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提高航标船抛设浮标位置精度
1.前言
浮标位置精度是评估浮标效能的重要指标之一.随着我国港口经济的快速发展,船舶通航密度不断增大和大型化、深吃水船舶的不断增多,导致船舶在港口的可航水域越来越小,从而对船舶安全航行提出更高的要求,为减轻船舶驾驶员的航行压力,有必要进一步提高航标船抛设浮标位置精度,提高浮标的助航效能.本文从船舶操纵和GPS/DGPS设备的角度分析浮标抛设的位置误差,提出有助于提高浮标抛设位置精度的措施,切实为航行船舶提供更加优质的浮标助航服务,进一步提高船舶航行的便利性,降低船舶航行安全和污染事故风险,保障船舶人命财产的安全.
2.航标船抛设浮标位置精度现状
2.1浮标结构及位置精度要求
水上浮标一般分为灯架、浮体和系碇三个部分.其中系碇部分包括马鞍链、锚链、沉块以及连接卸扣.浮体通过马鞍链和一定长度的锚链与水泥预制的沉块连接.浮标是通过沉块和锚链阻止其漂移.正常情况下沉块不移动,其它部分受到风流影响围绕着沉块回转,当风流或其它外力足够大致使沉块移位超过允许范围则称浮标移位.
海图及航标表上标注的浮标位置是对应沉块的设计位置,但是浮标在抛设过程中允许存在一定的误差,在《海区航标效能验收规范》(JT 759－2009)中规定浮动标志允许的误差为：推算沉石位置与设计位置误差值应小于30m.
2.2航标船GPS天线位置修正现状
航标船船长为了确定沉石投放时机需要时刻知道船上投放点到沉石设置点的距离方位,但因为航标船结构特点,船上沉石投放位置位于主甲板靠前左右舷边,主甲板是航标作业区,存在吊机吊臂和工作人员等干扰GPS信号的接收,该区域不适合安装GPS天线,目前航标船GP S天线都安装在罗经甲板上,所以GPS天线位置需要修正,如中标船需修正约18米,大标船需修正超过20米.因为船舶在投放沉石过程中是一个动态过程,船长没有足够的时间根据GPS的经纬度和船艏向去精确修正,通常采取通过直接扣除天线至船上沉石投放点的距离,该方法简便但误差相对较大.
2 .3广州航标处大中型航标船所配备的GPS概况
共有3艘大中标船各配有3台GPS,其基本性能及不足介绍如下：
G P S 1 ：品牌型号G A R M I N3 010 C,彩色显示屏10 .4寸并自带电子海图,说明书标称定位误差小于15米,在珠江口水域经过多次观察该G P S显示定位精度约为7-8米,该G P S显示屏较大且为彩色方便读取数据,缺点是不具有DGPS功能；GPS2：品牌型号GAR MIN 2032C,和GPS1相比,其具有可外接差分信号,定位精度较高,缺点是该机型显示屏较小且为黑白显示；GPS3：品牌型号SIM R A D M X610,自带二种差分信号接收功能,定位精度分别为5m和2m,需要人工设定,缺点是显示屏较小,无电子海图.
3.浮标抛设过程中存在的问题及定位精度分析
3 .1航标船作业前没有将G P S设备调至最佳定位精度状态
通常情况下船上GPS开机后不用任何设置就能自动搜索跟踪卫星信号,所以部分驾驶员会误认为GPS开机后处于最佳定位精度,但实际不同的设置存在不同的定位精度.如上述GPS1,其具有接收WA AS差分信号功能,但由于珠江口水域已超出WA AS信号覆盖范围.在实际操作中当打开差分定位功能时,由于接收不到WA AS差分信号,显示定位精度为13米左右,然而当关闭接收差分信号时,定位精度显示为8米左右,所以不正确的设置会额外增加5米的精度误差.上述GPS2,可外接差分信号,需按照说明书正确设置接收差分信号,否则达不到差分定位精度.上述GPS3,具有内置接收二种差分信号功能,同样需要人工设置才能达到最佳定位精度.所以GPS的正确设置能提高定位精度.
3.2GPS天线位置修正误差
如图一,A为天线位置,B为船上沉石投放位置,C为海上沉石设置点,e为天线位置到船舶纵轴的距离,d为船上沉石投放点到船舶纵轴的距离,Q为船舶纵轴线与AB的夹角,sinQ等于(d-e)/a,α为船首与真北向的夹角,α可从罗经中读取,β为沉石设置点真方位角,其中Q为固定不变的,AB的距离为a,可从船上量取,AC的距离为b,可从GPS导航数据读取,其根据船舶位置的变化而变化,BC的距离为c,其即为船舶投放沉石位置误差,c可以通过计算求得,c2等于a2+b2-2abcos(α+Q-β)（公式一）,而目前船长只采用简单的估算误差,c等于a-b的绝对值,该估算语差只考虑（α+ Q -β）等于 0的特殊情况,而没有考虑（α+Q-β）等于其它角度的情况.当（α+Q-β）等于180时,c等于a+b,误差最大.
3.3GPS不能提供便利的导航
一是不能提供船上沉石投放点到沉石设置点的导航距离方位数据.二是没有整合有利于浮标作业的GPS性能集中在同一GPS上,使得船长需要不断观察不同的GPS,增加了船长的工作量,而且通常船长作业时间较长,体力消耗较大,由于疲劳加上设备不便利容易产生人为判断误差.
3.4船长在船舶操纵过程中容易存在的问题
3.4.1船速过快.
抵达沉石设置点时船速过快,比如当船舶速度为2节时,1秒钟船舶移动的距离约为1米,船长发出指令与甲板执行抛投的时间通常有一定的时间偏差,当船速越快,相同的时间偏差引起位置误差越大.
3.4.2未找准风流合力方向.
顶风顶流是船舶最容易控制船速和艏向的一种方式,是提高抛投浮标位置精度最有效的一种方法.如船舶不是顶风顶流接近沉石设置点时,当船速控制较低且有较大风流压角时,船艏向出现难以把定,同时产生较大的天线位置修正误差.
3.4.3未了解船舶旋回特性.
当沉石设置点离船上沉石投放位置较近时,如船舶未安装侧推器,通过船舶满舵及一车进一车退大角度旋回难以抵达沉石设置点.
4 .提高航标船抛设浮标位置精度的措施
4.1改进现有GPS相关功能,解决现有
GP S在航标作业定位导航方面存在的不足一是增加G P S天线位置修正功能.方法是GPS接入罗经艏向信号,由图一可知,则A B的真方位是（α+Q）,A B的距离为a,由已知A点的经纬度可计算出B点的经纬度,则B点的经纬度：
φB 等于φA+ a C O S（α+ Q）,λB 等于λA+ a Si n（α+Q）Secφn,φn为中分纬度,因A B的距离非常短,φn可用φA代替.通过计算软件计算B点的经纬度,再以B点为起点导航至沉石设置点,解决目前人工修正和导航存在的问题.二是综合各GPS的优点,方便船长定位导航操作,GPS需同时具有以下功能：能接收差分信号,即具有D G PS定位精度,显示屏应为彩显和尺寸足够大,能显示对地航迹向和速度的矢量,能显示船艏向和距离方位等导航信息,船长和舵工在指挥操作位置能清楚读取,便于船舶操纵.三是选取性能好的GPS,使得各导航数据更新速度快,减少相关数据显示滞后的时间.
4.2船舶驾驶员应熟悉GPS设备操作并
在作业前正确设置,避免由于人为设置不当增加了定位误差
4.3船长及驾驶员应熟悉航标船的操作
特性,稳妥控制航标船上投放点精准抵达沉石设置点一是尽量采取最容易控制船舶的顶风流方法,首先将船舶驶至浮标抛设点下风流200米左右,船速尽量控制慢,通过船艏向始终对准抛设点方向,提前找准风流合力方向；二是浮标抛投时船速尽量控制在1节以内；三是距浮标抛设点较近时,由于船舶旋回圈的特性,避免采取大角度转向的方法抵达沉石设置点,如有风流存在,利用风流压的方法使船舶横移抵达沉块设置点.
4.4减少天线人工修正误差的措施
根据公式一,调整GPS天线使得天线与船上沉石投放点的连线平衡船舶纵轴线,则Q为0,减少了由于Q引起的修正误差.船长尽量控制α等于β,就是船首向与浮标设置点真方位重合.再控制投放时机,让a等于b,则误差最小.
5.结束语
总而言之,通过提高人员对船舶的操作技能,减少由于人为因素造成的误差,并对现有GPS进行天线位置修正功能改进,使得沉石投放点直接导航到沉石设置点,减少修正和操作误差,将大大提高抛投浮标位置的精准度.
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