船舶無線電導航

船舶無線電導航，是航海中利用無線電波測定船位和引導船舶沿預定航線航行的技術，又稱無線電航海。無線電導航是根據無線電波的傳播特性，測量地面，包括外層空間的導航台發射的無線電波參數，如頻率、振幅、傳播時間或相位，求得船舶相對於導航台的幾何參數，如角度、距離、距離差或距離和，從而建立船位線，實現船舶定位和導航。

基本介紹

• 中文名：船舶無線電導航
• 前提：理想均勻介質
• 特點：傳播速度為常數
• 缺點：易受自然或人為干擾

簡介

無線電波的基本傳播特性為：在理想均勻介質中按直線傳播，傳播速度為常數；在兩種介質的界面會產生反射。無線電導航同其他定位、導航方法相比的優點是：全天候，定位精度和可靠性較高，作用距離較遠，因而在導航技術中愈來愈占重要地位。但是無線電導航必須依靠導航台的信息，易受自然或人為干擾，並且難免發生故障，因此不能完全代替航跡推算、陸標定位和天文定位（見天文航海）等基本方法。

實現船舶無線電導航是依靠由導航台(岸台)和船上無線電導航設備構成的船舶無線電導航系統。船舶無線電導航系統按作用距離可分為近程 (50～100海里)、中程(300～600海里)、遠程(約1500海里)和超遠程（5000海里以上）等導航系統。當前國際通用的有無線電測向系統、康索爾、羅蘭、台卡、奧米加、海軍導航衛星系統等。這些導航系統一般都是航海和航空兼用，但各有特殊要求。雷達為另一類無線電導航系統，是自備式的集信號發射和接收於一體的系統，在海上主要用於探測和避讓（見航海雷達）。與雷達配合使用的雷達應答器、雷達指向標通常歸入航標。

發展概況

20世紀20年代以來，無線電導航的發展大致經歷了三個階段：①20～40年代，用無線電測向系統逐漸替代岸上的無線電測向站和直接提供方位信號的旋轉式無線電指向標導航。這時期發展的無線電導航系統主要是方位系統，屬近中程，提供的位置線為大圓弧（岸測船）或恆位線（船測岸），在近距離可當作直線。②40～60年代,無線電雙曲線導航系統蓬勃發展,提高了船舶定位精度。1943年美國建成中程系統羅蘭-A；1944年英國建成中近程系統台卡；在此基礎上，50年代末美國建成遠程系統羅蘭-C，並研製超遠程系統奧米加。40年代中期德國研製成中遠程方位系統桑尼，並由英國發展為更完善的康索爾。這些系統作用距離大大增加，可提供較高的定位精度。③60～80年代，全球性導航系統迅速發展，並進一步提高了船舶定位精度。美國於1964年建成“海軍導航衛星系統”供軍用，1967年開放供民用。該系統覆蓋全球，精度高，但不能連續定位。70年代美國開始研製一種可連續定位、精度更高的衛星導航系統，稱為全球定位系統，計畫於80年代後期建成投入使用。奧米加系統經過20多年的建設，其最後一個發射台於1983年正式投入使用。微處理機的套用促進了系統設備的組合化和導航定位的自動化。將幾種導航系統的船舶設備所提供的定位信息，用微處理機加以組合處理，從而提高了船舶定位精度。這種以微處理機為核心組成整體的導航設備構成組合導航系統組合定位與自動制定航線、自動避碰操作、自動保持航向相結合，構成綜合導航系統（見船舶駕駛自動化）。這一時期，近程高精度定位系統也得到進一步發展。這些年來，還發展了近程甚高頻無線電測向系統，與雷達配合使用，可在與對方用甚高頻無線電話通信時，測定其方位，在岸上的交通管理中心還可測定其位置，以方便識別。

分類

無線電測向定位

用無線電測向系統測定船舶與已知岸台之間的無線電方位角以實現定位。無線電測向系統由船上的無線電測向儀和岸上的無線電指向標組成。工作頻率約 300千赫。在船上用無線電測向儀測定的無線電指向標方向為大圓方位，所得船位線為恆位線。在海圖上可看到：地面兩點間的大圓方位線和恆位線各處於其恆向線一側,在一定距離範圍內基本對稱（圖1）。一般船和岸台距離在30～40海里以內，恆位線和大圓方位線基本合一，可直接用測得的大圓方位從岸台畫出船位線；距離在150海里以內,可將大圓方位修正大圓改正量後得出的恆向線當作恆位線使用，仍可利用岸台畫出船位線，引起的誤差不會超出測向本身存在的方位誤差。

無線電測向的觀測誤差在通常情況下約為±2°。此外，還存在與電磁波傳播特性有關的測向誤差，包括海岸效應、夜間效應和無線電自差。無線電自差是由於船體金屬的二次電磁場引起的，其改正方法和改正磁羅經自差相似，即先用測向儀內的自差補償器消除，再按一定舷角間隔測定剩餘自差，列出自差表，作為改正之用。

無線電測向的作用距離短，定位精度較低，但測向儀具有其他導航儀器所沒有的功用。它能引導船舶對著遇難信號方向赴援。測向儀是國際規定的1600總噸以上從事國際航行的船舶必須安裝的航海儀器，而且是除雷達以外唯一必須安裝的無線電導航儀器。在世界各地設立的無線電指向標有1000多座。

康索爾定位

利用康索爾測定船位。康索爾的意譯為扇形無線電指向標。工作頻段為200～400千赫。它是一種旋轉式無線電指向標，由3根發射天線(一根中央天線和兩根旁側天線)組成。旁側天線電流相位的180°突變，形成兩個交叉重疊的多瓣形方向特性，同時分別發射“點”和“劃”信號(圖2)。 在兩個方向特性相交的方位上形成“點”、“劃”信號強度相同的等信號方向。在一個周期內 （1分鐘或1/2分鐘），旁側天線電流的緩變使等信號方向旋轉一定的角度 (9.6°～14.6°)。用普通收信機就能接收康索爾信號。計數等信號方向出現前的“點”或“劃”信號的數目，可求得方位。

康索爾定位

利用康索爾測定方位的誤差約為0.3°～0.4°。晝夜可靠作用距離為350海里。夜間在 350～500 海里範圍內，因受天波干擾，定位精度下降。康索爾定位精度不高，它的最重要特點是無需專門的接收設備。現有康索爾台都分布在北大西洋和北冰洋區域，主要用於飛機和小船的導航。

羅蘭定位

利用羅蘭接收機測定兩個或兩個以上羅蘭台對的時差以確定船位。羅蘭屬脈衝距離差系統，即脈衝雙曲線導航系統。羅蘭一詞是英語遠程導航 long-range navigation縮成字 LORAN的音譯。國際通用的有羅蘭-A和羅蘭-C兩種。

①羅蘭-A：又稱標準羅蘭。由3個岸台組成1個台鏈，其中一個主台，兩個副台。主副台距離一般為200～400海里。主台分別與副台結成台對,3個台的發射頻率相同，但兩台對的脈衝重複頻率不同，副台在接收到主台脈衝後，經過一定的時間延遲，再發射副台脈衝。

羅蘭-A接收機測量主台脈衝和副台脈衝到達的時間差Δτ，已知電磁波傳播速度c，則可得距離差ΔD為c·Δτ，從而得到1條以主台和副台為焦點的雙曲線位置線。改換羅蘭接收機的台對選擇，可測得主台脈衝和另一副台脈衝的時間差，根據所測的兩個時差值，可利用羅蘭海圖求得相應的兩條位置線。如果兩個時差值系同時測得,則位置線的交點就是觀測時刻的船位（圖3）。

康索爾定位

羅蘭-A的工作頻段為1.75～1.95兆赫，白天地波作用距離約700海里，主要工作區的定位精度約1海里。夜間利用天波，作用距離可達1400海里，但定位精度明顯下降。羅蘭-A在40年代發展很快，到70年代初最多時有80多個發射台，其天波覆蓋北太平洋和北大西洋的大部分海域。用戶接收機估計超過10萬台。以後逐步被性能更優越的羅蘭-C所取代。美國用了5年時間,於1980年完成了用羅蘭-C代替羅蘭-A布台的過程。尚有約30個羅蘭-A發射台、20餘台對分布在日本、中國沿海和加拿大東海岸。

②羅蘭-C：由羅蘭-A發展而成的脈衝相位距離差系統。羅蘭－C台鏈由3個台(M,X,Y)或4個台(M,X,Y,Z)或5個台(M,W,X,Y,Z)組成，M為主台，其餘為副台。主台和副台發射的脈衝組分別含9個和8個脈衝（圖4）。同一台鏈中的主、副台脈衝組重複頻率相同。各副台採用不同的延遲，以保證在該台鏈作用範圍內所接收到的主副台信號順序與發射的一致。羅蘭-C採用的工作頻率為100千赫，傳播衰減比羅蘭－A低，加上多脈衝制提高了信號的平均功率，使羅蘭-C的地波作用距離達1200海里。羅蘭-C接收機利用主副台脈衝信號包絡前沿的幅度信息進行粗測，利用載頻的相位差信息進行精測,使定位精度達1/4海里。羅蘭-C綜合了脈衝方式無多值性、易於消除天波干擾和比相方式精度高的優點，性能遠優於羅蘭-A。目前有40多個羅蘭-C大功率發射台，13個台鏈，分布在北太平洋、北大西洋和地中海等區域，其覆蓋面積超過過去的羅蘭-A。

台卡定位

利用台卡接收機測量台對信號的相位差確定船位。台卡屬相位距離差系統。每個台鏈一般由1個主台和紅、綠、紫 3個副台組成。主台與每個副台組成台對,給出紅、綠、紫3組雙曲線族。主、副台之間的距離一般為60～120海里。台卡系統的工作頻段為70～130千赫。主台與 3個副台所發射信號的頻率保持一定的比例關係：主台和紅、綠、紫副台發射信號的頻率分別為6f、8f、9f、5f，f是台鏈的基波頻率。

羅蘭-A

台卡接收機用 4個通道分別接收主台和紅、綠、紫副台的信號，經不同倍數的倍頻後，分別在24f、18f、30f上進行主台與副台信號相位延遲的比較，得3個相位差值。所以3個相位差值相應地給出3個距離差值。在相位測量中只能測量整周期數之外的餘數，當相位差值大於一個周期,就產生多值性問題。採用連測法可消除多值性,採用降低比較頻率法也可減少多值性。在相位系統中消除精測船位線多值性的方法稱為巷識別。在台卡 V型鏈中採用兩次降低頻率法，即在6f與1f上進行相位比較，以實現巷識別。在台卡MP型鏈中採用多脈衝合成法一次降低頻率,即在1f上進行巷識別。根據3組台對的巷識別和相位差值讀數,可在特製的台卡海圖上找出3條相應的位置線，相交定位。

利用台卡定位的有效作用距離約250海里,定位準確度：白天在台鏈的中心區高達數十米，在作用區的邊沿，僅約1/2海里；夜間因天波干擾，定位準確度大大下降。目前有40多個台卡鏈分布在世界各地，約半數分布在西北歐海區。國際海事組織批准建立的分道通航制大多數有台卡覆蓋。

奧米加定位

利用奧米加接收機測量奧米加台對信號的相位差確定船位。奧米加也屬相位距離差系統。信號頻率範圍10～14千赫，奧米加有8個岸台組成,工作範圍覆蓋全球。8個台以10秒鐘為周期，按協調世界時0秒和整10秒開始依次發射0.9，1.0,1.1,1.2,1.1,0.9,1.2，1.0秒的連續波（圖5）。每個台除發射供精測用的10.2千赫信號外，還發射13.6千赫和11.33 千赫信號供巷識別。即用差頻方法在相當於10.2千赫的1/3、1/9、1/36頻率上進行比較；後者頻率最低，巷寬最大，主要供航空使用。

奧米加定位

根據推算船位(見航跡推算)選擇兩對以上岸台，由奧米加接收機接收所選岸台的信號，並測量其相位差。按相位差讀數，用奧米加海圖或奧米加表求得位置線。

奧米加信號在地球波導中傳播時，因受電離層和地面影響,其傳播速度隨時間和路徑的不同而發生變化。而海圖上的等相位差線是根據“電波平均相速”繪製的，因此必須根據定位的時間和地點作相應的傳播改正。帶有微處理機的奧米加接收機，除能自動選擇台對、自動變換坐標外，還能將傳播改正量以數學模型貯存於處理機中自動修正。但是這種修正基於理論測算，與實際值尚有差值。差奧米加系統是在已知地理坐標的位置上設定監測台,對奧米加信號進行監測,把實測值與根據坐標位置計算的理論改正值之間的差值作為監測台附近 100～ 200海里範圍內的即時傳播改正值，通過無線電廣播，提供給用戶進行實時改正，可提高定位精度約一倍。

額定輻射功率為10千瓦的奧米加信號，作用距離可達6000海里，標定定位精度為1～2海里。由於整個系統尚未完成傳播改正量的校準，上述定位精度也尚未完全達到，不同地區也有差別。奧米加的另一特點是由於甚低頻信號在水中的衰減較小，所以在水下10～20米航行的潛艇也可用以定位。

導航衛星定位

利用導航衛星（人造地球衛星）和地球站、船舶衛導接收機組成的衛星導航系統(圖6)定位。地球站跟蹤導航衛星,把跟蹤觀測得到的數據送至計算中心；計算中心據以計算出衛星未來的準確軌道參數並送到注入站；注入站定期將未來軌道參數輸給衛星。衛星貯存新的軌道參數，清除舊的軌道參數，並定時以星曆表的形式發播，供定位者計算每一時刻的衛星位置。船舶衛導接收機接收來自衛星的信號，通過測量導航參數求出船舶相對於衛星的位置。根據某一時刻船舶相對於衛星的位置和此時衛星的位置，便可自動計算出船舶的地理位置。表征船舶相對於衛星位置的導航參數可以是船舶相對於衛星的方位或距離，也可以是距離變化率等。國際通用的衛星導航系統有海軍導航衛星系統。

導航衛星定位

海軍導航衛星系統由美國海軍經營，部分對民用開放。它是一種近地軌道、都卜勒衛星導航系統，又稱子午儀導航系統。有4～6顆衛星，軌道均勻配置，平均高度1100公里，繞地球一周約107分鐘。6衛星軌道均勻配置時，在赤道地區每隔40～60分鐘、在兩極地區每隔20分鐘可觀測一次。衛星用400和150兆赫兩種頻率發射信號。衛星在運行中相對於觀測者的距離變化，在觀測點產生都卜勒頻移。通過精確測定兩分鐘內都卜勒頻移的總周數（即相當於兩分鐘內衛星相對於觀測者的距離變化率的積分），就可計算出這兩分鐘的始、末時刻衛星到觀測者的距離差。距離差為常數的位置面是以兩分鐘始、末衛星位置為焦點的旋轉雙曲面。旋轉雙曲面與地球表面的相交線，即為位置線。衛星通過時間最大約16分鐘,可以獲得8條位置線。實際上子午儀系統的船舶衛導接收機並不採用位置線相交的圖解法定位，而是套用電子計算機把估算位置的距離差值向測量的距離差值逐步逼近的計算方法求船舶的精確位置。所以在航行定位時必須向船舶衛導接收機輸入推算船位、航向、航速和時間。

子午儀系統定位誤差主要有電離層折射誤差、天線高度誤差和航向航速誤差。電離層折射誤差可採用雙頻道（即400和150兆赫）接收方法予以校正。一般民用船舶定位精度要求不高，可用單頻道接收，不校正折射誤差。天線高度不準確造成的誤差不大，可以不計。航速誤差一般近似認為:每一節航速誤差能引起0.2海里的定位誤差。總的說來，子午儀衛星導航系統能提供約0.25海里（雙頻道）和 0.5海里(單頻道)的定位準確度。這種系統的缺點是不能給出即時船位，不能連續定位。另外，由於低軌道運行，衛星漂移較大，已達不到原設計的定位間隔要求。

這些年來,美國正在研製新的衛星導航系統稱GPS全球定位系統。它是一種中高度軌道、測距衛星導航系統。系統全面工作時，計畫有18顆衛星配置在軌道傾角55°、高度10900海里、相互夾角為60°的6個軌道面上，每個軌道面上有3顆衛星。衛星繞地球運轉周期為12小時,觀測者任何時候在任何地點都可接收到 4顆以上的衛星信號。所測導航參數為觀測點到衛星的距離。這種導航系統除美國軍用外，還將向民用開放。定位準確度可達30～100米。