船舶距航道邊界距離自動測定方法研究

肖進麗 劉明俊

(武漢理工大學航運學院 武漢 430063)

內河航道通過航標配布來合理地設置岸標和浮標以確定航道兩側邊界、揭示航道信息,從而保證船舶安全、經濟地航行.根據《內河助航標志》,通常以航標標位聯線或距其最小安全航行距離處作為航道邊界[1].盡管在不同的航道條件下,航標配布和航道維護技術規定不盡相同,但是既要保證船舶能在航標標示的航道水域內安全行駛,同時還要遵守《內河避碰規則》的規定,在保證安全的前提下盡量航行在規定的航路上,以合理利用航道、避免引發水上交通事故,就需要船舶具備能夠準確判斷本船距航道邊界距離的能力.目前,船舶距航道邊界的距離判定通常由船舶駕引人員采用肉眼目估的方法或利用雷達估測,這些常用方法不僅精度不高,而且易受氣象條件、人眼視距、雷達設備局限等因素的影響而造成判斷失誤、引發交通事故.近年來,內河、特別是長江航運業務日漸增長,如果船舶具備自動、實時測量距航道邊界距離的能力,不僅可以使船舶合理選擇航路、減少水上交通事故的發生,還可提高航道利用和管理效能.本文在推導出船舶距航道邊界距離計算公式的基礎上,針對內河航道特點和船舶航行特征,提出了基于電子江圖和基于智能航標的2種船舶距航道邊界距離自動測定方法,通過分析比較,得出基于電子江圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法更為可行和有效的結論.

1 船舶距航道邊界距離計算公式

如圖1所示的一段航道,假設其一側航道邊界由相鄰兩側面標1和2的聯線界定,船舶距航道邊界距離為d,并且在同一地理坐標系下,船舶、標1、標2的位置坐標分別為其相互之間的距離分別為L1,L2, L3,則根據面積計算的常用公式及海倫公式就可計算船舶距圖中所示航道邊界的距離d為

從以上所給出的船舶距航道邊界距離計算公式可看出,如果船舶要對其距航道邊界距離進行自動測定,只需自動、實時獲得船舶及標示航道邊界的側面標的位置坐標即可.

圖1 船舶距航道邊界距離示意圖

2 船舶距航道邊界距離的自動測定方法

船舶在航道中行進時,自身的位置可通過攜載的GPS衛星導航定位儀獲得[2],若同時能通過某些方法或手段自動獲得鄰近水域航標的位置信息,就能按上述船舶距航道邊界距離計算公式通過軟件程序自動計算出船舶距航道邊界距離d.據此,船舶距航道邊界距離的自動測定問題即演化為船舶對所行駛航道的航標位置的自動獲取問題.

船舶距航道邊界距離的自動測定方法,依據航標自身的性質,具體可分2種情況進行討論.

2.1 基于電子江圖的船舶距航道邊界距離的自動測定

如果標示航道邊界的為普通航標,那么可通過在航標上安裝雷達應答器,使用船用雷達即能獲取船舶鄰近水域航標的位置信息.但是,船舶通過雷達來觸發雷達應答器獲得航標的位置,其觸發響應有一個時間延遲,這個延遲所產生的距離誤差(等效于一個小于100 m的距離)對于內河航道上的航標位置定位來說是不能忽略的,因此在實際中行不通.另外,也可采用在船上裝載光電經緯儀或智能跟蹤全站儀等測量儀器測定航標位置,但由于受到儀器目前測量范圍和價格的限制,在船舶上安裝使用實際也不可行.

當前,電子江圖作為數字航道的核心和智能航運的基礎,正在廣泛研發,船舶通過電子江圖就能自動、準確地得到所航水域附近的航標位置信息.因此,若將船舶距航道邊界距離計算軟件集成在電子江圖里形成一整套系統,僅基于普通航標,船舶在行駛途中不僅可以自動、實時獲取其距航道邊界的距離d,而且還能根據電子江圖進行提示和報警,及時對船舶的航跡進行調整,合理選擇船舶航路.圖2即為基于電子江圖的船舶距航道邊界距離的自動測定原理框圖.

圖2 基于電子江圖的船舶距航道邊界距離的自動測定原理框圖

2.2 基于智能航標的船舶距航道邊界距離的自動測定

如果標示航道邊界的航標是智能航標,那么就可將船舶納入智能航標的遙控遙測系統的客戶端.如圖3所示,智能航標的遙控遙測系統通過安裝在航標上的GPS定位裝置獲得航標的位置信息,并通過GSM網絡將航標位置數據及監控終端采集的航標其他工作參數實時傳輸給航標遙測遙控系統監控中心,監控中心負責將航標的工作參數及位置信息傳送給客戶端使用[3].船舶作為智能航標遙控遙測系統一個客戶端,一方面向監控中心服務器請求所航水域附近航標的位置信息和工作參數,另一方面通過集成在船舶客戶端軟件中的船舶距航道邊界距離計算程序計算出船舶距航道邊界距離d.

圖3 基于智能航標的船舶距航道邊界距離的自動測定原理框圖

3 分析比較

對于以上所提的2種船舶距航道邊界距離的自動測定方法,要評定其性能的優劣,首先應根據其測定結果的精度進行評析.

根據誤差傳遞函數[4]

(y=f(x1,x2,…,xn)為函數形式),從式(1)可見,對于基于電子海圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法,其精度主要與船舶所攜載的GPS導航儀的定位精度、電子江圖自身的數據精度有關;另外,若考慮到船舶GPS定位數據與電子江圖上航標位置數據在獲得時間上的不同步,這個影響船舶距航道邊界距離測定結果精度的因素也要考慮.對于基于智能航標的船舶距航道邊界距離自動測定方法,其精度則主要由船上的GPS導航儀的定位精度及智能航標上安裝的GPS模塊的定位精度決定,當然也要考慮到船舶獲得自身定位數據與航標定位數據的時間不同步誤差.由此可見,航標位置信息獲得的精度是影響兩種船舶距航道邊界距離自動測定方法性能優劣評定的因素.目前,在內河航道沿岸地區,為GPS提供基準數據的連續運行參考站系統(CORS)并未大范圍建立,因此安裝在智能航標上的GPS定位模塊由于采用的是單點定位方式,其精度并不高(在幾米～十幾米之間).對于普通航標,如果不考慮風流的影響,由于其定位通常采用經緯儀前方交會法的測量方法,其定位精度相對較高,一般為1～2 m.因此,在目前,基于電子江圖對船舶距航道邊界進行距離測定的精度要高于基于智能航標對船舶距航道邊界進行距離測定的精度.

4 結束語

基于以上的分析比較,盡管基于電子江圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法和基于智能航標的船舶距航道邊界距離自動測定方法都能解決內河航道上船舶距航道邊界距離的自動測定問題、從而更為有效地保證船舶水上交通安全,但是在當前CORS系統于內河航道未大范圍建立的情形下,考慮到測量精度、投資成本等因素,則基于電子江圖的船舶距航道邊界距離自動測定方法較基于智能航標的船舶距航道邊界距離自動測定方法顯然更為可行和有效.但是,由于目前電子江圖在國內尚無統一的技術標準而影響其跨區域使用[5],所以希望一種統一、規范和標準的電子江圖能早日面世.

[1]周俊安.內河助航標志[M].北京：人民交通出版社, 1996.

[2]孫 濤.內河船舶GPS監控系統架構[J].中國水運,2009(9)：35-36.

[3]潘 州,楊晉生,張麗萍.智能航標的設計與實現[J].電子測量技術,2006,29(2)：72-73.

[4]王鐵生,袁天奇.測繪學基礎[M].河南：黃河水利出版社,2008.

[5]陳 偉,齊傳新.電子海圖技術在內河電子江圖制作中的應用[J].航海技術,2002(1)：25-26.