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(yùn)交通安全技術(shù)措施

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　　1．船舶導(dǎo)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(shí)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(guò)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(fēng)、流的影響，船舶運(yùn)動(dòng)的速度是船舶在靜水中運(yùn)動(dòng)的速度與風(fēng)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(cè)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(chǎng)的南北極與地球的磁羅經(jīng)南北極不一致，地磁場(chǎng)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(shí)必須進(jìn)行誤差校正。陀螺羅經(jīng)是利用繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)陀螺儀的定軸性與進(jìn)動(dòng)性，借助于控制系統(tǒng)及阻尼系統(tǒng)使陀螺儀的軸自動(dòng)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(shí)基線與船舶首尾線不一致會(huì)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(yùn)動(dòng)會(huì)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(guò)校正或補(bǔ)償?shù)姆椒?，一般均可控制在較小的范圍之內(nèi)。

　　2）定位。定位方法按照參照目標(biāo)可分為岸基定位與星基定位。

　　岸基定位是利用岸上目標(biāo)定位，如燈標(biāo)，山頭以及導(dǎo)航系統(tǒng)中的信號(hào)發(fā)射臺(tái)等都是岸基目標(biāo)。最普通的岸基定位是用肉眼通過(guò)羅經(jīng)測(cè)定燈標(biāo)、山頭等顯著物標(biāo)的方位，或通過(guò)六分儀測(cè)定目標(biāo)的距離，然后得出幾個(gè)目標(biāo)的方位或距離的位置線，相交求出船位。雷達(dá)定位是通過(guò)雷達(dá)脈沖遇到顯著物標(biāo)反射回來(lái)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間及方向測(cè)定物標(biāo)的距離和方位，得出位置線，相交而定出船位。有些導(dǎo)航系統(tǒng)，如勞蘭C，它是利用到兩個(gè)定點(diǎn)（信號(hào)與發(fā)射臺(tái)）的距離差為定值的點(diǎn)的軌跡作為位置線，測(cè)定兩發(fā)射臺(tái)信號(hào)到船舶的傳播時(shí)間差，而得出雙曲線位置線。因而稱其為雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　星基定位是以星體為參照物測(cè)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(yáng)、月亮、恒星、行星與船舶的相對(duì)位置來(lái)確定船舶的位置，稱為天文定位。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以人造地球衛(wèi)星為參照目標(biāo)的位置測(cè)定系統(tǒng)。目前使用最廣泛的是美國(guó)從1973年開(kāi)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(gè)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(cè)定其衛(wèi)星到接收機(jī)天線的距離。若同時(shí)測(cè)量三顆衛(wèi)星的距離，則可求得接收機(jī)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(shí)測(cè)量四顆衛(wèi)星的距離，除測(cè)定接收機(jī)的三維位置外，還可求得接收機(jī)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(tái)精確位置已知的GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)接收機(jī)，測(cè)得所在地的各種誤差，而附近的GPS用戶接收機(jī)在接收含有各種誤差的GPS信號(hào)的同時(shí)，還接收基準(zhǔn)臺(tái)發(fā)送的誤差信息，經(jīng)過(guò)修正后，得到精確的位置信息。當(dāng)用戶距基準(zhǔn)臺(tái)100km時(shí)，水平位置誤差在5m以內(nèi)。我國(guó)在“九五”期間建成沿海無(wú)線電指向標(biāo)差分全球定位系統(tǒng)臺(tái)鏈（RBN／DGPS）。

　　2．船舶操縱與避碰

　　控制船舶運(yùn)動(dòng)的設(shè)備是推進(jìn)器（車）與舵。在海上航行時(shí)一般只用舵控制，當(dāng)測(cè)得船舶位置偏離計(jì)劃航線，或船首偏離設(shè)定航向時(shí)，要設(shè)法使船舶以最有效的方法回到計(jì)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(duì)有雙螺旋槳或側(cè)推器的船舶，在用舵的同時(shí)也可用雙槳配合或側(cè)推器來(lái)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(dòng)操舵控制航向。自動(dòng)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(guò)控制系統(tǒng)來(lái)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(dòng)操舵，自適應(yīng)自動(dòng)操舵等。此外，新的自動(dòng)操舵中還采用模糊控制，多模式控制等先進(jìn)技術(shù)。航跡保持系統(tǒng)是根據(jù)定位信息測(cè)定航跡偏離程度，通過(guò)計(jì)算確定出最有效舵角與舵角執(zhí)行時(shí)間，使船舶能最快、最省燃料的回到設(shè)定航線上來(lái)。

　　舵用于控制航向，螺旋槳用于推進(jìn)與制動(dòng)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(dòng)沖程等規(guī)律。這些規(guī)律一般用船舶操縱運(yùn)動(dòng)方程式來(lái)描述。

　　根據(jù)《國(guó)際海上避碰規(guī)則》避碰是指航行中各類水上運(yùn)輸工具相互間的避讓。一般是通過(guò)航行值班人員的嘹望與儀器觀測(cè)來(lái)判斷是否有碰撞危險(xiǎn)，然后用舵與車來(lái)避免本船與他船的碰撞，但至今尚沒(méi)有一套實(shí)用的閉環(huán)的自動(dòng)避碰系統(tǒng)。目前使用最廣泛的雷達(dá)自動(dòng)標(biāo)繪儀（ARPA），是根據(jù)雷達(dá)的目標(biāo)回波經(jīng)過(guò)量化、濾波和跟蹤處理后得出的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，在雷達(dá)熒光屏顯示目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量或目標(biāo)的預(yù)示危險(xiǎn)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(biāo)回波誤差，本船航向誤差，使濾波跟蹤后得到的目標(biāo)軌跡有誤差，還會(huì)引起跟蹤目標(biāo)丟失或誤跟蹤。目標(biāo)船的運(yùn)動(dòng)不是本船所能控制的，它有相當(dāng)?shù)碾S機(jī)性。由于這些原因，使得帶ARPA的雷達(dá)也只能向駕駛?cè)藛T提供避碰信息，而不能進(jìn)行自動(dòng)避碰。

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