內容提要:經(jīng)過(guò)長(cháng)期的理論研究與實(shí)踐探索,制作了磁羅經(jīng)數字校正儀,提出了磁羅經(jīng)自差數字化校正法,并完成了船舶在錨泊狀態(tài)時(shí)就能校正磁羅經(jīng)自差的實(shí)際校正工作,能夠滿(mǎn)足校正工作的要求。為磁羅經(jīng)校正工作提供一種高效便捷的方法,確保船舶的航行安全。
關(guān)鍵詞:磁羅經(jīng)自差 磁羅經(jīng)數字校正法 磁羅經(jīng)校正儀 錨泊校正
0引言
隨著(zhù)計算機、電子技術(shù)的發(fā)展,航??萍家惭杆侔l(fā)展,GPS、電子海圖、AIS等航海設備的應用為今日的航海技術(shù)注入新的活力。但陀螺羅經(jīng)和磁羅經(jīng)仍是船舶的主要指向設備。而磁羅經(jīng)依靠地球的磁性指向,簡(jiǎn)單可靠,仍被國際海事組織(IMO)確定為必備設備。按SOLAS公約和我國《海船航行設備規范》:凡150總噸及以上的船舶均應裝設:①一臺標準磁羅經(jīng)或至少應配備一臺合適的操舵羅經(jīng);②各磁羅經(jīng)應正確校正,并應備有隨時(shí)可用的剩余自差表或自差曲線(xiàn)。由于鋼鐵船體的磁性導致磁羅經(jīng)指北發(fā)生偏差,即產(chǎn)生磁羅經(jīng)自差。為了確保磁羅經(jīng)能較為準確地指磁北,磁羅經(jīng)就必須定期校正,使其誤差控制在允許的范圍之內。
1磁羅經(jīng)自差的傳統校正法
磁羅經(jīng)自差的校正就是以性質(zhì)相同、大小相等、方向相反的校正磁力來(lái)抵消船磁力的影響,即用校正器上的縱、橫硬磁鐵和軟鐵把船磁力對磁羅經(jīng)的影響抵消或降低到允許的范圍。
現有磁羅經(jīng)自差的傳統校正方法基本上可歸類(lèi)為兩種:一種是愛(ài)利法,校正自差時(shí)船舶需航行在特定磁航向(N、E、S、W、NE、SE、SW、NW)上,通過(guò)測定自差、校正自差,達到抵消自差力的目的;另一種是以科侖克法為代表的測力法,校正自差時(shí)船舶需航行在特定羅航向上,通過(guò)測定自差力、抵消自差力,達到校正自差的目的。兩種校正方法都需要船舶在較寬闊的水域,機動(dòng)航行在特定的航向上進(jìn)行校正工作。這對大型船舶,尤其是集裝箱班輪確有一定難度,使校正工作往往難以實(shí)施。如果能用一種方法使船舶在錨泊狀態(tài)下,在任意航向上就能校正磁羅經(jīng)自差,那么磁羅經(jīng)自差的校正工作將方便地在錨地水域進(jìn)行,既節省工時(shí),又節省燃油,這一直是磁羅經(jīng)校正師們所研究的課題。
2磁羅經(jīng)自差數字化校正法理論
由經(jīng)典磁羅經(jīng)自差校正理論可知,在校正自差過(guò)程中船舶在特定的八個(gè)航向航行的目的,是把船磁總合力中的縱向力、橫向力和象限自差力分辨出來(lái)。如果通過(guò)一種方法能夠測定船磁總力并進(jìn)行分解,那么校正磁羅經(jīng)自差時(shí)船舶就不需要回轉。
在船舶正平時(shí)選取羅經(jīng)坐標系,規定在羅經(jīng)平面上平行于船首尾線(xiàn)為縱軸(x軸),左右舷為橫軸(y軸),垂直于甲板的為垂直軸(z軸),并分別以向船首、右舷和垂直向下為正向。ψ為船舶的磁航向。由于Z力垂直作用于羅盤(pán)平面,不會(huì )產(chǎn)生對羅盤(pán)水平偏轉的自差,這樣作用在羅盤(pán)平面上有六個(gè)力:
A′λH:指向垂直于磁子午線(xiàn),正力指東,負力指西。
B′λH:正力指向船首為ψ,負力指船尾為ψ±180°。
C′λH:正力指向右舷為ψ+90°;負力指向左舷為ψ-90°
D′λH:正力指向與磁子午線(xiàn)夾角為2ψ;負力指向2ψ±180°。
E′λH:正力指向為2ψ+90°;負力指向為2ψ-90°。
λH:指北力指向磁北Nm。其中λ為指北力系數,對于商船,標準羅經(jīng)λ值在0.8~
0.9之間,操舵羅經(jīng)在0.6~0.8之間。
六個(gè)力作用在羅盤(pán)上的受力圖見(jiàn)圖1。
對于商船來(lái)說(shuō)由于磁羅經(jīng)的艏艉基線(xiàn)在船舶的艏艉面內,A′、E′很小,設A′λH=0、E′λH=0,這時(shí)羅盤(pán)上受力情況如圖2所示,僅有四個(gè)力作用于羅盤(pán)上。其中λH圖1羅盤(pán)受六個(gè)力作用是需要保留的指北力,B′λH、C′λH、D′λH是需要抵消的船磁力。
如果在羅盤(pán)上方高斯第二位置加一測力磁鐵,使測力磁鐵的N端朝北放置,測力磁鐵力F朝南,其磁力F的大小等于λH,即以F力抵消λH力,這時(shí)羅盤(pán)上磁針指向B′λH、C′λH、D′λH的合力方向,如圖3所示。
在此情況下,若船舶航向在ψ1上,x軸上的合力為X1=B′λH+D′λHcosψ1,y軸上的合力為Y1=C′λH+D′λHsinψ1。
當船舶航向在ψ2時(shí),x軸上的合力為X2=B′λH+D′λHcosψ2,y軸上的合力為Y2=C′λH+D′λHsinψ2。
用一種專(zhuān)用磁力測量?jì)x分別測量出X1、Y1、X2、Y2的值,那么聯(lián)列方程:
X1=B′λH+D′λHcosψ1
Y1=C′λH+D′λHsinψ1
X2=B′λH+D′λHcosψ2
Y2=C′λH+D′λHsinψ2
通過(guò)解算就可分別求出B′λH、C′λH、D′λH的大小及方向。
再分別用縱向、橫向和軟鐵校正器來(lái)抵消B′λH、C′λH、D′λH。使磁力測量?jì)x上的B′λH、C′λH、D′λH分量顯示值為零,這時(shí)船磁對磁針的影響即被抵消。
在實(shí)際校正時(shí),船舶在錨泊狀態(tài)下的任意航向即為ψ1,經(jīng)測定X1、Y1值后,可微量用車(chē)或利用潮流的影響,使船舶偏離一個(gè)不大的角度,在航向ψ2上測定X2、Y2值,經(jīng)解算就可分別顯示出B′λH、C′λH和D′λH值,作為校正自差的依據。這就是磁羅經(jīng)自差數字化校正法的理論根據。
3磁阻傳感器的原理
磁阻傳感器是利用鐵磁材料具有磁阻效應的特性工作的。磁阻效應是指導體電阻受磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生變化的現象。當外磁場(chǎng)平行于磁導體內部磁化方向時(shí),磁體電阻幾乎不隨外磁場(chǎng)變化;當外磁場(chǎng)偏離內部磁場(chǎng)方向時(shí),則磁阻減小,而且偏離的方向與磁阻的減小成一定的函數關(guān)系??梢?jiàn)利用鐵磁材料的這一特性能辨別磁場(chǎng)的方向、測量磁場(chǎng)的大小。用兩個(gè)相互垂直的磁導體即能測量二維分力;若用三個(gè)相互垂直的磁導體就能測量三維分力。本文使用的磁阻傳感器即為三軸傳感器。使傳感器安放在羅盆位置,三個(gè)軸分別與羅經(jīng)坐標系的x、y、z軸平行,這樣就能測量磁羅經(jīng)所處環(huán)境的船舶磁場(chǎng)在x、y和z三個(gè)方向的分力。檢測到的磁體電阻變化量經(jīng)放大后經(jīng)A/D轉換、單片機計算,以RS-485或RS232的標準輸出磁力的方向與大小的數字信號。
4磁羅經(jīng)校正儀
根據磁羅經(jīng)數字化校正理論,設計制作了磁羅經(jīng)校正儀,其結構由電子羅盆、支架、筆記本電腦、軟件和電源等五部分組成,如圖4所示。
(1)測力磁鐵。測力磁鐵在滑桿上可上下移動(dòng),以改變磁鐵對羅盤(pán)的作用力,用于抵消地磁的指北力。
(2)滑桿。其中部印有標尺,用于記錄測力磁鐵的位置。
(3)電子羅盆及高靈敏度的磁阻傳感器。磁阻傳感器用于檢測羅盤(pán)處船舶縱橫向及垂直方向的船磁力大小,并以RS232串口形式傳送給計算機。電子羅盆安放在羅經(jīng)柜上,羅盆的艏標志與x軸平行,兩側的支承轉軸與y軸平行,以確保X傳感器與x軸平行,Y傳感器與y軸平行,并保證傳感器的中心位置與電子羅盆的幾何中心重合。
(4)可旋轉方位盤(pán)。與電子羅盆上的艏標記配合使用,用于設定電子羅盤(pán)上的船舶磁航向,這時(shí)支架上的Nm標記對準可旋轉方位盤(pán)上的零時(shí),測力磁鐵的磁力就與地磁指北力反向。
(5)筆記本電腦運行應用軟件。用于處理磁阻傳感器送來(lái)數據,顯示x、y和z軸的分力數值,并計算出分力B’λH、C’λH、D’λH,檢測校正的分力。軟件界面如圖5所示。其中:縱向分量X、橫向分量Y、垂直分量Z均為傳感器實(shí)時(shí)測量值,航向ψ1、ψ2為輸入值,第一、二航向按鈕為確認鍵,其余均是計算值。
5磁羅經(jīng)數字化校正法的應用
(1)測量校正地附近的地磁水平分力和垂直分力。在岸上遠離鐵器的地方,校正儀離地至少1m,打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)和電腦,并運行應用軟件,轉動(dòng)電子羅盆方位,使軟件上y軸的讀數為0,說(shuō)明電子羅盆上的艏標記指向北。放上支架并將Nm標記與電子羅盆上的艏標記重合。這時(shí)軟件界面上x軸分量的讀數即為當地地磁水平分量H,z軸分量的讀數即為當地地磁垂直分量Z。放置測力磁鐵,N端指向北,上下調整磁鐵,直到軟件界面上x軸輸出的讀數為0,記下測力磁鐵在滑桿標尺上刻度n,同時(shí)記下軟件界面上z軸垂直分力輸出讀數m。
(2)在船上安裝校正儀。
在船上,從常平環(huán)上取下羅經(jīng)盆,把電子羅盆放在常平環(huán)上,電子羅盆的艏線(xiàn)標記指向船艏。這時(shí)電子羅盆的兩支承轉軸垂直于船舶的艏艉線(xiàn),也就是傳感器的三軸與船舶坐標系的x、y、z軸平行。
(3)在ψ1、ψ2
兩航向上測定X1、Y1、X2、Y2。
①通過(guò)陀螺羅經(jīng)、天體或物標取得本船的第一磁航向ψ1(如圖中ψ1是125°),轉動(dòng)電子羅盆上的可旋轉方位盤(pán),使其指示航向ψ1。放上支架使Nm標記指向可旋轉方位盤(pán)的0°即磁北。
②用測力磁鐵的磁力抵消地磁指北力。放置測力磁鐵,移動(dòng)測力磁鐵在滑桿上位置至n′,n′=λn(標準羅經(jīng)λ值取0.8~0.9,操舵羅經(jīng)λ值取0.6~0.8)。
③讀取軟件界面上x、y軸輸出讀數為X1、Y1,如圖6所示。按確認鍵,存儲此數值。
④微用車(chē)或利用潮流使船舶航向偏離一個(gè)角度,測得本船的第二磁航向ψ2(圖中ψ2是162°),調整電子羅盆方位使航向指向ψ2,轉動(dòng)支架使Nm標記指向磁北,讀取軟件界面上x、y軸輸出讀數為X2、Y2,如圖7所示。按確認鍵,輸入計算機,這時(shí)B′λH、C′λH、D′λH的值已經(jīng)計算出,并顯示縱、橫磁棒及軟鐵校正裝置應校正值。
(4)校正半圓自差和象限自差。
①抵消C′λH:在羅經(jīng)柜中的校正架上調整橫向磁棒使軟件界面上y軸的讀數為D′λHsinψ2(圖8中D′λHsinψ2為6.36),如圖8所示。
②抵消D′λH:在校正架上調整軟鐵片(球)使軟件界面上y軸的讀數為0,如圖9所示。
③抵消B′λH:在校正架上調整縱向磁棒使軟件界面上x軸的讀數為0,如圖9所示。
(5)校正傾斜自差。
調整垂直磁棒使軟件界面上z軸輸出讀數為m′,m′=λm,如圖10所示m′為263.8。
(6)自差校正完畢,取下電子羅盆與支架,放回磁羅經(jīng)盆,記錄校正器的位置。校正半圓自差、象限自差和傾斜自差結束。
6磁羅經(jīng)數字化校正法的可行性
(1)在校正儀中磁阻傳感器是檢測磁力大小與方向的關(guān)鍵元件,其靈敏度將直接影響校正準確性。本文中采用的HMR3200巨磁阻傳感器其磁場(chǎng)測量的分辨率較高,適用于對磁羅經(jīng)周?chē)艌?chǎng)大小與方向的測量。
(2)由于地磁在一個(gè)地區的變化不大,因此在同一地區校正羅經(jīng)時(shí),可直接引用上次所測地磁水平分力和垂直分力數據,簡(jiǎn)化校正工作步驟。
(3)船舶在錨泊時(shí)磁羅經(jīng)的周邊磁場(chǎng)環(huán)境與海上航行狀態(tài)一樣。
(4)為了提高測量和校正精度,在利用潮流或微用車(chē)使船舶兩航向的變化角以大于30°為宜。在校正過(guò)程中,應用軟件根據D′λH在y、x軸方向分力的大小,來(lái)選擇抵消B′λH、C′λH的順序。即若D′λH在y軸上的分力大,就先用橫磁棒抵消C′λH力,再用軟鐵抵消D′λHsinψ2,使y軸的力為零,最后再用縱向磁棒抵消B′λH,使x軸的力為零。反之則先抵消B′λH,再抵消D′λHcosψ2,最后抵消C′λH。應用軟件比較D′λHsinψ2和D′λHcosψ2的大小,并作相應顯示,以提示校正順序。
(5)由于船舶在錨泊狀態(tài),可有充足的時(shí)間來(lái)精確調整校正器,達到滿(mǎn)意的精度。
7誤差分析及校正中注意事項
從上述理論分析可知,磁羅經(jīng)數字校正法,仍以假設A′,E′為零為條件,其誤差來(lái)源及操作注意方面有:
(1)在用測力磁鐵抵消λH時(shí),λ的取值是利用手中積累的資料,參考同類(lèi)型或相近船舶的取值,可能存在差異;
(2)倘若A′,E′均不為零,必然會(huì )產(chǎn)生誤差,但對安裝在艏艉面上的羅經(jīng)這個(gè)誤差是很小的。
(3)實(shí)測結果表明在校正過(guò)程中,剩余磁力分量精確至5~8μGauss時(shí),羅經(jīng)的剩余自差近似為零;當剩余自差力為15μGauss時(shí),羅經(jīng)的剩余自差在1°左右。
(4)校正過(guò)程中兩個(gè)航向ψ1、ψ2之間相差不小于30°為宜,其中只要有一個(gè)為東、南、西、北航向時(shí),B′λH、C′λH中就有一個(gè)值能精確測出,而不是通過(guò)軟件計算求出的,校正效果更好。
(5)在第一個(gè)航向上僅測量X1、Y1的值,所需時(shí)間很短,而在第二航向上除測量X2、Y2外,還要完成自差校正工作,所以船舶在第二航向上要保持一定的穩定時(shí)間,確保校正的精度,否則將產(chǎn)生誤差。
(6)校正傾斜自差時(shí),若船舶不在磁東、西航向,會(huì )有一定誤差;這個(gè)誤差一般是比較小的。
8結語(yǔ)
磁羅經(jīng)數字校正法最大優(yōu)點(diǎn)是船舶不要專(zhuān)門(mén)為校正磁羅經(jīng)而進(jìn)行回轉航行,船舶在拋錨或港內航行中,通過(guò)小角度的航向調整,就能完成校正工作,節省燃油,省工省時(shí),無(wú)須寬闊水域,在航道狹窄的水域也能進(jìn)行,是值得推廣的一種校正方法。
作者:季本山 來(lái)源:航海技術(shù)