船用計(jì)程儀的發(fā)展與現(xiàn)狀*

趙 濤

(海軍駐錦州地區(qū)某軍事代表室 錦州 121000)

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船用計(jì)程儀的發(fā)展與現(xiàn)狀*

趙 濤

(海軍駐錦州地區(qū)某軍事代表室 錦州 121000)

艦船航速測(cè)量在船舶導(dǎo)航、國(guó)防應(yīng)用等領(lǐng)域具有重要現(xiàn)實(shí)意義。論文主要介紹了船用計(jì)程儀的發(fā)展歷程、原理分類及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)探討了幾種計(jì)程儀的基本原理并進(jìn)行了性能對(duì)比分析,最后對(duì)船用計(jì)程儀技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

船用計(jì)程儀; 性能; 發(fā)展分析

Class Number TN97

1 引言

速度信息是艦船設(shè)計(jì)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一,其精度和品質(zhì)對(duì)許多系統(tǒng)的性能有直接影響。精確的速度信息可以提高艦船的推算定位精度,提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位和航向精度等。因此,精確測(cè)量艦船航速是十分必要的,同時(shí)速度信息也是海上交通和航運(yùn)、海上軍事活動(dòng)等最為關(guān)注的基礎(chǔ)信息之一。計(jì)程儀是用于測(cè)量艦船航速和累計(jì)航程的一種基本儀器[1]。

2 發(fā)展歷程

古代用流木法來(lái)航海計(jì)程。19世紀(jì)出現(xiàn)近代計(jì)程儀。后來(lái)得到廣泛使用的有梅西式和沃克式拖曳計(jì)程儀。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)薩爾式水壓計(jì)程儀和契爾尼克夫式轉(zhuǎn)輪計(jì)程儀。上世紀(jì)50年代出現(xiàn)電磁計(jì)程儀。以上各種計(jì)程儀均是測(cè)量船舶相對(duì)于水的航速和航程,只有根據(jù)水的流速和流向加以修正,方能求得船舶相對(duì)于水底的航速和航程。上世紀(jì)50年代出現(xiàn)的多普勒計(jì)程儀和70年代的聲相關(guān)計(jì)程儀,在一定水深內(nèi)可以直接測(cè)量船舶相對(duì)于水底的航速和航程,使計(jì)程儀發(fā)展到一個(gè)新的水平[2]。

3 主要原理和性能分析

計(jì)程儀按其測(cè)速參考對(duì)象的不同,可分為相對(duì)計(jì)程儀和絕對(duì)計(jì)程儀兩類。相對(duì)計(jì)程儀只能測(cè)量船舶相對(duì)于水的速度并累計(jì)其航程,如壓差式、電磁式等計(jì)程儀。絕對(duì)計(jì)程儀可以測(cè)量船舶對(duì)地的速度并累計(jì)其航程,如多普勒計(jì)程儀和聲相關(guān)計(jì)程儀[3]。

3.1 水壓式計(jì)程儀

3.1.1 基本原理

水壓式計(jì)程儀是利用貝努力方程原理,測(cè)量艦船相對(duì)于海水的運(yùn)動(dòng)速度,由導(dǎo)壓裝置引入前進(jìn)方向動(dòng)壓力與靜壓力進(jìn)入到壓差傳感器,再通過(guò)速度解算裝置給出航程。

根據(jù)貝努利方程,當(dāng)理想液體作穩(wěn)恒流動(dòng)時(shí),其任一截面Q上的動(dòng)能、勢(shì)能、壓強(qiáng)能的總和是不變的,它始終等于某一常數(shù),即:

通常將海平面當(dāng)作水平面,海水相對(duì)于船舶的流動(dòng)則可視為水平流動(dòng),若同時(shí)測(cè)得某一深度處的靜壓力和全壓力之差ΔP,便可求得海水相對(duì)于艦艇運(yùn)動(dòng)的速度:

式中,K為一固定的常數(shù)。

3.1.2 性能分析

這種計(jì)程儀具有工作性能可靠、傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于保養(yǎng)維護(hù)、不存在海生物污染的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)存在線性差,受海水比重的變化影響較大,在低速測(cè)量時(shí)精度和靈敏度均較差。

3.2 電磁計(jì)程儀

3.2.1 基本原理

電磁計(jì)程儀是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來(lái)測(cè)量艦船相對(duì)于水的航速并累計(jì)其航程。利用法拉第電磁感應(yīng)定律,在磁場(chǎng)恒定的情況下,通過(guò)水流切割裝在船底的電磁傳感器的磁場(chǎng),將船舶航行相對(duì)于水的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢(shì),通過(guò)數(shù)學(xué)模型結(jié)算得出航速和航程增量信息。即E=V×B×L,式中:V為艦船相對(duì)于水的運(yùn)動(dòng)速度,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,L為兩電極間的距離。

3.2.2 性能分析

其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)速線性好,測(cè)速范圍大,精度較高;缺點(diǎn)是由于船體附近的水層受船體航行的影響,水層自身的不穩(wěn)定會(huì)造成瞬時(shí)測(cè)速的不穩(wěn)定。其傳感器主要有桿式傳感器和平面?zhèn)鞲衅鲀煞N,其中桿式傳感器由于伸出船體較長(zhǎng),容易勾掛魚網(wǎng),造成設(shè)備損壞;而平面?zhèn)鞲衅鞔嬖诘淖畲髥?wèn)題是易于附著生長(zhǎng)海生物,造成傳感器測(cè)量精度嚴(yán)重下降。

3.3 多普勒計(jì)程儀

3.3.1 基本原理

1842年奧地利科學(xué)家Doppler Christion Johann首次發(fā)現(xiàn),任何形式的波傳播,由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動(dòng),會(huì)使回波頻率發(fā)生變化,即產(chǎn)生Doppler頻移,這就是著名的多普勒效應(yīng)[1]。聲學(xué)多普勒測(cè)速的想法源于20世紀(jì)60年代,美國(guó)邁阿密大學(xué)海洋實(shí)驗(yàn)室最早開(kāi)始這方面的研究。此后許多國(guó)家也先后開(kāi)展了此項(xiàng)技術(shù)研究,并取得一系列成果[2]。20世紀(jì)70年代以后,隨著水聲技術(shù)的進(jìn)步和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,使得多普勒測(cè)速的性能有了顯著提高,利用多普勒測(cè)速原理研制的各種儀器逐漸被廣泛應(yīng)用[3]。目前船用多普勒計(jì)程儀主要分為以下幾種類型:一種是雙波束多普勒計(jì)程儀,又稱為一元多普勒計(jì)程儀,只能測(cè)量船舶前進(jìn)、后退、縱向速度并累計(jì)航程;第二種是四波束多普勒計(jì)程儀,它可向船體的前后左右四個(gè)方向發(fā)射波束,又稱為二維多普勒計(jì)程儀,它除了能測(cè)量縱向速度外,還能測(cè)量橫向速度;第三種類型為六波束多普勒計(jì)程儀,它又稱為三維多普勒計(jì)程儀,由于它既能測(cè)量船舶的縱向速度,又能測(cè)量船首部和船尾部的橫向速度,可反映船舶運(yùn)動(dòng)全貌,通常作為大型船舶進(jìn)出港、靠泊碼頭或錨泊之用。

3.3.2 性能分析

多普勒計(jì)程儀通過(guò)發(fā)射和接收聲學(xué)信號(hào)可以提供船舶相對(duì)于海底的絕對(duì)航速和航程信息,實(shí)現(xiàn)艦艇運(yùn)動(dòng)速度的精確測(cè)量。在超出其對(duì)底工作深度時(shí),可自動(dòng)跟蹤水層,從而保證測(cè)速數(shù)據(jù)的連續(xù)性。相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)程儀,多普勒計(jì)程儀具有測(cè)速精度高且穩(wěn)定、并可同時(shí)輸出二維速度信息的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)計(jì)程儀的換能器可以在艙內(nèi)維護(hù),可以克服傳統(tǒng)計(jì)程儀在精度、測(cè)速穩(wěn)定性以及可用性、可維護(hù)性方面存在的不足。缺陷是工作時(shí)要不斷的向外發(fā)射聲波,容易受到外界同頻信號(hào)干擾。同時(shí)常規(guī)多普勒計(jì)程儀測(cè)速精度與海水的溫度、鹽度密切相關(guān),需安裝高精度的溫度傳感器,補(bǔ)償影響聲速測(cè)量的溫度誤差。

3.4 聲相關(guān)計(jì)程儀

3.4.1 基本原理

20世紀(jì)70年代,美國(guó)GE公司最早將相關(guān)測(cè)速技術(shù)用于測(cè)量水中載體相對(duì)于流層和水底速度,并于1978年由Dickey等發(fā)表了第一篇聲相關(guān)測(cè)速研究的論文,該論文闡述了聲相關(guān)測(cè)速技術(shù)的基本原理—“波形不變性”,并提出了相關(guān)測(cè)速聲納的設(shè)計(jì)思想以及聲納的性能預(yù)測(cè)。所謂“波形不變性”,即不同時(shí)間段的發(fā)射信號(hào)對(duì)于不同位置的水聽(tīng)器接收的回波有可能遇到相同的干涉效果其回波波形起伏是近似一樣的。聲相關(guān)計(jì)程儀通過(guò)換能器垂直向水底發(fā)射一定帶寬的聲波束,利用載體上的多個(gè)水聽(tīng)器接收回波信號(hào),采用實(shí)時(shí)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行速度解算,進(jìn)而獲得載體的航速和航程[4]。

3.4.2 性能分析

聲相關(guān)計(jì)程儀垂直發(fā)、收,在回波強(qiáng)度上高于同頻率的聲多普勒計(jì)程儀,所以需要的功率較小。垂直發(fā)、收也相對(duì)減少了聲波的對(duì)外擴(kuò)散,減少了聲暴露區(qū)域范圍。聲相關(guān)計(jì)程儀不要求窄波束發(fā)射,也不要求指向斜下方的波束,因而可用較小的換能器和較低的工作頻率。較寬的發(fā)射波束也增加了系統(tǒng)的抗搖擺性。與多普勒計(jì)程儀相比,相同工作頻率下,聲相關(guān)計(jì)程儀的換能器基陣尺寸比多普勒計(jì)程儀的基陣小很多,同時(shí)多普勒計(jì)程儀測(cè)速與聲速有關(guān),需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的聲速修正,相關(guān)計(jì)程儀水平測(cè)速與聲速無(wú)關(guān),由于聲相關(guān)發(fā)射波束垂直向下發(fā)射,較多普勒計(jì)程儀受載體姿態(tài)的影響小。

4 發(fā)展動(dòng)向

1) 法國(guó)PA2航母被建議增加排水量和降低航速。法國(guó)PA2航母基本情況[5]:

(1)主要技術(shù)指標(biāo)

滿載排水量:75000t

主尺度:283.00m×73.00m×11.50m

動(dòng)力系統(tǒng):2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī),4臺(tái)推進(jìn)電機(jī),4臺(tái)柴油交流發(fā)電機(jī),2部推進(jìn)器。

航速:25.00節(jié)

續(xù)航力:10000海里(15節(jié))

(2)武備

2座“席爾瓦”垂直發(fā)射裝置(16枚“紫菀”15導(dǎo)彈)

20或30mm火炮

艦載機(jī)聯(lián)隊(duì):32架“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī),3架E-2C“鷹眼”預(yù)警機(jī),5架NH 90直升機(jī)。

(3)電子設(shè)備

探測(cè)監(jiān)視:多功能對(duì)空/海雷達(dá),導(dǎo)航雷達(dá),紅外傳感器,光電傳感器。

支援對(duì)抗:電子戰(zhàn)系統(tǒng),干擾彈發(fā)射裝置,指控系統(tǒng)。

(4)人員編制:總共1650人。

2) 諾斯羅普·格魯曼公司為新船提供導(dǎo)航系統(tǒng)。諾斯羅普·格魯曼公司為6艘新的高速船提供電子導(dǎo)航系統(tǒng)[6]。

諾斯羅普·格魯曼公司斯佩里船舶公司已為新船提供導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備并進(jìn)行安裝,包括導(dǎo)航與通信標(biāo)準(zhǔn)件。這些船包括4艘高速穿浪雙體渡船和兩艘澳大利亞皇家海軍的“阿密德?tīng)枴奔?jí)巡邏艇。

其中兩艘渡船為阿曼建造,長(zhǎng)65m,航速50節(jié),將用于旅游觀光,它們正在安裝斯佩里船舶公司的雷達(dá)、自動(dòng)駕駛儀、回轉(zhuǎn)羅經(jīng)、速度計(jì)程儀、測(cè)深儀、差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)和航行數(shù)據(jù)記錄器(VDR)。

另外兩艘渡船為土耳其伊多(IDO)建造,長(zhǎng)88m,航速36節(jié),可運(yùn)載1200名乘客和225輛轎車,它們將安裝雷達(dá)、自動(dòng)駕駛儀、光纖陀螺羅經(jīng)、速度計(jì)程儀、測(cè)深儀、DGPS、航行數(shù)據(jù)記錄器(VDR)和電子海圖顯示與信息系統(tǒng)。

2艘巡邏艇長(zhǎng)57m,是澳大利亞皇家海軍的第13和14艘“阿密德?tīng)枴奔?jí)巡邏艇,安裝斯佩里船舶公司的雷達(dá)、自動(dòng)駕駛儀、DGPS以及航向與航速傳感器。

3) 美海軍接收兩艘新型測(cè)量艇。美國(guó)海軍艦隊(duì)測(cè)量小組(FST)接收了兩艘9m長(zhǎng)的“保衛(wèi)者”級(jí)測(cè)量艇[7]。

FST指揮官稱,在未來(lái)若干年內(nèi),這兩艘艇將為艦隊(duì)提供關(guān)鍵的水文信息。“保衛(wèi)者”可以對(duì)艇艙環(huán)境進(jìn)行控制,使測(cè)量設(shè)備和測(cè)量員在高溫時(shí)可保持涼爽,在潮濕時(shí)可以保持干燥,因而可以在多種海況和氣候條件下進(jìn)行持續(xù)測(cè)量。此外,“保衛(wèi)者”還具備多種功能和測(cè)量能力,支持多束和單束聲波探測(cè)工作,還通過(guò)艇上的電絞盤及金字塔型系統(tǒng)安裝測(cè)聲吶。

FST的任務(wù)是進(jìn)行各種遠(yuǎn)征水文測(cè)量,及時(shí)響應(yīng)海軍海上系統(tǒng)司令部的命令,并提供各種快速反應(yīng)。包括海軍軍事行動(dòng)的地點(diǎn)及對(duì)不確定的海上地圖進(jìn)行測(cè)量。

4) 諾斯羅普·格魯曼公司推出新型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。諾斯羅普·格魯曼公司推出Mk39 mod 4A型船用環(huán)狀激光慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于環(huán)狀激光陀螺儀技術(shù),能夠獨(dú)立提供導(dǎo)航所需數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)能夠通過(guò)艦艇網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)相連接,以對(duì)導(dǎo)航器、全球定位系統(tǒng)和速度計(jì)程儀進(jìn)行檢查。此外,Mk39 mod 4A型系統(tǒng)可支持慣性測(cè)量單元(IMU),并能夠?qū)崿F(xiàn)后勤供應(yīng)流水線[8]。

諾斯羅普·格魯曼公司透露,該系統(tǒng)體積更小,重量更輕,成本也更低,將成為海軍艦隊(duì)更好的選擇。

5) 詹姆斯·默多克:LCS新設(shè)計(jì)方案將解決腐蝕問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)更高航速。2011年10月20日,默多克在記者招待會(huì)表示,LCS項(xiàng)目目前面臨一系列關(guān)于是否有必要繼續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。他認(rèn)為,該型艦的模塊化特征有助于海軍快速增設(shè)目前正在研討中的任務(wù)包類型,如海軍陸戰(zhàn)隊(duì)型、特別作戰(zhàn)型或其他類型[9]。

LCS 1與LCS 3(“沃斯堡”號(hào))相比,最重要變化是LCS 3水下部分船體的修改設(shè)計(jì)方案增加燃油容量。LCS 3目前處于船廠海試階段,海軍與馬里內(nèi)特海事公司將合作研究加強(qiáng)該艦水下部分船體強(qiáng)度,該艦將比LCS 1增加10%以上的燃油容量。

此外,LCS 3可在外海實(shí)現(xiàn)更高的航速,該艦的錨鏈艙將從主甲板以下移置至主甲板上。默多克表示,艦上的每種裝置都對(duì)整艦性能存在正負(fù)兩方面作用。但錨鏈回收至主甲板是一種更為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該種設(shè)計(jì)更易使艦員適應(yīng),并可降低錨鏈在艦艇高速航行狀態(tài)下?lián)p壞的可能性。

LCS 4(“科羅拉多”號(hào))于2011年11月下水,已于2012年11月前交付。由于裝備更大型噴水推進(jìn)器,LCS 4可比LCS 2航速增加2～3節(jié)。新的噴水推進(jìn)器外部直徑增加約10cm,可有效增加艦艇航速。

6) 美造船企業(yè)開(kāi)發(fā)出最高航速達(dá)50節(jié)的“超空泡”艦船。防務(wù)技術(shù)雜志2014年8月24日?qǐng)?bào)道:近日美國(guó)朱麗葉海洋系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的高速船舶“幽靈”號(hào),該船采用了類似俄羅斯超空泡魚雷的技術(shù),其最高航行速度可達(dá)50節(jié)。“幽靈”號(hào)除了執(zhí)行快速巡邏、特種作戰(zhàn)、保護(hù)僑民等任務(wù)外還能執(zhí)行像近海戰(zhàn)斗艦(LCS)一樣的任務(wù),相比于LCS其速度更快、操作方便、自動(dòng)化水平更高。目前美國(guó)海軍瀕海戰(zhàn)斗艦方案正在重新評(píng)估并調(diào)整,朱麗葉海洋公司正向海軍推薦“幽靈”號(hào)[10]。

“幽靈”號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要由兩個(gè)裝載在浮筒中的T53-L-703渦軸發(fā)動(dòng)機(jī),其驅(qū)動(dòng)位于船體前部吊艙中的旋轉(zhuǎn)螺旋槳,該螺旋槳隨后產(chǎn)生“超空泡”效應(yīng),整艘船隨后由“泡沫”而不是密集的海水?dāng)y帶高速航行,相比傳統(tǒng)的艦船其船體摩至少能減少900倍。

超空泡效應(yīng)使該船即使在高速行狀態(tài)下仍能穿過(guò)3m高的海浪,該船還采用了計(jì)算機(jī)控制航行過(guò)程中的穩(wěn)定狀態(tài)。在測(cè)試中“幽靈”號(hào)已經(jīng)達(dá)到了每小時(shí)30節(jié)的速度,預(yù)計(jì)其最大能達(dá)到50節(jié),這種航速可以追蹤上目前任何一種小型武裝船。此外該船上的全電腦控制使其成為一個(gè)真正的隱秘幽靈船,船上的操作任務(wù)不需要任何船員執(zhí)行。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、芯片技術(shù)、材料技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展,計(jì)程儀的發(fā)展方向正在向低功耗、小型化、全自動(dòng)、智能化的方向發(fā)展。隨著技術(shù)成熟度的提高和新型工藝的應(yīng)用,多普勒計(jì)程儀和聲相關(guān)計(jì)程儀的制造成本也將逐步降低,屆時(shí)會(huì)獲得更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 田坦,劉國(guó)枝,孫大軍.聲納技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000:63-170.

[2] 朱昊,劉文耀.基于DSP和CPLD的數(shù)字ADCP信號(hào)處理系統(tǒng)[J].海洋技術(shù),2004,23(4):96-102.

[3] 馬淳燕.寬帶相控多普勒測(cè)速技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009:6-17.

[4] 王力寶,戰(zhàn)永紅,程翥,等.聲相關(guān)計(jì)程儀測(cè)速技術(shù)[J].艦船電子對(duì)抗,2008,31(5):98-101.

[5] 法國(guó)PA 2航母被建議增加排水量和降低航速[N].每日防務(wù)快訊,2006-08-17.

[6] 諾斯羅普·格魯曼公司為新船提供導(dǎo)航系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2006-12-15.

[7] 美海軍接收兩艘新型測(cè)量艇[N].每日防務(wù)快訊,2008-03-12.

[8] 諾斯羅普·格魯曼公司推出新型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[N].每日防務(wù)快訊,2011-09-21.

[9] 詹姆斯·默多克:LCS新設(shè)計(jì)方案將解決腐蝕問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)更高航速[N].每日防務(wù)快訊,2011-11-03.

[10] 美造船企業(yè)開(kāi)發(fā)出最高航速達(dá)50節(jié)的“超空泡”艦船[N].每日防務(wù)快訊,2014-09-10.

Development and Current Situation of Log Ship

ZHAO Tao

(Navy Faorce Representative Office in Jinzhou, Jinzhou 121000)

Ship speed measurement has important practical significance in ship navigation, defense applications. This paper mainly introduces the development history of the ship, log classification principle and the future trend of development, focuses on the basic principles of several kinds of log and a performance comparison analysis. The last, the development of marine log technology is prospected.

for ship log, performance, development analysis

2014年10月5日,

2014年11月25日

趙濤,男,碩士研究生,工程師,研究方向:導(dǎo)航制導(dǎo)與控制技術(shù)。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.005