现代导航系统(演示版)[备份]

《现代导航信息系统》2008.2第一章概论人类在新石器时代就有航海活动,公元15世纪东西方航海事业大发展。中国的郑和7下西洋等等，1569年墨卡托发明的投影成为现代海图绘制的基础。20世纪出现电子导航，如奥米加系统、卫星导航系统等等。第二节导航系统的发展1．推算导航;根据航速、航向计算出船舶未来的位置。2．陆标导航；通过测定陆标的方位、距离来确定船舶的位置。V航速方位距离S=Vt推算导航：陆标3．天文导航；利用有一定规律的天体，如月亮、太阳。使用六分仪求出船舶位置。4．无线电导航；利用无线电方法求出船舶位置。地平线利用六分仪地平线利用六分仪利用卫星电信号4．无线电导航；利用无线电方法求出船舶位置V航速方位距离S=Vt方位距离S=Vt陆标无线电台站光信号电信号VTS和AIS示意结合雷达的情况，与目标船舶相互通信联系结合雷达的情况，与整个区域的目标船舶相互通信联系VHF通信内容包括GPS的定位信息无人化时代的导航系统结构关系图现代导航：无线电导航+VTS+AIS+电子海图自动导航：现代导航的自动化当前船舶自动化发展趋势是应用网络技术,通过现场总线或计算机网络把驾驶、轮机、货油装卸及船舶营运和航行管理等自动化内容组成一个有机的系统,进行统一综合的设计、监视、控制与管理.未来还会把自动操纵与避碰也归入全船的闭环控制之中,实现单人或无人驾驶计划航线VDR计划航线AISVTS定位系统避航系统集成驾驶组合导航自动操舵系统本书主要内容：1．船舶最佳航线编制系统在电子海图上直接进行计划航线的制作，为船舶到达某个目的港提供安全、经济的最佳航线。2．自动操舵系统在机舱自动化提供预定的推进动力和航速的基础上，采用自动舵代替人工舵沿着最佳航线航行，在电子海图上能够监控船舶航行状态。3．自动定位系统利用各利定位系统为本船提供实时的、高精度的船位，同时在电子海图上显示出本船的位置。4．自动避航系统将保障本船避开水面上的船舶等目标及水面下的障碍物，可以使用电子海图中的空间分析函数来实现某些功能并在电子海图上得到监控。5．船舶交通服务系统VTS这是一个港口交通管理和服务系统，在船舶的起始港和目的港都将为电子海图上显示的船舶提供导航服务。6．自动识别系统AIS港口提供船与岸之间的信息交流平台，在船行中提供船与船之间的信息交流平台，各种AIS信息都是在电子海图上显示的。7．船载航行数据记录仪VDR将本船的各种导航信息记录下来，为海事事故提供分析依据，可以在电子海图上重放船舶航行历史轨迹。8．电子海图显示与信息系统该系统是船舶自动化时期的核心内容，作为现代导航信息的终端设备，显示各种导航信息。9．组合导航系统具有数据定位、数据航行、数据操舵、数据配载以及导航控制台等多个子系统组成的数据驾驶台，它除了执行导航功能外，还可以处理船舶的避碰信息、天文数据、海图绘制及燃料消耗等。10．船舶集成驾驶台它是集集成控制、模块化设计、屏幕式显示、工作台式布局和电子海图于一体的系统。第二章船舶最佳航线编制系统一、航线设计的一般方法和准则航线设计需考虑下列内容（气流受力情况、水流受力情况、船舶本体、周围态势1．气象条件（1）世界风带的一般规律；（2）季风；（3）热带气旋；（4）雾；（5）流冰和冰山2．海况（1）海流，（2）海浪。3．障碍物4．定位和避让条件5．本船条件（1）本船结构强度；（2）吃水；（3）航速；（4）吨位；（5）客货载情况；（6）船员。主要方面（1、2、3、4、5）不能随意简化的复杂系统季风，热带气旋流冰和冰山雾海浪海流本船结构、性能及装载情况。二：气象导航气象导航的定义：根据中短期天气与海况，结合船舶性能，来选择最佳航线。气象航线与气候航线的关系：气候航线~宏观（时间尺度、空间尺度），统计平均意义上的。气象航线~局部意义上的。航线分类：（1）最短航时航线（2）最省燃料航线（3）货物安全航线（4）最舒适航线（5）为完成船上预定的维修保养工作，提供足够好天气的航线。气象导航分为三类：岸上气象导航、自行气象导航、船岸结合气象导航。第二节船舶气象导航的原理一：气象导航的基本原理船舶气象导航的基本原理是根据船舶性能、载货情况以及所取得的天气和海况的预报资料，采用科学的定线方法，选择一条尽量避开大风浪，特别是顶头浪和横浪等不利因素，而又能充分利用有利的风、浪、流等因素的航线，使之达到最佳程度。它涉及到气象学、海洋学、造船学、航海学以及计算机科学等多方面的知识，而且，天气和海况的变化，以及船舶在各种风浪中的性能变化，是相当复杂的。二：气象导航的资料1：气象和海况类资料汇总（针对气象导航和气候导航二类侧重不同）（1）地面资料全球地面实况分析图（北半球每天4次；南半球每天2次）和不同预报时效的地面预报图。（2）高空资料全球850hPa、700hPa、500hPa等压面实况分析图（每天2次）和24小时、48小时等不同时效的高空预报图。（3）卫星资料每小时1次的全球实时卫星云图和由卫星提供的各种海洋气象要素的遥感数据资料。（4）海浪资料各大洋的波浪实况分析图和波浪预报图。（5）海流资料各大洋表层海流实况值和推算值资料。（6）海冰资料来自有关部门的冰情侦察通报，通过卫星云图资料分析和接受传真冰况图。（7）天气实况和警报世界各地气象台（站）、各大洋船舶实时气象报告以及被导航船舶的天气报告资料，海上大风警报、暴风警报或台风警报等（可通过传真机或电传获得）。（8）海洋气候资料各大洋风、浪、雾、流等要素的多年平均状况。（9）历史天气图全球地面与高空逐日历史天气图资料。季风，热带气旋流冰和冰山雾海浪海流2：船舶资料船舶运动性能曲线图，船舶速度、稳定性、吃水、装载等等资料船舶性能曲线图,又称船舶失速图,考虑了风、浪对船舶航速的影响.船舶失速图:船舶在风浪中航行时，若主机发出的功率不变，由于风浪产生的阻力使船速低于静水船速，这种船速降低的现象称为失速，也称为非主动失速或自然失速。船舶航行的自然失速与海上环境和船舶本身性能有关。研究表明环境因素中以风和浪的影响最为突出，由于风和浪的作用所引起的附加阻力，是船舶的航行阻力较之静水时阻力大大增加，因而，导致船舶航行的自然失速。船舶失速图种类：（1）1971年前苏联B.C克拉修克提出“船舶失速图”。（2）1957年美国海军气象研究机构（NWRF）推荐的由James提出的失速经验公式.以上求取船舶失速的方法多是以经验方法为依据的经验曲线或通过大量统计数据得出的经验公式，一方面难以反映每艘船舶的具体特征，另一方面长期统计资料的获取和分析都是相当困难的，也是相当离散的。因此，应用于船舶驾驶人员航线设计或实际操纵时，显然将增加其不确定性因素，产生新的安全隐患。（3）为了克服上述的缺点，改善航线的优化设计，提高驾驶人员的航行技术，采用直接根据船舶特征、推进性能、耐波性能来计算船舶失速值。考虑风、浪作用引起的阻力增加2）：船舶航速与波浪关系图船舶失速图~相同功率输出时，实际航速值与静水航速值的差值ΔV,即为波浪中的失速。根据船舶在规则波和不规则波中的摇荡运动理论,利用平稳随机过程的线性系统理论谱分析技术,可以计算出船舶在不规则波中运动参数的统计值、上浪、螺旋桨出水、砰击的概率和次数。船舶在波浪中摇荡运动谱、速度谱以及加速度谱.波况：海区波浪以风浪为主、涌浪为辅。常浪向为S向，频率为9.27%；次常浪向为SSE、SE向，频率分别为8.91%和8.30%。强浪向为NNW向,最大实测H1/10波高2.1m，波周期T为4.8s。选取该船5个典型的航速分别为0kn、6kn、12kn、15kn和18kn，每个航速下有7个典型的航向（以浪向角表示）分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°。以一定航速下的7个浪向角作为评估对象，计算出了在5个海况条件下的5个航速7个航向的关联度，将计算得到的浪向角关联度画在图上，便可以得到船舶在不同航速时航行浪向角关联度变化曲线图0=300=900=1800=1500=1200=60迎浪尾斜浪横浪首斜浪随浪0=0海况1海况2海况3海况4海况5V1V2V3V4V55573：气象资料（主要且经常接触到的）1）：海浪预报图海浪是海洋中由风产生的波浪，包括风浪及其演变而成的涌浪。它给航海、海上施工、渔业、海上军事活动、沿海的堤岸、港口码头和各类建筑物等带来巨大威胁和灾害。国外现状：海浪的数值模拟发展到20世纪末已达到比较成熟的阶段，第三代海浪模式的优点为能够处理风速、风向的骤然变化。全谱空间的第三代海浪数值模式,简称WWATCHⅢ目前美国国家海洋大气管理局（NOAA）运用WWATCHⅢ分别建立了全球(分辨率为1.25°经度×1°纬度)和阿拉斯加海域、西北大西洋、东北太平洋、北大西洋飓风(区域模式的分辨率都为0.25°经度×0.25°纬度)等海浪业务预报系统。我国现状：我国关于海浪数值模式也有很大的发展,文圣常等提出了一种混合型的海浪数值预报模式,袁业立等发展了第三代海浪数值模式,该模式已被广泛应用到近海的数值模拟和海洋工程中。为支撑海浪业务化预报的建设和发展,并进行海浪-环流耦合,国家海洋局第一海洋研究所开展了海浪业务化数值预报系统,选取MASNUM海浪数值预报模式。2）：地面天气图和高空天气图：地面天气图是以海平面为基准，各地观测的气压必须订正到海平面高度的气压值，以便高度不同的测站相互比较。根据各地观测的气压值，按一定的气压间隔划等压线，即把气压相等的地方用等压线连接起来。通过这些不同数值等压线的分布，可以清楚地把天气形势显示出来，如哪里是高气压区，哪里是低气压区。再根据各测站的其他天气要素，如温度、露点和风等，还可以分析冷、暖锋面的位置和天气现象。在高空表示天气形势的方法，一般不用固定高度上的气压分布，而是在一个气压相等的等压面天气图上，分析这个面凹凸不平的状况。由于气压自地面向上递减，因此自下而上有很多的等压面。对等压面天气图的分析，主要是分析等压面的高度。按一定的高度间隔划等高线，即把测站高度相等的地方用等高线连接起来。通过不同数值等高线的分布，可以显示出某一等压面上各个地方的高度分布状况，如哪里是高值区，哪里是低值区，从而将天气形势特征很清楚地显示出来。实际的例子：1)48一12Oh西北太平洋地面天气图及降水预报图(FSASO4、07、09、12)。2)48h500hPa高空预报图(FXAS504)。3)24h西北太平洋海浪预报图(FWPN)。4)48h地面形势预报图(FSAS48)一48hSurfaeeProg。除了前96h预报与Podul台风实际路径在经度上约差4个经距外，对其移向、移速的预报几乎完全一致。2)在使用该类气象图文资料规避恶劣天气时，应保持其连续性，因为几乎所有的预报均存在一定的误差，只有连续几天跟踪接收，并结合当时实际情况，对接收的各类图文资料进行仔细分析，才能获得有价值的宝贵信息。3)JMH48一120h地面气压及降水预报图对船舶规避西北太平洋的灾害性天气有很好的预警作用。为掌握避抗台风的主动权，往往在远离台风1000nmile以上时就需要船长做出避抗决策并付诸实施。而此后更应根据形势的变化不断调整避抗措施，尤其对西行跨北太平洋的中、低速船舶在规避台风时更有价值。4)JMH48一120h地面气压及降水预报图与台风路径预报图等相比，有其独特的优点:图上对台风等灾害性天气在各不同时段的强度、范围、周围风场/气压场的分布/变化以及相关气象系统对其可能产生的影响直观明了。如能与台风途径预报图、24/48hsoohPa高空预报图、24h海浪预报图和24/48h地面形势图等结合分析使用，则效果更好，准确性更高。三：船舶气象定线方法船舶气象定线是一门涉及气象、海洋、船舶等科学的综合性技术，而且气象、海况的变化极为复杂，预报时效有限，气象和海况的中长期预报还远未解决，这给船舶气象定线最优化带来困难。所以；一般采用跟踪服务，不断修正推荐航线的方法，使推荐航线尽量