ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差的岸基校正

蘭國輝, 鐘云海, 馬海瑞, 韓云東

(海軍大連艦艇學院 航海系， 遼寧 大連 116018)

ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差的岸基校正

蘭國輝, 鐘云海, 馬海瑞, 韓云東

(海軍大連艦艇學院 航海系， 遼寧 大連 116018)

分析利用傳統(tǒng)“愛利法”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)濟成本高等問題。根據(jù)ZUBR氣墊船可在陸地運動的特性，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)自差校正場環(huán)境模型，進而研究利用該校正場校正磁羅經(jīng)自差的具體方法。研究成果對開展氣墊船磁羅經(jīng)自差校正工作具有實際意義。

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)是重要的指向性導航儀器， 《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)和我國的《海船航行設備規(guī)范》都明確規(guī)定150總噸以上的船舶均應裝設一臺標準磁羅經(jīng)或至少配備1臺合適的操舵磁羅經(jīng)；同時，各磁羅經(jīng)應正確校正，并應備有隨時可用的剩余自差表或自差曲線。[1-2]鑒于磁羅經(jīng)對保障船舶安全航行具有諸多優(yōu)良特性，其已在交通、救災及國防等領域發(fā)揮重要作用，當今世界上噸位最大(排水量達500 t)的ZUBR氣墊船[3]就是以磁羅經(jīng)作為主要導航儀器的。

及時進行自差校正是使用磁羅經(jīng)時必不可少的一項關(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。對此，在分析ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正問題的基礎上，針對其可在陸地運動的特性，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)建其岸基校正場模型，進而給出解決氣墊船磁羅經(jīng)自差校正問題的具體方法。

1 ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正問題分析

磁羅經(jīng)自差校正特指為消除船舶及飛機等載體磁場對磁羅經(jīng)的影響以提高磁羅經(jīng)指向精度所采用的專門方法。目前國內(nèi)外比較通用的校正方法是英國天文學家愛利提出的“消角法”(也稱“愛利法”)[4]，即首先在東、西、南及北等4個主航向和2個隅點航向上分別校正半圓自差和象限自差，然后測定各航向的剩余自差。在具體實施該方法時要求船舶沿準確的磁航向航行，利用太陽、疊標或與陀螺羅經(jīng)比對來測定自差。ZUBR氣墊船的特殊性使得采用愛利法的過程中會面臨諸多困難，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

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。[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)為蛇形運動。[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)一段時間，因此氣墊船要在海上進行磁羅經(jīng)自差校正極為困難，甚至無法完成。

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

3) ZUBR氣墊船上安裝有5臺超大功率的主燃氣輪機及4臺燃氣渦輪發(fā)電機，航行時5臺燃氣輪機全部滿負荷工作，油耗量較大。由于采用傳統(tǒng)方法校正船用磁羅經(jīng)自差時需專門在海上航行較長時間(一般約為2 h)，因此僅為校正磁羅經(jīng)自差而啟動機器必將付出較大經(jīng)濟代價。

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)濟代價高等問題，使得傳統(tǒng)的海上ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)自差校正難以實施。鑒于ZUBR氣墊船具有兩棲活動功能[7]，同時為保護其圍裙不受海水腐蝕，通常將ZUBR氣墊船的駐泊地設在岸上。因此，若能在氣墊船駐泊地附近建立岸基校正場，利用氣墊船可原地旋回轉(zhuǎn)向的特性，采用愛利法對其自差進行校正，上述問題即可迎刃而解。

2 在岸基條件下氣墊船磁羅經(jīng)自差校正場構(gòu)建

2.1校正場設計原理

根據(jù)磁羅經(jīng)自差理論，在船舶正平時，磁羅經(jīng)共受到6個力的作用[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，故不會產(chǎn)生自差;其余5個作用力產(chǎn)生的自差分別記為δA,δB,δC,δD,δE。當自差δ不大時，便可得到自差計算式為

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)，且氣墊船左右舷對稱，因此λHA′產(chǎn)生的固定自差δA及非對稱軟鐵磁力λHE′產(chǎn)生的自差δE都很小，在進行自差校正時可忽略不計，這時僅有λH，λHB′，λHC′及λHD′等4個力作用在羅盤上。

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，需進行校正。

3)λHD′由船對稱軟鐵產(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個主點航向上校正自差；同時，為得到任意航向的剩余自差，需實測至少5個航向的剩余自差，然后代入到式(1)中進行解算。由上述分析可知：只要在ZUBR氣墊船駐地選擇合適的校正場，設置5組校正標，利用氣墊船可原地轉(zhuǎn)向的特性即可方便地對其磁羅經(jīng)自差進行校正；同時，可根據(jù)測量的5個剩余自差計算出自差系數(shù)，進而求得各個航向上的剩余自差。

2.2校正場勘察

建立理想的ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)校正場必須經(jīng)過周密的調(diào)查研究和勘察，應主要考慮以下3個方面：

1) 校正場應盡量靠近氣墊船駐地，以便縮短校正時間。

2) 由于氣墊船受風影響較大，校正場應選擇在防風的地點，并有足夠的機動回旋空間。

3) 校正場附近不能有磁鐵礦、大型鋼鐵建筑等。

2.3校正場模型構(gòu)建

校正場應具有為氣墊船轉(zhuǎn)向提供航向基準和為氣墊船磁羅經(jīng)自差測量提供方位基準兩大功能。由于ZUBR氣墊船磁羅經(jīng)安裝在駕駛室內(nèi)，無法直接利用磁羅經(jīng)方位圈觀測目標方位[9]，因此需借助其裝備的2套瞄準鏡來進行方位瞄準。為避開瞄準鏡觀測盲區(qū)，氣墊船磁羅經(jīng)消測校正場采用環(huán)射式結(jié)構(gòu)，即在氣墊船校正場南、北、東、西及東北等5個方向上各放置一個校正標，校正標的布設見圖2。

圖2 校正標的布設

2.3.1校正標距離R計算

氣墊船在旋回過程中會相對校正場中心點產(chǎn)生位移Dw(見圖3)。若要保證校正誤差時航向精度在θ以內(nèi)，則校正標距離R的計算式應為

(2)

圖3 校正標距離R的計算示意

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航向精度保持在0.5°以內(nèi)，則校正標距離R應為

(3)

2.3.2校正標位置計算

校正標位置應盡量準確，否則會影響校正自差的精度。其測量方法主要分為天文測量和三角測量2種，其中天文測量較為簡便，可按下述方法進行：

(1) 在校正場中心放置一個假羅經(jīng)；

(2) 計算出某時間段內(nèi)太陽的真方位(為提高精度，通常選在太陽高度較低時)；

(3) 利用方位圈觀測太陽，并將觀測方位調(diào)整到與計算方位一致；

(4) 固定假羅經(jīng)羅盤。

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

3 利用岸基校正場校正磁羅經(jīng)自差的實施方法

利用愛利法校正磁羅經(jīng)自差主要分為自差校正和剩余自差測量2個部分。[10]

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

2) 剩余自差測量要求校正標方位準確，對校正標的方位精度要求較高。

在利用岸基校正場校正磁羅經(jīng)自差時，需綜合考慮上述要求和校正標布設情況，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)定的磁航向上進行。由于氣墊船磁羅經(jīng)安裝在駕駛室內(nèi)，無法直接用來觀測校正標方位，因此需借助氣墊船裝備的瞄準鏡進行觀測。確定磁航向的方法為：

1) 計算校正場磁差Var。

2) 利用瞄準鏡觀測校正標舷角。

3) 操縱氣墊船原地旋回至校正標舷角等于Var。

3.2剩余自差測量方法

利用岸基校正場測量磁羅經(jīng)剩余自差時，必須考慮氣墊船偏離中心點位移對校正標方位的影響。因此，利用氣墊船裝備的差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System, DGPS)計算校正標的準確方位，具體方法為：校正標位置確定后，其經(jīng)緯度已知，在GPS中將校正標位置設為航路點，即可讀出校正標準確的真方位；再進行換算，即可得到校正標準確的磁方位。

3.3自差表制作方法

在利用校正場校正氣墊船磁羅經(jīng)自差完畢后，再實際測得5個航向上的剩余自差，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

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)濟代價高等問題，進而根據(jù)氣墊船可在陸地運動的特性有針對性地提出在岸基條件下建立校正場的新思路。在深入分析氣墊船船磁對自差影響的基礎上，構(gòu)建氣墊船磁羅經(jīng)岸基校正場的具體模型，并研究給出利用該校正場校正磁羅經(jīng)自差的具體方法。研究成果不僅有助于解決當前氣墊船磁羅經(jīng)自差校正無法實施的問題，而且對解決氣墊船面臨的陀螺羅經(jīng)差精確測量、多普勒計程儀初始校正等其他類似問題具有一定的參考價值。

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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工程三期資助學術(shù)預研課題(DLJY-XY2014019)

蘭國輝(1982—),男，山西運城人，講師，碩士，主要從事船舶導航教學與研究。E-mail：514714278@qq.com

1000-4653(2016)03-0009-03