多平台信息融合背景下的船舶导航技术分析

俞司思

（平湖市华海造船有限公司，浙江 嘉兴 314200）

船舶导航技术是一项通信工程与信息工程。多平台融合的导航技术包括信息的传输与信号的处理运用。近些年，全球航运规模扩大，庞大的海上行驶数量会增加航行的安全风险。作为航向安全的保障，船舶导航技术为船舶的航行提供数据支持。现阶段船舶导航技术涉及导航、网络、计算机等多项前沿科技技术，为航行提供精确的数据支持。依托综合导航系统对多项信息平台进行综合处理可以有效减少船舶安全事故的发生概率。

1 导航技术的发展与历史

导航技术是确保人类在二维与三维空间探索中不会迷失方向的重要技术保障，船舶导航技术使人类探索的脚步迈向了大洋深处。一般来说，船舶导航技术的发展分为以下3 个阶段。

1.1 经验为主的导航阶段

这个阶段的导航依据人类对天文地理等自然环境的特殊现象总结的规律，并且经过了长期的实践和验证，比如星象导航技术、地磁导航等，还利用了相关原理制造出了六分仪、司南、磁罗经。但这种导航是对船舶行驶的大致估算，精确度比较低，而且极容易受到外界因素的影响，只能满足短距离船舶航行的需求。

1.2 机械导航阶段

在近代导航技术发展的过程中，机械导航技术具有承上启下的重要地位，它主要利用机械陀螺在高速运转下指向北方的特性引导航向。同时，还可以借助机械式计程仪进行距离的测量，在海图上确定船舶行驶的大概位置。机械导航技术相对第一阶段精确度明显提升，受环境因素的影响也减小了许多，如电控陀螺罗经、航海表都属于机械导航。

1.3 电子信息导航阶段

电子信息技术在船舶导航中的运用改变了传统的船舶导航方式，多元化、多方面、全系统的电子导航设备为船舶的形式提供了更加全面的导航信息。如船用雷达系统（RNS）、光学惯性系统（INS）、船舶自动识别系统（AIS）等[1]，它们都保障了船舶行驶的安全性。利用综合导航技术也实现了对多元化导航平台的综合管理，为实现船舶自动化与智能化奠定基础。

2 平台信息融合下的船舶导航技术分析

2.1 船用RNS 与传播AIS 的技术融合

RNS 与AIS 是船舶导航系统中关键的设备技术，在具体实践中，船用RNS 技术与船舶AIS 技术都可以整体感知船舶运行状态，最大程度上保证船舶行驶的安全。

船用RNS 技术是由无线电导航技术发展而来的，早期的RNS 技术原理简单，依靠微波天线对船舶周围一定范围内的障碍物进行定位与测距。随着雷达技术不断成熟，RNS 技术与裂缝天线技术深入融合，RNS计算机系统可以对障碍物的方位距离进行测量，对船舶航向与航速进行计算测量，减轻航海部门人员工作的强度，为船舶行驶提供更加可靠的安全保障。但是，船用RNS 技术仍然存在不足，船舶近距离范围内存在视觉盲区，所以要用到船舶AIS 技术。利用船舶AIS技术可组建区域内的导航网络系统，可以在具体的系统软件中获取船舶的有效信息与有效通信距离内的其他信息，比如识别其他船舶的航向航速、船籍船名等。系统自带的软件可以计算船舶所处环境的风险等级，并及时预警。AIS 还具备电子海图的功能，可以对海面上危险区域及危险航向进行警示，并结合全球定位系统定位船舶的具体位置，数据精准度较高[1-3]。

在实际应用时，将船用RNS 与船舶AIS 结合运用，可以使导航系统信息更为丰富，RNS 可以利用船舶自动导航系统中的数据计算具体的航迹推力，并通过经纬度及相关公式计算得出大致航向，进一步将计算出的结果用于实际目标船舶的方向计算上，与AIS 对比，更进一步保障数据的精准性，避免视觉盲区带来的航海安全问题。

2.2 传统导航设备信息技术融合

随着信息社会不断发展，导航已经实现了与多元信息的融合，也是船舶导航系统数据的来源之一。

当下船用罗经分为光学罗经、电控罗经及磁罗经。这几种类型的罗经具体原理基本一致，只是核心器件上有微弱差异。磁罗经仅能提供船舶航向信息，精准度较低；电控罗经可以提供航线与姿态信息，光学罗经的精确度较高。

计程仪利用水与目标船舶的作用力实现对速度的测量，并通过测量速度积分计算船舶的具体航程。计程仪有拖曳式与转轮式，2 种形式的计程仪原理都较为简单，且测量误差较大，已经不适应现阶段的航海测量。现阶段运用较广的是水压计程仪、电磁计程仪等，通过压力传感器、电磁感应等将水流产生的压力信息转化为电信号，通过各项环节减少外部干扰后再进行具体的运算，测量出的船舶速度与航程信息都较为准确，这类计程仪的运用也较为广泛。总的来看，电磁仪测量出的数据具有较好的线性特征，且对船体速度的变化较为敏感，利用模型转换计算后的传播速度也较为精准。

在具体运用罗经与计程仪等传统导航设备的过程中发现，这些技术容易受多方面干扰因素的影响，独立工作状态下传统导航设备提供的航向、航速等信息会发生较多、较大误差，存在较大的安全隐患。针对这一问题，技术人员可完善相关计算方法，并对导航数据进行融合处理，组建导航系统提高数据的可靠性。这也表明，导航系统将结束长期以来独立运行的状态。组合导航系统指以罗经为核心的INS 系统，也指多类型导航设备组成的数据集中处理系统。INS 可以提供精确度较高的数据，所以具有一定的可参考性。此外，组合导航系统主要采用最优化估算法，对于卡尔曼滤波法的应用也较为广泛，卡尔曼滤波对信号质量没有明确要求，可以通过处理复合信号得出误差最小的估算值，优于维纳滤波等其他滤波方式。复合精度功能的提升可以帮助增加真实信号来源，弱化噪声给信号带来的不利影响，提高信号精确度。测量仪冗余功能能对数据中重复测量的现象进行整改，提高结果的可靠性，排除干扰项对滤波计算造成的不利影响。

3 多平台信息融合处理的综合导航系统

船用导航设备类型与数量的增多进一步提高了船舶航向的安全程度，但也会一定程度上增加导航系统处理数据的难度。为了更好地实现对导航系统的统一管理，综合导航系统的概念被提出。

3.1 综合导航系统的组成及具体功能

综合导航系统是现代化远洋船舶的标配，与传统的导航系统与测速平台相比，综合导航系统集齐了导航技术、计算机技术与现代网络信息技术，还有无线电技术与卫星通信技术的加持，是多种先进技术的集合体。综合导航系统能接收到导航终端发布的信息，并根据信息数据类型进行具体的计算与二次融合，让原本复杂的导航数据信息简单化、具体化、可视化，方便人员进行航海操作。

通过对传感器的分析和建模，将原本传感器型信号的识别局限于对数据的判断，经过数学变换和运算，实现信号和系统识别之间的相互关联和识别的功能。同时根据整个多传感器系统的不同设计要求，可以采用不同的形式进行集成，具体如图1 所示。

图1 多传感器的数学描述方法

除此之外，综合导航系统涵盖了许多与导航设备相关的资料，包括输出导航信息的设备、一系列依托导航信息运行的系统设备等，如驾控系统、动力系统与声呐系统。综合导航的核心技术是数据处理，通过检测、优化与融合完成对平台信息的高效利用，提高船舶导航信息的真实可靠性。

3.2 数据检测仪器

综合导航系统的数据处理中心需要在接收导航信息后，对数据进行有效分析，帮助下一阶段数据优化减小压力。通常情况下，综合导航系统有数据单点异常、关联异常与集体异常3 种异常现象，也可以分别采取3 种检测技术进行分析。

3.2.1 聚类检测技术

大多数导航系统中的异常数据具有一定的规律，数据检测时可以根据某些异常数据分类分析，将这些数据与该特征高度相似的数据进行归类。聚类检测技术的使用可有效提高检测效率，但无法明确对船舶导航信息影响因素进行管理。而实际操作时需要对数据来源的稳定性及可靠性进行检测，所以不宜在噪声较大的环境中使用。

3.2.2 偏差检测技术

利用该项技术对海域导航数据进行分析，并在此基础上构建模型，进行数据仿真结果的对比。如果计算出的数据误差在阈值范围内，那么综合导航系统收到的信息准确性达标。现阶段数学模型偏差检测技术的精确度较高，但是综合导航系统数据较多，建立模型较为复杂且滞后。

3.2.3 概率相关技术

综合导航系统接收到的数据来自不同的设备，异常数据之间也有一定的关联性，对这些数据的相关性进行分析。相关性越高，说明数据同步异常的概率越高。比如INS 的加速度是航速与航程计算出来的，三者的关联性为100%，一旦加速度数据出现异常，会直接导致INS 输出的数据出现异常。利用概率检测技术可以提高异常数据检测效率，进一步提高数据的可靠性[4-5]。

3.3 数据融合技术

传统的船舶导航技术强调数据的真实性，根据导航设备的数据精确度来确定导航系统的数据精确度，减轻导航数据在检测方面的压力。随着计算技术的不断发展，计算机拥有卓越的处理数据的能力，为融合技术在综合导航系统中的使用奠定了基础。综合导航系统数据的融合是对一切有使用价值的信息进行采集、传输、综合与合成，完成对环境态势的判定、规划相关任务与诊断相关故障。具体包括数据层融合、特征层融合与决策层次融合，其中特征与数据层的融合较为广泛。比如航向数据、综合导航系统的航向数据来自于INA 技术、全球定位系统、北斗航迹系统与船舶AIS，综合导航系统接收数据后可以比较数据间的差值，并依据实际航线的变化趋势在计算误差上加以修正与平衡[6]。现阶段综合导航系统可以集成电子海图、轨迹仪等多项功能，实现与RNS、AIS 的目标融合。结合气象仪、计程仪等相关平台的信息，可以综合测量出导航系统的最终目标方向。

4 船舶导航技术未来发展的趋势

4.1 向高精度化、微型化方向发展

船舶导航技术的各种惯导在体积、功率损耗、智能化方面精益求精，各个基础领域的研究成果都快速稳妥地运用到了惯导产品中。比如，微尺度速率积分陀螺仪将取代陀螺仪器运用在惯导中。未来微尺度积分陀螺仪的体积只有1 cm3，功率消耗低至5 mW。发展芯片级原子钟使其体积更小、功率更低、精度更准，体现出其更具特色的探测能力[7-9]。

4.2 宽带化、数字化的通信网络

宽带化、数字化一直是通信网络的发展方向。比如手机的体积越来越小，功能越来越多。从一开始只能用于打电话发短信，到如今可以玩游戏、聊天、购物乃至线上办公，这些都是宽带化数字化为通信网络发展带来的好处。船舶导航技术也是如此，通信导航的发展在未来能实现距离更远、速度更快的导航效益。而进一步发展通信网络需要考虑纳米技术研究光交换与密集波分复用等技术的发展，形成更加高效的船舶通信导航。

4.3 向综合化、一体化、智能化方向发展

船舶航向技术可以与现阶段高速发展的云计算、大数据等结合起来，促进船舶导航网络系统功能的深化研究，迎接未来的挑战。船舶导航技术还可以将过去分开的信息系统集合在一起，完成高效集成的目标，在统一系统、统一机制下综合管理，促进管理系统一体化发展。船舶导航系统还可以借助互联网等技术的发展，及时掌握船舶信息，根本改善船舶的灵活性与生存能力。

5 结束语

综上所述，利用多平台融合发展的船舶导航技术可以提高船舶远航的安全性，利用数据优势进行分析与收集，构建更加精准、实时的系统，可以进一步保障船舶行驶的安全。