聊聊那些影响人类航海的技术

聊聊那些影响人类航海的技术

600多年前，一支由艨艟巨舰组成的船队，浩浩荡荡从中国沿海出发，旌旗蔽日，威仪隆盛。34岁的郑和意气风发，率船队开启了七下西洋的航程。

中国航海家的这一壮举，比欧洲航海家哥伦布开辟新航路早了近一个世纪，在人类文明史上留下了辉煌篇章。

郑和下西洋的事迹，被绘制成《郑和航海图》。这是世界上现存最早的航海图集。其中所展示的水罗盘和牵星过洋等技术，充分体现了中国曾经领先于世界的航海智慧。

如今，郑和船队远洋航行的很多细节已经难以考证。但可以确认的是，这一定是一次次充满了探索的勇气、开放的胆魄和执着的梦想的冒险。

2005年7月11日，是郑和下西洋600周年纪念日。国务院批准，将每年的7月11日确立为中国航海日。今年7月11日，正值第18个中国航海日。本版推出特别策划，请看——

——编 者

【导航技术】

星辰指向 解锁经纬

■解放军报记者 王凌硕 通讯员 倪栋梁

茫茫大洋中，再大的船只也如同沧海一粟。要想顺利到达目的地，导航至关重要。

英文“导航”一词原是从拉丁文的“船舶”和“指向”组合成的词汇转化而来。

很长一段时间，航海依赖着陆地参考系。

陆地交通有着“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”的沿途风景，在丰富参照物的辅助下，人们凭借着记忆便能抵达目的地，有时甚至连动物都能“老马识途”。

但茫茫大洋中，在严重缺乏可供参照的地理标识情况下，勇敢的航海家们如何辨别方向呢？

答案在天上——天文导航。

天文导航中，日月星辰如同指引航海者的灯塔。太阳、月亮、北极星是天文学研究中至关重要的三个天体，人们借助它们，判断自己在地球上的纬度。中国古代航海家由此总结发明了具有中国特色的天文观察导航技术——过洋牵星术。

指南针是中国古代四大发明之一。指南针应用于航海也是从中国开始的，并引起了世界航海技术的重大变革。中国古代文献记载：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针”，由此实现了全天候导航。

在很长一段时间内，人们通过观测太阳或者北极星的高度可以大致确定船只所在的纬度，但确定经度是一个难题。1759年，英国钟表匠约翰·哈里森制造出H4航海钟。此后几十年里，价格昂贵的航海钟逐渐得到广泛应用。人们可以通过航海钟来准确获知某已知经度地点的准确时间，并用以推算出所在地点的经度。

一个罗盘、一张海图、一块钟表、一个六分仪、一副尺规，人类的远洋航行能力自此有了根本性提高。

随着时代的发展，当天体不仅仅是日月星辰，还有人造卫星时，天文导航产生了跨越式的发展——全天时、全地域的卫星导航系统为人们打开了全新的大门。

在由导航卫星搭建的星地坐标系中，每个星座都有自己的坐标信息，通过测量我们与星座间的距离，就能解算出我们在该坐标系的位置。

从根本上说，卫星导航的核心就是时间测量。在信号传播速度（光速）已知的前提下，时间测量越精密，位置解算就越精确。

在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量，只有原子钟能做到。

原子钟，是利用电子跃迁释放电磁波原理制造的钟，是导航卫星的“心脏”。在原子内部，电子绕原子核高速旋转，有不同的旋转轨道。电子在不同的旋转轨道上具有不连续的能量差异，称为能级。电子在不同能级之间跃迁频率是固定的，利用这一特性，便可以制作出非常精确的计时仪器。原子钟也会如普通钟表一般“嘀嗒走时”。不同的是，这种“嘀嗒”更均匀，表现为一种电磁波形式，10亿年才累积一秒的误差。

2020年6月23日，长征三号乙火箭将北斗三号最后一颗全球组网卫星送入太空，北斗三号系统全面建成。此时的北斗，是中国的北斗，更是世界的北斗。

作为完全由我国自主建设运行的全球卫星导航系统，北斗卫星导航系统如它的名字一般，为人们带来来自太空的无处不在、无时不在的时空信息服务。

目前，中国正在推动以下一代北斗系统为核心的国家综合定位导航授时（PNT）体系建设。2035年前，将建成以北斗系统为核心，更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系，为未来智能化、无人化发展提供核心支撑。

从北极星、指南针、罗盘，再到今天的北斗卫星导航系统，富有探索和创新精神的中华民族，翻山越海的步伐从未停止，不断走向更加美好的未来。

【智能航海】

智能船舶 赋能未来

■王耿峰 申家双 张 伟

人类的航海事业，就像是一艘在浩瀚海洋里乘风破浪的理想之船，不断向前发展。从“刳木为舟，剡木为楫”的原始舟筏，到“潮平两岸阔，风正一帆悬”的帆船时代，再到“吐雾吞云凌霄汉，穿山涉水闯神州”的蒸汽动力……如今，智能航海新时代已经到来。

智能船舶是综合运用感知、通信、控制、人工智能等先进技术，具备自身感知、智能决策、多等级自动控制能力，在航行管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶。与传统船舶相比，智能船舶更安全、更高效且经济。

智能船舶相当于为船舶装上了一颗会学习和思考的“大脑”。如同新生儿一样，这颗“大脑”首先需要学会如何感知和认识这个世界。

态势感知是实现智能航海的第一步。船舶需要更多传感器收集大量信息，为智能航海提供信息支撑。当然，大量的信息还需要配套的数据处理和传输效率，才能更好地为智能认知决策。

船舶智能航行的认知过程是在态势感知的基础上进行的。例如，船舶获取一定海域的信息后，需要对各类信息进行分析识别，通过智能认知系统优化航路并实现避碰。经过大量的信息搜集、认知、处理后，船舶智能航行认知决策模型就会逐渐建立起来，最终实现智能航行中的自主认知决策。

事实上，船舶智能化已经有了相当长一段时间的发展。近几年，商用智能船舶更是进入飞速发展时期。

2017年12月，全球首艘获得智能船入级符号（LR和CCS）的智能船舶“大智号”正式交付使用。这艘重达38800吨的货船会自主学习、能选择最优航线，还能提前发现事故隐患，可以说是真正意义上的智能船舶。2018年4月7日，挪威将全球第一艘零排放无人驾驶集装箱船舶投放到实际航线上运营，该船搭载了先进的感知系统与传感器，可实现自动规避障碍物和目标船舶功能。2019年7月，中国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船雪龙2号交付使用，这也是一艘智能船舶，能实现船舶和科考的智能化运行和辅助决策。

在军事领域，智能船舶同样大有可为。

海上作战，复杂的海战场环境对敌我识别、目标态势感知和航行决策造成一定的困难，而智能航海可以合理规划航线、辅助航行决策以及识别敌我目标，从而大大提高作战效率。

在交通密集的狭窄海域，或编队作战航行过程中，智能船舶可通过自动收集、传输数据和信息，实现情报共享、入侵预警、避免碰撞等功能，替代传统人工进行快速分析并辅助决策。

从目前来看，智能航海是大趋势、大潮流。许多人相信，智能航海将改变整个航运业和海上作战方式，对未来世界产生深刻影响。

【清洁远航】

金色航程 绿色航迹

■解放军报记者 安普忠 通讯员 倪栋梁

海水深蓝，天空浅蓝。海天之间，一艘巨轮全速航行，在海面犁出一道白色航迹。

在船上，水是生命之源，油是动力之源。但两者必须分开处置，这是防止污染的重要一环。

机舱内，润滑油从满负荷运转的设备缝隙中缓缓渗出，滴入底舱，水从冷却设备表面凝结滴落，同样进入底舱。

底舱，是设备运转所产生的污油和污水混合的地方，也是海上防污染工作的重点部位。

航行状态下，掀开底舱上方的铁板，下面就是油污水，借助光源，液面上一层油污清晰可见。这里看似毫不起眼，但洁净循环一直在默默运行。

油污水经过沉淀分层，汇集到专门的污水舱，再层层过滤，通过油水分离装置彻底分离。

水达到排放标准后就可对外排放，污油则进入污油舱存储，剩下的部分回到底舱继续循环。

一遍遍循环，一遍遍过滤。钢铁巨轮和大洋一直保持着这样健康友好的互动。

油水分离的方法多种多样，而膜分离技术是许多船舶进行油污水处理的常用技术。膜分离，顾名思义，就是利用分离膜的选择性分离实现料液的不同组分的分离、纯化、浓缩的过程。简单来说，膜分离的过程和过滤相似。但区别于传统过滤，分离膜可以在分子的范围内进行分离。

当然，膜分离技术的关键在于膜。按材料的不同，可分为无机膜和有机膜。常见的如陶瓷和金属，都可以成为制作膜的材料。对膜材料的探索与开发，是科研人员研究的重点。为了克服单一膜材料的缺陷，科研人员研究出了复合膜材料，不仅能将各种膜材料的优点结合，还能提高分离膜的过滤性能和抗污染能力。

膜分离技术有着相当长的历史。早期很多专家学者的研究还颇具戏剧性。1784年，法国学者阿贝·诺伦特发现水能够自发扩散到装有酒精的猪膀胱内，从而发现了膜分离现象。1861年，施密特用牛心包膜提取阿拉伯胶，可以算得上是世界上第一次超滤试验……然而，直到20世纪60年代中期，膜分离技术才应用到工业上。发展到今天，膜分离技术已经成为一项高效节能的新型分离技术，在医药、生物、环保等多个领域有着大规模的应用。

蒸汽船发明后，排放后的环境污染成为一大难题。在大洋上航行，船员有时会看到油污漂浮在海上绵延数海里，像伤疤一样难看。海洋的生态被严重破坏，不少海洋生物因此失去生命。

随着越来越多高新技术在航海上的应用，人们在追求经济效益的同时，也越来越注重环保。如何有效去除航海带来的污染，正在成为越来越强的共识和越来越坚决的行动。

满载货物的金色航程，留下的应当是绿色的航迹。遨游在占地球约三分之二面积的大海之上，我们时时能够看到鲸鱼喷起水柱、海豚随船跃起、飞鱼飞上甲板……人与海洋生物、环境和谐相处，这才是最美丽的航海梦！