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《江蘇船舶》2017年第2期

摘要：激光技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高端技術(shù)，具有光線(xiàn)強(qiáng)、能量集中、傳播方向性好等優(yōu)點(diǎn)，在海洋科考船導(dǎo)航方面有較大的應(yīng)用前景。文章以實(shí)際工程為例，介紹了近年來(lái)海洋科考船導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展情況，并對(duì)激光導(dǎo)航技術(shù)在海洋科考船導(dǎo)航中應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。實(shí)踐證明，海洋科考船導(dǎo)航中應(yīng)用激光導(dǎo)航技術(shù)可以顯著提升科考船導(dǎo)航精度，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：科考船導(dǎo)航；激光導(dǎo)航；判定系統(tǒng)

引言

海洋科考船導(dǎo)航是為了海洋科研工作而設(shè)計(jì)的輔助導(dǎo)航定位系統(tǒng)，海洋科考過(guò)程中，安全導(dǎo)航是非常重要的工作流程，對(duì)海洋科研有比較大的影響。同時(shí)在保證水運(yùn)秩序、島礁和碼頭安全方面具有非常重要作用。雖然當(dāng)前的科考船導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)非常的成熟，但是由于這些導(dǎo)航技術(shù)都不完善，在進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)需要將各種導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合到一起，互補(bǔ)弊端、相輔相成。激光導(dǎo)航技術(shù)作為一種新興的導(dǎo)航技術(shù)，具有亮度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，將其用作科考船航行導(dǎo)航是非?？尚械?。

一、工程概況

某島礁水利橋梁工程受設(shè)計(jì)要求和河床地形的限制，部分島礁橋墩會(huì)占用主航道，縮小河流過(guò)水面積，加快河水流動(dòng)速度，影響了島礁航道通航環(huán)境。為了保證科考船順利通航，文章結(jié)合本案例的具體情況重點(diǎn)對(duì)激光導(dǎo)航技術(shù)在海洋科考船導(dǎo)航中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

二、科考船導(dǎo)航的現(xiàn)狀

隨著科技發(fā)展浪潮的不斷推進(jìn)，海洋科考船導(dǎo)航技術(shù)也在不斷改進(jìn)，從發(fā)展至今，科考船導(dǎo)航技術(shù)共經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：（1）雷達(dá)導(dǎo)航階段；（2）GPS技術(shù)導(dǎo)航階段；（3）羅經(jīng)導(dǎo)航等，通過(guò)技術(shù)的不斷革新，也使得科考船導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用層面更加廣泛，借助該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)船舶引航與獲取船舶信息等多項(xiàng)功能，為海洋科研和航海作業(yè)提供了一定的便捷之處[1]。未來(lái)，科考船導(dǎo)航系統(tǒng)也會(huì)朝著一體化、自動(dòng)化等方向發(fā)展。

1．雷達(dá)導(dǎo)航

所謂雷達(dá)系統(tǒng)主要指的是在海洋科考船上安裝有雷達(dá)，借助雷達(dá)向物標(biāo)發(fā)射脈沖電波信號(hào)，所發(fā)射出的電波信號(hào)經(jīng)反射后由接收裝置傳回。反射波被進(jìn)一步放大后，可在陰極射線(xiàn)熒光屏上將圖像信號(hào)清晰呈現(xiàn)出來(lái)。此外，雷達(dá)系統(tǒng)還可借助無(wú)線(xiàn)電波的等速性原理對(duì)物標(biāo)的方位、距離等進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定出科考船的具體方位。這一技術(shù)適用于霧天、黑夜等情況下引導(dǎo)科考船從島礁和海灣出入，幫助科考船順利從狹窄水道通過(guò)，保證科考船在特殊水域的航行安全性。

2．羅經(jīng)導(dǎo)航

海洋科考船可借助羅經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)物標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，明確航行的方向，而且該系統(tǒng)安裝方便，可操作性強(qiáng)，給工作人員節(jié)省了大量的時(shí)間與精力。常用的羅經(jīng)設(shè)備有兩種：一種是陀螺羅經(jīng)，陀螺羅經(jīng)受設(shè)備自身和緯度的影響，易出現(xiàn)沖擊誤差、速度誤差等現(xiàn)象；另一種是磁羅經(jīng)，磁羅經(jīng)受地球引力的作用較為明顯，因此在使用中易發(fā)生磁差等現(xiàn)象，對(duì)海洋科研工作帶來(lái)復(fù)雜性。

3．GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航

GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航是一種借助GPS衛(wèi)星進(jìn)行船舶定位的導(dǎo)航技術(shù)。GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）性能穩(wěn)定；（2）適用面廣；（3）受外界干擾程度低；（4）精確度高。因而在海洋科考船導(dǎo)航中也得到了廣泛的應(yīng)用。

4．航標(biāo)導(dǎo)航

航標(biāo)導(dǎo)航的工作原理是通過(guò)在過(guò)河標(biāo)等位置作標(biāo)記的方式對(duì)障礙物以及航道界線(xiàn)進(jìn)行有效標(biāo)識(shí)，確保船舶的安全航行。航標(biāo)導(dǎo)航技術(shù)具有可操作性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但美中不足的是采取此種方法需耗費(fèi)大量的資源，從經(jīng)濟(jì)層面來(lái)考慮不科學(xué)。

近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的大力發(fā)展，基于AIS岸基臺(tái)站的智能航標(biāo)系統(tǒng)得到廣泛的使用，保證了船舶航行的的安全性[2]。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于導(dǎo)航環(huán)境的易變性，再加上導(dǎo)航設(shè)備自身因素的制約，盡管上述所提到的這些導(dǎo)航設(shè)備都具有一定的導(dǎo)航功能，但是在島礁和航道實(shí)際應(yīng)用中，這些導(dǎo)航技術(shù)還有很多不足之處。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，其在海洋科考船導(dǎo)航領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，而且取得了顯著的效果。

三、激光導(dǎo)航技術(shù)介紹

激光具有亮度高、定向發(fā)光、顏色極純、能量密度極大、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，由于激光的上述特點(diǎn)，在海洋科考船導(dǎo)航中得到了廣泛的應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，用作導(dǎo)航的激光機(jī)要選擇使用壽命長(zhǎng)、安全可靠的激光器，其中最為理想的器件是可發(fā)射紅光的氦-氖激光器。研究證明，輸出功率為5毫瓦的內(nèi)腔式激光器將其作為科考船導(dǎo)航激發(fā)器，可起到導(dǎo)航定位的作用，而且外部環(huán)境因素對(duì)激光器腔體的影響比較小，在島礁或窄航道上的射程有38km，在海灣或?qū)捄降郎系纳涑讨挥?3km。在實(shí)際應(yīng)用中，輸出5毫瓦的內(nèi)腔式器件可在大部分航道中加以應(yīng)用，但對(duì)一些特殊的島礁、海灣和港口則必須使用輸出功率較高的外腔式氦-氖激光器。為了避免因激光束照射區(qū)域較小，影響駕駛?cè)藛T的視野，可借助偏光技術(shù)將島礁航道事先分為三部分，即左航道、中心航道以及右航道，先將光束照射到左航道，停留幾秒鐘后再將光束移至中間區(qū)域，隨后再偏轉(zhuǎn)到右航道，反復(fù)進(jìn)行幾次后，即可在左航道看到亮短暗長(zhǎng)的短閃光現(xiàn)象，在右航道部位看到亮長(zhǎng)暗短的長(zhǎng)閃光現(xiàn)象。而中間航道可以看到常亮的“定光”，如此一來(lái)就可以保證光束將島礁航道充滿(mǎn)，而駕駛?cè)藛T可以根據(jù)光束預(yù)知島礁航道上的船舶是在中心位置、偏右側(cè)位置或者偏左位置，以便于駕駛?cè)藛T可以有足夠的時(shí)間對(duì)航行方向進(jìn)行調(diào)整。

四、激光導(dǎo)航技術(shù)在島礁橋區(qū)船舶導(dǎo)航中的具體應(yīng)用

在此工程中所使用的激光船舶導(dǎo)航系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是船舶位置判定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可借助數(shù)學(xué)模型將船舶在海面上真實(shí)的航行動(dòng)態(tài)信息呈現(xiàn)在熒屏上，幫助相關(guān)人員準(zhǔn)確判斷當(dāng)前的航海信息，對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常情況及時(shí)采取有效的措施積極應(yīng)對(duì)，提高航行的安全性；二是激光導(dǎo)航指引系統(tǒng)，它的主要作用是為船舶指引航路，使其在正確的航線(xiàn)上安全行駛。通過(guò)將這兩種系統(tǒng)整合到一起，一方面有助于駕駛?cè)藛T及時(shí)更正航向錯(cuò)誤情況，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航，另一方面也能提高船舶航行的安全性，盡可能降低不安全事故的發(fā)生，確保海洋科研工作順利開(kāi)展。

1．島礁橋區(qū)激光導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由四道強(qiáng)度中等的激光光束所組成的橋區(qū)激光導(dǎo)航指引系統(tǒng)在進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)在左、右島礁橋墩兩側(cè)分別安裝一臺(tái)激光發(fā)射裝置，其中將發(fā)射紅光的激光裝置安放在右橋墩一側(cè)，左岸的激光裝置發(fā)射綠光，利用這兩種激光可以為將橋墩的具體位置展示給船舶駕駛員。此外，將兩臺(tái)激光發(fā)射器分別安裝在橋梁安全通行中心線(xiàn)的周?chē)?，一臺(tái)激光以45°角的方向迎著船舶航線(xiàn)的方向進(jìn)行發(fā)射，另外一臺(tái)激發(fā)器則順著水面垂直發(fā)射一條激光，駕駛?cè)藛T可借助激發(fā)發(fā)射器所發(fā)射出來(lái)的激光準(zhǔn)確判斷航線(xiàn)方向，提高船舶航行的安全性。在安裝過(guò)程中，可在下水航線(xiàn)一側(cè)進(jìn)行安裝，這樣可避免因光線(xiàn)過(guò)度對(duì)信號(hào)造成一定的干擾，按照船舶的實(shí)際方位，駕駛?cè)藛T借助激光攝像在觀測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)如下幾種情況：

（1）若橋梁安全通行垂直射線(xiàn)置于斜向射線(xiàn)左側(cè)位置時(shí)，表明船舶朝向左方行駛。

（2）如果橋梁安全通行中心線(xiàn)與射線(xiàn)處于同一水平線(xiàn)時(shí)，表明船舶按照正常的航向行駛，未發(fā)生偏離現(xiàn)象。

（3）若橋梁安全通行垂直射線(xiàn)置于斜向射線(xiàn)右側(cè)位置時(shí)，表明船舶朝向右方行駛。

2．島礁橋區(qū)船舶位置的判定系統(tǒng)

島礁橋區(qū)激光導(dǎo)航系統(tǒng)主要是借助GPS定位系統(tǒng)對(duì)船舶的行駛位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，獲取到船舶實(shí)時(shí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)代入到相關(guān)公式中得出航線(xiàn)的偏差值。假設(shè)1號(hào)激光發(fā)射器的坐標(biāo)為（a1，b1），2號(hào)激光發(fā)射器的坐標(biāo)為（a2，b2），船舶坐標(biāo)為（a3，b3）。通過(guò)在本工程中應(yīng)用激光導(dǎo)航技術(shù)，科考船駕駛員通過(guò)激光導(dǎo)標(biāo)可以在五公尺以?xún)?nèi)的精度將船只駛?cè)氲浇缚诨蚝降廊肟?。相?duì)于固定浮標(biāo)來(lái)說(shuō)，這一精度要明顯高出了好多倍[7]。不過(guò)需要注意的是，天氣因素對(duì)激光導(dǎo)航有一定的影響，尤其是在遇到霧天時(shí)，會(huì)影響導(dǎo)航的精度，這是目前需要克服的一大難題。

五、結(jié)語(yǔ)

總而言之，激光導(dǎo)航技術(shù)可以在視線(xiàn)不佳的情況實(shí)現(xiàn)野外勘測(cè)、海洋科研和科考船導(dǎo)航工作。因此，在海洋科考船導(dǎo)航中應(yīng)用激光導(dǎo)航技術(shù)是非?？尚械囊豁?xiàng)技術(shù)。當(dāng)前本科考船導(dǎo)航中激光導(dǎo)航技術(shù)還處于發(fā)展初期，還需要進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整合。相信在不久的將來(lái)，激光導(dǎo)航技術(shù)會(huì)在科考船導(dǎo)航中得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者：黃應(yīng)邦；馬勝偉；吳洽兒；劉紅英；楊北勝；伍紹森 單位：中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所