船舶无线电导航(卷名：交通)
marine radio navigation
航海中利用无线电波测定船位和引导船舶沿预定航线航行的技术，又称无线电航海。无线电导航是根据无线电波的传播特性，测量地面，包括外层空间的导航台发射的无线电波参数，如频率、振幅、传播时间或相位，求得船舶相对于导航台的几何参数，如角度、距离、距离差或距离和，从而建立船位线，实现船舶定位和导航。无线电波的基本传播特性为：在理想均匀介质中按直线传播，传播速度为常数；在两种介质的界面会产生反射。无线电导航同其他定位、导航方法相比的优点是：全天候，定位精度和可靠性较高，作用距离较远，因而在导航技术中愈来愈占重要地位。但是无线电导航必须依靠导航台的信息，易受自然或人为干扰，并且难免发生故障，因此不能完全代替航迹推算、陆标定位和天文定位（见天文航海）等基本方法。
实现船舶无线电导航是依靠由导航台(岸台)和船上无线电导航设备构成的船舶无线电导航系统。船舶无线电导航系统按作用距离可分为近程 (50～100海里)、中程(300～600海里)、远程(约1500海里)和超远程（5000海里以上）等导航系统。目前国际通用的有无线电测向系统、康索尔、罗兰、台卡、奥米加、海军导航卫星系统等。这些导航系统一般都是航海和航空兼用，但各有特殊要求。雷达为另一类无线电导航系统，是自备式的集信号发射和接收于一体的系统，在海上主要用于探测和避让（见航海雷达）。与雷达配合使用的雷达应答器、雷达指向标通常归入航标。
发展概况 20世纪20年代以来，无线电导航的发展大致经历了三个阶段：①20～40年代，用无线电测向系统逐渐替代岸上的无线电测向站和直接提供方位信号的旋转式无线电指向标导航。这时期发展的无线电导航系统主要是方位系统，属近中程，提供的位置线为大圆弧（岸测船）或恒位线（船测岸），在近距离可当作直线。②40～60年代，无线电双曲线导航系统蓬勃发展，提高了船舶定位精度。1943年美国建成中程系统罗兰-A；1944年英国建成中近程系统台卡；在此基础上，50年代末美国建成远程系统罗兰-C，并研制超远程系统奥米加。40年代中期德国研制成中远程方位系统桑尼，并由英国发展为更完善的康索尔。这些系统作用距离大大增加，可提供较高的定位精度。③60～80年代，全球性导航系统迅速发展，并进一步提高了船舶定位精度。美国于1964年建成“海军导航卫星系统”供军用，1967年开放供民用。该系统覆盖全球，精度高，但不能连续定位。70年代美国开始研制一种可连续定位、精度更高的卫星导航系统，称为全球定位系统，计划于80年代后期建成投入使用。奥米加系统经过20多年的建设，其最后一个发射台于1983年正式投入使用。微处理机的应用促进了系统设备的组合化和导航定位的自动化。将几种导航系统的船舶设备所提供的定位信息，用微处理机加以组合处理，从而提高了船舶定位精度。这种以微处理机为核心组成整体的导航设备构成组合导航系统组合定位与自动制定航线、自动避碰操作、自动保持航向相结合，构成综合导航系统（见船舶驾驶自动化）。这一时期，近程高精度定位系统也得到进一步发展。近年来，还发展了近程甚高频无线电测向系统，与雷达配合使用，可在与对方用甚高频无线电话通信时，测定其方位，在岸上的交通管理中心还可测定其位置，以方便识别。
无线电测向定位 用无线电测向系统测定船舶与已知岸台之间的无线电方位角以实现定位。无线电测向系统由船上的无线电测向仪和岸上的无线电指向标组成。工作频率约 300千赫。在船上用无线电测向仪测定的无线电指向标方向为大圆方位，所得船位线为恒位线。在海图上可看到：地面两点间的大圆方位线和恒位线各处于其恒向线一侧，在一定距离范围内基本对称（图1）。
一般船和岸台距离在30～40海里以内，恒位线和大圆方位线基本合一，可直接用测得的大圆方位从岸台画出船位线；距离在150海里以内，可将大圆方位修正大圆改正量后得出的恒向线当作恒位线使用，仍可利用岸台画出船位线，引起的误差不会超出测向本身存在的方位误差。无线电测向的观测误差在通常情况下约为±2°。此外，还存在与电磁波传播特性有关的测向误差，包括海岸效应、夜间效应和无线电自差。无线电自差是由于船体金属的二次电磁场引起的，其改正方法和改正磁罗经自差相似，即先用测向仪内的自差补偿器消除，再按一定舷角间隔测定剩余自差，列出自差表，作为改正之用。
无线电测向的作用距离短，定位精度较低，但测向仪具有其他导航仪器所没有的功用。它能引导船舶对着遇难信号方向赴援。测向仪是国际规定的1600总吨以上从事国际航行的船舶必须安装的航海仪器，而且是除雷达以外唯一必须安装的无线电导航仪器。目前在世界各地设立的无线电指向标有1000多座。
康索尔定位 利用康索尔测定船位。康索尔的意译为扇形无线电指向标。工作频段为200～400千赫。它是一种旋转式无线电指向标，由3根发射天线(一根中央天线和两根旁侧天线)组成。旁侧天线电流相位的180°突变，形成两个交叉重叠的多瓣形方向特性，同时分别发射“点”和“划”信号(图2)。
在两个方向特性相交的方位上形成“点”、“划”信号强度相同的等信号方向。在一个周期内 （1分钟或1／2分钟），旁侧天线电流的缓变使等信号方向旋转一定的角度 (9.6°～14.6°)。用普通收信机就能接收康索尔信号。计数等信号方向出现前的“点”或“划”信号的数目，可求得方位。利用康索尔测定方位的误差约为0.3°～0.4°。昼夜可靠作用距离为350海里。夜间在 350～500 海里范围内，因受天波干扰，定位精度下降。康索尔定位精度不高，它的最重要特点是无需专门的接收设备。现有康索尔台都分布在北大西洋和北冰洋区域，主要用于飞机和小船的导航。
罗兰定位 利用罗兰接收机测定两个或两个以上罗兰台对的时差以确定船位。罗兰属脉冲距离差系统，即脉冲双曲线导航系统。罗兰一词是英语远程导航 long-range navigation缩成字 LORAN的音译。目前国际通用的有罗兰-A和罗兰-C两种。
①罗兰-A：又称标准罗兰。由3个岸台组成1个台链，其中一个主台，两个副台。主副台距离一般为200～400海里。主台分别与副台结成台对，3个台的发射频率相同，但两台对的脉冲重复频率不同，副台在接收到主台脉冲后，经过一定的时间延迟，再发射副台脉冲。
罗兰-A接收机测量主台脉冲和副台脉冲到达的时间差Δτ，已知电磁波传播速度c，则可得距离差ΔD为c·Δτ，从而得到1条以主台和副台为焦点的双曲线位置线。改换罗兰接收机的台对选择，可测得主台脉冲和另一副台脉冲的时间差，根据所测的两个时差值，可利用罗兰海图求得相应的两条位置线。如果两个时差值系同时测得，则位置线的交点就是观测时刻的船位（图3）。
罗兰-A的工作频段为1.75～1.95兆赫，白天地波作用距离约700海里，主要工作区的定位精度约1海里。夜间利用天波，作用距离可达1400海里，但定位精度明显下降。罗兰-A在40年代发展很快，到70年代初最多时有80多个发射台，其天波覆盖北太平洋和北大西洋的大部分海域。用户接收机估计超过10万台。以后逐步被性能更优越的罗兰-C所取代。美国用了5年时间，于1980年完成了用罗兰-C代替罗兰-A布台的过程。目前尚有约30个罗兰-A发射台、20余台对分布在日本、中国沿海和加拿大东海岸。
②罗兰-C：由罗兰-A发展而成的脉冲相位距离差系统。罗兰－C台链由3个台(M，X，Y)或4个台(M，X，Y，Z)或5个台(M，W，X，Y，Z)组成，M为主台，其余为副台。主台和副台发射的脉冲组分别含9个和8个脉冲（图4）。
同一台链中的主、副台脉冲组重复频率相同。各副台采用不同的延迟，以保证在该台链作用范围内所接收到的主副台信号顺序与发射的一致。罗兰-C采用的工作频率为100千赫，传播衰减比罗兰－A低，加上多脉冲制提高了信号的平均功率，使罗兰-C的地波作用距离达1200海里。罗兰-C接收机利用主副台脉冲信号包络前沿的幅度信息进行粗测，利用载频的相位差信息进行精测，使定位精度达1/4海里。罗兰-C综合了脉冲方式无多值性、易于消除天波干扰和比相方式精度高的优点，性能远优于罗兰-A。目前有40多个罗兰-C大功率发射台，13个台链，分布在北太平洋、北大西洋和地中海等区域，其覆盖面积超过过去的罗兰-A。台卡定位 利用台卡接收机测量台对信号的相位差确定船位。台卡属相位距离差系统。每个台链一般由1个主台和红、绿、紫 3个副台组成。主台与每个副台组成台对，给出红、绿、紫3组双曲线族。主、副台之间的距离一般为60～120海里。台卡系统的工作频段为70～130千赫。主台与 3个副台所发射信号的频率保持一定的比例关系：主台和红、绿、紫副台发射信号的频率分别为6f、8f、9f、5f，f是台链的基波频率。
台卡接收机用 4个通道分别接收主台和红、绿、紫副台的信号，经不同倍数的倍频后，分别在24f、18f、30f上进行主台与副台信号相位延迟的比较，得3个相位差值。由于相位延迟(嗘)与传播距离(D)的关系为：
所以3个相位差值相应地给出3个距离差值。在相位测量中只能测量整周期数之外的余数，当相位差值大于一个周期，就产生多值性问题。采用连测法可消除多值性，采用降低比较频率法也可减少多值性。在相位系统中消除精测船位线多值性的方法称为巷识别。在台卡 V型链中采用两次降低频率法，即在6f与1f上进行相位比较，以实现巷识别。在台卡MP型链中采用多脉冲合成法一次降低频率，即在1f上进行巷识别。根据3组台对的巷识别和相位差值读数，可在特制的台卡海图上找出3条相应的位置线，相交定位。利用台卡定位的有效作用距离约250海里，定位准确度：白天在台链的中心区高达数十米，在作用区的边沿，仅约1／2海里；夜间因天波干扰，定位准确度大大下降。目前有40多个台卡链分布在世界各地，约半数分布在西北欧海区。国际海事组织批准建立的分道通航制大多数有台卡覆盖。
奥米加定位 利用奥米加接收机测量奥米加台对信号的相位差确定船位。奥米加也属相位距离差系统。信号频率范围10～14千赫，奥米加有8个岸台组成，工作范围覆盖全球。8个台以10秒钟为周期，按协调世界时0秒和整10秒开始依次发射0.9，1.0，1.1，1.2，1.1，0.9，1.2，1.0秒的连续波（图5）。
每个台除发射供精测用的10.2千赫信号外，还发射13.6千赫和11.33 千赫信号供巷识别。即用差频方法在相当于10.2千赫的1/3、1/9、1/36频率上进行比较；后者频率最低，巷宽最大，主要供航空使用。根据推算船位(见航迹推算)选择两对以上岸台，由奥米加接收机接收所选岸台的信号，并测量其相位差。按相位差读数，用奥米加海图或奥米加表求得位置线。
奥米加信号在地球波导中传播时，因受电离层和地面影响，其传播速度随时间和路径的不同而发生变化。而海图上的等相位差线是根据“电波平均相速”绘制的，因此必须根据定位的时间和地点作相应的传播改正。带有微处理机的奥米加接收机，除能自动选择台对、自动变换坐标外，还能将传播改正量以数学模型贮存于处理机中自动修正。但是这种修正基于理论测算，与实际值尚有差值。差奥米加系统是在已知地理坐标的位置上设置监测台，对奥米加信号进行监测，把实测值与根据坐标位置计算的理论改正值之间的差值作为监测台附近 100～ 200海里范围内的即时传播改正值，通过无线电广播，提供给用户进行实时改正，可提高定位精度约一倍。
额定辐射功率为10千瓦的奥米加信号，作用距离可达6000海里，标定定位精度为1～2海里。由于整个系统尚未完成传播改正量的校准，上述定位精度也尚未完全达到，不同地区也有差别。奥米加的另一特点是由于甚低频信号在水中的衰减较小，所以在水下10～20米航行的潜艇也可用以定位。
导航卫星定位 利用导航卫星（人造地球卫星）和地球站、船舶卫导接收机组成的卫星导航系统(图6)
定位。地球站跟踪导航卫星，把跟踪观测得到的数据送至计算中心；计算中心据以计算出卫星未来的准确轨道参数并送到注入站；注入站定期将未来轨道参数输给卫星。卫星贮存新的轨道参数，清除旧的轨道参数，并定时以星历表的形式发播，供定位者计算每一时刻的卫星位置。船舶卫导接收机接收来自卫星的信号，通过测量导航参数求出船舶相对于卫星的位置。根据某一时刻船舶相对于卫星的位置和此时卫星的位置，便可自动计算出船舶的地理位置。表征船舶相对于卫星位置的导航参数可以是船舶相对于卫星的方位或距离，也可以是距离变化率等。现在国际通用的卫星导航系统有海军导航卫星系统。海军导航卫星系统由美国海军经营，部分对民用开放。它是一种近地轨道、多普勒卫星导航系统，又称子午仪导航系统。有4～6颗卫星，轨道均匀配置，平均高度1100公里，绕地球一周约107分钟。6卫星轨道均匀配置时，在赤道地区每隔40～60分钟、在两极地区每隔20分钟可观测一次。卫星用400和150兆赫两种频率发射信号。卫星在运行中相对于观测者的距离变化，在观测点产生多普勒频移。通过精确测定两分钟内多普勒频移的总周数（即相当于两分钟内卫星相对于观测者的距离变化率的积分），就可计算出这两分钟的始、末时刻卫星到观测者的距离差。距离差为常数的位置面是以两分钟始、末卫星位置为焦点的旋转双曲面。旋转双曲面与地球表面的相交线，即为位置线。卫星通过时间最大约16分钟，可以获得8条位置线。实际上子午仪系统的船舶卫导接收机并不采用位置线相交的图解法定位，而是应用电子计算机把估算位置的距离差值向测量的距离差值逐步逼近的计算方法求船舶的精确位置。所以在航行定位时必须向船舶卫导接收机输入推算船位、航向、航速和时间。
子午仪系统定位误差主要有电离层折射误差、天线高度误差和航向航速误差。电离层折射误差可采用双频道（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，可用单频道接收，不校正折射误差。天线高度不准确造成的误差不大，可以不计。航速误差一般近似认为:每一节航速误差能引起0.2海里的定位误差。总的说来，子午仪卫星导航系统能提供约0.25海里（双频道）和 0.5海里(单频道)的定位准确度。这种系统的缺点是不能给出即时船位，不能连续定位。另外，由于低轨道运行，卫星漂移较大，目前已达不到原设计的定位间隔要求。
近年来，美国正在研制新的卫星导航系统称GPS全球定位系统。它是一种中高度轨道、测距卫星导航系统。系统全面工作时，计划有18颗卫星配置在轨道倾角55°、高度10900海里、相互夹角为60°的6个轨道面上，每个轨道面上有3颗卫星。卫星绕地球运转周期为12小时，观测者任何时候在任何地点都可接收到 4颗以上的卫星信号。所测导航参数为观测点到卫星的距离。这种导航系统除美国军用外，还将向民用开放。定位准确度可达30～100米。
参考书目
Sonnenberg，G.J.，Radar and Electronic Navigation，4th ed.，Newnes，London，1975.
S.F.阿普尔亚德著：《船舶电子导航》，人民交通出版社，北京，1983。