定位、導(dǎo)航的技術(shù)[3]。這種導(dǎo)航技術(shù)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今使用最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

1.2 雷達(dá)導(dǎo)航

雷達(dá)導(dǎo)航是利用雷達(dá)從船上向物標(biāo)發(fā)射脈沖電波，由接收裝置接收電波的反射波，經(jīng)放大檢波后作為圖像信號(hào)在陰極射線熒光屏上顯示，同時(shí)利用無(wú)線電波的直進(jìn)性和等速性，計(jì)算物標(biāo)的方位、距離以及船舶的位置等參數(shù)。它特別適用于黑夜、霧天引導(dǎo)船只出入海灣、通過(guò)窄水道和沿海航行。

1.3 羅經(jīng)導(dǎo)航

船舶使用羅經(jīng)確定航向和觀測(cè)物標(biāo)方位，使用方便。常用的羅經(jīng)設(shè)備有磁羅經(jīng)和陀螺羅經(jīng)兩種。磁羅經(jīng)由于受地球磁場(chǎng)的影響，容易產(chǎn)生磁差和自差；陀螺羅經(jīng)受自身設(shè)備、緯度等的影響，容易產(chǎn)生緯度誤差、速度誤差、沖擊誤差、搖擺誤差和基線誤差等[4]。

1.4 航標(biāo)導(dǎo)航

航標(biāo)導(dǎo)航是通過(guò)設(shè)置過(guò)河標(biāo)、沿岸標(biāo)等助航標(biāo)志來(lái)標(biāo)示航道方向、界線與礙航物，以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)船舶航行、定位[5]。這種導(dǎo)航技術(shù)在內(nèi)河航道中運(yùn)行較為廣范，具有設(shè)置速度快、簡(jiǎn)單可靠、但資源消耗大等特點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于AIS岸基臺(tái)站的智能航標(biāo)逐漸投入運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了航行信息綜合顯示和智能輔助導(dǎo)航，為船舶航行安全增加了一種有效的輔助手段。

受導(dǎo)航設(shè)備自身的局限和導(dǎo)航環(huán)境復(fù)雜多變的雙重影響，上述4種導(dǎo)航設(shè)備均能夠?yàn)榇疤峁┎糠謱?dǎo)航服務(wù)，但是在橋區(qū)航道，現(xiàn)行的導(dǎo)航方式仍存在不足。

隨著激光技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，它在船舶導(dǎo)航領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，比如在沿海港區(qū)船舶停靠、戰(zhàn)斗機(jī)起降等方面都發(fā)揮著十分重要的作用。

2 激光導(dǎo)航技術(shù)在橋區(qū)船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用

橋區(qū)激光船舶導(dǎo)航系統(tǒng)是一種引導(dǎo)船舶安全通行橋梁河段的輔助系統(tǒng)，它由橋區(qū)激光導(dǎo)航指引系統(tǒng)和橋區(qū)船舶位置判定系統(tǒng)兩部分組成，其中橋區(qū)激光導(dǎo)航指引系統(tǒng)起著視覺(jué)航標(biāo)的作用，為船舶指引航路；橋區(qū)船舶位置判定系統(tǒng)則是通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，為船舶展示實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息[6,7]。通過(guò)2種系統(tǒng)的整合，能夠?qū)崿F(xiàn)航路的直觀顯示，幫助船舶駕駛?cè)藛T對(duì)錯(cuò)誤航向作出合理修正，以實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航，保障船舶安全通過(guò)大橋區(qū)域。

2.1 橋區(qū)激光導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋區(qū)激光導(dǎo)航指引系統(tǒng)由4道中等強(qiáng)度激光光束組成（如圖1所示），左右橋墩分別安裝一臺(tái)激光發(fā)射裝置（左岸為綠光，右岸發(fā)射紅光），給駕駛員標(biāo)示出橋墩準(zhǔn)確位置；另兩臺(tái)激光發(fā)射器則安裝在橋梁安全通行中心線附近（燈質(zhì)為黃光），一臺(tái)激光發(fā)射器向水面（如果橋梁凈空高度較低，也可向上方發(fā)射）垂直發(fā)射一條激光，另一條激光以45°角向迎船向發(fā)射，為駕駛?cè)藛T標(biāo)出安全的航線。為避免光線過(guò)多產(chǎn)生干擾，本系統(tǒng)主要安裝在下水航線一則。

圖1 橋區(qū)激光導(dǎo)航指引系統(tǒng)

根據(jù)船舶位置的不同，駕駛?cè)藛T通過(guò)觀察激光射線會(huì)出現(xiàn)以下3種情況（如圖2所示）：

1）橋梁安全通行中心線重合為一條直線，即表明船舶正沿著中心線駛過(guò)橋區(qū)河段，航向正確。

2）橋梁安全通行垂直射線在斜向射線的左側(cè)時(shí)，表明船舶行駛靠左。

3）橋梁安全通行垂直射線在斜向射線的右側(cè)時(shí)，表明船舶行駛靠右。

2.2 橋區(qū)船舶位置判定系統(tǒng)

圖2 船舶激光導(dǎo)航

該系統(tǒng)通過(guò)船載GPS定位系統(tǒng)獲取船舶的實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后臺(tái)系統(tǒng)中進(jìn)行綜合計(jì)算和分析，推算出船舶實(shí)時(shí)航行參數(shù)和船舶航線與正確航線的偏差值。

假設(shè)1號(hào)、2號(hào)激光發(fā)射器坐標(biāo)為（a1，b1）和（a2，b2），船舶坐標(biāo)為（a3，b3）（如圖3所示），首先利用激光發(fā)射器數(shù)據(jù)求出其軸線線性方程式：

其中，

再利用船舶坐標(biāo)和激光發(fā)射器軸線線性方程聯(lián)解，求得船舶坐標(biāo)在橋墩軸線上的垂足坐標(biāo)（a4，b4）：

求得：

圖3 船舶航行線

3 結(jié) 語(yǔ)

激光導(dǎo)航是伴隨激光技術(shù)不斷成熟而發(fā)展起來(lái)的一種新興導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)，適用于視線不良情況下的船舶導(dǎo)航、野外勘測(cè)定向等工作，將它作為船舶導(dǎo)航手段是十分可取的。橋區(qū)激光船舶導(dǎo)航系統(tǒng)目前仍處于起步階段，系統(tǒng)的整合仍需進(jìn)一步加強(qiáng)，但可以預(yù)見(jiàn)，隨著激光導(dǎo)航技術(shù)的不斷豐富和完善，必將會(huì)引起船舶導(dǎo)航技術(shù)研究的新一輪高潮。

[1] 張宇飛, 陸全聰, 翁海娜． 基于 IMU 旋轉(zhuǎn)的船用激光導(dǎo)航系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J]． 海洋技術(shù), 2009, 28(2): 88-91

[2] 張壽桂, 彭國(guó)均． 海監(jiān)船舶導(dǎo)航與監(jiān)控管理信息系統(tǒng)[J]． 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(3): 31-35

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[4] 王子磊, 尹洪亮, 王丹． 激光陀螺雙軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)位方案設(shè)計(jì)[J]． 艦船科學(xué)技術(shù), 2013 (12): 114-120

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B

1672-4623（2015）02-0020-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.008

郭義浩，高級(jí)工程師，從事航道測(cè)量與管理方面的研究工作。

2014-11-07。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41074025）。