全球定位系统(GPS)设备
工作原理:通过接收卫星信号来确定船舶在地球上的三维位置(经度、纬度和高度),并且能够提供精确的速度和时间信息。例如,民用 GPS 设备的定位精度一般在数米到十几米之间,而高精度的 GPS 接收器可以达到厘米级的精度。
特点:具有全天候、高精度、全球覆盖的优点。它能够实时更新船舶的位置,为船舶航行提供最基本的位置信息,是现代船舶导航不可或缺的设备。
雷达(Radio Detection and Ranging)设备
工作原理:利用电磁波的反射原理来探测周围的目标。雷达设备发射出高频电磁波,当电磁波遇到障碍物(如其他船舶、岛屿、浮标等)时会反射回来,通过接收和处理这些反射波,雷达可以显示目标的距离、方位和相对速度等信息。
特点:在能见度不良的情况下(如雾天、黑夜)发挥关键作用。它能够探测到远距离的目标,例如一般航海雷达的作用距离可达几十海里,为船舶提供周围海域的态势感知,帮助船员提前发现潜在的碰撞危险。
电子海图显示与信息系统(ECDIS)
工作原理:以电子海图为基础,将地理信息、航海通告、航行计划等多种信息整合在一起。它可以显示船舶的位置、航向、航速等信息,并与其他导航设备(如 GPS)进行数据交互。
特点:能够提供直观的航海环境显示,船员可以方便地在电子海图上规划航线、查看水深、灯塔、航道等各种航海要素信息,大大提高了航海的安全性和效率。而且电子海图可以实时更新,确保航海信息的准确性。
自动识别系统(AIS)
工作原理:通过甚高频(VHF)通信技术自动交换船舶识别码、位置、航向、航速等信息。船舶上的 AIS 设备会自动向周围船舶和岸上基站发送本船的信息,同时也能接收其他船舶发送的信息。
特点:增强了船舶间的相互识别和通信能力。它可以在电子海图或雷达屏幕上显示周围船舶的详细信息,便于船员判断船舶之间的交通态势,避免碰撞事故,同时也方便了海上交通管理部门对船舶的监管。
罗经(Compass)
工作原理:分为磁罗经和陀螺罗经。磁罗经是利用地球磁场来指示方向,而陀螺罗经是基于高速旋转的陀螺的定轴性和进动性来指示方向。陀螺罗经的精度比磁罗经更高。
特点:是船舶指示航向的基本设备。磁罗经结构简单、可靠性高,作为备用罗经使用;陀螺罗经精度高,能够为船舶提供稳定的航向基准,是船舶导航系统的重要组成部分。
测深仪(Echo Sounder)
工作原理:利用超声波在水中的反射原理来测量水深。测深仪向水下发射超声波脉冲,然后接收从海底反射回来的信号,根据超声波的往返时间计算出水深。
特点:对于船舶在浅水区航行或进出港口时非常重要。它可以实时显示船舶下方的水深情况,帮助船员避免搁浅事故,确保船舶航行安全。
根据船舶类型和航行区域选型
远洋船舶:对于远洋船舶,需要高精度的 GPS 设备,以确保在全球范围内的精确导航。同时,应配备长距离、高性能的雷达,能够探测远距离的目标,如大型货轮、油轮可能需要作用距离达 72 海里甚至更远的雷达。ECDIS 系统应具备全球海图数据,并且 AIS 设备要满足国际海事组织(IMO)的相关标准,以实现与其他船舶和岸上设施的有效通信。例如,一艘远洋集装箱船,其航行路线涉及全球各大洋,需要配备功能强大的导航设备组合,包括双套 GPS 系统以提高可靠性,先进的 ECDIS 用于航线规划和航行监控,以及高功率的 AIS 和长程雷达。
沿海船舶:沿海船舶主要在近岸海域航行,航行环境相对复杂,需要重点考虑对沿岸目标的探测和识别。雷达设备的近距离分辨率要高,以清晰地显示港口设施、小型渔船等目标。电子海图应详细涵盖沿海航道、港口和浅滩等信息。例如,沿海客船需要高精度的测深仪,因为其经常进出港口和浅水区,对水深信息要求精确;同时,AIS 设备应能与附近的船舶和岸上基站有效通信,方便交通管理。
内河船舶:内河船舶航行的水域较为狭窄、水深较浅且交通情况复杂。在选型时,更注重设备对近距离目标的探测和浅水区水深测量。例如,内河船舶的雷达需要有良好的近距离性能,能够快速发现河面上的其他船舶、桥梁和码头等障碍物。测深仪的精度要求更高,并且电子海图要详细展示内河的航道、水闸、码头等具体信息。罗经的稳定性也很重要,因为内河船舶可能频繁转向。
考虑设备性能和可靠性选型
精度要求:导航设备的精度是选型的关键因素之一。例如,对于需要进行高精度定位作业的船舶(如海洋科考船),应选择高精度的 GPS 设备或差分 GPS(DGPS)设备,其定位精度可以达到亚米级。在船舶进出港口或狭窄航道时,对航向和位置的精度要求也很高,陀螺罗经的精度一般可达 ±0.1° - ±0.5°,能够满足这种需求。
抗干扰能力:在复杂的电磁环境下,导航设备需要有良好的抗干扰能力。例如,在港口附近或船舶密集区域,存在大量的无线电信号和电子设备,AIS 和 GPS 设备可能会受到干扰。此时,应选择具有抗干扰技术的设备,如采用频率捷变技术的雷达可以有效减少其他雷达和电磁设备的干扰。
稳定性和耐用性:船舶航行环境恶劣,导航设备需要具备高稳定性和耐用性。例如,船用电子设备要能够承受船舶的振动、湿度、盐雾等环境因素。设备的外壳应具有良好的防水、防潮、防腐蚀性能,内部电路和元件要经过抗震、防潮处理。如一些高端的船用 GPS 接收器采用了坚固的金属外壳和密封设计,内部电路板进行了三防(防潮、防霉、防盐雾)处理,以确保在恶劣环境下的正常运行。
安装位置的选择
GPS 天线安装:GPS 天线应安装在船舶顶部开阔位置,尽量远离高大建筑物、金属结构和其他可能产生遮挡或电磁干扰的物体。例如,天线应避免安装在烟囱、桅杆等大型金属结构附近,以确保能够接收到足够数量的卫星信号。一般要求天线周围没有遮挡,并且在水平方向上有一定的视野范围,通常要求视野角度不小于 180°。
雷达天线安装:雷达天线应安装在较高位置,以获得更好的探测视野。同时,要注意避免天线波束被船舶自身结构遮挡。例如,天线的安装位置应使波束能够无障碍地扫描船舶周围的海域,对于一些大型船舶,雷达天线可能安装在桅杆顶部或专门的雷达平台上。安装时还要考虑天线的重量和船舶的稳定性,确保安装牢固,不会因为船舶的摇晃而损坏。
罗经安装:磁罗经应安装在船舶磁场干扰较小的位置,一般远离电机、发电机等电气设备。陀螺罗经需要安装在船舶的中心位置,并且要保证安装平台的稳定性,因为陀螺罗经对振动和倾斜比较敏感。例如,陀螺罗经通常安装在船舶的驾驶室附近的专门房间内,房间的结构要能够减少外部振动的传入,安装平台要经过水平校准,以确保罗经的准确性。
安装要求和规范
电气安装规范:导航设备的电气安装应符合船级社和相关国际标准的要求。例如,设备的电源线应采用船用电缆,具有良好的绝缘性能和防火性能。电缆的敷设要避免与其他强电线路平行敷设,以减少电磁干扰。设备的接地要良好,以防止静电积累和电磁干扰。例如,所有的船用电子导航设备都应该连接到船舶的公共接地系统,接地电阻一般要求不超过 1 欧姆。
机械安装要求:设备的机械安装要牢固可靠。例如,雷达天线和支架的安装要能够承受船舶在恶劣海况下的摇晃和振动,支架的材质和结构要符合强度要求。对于大型设备,如 ECDIS 的显示器和主机,要安装在专门的控制台或机柜内,控制台的设计要符合人体工程学原理,方便船员操作和观察。同时,设备的安装要便于维护和检修,设备周围应留有足够的空间,以便维修人员能够进行设备的拆卸、检查和维修。
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