航海仪器和导航系统小知识

科普】航海仪器和导航系统小知识航海仪器众所周知，早期航海主要依靠磁罗经、六分仪和天文钟三件古老的航海仪器。随着航海事业的迅速发展，船舶数量的增加，吨位的增大，海上交通日益拥挤和繁忙，便要求航海仪器能够快捷地提供更加准确的方位指示、更加精确的定位精度和多种用途的导航数据。于是相继出现了雷达与ARPA，陀螺罗经，回声测深仪，计程仪，无线电测向系统，罗兰A和罗兰C导航系统，台卡导航系统,奥米伽导航系统和卫星导航系统等。这些航海仪器和导航系统为船舶提供了全天候的航海保证。可以说，航海事业的发展,刺激了航海仪器的发展。反过来，航海仪器的发展又促进了航海技术的发展和提高。随着计算机技术的发展和在航海上的日益广泛应用，装备自动控制、自动避让、自动驾驶等系统的智能化船舶已越来越多的投入使用,未来船舶的高科技含量必将会越来越高。1航海陀螺罗经陀螺罗经是根据高速旋转的陀螺转子指向性原理制成的。它是一种不受磁场影响、有较强指北力的电动机械仪器。一台主罗经可以带动许多台分罗经,可以在驾驶室内外、船长房间、海图室等处设置分罗经,是船舶航行、观测物标方位的重要仪器。船用回声探测仪回声测深仪是一种测量水深的船用水声导航仪器，在船舶航行中，水深对航线拟定和保证船舶的安全航行起着重要的作用。回声测深仪的用途有：在特殊情况下，可通过测量水深来辨认船位；在开辟新航区或浅水航区航行时，可用于导航，以确保船舶航行安全；在航道及港口测量方面，它可提供准确可靠的水深资料。因此，回声测深仪是船舶必不可少的导航设备。回声测深仪是应用声波在水中传播的物理特性而制成的。众所周知,在海水介质中,声波的传播性能是电磁波和光波所无法取代的。利用声波在水中传播速度基本恒定这一原理,采用测量声波自发射经海底反射至接收的时间间隔，便可计算得到水深。早在1490年，意大利人达•芬奇即提出用听音法探测远方船只的可能性,但直至1925年回声测深仪才问世，历时450年。在此之前,船舶一直使用测竿和绳索测锤等机械方法来测量水深。回声测深仪的出现给航海界带来了福音。由于回声测深仪具有测量深度准确、测量速度快、且可连续工作等诸多优点，已成为船舶进行水下测量所普遍使用的仪器。船用计程仪船用计程仪是用来测定船舶航行速度和累计船舶航程的一种导航仪器。精确地测量船舶航行速度及航程,对船舶驾驶极为重要,在船舶导航定位中,只要有陀螺罗经或磁罗经提供船舶航向和计程仪提供航程,就可求得船舶的推算船位。现代的导航系统及设备,如真运动雷达、ARPA和自动综合导航仪等均需要输入船舶的速度信息才能进行工作。在大型或超大型船舶系靠码头的操纵中,还需要计程仪提供相对码头的纵向和横向速度,以确保船舶安全地靠泊码头。因此,计程仪是现代船舶必不可缺的重要的航海仪器之一。船用计程仪可分为两类:相对计程仪和绝对计程仪。目前,商船上装备的计程仪主要是相对计程仪,主要类型有:回转式计程仪、水压式计程仪和电磁式计程仪等三种；绝对计程仪目前已有多普勒计程仪、声相关计程仪和GPS（全球定位系统）等仪器。船用磁罗经磁罗经是利用磁针指北原理制成的,它结构简单,不用电源,不易损坏,是船舶的必备仪之一。磁针所指的北是地磁和船磁的合力方向,称罗经北,简称罗北。由于磁针是指向罗北,而不是指向真北,存在着磁罗经差。磁罗经差是由地磁北极与地理北极不一致（磁差）和船体被地磁磁化以及电气设备电磁场影响磁针指地磁北而引起的误差（自差）两部分所组成。自差是根据船舶定期测定的《磁罗经自差表》或《磁罗经自差曲线》查得。磁差随船舶在地球上位置不同而不同,可以通过标注在海图罗经花上磁差资料求得。无线电定位系统雷达和APPA雷达是一种利用发射和接收电磁波探测物标的仪器,它的作用距离较远,显示直观,使用方便,不受黑夜的影响,目前已在航海、航空、气象观测、军事、航天等领域得到广泛的应用。雷达已是各类船舶不可缺少的主要助航设备，雷达由定时器、发射机、天线、收发开关、接收机、显示器组成。雷达定位的方法有：距离定位、方位定位、方位与距离定位。IMO对船舶必须安装的雷达的数量和性能也有明确规定驾驶员必须接受雷达操作训练,并取得合格证书。自动雷达标绘仪（automaticradarplottingaid,ARPA是在雷达的基础上,应用电子计算机技术和信号处理技术获得的新功能。它能够人工或自动捕捉目标,捕获（或称录取）后自动跟踪,并以矢量线形式在显示器屏幕上显示目标船的航向和航速；另外,由操作者设定最近会遇距离（DCPA）和到达最近会遇距离处的时间（TCPA）的允许界限（或称报警界限）,当目标的最近会遇距离和到达最近会遇距离处的时间小于所设定的允许界限时,就会自动以各种方式（视觉或音响）报警,提醒驾驶员采取避让措施,如有需要,还可进行试操船（试改向和（或）试改速）,以决定所需采取的避让措施；还可显示选定目标的方位、距离、航向、航速、DCPA和TCPA等数据。双曲线定位系统从40年代开始,在无线电定位系统中，先后研制罗兰（longrangenavigation,Loran）A/C、台卡（Decca）、奥米伽（Omega）等多种双曲线无线电定位系统,这些定位系统都有各自的优点,在当时的各段时期都发挥着重要的作用,是十分重要的定位系统,目前,由于卫星定位系统的出现已或将逐步关闭。双曲线定位系统是由两个部分组成,即设置在岸上的发射台系统和用来接收该系统的船舶定位仪器。根据所发射的脉冲信号的不同,以及测定时间差的方法不同,双曲线定位系统可分为：（1） 脉冲双曲线定位系统，通过测定两个发射台的脉冲信号之间的时间差，从而获得船位线,如罗兰A系统。（2） 相位双曲线定位系统,通过测定两个发射台的连续波信号之间的相位差，从而获得曲线船位线,如台卡、奥米伽等系统。（3） 脉冲相位双曲线定位系统,是在测定两个发射台的脉冲信号之间的时间差的同时，又测定其信号包络内载频的相位差,从而获得双曲线船位线,如罗兰C系统。由于现代电子技术在双曲线定位系统的船舶定位仪中的应用,使双曲线定位工作实现了自动化。目前,大部分的定位仪开启后,只要输入所选择的台站等有关信息,定位仪即可自动地(连续)显示船位(经纬度),不必在海图上画船位线。有的定位仪还具有航海常用的导航和计算功能。卫星定位系统卫星导航系统(satellitenavigation)是指利用人造地球卫星进行导航的一种导航方式。卫星导航系统通常包括导航卫星、地面站及用户设备三大部分。受地面站控制的导航卫星发送导航信号,用户设备即运载体(例如船舶)所载的卫星导航仪收测卫星导航信号,求得运载体的位置。利用人造地球卫星可组成全球或区域的定位和导航系统。NNSS定位NNSS(navynavigationsatellitesystem)是第一个卫星定位系统,1964年在美国海军使用,1967年对外开放。该系统具有全球、全天候、定位精度高、能自动显示船位经纬度等优点,克服了上述无线电定位方法的缺点。NNSS对外公开后，广泛地应用到船舶定位中，成为那一时期船舶重要的定位手段。由于NNSS不能连续定位，现在随着GPS的投入使用，已被GPS所取代。GPS定位GPS(globalpositioningsystem)称为全球定位系统.它是具有全球连续定位和更高精度的三维定位的新一代卫星导航系统,该系统美国已于1992年投入使用。GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机三部分组成。GPS是通过卫星发射两种伪随机码来进行测时测距定位的。这两种伪随机码是P码与C/A码。P码是精测码,是专为美国军用的,极度保密的,精度达3m(2dms)。C/A码是粗测码，是公开民用的,规定的精度为平面位置精度100m(2dms),垂直高度精度为157m(2dms)。对于民用用户来说若采用差分GPS技术,则可把定位精度提高到几米。目前,GPS已经成为航海上的主要导航系统,GPS接收机已普遍地装备于各类船舶，差分GPS接收机也已经在部分船舶上装备。船舶自动识别系统AIS是一种新型的助航系统和设备。AIS的功能主要有:船对船模式的避碰；作为沿海国家、监管部门、船公司获取船舶及其货物信息的工具；作为VTS的工具，帮助船舶有效导航、改善环境保护以及改善VTS的运行。AIS是整合了卫星定位、罗经计程仪等，通过VHF无线电数据通信,可在雷达和电子海图上显示航海、导航、信息通讯等数据的新型航行设备和系统，是以AIS为核心,“技术集成”各种航行设备的智能化航海专家系统。AIS实施时，所有船舶都安装无线电应答器,使本船为其它装有无线电应答器的船舶“看得见”。船舶之间“看得见”,指的是不须人为介入便能够连续交换重要的航行数据(包括当前航行状态和动态信息，如船舶的识别码、类型、位置、航向、速度、航行状态和其它与安全相关的信息）。与现有的雷达、ARPA等助航设备相比它在性能上具有以下优点:（1） AIS提供的目标数据的信息量大；（2） 精度和可靠性高,静态信息、航行相关信息都是本船确知的,动态信息由