第17卷 第8期 中 国 水 运 Vol.17 No.8 2017年 8月 China Water Transport August 2017
收稿日期：2017-05-05
作者简介：黄应邦（1966-），男，硕士，中国水产科学研究院南海水产研究所助理研究员，船长，从事船舶管理、通信 和航海研究及渔业应急管理研究。
基金项目：农业部财政重大专项（NFZX2013）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（中国水产科学研究院
南海水产研究所）资助项目（2013YD17）；南海区渔政管理现状与对策研究（20161103）。
黄应邦，马胜伟，吴洽儿，刘红英，杨北胜，伍绍森
（中国水产科学研究院南海水产研究所，广东 广州 510300）
摘 要：激光技术是近几年发展起来的一项高端技术，具有光线强、能量集中、传播方向性好等优点，在海洋科考船导航方面有较大的应用前景。文章以实际工程为例，介绍了近年来海洋科考船导航技术的发展情况，并对激光导航技术在海洋科考船导航中应用进行了分析和探讨。实践证明，海洋科考船导航中应用激光导航技术可以显著提升科考船导航精度，具有较高的应用价值。 关键词：科考船导航；激光导航 ；判定系统
中图分类号：U675.7 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）08-0028-03
引言
海洋科考船导航是为了海洋科研工作而设计的辅助导航定位系统，海洋科考过程中，安全导航是非常重要的工作流程，对海洋科研有比较大的影响。同时在保证水运秩序、岛礁和码头安全方面具有非常重要作用。虽然当前的科考船导航技术已经非常的成熟，但是由于这些导航技术都不完善，在进行导航时需要将各种导航技术结合到一起，互补弊端、相辅相成。激光导航技术作为一种新兴的导航技术，具有亮度高、方向性好等优点，将其用作科考船航行导航是非常可行的。
一、工程概况
某岛礁水利桥梁工程受设计要求和河床地形的限制，部分岛礁桥墩会占用主航道，缩小河流过水面积，
加快河水流动速度，影响了岛礁航道通航环境。为了保证科考船顺利通航，文章结合本案例的具体情况重点对激光导航技术在海洋科考船导航中的应用进行了分析和探讨。
二、科考船导航的现状
随着科技发展浪潮的不断推进，海洋科考船导航技术也在不断改进，从发展至今，科考船导航技术共经历了如下几个阶段：（1）雷达导航阶段；（2）GPS 技术导航阶段；（3）罗经导航等，通过技术的不断革新，也使得科考船导航技术的应用层面更加广泛，借助该技术可实现船舶引航与获取船舶信息等多项功能，为海洋科研和航海作业提供了一定的便捷之处[1]。未来，科考船导航系统也会朝着一体化、自动化等方向发展。
1．雷达导航
所谓雷达系统主要指的是在海洋科考船上安装有雷达，借助雷达向物标发射脉冲电波信号，所发射出的电波信号经反射后由接收装置传回。反射波被进一步放大后，可在阴极
射线荧光屏上将图像信号清晰呈现出来。此外，雷达系统还可借助无线电波的等速性原理对物标的方位、距离等进行计算，进而确定出科考船的具体方位。这一技术适用于雾天、黑夜等情况下引导科考船从岛礁和海湾出入，帮助科考船顺利从狭窄水道通过，保证科考船在特殊水域的航行安全性。
2．罗经导航
海洋科考船可借助罗经导航系统对物标进行跟踪观测，明确航行的方向，而且该系统安装方便，可操作性强，给工作人员节省了大量的时间与精力。常用的罗经设备有两种：一种是陀螺罗经，陀螺罗经受设备自身和纬度的影响，易出现冲击误差、速度误差等现象；另一种是磁罗经，磁罗经受地球引力的作用较为明显，因此在使用中易发生磁差等现象，对海洋科研工作带来复杂性。
3．GPS 全球卫星导航
GPS 全球卫星导航是一种借助GPS 卫星进行船舶定位的导航技术。GPS 全球卫星导航技术具有如下优点：（1）性能稳定；（2）适用面广；（3）受外界干扰程度低；（4）精确度高。因而在海洋科考船导航中也得到了广泛的应用。
4．航标导航
航标导航的工作原理是通过在过河标等位置作标记的方式对障碍物以及航道界线进行有效标识，确保船舶的安全航行。航标导航技术具有可操作性强、稳定性高等优点，但美中不足的是采取此种方法需耗费大量的资源，从经济层面来考虑不科学。近年来，随着网络信息技术的大力发展，基于AIS 岸基台站的智能航标系统得到广泛的使用，保证了船舶航行的的安全性[2]。
在实际使用过程中，由于导航环境的易变性，再加上导航设备自身因素的制约，尽管上述所提到的这些导航设备都具有一定的导航功能，但是在岛礁和航道实际应用中，这些
第8期 黄应邦等：海洋科考船导航中激光导航技术的应用 29
导航技术还有很多不足之处。随着激光技术的不断发展与成熟，其在海洋科考船导航领域得到了一定的应用，而且取得了显著的效果。
三、激光导航技术介绍支撑梁
激光具有亮度高、定向发光、颜极纯、能量密度极大、相干性好等优点，由于激光的上述特点，在海洋科考船导航中得到了广泛的应用。一般来说，用作导航的激光机要选择使用寿命长、安全可靠的激光器，其中最为理想的器件是可发射红光的氦-氖激光器。研究证明，输出功率为5毫瓦的内腔式激光器将其作为科考船导航激发器，可起到导航定位的作用，而且外部环境因素对激光器腔体的影响比较小，在岛礁或窄航道上的射程有38km，在海湾或宽航道上的射程只有33km。在实际应用中，输出5毫瓦的内腔式器件可在大部分航道中加以应用，但对一些特殊的岛礁、海湾和港口则必须使用输出功率较高的外腔式氦-氖激光器。为了避免因激光束照射区域较小，影响驾驶人员的视野，可借助偏光技术将岛礁航道事先分为三部分，即左航道、中心航道以及右航道，先将光束照射到左航道，停留几秒钟后再将光束移至中间区域，随后再偏转到右航道，反复进行几次后，即可在左航道看到亮短暗长的短闪光现象，在右航道部位看到亮长暗短的长闪光现象。而中间航道可以看到常亮的“定光”，如此一来就可以保证光束将岛礁航道充满，而驾驶人员可以根据光束预知岛礁航道上的船舶是在中心位置、偏右侧位置或者偏左位置，以便于驾驶人员可以有足够的时间对航行方向进行调整。
四、激光导航技术在岛礁桥区船舶导航中的具体应用 在此工程中所使用的激光船舶导航系统主要由两部分组成：一是船舶位置判定系统，该系统可借助数学模型将船舶在海面上真实的航行动态信息呈现在荧屏上，帮助相关人员准确判断当前的航海信息，对发现的异常情况及时采取有效的措施积极应对，提高航行的安全性；二是激光导航指引系统，它的主要作用是为船舶指引航路，使其在正确的航线上安全行驶。通过将这两种系统整合到一起，一方面有助于驾驶人员及时更正航向错误情况，实现精确导航，另一方面也能提高船舶航行的安全性，尽可能降低不安全事故的发生，确保海洋科研工作顺利开展。
1．岛礁桥区激光导航系统设计
由四道强度中等的激光光束所组成的桥区激光导航指引系统在进行安装时，应在左、右岛礁桥墩两侧分别安装一台激光发射装置，其中将发射红光的激光装置安放在右桥墩一侧，左岸的激光装置发射绿光，利用这两种激光可以为将桥墩的具体位置展示给船舶驾驶员。此外，将两台激光发射器分别安装在桥梁安全通行中心线的周围，一台激光以45°角的方向迎着船舶航线的方向进行发射，另外一台激发器则顺着水面垂直发射一条激光，驾驶人员可借助激发发射器所发射出来的激光准确判断航线方向，提高船舶航行的安全性。在安装过程中，可在下水航线一侧进行安装，这样可避免因光线过度对信号造成一定的干扰，具体的安装过程如图1所示。按照船舶的实际方位，驾驶人员借助激光摄像在观测时会出现如下几种情况：
（1）若桥梁安全通行垂直射线置于斜向射线左侧位置时，表明船舶朝向左方行驶。
（2）如果桥梁安全通行中心线与射线处于同一水平线时，表明船舶按照正常的航向行驶，未发生偏离现象。
（3）若桥梁安全通行垂直射线置于斜向射线右侧位置
时，表明船舶朝向右方行驶。
234mm图1 激光导航指引系统
2．岛礁桥区船舶位置的判定系统
岛礁桥区激光导航系统主要是借助GPS 定位系统对船舶的行驶位置进行准确定位，获取到船舶实时坐标数据，并将数据代入到相关公式中得出航线的偏差值。假设1号激光发射器的坐标为（a 1，b 1），2号激光发射器的坐标为（a 2，b 2），船舶坐标为（a 3，b 3），则计算公式如下：
11=k Y X c + （1） 其中：
121221111212
,
b b a b a b k k a a a a --=
=-- （2）
如果利用激光发射器轴线线性方程和船舶坐标联解，可以将桥墩轴线上船舶坐标的垂直坐标（a 4，b 4）计算出来。
4141b k a c =+ （3）
4313
41
a b k a b k +-=
（4）
求得：
231311133114422
单相整流桥11,11
小牛血清去蛋白注射液
增压供水
b k a
c k k b a k c a b k k ----==-- （5） 经通过对垂直坐标（a4，b4）和安全中线先发射点坐标
1212
,
22a a b b ++，即可得出安全中心线与船舶的实际偏移量，系统会通过语音提示的方式对船舶进行引导，使其驶入正确的航线，确保其安全返航。（下转第32页）
32 中 国 水 运 第17卷 拖轮一般至少在距离泊位4海里时就要就位。通常是船首正中缆孔处带一艘，前后1/4船长处各带一艘，另外船尾正中一定要带一艘拖轮作为制速之用。也有先带3艘拖轮，第4艘在船舶即将抵位时视情况机动就位的情况。
离泊时使用的拖轮相对较少，从实际操作情况来看，在没有恶劣天气影响， 不需要掉头等复杂操纵时，3条拖轮可以满足安全操作的要求。
（5）操纵用锚
超大型船几乎从不操纵用锚。因为大船在运动中，拖锚制动效果并不好。而如果锚一旦抓牢，因为大船运动惯性过大，锚链、锚机均难以承受，尤其是在满载时，极易发生断链、丢锚，甚至损坏锚机的事故。
（6）避让行动
现代型船舶航速越来越快， 新一代集装箱船海上航速已达到23~26节，在对遇情况下，两船接近速度更快。而超大型船由于吨位和吃水都很大，应舵较慢，在短时间内很难大幅度改变航向并迅速把定，所以在需要避让时一定要提早采取行动，并宽让他船。
决不可等到他船或者危险物临近船头时才采取行动，因为质量巨大的船舶不可能在极端的时间内改变其运动方向。
即使船首向在舵力的作用下朝危险物相反的方向有所偏转，但是庞大的船体在旋回中将产生很大的反移量，使船艉部更加接近危险物一侧，效果将是适得其反。
在需要操船避险时，一般不用倒车，因为那样很容易使船舶失去舵效，而且很难使用倒车在很短的时间内大幅度降低船速或者把船停住，尤其是在重载、全速前进的情况下，倒车的力量几乎对制动不起什么作用，并且很可能造成主机损伤。所以一般是采用进车大舵角舵转向避险。转向时要谨记“早施舵、早回舵，用大舵角”的原则。
四、结束语
随着经济的发展对航运的要求越来越高，港口大宗散装货物的吞吐量不断增大，进出港的超大型船舶数量不断增加。针对超大型船舶进出港口存在较大风险实际，对超大型船舶航行注意事项进行了研究，希望能促进港口经济发展和辖区安全形势稳定。
参考文献
[1] 李雄兵，郭志新.南通航段超大型船舶通过能力探讨[J].
中国水运（学术版），2007，7.
[2] 王春久.超大型船舶在浅水域中下沉量与富余水深的探讨
[J].航海技术，2012，2.
（上接第29
页）
图2 科考船的航行线
通过在本工程中应用激光导航技术，科考船驾驶员通过激光导标可以在五公尺以内的精度将船只驶入到礁口或航道入口。相对于固定浮标来说，这一精度要明显高出了好多倍
[7]
。不过需要注意的是，天气因素对激光导航有一定的影响，
尤其是在遇到雾天时，会影响导航的精度，这是目前需要克服的一大难题。
五、结语
总而言之，激光导航技术可以在视线不佳的情况实现野外勘测、海洋科研和科考船导航工作。因此，在海洋科考船导航中应用激光导航技术是非常可行的一项技术。当前本科考船导航中激光导航技术还处于发展初期，还需要进一步对系统进行整合。相信在不久的将来，激光导航技术会在科考船导航中得到广泛的应用。
参考文献大灯随动转向
[1] 张宇飞，陆全聪，翁海娜.基于IMU 旋转的船用激光导航
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上海海事大学学报，2006，27（3）：31-35.
[3] 史国友，贾传荧，贾银山等.基于 GPRS 和电子海图的船
舶导航与监控系统[J].中国航海，2003，（04）：62-65. [4] 王子磊，尹洪亮，王丹.激光陀螺双轴旋转惯导系统转位
方案设计[J].舰船科学技术，2013，（12）：114-120. [5] 罗伟林，甘浪雄，邹早建.桥墩附近流场分布及对通航船
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舰船科学技术，2016，（04）：56-58.
[7] 唐聚霞，齐国清.船舶导航系统目标综合信息模拟方法及
精度分析[J].大连海事大学学报，2012，（03）：40-42.
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