俞司思

（平湖市華海造船有限公司，浙江 嘉興 314200）

船舶導(dǎo)航技術(shù)是一項(xiàng)通信工程與信息工程。多平臺(tái)融合的導(dǎo)航技術(shù)包括信息的傳輸與信號的處理運(yùn)用。近些年，全球航運(yùn)規(guī)模擴(kuò)大，龐大的海上行駛數(shù)量會(huì)增加航行的安全風(fēng)險(xiǎn)。作為航向安全的保障，船舶導(dǎo)航技術(shù)為船舶的航行提供數(shù)據(jù)支持。現(xiàn)階段船舶導(dǎo)航技術(shù)涉及導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)前沿科技技術(shù)，為航行提供精確的數(shù)據(jù)支持。依托綜合導(dǎo)航系統(tǒng)對多項(xiàng)信息平臺(tái)進(jìn)行綜合處理可以有效減少船舶安全事故的發(fā)生概率。

1 導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展與歷史

導(dǎo)航技術(shù)是確保人類在二維與三維空間探索中不會(huì)迷失方向的重要技術(shù)保障，船舶導(dǎo)航技術(shù)使人類探索的腳步邁向了大洋深處。一般來說，船舶導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展分為以下3 個(gè)階段。

1.1 經(jīng)驗(yàn)為主的導(dǎo)航階段

這個(gè)階段的導(dǎo)航依據(jù)人類對天文地理等自然環(huán)境的特殊現(xiàn)象總結(jié)的規(guī)律，并且經(jīng)過了長期的實(shí)踐和驗(yàn)證，比如星象導(dǎo)航技術(shù)、地磁導(dǎo)航等，還利用了相關(guān)原理制造出了六分儀、司南、磁羅經(jīng)。但這種導(dǎo)航是對船舶行駛的大致估算，精確度比較低，而且極容易受到外界因素的影響，只能滿足短距離船舶航行的需求。

1.2 機(jī)械導(dǎo)航階段

在近代導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的過程中，機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)具有承上啟下的重要地位，它主要利用機(jī)械陀螺在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下指向北方的特性引導(dǎo)航向。同時(shí)，還可以借助機(jī)械式計(jì)程儀進(jìn)行距離的測量，在海圖上確定船舶行駛的大概位置。機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)相對第一階段精確度明顯提升，受環(huán)境因素的影響也減小了許多，如電控陀螺羅經(jīng)、航海表都屬于機(jī)械導(dǎo)航。

1.3 電子信息導(dǎo)航階段

電子信息技術(shù)在船舶導(dǎo)航中的運(yùn)用改變了傳統(tǒng)的船舶導(dǎo)航方式，多元化、多方面、全系統(tǒng)的電子導(dǎo)航設(shè)備為船舶的形式提供了更加全面的導(dǎo)航信息。如船用雷達(dá)系統(tǒng)（RNS）、光學(xué)慣性系統(tǒng)（INS）、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）等[1]，它們都保障了船舶行駛的安全性。利用綜合導(dǎo)航技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了對多元化導(dǎo)航平臺(tái)的綜合管理，為實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化與智能化奠定基礎(chǔ)。

2 平臺(tái)信息融合下的船舶導(dǎo)航技術(shù)分析

2.1 船用RNS 與傳播AIS 的技術(shù)融合

RNS 與AIS 是船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)備技術(shù)，在具體實(shí)踐中，船用RNS 技術(shù)與船舶AIS 技術(shù)都可以整體感知船舶運(yùn)行狀態(tài)，最大程度上保證船舶行駛的安全。

船用RNS 技術(shù)是由無線電導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展而來的，早期的RNS 技術(shù)原理簡單，依靠微波天線對船舶周圍一定范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行定位與測距。隨著雷達(dá)技術(shù)不斷成熟，RNS 技術(shù)與裂縫天線技術(shù)深入融合，RNS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以對障礙物的方位距離進(jìn)行測量，對船舶航向與航速進(jìn)行計(jì)算測量，減輕航海部門人員工作的強(qiáng)度，為船舶行駛提供更加可靠的安全保障。但是，船用RNS 技術(shù)仍然存在不足，船舶近距離范圍內(nèi)存在視覺盲區(qū)，所以要用到船舶AIS 技術(shù)。利用船舶AIS技術(shù)可組建區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以在具體的系統(tǒng)軟件中獲取船舶的有效信息與有效通信距離內(nèi)的其他信息，比如識(shí)別其他船舶的航向航速、船籍船名等。系統(tǒng)自帶的軟件可以計(jì)算船舶所處環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級，并及時(shí)預(yù)警。AIS 還具備電子海圖的功能，可以對海面上危險(xiǎn)區(qū)域及危險(xiǎn)航向進(jìn)行警示，并結(jié)合全球定位系統(tǒng)定位船舶的具體位置，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度較高[1-3]。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將船用RNS 與船舶AIS 結(jié)合運(yùn)用，可以使導(dǎo)航系統(tǒng)信息更為豐富，RNS 可以利用船舶自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)計(jì)算具體的航跡推力，并通過經(jīng)緯度及相關(guān)公式計(jì)算得出大致航向，進(jìn)一步將計(jì)算出的結(jié)果用于實(shí)際目標(biāo)船舶的方向計(jì)算上，與AIS 對比，更進(jìn)一步保障數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，避免視覺盲區(qū)帶來的航海安全問題。

2.2 傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備信息技術(shù)融合

隨著信息社會(huì)不斷發(fā)展，導(dǎo)航已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與多元信息的融合，也是船舶導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源之一。

當(dāng)下船用羅經(jīng)分為光學(xué)羅經(jīng)、電控羅經(jīng)及磁羅經(jīng)。這幾種類型的羅經(jīng)具體原理基本一致，只是核心器件上有微弱差異。磁羅經(jīng)僅能提供船舶航向信息，精準(zhǔn)度較低；電控羅經(jīng)可以提供航線與姿態(tài)信息，光學(xué)羅經(jīng)的精確度較高。

計(jì)程儀利用水與目標(biāo)船舶的作用力實(shí)現(xiàn)對速度的測量，并通過測量速度積分計(jì)算船舶的具體航程。計(jì)程儀有拖曳式與轉(zhuǎn)輪式，2 種形式的計(jì)程儀原理都較為簡單，且測量誤差較大，已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)階段的航海測量?，F(xiàn)階段運(yùn)用較廣的是水壓計(jì)程儀、電磁計(jì)程儀等，通過壓力傳感器、電磁感應(yīng)等將水流產(chǎn)生的壓力信息轉(zhuǎn)化為電信號，通過各項(xiàng)環(huán)節(jié)減少外部干擾后再進(jìn)行具體的運(yùn)算，測量出的船舶速度與航程信息都較為準(zhǔn)確，這類計(jì)程儀的運(yùn)用也較為廣泛?？偟膩砜?，電磁儀測量出的數(shù)據(jù)具有較好的線性特征，且對船體速度的變化較為敏感，利用模型轉(zhuǎn)換計(jì)算后的傳播速度也較為精準(zhǔn)。

在具體運(yùn)用羅經(jīng)與計(jì)程儀等傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備的過程中發(fā)現(xiàn)，這些技術(shù)容易受多方面干擾因素的影響，獨(dú)立工作狀態(tài)下傳統(tǒng)導(dǎo)航設(shè)備提供的航向、航速等信息會(huì)發(fā)生較多、較大誤差，存在較大的安全隱患。針對這一問題，技術(shù)人員可完善相關(guān)計(jì)算方法，并對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，組建導(dǎo)航系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)的可靠性。這也表明，導(dǎo)航系統(tǒng)將結(jié)束長期以來獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)指以羅經(jīng)為核心的INS 系統(tǒng)，也指多類型導(dǎo)航設(shè)備組成的數(shù)據(jù)集中處理系統(tǒng)。INS 可以提供精確度較高的數(shù)據(jù)，所以具有一定的可參考性。此外，組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用最優(yōu)化估算法，對于卡爾曼濾波法的應(yīng)用也較為廣泛，卡爾曼濾波對信號質(zhì)量沒有明確要求，可以通過處理復(fù)合信號得出誤差最小的估算值，優(yōu)于維納濾波等其他濾波方式。復(fù)合精度功能的提升可以幫助增加真實(shí)信號來源，弱化噪聲給信號帶來的不利影響，提高信號精確度。測量儀冗余功能能對數(shù)據(jù)中重復(fù)測量的現(xiàn)象進(jìn)行整改，提高結(jié)果的可靠性，排除干擾項(xiàng)對濾波計(jì)算造成的不利影響。

3 多平臺(tái)信息融合處理的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)

船用導(dǎo)航設(shè)備類型與數(shù)量的增多進(jìn)一步提高了船舶航向的安全程度，但也會(huì)一定程度上增加導(dǎo)航系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的難度。為了更好地實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的概念被提出。

3.1 綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成及具體功能

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是現(xiàn)代化遠(yuǎn)洋船舶的標(biāo)配，與傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)與測速平臺(tái)相比，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)集齊了導(dǎo)航技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，還有無線電技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)的加持，是多種先進(jìn)技術(shù)的集合體。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)能接收到導(dǎo)航終端發(fā)布的信息，并根據(jù)信息數(shù)據(jù)類型進(jìn)行具體的計(jì)算與二次融合，讓原本復(fù)雜的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息簡單化、具體化、可視化，方便人員進(jìn)行航海操作。

通過對傳感器的分析和建模，將原本傳感器型信號的識(shí)別局限于對數(shù)據(jù)的判斷，經(jīng)過數(shù)學(xué)變換和運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信號和系統(tǒng)識(shí)別之間的相互關(guān)聯(lián)和識(shí)別的功能。同時(shí)根據(jù)整個(gè)多傳感器系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)要求，可以采用不同的形式進(jìn)行集成，具體如圖1 所示。

圖1 多傳感器的數(shù)學(xué)描述方法

除此之外，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)涵蓋了許多與導(dǎo)航設(shè)備相關(guān)的資料，包括輸出導(dǎo)航信息的設(shè)備、一系列依托導(dǎo)航信息運(yùn)行的系統(tǒng)設(shè)備等，如駕控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)與聲吶系統(tǒng)。綜合導(dǎo)航的核心技術(shù)是數(shù)據(jù)處理，通過檢測、優(yōu)化與融合完成對平臺(tái)信息的高效利用，提高船舶導(dǎo)航信息的真實(shí)可靠性。

3.2 數(shù)據(jù)檢測儀器

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心需要在接收導(dǎo)航信息后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，幫助下一階段數(shù)據(jù)優(yōu)化減小壓力。通常情況下，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)有數(shù)據(jù)單點(diǎn)異常、關(guān)聯(lián)異常與集體異常3 種異常現(xiàn)象，也可以分別采取3 種檢測技術(shù)進(jìn)行分析。

3.2.1 聚類檢測技術(shù)

大多數(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的異常數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律，數(shù)據(jù)檢測時(shí)可以根據(jù)某些異常數(shù)據(jù)分類分析，將這些數(shù)據(jù)與該特征高度相似的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類。聚類檢測技術(shù)的使用可有效提高檢測效率，但無法明確對船舶導(dǎo)航信息影響因素進(jìn)行管理。而實(shí)際操作時(shí)需要對數(shù)據(jù)來源的穩(wěn)定性及可靠性進(jìn)行檢測，所以不宜在噪聲較大的環(huán)境中使用。

3.2.2 偏差檢測技術(shù)

利用該項(xiàng)技術(shù)對海域?qū)Ш綌?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真結(jié)果的對比。如果計(jì)算出的數(shù)據(jù)誤差在閾值范圍內(nèi)，那么綜合導(dǎo)航系統(tǒng)收到的信息準(zhǔn)確性達(dá)標(biāo)?，F(xiàn)階段數(shù)學(xué)模型偏差檢測技術(shù)的精確度較高，但是綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)較多，建立模型較為復(fù)雜且滯后。

3.2.3 概率相關(guān)技術(shù)

綜合導(dǎo)航系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)來自不同的設(shè)備，異常數(shù)據(jù)之間也有一定的關(guān)聯(lián)性，對這些數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行分析。相關(guān)性越高，說明數(shù)據(jù)同步異常的概率越高。比如INS 的加速度是航速與航程計(jì)算出來的，三者的關(guān)聯(lián)性為100%，一旦加速度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，會(huì)直接導(dǎo)致INS 輸出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。利用概率檢測技術(shù)可以提高異常數(shù)據(jù)檢測效率，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的可靠性[4-5]。

3.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

傳統(tǒng)的船舶導(dǎo)航技術(shù)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，根據(jù)導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)精確度來確定導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精確度，減輕導(dǎo)航數(shù)據(jù)在檢測方面的壓力。隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)擁有卓越的處理數(shù)據(jù)的能力，為融合技術(shù)在綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中的使用奠定了基礎(chǔ)。綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合是對一切有使用價(jià)值的信息進(jìn)行采集、傳輸、綜合與合成，完成對環(huán)境態(tài)勢的判定、規(guī)劃相關(guān)任務(wù)與診斷相關(guān)故障。具體包括數(shù)據(jù)層融合、特征層融合與決策層次融合，其中特征與數(shù)據(jù)層的融合較為廣泛。比如航向數(shù)據(jù)、綜合導(dǎo)航系統(tǒng)的航向數(shù)據(jù)來自于INA 技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、北斗航跡系統(tǒng)與船舶AIS，綜合導(dǎo)航系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后可以比較數(shù)據(jù)間的差值，并依據(jù)實(shí)際航線的變化趨勢在計(jì)算誤差上加以修正與平衡[6]?，F(xiàn)階段綜合導(dǎo)航系統(tǒng)可以集成電子海圖、軌跡儀等多項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)與RNS、AIS 的目標(biāo)融合。結(jié)合氣象儀、計(jì)程儀等相關(guān)平臺(tái)的信息，可以綜合測量出導(dǎo)航系統(tǒng)的最終目標(biāo)方向。

4 船舶導(dǎo)航技術(shù)未來發(fā)展的趨勢

4.1 向高精度化、微型化方向發(fā)展

船舶導(dǎo)航技術(shù)的各種慣導(dǎo)在體積、功率損耗、智能化方面精益求精，各個(gè)基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究成果都快速穩(wěn)妥地運(yùn)用到了慣導(dǎo)產(chǎn)品中。比如，微尺度速率積分陀螺儀將取代陀螺儀器運(yùn)用在慣導(dǎo)中。未來微尺度積分陀螺儀的體積只有1 cm3，功率消耗低至5 mW。發(fā)展芯片級原子鐘使其體積更小、功率更低、精度更準(zhǔn)，體現(xiàn)出其更具特色的探測能力[7-9]。

4.2 寬帶化、數(shù)字化的通信網(wǎng)絡(luò)

寬帶化、數(shù)字化一直是通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。比如手機(jī)的體積越來越小，功能越來越多。從一開始只能用于打電話發(fā)短信，到如今可以玩游戲、聊天、購物乃至線上辦公，這些都是寬帶化數(shù)字化為通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來的好處。船舶導(dǎo)航技術(shù)也是如此，通信導(dǎo)航的發(fā)展在未來能實(shí)現(xiàn)距離更遠(yuǎn)、速度更快的導(dǎo)航效益。而進(jìn)一步發(fā)展通信網(wǎng)絡(luò)需要考慮納米技術(shù)研究光交換與密集波分復(fù)用等技術(shù)的發(fā)展，形成更加高效的船舶通信導(dǎo)航。

4.3 向綜合化、一體化、智能化方向發(fā)展

船舶航向技術(shù)可以與現(xiàn)階段高速發(fā)展的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等結(jié)合起來，促進(jìn)船舶導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能的深化研究，迎接未來的挑戰(zhàn)。船舶導(dǎo)航技術(shù)還可以將過去分開的信息系統(tǒng)集合在一起，完成高效集成的目標(biāo)，在統(tǒng)一系統(tǒng)、統(tǒng)一機(jī)制下綜合管理，促進(jìn)管理系統(tǒng)一體化發(fā)展。船舶導(dǎo)航系統(tǒng)還可以借助互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，及時(shí)掌握船舶信息，根本改善船舶的靈活性與生存能力。

5 結(jié)束語

綜上所述，利用多平臺(tái)融合發(fā)展的船舶導(dǎo)航技術(shù)可以提高船舶遠(yuǎn)航的安全性，利用數(shù)據(jù)優(yōu)勢進(jìn)行分析與收集，構(gòu)建更加精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)，可以進(jìn)一步保障船舶行駛的安全。