PPU在使用中的問題分析及解決方法

摘 要：便攜式引航裝置（PPU）是引航員的重要導航輔助設備。相對電子海圖、數據與信息系統（ECDIS）的使用，引航員目前更加信任PPU性能且熟悉其操作，特別是在復雜、受限制的可航水域，借助PPU提高對本船和周圍船舶運動態勢的感知能力，進而做出操縱和避讓決策，保障船舶航行安全。通過PPU獲取AIS信號源時，對HDG、COG、船位等參數的可靠性和延時性要進行研判，盲目相信和過分依賴PPU可能引發安全事故[1]。本文以型號“KSN11-Camp;B”的PPU和引航終端Seaiq Pilot在實際使用時遇到的一些問題進行分析和解決方法，簡介固定式引航裝置（NPPU）的應用和優點，同時建議IMO制定PPU性能的標準，規范PPU的安裝和使用，保障船舶航行安全。

關鍵詞：便攜式引航裝置（PPU）；固定式引航裝置（NPPU）；引航終端（Seaiq Pilot）; 航行安全; AIS引航員接口; PPU性能標準

幾乎所有港口的引航員都配備有PPU和引航終端，特別是在復雜的水域，其作用是不可或缺的。但大部分引航員對PPU在使用過程中可能存在的缺陷不熟悉，甚至無法及時發現問題所在和可能需要修正引航終端的參數設置，本文重點探討PPU在使用中可能存在的問題并提出解決的方法。

1 本船首向（HDG）誤差現象

1.1 現象描述

“KOTA RUNKUN”輪長144 m，寬22 m，吃水7.3 m，從爛角咀方向進港靠CCT9#，當PPU硬件設備“KSN11-Camp;B”連接船舶的AIS Pilot Plug時，PPU信號源欄顯示AIS提供：GPS、COG、SOG和HDG參數，KSN11-Camp;B提供：ROT參數。HDG 352°，COG 343°，ROT每分鐘向右2°，見圖1。經對比航道走向355°，發現本船HDG偏右10°，詢問船長后得知電羅經誤差10°。

通過Seaiq Pilot軟件調整路徑：Settings-引航設置-Own ship Heading Adjustment-羅經差，選擇“減10度”欄或在數字欄手動輸入“- 10”度，見圖2。調整本船HDG后，在狀態欄信號源顯示：更正HDG，HDG（未調整）344 °，見圖3。

圖1 調整前本船的HDG

圖2 調整本船HDG參數

圖3 調整本船HDG后狀態欄顯示HDG參數

1.2 HDG誤差原因分析

HDG誤差是由本船電羅經（Gyro Compass）的誤差引起的，主要有以下幾個原因：

（1）設備自身因素，機械部件磨損，如陀螺球的支撐裝置、傳動齒輪等會逐漸磨損；

（2）線路老化，接口松動，軟件協議不兼容，外部電磁環境干擾；

（3）安裝與維護不當，電羅經需要定期校準，如果校準過程不規范或者使用了不準確的校準參數，就會導致誤差。

1.3 HDG誤差對船舶操縱的影響

HDG錯誤可能導致引航員對船舶首向的誤判，影響船舶在航道中的正確行駛和靠泊操作，容易引發安全事故。

1.4 軟件補償與校準調整

通過與航道走向、風流影響及COG數據進行比對，比較容易發現HDG誤差，確定后通過Seaiq Pilot軟件對本船首向進行調整。

2 本船對地航向（COG）延時現象

“MAERSK CAMPBELL”輪長366 m，寬51 m，15.7 m，船舶直航時，二者HDG、COG基本一致，見圖4。

圖4 船舶直航時Seaiq Pilot與雷達界面

船舶轉向時，見圖5，左邊是船舶轉向結束時的雷達界面 ：

HDG 193.1°，COG 194.8°，SOG 12.9 kn，船位22°18.867′N，113°48.230′E ；右邊是船舶轉向過程中Seaiq Pilot界面：ROT 每分鐘向左轉7.6°，HDG 193°，COG 202.6°，SOG 12.5 kn，船位 22°18.9005′N，113°48.2381′ E。二者COG 相差7.8°，說明PPU的COG數據明顯滯后。

圖5 船舶轉向時，雷達和Seaiq Pilot航行參數HDG、COG比對截圖

2.1 COG誤差原因

（1）AIS設備接收電羅經和外置GPS等設備信息，打包處理后形成AIS語句如VDO/VDM，通過AIS PILOT PLUG接口把相關AIS語句發送出去，PPU接收AIS語句，再進行解析得到HDG/COG等相關信息。 由于PPU的數據處理經過了更多的中間環節，包括數據傳輸、處理以及PPU自身的解析過程，所以存在延遲性；

（2）船舶航行狀態、航速、電磁干擾、線路老化等問題都可能影響AIS系統的數據更新頻率，進而影響PPU接收數據的及時性；

（3）雷達的HDG通常直接從電羅經獲取， COG主要是通過外置的GPS根據船舶相對于地面的運動計算得來。

在船舶直線航行時，雖然COG有延遲問題，其數據變化不大，呈現的HDG和COG看起來一致。但在轉向時，COG數據急劇變化，二者差異較大。

2.2 COG誤差對船舶航行安全的影響

船舶轉向導致COG誤差較大時，對引航員在轉向或避讓其他船舶等操作中容易造成判斷錯誤，增加碰撞、擱淺的風險。

3 本船船位誤差現象

“URU BHUM”輪長195 m，寬32 m，吃水10.5 m，計劃離泊SCT9#泊位，使用PPU 硬件KSN11-Camp;B連接船舶的AIS PILOT PLUG，發現協助拖船“蛇港8”和“蛇港9”船位和本船船位有一定誤差，見圖6。

圖6 GPS天線位置未調整前船位

3.1 本船船位誤差的原因

經檢查PPU信號源：從KSN11-Camp;B獲取定位GPS和ROT參數，從AIS 獲得COG、SOG、 HDG參數。但實際上KSN11-Camp;B硬件定位GPS功能是關閉的，僅打開ROT功能。通過Seaiq Pilot軟件路徑： Settings - NMEA amp; AIS-Connection-狀態和診斷信息 NMEA/AIS Diagnostics 查看AIS原始報文，除正常報文！AIVDM、！AIVDO和ROT報文外，還有定位$GPGGA報文，見圖7。

圖7 AIS原始語句截圖

分析原因：Seaiq Pilot軟件把AIS報文中額外出現的定位$GPGGA數據當作硬件KSN11-Camp;B輸出的定位數據作為本船位置。

調整方法：通過Seaiq Pilot軟件路徑：Settings-引航設置-Exit GPS Antenna Positions 距離船艏輸入：151 m（駕駛臺距離船首距離），船位顯示正常，見圖8。

圖8 GPS天線位置調整后船位

3.2 本船船位誤差分析

（1）可能是AIS系統布線出現問題，導致GPS數據傳輸線路錯誤地連接到了Pilot Plug接口，正常情況下外置GPS數據應接入AIS設備的輸入接口用于為AIS提供位置信息，而非直接出現在輸出接口；

（2）可能是AIS設備故障導致內部的信號處理模塊出現錯誤，例如：數據傳輸通路的隔離器件損壞，導致輸入的GPS數據在設備內部錯誤地流向了輸出接口；

（3）AIS設備的參數錯誤設置也可能導致船位誤差。

3.3 本船船位誤差對航行安全的影響

在進出港、靠近障礙物等關鍵航行階段，GPS 誤差或延遲可能影響引航員對船舶位置的判斷，導致船舶偏離航道或發生擱淺等事故。

4 AIS靜態數據時斷時消現象

AIS 靜態數據（如船名、呼號、船舶類型等）不穩定的現象，如在某些時段無法顯示或頻繁消失。

“CMA CGM MANAUS”輪長211 m，寬31 m，吃水7.5 m， MMSI256272000，呼號9HA57774，貨船，HDG 350°，COG 345°，SOG 3.1 kn，由爛角咀方向進港靠泊蛇口SCT3#泊位，在航行中發生靜態數據丟失現象如下：

（1）時間11：46：06，船位22°24.7176′N，113°53.3269′E，

AIS 靜態數據正常，見圖9；

圖9 AIS靜態數據正常

（2）時間11：50：57，船位22°24.7450′N，113°53.3174′E，

靜態數據丟失，海圖僅顯示長方形圖標和“MMSI 256272000”，

查詢AIS全部信息，船名欄顯示：無；船長、船寬欄都顯示：0.0（error），見圖10。

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圖10 AIS 靜態數據異常

4.1 AIS 靜態數據發送錯誤的原因

（1）AIS設備故障：船載AIS設備內部的信號處理模塊或數據存儲單元可能出現間歇性故障，例如：數據存儲的芯片出現部分損壞，在讀取數據進行發送時就可能出現錯誤，導致有時能正常發送靜態數據，有時發送空包；

（2）軟件問題：AIS設備的軟件可能存在漏洞，當軟件運行過程中出現異常，如程序進入死循環、內存溢出等情況時，會影響靜態數據的正常打包和發送；

（3）通信信道問題： VHF信道可能受到其他船舶AIS信號、附近的通信設備（如其他頻段的無線電發射裝置）或者電磁噪聲的干擾。當干擾較強時，可能會影響AIS信號的正常傳輸，導致靜態數據丟失或無法正確發送，出現發送空包的情況；

（4）VHF信道擁堵，在船舶密集區域，眾多船舶同時通過VHF信道發送AIS信息，可能會造成信道擁堵。類似于交通堵塞，大量的數據包排隊等待發送，部分數據包可能會丟失或無法及時發送，從而導致靜態數據不能持續正常發送。

4.2 AIS靜態數據丟失對船舶識別和交通管理的干擾

AIS 是一種船舶自動識別和跟蹤系統，它通過發送船舶的靜態數據（如 MMSI、船名、船舶類型、尺寸等）和動態數據（如位置、航向、速度等），實現船舶之間以及船舶與岸基設施之間的信息共享。AIS靜態數據丟失影響駕引人員識別周圍船舶，以及通過VHF協調溝通避讓，影響岸基船舶交通管理系統（VTS）對船舶管理，影響船舶航行秩序和港口安全。

4.3 AIS 靜態數據發送錯誤的應對方法

（1）定期檢查和維護設備，加強人員培訓；

（2）優化信號環境，采取措施減少信號干擾，加強對 AIS 信號的監測和管理；

（3）建立數據驗證和糾錯機制，接收方應建立數據驗證和糾錯機制，對收到的 AIS 靜態數據進行驗證和糾錯；

（4）在PPU本地建立船名庫，把引航站收集的船舶資料庫通過網絡下載到PPU本地，PPU收到AIS信號可以先和本地船名庫進行比對，顯示船名、船長、船寬等靜態數據。船名庫還可以和引航排版系統關聯，添加在船引航員靠離泊信息。

5 AIS收發器、PPU的缺陷

船上的自動識別系統（AIS）連接電羅經、外置GPS和計程儀等多個設備（不同品牌）的數據輸入，當AIS數據出現較大誤差時，很難快速排查是哪個設備出問題。全球船舶數量龐大，每艘船舶情況各異，部分船舶從AIS Pilot Plug接口傳輸AIS數據可能存在各種錯誤，引航員使用PPU時應該養成一個習慣，首先對本船的位置、HDG、COG、SOG和ROT等關鍵數據和船上的雷達、ECDIS及ROT指示器等設備的相關參數進行比較，核查誤差是否在安全范圍內[1]。

另外，PPU多次反復插拔接頭，可能造成插頭的針腳彎曲或者母頭銅套松落等情況，會導致信號傳輸不穩定或者中斷；其次，如果引航員對Seaiq Pilot軟件不熟悉，無法快速判斷并解決問題，因而影響引航安全。

使用PPU硬件KSN11-Camp;B（自帶ROT、GPS/北斗定位功能），Seaiq Pilot 軟件版本5.4.6，使用時連接船舶AIS Pilot Plug， KSN11-Camp;B的ROT功能打開， GPS/北斗功能關閉，見圖11。

圖11 AIS收發器、PPU工作原理

6 固定式引航裝置（NPPU）介紹

巴拿馬運河管理當局發布No.A-32-2023 通告，自 2023 年 10月 1 日起，要求船舶寬度在 33.2 m及以上的船舶，通過巴拿馬運河時必須在船上安裝NPPU[3]。

圖12 SafePilot P3 信息標簽和P3天線

NPPU（以Safe Pilot P3為例）的工作原理：安裝在船舶駕駛臺上的NPPU，帶有外部天線，包含2個定位模塊、AIS自接收模塊、通信模塊及電池等，見圖12。NPPU提供高精確位置、HDG、COG、SOG、ROT等信息，通過超高頻（UHF）、實時動態測量RTK（ real time kinematics）技術接收岸基差分信號，船位精度可以達到厘米級別，即使在全船斷電期間也能獨立正常工作5 h[4]。

6.1 NPPU應用實例

圖13 Seaiq Pilot連接Safe Pilot P3 工作界面

“CMA CGM APOLLON”輪長366 m，寬51 m，吃水11 m，靜態數據：天線距離船首129 m，距離左舷19 m。計劃從媽灣4#離泊去香港。Seaiq Pilot軟件連接WiFi名稱：Safe Pilot P3，密碼86912255，通訊參數設置：Settings-NMEAamp;AIS- PCA Non-portable pilot unit ，WiFi采用UDP協議，端口17608。

Seaiq Pilot 在連接后需要同步設置船舶參數：Settings-Pilot-引航設置-Ext GPS Antenna Position 距離船首：129 m，距離首尾線：19 m。由于2個定位模塊天線安裝在駕駛臺頂部，與船舶首尾線垂直，所以HDG需要向左旋轉90°，選擇Own Ship Heading Adjustment-羅經差：“-90°”，右側信息欄顯示：

（1）P3提供：GPS、COG、SOG、ROT以及修正的HDG；

（2）NPPU提供：POS NSAT 32，表示本船有32顆衛星參與定位和船舶首向的計算；

（3）Baseline 15.9 m，表示天線距離水平面的距離；

（4）Battery No 表示接電使用；

（5）Trelleborg（特瑞堡NPPU設備品牌）WiFi NA代表無線網絡功能關閉；

（6）Jammer OK，“Jammer”是干擾器，“OK”表示狀態正常，無外部干擾信號對系統本身的影響；

（7）Spoofer OK（欺騙器狀態），“Spoofer”是欺騙器，其狀態為“OK”，表示沒有外部數據侵入；

（8）HDG Fix Amb（首向數據處理）系統對首向數據的模糊問題進行處理；

（9）STDDEV 0.040（數據離散程度），“STDDEV”是“Standard Deviation”（標準差）的縮寫，首向數據的標準差為0.040，說明當前這組數據的質量較好，波動較?。?/p>

（10）Kalman OK（卡爾曼濾波狀態），“Kalman”是指“Kalman Filter”（卡爾曼濾波），狀態為“OK”表示卡爾曼濾波功能正常。卡爾曼濾波在引航系統中常用于對傳感器獲取的數據（如位置、速度、航向等）進行優化處理。

航向參數：ROT向右每分鐘2°、HDG 347°、COG 250°、SOG -0.6kn（-表示后退）。綠色船型表示采用NPPU P3的信息定位，紅色船型是本船AIS船位，兩船型高度重合。

6.2 "NPPU的相對獨立性

Seaiq Pilot連接NPPU后，所有航行關鍵參數都由NPPU的P3獨立提供，沒有采用船舶ECDIS的航行參數，即使在全船失電的情況下仍然可以正常工作。NPPU提供的船位、HDG和COG的數據也更精確，NPPU相對獨立于船上的ECDIS系統，其非物理接觸方式減少了因頻繁插拔PPU導致的部件損壞風險，也無需擔心插頭和插座的物理損壞。由于結構相對簡單，出現問題的概率相對較低。而且由特定廠家安裝，一旦出現故障，廠家能夠利用其專業知識和設備維護經驗，比較容易找到原因并解決問題。巴拿馬運河管理當局從保障船舶安全通過運河的角度出發，強制要求安裝NPPU可以有效降低因AIS數據問題或其他導航系統故障導致的事故風險，也可以作為ECDIS的備份，確保運河內船舶航行的高效和安全，這種額外的安全措施在航運繁忙且航道環境復雜的巴拿馬運河是非常必要的。

7 總 結

MSC、長榮等船公司在大型船舶上配備了PPU，可以供引航員使用，而且越來越多的船公司也意識到PPU有利用船舶的航行、靠泊安全，PPU的普及率也會越來越高。

目前，沒有統一PPU標準的情況下，不同廠家生產的PPU或NPPU在性能、功能、數據接口、數據精度、數據更新頻率等方面可能存在差異。

IMO（國際海事組織）出臺關于便攜式引航裝置PPU（包括NPPU）的標準是十分必要的。

（1）統一PPU的標準，PPU設備就能夠在全球范圍內通用。這意味著船舶無論在巴拿馬運河，還是在其他港口或航道（部分歐洲引航員不用攜帶笨重的PPU），引航員都可以依據熟悉的標準操作設備，減少因設備差異帶來的適應問題；

（2）增強船舶安全保障，統一標準有助于確保設備的質量和性能。通過規定如精度、可靠性、數據傳輸穩定性等關鍵指標[2]，能夠有效避免因設備性能不佳而導致的引航失誤，例如：對定位精度的統一要求可以更精準地確定船舶位置，從而減少碰撞、擱淺等事故風險。

（3）規范行業和促進發展，廠家需要按照IMO的標準進行生產，有利于淘汰不符合要求的產品，促進整個行業的健康發展，并且推動相關技術的不斷進步和培訓的標準化，為船舶安全提供更先進的技術保障。

IMO應該重視這一發展趨勢，盡快出臺有關PPU（包括NPPU）的性能標準，規范PPU的安裝和使用，保障船舶航行安全[1]。

參考文獻

[1] 沈建云，PPU 使用不當引發的事故分析[J]．航海技術，2022 （ 3） ： 38-40.

[2] International Maritime Pilots Association： Guidelines on the design and use of portable pilot units. 2009：1.

[3] https：//pancanal.com/wp-content/uploads/2023/01/ADV32-2023-Advisory-REMINDER-New-Positioning-System-Requirement-for-Transiting-Neopanamax-Vessels-Beginning-October-2023-REV.pdf

[4] https：//www.trelleborg.com/en/marine-and-infrastructure/products-solutions-and-services/marine/navigation-and-piloting/safepilot-p3