安全工程師考試《生產(chǎn)技術(shù)》：船舶航行定位與避碰

　　三、水運交通安全技術(shù)措施

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　　1．船舶導航與定位

　　1）航向。為了保證船舶航行安全，首先要確定船舶的航向與位置。實際航向有3種。首先是羅經(jīng)航向，它是由羅經(jīng)直接指示的船首方向。羅經(jīng)航向經(jīng)過羅經(jīng)誤差修正后得到正確的船首方向，稱為真航向。由于風、流的影響，船舶運動的速度是船舶在靜水中運動的速度與風流引起的速度的合速度，該合速度的方向是船舶重心軌跡的方向，稱為航跡向。

　　測定船首方向的主要儀器羅經(jīng)包括磁羅經(jīng)、陀螺羅經(jīng)。由于地磁場的南北極與地球的磁羅經(jīng)南北極不一致，地磁場隨地理位置而變化，磁羅經(jīng)又受周圍的鐵磁性物質(zhì)的影響，因此磁羅經(jīng)的誤差變化較大，使用時必須進行誤差校正。陀螺羅經(jīng)是利用繞定點轉(zhuǎn)動的高速旋轉(zhuǎn)陀螺儀的定軸性與進動性，借助于控制系統(tǒng)及阻尼系統(tǒng)使陀螺儀的軸自動指北，并能跟隨地球自轉(zhuǎn)，精確跟蹤地理子午面的指北儀器。由于陀螺羅經(jīng)安裝時基線與船舶首尾線不一致會造成基線誤差，此外由于陀螺羅經(jīng)的結(jié)構(gòu)以及船舶運動會引起緯度誤差、速度誤差、沖擊誤差與搖擺誤差等。這些誤差通過校正或補償?shù)姆椒ǎ话憔煽刂圃谳^小的范圍之內(nèi)。

　　2）定位。定位方法按照參照目標可分為岸基定位與星基定位。

　　岸基定位是利用岸上目標定位，如燈標，山頭以及導航系統(tǒng)中的信號發(fā)射臺等都是岸基目標。最普通的岸基定位是用肉眼通過羅經(jīng)測定燈標、山頭等顯著物標的方位，或通過六分儀測定目標的距離，然后得出幾個目標的方位或距離的位置線，相交求出船位。雷達定位是通過雷達脈沖遇到顯著物標反射回來所經(jīng)過的時間及方向測定物標的距離和方位，得出位置線，相交而定出船位。有些導航系統(tǒng)，如勞蘭C，它是利用到兩個定點（信號與發(fā)射臺）的距離差為定值的點的軌跡作為位置線，測定兩發(fā)射臺信號到船舶的傳播時間差，而得出雙曲線位置線。因而稱其為雙曲線導航系統(tǒng)。

　　星基定位是以星體為參照物測定船舶位置的方法。傳統(tǒng)的星基定位方法是利用天體，包括太陽、月亮、恒星、行星與船舶的相對位置來確定船舶的位置，稱為天文定位。

　　衛(wèi)星導航系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星為參照目標的位置測定系統(tǒng)。目前使用最廣泛的是美國從1973年開始研制到1993年投入使用的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）。它包括24顆衛(wèi)星，分布在6個軌道平面，衛(wèi)星高度為20200km.它是利用已知空間位置的人造衛(wèi)星發(fā)射的電磁波，測定其衛(wèi)星到接收機天線的距離。若同時測量三顆衛(wèi)星的距離，則可求得接收機的三維位置，經(jīng)度、緯度和高度。若使用的全球定位系統(tǒng)同時測量四顆衛(wèi)星的距離，除測定接收機的三維位置外，還可求得接收機的鐘差。

　　為了提高GPS的定位精度，目前沿海地區(qū)使用最多的是差分GPS.它是用一臺精確位置已知的GPS接收機作為基準接收機，測得所在地的各種誤差，而附近的GPS用戶接收機在接收含有各種誤差的GPS信號的同時，還接收基準臺發(fā)送的誤差信息，經(jīng)過修正后，得到精確的位置信息。當用戶距基準臺100km時，水平位置誤差在5m以內(nèi)。我國在“九五”期間建成沿海無線電指向標差分全球定位系統(tǒng)臺鏈（RBN／DGPS）。

　　2．船舶操縱與避碰

　　控制船舶運動的設(shè)備是推進器（車）與舵。在海上航行時一般只用舵控制，當測得船舶位置偏離計劃航線，或船首偏離設(shè)定航向時，要設(shè)法使船舶以最有效的方法回到計劃航線與設(shè)定航向。控制航向的主要設(shè)備是舵，在港內(nèi)或狹水道，對有雙螺旋槳或側(cè)推器的船舶，在用舵的同時也可用雙槳配合或側(cè)推器來控制船首向。在狹水道或港內(nèi)一般由人工操舵；在海上一般采用自動操舵控制航向。自動操舵大致可分為兩類：一類稱為航向保持系統(tǒng)，另一類稱為航跡保持系統(tǒng)。航向保持系統(tǒng)是根據(jù)船首向與設(shè)定航向的偏差，通過控制系統(tǒng)來控制舵角，使船首回到設(shè)定航向。根據(jù)控制系統(tǒng)的原理不同分為PID（比例一積分一微分）自動操舵，自適應自動操舵等。此外，新的自動操舵中還采用模糊控制，多模式控制等先進技術(shù)。航跡保持系統(tǒng)是根據(jù)定位信息測定航跡偏離程度，通過計算確定出最有效舵角與舵角執(zhí)行時間，使船舶能最快、最省燃料的回到設(shè)定航線上來。

　　舵用于控制航向，螺旋槳用于推進與制動船舶。要控制船舶的航向、位置、速度、回轉(zhuǎn)角速度等，必須掌握船舶的操縱特性。了解船舶在舵作用下的保向與改向能力，慣性停船沖程及螺旋槳逆轉(zhuǎn)制動沖程等規(guī)律。這些規(guī)律一般用船舶操縱運動方程式來描述。

　　根據(jù)《國際海上避碰規(guī)則》避碰是指航行中各類水上運輸工具相互間的避讓。一般是通過航行值班人員的嘹望與儀器觀測來判斷是否有碰撞危險，然后用舵與車來避免本船與他船的碰撞，但至今尚沒有一套實用的閉環(huán)的自動避碰系統(tǒng)。目前使用最廣泛的雷達自動標繪儀（ARPA），是根據(jù)雷達的目標回波經(jīng)過量化、濾波和跟蹤處理后得出的目標運動軌跡，在雷達熒光屏顯示目標的相對運動矢量或目標的預示危險區(qū)（PAD），向駕駛?cè)藛T提供避碰信息，然后由駕駛?cè)藛T采取避碰措施。但由于噪聲干擾等引起的目標回波誤差，本船航向誤差，使濾波跟蹤后得到的目標軌跡有誤差，還會引起跟蹤目標丟失或誤跟蹤。目標船的運動不是本船所能控制的，它有相當?shù)碾S機性。由于這些原因，使得帶ARPA的雷達也只能向駕駛?cè)藛T提供避碰信息，而不能進行自動避碰。

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