多平臺信息融合背景下的船舶導航技術分析

俞司思

（平湖市華海造船有限公司，浙江 嘉興 314200）

船舶導航技術是一項通信工程與信息工程。多平臺融合的導航技術包括信息的傳輸與信號的處理運用。近些年，全球航運規(guī)模擴大，龐大的海上行駛數(shù)量會增加航行的安全風險。作為航向安全的保障，船舶導航技術為船舶的航行提供數(shù)據(jù)支持。現(xiàn)階段船舶導航技術涉及導航、網(wǎng)絡、計算機等多項前沿科技技術，為航行提供精確的數(shù)據(jù)支持。依托綜合導航系統(tǒng)對多項信息平臺進行綜合處理可以有效減少船舶安全事故的發(fā)生概率。

1 導航技術的發(fā)展與歷史

導航技術是確保人類在二維與三維空間探索中不會迷失方向的重要技術保障，船舶導航技術使人類探索的腳步邁向了大洋深處。一般來說，船舶導航技術的發(fā)展分為以下3 個階段。

1.1 經(jīng)驗為主的導航階段

這個階段的導航依據(jù)人類對天文地理等自然環(huán)境的特殊現(xiàn)象總結的規(guī)律，并且經(jīng)過了長期的實踐和驗證，比如星象導航技術、地磁導航等，還利用了相關原理制造出了六分儀、司南、磁羅經(jīng)。但這種導航是對船舶行駛的大致估算，精確度比較低，而且極容易受到外界因素的影響，只能滿足短距離船舶航行的需求。

1.2 機械導航階段

在近代導航技術發(fā)展的過程中，機械導航技術具有承上啟下的重要地位，它主要利用機械陀螺在高速運轉下指向北方的特性引導航向。同時，還可以借助機械式計程儀進行距離的測量，在海圖上確定船舶行駛的大概位置。機械導航技術相對第一階段精確度明顯提升，受環(huán)境因素的影響也減小了許多，如電控陀螺羅經(jīng)、航海表都屬于機械導航。

1.3 電子信息導航階段

電子信息技術在船舶導航中的運用改變了傳統(tǒng)的船舶導航方式，多元化、多方面、全系統(tǒng)的電子導航設備為船舶的形式提供了更加全面的導航信息。如船用雷達系統(tǒng)（RNS）、光學慣性系統(tǒng)（INS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）等[1]，它們都保障了船舶行駛的安全性。利用綜合導航技術也實現(xiàn)了對多元化導航平臺的綜合管理，為實現(xiàn)船舶自動化與智能化奠定基礎。

2 平臺信息融合下的船舶導航技術分析

2.1 船用RNS 與傳播AIS 的技術融合

RNS 與AIS 是船舶導航系統(tǒng)中關鍵的設備技術，在具體實踐中，船用RNS 技術與船舶AIS 技術都可以整體感知船舶運行狀態(tài)，最大程度上保證船舶行駛的安全。

船用RNS 技術是由無線電導航技術發(fā)展而來的，早期的RNS 技術原理簡單，依靠微波天線對船舶周圍一定范圍內的障礙物進行定位與測距。隨著雷達技術不斷成熟，RNS 技術與裂縫天線技術深入融合，RNS計算機系統(tǒng)可以對障礙物的方位距離進行測量，對船舶航向與航速進行計算測量，減輕航海部門人員工作的強度，為船舶行駛提供更加可靠的安全保障。但是，船用RNS 技術仍然存在不足，船舶近距離范圍內存在視覺盲區(qū)，所以要用到船舶AIS 技術。利用船舶AIS技術可組建區(qū)域內的導航網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以在具體的系統(tǒng)軟件中獲取船舶的有效信息與有效通信距離內的其他信息，比如識別其他船舶的航向航速、船籍船名等。系統(tǒng)自帶的軟件可以計算船舶所處環(huán)境的風險等級，并及時預警。AIS 還具備電子海圖的功能，可以對海面上危險區(qū)域及危險航向進行警示，并結合全球定位系統(tǒng)定位船舶的具體位置，數(shù)據(jù)精準度較高[1-3]。

在實際應用時，將船用RNS 與船舶AIS 結合運用，可以使導航系統(tǒng)信息更為豐富，RNS 可以利用船舶自動導航系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)計算具體的航跡推力，并通過經(jīng)緯度及相關公式計算得出大致航向，進一步將計算出的結果用于實際目標船舶的方向計算上，與AIS 對比，更進一步保障數(shù)據(jù)的精準性，避免視覺盲區(qū)帶來的航海安全問題。

2.2 傳統(tǒng)導航設備信息技術融合

隨著信息社會不斷發(fā)展，導航已經(jīng)實現(xiàn)了與多元信息的融合，也是船舶導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來源之一。

當下船用羅經(jīng)分為光學羅經(jīng)、電控羅經(jīng)及磁羅經(jīng)。這幾種類型的羅經(jīng)具體原理基本一致，只是核心器件上有微弱差異。磁羅經(jīng)僅能提供船舶航向信息，精準度較低；電控羅經(jīng)可以提供航線與姿態(tài)信息，光學羅經(jīng)的精確度較高。

計程儀利用水與目標船舶的作用力實現(xiàn)對速度的測量，并通過測量速度積分計算船舶的具體航程。計程儀有拖曳式與轉輪式，2 種形式的計程儀原理都較為簡單，且測量誤差較大，已經(jīng)不適應現(xiàn)階段的航海測量?，F(xiàn)階段運用較廣的是水壓計程儀、電磁計程儀等，通過壓力傳感器、電磁感應等將水流產生的壓力信息轉化為電信號，通過各項環(huán)節(jié)減少外部干擾后再進行具體的運算，測量出的船舶速度與航程信息都較為準確，這類計程儀的運用也較為廣泛?？偟膩砜矗姶艃x測量出的數(shù)據(jù)具有較好的線性特征，且對船體速度的變化較為敏感，利用模型轉換計算后的傳播速度也較為精準。

在具體運用羅經(jīng)與計程儀等傳統(tǒng)導航設備的過程中發(fā)現(xiàn)，這些技術容易受多方面干擾因素的影響，獨立工作狀態(tài)下傳統(tǒng)導航設備提供的航向、航速等信息會發(fā)生較多、較大誤差，存在較大的安全隱患。針對這一問題，技術人員可完善相關計算方法，并對導航數(shù)據(jù)進行融合處理，組建導航系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)的可靠性。這也表明，導航系統(tǒng)將結束長期以來獨立運行的狀態(tài)。組合導航系統(tǒng)指以羅經(jīng)為核心的INS 系統(tǒng)，也指多類型導航設備組成的數(shù)據(jù)集中處理系統(tǒng)。INS 可以提供精確度較高的數(shù)據(jù)，所以具有一定的可參考性。此外，組合導航系統(tǒng)主要采用最優(yōu)化估算法，對于卡爾曼濾波法的應用也較為廣泛，卡爾曼濾波對信號質量沒有明確要求，可以通過處理復合信號得出誤差最小的估算值，優(yōu)于維納濾波等其他濾波方式。復合精度功能的提升可以幫助增加真實信號來源，弱化噪聲給信號帶來的不利影響，提高信號精確度。測量儀冗余功能能對數(shù)據(jù)中重復測量的現(xiàn)象進行整改，提高結果的可靠性，排除干擾項對濾波計算造成的不利影響。

3 多平臺信息融合處理的綜合導航系統(tǒng)

船用導航設備類型與數(shù)量的增多進一步提高了船舶航向的安全程度，但也會一定程度上增加導航系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的難度。為了更好地實現(xiàn)對導航系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，綜合導航系統(tǒng)的概念被提出。

3.1 綜合導航系統(tǒng)的組成及具體功能

綜合導航系統(tǒng)是現(xiàn)代化遠洋船舶的標配，與傳統(tǒng)的導航系統(tǒng)與測速平臺相比，綜合導航系統(tǒng)集齊了導航技術、計算機技術與現(xiàn)代網(wǎng)絡信息技術，還有無線電技術與衛(wèi)星通信技術的加持，是多種先進技術的集合體。綜合導航系統(tǒng)能接收到導航終端發(fā)布的信息，并根據(jù)信息數(shù)據(jù)類型進行具體的計算與二次融合，讓原本復雜的導航數(shù)據(jù)信息簡單化、具體化、可視化，方便人員進行航海操作。

通過對傳感器的分析和建模，將原本傳感器型信號的識別局限于對數(shù)據(jù)的判斷，經(jīng)過數(shù)學變換和運算，實現(xiàn)信號和系統(tǒng)識別之間的相互關聯(lián)和識別的功能。同時根據(jù)整個多傳感器系統(tǒng)的不同設計要求，可以采用不同的形式進行集成，具體如圖1 所示。

圖1 多傳感器的數(shù)學描述方法

除此之外，綜合導航系統(tǒng)涵蓋了許多與導航設備相關的資料，包括輸出導航信息的設備、一系列依托導航信息運行的系統(tǒng)設備等，如駕控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)與聲吶系統(tǒng)。綜合導航的核心技術是數(shù)據(jù)處理，通過檢測、優(yōu)化與融合完成對平臺信息的高效利用，提高船舶導航信息的真實可靠性。

3.2 數(shù)據(jù)檢測儀器

綜合導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心需要在接收導航信息后，對數(shù)據(jù)進行有效分析，幫助下一階段數(shù)據(jù)優(yōu)化減小壓力。通常情況下，綜合導航系統(tǒng)有數(shù)據(jù)單點異常、關聯(lián)異常與集體異常3 種異?，F(xiàn)象，也可以分別采取3 種檢測技術進行分析。

3.2.1 聚類檢測技術

大多數(shù)導航系統(tǒng)中的異常數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律，數(shù)據(jù)檢測時可以根據(jù)某些異常數(shù)據(jù)分類分析，將這些數(shù)據(jù)與該特征高度相似的數(shù)據(jù)進行歸類。聚類檢測技術的使用可有效提高檢測效率，但無法明確對船舶導航信息影響因素進行管理。而實際操作時需要對數(shù)據(jù)來源的穩(wěn)定性及可靠性進行檢測，所以不宜在噪聲較大的環(huán)境中使用。

3.2.2 偏差檢測技術

利用該項技術對海域導航數(shù)據(jù)進行分析，并在此基礎上構建模型，進行數(shù)據(jù)仿真結果的對比。如果計算出的數(shù)據(jù)誤差在閾值范圍內，那么綜合導航系統(tǒng)收到的信息準確性達標。現(xiàn)階段數(shù)學模型偏差檢測技術的精確度較高，但是綜合導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)較多，建立模型較為復雜且滯后。

3.2.3 概率相關技術

綜合導航系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)來自不同的設備，異常數(shù)據(jù)之間也有一定的關聯(lián)性，對這些數(shù)據(jù)的相關性進行分析。相關性越高，說明數(shù)據(jù)同步異常的概率越高。比如INS 的加速度是航速與航程計算出來的，三者的關聯(lián)性為100%，一旦加速度數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，會直接導致INS 輸出的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。利用概率檢測技術可以提高異常數(shù)據(jù)檢測效率，進一步提高數(shù)據(jù)的可靠性[4-5]。

3.3 數(shù)據(jù)融合技術

傳統(tǒng)的船舶導航技術強調數(shù)據(jù)的真實性，根據(jù)導航設備的數(shù)據(jù)精確度來確定導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精確度，減輕導航數(shù)據(jù)在檢測方面的壓力。隨著計算技術的不斷發(fā)展，計算機擁有卓越的處理數(shù)據(jù)的能力，為融合技術在綜合導航系統(tǒng)中的使用奠定了基礎。綜合導航系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合是對一切有使用價值的信息進行采集、傳輸、綜合與合成，完成對環(huán)境態(tài)勢的判定、規(guī)劃相關任務與診斷相關故障。具體包括數(shù)據(jù)層融合、特征層融合與決策層次融合，其中特征與數(shù)據(jù)層的融合較為廣泛。比如航向數(shù)據(jù)、綜合導航系統(tǒng)的航向數(shù)據(jù)來自于INA 技術、全球定位系統(tǒng)、北斗航跡系統(tǒng)與船舶AIS，綜合導航系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后可以比較數(shù)據(jù)間的差值，并依據(jù)實際航線的變化趨勢在計算誤差上加以修正與平衡[6]?，F(xiàn)階段綜合導航系統(tǒng)可以集成電子海圖、軌跡儀等多項功能，實現(xiàn)與RNS、AIS 的目標融合。結合氣象儀、計程儀等相關平臺的信息，可以綜合測量出導航系統(tǒng)的最終目標方向。

4 船舶導航技術未來發(fā)展的趨勢

4.1 向高精度化、微型化方向發(fā)展

船舶導航技術的各種慣導在體積、功率損耗、智能化方面精益求精，各個基礎領域的研究成果都快速穩(wěn)妥地運用到了慣導產品中。比如，微尺度速率積分陀螺儀將取代陀螺儀器運用在慣導中。未來微尺度積分陀螺儀的體積只有1 cm3，功率消耗低至5 mW。發(fā)展芯片級原子鐘使其體積更小、功率更低、精度更準，體現(xiàn)出其更具特色的探測能力[7-9]。

4.2 寬帶化、數(shù)字化的通信網(wǎng)絡

寬帶化、數(shù)字化一直是通信網(wǎng)絡的發(fā)展方向。比如手機的體積越來越小，功能越來越多。從一開始只能用于打電話發(fā)短信，到如今可以玩游戲、聊天、購物乃至線上辦公，這些都是寬帶化數(shù)字化為通信網(wǎng)絡發(fā)展帶來的好處。船舶導航技術也是如此，通信導航的發(fā)展在未來能實現(xiàn)距離更遠、速度更快的導航效益。而進一步發(fā)展通信網(wǎng)絡需要考慮納米技術研究光交換與密集波分復用等技術的發(fā)展，形成更加高效的船舶通信導航。

4.3 向綜合化、一體化、智能化方向發(fā)展

船舶航向技術可以與現(xiàn)階段高速發(fā)展的云計算、大數(shù)據(jù)等結合起來，促進船舶導航網(wǎng)絡系統(tǒng)功能的深化研究，迎接未來的挑戰(zhàn)。船舶導航技術還可以將過去分開的信息系統(tǒng)集合在一起，完成高效集成的目標，在統(tǒng)一系統(tǒng)、統(tǒng)一機制下綜合管理，促進管理系統(tǒng)一體化發(fā)展。船舶導航系統(tǒng)還可以借助互聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，及時掌握船舶信息，根本改善船舶的靈活性與生存能力。

5 結束語

綜上所述，利用多平臺融合發(fā)展的船舶導航技術可以提高船舶遠航的安全性，利用數(shù)據(jù)優(yōu)勢進行分析與收集，構建更加精準、實時的系統(tǒng)，可以進一步保障船舶行駛的安全。