眾所周知，早期航海主要依靠磁羅經(jīng)、六分儀和天文鐘三件古老的航海儀器。
隨著航海事業(yè)的迅速發(fā)展，船舶數(shù)量的增加，噸位的增大，海上交通日益擁擠和繁忙，便要求航海儀器能夠快捷地提供更加準(zhǔn)確的方位指示、更加精確的定位精度和多種用途的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。于是相繼出現(xiàn)了雷達(dá)與ARPA，陀螺羅經(jīng)，回聲測深儀,計(jì)程儀，無線電測向系統(tǒng)，羅蘭A和羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)，臺(tái)卡導(dǎo)航系統(tǒng),奧米伽導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。這些航海儀器和導(dǎo)航系統(tǒng)為船舶提供了全天候的航海保證。可以說，航海事業(yè)的發(fā)展,刺激了航海儀器的發(fā)展。
反過來，航海儀器的發(fā)展又促進(jìn)了航海技術(shù)的發(fā)展和提高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和在航海上的日益廣泛應(yīng)用，裝備自動(dòng)控制、自動(dòng)避讓、自動(dòng)駕駛等系統(tǒng)的智能化船舶已越來越多的投入使用,未來船舶的高科技含量必將會(huì)越來越高。
陀螺羅經(jīng)是根據(jù)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子指向性原理制成的。它是一種不受磁場影響、有較強(qiáng)指北力的電動(dòng)機(jī)械儀器。一臺(tái)主羅經(jīng)可以帶動(dòng)許多臺(tái)分羅經(jīng),可以在駕駛室內(nèi)外、船長房間、海圖室等處設(shè)置分羅經(jīng),是船舶航行、觀測物標(biāo)方位的重要儀器。
回聲測深儀是一種測量水深的船用水聲導(dǎo)航儀器，在船舶航行中，水深對航線擬定和保證船舶的安全航行起著重要的作用?；芈暅y深儀的用途有：在特殊情況下，可通過測量水深來辨認(rèn)船位；在開辟新航區(qū)或淺水航區(qū)航行時(shí)，可用于導(dǎo)航，以確保船舶航行安全；在航道及港口測量方面，它可提供準(zhǔn)確可靠的水深資料。因此，回聲測深儀是船舶必不可少的導(dǎo)航設(shè)備。
回聲測深儀是應(yīng)用聲波在水中傳播的物理特性而制成的。眾所周知,在海水介質(zhì)中,聲波的傳播性能是電磁波和光波所無法取代的。利用聲波在水中傳播速度基本恒定這一原理,采用測量聲波自發(fā)射經(jīng)海底反射至接收的時(shí)間間隔,便可計(jì)算得到水深。早在1490年,意大利人達(dá)·芬奇即提出用聽音法探測遠(yuǎn)方船只的可能性,但直至1925年回聲測深儀才問世，歷時(shí)450年。在此之前,船舶一直使用測竿和繩索測錘等機(jī)械方法來測量水深?；芈暅y深儀的出現(xiàn)給航海界帶來了福音。由于回聲測深儀具有測量深度準(zhǔn)確、測量速度快、且可連續(xù)工作等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為船舶進(jìn)行水下測量所普遍使用的儀器。
船用計(jì)程儀是用來測定船舶航行速度和累計(jì)船舶航程的一種導(dǎo)航儀器。精確地測量船舶航行速度及航程,對船舶駕駛極為重要,在船舶導(dǎo)航定位中,只要有陀螺羅經(jīng)或磁羅經(jīng)提供船舶航向和計(jì)程儀提供航程,就可求得船舶的推算船位?，F(xiàn)代的導(dǎo)航系統(tǒng)及設(shè)備,如真運(yùn)動(dòng)雷達(dá)、ARPA和自動(dòng)綜合導(dǎo)航儀等均需要輸入船舶的速度信息才能進(jìn)行工作。在大型或超大型船舶系靠碼頭的操縱中,還需要計(jì)程儀提供相對碼頭的縱向和橫向速度,以確保船舶安全地靠泊碼頭。因此,計(jì)程儀是現(xiàn)代船舶必不可缺的重要的航海儀器之一。
船用計(jì)程儀可分為兩類: 相對計(jì)程儀和絕對計(jì)程儀。目前,商船上裝備的計(jì)程儀主要是相對計(jì)程儀,主要類型有:回轉(zhuǎn)式計(jì)程儀、水壓式計(jì)程儀和電磁式計(jì)程儀等三種；絕對計(jì)程儀目前已有多普勒計(jì)程儀、聲相關(guān)計(jì)程儀和GPS(全球定位系統(tǒng))等儀器。
磁羅經(jīng)是利用磁針指北原理制成的,它結(jié)構(gòu)簡單,不用電源,不易損壞,是船舶的必備儀之一。磁針?biāo)傅谋笔堑卮藕痛诺暮狭Ψ较?稱羅經(jīng)北,簡稱羅北。
由于磁針是指向羅北,而不是指向真北,存在著磁羅經(jīng)差。磁羅經(jīng)差是由地磁北極與地理北極不一致(磁差)和船體被地磁磁化以及電氣設(shè)備電磁場影響磁針指地磁北而引起的誤差(自差)兩部分所組成。自差是根據(jù)船舶定期測定的《磁羅經(jīng)自差表》或《磁羅經(jīng)自差曲線》查得。磁差隨船舶在地球上位置不同而不同,可以通過標(biāo)注在海圖羅經(jīng)花上磁差資料求得。
雷達(dá)和ARPA
雷達(dá)是一種利用發(fā)射和接收電磁波探測物標(biāo)的儀器,它的作用距離較遠(yuǎn),顯示直觀,使用方便,不受黑夜的影響,目前已在航海、航空、氣象觀測、軍事、航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。雷達(dá)已是各類船舶不可缺少的主要助航設(shè)備，雷達(dá)由定時(shí)器、發(fā)射機(jī)、天線、收發(fā)開關(guān)、接收機(jī)、顯示器組成。雷達(dá)定位的方法有：距離定位、方位定位、方位與距離定位。IMO對船舶必須安裝的雷達(dá)的數(shù)量和性能也有明確規(guī)定,駕駛員必須接受雷達(dá)操作訓(xùn)練,并取得合格證書。
自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀(automatic radar plotting aid,ARPA)是在雷達(dá)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號處理技術(shù)獲得的新功能。它能夠人工或自動(dòng)捕捉目標(biāo),捕獲(或稱錄取)后自動(dòng)跟蹤, 并以矢量線形式在顯示器屏幕上顯示目標(biāo)船的航向和航速；另外,由操作者設(shè)定最近會(huì)遇距離 (DCPA)和到達(dá)最近會(huì)遇距離處的時(shí)間(TCPA)的允許界限(或稱報(bào)警界限),當(dāng)目標(biāo)的最近會(huì)遇距離和到達(dá)最近會(huì)遇距離處的時(shí)間小于所設(shè)定的允許界限時(shí),就會(huì)自動(dòng)以各種方式(視覺或音響)報(bào)警,提醒駕駛員采取避讓措施,如有需要,還可進(jìn)行試操船(試改向和(或)試改速),以決定所需采取的避讓措施；還可顯示選定目標(biāo)的方位、距離、航向、航速、DCPA和TCPA等數(shù)據(jù)。
雙曲線定位系統(tǒng)
從40年代開始,在無線電定位系統(tǒng)中,先后研制羅蘭(long range navigation, Loran)A/ C、臺(tái)卡(Decca)、奧米伽(Omega)等多種雙曲線無線電定位系統(tǒng),這些定位系統(tǒng)都有各自的優(yōu)點(diǎn),在當(dāng)時(shí)的各段時(shí)期都發(fā)揮著重要的作用,是十分重要的定位系統(tǒng),目前,由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的出現(xiàn)已或?qū)⒅鸩疥P(guān)閉。
雙曲線定位系統(tǒng)是由兩個(gè)部分組成,即設(shè)置在岸上的發(fā)射臺(tái)系統(tǒng)和用來接收該系統(tǒng)的船舶定位儀器。根據(jù)所發(fā)射的脈沖信號的不同,以及測定時(shí)間差的方法不同,雙曲線定位系統(tǒng)可分為：
（1）脈沖雙曲線定位系統(tǒng)，通過測定兩個(gè)發(fā)射臺(tái)的脈沖信號之間的時(shí)間差,從而獲得船位線,如羅蘭A系統(tǒng)。
（2）相位雙曲線定位系統(tǒng),通過測定兩個(gè)發(fā)射臺(tái)的連續(xù)波信號之間的相位差，從而獲得曲線船位線,如臺(tái)卡、奧米伽等系統(tǒng)。
（3）脈沖相位雙曲線定位系統(tǒng),是在測定兩個(gè)發(fā)射臺(tái)的脈沖信號之間的時(shí)間差的同時(shí)，又測定其信號包絡(luò)內(nèi)載頻的相位差,從而獲得雙曲線船位線,如羅蘭C系統(tǒng)。 由于現(xiàn)代電子技術(shù)在雙曲線定位系統(tǒng)的船舶定位儀中的應(yīng)用,使雙曲線定位工作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。目前,大部分的定位儀開啟后,只要輸入所選擇的臺(tái)站等有關(guān)信息,定位儀即可自動(dòng)地(連續(xù))顯示船位(經(jīng)緯度),不必在海圖上畫船位線。有的定位儀還具有航海常用的導(dǎo)航和計(jì)算功能。
衛(wèi)星定位系統(tǒng)
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(satellite navigation)是指利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航的一種導(dǎo)航方式。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常包括導(dǎo)航衛(wèi)星、地面站及用戶設(shè)備三大部分。受地面站控制的導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信號,用戶設(shè)備即運(yùn)載體(例如船舶)所載的衛(wèi)星導(dǎo)航儀收測衛(wèi)星導(dǎo)航信號,求得運(yùn)載體的位置。利用人造地球衛(wèi)星可組成全球或區(qū)域的定位和導(dǎo)航系統(tǒng)。
NNSS定位
NNSS(navy navigation satellite system)是第一個(gè)衛(wèi)星定位系統(tǒng),1964年在美國海軍使用,1967 年對外開放。該系統(tǒng)具有全球、全天候、定位精度高、能自動(dòng)顯示船位經(jīng)緯度等優(yōu)點(diǎn),克服了上述無線電定位方法的缺點(diǎn)。NNSS對外公開后,廣泛地應(yīng)用到船舶定位中,成為那一時(shí)期船舶重要的定位手段。由于NNSS不能連續(xù)定位,現(xiàn)在隨著GPS的投入使用,已被GPS所取代。
GPS定位
GPS(global positioning system)稱為全球定位系統(tǒng).它是具有全球連續(xù)定位和更高精度的三維定位的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)美國已于1992年投入使用。GPS由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三部分組成。GPS是通過衛(wèi)星發(fā)射兩種偽隨機(jī)碼來進(jìn)行測時(shí)測距定位的。這兩種偽隨機(jī)碼是P碼與C/A碼。P碼是精測碼,是專為美國軍用的,極度保密的,精度達(dá)3m(2dms)。C/A碼是粗測碼,是公開民用的,規(guī)定的精度為平面位置精度100m(2dms),垂直高度精度為157m(2 dms)。對于民用用戶來說,若采用差分GPS技術(shù),則可把定位精度提高到幾米。目前, GPS已經(jīng)成為航海上的主要導(dǎo)航系統(tǒng), GPS接收機(jī)已普遍地裝備于各類船舶,差分GPS接收機(jī)也已經(jīng)在部分船舶上裝備。
AIS是一種新型的助航系統(tǒng)和設(shè)備。AIS的功能主要有:船對船模式的避碰；作為沿海國家、監(jiān)管部門、船公司獲取船舶及其貨物信息的工具；作為VTS的工具，幫助船舶有效導(dǎo)航、改善環(huán)境保護(hù)以及改善VTS的運(yùn)行。
AIS 是整合了衛(wèi)星定位、羅經(jīng)計(jì)程儀等,通過VHF無線電數(shù)據(jù)通信,可在雷達(dá)和電子海圖上顯示航海、導(dǎo)航、信息通訊等數(shù)據(jù)的新型航行設(shè)備和系統(tǒng)，是以AIS 為核心,“技術(shù)集成”各種航行設(shè)備的智能化航海專家系統(tǒng)。AIS 實(shí)施時(shí),所有船舶都安裝無線電應(yīng)答器,使本船為其它裝有無線電應(yīng)答器的船舶“看得見”。船舶之間“看得見”,指的是不須人為介入便能夠連續(xù)交換重要的航行數(shù)據(jù)(包括當(dāng)前航行狀態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，如船舶的識別碼、類型、位置、航向、速度、航行狀態(tài)和其它與安全相關(guān)的信息) 。與現(xiàn)有的雷達(dá)、ARPA 等助航設(shè)備相比,它在性能上具有以下優(yōu)點(diǎn):
（1）AIS 提供的目標(biāo)數(shù)據(jù)的信息量大；
（2）精度和可靠性高,靜態(tài)信息、航行相關(guān)信息都是本船確知的,動(dòng)態(tài)信息由本船的GPS、羅經(jīng)、計(jì)程儀、自動(dòng)舵等提供,因此,所獲取的數(shù)據(jù)的精度和可靠性都很高；
（3）AIS 使用海上移動(dòng)VHF波段交換數(shù)據(jù),AIS設(shè)備的成本相對較低；
（4）AIS 可用于改善避碰效果,獲得交通狀態(tài),還可用于船舶報(bào)告。
從AIS 的基本功能和技術(shù)特點(diǎn)看,它為船舶航行安全和航行管理提供了一種新型而有效的手段。AIS的投入使用將有助于加強(qiáng)海上人命安全、提高航行的安全性和效率，以及對海洋環(huán)境的保護(hù)。
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