船舶导航应用
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21世纪船舶集成导航系统
一、船舶导航发展历史及现状 二、船舶导航发展存在的问题 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
一、船舶导航发展历史及现状
船舶导航发展历史
• 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
司南
六分仪
机械式计程仪
多普勒计程仪
一、船舶导航发展历史及现状
• 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。
• 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
导航专家系统
• 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。
能用于避免船舶间避碰。
二、船舶导航发展存在的问题
• 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） 、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。
2. 相同的综合信息优化处理 3. 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
4. 类同的需报警要及新打印型记录船舶集成导航系统
三、船舶集成导航系统
三、船舶集成导航系统
1）构造新型集成导航系统的必要性
• 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
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
• 在设备集成的各种系统中，子系统重复配置 • 各种设1备. 界相面同分的散传，感操器纵输使入用接繁口杂要求，提供相同的传感信息，如:船位经 • 用于集成的纬设度备、本航身向局、限航性速，、影水响深集、成风系速统、的风性向能、流向、流速等
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。 • 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” • 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
的船舶导航自动化系统
2）“技术集成”构造新型集成导航系统的可能性
• 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
GPS 全球卫 星导航
定位精度高，全球、全天候，能 连续定位
需要复杂定位设备，非自主式，受制于人， 当前我们只能接收民用的 C/A 码，战时很 难保证能正常使用
无线电导航 定位误差不随时间积累
但易受外界干扰、易被发现，需导航台站
天文导航
用于船舶易受气象、云层、昼夜影响
二、船舶导航发展存在的问题
2）组合导航 INS/IBS 及其局限性
船载雷达天线
激光陀螺仪 AIS一体机
船载GPS终端
现 状
二、船舶导航发展存在的问题
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：
优势
劣势
惯性导航
自 相 期主对 精式精 度导度 和比 稳航较 定系高 性统，，，有且不非隐受常蔽外好性界的好干短扰，误时差间随也时较间长而，积且累 成， 本加 昂温 贵时间和初始对准
• 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
三、船舶集成导航系统
3）新型集成导航系统构成原理
• 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
PC终端显示 输 出 设 备
自适应数控自 动舵
打印机
Baidu Nhomakorabea
三、船舶集成导航系统
① 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、显示及电源单元，相关部分融入系统中。
二、船舶导航发展存在的问题
避碰专家系统
• 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。
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
综合探测 统一处理 实时通信
无线电导航系统：由LORAN-C、DECCA接入导航数据
一、船舶导航发展历史及现状 二、船舶导航发展存在的问题 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
一、船舶导航发展历史及现状
船舶导航发展历史
• 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
司南
六分仪
机械式计程仪
多普勒计程仪
一、船舶导航发展历史及现状
• 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。
• 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
导航专家系统
• 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。
能用于避免船舶间避碰。
二、船舶导航发展存在的问题
• 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） 、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。
2. 相同的综合信息优化处理 3. 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
4. 类同的需报警要及新打印型记录船舶集成导航系统
三、船舶集成导航系统
三、船舶集成导航系统
1）构造新型集成导航系统的必要性
• 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
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
• 在设备集成的各种系统中，子系统重复配置 • 各种设1备. 界相面同分的散传，感操器纵输使入用接繁口杂要求，提供相同的传感信息，如:船位经 • 用于集成的纬设度备、本航身向局、限航性速，、影水响深集、成风系速统、的风性向能、流向、流速等
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。 • 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” • 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
的船舶导航自动化系统
2）“技术集成”构造新型集成导航系统的可能性
• 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
GPS 全球卫 星导航
定位精度高，全球、全天候，能 连续定位
需要复杂定位设备，非自主式，受制于人， 当前我们只能接收民用的 C/A 码，战时很 难保证能正常使用
无线电导航 定位误差不随时间积累
但易受外界干扰、易被发现，需导航台站
天文导航
用于船舶易受气象、云层、昼夜影响
二、船舶导航发展存在的问题
2）组合导航 INS/IBS 及其局限性
船载雷达天线
激光陀螺仪 AIS一体机
船载GPS终端
现 状
二、船舶导航发展存在的问题
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：
优势
劣势
惯性导航
自 相 期主对 精式精 度导度 和比 稳航较 定系高 性统，，，有且不非隐受常蔽外好性界的好干短扰，误时差间随也时较间长而，积且累 成， 本加 昂温 贵时间和初始对准
• 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
三、船舶集成导航系统
3）新型集成导航系统构成原理
• 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
PC终端显示 输 出 设 备
自适应数控自 动舵
打印机
Baidu Nhomakorabea
三、船舶集成导航系统
① 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、显示及电源单元，相关部分融入系统中。
二、船舶导航发展存在的问题
避碰专家系统
• 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。
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
综合探测 统一处理 实时通信
无线电导航系统：由LORAN-C、DECCA接入导航数据