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船舶定位与航行手法

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  第六章 船舶定位与航行方法 航线设计:船舶开航前,由二副设计一条安全、经济的航线。 航行过程中,驾驶员保持船舶安全、经济地航驶在计划航线上。 推算定位(航迹绘算、航迹计算) 陆标定位(如方位定位、距离定位) 天文定位(太阳、星体定位) 无线电定位(雷达、卫星定位) 航行过程中,驾驶员进行船舶避让、避礁和导航。 保持船舶、货物营运安全。 多媒体制作 张寿桂 测定船位的方法 航海教研室 1 一 航迹推算 航迹推算(Dead reckoning system): 根据船舶最基本的航海仪器——罗经和计程仪所指示的航向、航程 和风流资料,在不借助于外界导航物标的条件下,从已知的推算起 始点开始,推算出有一定精度的船舶航迹及某一时刻的船位。 航迹推算有以下两种方法: (1)航迹绘算法(Track plotting),即海图作业法(Chart work)。 它是在海图上根据航行要素直接画出航迹和推算船位来,这是目前船舶航 行中常用的方法; (2)航迹计算法(Track calculation)。它是采用数学计算的方 法,根据航行要素计算出航迹和推算船位的数值,然后画到海图上 去指导航行。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 2 航迹绘算 航迹绘算法即海图作业法,它主要解决如下两类问题: (1)根据船舶航行时的航向、航程和风流要素,在海图上直接作 图画出推算航迹和船位; (2)在海图上根据计划航线和风流要素,预配风流压差,作图画出 应驶真航向和推算船位。 航迹绘算法简单、直观,所以它是船舶航行中驾驶员进行 航迹推算的主要方法。航迹推算相关规定请参阅中华人民 共和国交通部规定的《海图作业试行规则》。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 3 无风流航迹绘算 船舶的航行计划中,在海图上由起航点、转向点和到达点之间 的连线,叫作计划航线。计划航线就是船舶航行要走的计划航 迹。计划航迹的前进方向,叫作计划航迹向(Course of advance),代号CA。 无风流情况下的推算 在无风流情况下 ?计划航迹向CA ? 推算航迹向CG ? 真航向TC ? ? 推算航程SG ? 计程仪航程S L 无风流情况下的推算船位可按计程仪航程SL在计划航线上截取求得。 无风流情况下的推算船位又称积算船位DR(Dead Reckoning Position)。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 4 无风流情况下航迹推算的作图方法举例如下: 作出推算起始点船位,如图0800船位 画出计划航线 按计程仪航程SL,如0800~1000 计程仪航程为30n mile,在计划航线船位向航迹向方向截取推 算航程30n mile,在计划航线上画 一与经纬线平行的小“+”字,表示 1000推算船位 + 1000 28′.6 0800 00′.0 图上标注 推算船位附近,用分数形式标明船位的时间和当时的计程仪读数 在计划航线上,标注计划航迹向、罗航向和罗经差(或陀罗航向和陀罗差)。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 5 有风无流航迹绘算 有风无流情况下航迹推算的作图方法 船舶航迹叫作风中推算航迹线(Leeway track),它的方向,即由真北 线顺时针方向到风中推算航迹线的夹角,叫风中推算航迹向,用CA?表示。 ?左舷受风,?为“?” CA? ? TC ? ? ? ?右舷受风,?为“?” ?计划航迹向CA ? 风中航迹向CA? ? 真航向TC ? 风压差? 在有风无流情况下 ? ? 推算航程SG ? 风中推算航程? S L sec? 根据当时的风舷角、风速和船舶装载情况查风压差表,确定风压差值?。 船舶真航向TC=CA-?。再将真航向换算成罗航向或陀罗航向,以此驾驶 船舶即可使船舶航行在计划航线上。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 6 有风流航迹绘算 如果船舶同时受到水流的作用,船舶还将随着水流的流向CC,以流速VC作漂流 运动,结果船舶将沿着和的合成矢量,即推算航速(Speed made good)矢量 航行。显然VG=V? +VC。这时的船舶航迹叫作推算航迹线,它的方向,即由真北 线顺时针方向到推算航迹线的夹角,叫推算航迹向(Course made good), 并用CG表示。 风中推算航迹与推算航迹之间的夹角,叫作流压差角(Drift angle),简称 流压差,代号为?。 CG ? CA? ? ? 左舷受流, ?为“?” 右舷受流, ?为“?” ? 船舶的真航向线和推算航迹之间的夹角,叫作风流合压角(Leeway and drift angle),简称风流压差,代号为?。 CG ? TC ? ? 船舶偏在航向线右面, ?为“?” 船舶偏在航向线左面, ?为“?” 多媒体制作 张寿桂 ? 航海教研室 7 从风流推算的起始点A作风中航迹线 在其上量得AB=SLsec?=12 n mile 根据流向000?,流速3kn, 从B点作水流矢量,求得C点 AC为要求的推算航速矢量VG 从图中量得: A NT C TC VC=3kn CG=080? B CA? 推算航迹向CG=080? 推算航速VG=12.2kn 流压差β=CG-CA? =080?-094?=-14? ? 多媒体制作 张寿桂 =?+β =-10? 航海教研室 8 航迹计算 航迹计算法 根据推算起始点的经纬度、航向、航程和风流资料,运用 数学计算的方法求取到达点经纬度或航迹,或根据起讫点 的经纬度求取该两点间的航向和航程的方法。 一般情况下,航迹计算法指的是恒向线)使用小比例尺海图时,航迹绘算作图误差较大,辅以 航迹计算,可提高航迹推算的精度; 2)在渔区、雾区、避让中等需频繁变向、变速的条件下 航行,海图作业困难,采用多航向航迹计算法,可求取 较为准确的推算船位; 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 9 航迹计算 3)当起航点与到达点不在同一张海图时,可用航迹计算法 来帮助海图作业; 4) 航迹计算是自动导航的基础。 现在IBS、ECDIS等自动导航系统都采用航迹计算模型 进行相应的航迹推算。 航迹计算的结果需要标绘到海图上去,方能用于指导船舶 航行。因而,航迹计算不能完全替代航迹绘算,只能作为 航迹绘算的补充。 航迹计算的核心问题,是计算到达点与起航点之间的纬差 D?和经差D?。只要求得D?和D?,则可用下式求取到达点 的经纬度: ?2=?1+D? ?2=?1+D? 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 10 D? =ScosC Dep =SsinC 东西距Dep(Departure): 两点间恒向线航程S的东西分量。 纬差: D? 两点间恒向线航程S的南北分量。 D?=Dep sec?m = Dep sec((?1+ ?2)/2) D? ? DMP ? tgC 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 11 二 陆标定位 虽然在航海上利用航迹推算方法可以求取推算船位,但是由于 本船的航向、航程和风流要素等无法正确掌握,可能使推算船位 和实际船位相差甚大。 在海上,还可以利用陆标、天体以及各种电子导航系统进行船 位测定,简称定位(Fixing position)。 陆标定位(如方位定位、距离定位) 测定船位的方法 天文定位(如三星定位) 电子导航定位(如GPS定位) 陆标(Landmarks):指在海图上标有准确位置的可供观测并用 以导航定位的陆上物标的统称。 陆标定位(fixing by landmarks):是指观测陆标的方位、距离、 方位差或它们的组合等来确定船位的方法和过程。 12 陆标船位及海图标注 如能同时观测两个或两个以上陆标的导航参数,可以获得同一 时刻的两条或两条以上的船位线,它们的交点即为观测时刻的 观测船位。 在位置线的交点画一 小圆圈☉作为陆标定位 的船位符号。 常用的陆标定位: 方位定位 距离定位 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 13 选用定位的陆标 首选物标——灯塔,孤立尖顶小岛。 用于目测的其它良好物标: 山峰、岬角等。 原则:海图有准确位置且明显的可观测 的物标。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 14 陆标的识别 陆标定位时,必须准确无误地辨认物标。 航海上辨认物标的常用方法有: 1.利用对景图识别 在航用海图上或 航路指南中附有 某些山形的照片 或图片,即对景图, 并注明该图是在 某一方位、距离上 观看时的形状。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 15 2.利用等高线识别 在大比例尺海图上,山形通常 以等高线来描绘。 等高线愈密,表示山形愈陡峭 等高线愈疏,表示山形愈平坦 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 16 3.利用实测船位识别 利用已知物标测定船位的同时,测出前方未知物标的方位。 在海图上画出船位后,从船位画出所测的方位线。 重复进行该步骤。 A B C 则从两、三个实测船 位所画出的方位线将 基本交于海图上的某 一物标,该物标即为 待识别的物标。 CA 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 17 方位定位 测方位的仪器 罗经 陀螺罗经复示器 或磁罗经 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 18 测方位的仪器 航海雷达 可利用雷达电 子方位线观测 物标的方位 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 19 方位定位 同时观测两个或两个以上陆标的方位来确定船位的方法 和过程称为方位定位,也称为方位交叉定位 (fixing by cross landmarks)。 方位定位观测作图简单、迅速,是海上常用的定位方法。 在航海实践中,通常采用两方位和三方位定位。 在海上,近距离(小于30海里)中低纬度海区航行时,一般 将方位位置线近似认为是恒向线方位线,即直线。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 20 1.两方位定位 同时观测两个陆标的方位,可以获得同一时刻的两条方位 位置线,其交点即为观测时刻的观测船位。 定位步骤 通常通过选、测、算、画等步骤来进行定位。 选 测 算 即合理选择和正确确认准备观测的物标 即观测,在海上利用磁罗经或陀螺罗经复示器观测 A、B物标的方位可得到相应CB1,CB2或GB1,GB2 即换算,将CB1,CB2或GB1, GB2换算成线+?G 多媒体制作 张寿桂 TB2=CB2+?C=GB2+?G 21 航海教研室 画 即在海图上根据算出的真方位画出两条方位位置线, 其交点就是所求的观测时刻的观测船位。 A B 从物标A按TB1 的反方向 ( TB1±180? )画出船位线? )画出船位线 则两条船位线就是 观测时刻的观测船位。 θ为两船位线的夹角。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 22 距离定位 若能同时观测两个或两个以上物标的距离,然后在海图上以 观测物标的位置为圆心,以观测距离为半径画出距离位置线, 则两条或两条以上距离位置线的靠近推算船位的交点就是观测 时刻的观测船位。 B A 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 23 航海上测定距离的方法 用雷达观测本船到某一 物标的距离(可用雷达的 固定距标圈Rings或活动 距标圈VRM进行测量) VRM 用六分仪观测物标的 垂直角求距离 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 24 三距离定位 同时测得视界内三个 物标的距离后,在海 图上分别以三个物标 为圆心,以所测距离 为半径画圆弧,得到 一个交点或小三角形, 即为观测时刻的观测 船位。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 25 移线定位 在某一时刻只能测得一条位置线,能否确定观测船位? 该位置线与推算航迹向或计划航迹向CA的交点是否为该 观测时刻的船位? No,什么都不是,既不是推算船位,也不是观测船位。 那么在上述情况下,测得的该位置线是否没有用处? 根据观测船位的含义,显然它是同一观测时刻两条或以上 的位置线的交点,对于在同一观测时刻仅能测得一条位置 线,可以采取位置线转移的方法将不同时刻的位置线转移 到同一时刻,而按“同一时刻”的两条位置线相交得到该 时 刻的船位,所获船位称为移线船位(Running fix)。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 26 在不同时刻T1和T2,对同一 物标M进行两次方位观测, 如图所示,则可以得到两条 不同时刻的方位线。 如果将前一时刻的方位位置 T1 线根据推算航迹向CA和推算 航程S,转移到后一方位线的 那个时刻上去,则转移船位线 与后一时刻的方位线 就是方位移线船位 (Running fix)。 F P2(T2) CA 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 27 综合定位 综合定位(联合定位,Combined fixing) 当用单一方法不能测定船位时,可利用各种不同性质的 船位线来测定船位。 主要的综合定位方法有: 方位和距离定位 方位和水平角定位 方位或距离与等深线定位等 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 28 二、天文定位 现代航海中,无线电航海技术迅猛发展,海上船位的精度 得到了充分的保证,但是作为船舶航行中原始的定位手段 之一,天文航海有其自身的特点,作为航海人员也应加以 充分掌握和了解。 天文航海主要研究的内容: 第一部分是观测天体定位:即船舶在海上航行时,可利用 太阳、行星和恒星等天体测定观测时刻的船位。 第二部分是观测天体求罗经差,即观测天体的罗方位同时 记下观测时间来确定罗经差。 航海教研室 多媒体制作 张寿桂 29 天体(Celestial body) 是宇宙空间各种天体的统称。 例如恒星(包括太阳)、行星(包括地球)、卫星 (包括月亮)、小行星、彗星、流星等等。 恒星是炽热发光的天体,围绕着恒星运行的天体称为行星, 围绕着行星运行的天体称为卫星。 航海上常用的天体称为航用天体(Navigational celestial body)。 航用天体有太阳、月亮和四大行星(金星、火星、土星和 木星)以及159颗航用恒星。即所谓的日、月、星辰。 航海上经常观测这些天体进行定位和测定罗经差。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 30 天球和天球坐标系 船舶在海上航行时,为了利用太阳、行星和恒星等天体测定 船位,必须了解观测时刻的天体位置和观测所得到的天体与 测者之间的相互位置关系问题。 人们通过一个假想的天球,把天球与地球、天体与测者通过 球面几何关系联系起来。 天球(Celestial Sphere) 在实用天文学中,将测者为中心,任意长为半径的空心的 假想球面定义为天球。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 31 天球 Z PN 天体在天球上的位置,可以 用投影的方法将天体投射在 天球面上。 B是天体B在天球上的位置。 b是天体B在地球上的投影 点,称为天体的地理位置。 (Geographical position) 空中每一个天体都可以求得 它在天球上的位置点,以及 与其相对应的地球上的地理 位置点。 A 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 32 与地球上用纬度和经度来确定某点位置相类似,确定天体 在天球上位置的球面坐标系称天球坐标系。 由于天球上采用的原点和基准大圆不同,可采用多种不同的天 球坐标系,在天文航海上常用的是赤道坐标系和地平坐标系。 天球上的基本点、线、圈 天球与地球点、线、圈对应表 地 球 天 球 地 轴 天 轴 北 极 南 极 纬 度 圈 天 天 赤 南 赤 纬 极航海教研室 圈 道 赤 道 经 度 圈 时 圈 格林 测者 经线 经线 格林 测者 午圈 午圈 33 天 北 极 多媒体制作 张寿桂 六分仪的结构 滤光片 航海六分仪(sextant) 动镜 架体 望远镜 指标杆 定镜 把手 刻度弧 刻度整度数 鼓轮 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 弹簧夹 34 在某一时刻,利用航海六分仪(专用测角仪器)观测某一天体的 高度(天体与水天线之间的垂直夹角),经过一系列的计算,可 以求得一条天文船位线。 如果同时观测了两个天体, ,则可得到两条天文船位线,该两条 船位线的交点就是天文观测船位。 天文船位圆 圆 半 心 径 : : 天 天 体 体 的 的 地 顶 理 距 位 Z=90? t -h 置 天体赤纬δ、 航海教研室 半圆格林时角t 35 G 多媒体制作 张寿桂 雷达定位与导航 “雷达” “Radar”是无线电探测和测距.利用目标对电磁波的二次辐射现 象来探测目标,并测定目标的距离。 “现代雷达”是利用电磁波的二次辐射、转发或固有辐射来探测目标,并测 定目标的空间坐标、速度、加速度、轨迹、姿态及某些特征信息的一个无 线电技术范围。 “航海雷达” :包括“船用雷达”和岸用“港口雷达”。 “船用雷达”: 装在船上,用来探测本船周围水面上各种目标(来往舰船、岛屿、 浮筒、冰山……等等)并测定目标距离和方位,主要用于船舶的 定位导航和 避碰,又称“船舶导航雷达”。 “港口雷达” :装在港口,用来探测港口水域水面上各种目标,以引导船舶安全 进出港(VTS)。 雷达定位就是用雷达测出物标的距离和方位,然后求出船位. 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 36 航海雷达测方位(可利用雷达电子方位线观测物标的方位) 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 37 用雷达观测本船到某一物标的距离(可用雷达的固定距标圈 Rings或活动距标圈VRM进行测量) VRM 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 38 1. 用微波; 2. 脉冲体制 ; ?船用雷达的特点 3. 终端用平面位置显示器(目标显示为屏上的亮点; 4. 自备系统 ; 5. 适应海上环境。 船用雷达出现于40年代中期,早已成为船舶重要的助航设备,常被称为船 长的“眼睛”,究其原因: ● 作用距离大,夜间、雨、雾通航能见度差时照“看”不误,有“千里眼”之称; ● 用显像管显示图像直观,是一种可直观船舶周围目标图像的助航设备。 ?雷达观测比人眼目测的特点 比 人 眼 高 明 距离远; 不受能见度限制; “千里眼”、比人眼高明。 显示图像直观, 图像比目测粗略、看不清; 精确测量定位方便。 不 如 人 有电气干扰背景时,比照片 眼 差得多。 一、雷达测距离和方位原理 测距原理 用脉冲测距法:测的是水平距离R。 雷达天线 R 目标 测距物理基础:目标反射; 等速直线R = C · △t R = C/2 · △t 式中: △t——电波在RD与目标间往返传播时间; C=3×108 m/s . H.L N 测方位原理 目标方位角:指真北到雷达与目标联线之夹角。 直线传播(微波) RD测方位物理基础 目标 天线定向收、发 本船 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 40 二、雷 达 基 本 组 成 收/发机(Transceiver) 天线(Antenna) 显示器(Display) 电源(power supply) 定时器(Timer) 基本组成 三、雷达定位 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 41 自动雷达标绘仪(ARPA) 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 42 《航海雷达与ARPA〉第二篇 Ch1 绪论 普通船用雷达用于船舶避碰的局限性 普通船用雷达在船舶避碰中的应用 船舶避碰包含“预测”和“避让”两个涵义。 ?预测:预测本船与相遇船在何时(何处)会存在碰撞危险。 ?避让:本船对危险船采取的避让机动。 ?普通雷达采用:人工标绘 目的:求出 CPA、TCPA 方法:相对运动人工标绘避碰法;真运动人工标绘避碰法 人工标绘的局限性:费时(3—7分钟)、麻烦;不直观、不准确; 难以应付复杂局面;真运动雷达用于船舶避碰 自动雷达标绘仪(Automatic Radar Plotting Aids )ARPA 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 43 现代电子导航系统 1.雷达定位与ARPA 2.卫星导航系统 GPS/DGPS 、 GLONASS 、 GNSS 、GALILEO等 3.组合导航系统INS 4.综合船桥系统 IBS 5.电子海图系统 ECDIS 6.自动识别系统 AIS 7.航行数据记录仪 VDR 8.港管系统 VTS 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 44 2 概述 组合导航由来 ?“导航”概念: 源于航海事业。古老的指南针、后来的磁罗经、 六分仪,均用于船舶安全航行的导航。 ?“现代导航” : 近代、现代的科技发展,促使各种新型运载工具相继出现,扩大 了 “导航”的概念:除保障运载体航行安全外、还为载体的监视、 测量、 武器装备等系统提供精确的导航信息(位置、方向、速度、时间等)。 ? 现代导航是技术综合性很强的一门高新科学技术学科。任何导航 系统都涉及到不断更新的导航信息的发射、传输、接收、处理、 控制与显示等。其中: ? 信息发射——已采用当代最先进的固态大功率合成技术; ? 信息传输——应用了伪随机编码与扩频技术; ?信息接收与处理—普遍采用了解码与解扩、微机及各种优化滤波 技 术; 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 ? 信息控制与显示——应用该领域所有的先进技术。 45 3 ? 随着科技发展,大规模和超大规模集成电路的问世以及微处理机 的普遍采用,使导航设备已进入小型化、数字化与全自动化,进 而实现无人值守的目标。 无线电导航系统的发展历史与现状一栏表: 测向仪 100nm 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 46 5 Navigation-A C 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 47 6 Navigation CDMA 不加SA 15m(2drms) CDMA 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 7 48 7 Navigation FDMA Navigation L1=1576.443MHZ L2=1228.397MHZ 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 49 8 上行L频段: 1610~1626。5MHZ 下行S频段: 2438.5~2500MHZ 覆盖 范围: 0N ~550N 5 0 0 卫星到中心站 70 E ~145 E 占全球1/3 1S内完成定位, 精度优于20m 年又发射 第三颗卫星 链路通信频段: 标准C频段 CDMA ?轨道倾角=00 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 50 9 9 系统名称 建立时间 工作频率 原理 作用 范围 精度 说明 动态 研发阶段 2002年3月 伽利略民用 导航定位系统 正式计划 启动。 首批两枚 卫星将于 2005年底 发射?2008 年建成 1202.025MHz 1278.750MHz 1561.098MHz 1589.742MHz CDMA 工作卫星: 27颗 备用卫星: 3颗 (2002-2005) 2-4颗卫星 地面设施建设 部署阶段 (2006-2007) 26颗卫星 地面站 运行阶段 (2008- ) 2003.10 . 30 中欧签署(伽 利略计划)合 作协定,投入 2亿欧元 我国依托国家 遥感中心具体 操作 全球覆盖 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 51 10 ?现状存在的问题: 任何一种现代导航设备或系统,均为完成其特定导航需要而产生, 均有其特点和局限性。长期形成了谁也代替不了谁及驾驶台仪器 越来越多的局面。 各个单一的设备不能同时满足下列现代舰船定位的新要求: (1)精确定位; (2)快速; (3)全球海域; (4)不断拓展的应用领域:军用→民用→家庭。 (5)连续性(全天候、不受时间限制); (6)经济性; (7)保密、独立性。 无线电导航发展历史 无线年代问世的无线电测向系统以来发展的 各种系统 约有 100 个投用,其发展趋势是: (1) 基站:岸基→星基→星基与岸基相结合; (2) 功能:单功能→多功能; (3) 距离:近→远→全球; 多媒体制作 张寿桂 定位精度:粗→精、厘米级; 航海教研室 (4) 52 4 卫星导航系统 全球定位系统 GPS Global Positioning System GPS发展过程 1957.10 由前苏联发射世界上第一颗卫星成功后,利用卫星进行定位和导航 的研究工作提到了议事日程。 NNSS 1958年至1964.1美国研制成功子午仪导航系 统(Transit Navigation System—TNS)或称海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System— NNSS),先是投入军用,1967.7起提供民用服务。 NNSS局限性 (1)定位精度低: 停航船定位误差为0.05nm, 航行船定位误差为0.3~0.5nm; (2)只提供二维坐标: λ、 ? (3)不能连续定位:两次定位间隔为1~2 h ,几个小时,甚至十几个小时; (4)受大气影响严重。 航海教研室 53 GPS : 1973年开始研制GPS全球定位系统, “GPS”是Global Positioning System 的字 头缩写,也曾称为“NAVSTAR”是 Navigation Satellite Timing and Ranging的 字头缩写。 1) GPS实施计划分三个阶段 第一阶段: 1973~1979 方案论证、初步设计阶段。发射4颗试验卫星,研制 地面接收机及跟踪网; 第二阶段: 1979~1984、 全面研制和试验阶段。发射7颗卫星,研制导航、 测地型接收机,定位精度用粗码可达14m的定位精度; 第三阶段: 1984~1995 实用组网阶段。 1989. 2. 4 发射成功第一颗工作卫星, 1993.7 建成实用的GPS网(21+3)GPS星座, 1993.9~1994.3 又发射3颗工作卫星, 1995年底 完成24(工作卫星)+3(试验卫星)布星计划。 GPS系统组成 空间部分 由三部分构成 地面控制部分 用户设备 ▲ GPS是全球、全天候、高精度、高 可靠性、连续定位的卫星导航系统 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 54 空间部分 卫星配置和运行周期 卫星星座—导航卫星网 备用卫星 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 55 工作卫星分布基本参数: 工作卫星: 轨道: 24 颗 6个 椭圆 , 近于园形 20183km 0.003→ 0.01 55? 60? 轨道高度: 扁心率: 轨道倾角: 相邻二轨道经度相隔: 每轨道内卫星间隔 互为: 1200 备用卫星: 卫星运行周期 : 3 颗 12h 每颗卫星绕地球2圈与地球自转一圈的时间相同,保证全球任一 点在 任何时候均能至少观测到5颗卫星,至少有4颗卫星在地平线? 。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 56 地面控制部分 包括 系统构成框图 f1=1572.42MHz f2=1227.6MHz 监测站(5个) 主控站(1个) 注入站(3个) 科罗拉多洲 斯普林斯 综合航行控制中心 f=1783.74MHz 关岛.夏威夷.夸贾等岛.埃尔门 多夫空军基地和范登堡空军基地 太平洋关岛,大西洋阿森松岛 (1).连续监测卫星; (2).在卫星过顶时,收集卫星发送的导航信息 (无人值守); (3).收集当地气象数据。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 (1).当卫星过顶时,将导航信息注入卫星,并监测注入 的导 航信息是否正确; (2) 每颗卫星的导航数据每天至少注入1~2次注入 57 新的 导 航数据; 用户设备 可有海、陆、空、空间用户设备,用于导航定位、测量、制导和授时。 用户估算位置数据 星历,星书 距离 距离变化率 时间及校正 参数 位置等数据 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 58 GPS工作原理 1. 定位原理 GPS接收机接收卫星发布的导航信号中的测星历表信息 知卫星位置 用精密钟 用非精密钟 伪距测量原理图 测Δt,知距离 三星三维定位 测几颗星距离,得用户位置。 测伪距,四星三维定位 多媒体制作 张寿桂 ΔRsi= C · si Δt 航海教研室 59 差分GPS系统 Differential Global Positioning System DGPS GPS优缺点 优点: (1) 全球全天候; (2) 定位精度高; (3) 一次定位时间短(几秒至几十秒); (4) 抗干扰;(信号能量“凝聚”成窄带,噪扰“均化在宽带内”, S/N?) (5) 保密性能强(采用伪码扩频,被检测难;伪码结构多,被解扩难)。 缺点: (1) 一国所有,军方控制,受制于人; (2) 分二级定位精度:虽然美国政府于2000.5.1宣布停止SA政策, 使标准定位精度重新回到约15m,但也难满足许多领域需求; (3) 用户接收信号弱,f 固定,易受控方人为局部干扰; (4)卫星数有限,在覆盖空隙区不能正常使用。 民用C/A码的定位精度难以满足海洋,岸区导航用许多其他领域应用 的要求,如下表: 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 60 应 用 定 项 目 位 精 度 要 求 M (2σ) 进 港 筑 石 人 海 三 出 口 港 油 工 底 维 港 V 工 钻 地 管 地 及 T 程 井 震 缆 震 窄 S 探 铺 调 航 测 设 查 道 8 5 5 5 3 5 ~ 10 ~ ~ ~ ~ ~ 20 15 30 10 10 20 航 道 测 量 航 道 疏 浚 打 捞 救 助 内 河 航 行 航 标 定 位 水 文 测 量 海 洋 科 研 1 ~ 5 2 ~ 5 3 10 5 ~ ~ ~ 10 20 10 3 ~ 6 30 ~ 100 在某些陆上及军事应用中,要求更高,如: 精密地图测绘,要求精度达 前沿阵地侦察 要求精度达 0.1~10米 1 ~ 10m 可使导航定位精度提高到8~12米; 采用DGPS技术 定点定位精度可小于5米; 载波相位差分,三维定位精度可达厘米级。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 61 我国北斗卫星导航系统 概述 我国于2000.10.31和2000. 12.21发射2颗相距600的“北斗一号”地球静止卫星 (GEO),建成了“北斗卫星导航系统”。 2003.5.25又发射第三颗“北斗一号”导航定位卫星的备份星。 2003. 6.1 “北斗运营服务平台”正式开通,标志我国已拥有了完全自主的 卫星导航系统,大规模应用进入实质性阶段,为覆盖范围内的入网注册用 户提供定位、导航、通信和增值信息服务。 系统组成与功能 1.系统组成 系统由北斗卫星网、地面控制中心站和北斗用户设备三部分组成 卫星网 : 2颗静止(地球同步轨道)工作卫星,1颗备用,共3颗卫星。 卫星上具有信号转发装置,完成地面控制中心站与用户终端之间的双向 无线电信号的中继任务。 轨道高度: 36 000km左右,属同步轨道。 轨道倾角:约0 。 多媒体制作 张寿桂 0 航海教研室 62 2.系统功能 (1)可提供区域性、全天候、高精度、连续、快速、近于实时的定位与 导航。 1次定位时间: < 1s 定位精度: 优于20m; 星座也是卫星导航增强系统的转发卫星,使DGPS的定位 精度为2~5m 。 (2)可提供双向数字(报文)通信,1次可以传送120个汉字信息。 (3)可提供100ns的双向授时和20ns的单向授时精度。 北斗卫星导航工作原理 “北斗卫星导航系统”是双星定位系统。系统用2颗经度相距600的地球静止 卫星﹙GEO﹚对用户双向测距,用1个配有电子高程图库的地面中心站进行 位置解算定位。用户利用北斗卫星导航仪向地面中心站发出定位请求,地 面中心站对导航仪天线进行定位解算后将定位信息发送给用户或相关调度、 控制指挥部。地面中心站也可以主动利用北斗卫星对用户定位,保留全部 终端用户的位置及时间信息,对用户进行监控。 多媒体制作 张寿桂 定位过程如下图所示: 航海教研室 63 伽利略民用导航定位系统 Galileo系统的基本服务有:导航、定位、授时 Galileo系统的特殊服务:搜索与救援(SAR功能)。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 64 伽里略卫星分布图 30颗卫星 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 65 Galileo系统应用 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 66 Galileo系统应用 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 67 Galileo系统应用 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 68 航次计划与航线设计 在开航之前必须做好周密的航行计划,特别是远航和到一个陌生 的海域和港口,就显得特别重要。在制定航行计划时,首先考虑 的是航行安全,其次才是缩短航程、节约燃料和减少航时等问题。 航线设计的原则:安全、经济 制定航行计划的步骤 1.明确航次任务 2.研究资料:研究必要的航海图书资料,了解气象情况,选定 航线。在总图上粗略画出航线.估算时间:根据概略航程和航速,估算所需的航行时间,初 步确定进出港及通过重要航线,并在航用海图上准确地画出整 个航线,求出航程和航行时间。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 69 制定航行计划的内容 制定航行计划前,根据航次命令首先应了解航次任务和船舶、货物等情况, 然后: 1.备妥和改正航海图书资料 2.配备人员、准备和检修各种助航仪器 3.仔细研究有关的航海图书资料,了解航区的详细情况 4.确定航线.掌握进出港和通过重要航段或物标时机 6.预算时间 7.计算燃料装载量 8. 通过重要水域或水道航行注意问题 9. 编制航线表 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 70 大洋航行方法 一、大洋航行航线 大洋宽广,水深较深,航行障碍物较少,所以大洋航线具有较大的选择性。 航海实践中对常见大洋航线的了解主要来源于航海图书资料和航海经验。 大洋航线根据地理条件的许可,一般采取以下几种不同性质的航线)大圆航线)混合航线 二、大洋航线的选择 在选择大洋航线时,一般应考虑以下几个因素: 1.气象 2.海流和海况 3.航行障碍物 4.定位与避让条件 5.本船条件 6.缩短航程 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 71 三、大洋航行注意事项 在大洋航行中,正确选定航线,采用最佳方案,是很重要的。但是为了弥补 航线选定方案中的中足,以及根据变化的情况不断修正航线,在航行中采取 及时、正确的航海措施,也是保证航行安全不可缺少的重要环节, 其中包括 : 1.认线.抓住每一个测定船位的机会 3.掌握转向点 4.注意接海岸前的安全 5.其它航海工作 1)注意收听各地有关气象台的天气预报和接收气象传真图,并坚持本船的气 象观测。 2)按时收听航行海区的无线电航海警告,并及时进行必要的改正工作。 3)根据时区按时钟 6.空白定位图的使用 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 72 沿岸航行方法 一、沿岸航行特点 沿岸航行离岸较近,地形复杂,航行危险物较多,水深较浅,受潮流影响 较大,且来往船只和各类渔船比较密集,所以给沿岸航线的选择带来一定 的难度;但是沿岸航行航海资料较完备,海图资料测量精确,记载详细, 对于航海员挑选适合自己的航线也带来一定帮助。另外,在许多重要的沿 海水道都实行了分道通航制,这些都有助于沿岸航线的设计。 二、沿岸航线的选定 沿岸航行由于季节、往返和能见度等的不同,航线也不是固定不变的。在 具体选择航线时,应做好以上三项工作: 1.分析航次情况 2.研究有关资料 3.预先设计好航线以安全和经济为原则。 1)尽可能采用推荐航线)确定适当的航线)确定航线)定位与转向条件 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 73 狭水道航行方法 一、狭水道航行特点 航航狭窄、弯曲、水深浅,变化大;离危险物近、水流情况复杂; 来往船只密集,避让余地小; 可供定位的物标多、距离近,物标的方位变化较快。 用一般的航海定位方法,在速度和精度上都不能确保航行的安全。因 此 必须预先研究掌握各物标特点,采用目视引航方法来确保狭水道航行 的安全。 二、狭水道航行导航方法 1.浮标导航 2.叠标与导标导航 3.避险位置线.GPS和DGPS导航 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 74 雾中航行方法 雾中航行的最大特点就是能见度不良,视线受到限制;其次,由一于采用 安全航速后,风流对船舶的影响加大。因此,雾中航行应从这一特点出发, 处理可能遇到的定位、导航、避让中的各种困难情况,确保船舶的航行安全。 雾中航行的注意事项 1. 船舶进入雾区前做好下述各项准备工作: 1)尽可能准确地测定船位,了解周围船舶动态; 2)按章采取安全航速和施放雾号; 3)变自动舵为人工操舵; 4)开启雷达、VHF,并派出必要的瞭望人员; 5)全船保持肃静,打开驾驶台门窗,以保证一切必要的听觉和视觉瞭望,并闭所有 的水密门窗。 2.雾航中,适当增加航线.切实仔细地做好航迹推算; 4.随时掌握能见度的变化; 5.充分利用听觉瞭望: 6.加强瞭望,利用一切手段测定船位;(利用电子定位系统 、测深辨位和 导航、逐点航法 ) 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 75 航行值班 一、航海日志 航海日志(log book)是船舶重要的法定文件。完整和准确地填写航海日 志值班驾驶员的重要职责。驾驶员在值班期间,应对船舶的航行或停泊活 动保持完整的记录。航图日志是积累资料、反映船舶运输生产过程及其指 标的最重要的原始记录和统计资料,也是分析总结经验时不可缺少的重要 依据。 航海日志填写内容 航海日志的填写内容包括:航行中与海图作业有关的内容及用以保证航 行安全而进行的观测计算结果和采取的措施等,诸如海滩、救助、人员死亡 、出生、航线的变更、主要船职务的变化及消防、救生等演习与设备检查; 船舶停泊中的生产和其它有关活动;中化人民共和国交通部公布的《海图作 业试行规则》中对航海日志记载内容的规定。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 76 航海日志分左页和右页。 左页有四个部分:航行记录部分;气象、海况记录部分;舱水测量记录部分 和中午统计记录部分。 右页记录航行、停泊或修理活动中无法在左页记录的内容,主要包括:船舶 的动态、货物装况、航行措施、前后吃水、重要船位、天气海况等。 填写注意事项 1.航海日志由值班驾驶员负责填写,不论航行或停泊都不得中断。航海日志 大副负责保管及管理,船长负有检查、督促之最高责任。 2.记载时必须按活动发生的时间顺序进行,不得留有空页和空格。 3.航海日志应记载原始数据。 4.记载航海日志时应细心,如记载有误,被划去的部分仍应清晰可见,并在 改写处由合修改人签名以示负责。交班时应在本班记载内容之后签名。 5.应用蓝墨水钢笔填写,字迹要端正清楚,语句要明确简练。 6.船舶如果发生海事,应详细记载当时情况,留作事后分析和处理用。在不 得已弃船时,船必须将航海日志及有关海图随身携带离船,妥善保存,以供海事 调查之用。 7.用完的航海日志由船上保存三所后交公司保存。 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 77 二、航行值班规则 《中华人民共和国海船船员值班规则》内容 (1)总则 (2)航次计划及值班安排 (3)航行值班应遵守的原则 i. 值班驾驶员 ii. 了望 iii.值班安排 (4)不同环境下的航行值班 i. 能见度不良 ii. 夜间航行 iii. 沿岸和拥挤水域的航行 iv. 引航员在船时的航行 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 78 (5)轮机值班应遵守的原则 i. 值班轮机员 ii. 值班安排 (6)无线电值班应遵守的原则 第80、81和82条 (7)港内值班 i. 港内值班应遵守的原则 ii. 运载危险货物船上的停泊值班 (8)船员健康适任要求 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 79 多媒体制作 张寿桂 航海教研室 80

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