综合船桥系统与综合导航技术分析

综合船桥系统与综合导航技术分析

金虎

河北秦皇岛 91404部队

摘要：随着航海技术的不断进步和导航技术的发展，诞生了集导航与控制、监控等功能于一体的综合船桥系统。文中介绍了导航技术在船桥系统的诞生和发展过程中的重要地位，介绍了综合船桥系统中典型的导航设备及其功能和性能上的差异，分析了综合导航的几个关键技术。

关键词：综合船桥系统；导航技术；导航雷达；船舶定位。

Analysis of Integrated Bridge System and Integrated Navigation Technology

Hu Jin

Qinhuangdao Unit 91404

Abstract：With the continuous progress of navigation technology and the development of navigation technology, an integrated ship bridge system integrating navigation, control monitoring and other functions was developed. This paper introduces the important position of navigation technology in the birth and development of the ship bridge system, and analyzes several key technologies of comprehensive navigation.

Key Words：integrated bridge system; navigation technology; navigation radar; ship location.

引言：

随着科学技术的发展和航海经验的积累，人类对海洋环境的认知逐渐加深。同时，由于航运业的迅速发展和航运竞争的加剧，海上运输的安全和经济效益一直是航海的重要目标。如何在复杂的海洋环境变化中实现满足航行要求的航行任务，一直是航海界的重要课题。在这个追求满足航行要求和安全经济的航行活动中，导航技术得到了极大的发展，进而促进了一开始以导航为基础的综合船桥系统的诞生。

1.综合船桥系统与船舶导航技术

在早期的航海活动中，导航设备种类少，功能单一。随着航海技术的发展，导航设备的种类增多，能够为航海人员提供自身船舶状态信息、气象水文信息、船舶定位与航路建议等多方面的信息。由于各种导航设备所提供的信息量多、分散性大，对人工的信息综合处理能力提出了较高要求，也增加了人工处理信息时的出错概率，从而导致事故的发生，船舶自动化的需求就应运而生，并促成了综合船桥系统（Integrated Bridge System, IBS）的诞生^[1]。

世界上第一套IBS由挪威Norcontrol公司在1969年开发，并命名为数据桥（Data Bridge, DB），主要包括“数据雷达”、“数据航行”、“数据定位”和“数据操舵”四个子系统，功能主要局限于导航。随着综合导航和自动化技术的发展，IBS系统的功能不断扩大，新投入市场的IBS系统增加了航行计划和自动操舵两个子系统，具备了控制功能，从而成为了综合导航和控制系统。到了20世纪70年代中后期，各个国家推出的IBS增强了系统在显示、监视、管理和通信方面的功能，与以往的IBS系统相比，功能逐渐完善，技术趋于成熟。综合船桥系统也是船舶自动化最重要的组成部分之一，它的任务是通过船舶自动化的实现，提高船舶航行的安全性、经济性和有效性。

现在国外生产商推出的IBS产品在系统结构和产品性能上不尽相同，但是存在着一些共同的设计趋势：从技术上讲，都采用了先进的导航传感器接口技术，系统层都采用模块化设计和网络构架，以降低维护难度和设备成本，并提高不同系统的兼容性；从功能上讲，都具有航行规划、导航定位、防撞避碰、自主航行、航行信息综合管理、航行信息集中显示控制、导航数据分发、航行数据存储记录等功能；从系统配置分类上讲，都会根据船舶种类、吨位大小、用途等方面进行不同的配置^[2]。

图1 典型的综合船桥系统组成

我国船舶配套设备的技术发展较慢，船上自动化系统及设备总体水平偏低，其中综合船桥系统基本上都依靠进口。对于综合船桥系统我国已经进行了多年的研究，一些综合船桥系统的关键技术仍然需要突破，但是许多单项成果已经得到应用，有的已经接近世界先进水平。

随着综合船桥系统的发展和研究，综合船桥系统也越来越多的应用在军事方面。在上个世纪末，美军就已经在航空母舰及其它大型舰艇都配备了各种对应的综合舰桥系统，并在强化了导航和控制系统方面的集成之后，将综合舰桥系统应用到其它水面舰艇和潜艇。日本，俄罗斯，法国，英国，意大利等国家也都在军舰上采用了综合舰桥系统

^[3-4]。

2.综合船桥系统中的导航设备

对于航海来说，导航的内容包括：正确引导船舶按照预定航线，安全、经济地航行至目的地，并用各种方法和手段随时确定本船舶位置。另外，军舰也要求导航仪器向舰艇部分设备及作战系统实时提供各种信息，包括航向、航速、风向、风速、舰位、舰艇姿态等，以保证设备和系统的正常使用。导航方式基本上有地文导航、天文导航、惯性的导航、综合导航（组合定位系统）四种方式。其中，综合导航是将各种导航设备通过计算机综合，使其各种功能综合利用互相取长补短，形成精度更高、功能更全、工作更可靠的综合导航系统^[5]。

综合船桥系统中的导航设备包括导航雷达、船舶自动识别系统（AIS）、自动雷达标绘仪（Automatic Radar Plotting Radar, ARPA）、电子海图系统、计程仪、测速仪等。定位曾经是导航和航海研究的重点，所以在这些设备中，AIS和导航雷达是比较重要的两种设备，它们兼顾定位功能和瞭望功能，其主要作用是用于船舶航行时的定位和防撞避碰。

2.1 导航雷达系统

导航雷达是最传统的导航设备之一，它可以通过发射无线电波束主动对环境进行全景式探测，提供探测到目标的距离、方位、航向、航速等信息。当导航雷达与自动雷达标绘仪结合使用时，也可以提供周围目标的CPA（Closest Point of Approach，最近会遇距离）、TCPA（Time to CPA，最近会遇时间）信息，当CPA和TCPA有任意一项的数值小于提前设定的警报阈值之后，系统能够发出碰撞预警信息，引导船舶及时避让。

导航雷达也存在一些自身的固有缺陷。导航雷达工作波长短，波束绕射能力有限，当存在地物（海岛、礁石）或者大型船只遮挡时，遮挡物的后方会产生探测盲区。由于探测精度、数据处理算法等因素对导航雷达的目标跟踪能力都有影响，导航雷达在探测目标时会存在虚警、漏警等情况，降低了导航雷达对目标跟踪和探测的可靠性。当海况较差时，海杂波会较强，增加了导航雷达回波中船舶目标的检测难度；由于水分子和氧气是电磁波在空气中传播时最大的损耗因子，雨雪天气和大雾天气里导航雷达的探测能力和可靠性也会受到比较大的影响，降低探测距离和跟踪精度，并造成更多的虚警漏警^[6]。

2.2 AIS系统

AIS是一种船载广播应答系统，装有AIS系统的船舶能够在VHF公用无线信道上向附近船舶和岸上主管机关持续发送其身份、位置、航向、航速、出发地、目的地、货物类型（包括是否含有危险物品）和其它数据。AIS信道也可以用于传输岸对船、船对船以及船对岸的AIS报文，包括码头数据、领航、泊位安排、船舶代理、潮流和潮汐、航行通告等信息。船舶交通管理机构也能通过AIS信道与船长和引航员进行有效沟通。AIS主要有以下三个方面的作用：

（1）船对船的自动信息播报。每条船舶都向高频信道范围内其它配有AIS设备的船舶发送自己的信息，信息传输过程独立，不需要主控台的参与。为了保证AIS信息的时效性，船与船之间的信息交互刷新率为几秒钟就自动进行一次，也不需要船员值守或操作。船舶自身的位置信息是通过船舶上的传感器提供的。船舶接收到其它船舶的AIS信息播报之后，会在AIS系统上通过图示和文本显示出来，也能提供给雷达自动标绘仪，为雷达探测的目标提供AIS标签。

（2）岸基监视

在沿海区域，岸上的AIS站台可以监听覆盖范围内船舶之间的AIS信息传输，可以通过AIS短消息对船舶进行询问和检查，要求船舶提供身份信息、航行计划信息、船载货物信息等，也可以通过AIS信道进行岸船信息传输，向船舶发送当地的潮汐信息、气象预报和航行通告等消息，为其提供导航数据。AIS也可以为搜救工作提供船舶调度技术支持，使搜救协调人员能够监控和调度参与救助活动的所有水面船舶的动向。AIS数据信息可以自动记录，用于航行事故、漏油等事件的回放调查，这也是它在船舶监控方面的一个功能。

（3）作为VTS工具

和VTS（Vessel Traffic Services，船舶交通管理系统）整合后，可以成为监控通过受限港口和航道的船舶活动的有力工具。AIS系统能够提升以导航雷达为基础的VTS系统的性能，并且能够在不适合建立雷达系统的地区代替雷达实现监控。与导航雷达整合使用时，在雷达系统因恶劣天气、恶劣海况或盲区等原因不能正常工作时，能够保障对周围海区的信号持续覆盖。

3.综合导航技术分析

由于不同导航设备能分别输出不同的数据信息，增加了导航数据的复杂性，也存在一定的数据冗余。综合导航系统的一个重要作用就是对多源数据进行融合处理，而融合后的数据精度也往往优于单个设备的精度，这也是降低系统成本的一个有效办法^[7]。此外，随着导航技术和导航理论的发展，综合导航技术也在以下几个方面引起人们的注意，并得到重视和研究。

（1）最佳航线设计

结合气象导航等技术，在天气、海洋环境状态与船舶应答特性的约束条件下，利用数学模型，按照最佳控制理论，进行最优化计算筛选出的航线。目前，优选航线中最常用的数值计算方法有等时线法和动态规划法等。

（2）多目标避碰辅助决策系统

船舶避碰行动需要考虑多方面的因素。一方面，船舶自身在转向、变速和进行避碰等行动时，对船舶操纵性有一定的影响。另一方面，需要对会遇目标的碰撞行为进行及时准确预测，提供合理可行的避碰辅助决策。

（3）雷达图像与电子海图图像叠加

雷达图像在电子海图上的叠加显示，通过高速坐标转换和墨卡托投影变换，将雷达视频中的图像匹配到电子海图中去，可以提高船员对周围航行态势的感知和认识能力，更好的对船舶的操控方案进行规划和制定^[8]。

4.结语

综合导航技术的发展促进了综合船桥系统的诞生，导航也一直是综合船桥系统的一个重要功能。随着综合船桥系统功能的完善，综合导航系统的信息集成能力也面临着更高的挑战。综合导航技术的发展，也将进一步促进综合船桥系统的智能化和自动化。

参考文献：

[1] 周永余.舰艇综合导航系统[M].武汉:海军工程学院, 1998: 231~233

[2] 齐国清,贾欣乐.船舶综合导航系统[J].大连海事大学学报,1998,24(1):35-40.

[3] Lee Alexander, Joseph F. Ryan, Michael J. Casey. Integrated Navigation System: Not a Sum of its Parts. Canadian Hydrographic Conference, Ottawa, 24-27May 2004

[4]曾庆军，周耀庭. 综合船桥系统研究综述[J]. 中国航海，2000(1)：28-37.

[5]赵琳,郝燕玲.基于Windows平台的新型综合导航系统总体设计[J].中国造船,1998,(1):94-98.

[6]王孝通等.航海支持系统的核心问题[J].航海技术,1999,(2):30-32.

[7] 吴晓红.电子海图应用技术研究[J].舰船论证参考,1996,(4):35-40.

[8] 朱世立.避碰专家系统的建立[J].舰船论证参考,1996,(4):24-34.

作者简介：金虎，男，1982—，硕士研究生，工程师，现从事船舶工程专业