離靠泊作業(yè)參數(shù)誤差因素分析*

姚　曜　王清哲　王　宇　白曉勇

(1.海軍裝備研究院　北京　100161)(2.中船航海科技有限責(zé)任公司　北京　100070)

?

離靠泊作業(yè)參數(shù)誤差因素分析*

姚曜1王清哲2王宇2白曉勇2

(1.海軍裝備研究院北京100161)(2.中船航?？萍加邢挢?zé)任公司北京100070)

摘要船岸距離、船岸速度和入泊角度是離靠泊作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù)，其計(jì)算精度對(duì)于安全可靠地實(shí)現(xiàn)船舶離靠泊具有重要作用。論文對(duì)岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備與船基離靠泊作業(yè)設(shè)備的發(fā)展情況進(jìn)行了概述，根據(jù)這兩類設(shè)備的參數(shù)測量手段，推導(dǎo)了基于激光測距儀和差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的離靠泊作業(yè)參數(shù)計(jì)算誤差模型，得到了離靠泊作業(yè)參數(shù)的誤差影響因素。

關(guān)鍵詞離靠泊； 激光測距儀； 差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)； 誤差分析

Class NumberO212

1　引言

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，造船技術(shù)和航海技術(shù)呈現(xiàn)跨越性的進(jìn)步，船舶的大型化已經(jīng)由一種趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。與原來中小噸位船舶相比，大型船舶可控性難度更大，對(duì)船舶離靠泊作業(yè)要求更高[1]。

在船舶離靠泊作業(yè)過程中，要求駕引人員時(shí)刻掌握船舶周邊態(tài)勢、航道及水文氣象信息，確保船舶能夠航行在特定的航線上。目前，已普遍使用的ARPA雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等助航設(shè)備無法為駕引人員提供直觀、精確、迅速的離靠泊作業(yè)信息，駕引人員要靠目視和經(jīng)驗(yàn)來協(xié)助引航，但是目視易受諸多因素的影響，如航道上航標(biāo)亮度和海上能見度等，從而影響駕引人員做出正確的決策；又由于港口貿(mào)易的不斷增長、船運(yùn)量不斷增多，港口附近航道環(huán)境變得越來越復(fù)雜，威脅船舶的離靠泊安全[1～3]。為有效避免上述不利因素，用來輔助大型船舶離靠泊作業(yè)的儀器設(shè)備得到快速發(fā)展。離靠泊作業(yè)設(shè)備通過激光測距儀、艦用差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)等測量手段為駕引人員提供更加詳細(xì)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的離靠泊動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，輔助駕引人員更好地控制離靠泊作業(yè)過程，提高工作效率和作業(yè)安全性，使駕引人員從過去純粹憑經(jīng)驗(yàn)靠感覺定勢靠泊到利用先進(jìn)設(shè)備數(shù)字定量靠泊[4～7]。

本文首先對(duì)岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備和船基離靠泊作業(yè)設(shè)備的發(fā)展情況進(jìn)行了概述，分析了這兩類設(shè)備的特點(diǎn)。其次，建立了基于激光測距儀和差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的離靠泊作業(yè)參數(shù)計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了各項(xiàng)參數(shù)的誤差模型。

2　離靠泊作業(yè)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

國外大型海工企業(yè)在離靠泊作業(yè)設(shè)備研制方面有多年技術(shù)積累，形成了多種完善的離靠泊解決方案。目前應(yīng)用相對(duì)成熟的是激光離靠泊作業(yè)設(shè)備，相對(duì)前沿的是基于差分GPS或北斗等定位系統(tǒng)的離靠泊作業(yè)設(shè)備[8～10]。根據(jù)安裝與使用形式，離靠泊作業(yè)設(shè)備可分為兩類，一類將設(shè)備主要測量單元安裝在岸上，稱之為岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備；另一類將設(shè)備主要測量單元安裝在船舶上，稱之為船基離靠泊作業(yè)設(shè)備，以下分別對(duì)這兩類設(shè)備進(jìn)行分析。

2.1岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備

岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備通過安裝在碼頭前端的激光探頭采集信號(hào)回波，計(jì)算獲取船艏和船艉相對(duì)碼頭前沿線的距離、速度和入泊角度，記錄船舶靠泊碼頭的過程，并將靠泊速度和入泊角度等信號(hào)傳輸?shù)皆O(shè)置在碼頭上的大型顯示屏和引航員隨身攜帶的無線便攜式顯示器上，以指導(dǎo)船舶靠泊作業(yè)，防止船舶靠泊速度和角度過大而損壞船舶或碼頭設(shè)施。岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備布置示意圖如圖1所示。

圖1　岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備布置示意圖

丹麥Marimatech公司和英國Harbour Marine公司推出的輔助離靠泊系統(tǒng)處于國際領(lǐng)先水平，它們設(shè)計(jì)的輔助離靠泊系統(tǒng)除包含激光離靠泊作業(yè)設(shè)備外，還包括環(huán)境監(jiān)測設(shè)備及纜繩張力監(jiān)控設(shè)備，能夠?yàn)榇半x靠泊提供全方位服務(wù)。Marimatech公司和Harbour Marine公司設(shè)計(jì)的岸基激光離靠泊作業(yè)設(shè)備分別如圖2和圖3所示。

岸基激光離靠泊作業(yè)設(shè)備由于性能出眾，可靠性高，越來越被客戶認(rèn)可。從1992年起，岸基激光離靠泊作業(yè)設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各大港口，如鹿特丹、樸次茅斯等。

2.2船基離靠泊作業(yè)設(shè)備

船基離靠泊作業(yè)設(shè)備綜合應(yīng)用了電子海圖顯示技術(shù)、AIS技術(shù)、艦用差分衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)等，除顯示離靠泊作業(yè)參數(shù)外，還將本船周圍配有AIS裝備的船舶、港口周圍的航道、航線、水深、岸標(biāo)、航標(biāo)等航行信息實(shí)時(shí)地顯示在移動(dòng)終端上，其框架如圖4所示。

圖2　Marimatech公司的岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備

圖3　Harbour Marine公司的岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備

圖4　船基離靠泊作業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)框架

目前船基離靠泊作業(yè)設(shè)備有較大發(fā)展，許多海工企業(yè)均推出相應(yīng)產(chǎn)品，如Marimatech公司的SafePilot(圖5左上)、Harbour Marine公司的SmartDock(圖5右上)、新西蘭Navicom Dynamics公司的HarbourPilot Lightweight(圖5左下)、挪威AD NAVIGATION公司的ADX XR(圖5右下)等。這些設(shè)備綜合船體模型、DGPS定位信息與大比例尺電子海圖，計(jì)算船艏、船艉相對(duì)碼頭的垂向距離與速度信息，可為船舶離靠泊提供精確顯示和控制參考，工作人員通過PAD、加固筆記本等移動(dòng)設(shè)備直接在船上進(jìn)行離靠泊操作，如圖5所示。

圖5　船基離靠泊作業(yè)設(shè)備示意圖

2.3離靠泊作業(yè)設(shè)備特點(diǎn)分析

從現(xiàn)有設(shè)備方案來看，岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備主要采用激光測距儀對(duì)離靠泊參數(shù)進(jìn)行測量，船基離靠泊作業(yè)設(shè)備則采用差分BD/GPS進(jìn)行作業(yè)參數(shù)測量，測量手段的差異導(dǎo)致設(shè)備呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，體現(xiàn)在[3，11～12]：

1) 岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備在良好天氣條件下測程遠(yuǎn)、精度高，即便在船舶搖晃的情況下仍可保持良好的測距性能。此外，岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備直接測量船岸距離，船岸相對(duì)速度和入泊角的解算比較簡單。不足之處是激光測距儀對(duì)氣候的依賴性比較強(qiáng)，在濃霧、大雨等能見度很低的環(huán)境下，給離靠泊作業(yè)帶來一定困難，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是測距精度降低，導(dǎo)致離靠泊參數(shù)計(jì)算精度降低；二是測程降低，可能導(dǎo)致船岸相對(duì)距離無法測量。

2) 船基離靠泊作業(yè)設(shè)備采用差分BD/GPS，定位精度高，受天氣的影響較小，設(shè)備可全程(航道引航+靠泊)使用，安裝方便、可適用于任何覆蓋差分衛(wèi)星信號(hào)的碼頭。利用差分BD/GPS進(jìn)行離靠泊作業(yè)時(shí)要求船只配備精確的港口大比例尺電子海圖，通過差分BD/GPS測定艦位，再與岸線進(jìn)行精確量算獲得船岸距離、相對(duì)速度和入泊角。

可見，基于激光測距儀和基于差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的離靠泊作業(yè)參數(shù)測量方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)天氣條件、港口環(huán)境、差分衛(wèi)導(dǎo)信號(hào)覆蓋程度、資料準(zhǔn)備情況等選用合適的離靠泊作業(yè)設(shè)備。

3　離靠泊作業(yè)參數(shù)誤差分析

靠泊過程中需要對(duì)船岸距離、船岸速度和入泊角等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)精度與采用的測量手段緊密相關(guān)，以下分別對(duì)岸基和船基離靠泊作業(yè)設(shè)備的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行誤差分析。

3.1坐標(biāo)系定義

在岸端建立離靠泊坐標(biāo)系，不失一般性，坐標(biāo)系原點(diǎn)O選擇在激光測距儀1的中心，x軸方向指向正東，y軸方向指向正北，如圖6所示。

圖6　離靠泊坐標(biāo)系

3.2岸基離靠泊作業(yè)設(shè)備計(jì)算參數(shù)誤差分析

如圖6所示，在碼頭前沿線安裝兩套激光測距儀，它們的間距為L，激光測距儀1與激光測距儀2測量的船岸距離分別為L1和L2。受離靠泊運(yùn)動(dòng)的影響，舷側(cè)一端接收到激光束的位置隨時(shí)間而變化，因此無法精確推算船艏和船艉的離岸距離和速度。在這種情況下，將激光測距儀1和激光測距儀2的測量值近似為對(duì)船艉和船艏的測量值。

船艏與船艉離碼頭前沿線的距離Lbow和Lstern為

Lbow=L2

(1)

Lstern=L1

(2)

入泊角βL為

(3)

船艏與船艉相對(duì)碼頭前沿線的速度VLbow和VLstern為

(4)

(5)

記激光測距儀1和激光測距儀2的測距均方差為σLP，測速均方差為σLV，根據(jù)式(1)～式(5)可知各離靠泊作業(yè)參數(shù)的均方誤差為

σLbow=σLP

(6)

σLstern=σLP

(7)

(8)

σVLbow=σLV

(9)

σVLstern=σLV

(10)

式中，σLbow和σLstern分別表示船艏、船艉離碼頭前沿線的距離均方差，σAL表示入泊角計(jì)算均方差，σVLbow和σVLstern分別表示船艏、船艉相對(duì)碼頭前沿線的速度均方差。

(11)

式中，βmax為最大入泊角。

3.3船基離靠泊作業(yè)設(shè)備計(jì)算參數(shù)誤差分析

船基離靠泊作業(yè)設(shè)備的差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)在船上有多種布局方式，但不論采用哪種方式，都需要根據(jù)安裝位置與船艏、船艉的相對(duì)位置關(guān)系，將測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為船艏、船艉的等價(jià)測量值[5]。為描述方便，本文假設(shè)差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)1和差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)2分別安裝于船艉和船艏。靠泊時(shí)碼頭前沿線的地理信息能夠事先獲取，通過大比例尺電子海圖選擇碼頭前沿線上兩點(diǎn)O和O1，并以O(shè)為原點(diǎn)建立離靠泊坐標(biāo)系，各軸定義如圖6所示。

設(shè)O點(diǎn)和O1點(diǎn)經(jīng)緯度分別為(λO，φO)和(λO1，φO1)，差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)1測得的船艉經(jīng)緯度為(λstern，φstern)，差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)2測得的船艏經(jīng)緯度為(λbow，φbow)，各個(gè)位置點(diǎn)在離靠泊坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)通過如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

(12)

(13)

式中，(Xi，Yi)為(λi，φi)在離靠泊坐標(biāo)系下的坐標(biāo)投影，Re為WGS-84坐標(biāo)系下的地球長半軸，e為偏心率。

通過式(12)和式(13)，得到O1(λO1，φO1)、船艏(λbow，φbow)和船艉(λstern，φstern)在離靠泊坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為O1(XO1，YO1)、船艏(Xbow，Ybow)和船艉(Xstern，Ystern)。據(jù)此得到碼頭前沿線與東向的夾角α1為

(14)

船體艏艉線與東向夾角α2為

(15)

入泊角βS為

(16)

kx-y=0

(17)

船艏(Xbow，Ybow)到碼頭前沿線的垂直距離Sbow為

(18)

船艉(Xstern，Ystern)到碼頭前沿線的垂直距離Sstern為

(19)

船艏與船艉相對(duì)碼頭前沿線的速度VSbow和VSstern為

(20)

(21)

記差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)1和差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)2的緯度均方誤差為σφ，經(jīng)度均方誤差為σλ，東向與北向速度均方誤差為σSV，根據(jù)式(16)～式(21)推導(dǎo)各離靠泊作業(yè)參數(shù)的誤差為

(22)

(23)

(24)

σVSbow=σSV

(25)

σVSstern=σSV

(26)

式中，σSbow和σSstern分別表示船艏、船艉離碼頭前沿線的距離均方差，σAS表示入泊角計(jì)算均方差，σVSbow和σVSstern分別表示船艏、船艉相對(duì)碼頭前沿線的速度均方誤差。

特別地，若σφ=σλ，則式(22)～式(24)可簡化為

σSbow=σφ

(27)

σSstern=σφ

(28)

(29)

式中，Lvessel表示船的長度。

可見，當(dāng)σφ≠σλ時(shí)，σSbow、σSstern和σAS既與差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的定位誤差有關(guān)，還與碼頭前沿線與北向夾角、船舶艏艉線與北向夾角有關(guān)。當(dāng)σφ=σλ時(shí)，σSbow和σSstern僅與差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的定位誤差有關(guān)，而σAS既與差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的定位誤差有關(guān)，還與船的長度有關(guān)(即差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的安裝間距)，這與前述σAL的大小與兩激光測距儀的安裝距離有關(guān)這一結(jié)論相同。

綜上，離靠泊作業(yè)參數(shù)誤差的影響因素如表1所示。

表1　離靠泊作業(yè)參數(shù)誤差影響因素

4　結(jié)語

本文對(duì)岸基和船基離靠泊作業(yè)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，分析了這兩類設(shè)備的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)激光測距儀、差分衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)這兩種離靠泊作業(yè)參數(shù)測量方式，推導(dǎo)了船艏與岸垂直距離、船艉與岸垂直距離、入泊角、船艏與岸垂直速度、船艉與岸垂直速度等離靠泊作業(yè)參數(shù)的誤差公式，得到各參數(shù)計(jì)算誤差的影響因素。通過誤差分析，一方面可指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行離靠泊作業(yè)設(shè)備的選型與布局，另一方面可幫助航海作業(yè)人員知悉離靠泊過程中各項(xiàng)參數(shù)的誤差變化。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李寶玉，劉壘，張建寶，等.船舶離靠泊過程中安全影響因素及應(yīng)對(duì)措施分析[J].學(xué)術(shù)，2015(4)：64-66.

[2] 賈煒，彭國均，魏武財(cái)，等.船舶引航輔助系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電設(shè)備，2014(3)：8-12.

[3] 蔡長泗.靠系泊作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)集成[J].水運(yùn)工程，2001，324(1)：17-19.

[4] Hiroyuki Oda， Shunsuke， Hamamoto. New Berthing Support System with StarFire DGPS[C]//The 2004 International Symposium on GNSS/GPS conference proceeding. Sydney： University of New South Wales，2004：181-195.

[5] 彭國均，吳勇軍，劉洋，等.DGPS組合定位的大型船舶靠泊技術(shù)與應(yīng)用分析[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，14(6)：788-793.

[6] 彭國均，劉洋，張杏谷，等.大型船舶輔助靠泊儀設(shè)計(jì)[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2012，12(6)：48-54.

[7] 劉洋.大型船舶輔助靠泊儀的研究[D].廈門：集美大學(xué)，2012：7-22.

[8] 王新影.激光靠泊測角系統(tǒng)研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2010：2-5.

[9] Hiroyuki Oda， Etsuro Okuyama， Yasushi Kawamori. New Berthing Support System Using High Accuracy Differential GPS[J]. Journal of the JIME，2009，44(1)：13-17.

[10] 周杏利，張壽桂，彭國均.船基靠泊輔助系統(tǒng)的可靠性分析[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，19(3)：196-200.

[11] 李寶玉，張鵬飛.針對(duì)靠泊輔助系統(tǒng)中幾種探測技術(shù)的分析[J].中國水運(yùn)，2015，15(8)：11-12.

[12] 高齊生.淺談RTK技術(shù)在船舶靠泊中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)，2013，13(11)：7-8.

*收稿日期：2015年10月14日,修回日期：2015年11月26日

作者簡介：姚曜，男，博士，工程師，研究方向：綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。王清哲，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：電子海圖顯示與信息系統(tǒng)。王宇，男，碩士，工程師，研究方向：電子海圖顯示與信息系統(tǒng)。白曉勇，男，碩士，工程師，研究方向：電子海圖顯示與信息系統(tǒng)。

中圖分類號(hào)O212

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.013

Error Factor Analysis of Ship Berthing Parameters

YAO Yao1WANG Qingzhe2WANG Yu2BAI Xiaoyong2

(1. Naval Academy of Armament, Beijing100161)(2. CSSC Marine Technology Co., Ltd, Beijing100070)

AbstractDistance between vessel and mooring line, berthing speed and berthing angle are three key parameters for safe and reliable ship berthing. In this contribution, the development of shore-based berthing equipment and ship-based berthing equipment is firstly summarized, then according to different berthing parameter measurement methods, the computing error models of berthing parameters for laser range finder mode and differential satellite navigation receiver mode are derived, from which the error impact factors are finally obtained.

Key Wordsship berthing, laser range finder, differential satellite navigation receiver, error analysis