郭 鹍 陸 瑋 王興川 王慶鑫 張啟明 孫 雷 靳碧耀

（1.中船航海科技有限責(zé)任公司 北京 100070；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；3.中交信息技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室有限公司 北京 100011；4 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 哈爾濱 150001）

0 引言

越來越多的商業(yè)航運(yùn)公司意識(shí)到通過北極航行可以節(jié)省運(yùn)營成本。以PANGAEA 公司近期交付的9.5 萬t 散貨船為例，該型船破冰能力滿足DNV 冰級(jí)規(guī)則Ice-1A 級(jí)的要求，能夠在-20℃的極寒海況下碾碎0.8 m 以下厚度的冰層正常行駛，這說明極區(qū)商業(yè)航行已具備一定經(jīng)濟(jì)性。隨著北極航線通航能力不斷增強(qiáng)，極區(qū)商業(yè)航行對(duì)通信導(dǎo)航（以下簡(jiǎn)稱“通導(dǎo)”）保障能力需求日益迫切，由于目前執(zhí)行極區(qū)商業(yè)航線的船舶較少，考慮到經(jīng)濟(jì)型以及研發(fā)難度，國內(nèi)通導(dǎo)廠家對(duì)通導(dǎo)在極地特殊應(yīng)用關(guān)注較少。本文對(duì)國內(nèi)外極地通導(dǎo)及探冰設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，對(duì)極地通導(dǎo)及探冰系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)、功能性能，以及構(gòu)成一套完整的極地通導(dǎo)及探冰系統(tǒng)進(jìn)行了一定分析和研究。由于北極地區(qū)自然環(huán)境的特殊性，通導(dǎo)設(shè)備保障需求在極地高緯度、高寒地區(qū)應(yīng)用與常規(guī)中低緯度呈現(xiàn)不同表征，例如慣性位置誤差隨航行時(shí)間累積變大、衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)工作性能下降以及高頻通信受到較大的干擾等現(xiàn)象，并且導(dǎo)航雷達(dá)需要具備浮冰和小冰山探測(cè)能力。上述區(qū)別的存在使船舶在極區(qū)商業(yè)航行面臨著較大安全風(fēng)險(xiǎn)，常規(guī)通信導(dǎo)航需通過研究改進(jìn)以適應(yīng)和提升通導(dǎo)在船舶在北極地區(qū)安全航行保障能力。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 極地通導(dǎo)設(shè)備現(xiàn)狀

1.1.1 極地商用通信及設(shè)備現(xiàn)狀

由于北極高緯度地區(qū)特殊的地理位置以及惡劣的氣候條件，北極航線沿岸具備的MF/HF SSB、DSC、高頻無線電臺(tái)等地面短波系統(tǒng)通信能力弱，數(shù)據(jù)信息傳輸速度低且系統(tǒng)穩(wěn)定性差。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)和傳輸速度快等特點(diǎn)，利用衛(wèi)星接收機(jī)通信已成為北極船舶通航的必備通信手段。

美國在極地衛(wèi)星通信具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，主要有過渡極地系統(tǒng)（interim polar system，IPS）、衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（satellite data system，SDS）、移動(dòng)用戶目標(biāo) 系統(tǒng)（mobile user objective system，MUOS）、銥星系統(tǒng)（Iridium）、增強(qiáng)極地系統(tǒng)（enhanced polar system，EPS）和星鏈系統(tǒng)（Starlink）[1-9]。美國SpaceX公司Starlink低軌寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)已投入使用，預(yù)計(jì)將使用新的互聯(lián)網(wǎng)信標(biāo)以及星間激光通信技術(shù)，最大限度地減少通過地面站中繼數(shù)據(jù)的時(shí)間損失，為北極地區(qū)提供高速互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。

國際海上航行通信中應(yīng)用頻率較高的為國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)，是安裝在通航船舶上的海事衛(wèi)星通信站，包含直徑約1 m 的拋物面天線以及相應(yīng)的通信設(shè)備。電話通信采用調(diào)頻方式，電報(bào)通信采用移相鍵控調(diào)制方式，目前已更新至第5 代[10]。該系統(tǒng)采用3 顆主用衛(wèi)星加1 顆備用靜止軌道衛(wèi)星的組網(wǎng)方式,通過L、C、Ku、Ka 多個(gè)波段提供船舶通信服務(wù)。但該系統(tǒng)尚未完全覆蓋兩極高緯度地區(qū)，在北緯75°以北的高緯度極地海域會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失鎖現(xiàn)象，從而無法為北極航線船舶提供衛(wèi)星通信服務(wù)。

中國目前也在北極圈設(shè)立了中轉(zhuǎn)站[11]，并且我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報(bào)文功能可通過北斗接收機(jī)與多方通信，可實(shí)現(xiàn)對(duì)北極東北航道的部分覆蓋。

1.1.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)極地區(qū)域現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2019 年，北斗三號(hào)（BDS-3）完成了衛(wèi)星的發(fā)射及部署。目前，北斗接收機(jī)在商船已經(jīng)有一定應(yīng)用，常規(guī)緯度下性能與GPS 相當(dāng)。對(duì)于北斗接收機(jī)在極地的定位性能，國內(nèi)部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，總體來看，信噪比SNR 整體水平相比低緯度地區(qū)更低，多徑效應(yīng)更加嚴(yán)重，需在數(shù)據(jù)預(yù)處理中予以考慮[12]。電磁環(huán)境和自然環(huán)境與中低緯度地區(qū)相比差別較大。北極地區(qū)為高緯度地區(qū)，大氣層比其他緯度要稀薄，電離層延遲與對(duì)流層延遲等也會(huì)與低中緯度地區(qū)有很大的不同，這些因素都會(huì)對(duì)北斗接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，從而影響北斗的定位精度，因此國內(nèi)有采用對(duì)流程延遲模型以及雙頻消電離層組合來減少北斗接收機(jī)接收誤差[12-15]。

極地環(huán)境下的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量以及定位精度情況受到了很多專家學(xué)者的關(guān)注。左宗等［12］分析了極地的北斗精密單點(diǎn)定位性能，GPS 與北斗組合優(yōu)于北斗單系統(tǒng)定位，發(fā)現(xiàn)極地地區(qū)的北斗數(shù)據(jù)質(zhì)量受度角影響較大，多徑明顯且信噪比低于低緯度地區(qū)的北斗數(shù)據(jù)信噪比。韓宇等[16]通過計(jì)算極區(qū)環(huán)境下衛(wèi)星可見性、高度角以及精度因子等主要導(dǎo)航指標(biāo)對(duì)北斗三號(hào)在極區(qū)導(dǎo)航定位的性能進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了一種基于創(chuàng)新型星座的北斗三號(hào)系統(tǒng)，在高對(duì)流層下比GPS 更具有定位優(yōu)勢(shì)。

與中低緯度地區(qū)對(duì)比，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在極區(qū)正常工作需加強(qiáng)抗電磁濾波算法設(shè)計(jì)、抗多徑設(shè)計(jì)、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)可靠跟蹤技術(shù)及高精度定位技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究?；陂_環(huán)信號(hào)穩(wěn)定跟蹤等技術(shù)研究，高緯度地區(qū)應(yīng)用需加強(qiáng)天線極區(qū)低溫可靠性保障技術(shù)，提升北斗三號(hào)衛(wèi)星接收機(jī)在高緯度地區(qū)的工作性能。

1.1.3 極地高緯度坐標(biāo)系及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

在計(jì)算機(jī)受算力限制的平臺(tái)慣性導(dǎo)航年代，為克服極區(qū)導(dǎo)航難題，游動(dòng)方位慣導(dǎo)系統(tǒng)和自由方位慣導(dǎo)系統(tǒng)在極區(qū)導(dǎo)航上得到了應(yīng)用。1957 年，美國的鸚鵡螺號(hào)核動(dòng)力潛艇成功駛?cè)氡睒O并進(jìn)行了巡航，其所配備的Mark19 和Mark23 陀螺分別采用了游動(dòng)方位慣導(dǎo)編排與自由方位慣導(dǎo)編排，但當(dāng)潛艇進(jìn)入北極之后，定位精度開始下降，在緯度升高到88°之后失去導(dǎo)航能力[17]。圖1 為載體過極點(diǎn)時(shí)的航向變化示意圖。

圖1 載體過極點(diǎn)時(shí)的航向變化示意圖

由于經(jīng)線圈在高緯度地區(qū)的快速匯聚，導(dǎo)致慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位誤差隨緯度升高而快速下降，同時(shí)游動(dòng)方位角和自由方位角會(huì)失去定義并導(dǎo)致位置矩陣失去定義，艦艇的航向無法計(jì)算與表達(dá)。游動(dòng)方位和自由方位機(jī)械編排僅適合于高緯度地區(qū)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)使用，不能在極點(diǎn)附近工作，而且在高緯度地區(qū)工作時(shí)的導(dǎo)航定位誤差明顯變大。

2009 年，北極導(dǎo)航的權(quán)威專家GREENWAY在其著作中重新提出了格網(wǎng)坐標(biāo)系下的慣導(dǎo)力學(xué)編排，對(duì)以前的格網(wǎng)坐標(biāo)力學(xué)編排進(jìn)行修正，避免了緯度升高經(jīng)線收斂造成的定向參考難題，使格林威治格網(wǎng)導(dǎo)航編排成為目前適宜極區(qū)慣性導(dǎo)航的編排方案。

目前，美、俄等國在極區(qū)船用導(dǎo)航領(lǐng)域已擁有相對(duì)成熟的方案。2015 年8 月，美國海狼號(hào)潛艇突破北極點(diǎn)的冰層，驗(yàn)證了潛艇在北極區(qū)的破冰能力并表明了其可在任何水域航行的能力。俄羅斯在2015 年開展了北極冰面下核潛艇演習(xí)；2016年，2 艘核潛艇在北極冰蓋進(jìn)行了通航訓(xùn)練，2019年開展北極圈內(nèi)的兩棲作戰(zhàn)演習(xí)，并展現(xiàn)出了極為豐富的極區(qū)作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，從而也從側(cè)面說明國外在極區(qū)航海導(dǎo)航與定位保障技術(shù)方面已達(dá)到一定的成熟水平。

國內(nèi)，海軍大連艦艇學(xué)院王海波等[18]于2016年在構(gòu)建橫向坐標(biāo)系及偽經(jīng)緯網(wǎng)的基礎(chǔ)上,給出了橫向慣導(dǎo)與傳統(tǒng)慣導(dǎo)間導(dǎo)航參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系,推導(dǎo)了橫向地理坐標(biāo)系機(jī)械編排。哈爾濱工程大學(xué)程建華等[19]在2022 年提出了適用于空間穩(wěn)定型慣導(dǎo)系統(tǒng)的極區(qū)導(dǎo)航算法，運(yùn)用仿真進(jìn)行驗(yàn)證，克服了極區(qū)導(dǎo)航計(jì)算溢出與誤差放大的問題，提高了極區(qū)導(dǎo)航精度。

綜上，國外對(duì)極區(qū)導(dǎo)航的研究相對(duì)較早，經(jīng)過大量的研究和實(shí)踐，已經(jīng)取得了一定的科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。加拿大、美國、俄羅斯和挪威等圍繞北極圈分布的8 個(gè)國家，在較早時(shí)期已對(duì)極區(qū)的導(dǎo)航問題開展了大量的研究工作，目前已經(jīng)得到較為成熟的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)艦艇在極區(qū)的正常航行。相較于國外領(lǐng)先的研究水平，我國在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)極區(qū)工作的研究并不落后，格網(wǎng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、橫坐標(biāo)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)均有不少研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究，但多采用理論仿真進(jìn)行研究，運(yùn)用于實(shí)際穿越極區(qū)的慣導(dǎo)系統(tǒng)較少，缺乏針對(duì)極地應(yīng)用的設(shè)計(jì)和規(guī)則，極區(qū)導(dǎo)航性能的提高仍是國內(nèi)研究人員近幾年研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.1.4 極區(qū)電子海圖現(xiàn)狀

極區(qū)電子海圖是具備在極區(qū)航行監(jiān)控、實(shí)施航行計(jì)劃的電子海圖信息與顯示系統(tǒng)，通常集成在船橋部位，疊加顯示船基探測(cè)的雷達(dá)探冰信息、衛(wèi)星傳輸?shù)倪b感信息，并可通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)更新圖源和改正數(shù)據(jù)。對(duì)比國外電子海圖信息與顯示系統(tǒng)軟件，國內(nèi)這幾年在綜合船橋以及電子海圖產(chǎn)品上發(fā)展較快，但是還未能在散、集、油、氣四大類主流商船上得到規(guī)模應(yīng)用，極地航行驗(yàn)證認(rèn)證和極地多種投影功能支持尚待進(jìn)一步完善，部分產(chǎn)品能夠滿足 ECDIS 設(shè)備軟硬件標(biāo)準(zhǔn)[20]，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上多以電子海圖、導(dǎo)航雷達(dá)、Conning 等各個(gè)獨(dú)立設(shè)備的組合。

極區(qū)電子海圖數(shù)據(jù)方面，目前英國海道測(cè)量局（United Kingdom hydrographic office，UKHO）可 提供部分極地附近區(qū)域的海圖，以中小比例尺海圖為主，分布情況見圖2。由于極地環(huán)境的特殊性，獲取極區(qū)詳細(xì)精確海圖信息的難度巨大，需投入的財(cái)力、物力和人力十分可觀。種種困難導(dǎo)致目前已有的海圖數(shù)據(jù)只能表示部分海域，加上航標(biāo)等指示信息較少，航行有一定困難。

圖2 UKHO 極區(qū)海圖數(shù)據(jù)分布情況

極區(qū)投影是極區(qū)電子海圖研究重點(diǎn)之一，在中低緯度航海圖中，通常選取墨卡托投影作為海圖的投影方式。但是高緯度地區(qū)并不適合使用墨卡托投影，隨著投影緯度的增大，在投影圖上的面積變形與長(zhǎng)度變形也會(huì)隨之增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)極點(diǎn)附近則為無窮大。

通常在緯度±85°以下的區(qū)域采用墨卡托投影，在緯度85°以上的南北極地區(qū)則采用日晷投影（如下頁圖3 所示）或者UPS 投影。日晷投影可用于較小比例尺下極區(qū)大圓航行，UPS 投影可用于較大比例尺下極區(qū)航向和航程的量算等。當(dāng)由墨卡托投影海圖跨至緯度85°以上區(qū)域時(shí)，切換至日晷投影或UPS 投影；由日晷投影或UPS 投影海圖跨至緯度85°以內(nèi)區(qū)域時(shí)，切換至墨卡托投影。

極區(qū)投影形式多樣，綜合考慮制圖區(qū)域的空間特征、圖幅用途和表示專題等多方面的因素，盡量選擇投影變形小、投影變形均勻及經(jīng)緯網(wǎng)形狀簡(jiǎn)單易于認(rèn)知的方式。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)極區(qū)日晷投影、極球面投影和高緯度墨卡托投影、極區(qū)高斯投影、橫軸墨卡托等極區(qū)投影方法研究比較深入。

1.2 極地探冰設(shè)備現(xiàn)狀

1.2.1 探冰雷達(dá)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)冰雷達(dá)以陸基應(yīng)用為主，在冰蓋探測(cè)需求的推動(dòng)下，冰雷達(dá)得到了快速發(fā)展。雷達(dá)體制從單脈沖發(fā)展到脈沖調(diào)制、調(diào)頻以及合成孔徑，同時(shí)雷達(dá)探測(cè)方式也從多基探測(cè)到多極化同步測(cè)量。冰雷達(dá)傳統(tǒng)移動(dòng)搭載方式有車載以及機(jī)載。機(jī)載方式探測(cè)范圍較大；車載方式與船基座相類似，一般用于小范圍探測(cè)，目前國外的船基探冰雷達(dá)探測(cè)范圍通常在4.0 n mile（雷達(dá)rcs 在1～ 5 m）。國內(nèi)導(dǎo)航雷達(dá)對(duì)于極地動(dòng)平臺(tái)下的探冰任務(wù)研究還處于起步階段，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)不滿足極地低溫環(huán)境工作，性能方面尚未重點(diǎn)關(guān)注探冰可靠性以及冰層預(yù)警技術(shù)，僅維持在船用導(dǎo)航雷達(dá)自身領(lǐng)域。

在船載探冰雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，加拿大RUTTER有針對(duì)極地航行的探冰開發(fā)探冰雷達(dá)系統(tǒng)，利用海冰目標(biāo)特征匹配的識(shí)別算法，對(duì)于碎冰及小冰山具備較好的探測(cè)能力。其中，我國“雪龍”號(hào)科考船就使用了加拿大RUTTER 的探冰雷達(dá)系統(tǒng)。

（1）加拿大RUTTER 的探冰雷達(dá)系統(tǒng)

RUTTER 探冰雷達(dá)天線具有溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，保障其電子器件能在極區(qū)低溫環(huán)境下有效運(yùn)行，防止極地低溫環(huán)境帶來的性能降低或故障。RUTTER 探冰雷達(dá)系統(tǒng)可接入國際主流如SAM、Sperry、古野和JRC 等品牌導(dǎo)航雷達(dá)的天線收發(fā)機(jī)單元，支持?jǐn)?shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)接入，但模擬信號(hào)要求原始的方位、觸發(fā)、船首和視頻信號(hào)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性。下頁圖4 展示了普通雷達(dá)與RUTTER 探冰雷達(dá)的對(duì)比圖，RUTTER 探冰雷達(dá)可清晰展示岸冰輪廓以及明顯的冰山輪廓，而普通雷達(dá)圖像則無法顯示。同時(shí)，RUTTER 在得到更佳圖像的同時(shí)，也開發(fā)出了類似ARPA 的冰相關(guān)目標(biāo)捕捉能力，并具備冰區(qū)預(yù)警功能。冰層圖像較為銳利，船載探冰能力得到一定增強(qiáng)。

圖4 RUTTER 探冰雷達(dá)與普通雷達(dá)圖像對(duì)比圖

為了保護(hù)加拿大東北部的石油平臺(tái)，RUTTER在20 多年前就開始涉足探冰雷達(dá)領(lǐng)域。相比于近幾年市場(chǎng)上涌現(xiàn)的探冰雷達(dá)產(chǎn)品，RUTTER 探水雷達(dá)具有豐富的冰層數(shù)據(jù)和完整的場(chǎng)景測(cè)試，性能更優(yōu)且功能更為滿足用戶實(shí)際使用需求，因此，RUTTER是目前探冰雷達(dá)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的產(chǎn)品制造商。

（2）瓦錫蘭船商探冰雷達(dá)系統(tǒng)

瓦錫蘭船商具備完整的極地航行通導(dǎo)系統(tǒng)解決方案，其探冰雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)與RUTTER 探冰雷達(dá)系統(tǒng)相同，并可與RUTTER探冰雷達(dá)系統(tǒng)互聯(lián)互通。瓦錫蘭船商也采用了先進(jìn)的智能信號(hào)處理算法識(shí)別極區(qū)海冰，與普通雷達(dá)圖像對(duì)比如圖5所示。

圖5 船商普通雷達(dá)和探冰雷達(dá)效果對(duì)比圖

1.2.2 水聲探冰技術(shù)及裝備現(xiàn)狀

目前水聲探冰設(shè)備主要以前視聲吶為主。國外前視聲吶技術(shù)起步早，如英國Sonardyne 公司推出的Vigilant 前視聲吶、美國FarSounder 公司研制的Argos 1000 前視聲吶以及英國的EchoPilot 公司的FLS 3D 等產(chǎn)品可探測(cè)船前方水下一定范圍內(nèi)的浮冰、巖石、沉船、沙堤和其他水下障礙物，已形成一套從技術(shù)設(shè)計(jì)到設(shè)備研制、試驗(yàn)的成熟體系。

美國FarSounder 公司研制的Argos 1000 前視聲吶系統(tǒng)能夠以最高25 kn 的操作速度可靠地探測(cè)水下障礙物和船前方 1 000 m 以內(nèi)的各種水中目標(biāo)。該設(shè)備可引導(dǎo)大型船只安全通過未知水域和危險(xiǎn)環(huán)境。探測(cè)的數(shù)據(jù)以3D 方式顯示，更新時(shí)間小于2 s，可將撞到珊瑚礁、大型鯨魚和冰山的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。Argos 1000 已經(jīng)安裝在ABS、DNV 和Lloyds 船級(jí)社認(rèn)證的船上，產(chǎn)品探測(cè)浮冰效果圖如下頁圖6所示。

圖6 產(chǎn)品探測(cè)浮冰效果圖

Argos 1000 換能器通常安裝于船頭位置，用一個(gè)和船體齊平的整流罩保護(hù)起來，當(dāng)破冰時(shí)，換能器縮回到船體，整流罩可防止冰進(jìn)入船體。圖7 為一艘經(jīng)常航行于南極洲的船上所安裝的Argos 1000換能器實(shí)物圖。

圖7 Argos 1000 換能器的安裝實(shí)物圖

英國EchoPilot 公司的最新聲吶產(chǎn)品FLS 3D 可探測(cè)船前方水下情形，從而將海底地形和船前方潛在的危險(xiǎn)障礙物以三維場(chǎng)景顯示出來。FLS 3D 配備了2 個(gè)可伸縮傳感器，可以探測(cè)的視野范圍為船前方水平面60°以及垂直面90°范圍，向前和向下的探測(cè)距離最大分別可達(dá)到200 m 和100 m。FLS 3D 的顯示器更新速度最快可達(dá)1 s，這樣有助于實(shí)時(shí)掌握前方的潛在危險(xiǎn)。FLS 3D 工作效果圖如圖8所示。

圖8 FLS 3D 工作效果圖

國外主流產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)對(duì)照如下頁表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

與國外聲吶技術(shù)相比，國內(nèi)在聲吶領(lǐng)域的研究起步較晚，主要以代理外國公司產(chǎn)品為主，基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，一般適用于UUV、ROV 和無人船水中短距離目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別。

2 問題及差距分析

綜合對(duì)比分析國內(nèi)外的現(xiàn)狀，國內(nèi)高緯度通導(dǎo)及探冰設(shè)備與國外差距概括為以下幾點(diǎn)：

（1）整體性能與國際主流產(chǎn)品差距較大，設(shè)計(jì)層面未考慮在極地應(yīng)用環(huán)境以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，缺乏統(tǒng)一的極地時(shí)空基準(zhǔn)以及衛(wèi)星/慣導(dǎo)組合手段，對(duì)極地海圖及環(huán)境場(chǎng)景應(yīng)用特殊性考慮不足，需要研制解決。

（2）缺乏對(duì)船舶周邊冰區(qū)等礙航物探測(cè)手段，導(dǎo)航雷達(dá)還是以常規(guī)方式、常規(guī)緯度使用為主。國內(nèi)前視聲吶產(chǎn)品廠家不多，受相關(guān)學(xué)科技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度的制約，技術(shù)基礎(chǔ)與國外優(yōu)秀廠家還有一定差距，多種聲吶技術(shù)應(yīng)用處于空白階段。目前市面上的產(chǎn)品工作頻率都比較高，導(dǎo)致產(chǎn)品只能用于近距離的目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別，無法實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的作用距離和探測(cè)能力。

（3）其他通導(dǎo)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品差距不大，但是性價(jià)比不高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力一般。產(chǎn)品在支持長(zhǎng)航時(shí)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性以及極地低溫條件下還存在部分短板，并且受系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力影響，國內(nèi)通導(dǎo)系統(tǒng)打包構(gòu)建系統(tǒng)能力對(duì)比國外同類系統(tǒng)尚有進(jìn)步空間。

3 極地通導(dǎo)、探冰系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)思路

3.1 極地通導(dǎo)、探冰系統(tǒng)組成

極地通導(dǎo)及探冰組成與常規(guī)通導(dǎo)系統(tǒng)硬件組成類似，下頁圖9 是通導(dǎo)探冰系統(tǒng)的組成的示意圖，針對(duì)極地設(shè)計(jì)主要是導(dǎo)航雷達(dá)增加探冰功能，以及各傳感器設(shè)備極地地理環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，例如：高緯度坐標(biāo)系應(yīng)用、天線環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等。

圖9 極地通導(dǎo)及探冰系統(tǒng)組成示意圖

3.2 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)極地應(yīng)用建立一套高緯度地區(qū)的時(shí)空基準(zhǔn)模型，解決現(xiàn)行“經(jīng)緯度地理坐標(biāo)體系”對(duì)方向的描述和表示問題，超越常規(guī)導(dǎo)航解決極區(qū)導(dǎo)航定位的問題；同時(shí)，解決在極地高速率通信衛(wèi)星通信的問題；其次，隨著北斗三號(hào)全球定位系統(tǒng)應(yīng)用，極地衛(wèi)星導(dǎo)航需要重點(diǎn)解決低溫條件下天線可靠性問題，此外利用衛(wèi)星與慣性傳感器構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，克服單一導(dǎo)航源存在的諸多問題；最后，通過極地海圖電子設(shè)備融合疊加多源探冰數(shù)據(jù)，并結(jié)合雷達(dá)探冰、水深測(cè)冰等綜合手段，保障船舶安全航行。

綜合以上，通過對(duì)常規(guī)通導(dǎo)系統(tǒng)研制改進(jìn)，增加時(shí)空基準(zhǔn)模型、高動(dòng)態(tài)海圖融合綜合多源數(shù)據(jù)、衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航以及綜合探冰信息手段，解決船舶在高緯度航行時(shí)定位困難、時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一難點(diǎn)、低溫條件導(dǎo)航設(shè)備無法工作一系列關(guān)鍵問題，有效保障船舶在高緯度冰區(qū)安全航行。

3.2.1 極地高速率通信接收機(jī)研究

研發(fā)衛(wèi)星融合通信網(wǎng)絡(luò)智能輪巡監(jiān)測(cè)技術(shù)，搭建極地衛(wèi)星通信監(jiān)測(cè)環(huán)境，分析極地衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度、通信容量、傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和覆蓋范圍等多種因素的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)極地衛(wèi)星通信鏈路進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)融合銜接與鏈路自適應(yīng)切換，提高衛(wèi)星通信資源利用效率。近年來，我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)速度不斷加快，相關(guān)領(lǐng)域成果與國外同類系統(tǒng)的差距也在不斷縮小。從整體上看，當(dāng)前沒有任何一種國內(nèi)外衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠同時(shí)提供中低緯度地區(qū)和南北極地區(qū)的高速衛(wèi)星通信服務(wù)。由于通信系統(tǒng)建設(shè)成本等因素的限制，能夠同時(shí)覆蓋中低緯度地區(qū)和南北極地區(qū)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，往往通信速率較低，難以滿足大容量、高速率通信信息服務(wù)需求；而具備高速通信服務(wù)能力的衛(wèi)星通信系統(tǒng)則難以覆蓋極地高緯度地區(qū)。與此同時(shí)，由于不同軌位、不同頻率通信衛(wèi)星系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，導(dǎo)致現(xiàn)有衛(wèi)星通信裝備無法同時(shí)接入不同軌道層次與不同頻率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，需要安裝大量不同廠商、相互獨(dú)立的衛(wèi)星天線等終端設(shè)備以實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)通信功能，且不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間存在整合程度低、覆蓋范圍差距較大與通信鏈路無法自動(dòng)切換等問題，嚴(yán)重制約通信系統(tǒng)資源利用效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，為滿足跨緯度、長(zhǎng)距離、高速率和高可靠性的衛(wèi)星通信需求，在船端有必要對(duì)不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行終端層面的整合，實(shí)現(xiàn)多種衛(wèi)星通信系統(tǒng)的全面兼容與自動(dòng)切換，進(jìn)一步提升極地衛(wèi)星通信服務(wù)保障能力。

3.2.2 極區(qū)高緯度坐標(biāo)系及導(dǎo)航定位設(shè)備設(shè)計(jì)思路

衛(wèi)星接收機(jī)在極區(qū)正常工作需要針對(duì)高緯度地區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證和研究，例如：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備信號(hào)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)在高緯度地區(qū)電離層閃爍環(huán)境下的信號(hào)跟蹤失鎖問題，需要采用合理的電磁閃爍跟蹤環(huán)路應(yīng)力分析，進(jìn)行現(xiàn)有接收設(shè)備跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)研究及電離層閃爍環(huán)境載波可靠跟蹤技術(shù)研究等適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究；另外，基于開環(huán)參數(shù)估計(jì)的抗電離層閃爍載波跟蹤技術(shù)也是一個(gè)需要迫切需要解決的問題。

盡管各種坐標(biāo)系機(jī)械編排和初始對(duì)準(zhǔn)方法已被提出用于解決慣性定位設(shè)備在極區(qū)尋北能力差的問題，但在極端條件下，信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（information network system，INS）不能單獨(dú)完成導(dǎo)航任務(wù)，需要采用其他導(dǎo)航方式組合，不同的導(dǎo)航源在姿態(tài)、速度、位置維度上形成信息的冗余和互補(bǔ)，從而達(dá)到提高導(dǎo)航精度和系統(tǒng)魯棒性的目的。幾個(gè)迫切需要解決的問題包括高緯度新導(dǎo)航坐標(biāo)系應(yīng)用、極地導(dǎo)航應(yīng)用環(huán)境研究、極區(qū)組合導(dǎo)航多傳感器信息融合算法研究。解決高緯度坐標(biāo)系建立及雙坐標(biāo)系模式切換閾值，在兩種模式交替工作的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)需要不斷實(shí)時(shí)根據(jù)當(dāng)前導(dǎo)航位置信息來判斷何種工作模式最優(yōu)，而判斷的依據(jù)便是在當(dāng)前(或附近)位置工作時(shí)誤差發(fā)散速度的快慢，從而確定坐標(biāo)系切換閾值。

3.2.3 極區(qū)電子海圖設(shè)計(jì)思路

電子海圖是船用導(dǎo)航信息承載的基礎(chǔ)平臺(tái)，極區(qū)電子海圖除了對(duì)標(biāo)國外需滿足S52 海圖顯示規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、S57 數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和S64 測(cè)試項(xiàng)等[21]，主要有以下幾個(gè)方面內(nèi)容需要開展研究與實(shí)施：

（1）極區(qū)電子海圖需支持日晷投影、通用極球面投影、高緯度墨卡托投影、極區(qū)高斯投影和橫軸墨卡托等極區(qū)投影算法。在提高投影精度方面，對(duì)于各種投影方式能夠根據(jù)投影區(qū)域位置和效果進(jìn)行相關(guān)投影參數(shù)的調(diào)整設(shè)置，同時(shí)用戶可根據(jù)航行需要進(jìn)行投影方式的切換。

（2）通過極地多鏈路衛(wèi)星設(shè)備接收多尺度的海量衛(wèi)星遙感信息，它為極地電子海圖集成遙感影像提供了豐富的影像數(shù)據(jù)源。

（3）此外，針對(duì)極地子海圖適用環(huán)境及功能性能要求，綜合考慮所在海域冰情信息、適航信息以及航行距離等因素，通過高緯度坐標(biāo)系對(duì)航向等參數(shù)的協(xié)同，形成高效、穩(wěn)定、功能完備的極區(qū)電子海圖航線規(guī)劃功能，實(shí)現(xiàn)電子海圖所需要的極地高緯度投影核心算法，完成系統(tǒng)電子海圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)應(yīng)用的靈活性和適應(yīng)性。

3.2.4 極區(qū)綜合探冰技術(shù)設(shè)計(jì)思路

極區(qū)探冰技術(shù)發(fā)展目前主要包含探冰雷達(dá)、聲吶和紅外等方式，其中以探冰雷達(dá)技術(shù)較為成熟。探冰雷達(dá)是船舶通航北極重要船載探測(cè)設(shè)備，主要目的是為了解決極區(qū)海冰弱目標(biāo)識(shí)別以及小目標(biāo)冰山識(shí)別，核心是極區(qū)海浪雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)，針對(duì)海雜波統(tǒng)計(jì)理論特性、非線性理論特性和構(gòu)建海雜波多維特征空間三方面展開研究。然而海雜波統(tǒng)計(jì)特性復(fù)雜多變，單一的非線性理論模型又無法全面描述海雜波的物理特性，大多數(shù)對(duì)海雜波多維特征空間的研究是基于海雜波時(shí)間序列信息提取的，忽略了對(duì)區(qū)分目標(biāo)與雜波十分有益的空間信息，雜亂的海雜波進(jìn)而導(dǎo)致了海冰目標(biāo)檢測(cè)的困難。因此，基于探冰雷達(dá)的極區(qū)海雜波抑制及海冰檢測(cè)技術(shù)是解決探冰雷達(dá)探冰性能重要設(shè)計(jì)。

水聲探冰技術(shù)也是探冰系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成完整系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過信息集成和統(tǒng)一管理將探冰設(shè)備有機(jī)地形成一個(gè)整體，綜合后可直觀和方便地監(jiān)測(cè)船舶周邊浮冰狀態(tài)、海洋環(huán)境并預(yù)警潛在危險(xiǎn)。

4 結(jié)語

極地航線未來將縮減航運(yùn)里程，一定程度上節(jié)省航運(yùn)成本，并且能為我國提供更多的能源和資源備份通道，降低能源和經(jīng)濟(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)。從綜合性能和極地環(huán)境適用性上來看，國內(nèi)通導(dǎo)廠家與國外廠家還有一定差距，有待進(jìn)一步針對(duì)性設(shè)計(jì)推出適用商用船舶極地航行配套的通導(dǎo)及探冰系統(tǒng)，并進(jìn)行深化設(shè)計(jì)以及逐步改進(jìn)，支撐我國極地商業(yè)船舶極地航線運(yùn)營。