從船舶管理角度看船舶未來羅經(jīng)的配置

呂革林　陳德

摘 要：通過對目前船舶的羅經(jīng)配置現(xiàn)狀分析，對比電羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)工作原理，根據(jù)通導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)在的實際情況，提出將來更加適航的羅經(jīng)配置方式。

關(guān)鍵詞：電羅經(jīng)；光纖羅經(jīng)；配置

1 現(xiàn)有船舶羅經(jīng)配置分析

筆者從事船舶管理十余年，管理的船舶數(shù)量到目前為止為124艘。在這124艘船舶中，配單電羅經(jīng)的船舶72艘，配雙電羅經(jīng)的51艘，還有一艘是配置單臺電羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)的。電羅經(jīng)的配備，從造船時間來講，2008年前出廠的新造船，幾乎配備一套電羅經(jīng)；2008年后出廠的遠(yuǎn)洋船舶，超過70%配兩套電羅經(jīng)。之所以有這個變化，主要是船舶對羅經(jīng)越來越依賴，所以現(xiàn)在出廠的新造船，大多配置雙羅經(jīng)，互為備份，具體原因大概有以下4個：

（1）兩臺羅經(jīng)互為備份，持續(xù)提供HEADING信號，保障航行安全。比如中國的長江、美國的密西西比河，航道長且窄，一旦沒有準(zhǔn)確的航向信號，航行安全是無法保障的。

（2）部分港口國在船舶靠離碼頭時，對電羅經(jīng)要求比較嚴(yán)，電羅經(jīng)一旦出現(xiàn)故障，必須在錨地修好后，才給予靠泊。本人管理的船舶，多艘在抵達(dá)澳大利亞PORT HEDLAND前，電羅經(jīng)發(fā)生故障，AMSA要求必須修復(fù)，才給予靠碼頭。

（3）現(xiàn)在遠(yuǎn)洋船舶越來越多，羅經(jīng)在國外的修理費用高昂。國外修理人工費大多按小時計，并且是從出門算到回辦公室，因電羅經(jīng)穩(wěn)定時間長，還要產(chǎn)生加班費，再疊加交通、備件等費用，過萬美元修理一次是很常見的。發(fā)生過因錨地比較遠(yuǎn)，還要租直升機(jī)送工程人員上船的案例，這樣花費就更加不可控制。

（4）船上其他設(shè)備如AUTO PILOT、ARPA、ECDIS、AIS、VDR等，需要航向信號，一旦羅經(jīng)發(fā)生故障，會直接導(dǎo)致以上設(shè)備工作不正常。特別是AUTO PILOT沒有可靠的HAEADING信號后，要改成手操舵，給船員增加很大額外工作量。HEADING信號丟失后，ARPA無法捕捉目標(biāo)，AIS信息也不能在RADAR上顯示。

基于上述原因，很多船公司配置了雙套電羅經(jīng)，相對于單羅經(jīng)，這無疑更加適航。但是從目前通導(dǎo)技術(shù)發(fā)展和實際情況來看，筆者更傾向于電羅經(jīng)加光纖羅經(jīng)的配置方式。

下面簡單分析兩種羅經(jīng)的工作原理，從不同的工作方式，我們可以明顯看出兩種羅經(jīng)的優(yōu)缺點。

2 電羅經(jīng)工作原理及其誤差分析

陀螺羅經(jīng)俗稱電羅經(jīng)，電羅經(jīng)的核心部件是陀螺儀。陀螺儀是一種懸掛著的繞著其對稱軸（也稱自轉(zhuǎn)軸）作高速旋轉(zhuǎn)的對稱剛體。高速旋轉(zhuǎn)的剛體為陀螺旋轉(zhuǎn)部分，稱為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸為通過金屬盤的對稱中心并與盤面垂直的中心主慣量軸，簡稱為陀螺儀主軸。與主軸垂直并在轉(zhuǎn)子平面內(nèi)的主慣量的軸成為赤道軸，轉(zhuǎn)子平面稱為赤道面。

陀螺儀由基座、外環(huán)、外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)、內(nèi)環(huán)軸、轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子軸等組成如圖1所示。轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子軸架在內(nèi)環(huán)中間，內(nèi)環(huán)又通過內(nèi)環(huán)軸架于外環(huán)之間，外環(huán)通過外環(huán)軸裝在基座上。陀螺轉(zhuǎn)子可以自轉(zhuǎn)，可以與內(nèi)環(huán)一起繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)，又可以與外環(huán)一起繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)，所以陀螺轉(zhuǎn)子相對于基座在空間有三個方向的轉(zhuǎn)動，這樣的陀螺就稱為三自由度陀螺儀。

具有三個自由度的陀螺儀轉(zhuǎn)子繞主軸高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有受到外力力矩作用下，自由陀螺儀的主軸指向方向保持不變；即使受到瞬時的敲打，只能引起主軸相對初始方向發(fā)生一定的偏移，這軸現(xiàn)象稱為自由陀螺儀主軸的穩(wěn)定性，或稱為定軸性。當(dāng)轉(zhuǎn)子讓主軸高速旋轉(zhuǎn)時，若在垂直于主軸上施加一外力，而產(chǎn)生沿水平軸方向的力矩時，則陀螺儀主軸的動量矩矢端以捷徑向外力矩矢端運動，這種現(xiàn)象稱為陀螺儀的主軸進(jìn)動性。進(jìn)動角度與外力矩大小成正比，與動量力矩大小成反比，一旦外力矩停止作用，則陀螺儀主軸的進(jìn)動性隨之消失。

三自由度的陀螺儀是電羅經(jīng)的核心部分，用作穩(wěn)定指向。根據(jù)陀螺儀的轉(zhuǎn)子組成個數(shù)可以分成單轉(zhuǎn)子電羅經(jīng)和雙轉(zhuǎn)子電羅經(jīng)。單轉(zhuǎn)子電羅經(jīng)多為扭力彈性（吊鋼絲）懸掛方式，而雙轉(zhuǎn)子電羅經(jīng)多為液浮懸掛支承。采用液浮懸掛支承方式，在垂直軸上引起的摩擦力矩很小，這樣可以提高靈敏度，從而提高羅經(jīng)的指向力矩。電羅經(jīng)的陀螺儀隨動裝置，是為了消除陀螺電機(jī)運動時出現(xiàn)的附加干擾力矩，在電羅經(jīng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)增設(shè)隨動部分，隨動部分支撐著陀螺轉(zhuǎn)子，并且跟隨著陀螺儀運動，使陀螺轉(zhuǎn)子與固定懸掛點運動的過程中保持著兩者的相對位置，而懸掛點的摩擦力矩會對電羅經(jīng)指示度數(shù)有影響。

由電羅經(jīng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理能夠看出，電羅經(jīng)會產(chǎn)生緯度誤差、速度誤差、沖擊誤差、搖擺誤差等，致使電羅經(jīng)出現(xiàn)一定的局限性。

（1）緯度誤差：采用垂直軸阻尼法的電羅經(jīng)，穩(wěn)定時其主軸不是指向子午面，而是偏離子午面一個方位角，從而產(chǎn)生緯度誤差。緯度越高，誤差越大。

（2）速度誤差：電羅經(jīng)穩(wěn)定位置都是建立在電羅經(jīng)基座為靜止?fàn)顟B(tài)。但是電羅經(jīng)是隨船運動，即基座不是靜止的，基座運動使電羅經(jīng)主軸的運動速度發(fā)生變化，從而引起羅經(jīng)穩(wěn)定位置發(fā)生變化，使電羅經(jīng)產(chǎn)生速度誤差。

（3）船舶作機(jī)動航行（變速或轉(zhuǎn)向航行）時，所出現(xiàn)的慣性力對電羅經(jīng)的影響引起的誤差，稱為沖擊誤差。慣性力作用在電羅經(jīng)的重力控制設(shè)備上而產(chǎn)生的沖擊誤差，稱為第一類沖擊誤差；慣性力作用在阻尼設(shè)備上產(chǎn)生沖擊誤差，稱為第二類沖擊誤差。

（4）船舶在風(fēng)浪中搖擺是周期性的，搖擺時會有周期慣性力出現(xiàn)，這種慣性力作用在電羅經(jīng)上，使電羅經(jīng)產(chǎn)生的誤差叫搖擺誤差。電羅經(jīng)的搖擺誤差與其結(jié)構(gòu)參數(shù)、羅經(jīng)的安裝位置、船舶搖擺姿態(tài)、船舶所在緯度和船舶搖擺方向等參數(shù)有關(guān)。特別是船舶沿隅點航向（045、135、225、315）航行且橫搖時，搖擺誤差最大。

3 光纖羅經(jīng)工作原理

光纖羅經(jīng)是由光纖陀螺組成的，光纖陀螺原理基于光學(xué)Sagnac效應(yīng)。如圖2、圖3所示，在同一光學(xué)回路中， 沿順時針方向（ CW） 、逆時針方向（ CCW） 傳播的兩束光，當(dāng)回路繞垂直于自身的軸轉(zhuǎn)動時將使兩束光產(chǎn)生相位差， 該相位差的大小與光回路的旋轉(zhuǎn)速率成比例。

光纖羅經(jīng)原理的實現(xiàn)如圖3 所示 ， 從光源發(fā)出的光經(jīng)分束器后分為兩束， 分別沿順時針方向及逆時針方向進(jìn)入光纖環(huán)傳輸。在慣性參考系中， 當(dāng)環(huán)形回路以角速度作順時針旋轉(zhuǎn)時， 由Fizeau 效應(yīng)有：

式中 為正空中的波長。

從公式（4）可以得出，光在Sagnac效應(yīng)中產(chǎn)生的光程差、相位差與旋轉(zhuǎn)角速度成正比，只要通過光的干涉原理測出 后，就可以求出回路中的旋轉(zhuǎn)角速度 ，再通過角速度的時間積分即可求得回路的轉(zhuǎn)過的角度值。

實際上為了提高測量精度、減小陀螺體積， 一般將總長度為L的光纖繞制成N匝直徑為D的線圈， 則（4） 式可修正為：

式中： 為環(huán)形光纖回路所圍的面積， 為光波波長。通過解調(diào)相位差 ， 就可以利用上式求出陀螺的旋轉(zhuǎn)角速度 。

船用光纖羅經(jīng)采用三個光纖陀螺儀，其旋轉(zhuǎn)軸分別與船的坐標(biāo)系的三根軸相對應(yīng)。安裝時，盡量確保光纖羅經(jīng)的x軸與船艏尾線平行，通過測量 、 和平面電子感應(yīng)器輸出的信號，能克服地球自轉(zhuǎn)角速度的影響，實現(xiàn)自動找北、指北功能。另外還能分別提供橫搖、縱搖、航向旋轉(zhuǎn)角度和角速率等船舶運動姿態(tài)信息，這些信息在船舶智能化和航海技術(shù)等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

4 光纖羅經(jīng)的優(yōu)點分析

通過以上兩種羅經(jīng)工作原理的對比分析，可以明顯看到，光纖羅經(jīng)具有以下優(yōu)點：

（1）穩(wěn)定時間短。常見的電羅經(jīng)啟動到穩(wěn)定時間一般在4～6個小時，而光纖羅經(jīng)穩(wěn)定只需要10分鐘左右。

（2）快速轉(zhuǎn)向誤差小。電羅經(jīng)在船舶轉(zhuǎn)速超過6度/秒時，其提供的航向就無法跟蹤船舶的真實航向，從而產(chǎn)生較大的航向誤差；而光纖羅經(jīng)最大轉(zhuǎn)向速度可達(dá)200度/秒，完全滿足快速轉(zhuǎn)向的需要。

（3）避免產(chǎn)生沖擊誤差。電羅經(jīng)在船舶機(jī)動航行時，慣性力作用于羅經(jīng)，使羅經(jīng)主軸在船舶機(jī)動過程中和機(jī)動終了后，一段時間偏離穩(wěn)定位置，從而產(chǎn)生指向誤差；光纖羅經(jīng)由于原理上的優(yōu)勢，避免了沖擊誤差的產(chǎn)生。

（4）消除搖擺誤差。船舶在海上航行時，由于風(fēng)浪等原因發(fā)生搖擺，電羅經(jīng)受到搖擺慣性力的影響，從而產(chǎn)生指向誤差；而光纖羅經(jīng)的慣性元件固定在載體上，避免了框架結(jié)構(gòu)的原理缺陷，完全消除了搖擺產(chǎn)生的航向誤差。

（5）除了提供航向信息外，同時能提供船舶其他信息，如橫搖、縱搖角度和三個軸的角速率等運動信息。根據(jù)光纖羅經(jīng)提供的船舶姿態(tài)信號，對航行中的船舶進(jìn)行實時監(jiān)控，以保證船舶安全。另外通過船舶縱、橫搖的角速度，計算出貨物對船舶結(jié)構(gòu)、貨物對貨物之間的受力情況，及時采取措施，以避免對船舶、貨物的損壞。

（6）工作的地理范圍大。電羅經(jīng)在南緯和北緯70度以上工作時，航向誤差最大可達(dá)幾十度。而光纖羅經(jīng)在高緯度時使用極地算法，數(shù)字控制，較好地解決了這一問題，使航向誤差控制在可接受范圍內(nèi)，為極地航行船舶提供了保障。

（7）日常保養(yǎng)。電羅經(jīng)廠家要求一年做一次常規(guī)保養(yǎng)，如不執(zhí)行的話，特別是有支撐液的設(shè)備，液體變渾濁，導(dǎo)電性變差，直接導(dǎo)致羅經(jīng)指向不穩(wěn)。電羅經(jīng)陀螺壽命一般為3～4年，到期就需要更換，增加了運營和管理成本；而光纖羅經(jīng)因其先天性的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，無需日常維護(hù)保養(yǎng)，使用極其簡便。

5 結(jié)束語

隨著智能船舶的發(fā)展，光纖羅經(jīng)技術(shù)不斷成熟，成本不斷降低，類似船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)的開發(fā)提取，光纖羅經(jīng)必將成為高可靠性和高精度的船舶動態(tài)數(shù)據(jù)源。

正如目前船舶GMDSS的 配置，IMO充分考量不同頻段的傳播特點，制定法規(guī)規(guī)定，GMDSS設(shè)備必須包括3個頻段：VHF，MF/HF和海事衛(wèi)星。根據(jù)通信的距離遠(yuǎn)近、實時氣象和光波傳輸特點，相互補(bǔ)充，這種3個頻段互為備份的配置，最大限度保障了通信的可靠性，并且以SOLAS公約方式規(guī)定下來，在全球范圍內(nèi)強(qiáng)制執(zhí)行。筆者認(rèn)為，同樣道理，羅經(jīng)配置也有它的科學(xué)性，如配兩套都是靠高速旋轉(zhuǎn)的陀螺而提供航向信號的電羅經(jīng)互為備份，在目前的技術(shù)條件下，不如像前面強(qiáng)調(diào)的一樣，電羅經(jīng)和光纖羅經(jīng)互為備份，更加科學(xué)，特別是隨著北極航線的開發(fā)，這種配置尤為適航。

基于以上分析，筆者呼吁船舶將來羅經(jīng)的配置，應(yīng)該是一臺電羅經(jīng)，再加一臺光纖羅經(jīng)作為備份，這樣的構(gòu)架除了能更加保障船舶航行安全外，也更加經(jīng)濟(jì)、更加科學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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