激光导航技术在桥区船舶导航中的应用

郭义浩

（1.长江重庆航道局，重庆 400012）

激光导航技术在桥区船舶导航中的应用

郭义浩1

（1.长江重庆航道局，重庆 400012）

激光导航是一种利用激光良好的方向性和高亮性而发展起来的新兴船舶航道技术。以激光船舶导航技术为基础，根据国内外激光船舶导航发展情况，结合桥区航道特点，分析激光导航技术在桥区航道中运用的可行性，提出桥区激光船舶导航系统的设计构想，并开发适合桥区航道特点的激光导航系统。

桥区航道；船舶导航；激光导航；雷达导航；罗经导航

据有关统计，目前三峡水利枢纽以上的长江干线已建成跨江桥梁42座，在建桥梁8座，数量之多，十分罕见。这些桥梁的建设，极大地方便了陆上交通，但由于桥梁建设设计功用和河床地形的特殊性，存在桥墩占据主航道的情形，使得河流过水面积缩窄，流速增加，水流流速发生偏移，通航环境恶化，客观上对船舶通航形成障碍，亟需找到一种全新养护方式来引导船舶安全通过桥区水域，保障船舶和桥梁的安全。

本文针对桥区航道的复杂特点，探讨激光导航在桥区航道中运用的可行性，并研发相应的导航系统。

1 船舶导航现状

船舶导航技术从上个世纪70年代开始，逐渐出现GPS技术导航、雷达导航、罗经导航等导航方式，实现了船舶信息获取、船舶引航等功能。在80年代，随着计算机技术的不断发展，船舶导航系统朝着集成化、一体化方向发展，出现目前最为常见的一种导航系统——组合导航系统[1,2]。

1.1 GPS全球卫星导航

这种导航方式是指利用GPS卫星，在全球范围内实时进行船舶定位、导航的技术[3]。这种导航技术具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今使用最好的导航定位系统。

1.2 雷达导航

雷达导航是利用雷达从船上向物标发射脉冲电波，由接收装置接收电波的反射波，经放大检波后作为图像信号在阴极射线荧光屏上显示，同时利用无线电波的直进性和等速性，计算物标的方位、距离以及船舶的位置等参数。它特别适用于黑夜、雾天引导船只出入海湾、通过窄水道和沿海航行。

1.3 罗经导航

船舶使用罗经确定航向和观测物标方位，使用方便。常用的罗经设备有磁罗经和陀螺罗经两种。磁罗经由于受地球磁场的影响，容易产生磁差和自差；陀螺罗经受自身设备、纬度等的影响，容易产生纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差和基线误差等[4]。

1.4 航标导航

航标导航是通过设置过河标、沿岸标等助航标志来标示航道方向、界线与碍航物，以实现引导船舶航行、定位[5]。这种导航技术在内河航道中运行较为广范，具有设置速度快、简单可靠、但资源消耗大等特点。随着网络技术的发展，基于AIS岸基台站的智能航标逐渐投入运用，实现了航行信息综合显示和智能辅助导航，为船舶航行安全增加了一种有效的辅助手段。

受导航设备自身的局限和导航环境复杂多变的双重影响，上述4种导航设备均能够为船舶提供部分导航服务，但是在桥区航道，现行的导航方式仍存在不足。

随着激光技术的不断成熟和发展，它在船舶导航领域也取得了长足进步，比如在沿海港区船舶停靠、战斗机起降等方面都发挥着十分重要的作用。

2 激光导航技术在桥区船舶导航中的应用

桥区激光船舶导航系统是一种引导船舶安全通行桥梁河段的辅助系统，它由桥区激光导航指引系统和桥区船舶位置判定系统两部分组成，其中桥区激光导航指引系统起着视觉航标的作用，为船舶指引航路；桥区船舶位置判定系统则是通过数学模型计算，为船舶展示实时动态信息[6,7]。通过2种系统的整合，能够实现航路的直观显示，帮助船舶驾驶人员对错误航向作出合理修正，以实现精确导航，保障船舶安全通过大桥区域。

2.1 桥区激光导航系统设计

桥区激光导航指引系统由4道中等强度激光光束组成（如图1所示），左右桥墩分别安装一台激光发射装置（左岸为绿光，右岸发射红光），给驾驶员标示出桥墩准确位置；另两台激光发射器则安装在桥梁安全通行中心线附近（灯质为黄光），一台激光发射器向水面（如果桥梁净空高度较低，也可向上方发射）垂直发射一条激光，另一条激光以45°角向迎船向发射，为驾驶人员标出安全的航线。为避免光线过多产生干扰，本系统主要安装在下水航线一则。

图1 桥区激光导航指引系统

根据船舶位置的不同，驾驶人员通过观察激光射线会出现以下3种情况（如图2所示）：

1）桥梁安全通行中心线重合为一条直线，即表明船舶正沿着中心线驶过桥区河段，航向正确。

2）桥梁安全通行垂直射线在斜向射线的左侧时，表明船舶行驶靠左。

3）桥梁安全通行垂直射线在斜向射线的右侧时，表明船舶行驶靠右。

2.2 桥区船舶位置判定系统

图2 船舶激光导航

该系统通过船载GPS定位系统获取船舶的实时坐标数据，再将数据导入后台系统中进行综合计算和分析，推算出船舶实时航行参数和船舶航线与正确航线的偏差值。

假设1号、2号激光发射器坐标为（a1，b1）和（a2，b2），船舶坐标为（a3，b3）（如图3所示），首先利用激光发射器数据求出其轴线线性方程式：

其中，

再利用船舶坐标和激光发射器轴线线性方程联解，求得船舶坐标在桥墩轴线上的垂足坐标（a4，b4）：

求得：

图3 船舶航行线

3 结 语

激光导航是伴随激光技术不断成熟而发展起来的一种新兴导航应用技术，适用于视线不良情况下的船舶导航、野外勘测定向等工作，将它作为船舶导航手段是十分可取的。桥区激光船舶导航系统目前仍处于起步阶段，系统的整合仍需进一步加强，但可以预见，随着激光导航技术的不断丰富和完善，必将会引起船舶导航技术研究的新一轮高潮。

[1] 张宇飞, 陆全聪, 翁海娜． 基于 IMU 旋转的船用激光导航系统分析与设计[J]． 海洋技术, 2009, 28(2): 88-91

[2] 张寿桂, 彭国均． 海监船舶导航与监控管理信息系统[J]． 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 (4): 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] 杨孟兴, 徐兵华． 激光陀螺捷联惯性导航系统的误差参数标定[J]． 中国惯性技术学报, 2008, 16(3): 306-309

[6] 罗伟林, 甘浪雄, 邹早建． 桥墩附近流场分布及对通航船舶的影响[J]． 中国航海, 2014 (1): 66-70

[7] 范平易, 邹早建, 汪淳． 基于桥区水流数值模拟的桥墩对通航影响分析[J]． 中国航海, 2010 (1): 37-41

P228

B

1672-4623（2015）02-0020-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.008

郭义浩，高级工程师，从事航道测量与管理方面的研究工作。

2014-11-07。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41074025）。