沈庭鈞

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

0 引 言

近年來，全球航運規(guī)模持續(xù)擴大，據(jù)統(tǒng)計，2019年全球營運船舶總數(shù)量超過9.5萬艘(總噸位在100以上的有推動船舶)，如此龐大的數(shù)量可保障全球海上運輸，但會增加航行安全風險。作為航行安全的重要保障，船舶導航技術的應用可為船舶航行提供準確的數(shù)據(jù)支持，依托綜合導航系統(tǒng)對多平臺信息的綜合處理，可有效提高導航信息的可靠性和實時性，減少船舶航行安全事故的發(fā)生。

1 船舶導航技術發(fā)展概述

導航技術是人類在二維與三維空間探索中不會迷失方向的重要前提，船舶導航技術的發(fā)展使人類邁向大洋深處。船舶導航技術經(jīng)歷如下發(fā)展階段：

第一階段：經(jīng)驗導航階段。經(jīng)驗導航是根據(jù)對天文和地理等特殊現(xiàn)象的總結，經(jīng)陸上長期驗證所使用的導航技術，如星象導航和地磁導航等，并利用相應原理研究制造六分儀、星象儀、計里鼓、司南和磁羅經(jīng)等。經(jīng)驗導航主要是對航向的大致估算，不僅精度低，而且較易受到外部環(huán)境因素影響，僅可滿足短距導航需求。

第二階段：機械導航階段。在近代導航技術的發(fā)展過程中，機械導航起到重要的承上啟下作用，主要利用機械陀螺在高速轉動下的指北特性確定航向，同時借助機械式計程儀(如航海表等)進行距離測算，在海圖上確定船舶的大致位置[1]。機械導航技術精度明顯提升，且受環(huán)境因素影響較小，在遠洋航行中得到廣泛應用，如電控陀螺羅經(jīng)、平臺羅經(jīng)和航海表等。

第三階段：電子信息導航階段。電子信息技術在導航領域的應用改變傳統(tǒng)導航模式，多元化的電子信息導航設備提供更加全面的導航信息，如船用雷達導航系統(tǒng)(Radar Navigation System，RNS)、光學慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)、多普勒計程儀(Doppler Velocity Log，DVL)和船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)等。綜合導航技術的發(fā)展實現(xiàn)對多元平臺導航信息的融合與管理，為實現(xiàn)船舶自動化和智能化奠定基礎。

2 基于多平臺信息的船舶導航技術分析

2.1 船用RNS與船舶AIS信息融合技術

RNS與AIS是船舶導航系統(tǒng)中較為關鍵的2種無線電導航設備，從實際使用效果來看，船用RNS與船舶AIS的信息融合可實現(xiàn)船舶航行態(tài)勢的整體感知，并可進行高低搭配，保證船舶航行安全。

2.1.1 船用RNS

船用RNS基于傳統(tǒng)無線電導航技術發(fā)展而來，早期船用RNS技術原理相對簡單，依靠微波天線可對周圍一定范圍內的船舶和島嶼(或礁石)進行粗略的方位和距離測算[2]。依托現(xiàn)代雷達技術的日益成熟，裂縫天線成為船用RNS的標配，船用RNS計算機軟件系統(tǒng)可同時對包括方位、距離、航向和航速等在內的目標數(shù)據(jù)進行計算，甚至可根據(jù)母船導航數(shù)據(jù)計算最近會遇距離(Distance to Closest Point of Approach，DCPA)和最近會遇時間(Time to Closest Point of Approach，TCPA)，其中：自動雷達標繪儀(Automatic Radar Plotting Aid，ARPA)較具有代表性，可減輕航海部門人員的工作壓力，為船舶航行提供更高的安全保障。

2.1.2 船舶AIS

船用RNS存在不足，近距離約有0.7 n mile的盲區(qū)，這為特殊航行區(qū)域內的船舶安全帶來隱患，而船舶AIS的應用則可解決該問題。船舶AIS是基于甚高頻(Very High Frequency，VHF)技術組建的區(qū)域導航網(wǎng)絡體系，通過在系統(tǒng)軟件中設置的識別信息，所有安裝該系統(tǒng)的船舶均可及時獲取有效通信距離內的其他船舶信息，包括航向、航速、船名、船籍和船型等，利用系統(tǒng)自帶軟件計算所處環(huán)境的風險級別，并可及時進行危險預警。船舶AIS具有電子海圖功能，可幫助航海部門對海上航線和危險區(qū)域等進行顯示，并結合全球定位系統(tǒng)(GPS)進行船舶定位，提高船舶導航數(shù)據(jù)精度。

2.1.3 船用RNS與船舶AIS信息融合技術

船用RNS是以所在船舶為基準，對探測范圍內的其他船舶進行相對航向、航速和距離的探測，在排除羅經(jīng)等導航設備提供的基礎航向后，船用RNS的航向并不具有實際意義[3]。早期船用RNS僅可實現(xiàn)碰撞預警功能，即便是現(xiàn)在，以ARPA為代表的船用RNS在功能上依然需要大量的外部信息才可實現(xiàn)，而船舶AIS可解決這一問題。船用RNS與船舶AIS組成如圖1所示。

圖1 船用RNS與船舶AIS組成框圖

船用RNS與船舶AIS的信息融合使導航系統(tǒng)信息更加豐富，船用RNS可利用船舶自動導航系統(tǒng)中的GPS數(shù)據(jù)進行航跡向的推算，即通過相同時間間隔內連續(xù)兩點A和B的經(jīng)緯度(x1,y1)與(x2,y2)可得出其大致航向θ，具體推算公式如下：

θ=arccos[cosy1cosy2cos(x2-x1)+siny1siny2]

(1)

利用該航跡向，不僅解決船用RNS的真航向問題，而且可將該航向用于目標船舶的航行數(shù)據(jù)計算，計算數(shù)據(jù)與船舶AIS進行比對，以確保數(shù)據(jù)的準確性。船舶AIS可將0.7 n mile半徑內的船舶信息發(fā)送至船用RNS，有效避免因盲區(qū)導致的復雜水域航行安全問題。

2.2 傳統(tǒng)導航設備的信息融合技術

傳統(tǒng)導航設備主要是指光學羅經(jīng)、電控羅經(jīng)、磁羅經(jīng)和計程儀等。隨著電子信息技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)導航設備已實現(xiàn)多元信息融合，成為船舶導航系統(tǒng)基準數(shù)據(jù)的來源之一。

2.2.1 羅 經(jīng)

目前，船用羅經(jīng)主要分為光學羅經(jīng)、電控羅經(jīng)和磁羅經(jīng)等3種類型。3種羅經(jīng)在核心器件上差別明顯，但基本原理相似。在導航數(shù)據(jù)和精度方面，磁羅經(jīng)僅可提供航向信息，且精度最低；電控羅經(jīng)可提供航向信息和姿態(tài)信息，精度居中；光學羅經(jīng)可提供航向信息和姿態(tài)信息，精度最高。

2.2.2 計程儀

計程儀利用水對目標物力的作用實現(xiàn)船舶航行速度的測量，并通過對速度的積分計算船舶航程。早期計程儀分為拖曳式和轉輪式，其技術原理較為簡單，誤差相對較大，對遠距離航行并不適用。隨著水壓計程儀、電磁計程儀和DVL的出現(xiàn)，壓力傳感器技術、電磁感應技術和水聲技術得到廣泛應用，通過傳感器將水流產(chǎn)生的壓力信號轉變?yōu)殡娦盘?，在濾波和放大環(huán)節(jié)后可減少外部干擾，經(jīng)模數(shù)轉換后對數(shù)字信號進行計算，最終得到船舶航速與航程。以電磁計程儀為例，其數(shù)據(jù)具有較好的線性特征，對船體速度變化敏感，通過水流(導體)切割安裝在船體底部中軸線上的電磁傳感器形成感應電壓(或感應電流)，并利用模數(shù)轉換將其轉換為船舶航速，經(jīng)積分后可得到船舶航程信息。

2.2.3 傳統(tǒng)導航設備的信息融合技術

在羅經(jīng)和計程儀等傳統(tǒng)導航設備的實際使用過程中發(fā)現(xiàn)：受多種干擾因素的影響，獨立工作狀態(tài)的傳統(tǒng)導航設備所提供的航向、航速和航程等信息誤差不斷增加，對于需要長期連續(xù)航行的遠洋船舶來說存在較大安全隱患[4]。針對這一問題，在完善相關算法的基礎上，將導航數(shù)據(jù)進行融合處理，即組合導航系統(tǒng)，可提高導航數(shù)據(jù)的可靠性。

組合導航系統(tǒng)的出現(xiàn)結束長期以來導航裝備相互獨立運行的狀態(tài)。狹義上的組合導航系統(tǒng)是指以羅經(jīng)為核心的INS，而廣義上的組合導航系統(tǒng)則是由多類型導航裝備組成的數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)。將INS作為組合導航系統(tǒng)的核心，是由于INS所提供的數(shù)據(jù)精度最高，具有可參照性。組合導航系統(tǒng)組成如圖2所示，其中：勞蘭(Loran)為音譯名，為long range navigation(遠程導航)系統(tǒng)的縮寫。

圖2 組合導航系統(tǒng)組成框圖

組合導航系統(tǒng)的實現(xiàn)主要采用最優(yōu)估算法，其中卡爾曼濾波法的應用較為廣泛。與維納濾波等其他濾波方式相比，卡爾曼濾波對信號質量并未進行明確要求，通過對復合信號(真實信號與噪聲的疊加信號)的處理，得出誤差最小的真實信號的估計值?；谠撍惴ǖ膽茫M合導航系統(tǒng)功能如下：

(1)復合精度提升功能。真實信號來源的增加可弱化噪聲對真實信號帶來的干擾，提高真實信號估算精度。

(2)測量冗余功能。在導航系統(tǒng)中對同一數(shù)據(jù)存在重復測量現(xiàn)象，即存在測量冗余，樣本數(shù)量的增加可提高計算結果的可靠性，并有利于排除樣本中的“野值”對卡爾曼濾波計算結果造成的影響[5]。

2.3 基于多平臺信息融合處理的綜合導航系統(tǒng)

船用導航裝備類型的豐富與數(shù)量的增加在一定程度上提高船舶航行的安全性，但導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的增加會提高數(shù)據(jù)處理難度。為實現(xiàn)導航數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，提出綜合導航系統(tǒng)概念。

2.3.1 綜合導航系統(tǒng)功能及組成

綜合導航系統(tǒng)是現(xiàn)代遠洋船舶的標配之一。與傳統(tǒng)導航系統(tǒng)或平臺相比，綜合導航系統(tǒng)是導航技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術、信息融合技術、無線電技術和衛(wèi)星通信技術等多種先進技術的集成。綜合導航系統(tǒng)通過接收外部導航終端發(fā)送的信息，并根據(jù)信息類型對相同信息進行計算，完成目標信息的二次融合，使原本復雜的導航信息更加直觀，精度明顯提高。綜合導航系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 綜合導航系統(tǒng)組成框圖

綜合導航系統(tǒng)幾乎涵蓋所有與導航相關的設備，不僅包括輸出導航信息的設備，而且包括眾多需要依托導航信息才可正常工作的系統(tǒng)，如駕控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和聲吶系統(tǒng)等。綜合導航系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理中心，通過數(shù)據(jù)檢測技術、數(shù)據(jù)優(yōu)化技術和數(shù)據(jù)融合技術，完成對多平臺信息的高效利用，使導航信息更加真實、可靠。

2.3.2 數(shù)據(jù)檢測技術

綜合導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心在接收導航信息后，需要對數(shù)據(jù)的有效性進行分析，減輕下一階段數(shù)據(jù)優(yōu)化的壓力。針對綜合導航系統(tǒng)常見的數(shù)據(jù)單點異常、關聯(lián)異常和集體異常等3種現(xiàn)象，在此過程中采用的導航數(shù)據(jù)檢測技術主要為如下3種：

(1)聚類檢測技術。由于在導航系統(tǒng)中異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生大多具有一定的規(guī)律性，因此在數(shù)據(jù)檢測過程中可對某一異常數(shù)據(jù)的特征進行分析，并將具有與該特征高度相似的數(shù)據(jù)進行歸類[6]。聚類檢測技術的應用雖可提高檢測效率，但由于無法對導航信息影響因素的關聯(lián)性進行明確，因此在實際使用中對數(shù)據(jù)源的穩(wěn)定性和可靠性要求較高，無法適用于復雜噪聲環(huán)境下的導航數(shù)據(jù)檢測。

(2)偏差檢測技術。通過對海量導航數(shù)據(jù)進行分析，并在此基礎上構建對應數(shù)據(jù)的仿真模型，進行數(shù)據(jù)仿真結果比對，計算數(shù)據(jù)偏差是否在閾值范圍內，確定綜合導航系統(tǒng)所接收的導航信息的準確性?；跀?shù)學模型的偏差檢測技術精度高，但綜合導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)模型仿真存在明顯的滯后性。

(3)概率相關技術。綜合導航系統(tǒng)所接收的導航數(shù)據(jù)來自不同的導航設備，部分異常數(shù)據(jù)之間存在一定的相關性，對某一數(shù)據(jù)的異?，F(xiàn)象可通過具有相關性的導航數(shù)據(jù)進行體現(xiàn)。數(shù)據(jù)之間的相關性越高，則數(shù)據(jù)同步異常的概率越高。例如，船用INS的速度v和航程x的信息通過加速度計實時數(shù)據(jù)積分而來，如圖4所示。

圖4 INS的速度和航程積分示例

若不考慮外部干擾的影響，則速度v和航程x的公式為

(2)

(3)

式(2)和式(3)中：t為時間。

INS的加速度是航速和航程的元數(shù)據(jù)，三者之間為100%相關，一旦加速度數(shù)據(jù)異常，則直接導致INS輸出航速和航程數(shù)據(jù)異常。通過概率相關技術，可提高數(shù)據(jù)異常的檢測效率，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.3.3 數(shù)據(jù)融合技術

傳統(tǒng)導航系統(tǒng)強調導航數(shù)據(jù)的真實性，即根據(jù)導航設備的數(shù)據(jù)精度確定導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源，由此減輕導航系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理方面的壓力。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，計算機數(shù)據(jù)處理能力明顯提高，這為數(shù)據(jù)融合技術在綜合導航系統(tǒng)中的應用奠定基礎。

綜合導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術對一切具有實用價值的導航信息進行采集、傳輸、綜合、過濾、相關和合成，輔助完成環(huán)境態(tài)勢判定、任務規(guī)劃和故障診斷等相關工作，具體可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合，其中數(shù)據(jù)層融合和特征層融合的使用較為廣泛[7]。以航向數(shù)據(jù)為例，綜合導航系統(tǒng)航向數(shù)據(jù)來自INS、GPS(航跡向)、北斗系統(tǒng)(航跡向)和船舶AIS(航跡向)。綜合導航系統(tǒng)在接收對應數(shù)據(jù)后，通過比對航向數(shù)據(jù)之間的差值，結合駕控系統(tǒng)實際航向變化趨勢，在實時數(shù)據(jù)的基礎上進行誤差在線修正和加權平均，修正的數(shù)據(jù)作為綜合導航系統(tǒng)的航向真值。

在實際使用中，綜合導航系統(tǒng)集成電子海圖和航跡儀等多種功能，可實現(xiàn)與船用RNS、船舶AIS的目標融合，實際效果如圖5所示，其中：①、②和③分別為船用RNS A、船用RNS B和船舶AIS所提供的目標方位；在結合氣象儀、GPS、計程儀和激光測距儀等相關平臺信息進行目標融合后，綜合導航系統(tǒng)最終顯示融合目標方位④。

圖5 多平臺信息的融合示例

3 基于多平臺信息的船舶導航技術發(fā)展趨勢

3.1 船舶導航技術的智能化

在全球船舶運輸行業(yè)持續(xù)發(fā)展及海上船運數(shù)據(jù)網(wǎng)絡日益完善的情況下，船舶導航數(shù)據(jù)的智能化將成為現(xiàn)實。通過人工設定導航數(shù)據(jù)，船舶可通過衛(wèi)星接收岸基綜合管理平臺的統(tǒng)一調配和管理。智能導航系統(tǒng)可根據(jù)航行區(qū)域的實際情況，結合航速和航向等數(shù)據(jù)，保持與其他船舶的安全距離，可針對航行區(qū)域內存在的安全風險向岸基綜合管理平臺預警，并采取有效的規(guī)避措施，避免航行安全事故發(fā)生。

3.2 船舶導航技術的網(wǎng)絡化

船舶導航技術的網(wǎng)絡化包括內、外兩個方向。內部網(wǎng)絡化是指船舶導航設備之間通過局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)導航數(shù)據(jù)的實時傳輸，規(guī)范導航數(shù)據(jù)格式，提高數(shù)據(jù)處理效率[8]。外部網(wǎng)絡化是指構建區(qū)域海洋導航數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，利用大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術為船舶導航數(shù)據(jù)融合處理提供跨平臺數(shù)據(jù)參考，在此過程中可依托船舶之間的導航信息進行區(qū)域航行數(shù)據(jù)的異常檢測，并對區(qū)域范圍內的船舶航行數(shù)據(jù)誤差進行整體修正，提高船舶航行數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。

4 結 語

船舶導航技術水平的不斷提升為船舶遠洋航行提供保障，針對船舶導航設備多元化發(fā)展的現(xiàn)狀，應促進多平臺信息的綜合處理與融合，充分利用數(shù)據(jù)優(yōu)勢，構建更加精準、實時和系統(tǒng)的船舶航行安全保障模式。