1、21世纪船舶集成导航系统,二、船舶导航发展存在的问题,一、船舶导航发展历史及现状,三、船舶集成导航系统,四、总结与展望,一、船舶导航发展历史及现状,导航的概念源于航海事业 古人常用天文导航、地磁导航指引船舶的行驶 100多年前出现机械式船舶计程仪，至后来陆续出现陀螺罗经、船载雷达等等。船舶导航已经走过了约一个世纪的漫长道路,船舶导航发展历史,一、船舶导航发展历史及现状,机械式计程仪,司南,六分仪,多普勒计程仪,AIS一体机,激光陀螺仪,船载GPS终端,21世纪，各种船舶导航系统有的已经或者将要被淘汰（LORAN-A、OMEGA）；有的被保留,不断改进、发展（陀螺罗经、计程仪、雷达等）。 新出现
2、并蓬勃发展的导航技术：船载GPS、电子海图显示与信息系统ECDIS 、船载自动识别系统AIS 、船载航行数据记录仪VDR等。,船载雷达天线,一、船舶导航发展历史及现状,现 状,二、船舶导航发展存在的问题,1）传统各种单项导航技术的优劣势,各种单一导航系统发展已趋于成熟稳定；各自优缺点也已明显地表现出来：,二、船舶导航发展存在的问题,INS（Integrated Navigation System ）：20世纪60年代出现，是指“一种借助于电子计算机数据处理技术，将船舶上不同特点的各种单个导航设备(系统)有机的结合在一起，通过对各导航信息进行综合处理（常用Kalman滤波）,以达到提高系统定位精
3、度、可靠性、灵活性、自动化程度的目的,并可进行各种航海功能计算的导航系统”,2）组合导航 INS/IBS 及其局限性,由于单一导航系统各具优劣势，组合导航已成为当今舰船最基本、最重要的导航设备之一。,二、船舶导航发展存在的问题,功能：系统经过标准口输出最佳的船位经纬度、航向、航速等数据给其他导航系统；可以减轻值班驾驶员的辛苦。 局限：由于船舶间未提供数据自动传输的通信系统，其优化的数据不能用于避免船舶间避碰。,IBS（Integrated Bridge System）：综合船桥系统，20世纪70年代出现，是指“一种利用电子计算机，用系统设计方法，将各种定位仪、雷达、ARPA （自动雷达标绘仪）
4、 、GPS/DGPS、ECDIS显示的电子海图及数字自动舵连接起来,组成船舶自动航行系统。,IBS系统集导航、控制、显示、监视、通信、管理等诸多功能于一体，实现航行自动化，提高航行安全性、经济性与有效性。,二、船舶导航发展存在的问题,功能：可以设计最佳航线，并且根据经优化处理的船位信息不断检 测风、流、浪等随机干扰的影响，调整修改操船措施,以保证船舶航行在安全、经济的航线上。 局限：最佳航线的设计，中长期天气、海况预报准确性的问题尚待 进一步开发和解决。,导航专家系统,二、船舶导航发展存在的问题,功能：包括船位信息采集和处理；建立知识库；编制避让方案；船舶间 通信等部分；使系统在掌握足够信息的
5、前提下，及时正确判断会 遇态势，进行碰危评估，运用建立的知识库，确定最佳避让措施。 局限：雷达、ARPA信息及功能的缺陷：采集的雷达目标信息有限,并且容 易受气象、海况地形的影响，尤其在恶劣气象海况下的信息检测 可靠性下降，导致ARPA跟踪目标丢失率高； 通信障碍问题：船舶间通信由于频道拥挤、人工操作通信方式以 及有时还存在语言障碍等原因，实际上难以在避让前达成碰撞协 议,往往因延误宝贵时间或不明对方操船意图而采用不相协调的避 让机动，进而酿成碰撞。,避碰专家系统,二、船舶导航发展存在的问题,3）设备集成导航的特点及其局限性,设备多、投入大、分散配置，驾驶台拥挤,相同的传感器输入接口要求，提供
6、相同的传感信息，如:船位经纬度、航向、航速、水深、风速、风向、流向、流速等 相同的综合信息优化处理 相同的终端显示内容，包括电子海图显示、导航定位、雷达图象与子海图叠加显示等 类同的报警及打印记录,在设备集成的各种系统中，子系统重复配置,各种设备界面分散，操纵使用繁杂,用于集成的设备本身局限性，影响集成系统的性能,二、船舶导航发展存在的问题,需要新型船舶集成导航系统,三、船舶集成导航系统,传统导航系统的局限性 21世纪的船舶朝着大型化、高速化方向发展，需要安全性高、精准可靠的船舶导航自动化系统,三、船舶集成导航系统,1）构造新型集成导航系统的必要性,2）“技术集成”构造新型集成导航系统的可能性
7、,导航设备的发展趋势：已经出现了系统综合应用趋势，包括移动通信、导航、组合导航与数据船桥等一体化应用 组合导航系统INS、IBS的发展特点和趋势：已经都在融入新发展的技术，如电子海图显示技术ECDIS 、具有航行专家系统的智能自动航行系统，以及船载自动识别技术AIS 电子计算机技术的迅猛发展为新系统技术集成提供了重要条件,系统由输入传感器及接口、中央处理机、系统控制软件及输出设备构成,3）新型集成导航系统构成原理,三、船舶集成导航系统,PC终端显示,自适应数控自动舵,打印机,输出设备,输入传感器及接口,各种传感器只保留其信息源，逐步改造成传感信息头，不再生产整机，取消原来的信息处理、显示及电源
8、单元，相关部分融入系统中。,船位：GPS接收机、DGPS、GLONASS、GNSS 航向：由陀螺罗经头提供 航速：由计程头提供 水深：由测深头提供的实时水深数据 无线电导航系统：由LORAN-C、DECCA接入导航数据 气象海况：由FAX头接收气象信息经处理得到的气象数据或经无线接入网络下载的海洋气象数据 风向、风速：由风向、风速仪提供的数据用于计算航迹并显示于控制台 雷达图象及ARPA数据：将接收来自雷达头的原始视频、触发脉冲、天线方位信号送入中央处理机，由后者实现雷达及ARPA的诸功能； 引擎数据：主机回转速率与螺旋桨螺距数据，送入中央处理器； 通信：卫星C站用于传输ENC改正数据及其他安
9、全业务通信； VHF：用于传输AIS信息。,综合探测 统一处理 实时通信,三、船舶集成导航系统,三、船舶集成导航系统,中央处理机,经综合接口接入各传感器数据，在系统软件控制配合下完成各传感器信息数据的处理、管理和控制，并将结果送输出设备。 主要处理的内容包括：,各种导航数据的组合优化滤波处理 罗航向数据的处理与显示 航速数据的处理与显示 水深数据的处理与显示 雷达信号数据处理完成原来雷达、ARPA、所有功能的有关处理 气象数据的处理与显示 ECDIS数据处理实现系统功能的有关处理 IBS信息处理及实现系统功能（含自动避碰功能）的有关处理 AIS信息处理,收发控制及实现监视功能 VDR所需的数据
10、采集、处理与传送控制,系统控制软件,辅助中央处理机完成各传感器信息数据的处理、管理和控制 主要包括：,1）导航信息组合优化处理与管理软件,各种导航仪硬件接口软件：完成数据接收,优化船位滤波处理以获得船位的最佳估计,雷达数据-PC接口卡软件：完成雷达回波信号相关处理并与电子海图叠加显示。,ARPA功能软件：完成目标自动检测,滤波跟踪,参数计算,碰危判断,报警,试操船及自测试等功能。,2）航向数据处理与显示软件,三、船舶集成导航系统,3）航速数据处理与显示软件,4）水深数据处理与显示软件,5） ENC显示预处理及改正软件,6）电子海图显示功能软件,该软件控制、选择按ECDIS标准所要求的底层显示、
11、标准显示及全信息显示；控制电子海图的缩放、平移、漫游及本船航行到图边界时自动换图；目标信息查询；电子海图显示的图象指向模式及本船运动模式的选择等。,三、船舶集成导航系统,7）航海功能软件,最佳航线设计，航法计算,航路监视：当本船偏航、穿越非安全区、航行到图边界等情况时进行自动判断并发出警告和指示,航行记录：自动记录航行有关数据，自动生成航海日志，需要时可进行打印,8）自动避碰功能软件,用于分析相遇船和本船的态势及本船运动状态、查询知识库并选出避让方案或由推理机将相关数据、信息有机地综合成专家系统，经过学习、推理，自动给出避碰方案。在给出的避让方案中计算船舶数据并执行。,9）气象、风向、风速信息
12、的接收与处理软件,10）自适应数控舵控制软件,用于检测本船3种航行模式（计划航向、修正航向、保持航迹）之一的偏差，计算修正舵角数据，并控制数控舵执行，控制过程具有自适应性质。,三、船舶集成导航系统,三、船舶集成导航系统,11）机舵引擎数据接收与管理软件,12）数据装载及稳性、强度计算软件,13） AIS信息处理与控制软件,包括船舶静、动态数据库，对收发信息的处理、管理及控制和基于SOTDMA等技术的通信协议，通讯方式及显示控制等有关软件。 将本船信息编码后送VHF发射，将VHF接收的周围相遇船信息解码后存储，本船与其它船舶航行数据等信息送主控台并显示在屏幕上。,14） VDR信息处理与管理软件
13、,15） 用户界面软件,三、船舶集成导航系统,输出设备,a. PC终端显示,可选择显示底层、标准和全信息电子海图 本船计划航线，航迹标绘 气象信息（传真图及海洋气象台数据）与电子海图重叠显示; 雷达视频与电子海图实时重叠显示; ARPA跟踪目标的动态标绘; 基于AIS的本船与周围相遇船自动避碰态势显示; 图象指向、航速、航程、预计抵达目的港时间(ETA)、实时水深、风向、风速、货运装载及机舱有关数据的显示,该显示器是ECDIS、INS、IBS、雷达、ARPA等诸多设备显示功能的综合,主要显示的内容有：,三、船舶集成导航系统,三、船舶集成导航系统,b. 自适应数控自动舵,由中央处理机输出根据选用
14、的航行模式的偏差而计算得到的修正舵角数据送自适应数控自动舵，并控制其执行。,c. 打印机,将中央处理机输出的舵行有关数据按一定格式、一定时间间隔自动打印、保存,三、船舶集成导航系统,4）新型集成导航系统主要功能,可提供高精度的船位、航向、航速数据及水深、气象与海况等信息； 提供标准电子海图数据库及选择显示底层、标准或全信息电子海图，显示的电子海图可缩放、平移、漫游,当本船船位移动到图边沿时会自动换图； 雷达图象与ARPA信息可与电子海图重叠显示，可测目标到本船的距离、方位及任意两点的方位和距离； 在电子海图上可进行航线设计、修改、存储及航法选择、航迹监控与保持； 具有基于AIS信息的智能自动避
15、碰专家系统与避碰功能； 具有货物装载及船舶稳性、强度计算与显示功能；,三、船舶集成导航系统,四、总结与展望,这种通过技术集成达到功能集成的新型导航系统可明显减少设备数量、重量、显著提高性能价值比。根据不同船舶需求，采用模块功能设计，可以形成系列产品。 从长远来说，在综合各种设备(系统)性能标准基础上，需要重新制定新型导航系统性能的国际标准。可望这种新型导航系统将改变船舶驾驶环境，促进全船自动化的进程。,四、总结与展望,电子海图显示与信息系统ECDIS是集多种功能与技术为一体的系统，是目前船舶集成导航系统中的核心部分，基本组成部分如下图所示：,ECDIS（ Electronic Chart Di
16、splay and Information System ）,ECDIS（ Electronic Chart Display and Information System ）,目前ECIDS的主要功能有: （1）与高精度的导航设备、精确的避碰装置、全天候的无线电通信等设备相结合，能够实时动态地显示海洋信息和航海信息； （2）能够自动完成各项海图作业：如拟定计划航线、标绘航迹、图上量算、导航计算等，能够判断航行中的各种危险状态，并能对图上要素定时进行检查以防角虫礁和搁浅； （3）能够将海图信息、导航数据、雷达信息综合显示在大屏幕上； （4）能够动态地显示船舶的位置及其计划航线和实时航迹，并给出修
17、正方案，使船舶按预定航线航行； （5）能够随时查询各种海区条件和水文气象情况；,船载自动识别系统AIS，是一种船舶导航设备，通过自动识别船舶和提供一种船舶进行语音和文本通信的方法，增强船舶导航系统的海事通信能力和避碰能力。AIS的基本组成部分如下图所示：,AIS（ Automatic Identification System ）,船用电子通信接口,AIS（ Automatic Identification System ）,目前AIS的主要功能有: （1）自动识别：包括船舶识别码、船型、船位、航向、航速、航行状态和其他与安全有关的静态信息和动态信息。基于AIS信息的自动标绘功能，提供的两船的碰撞参数不受气象、海况因素的影响，比ARPA雷达的自动标绘更精确、更实时、更可靠。 （2）信息交流：自动连续地向岸台和其他船舶提供船舶信息，并且自动接收、处理船位、航向、航速等传感信息。加强船舶间信息交流，增强船舶避碰功能 （3）海事管理：提供船位和操纵信息以便于管理当局和其他船舶精确跟踪和监视船舶动态。,AIS接受器及天线,
