蘭國(guó)輝, 鐘云海, 馬海瑞, 韓云東

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系， 遼寧 大連 116018)

ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差的岸基校正

蘭國(guó)輝, 鐘云海, 馬海瑞, 韓云東

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系， 遼寧 大連 116018)

分析利用傳統(tǒng)“愛(ài)利法”在海上校正ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差存在的航向保持困難、船磁隨裝載變化及經(jīng)濟(jì)成本高等問(wèn)題。根據(jù)ZUBR氣墊船可在陸地運(yùn)動(dòng)的特性，提出一種在岸基條件下校正該型氣墊船磁羅經(jīng)自差的方法。構(gòu)建具體的磁羅經(jīng)自差校正場(chǎng)環(huán)境模型，進(jìn)而研究利用該校正場(chǎng)校正磁羅經(jīng)自差的具體方法。研究成果對(duì)開(kāi)展氣墊船磁羅經(jīng)自差校正工作具有實(shí)際意義。

ZUBR氣墊船； 磁羅經(jīng)； 自差校正

Abstract: The limitations of the Airy method for magnetic compass correction on ‘ZUBR’ air cushion vehicle are analyzed. The major problems are the following: It is hard to hold the required heading; the compass deviation is subject to the loading condition of the vehicle; the cost is too high. The on-land solution of magnetic compass correction is proposed by the land travel ability of the ‘ZUBR’ air cushion vehicle. The model of the test field for deviation compensation is built, and the correction procedure is investigated. The suggested method is of value for the deviation correction of compasses on other air cushion vehicles.

Keywords: 'ZUBR' air cushion vehicle; magnetic compass; deviation correction

磁羅經(jīng)是重要的指向性導(dǎo)航儀器， 《國(guó)際海上人命安全公約》(SOLAS公約)和我國(guó)的《海船航行設(shè)備規(guī)范》都明確規(guī)定150總噸以上的船舶均應(yīng)裝設(shè)一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)磁羅經(jīng)或至少配備1臺(tái)合適的操舵磁羅經(jīng)；同時(shí)，各磁羅經(jīng)應(yīng)正確校正，并應(yīng)備有隨時(shí)可用的剩余自差表或自差曲線。[1-2]鑒于磁羅經(jīng)對(duì)保障船舶安全航行具有諸多優(yōu)良特性，其已在交通、救災(zāi)及國(guó)防等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，當(dāng)今世界上噸位最大(排水量達(dá)500 t)的ZUBR氣墊船[3]就是以磁羅經(jīng)作為主要導(dǎo)航儀器的。

及時(shí)進(jìn)行自差校正是使用磁羅經(jīng)時(shí)必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，而氣墊船航泊方式的特殊性致使傳統(tǒng)基于海上校正磁羅經(jīng)自差的方法不再適用。對(duì)此，在分析ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正問(wèn)題的基礎(chǔ)上，針對(duì)其可在陸地運(yùn)動(dòng)的特性，提出在岸基條件下的氣墊船磁羅經(jīng)自差校正理論并構(gòu)建其岸基校正場(chǎng)模型，進(jìn)而給出解決氣墊船磁羅經(jīng)自差校正問(wèn)題的具體方法。

1 ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正問(wèn)題分析

磁羅經(jīng)自差校正特指為消除船舶及飛機(jī)等載體磁場(chǎng)對(duì)磁羅經(jīng)的影響以提高磁羅經(jīng)指向精度所采用的專門(mén)方法。目前國(guó)內(nèi)外比較通用的校正方法是英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)利提出的“消角法”(也稱“愛(ài)利法”)[4]，即首先在東、西、南及北等4個(gè)主航向和2個(gè)隅點(diǎn)航向上分別校正半圓自差和象限自差，然后測(cè)定各航向的剩余自差。在具體實(shí)施該方法時(shí)要求船舶沿準(zhǔn)確的磁航向航行，利用太陽(yáng)、疊標(biāo)或與陀螺羅經(jīng)比對(duì)來(lái)測(cè)定自差。ZUBR氣墊船的特殊性使得采用愛(ài)利法的過(guò)程中會(huì)面臨諸多困難，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1) 氣墊船的工作原理是在船舶底部襯墊空氣，利用船底與水面間的高壓氣墊作用使船體部分或全部提升，從而使船舶快速行進(jìn)。[5]氣墊船底部與水面并不直接接觸，其轉(zhuǎn)向主要依靠空氣舵或側(cè)推器，這就使得其在海上難以保持航向固定，通常表現(xiàn)為蛇形運(yùn)動(dòng)。[6]然而，磁羅經(jīng)自差校正要求船舶保持航向固定并持續(xù)一段時(shí)間，因此氣墊船要在海上進(jìn)行磁羅經(jīng)自差校正極為困難，甚至無(wú)法完成。

2) ZUBR氣墊船的主要功能是運(yùn)輸人員和裝備，具有多種裝載方案，在不同裝載條件下其船體磁場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，從而影響磁羅經(jīng)的自差。為測(cè)得準(zhǔn)確的自差數(shù)據(jù)，應(yīng)在各種裝載條件下分別制作剩余自差表，這就對(duì)氣墊船磁羅經(jīng)自差校正提出了更高的要求，實(shí)際上在海上很難滿足。

3) ZUBR氣墊船上安裝有5臺(tái)超大功率的主燃?xì)廨啓C(jī)及4臺(tái)燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)，航行時(shí)5臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)全部滿負(fù)荷工作，油耗量較大。由于采用傳統(tǒng)方法校正船用磁羅經(jīng)自差時(shí)需專門(mén)在海上航行較長(zhǎng)時(shí)間(一般約為2 h)，因此僅為校正磁羅經(jīng)自差而啟動(dòng)機(jī)器必將付出較大經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

綜上所述，ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正面臨著航向難以保持、船磁隨裝載變化及經(jīng)濟(jì)代價(jià)高等問(wèn)題，使得傳統(tǒng)的海上ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正難以實(shí)施。鑒于ZUBR氣墊船具有兩棲活動(dòng)功能[7]，同時(shí)為保護(hù)其圍裙不受海水腐蝕，通常將ZUBR氣墊船的駐泊地設(shè)在岸上。因此，若能在氣墊船駐泊地附近建立岸基校正場(chǎng)，利用氣墊船可原地旋回轉(zhuǎn)向的特性，采用愛(ài)利法對(duì)其自差進(jìn)行校正，上述問(wèn)題即可迎刃而解。

2 在岸基條件下氣墊船磁羅經(jīng)自差校正場(chǎng)構(gòu)建

2.1校正場(chǎng)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)磁羅經(jīng)自差理論，在船舶正平時(shí)，磁羅經(jīng)共受到6個(gè)力的作用[8]，分別為：λH,λHA′,λHB′,λHC′,λHD′,λHE′。圖1為磁羅經(jīng)受力分析，其中：φ為磁航向;Nm為磁北;NC為羅北；λH為指北力，指向磁北NM，故不會(huì)產(chǎn)生自差;其余5個(gè)作用力產(chǎn)生的自差分別記為δA,δB,δC,δD,δE。當(dāng)自差δ不大時(shí)，便可得到自差計(jì)算式為

δ=δA+δB+δC+δD+δE=A′+B′sinφ+C′cosφ+D′sin 2φ+E′cos 2φ

(1)

圖1 磁羅經(jīng)受力分析

由于ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)安裝在艏艉面內(nèi)，且氣墊船左右舷對(duì)稱，因此λHA′產(chǎn)生的固定自差δA及非對(duì)稱軟鐵磁力λHE′產(chǎn)生的自差δE都很小，在進(jìn)行自差校正時(shí)可忽略不計(jì)，這時(shí)僅有λH，λHB′，λHC′及λHD′等4個(gè)力作用在羅盤(pán)上。

1)λH是需要保留的指北力。

2)λHB′和λHC′主要由船橫向硬鐵及縱向硬鐵產(chǎn)生，其產(chǎn)生的δB及δC自差較大，需進(jìn)行校正。

3)λHD′由船對(duì)稱軟鐵產(chǎn)生，考慮到ZUBR氣墊船縱橫比不大，其產(chǎn)生的δD較小，可看作剩余自差處理。

這樣，ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正就主要是校正半圓自差λHB′和λHC′。根據(jù)愛(ài)利法校正磁羅經(jīng)半圓自差的方法，氣墊船要分別航行在東、西、南及北等4個(gè)主點(diǎn)航向上校正自差；同時(shí)，為得到任意航向的剩余自差，需實(shí)測(cè)至少5個(gè)航向的剩余自差，然后代入到式(1)中進(jìn)行解算。由上述分析可知：只要在ZUBR氣墊船駐地選擇合適的校正場(chǎng)，設(shè)置5組校正標(biāo)，利用氣墊船可原地轉(zhuǎn)向的特性即可方便地對(duì)其磁羅經(jīng)自差進(jìn)行校正；同時(shí)，可根據(jù)測(cè)量的5個(gè)剩余自差計(jì)算出自差系數(shù)，進(jìn)而求得各個(gè)航向上的剩余自差。

2.2校正場(chǎng)勘察

建立理想的ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)校正場(chǎng)必須經(jīng)過(guò)周密的調(diào)查研究和勘察，應(yīng)主要考慮以下3個(gè)方面：

1) 校正場(chǎng)應(yīng)盡量靠近氣墊船駐地，以便縮短校正時(shí)間。

2) 由于氣墊船受風(fēng)影響較大，校正場(chǎng)應(yīng)選擇在防風(fēng)的地點(diǎn)，并有足夠的機(jī)動(dòng)回旋空間。

3) 校正場(chǎng)附近不能有磁鐵礦、大型鋼鐵建筑等。

2.3校正場(chǎng)模型構(gòu)建

校正場(chǎng)應(yīng)具有為氣墊船轉(zhuǎn)向提供航向基準(zhǔn)和為氣墊船磁羅經(jīng)自差測(cè)量提供方位基準(zhǔn)兩大功能。由于ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)安裝在駕駛室內(nèi)，無(wú)法直接利用磁羅經(jīng)方位圈觀測(cè)目標(biāo)方位[9]，因此需借助其裝備的2套瞄準(zhǔn)鏡來(lái)進(jìn)行方位瞄準(zhǔn)。為避開(kāi)瞄準(zhǔn)鏡觀測(cè)盲區(qū)，氣墊船磁羅經(jīng)消測(cè)校正場(chǎng)采用環(huán)射式結(jié)構(gòu)，即在氣墊船校正場(chǎng)南、北、東、西及東北等5個(gè)方向上各放置一個(gè)校正標(biāo)，校正標(biāo)的布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖2 校正標(biāo)的布設(shè)

2.3.1校正標(biāo)距離R計(jì)算

氣墊船在旋回過(guò)程中會(huì)相對(duì)校正場(chǎng)中心點(diǎn)產(chǎn)生位移Dw(見(jiàn)圖3)。若要保證校正誤差時(shí)航向精度在θ以內(nèi)，則校正標(biāo)距離R的計(jì)算式應(yīng)為

(2)

圖3 校正標(biāo)距離R的計(jì)算示意

根據(jù)氣墊船的旋回特性，其位移誤差Dw可控制在15 m以內(nèi)，若需保證校正誤差時(shí)航向精度保持在0.5°以內(nèi)，則校正標(biāo)距離R應(yīng)為

(3)

2.3.2校正標(biāo)位置計(jì)算

校正標(biāo)位置應(yīng)盡量準(zhǔn)確，否則會(huì)影響校正自差的精度。其測(cè)量方法主要分為天文測(cè)量和三角測(cè)量2種，其中天文測(cè)量較為簡(jiǎn)便，可按下述方法進(jìn)行：

(1) 在校正場(chǎng)中心放置一個(gè)假羅經(jīng)；

(2) 計(jì)算出某時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)的真方位(為提高精度，通常選在太陽(yáng)高度較低時(shí))；

(3) 利用方位圈觀測(cè)太陽(yáng)，并將觀測(cè)方位調(diào)整到與計(jì)算方位一致；

(4) 固定假羅經(jīng)羅盤(pán)。

此時(shí)，假羅經(jīng)羅盤(pán)所示0°方位即為真北。利用該校正準(zhǔn)確的假羅經(jīng)即可確定各標(biāo)的方位，結(jié)合已確定的校正標(biāo)的距離即可確定校正標(biāo)的位置。

3 利用岸基校正場(chǎng)校正磁羅經(jīng)自差的實(shí)施方法

利用愛(ài)利法校正磁羅經(jīng)自差主要分為自差校正和剩余自差測(cè)量2個(gè)部分。[10]

1) 自差校正要求船舶保持在規(guī)定的磁航向上，但對(duì)磁航向精度要求不高。

2) 剩余自差測(cè)量要求校正標(biāo)方位準(zhǔn)確，對(duì)校正標(biāo)的方位精度要求較高。

在利用岸基校正場(chǎng)校正磁羅經(jīng)自差時(shí)，需綜合考慮上述要求和校正標(biāo)布設(shè)情況，采用合適的方法。

3.1磁航向保持方法

氣墊船磁羅經(jīng)自差校正必須在規(guī)定的磁航向上進(jìn)行。由于氣墊船磁羅經(jīng)安裝在駕駛室內(nèi)，無(wú)法直接用來(lái)觀測(cè)校正標(biāo)方位，因此需借助氣墊船裝備的瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。確定磁航向的方法為：

1) 計(jì)算校正場(chǎng)磁差Var。

2) 利用瞄準(zhǔn)鏡觀測(cè)校正標(biāo)舷角。

3) 操縱氣墊船原地旋回至校正標(biāo)舷角等于Var。

3.2剩余自差測(cè)量方法

利用岸基校正場(chǎng)測(cè)量磁羅經(jīng)剩余自差時(shí)，必須考慮氣墊船偏離中心點(diǎn)位移對(duì)校正標(biāo)方位的影響。因此，利用氣墊船裝備的差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System, DGPS)計(jì)算校正標(biāo)的準(zhǔn)確方位，具體方法為：校正標(biāo)位置確定后，其經(jīng)緯度已知，在GPS中將校正標(biāo)位置設(shè)為航路點(diǎn)，即可讀出校正標(biāo)準(zhǔn)確的真方位；再進(jìn)行換算，即可得到校正標(biāo)準(zhǔn)確的磁方位。

3.3自差表制作方法

在利用校正場(chǎng)校正氣墊船磁羅經(jīng)自差完畢后，再實(shí)際測(cè)得5個(gè)航向上的剩余自差，代入到式(1)中可得：

(4)

根據(jù)式(4)求得5個(gè)自差系數(shù)A′，B′，C′，D′，E′，將其代入到式(1)中可得每隔10°的剩余自差，制作剩余自差表。

4 結(jié)束語(yǔ)

首先分析ZUBR氣墊船利用傳統(tǒng)海上方法校正磁羅經(jīng)自差存在的航向難以保持、船磁隨裝載變化及經(jīng)濟(jì)代價(jià)高等問(wèn)題，進(jìn)而根據(jù)氣墊船可在陸地運(yùn)動(dòng)的特性有針對(duì)性地提出在岸基條件下建立校正場(chǎng)的新思路。在深入分析氣墊船船磁對(duì)自差影響的基礎(chǔ)上，構(gòu)建氣墊船磁羅經(jīng)岸基校正場(chǎng)的具體模型，并研究給出利用該校正場(chǎng)校正磁羅經(jīng)自差的具體方法。研究成果不僅有助于解決當(dāng)前氣墊船磁羅經(jīng)自差校正無(wú)法實(shí)施的問(wèn)題，而且對(duì)解決氣墊船面臨的陀螺羅經(jīng)差精確測(cè)量、多普勒計(jì)程儀初始校正等其他類似問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值。

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On-LandMagneticCompassCorrectionforZUBRAirCushionVehicle

LANGuohui,ZHONGYunhai,MAHairui,HANYundong

(Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

U666.151

A

2016-04-12

2110工程三期資助學(xué)術(shù)預(yù)研課題(DLJY-XY2014019)

蘭國(guó)輝(1982—),男，山西運(yùn)城人，講師，碩士，主要從事船舶導(dǎo)航教學(xué)與研究。E-mail：514714278@qq.com

1000-4653(2016)03-0009-03