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(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為了適應(yīng)船舶航海儀器的發(fā)展需要，國內(nèi)外學(xué)者對傳統(tǒng)的指向儀器——磁羅經(jīng)進(jìn)行了數(shù)字化的改造，其中對磁羅經(jīng)自差的智能校正方法也進(jìn)行了大量研究，其中文獻(xiàn)[1-3]的自差校正方法需要首先確定磁羅經(jīng)的自差系數(shù)，而自差系數(shù)的獲取又需要獲得8個(gè)主航向的自差值，再帶入自差基本公式即可得自差系數(shù)。該方法需要提供外部設(shè)備提供船舶的真航向，對于安裝有電羅經(jīng)的船舶而言切實(shí)可行，但當(dāng)前多數(shù)小型船舶并沒有安裝電羅經(jīng)，無法應(yīng)用該方法進(jìn)行校正羅經(jīng)；文獻(xiàn)[4-5]采用磁傳感器敏感X、Y軸方向的磁力來進(jìn)行測量自差，但在計(jì)算過程中對A、E這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了假設(shè)，使得最終的結(jié)果存在一定的誤差。為了精確測定磁羅經(jīng)準(zhǔn)確自差系數(shù)，通過準(zhǔn)確自差系數(shù)進(jìn)行自差校正，設(shè)計(jì)一種適用于小型船舶的自差智能校正系統(tǒng)。

1 校正原理

1.1 準(zhǔn)確自差系數(shù)的求取方法

自差的計(jì)算方法基于自差計(jì)算公式[6]。

(1)

式中：H′——羅盤在水平方向受到的合力，方向即為羅北;

φ——磁航向。

對式(1)進(jìn)行化簡可得

sinδ=A′cosδ+B′sinφ′+C′cosφ′+

D′sin(2φ′+δ)+E′λHcos(2φ′+δ)

(2)

式中：φ′——羅航向。

傳統(tǒng)的愛利法確定自差系數(shù)時(shí)是對式(2)進(jìn)行了進(jìn)一步化簡。當(dāng)自差角很小時(shí)，在sinδ=δ,cosδ=1兩個(gè)條件下，化簡得

δ=A+Bsinφ′+Ccosφ′+Dsin 2φ′+Ecos 2φ′

(3)

【式中：δ——自差角;

A、B、C、D、E——近似自差系數(shù)。

由于公式中有部分參數(shù)進(jìn)行了近似處理，最終得到的結(jié)果存在一定的誤差。

文中求取自差系數(shù)采用式(2)，可以通過測量物標(biāo)及本船的經(jīng)緯度得到真方位然后與羅方位進(jìn)行比對得到自差角δ，通過觀測磁羅經(jīng)可以得到羅航向φ′，5個(gè)參數(shù)待確定，由聯(lián)立的5個(gè)方程即可求得準(zhǔn)確自差系數(shù)A′、B′、C′、D′、E′，所以只需觀測5個(gè)任意羅航向的自差值。根據(jù)準(zhǔn)確自差系數(shù)帶入式(2)即可求得各羅航向的自差值。

1.2 自差消除方法

當(dāng)船舶保持羅航向在任意航向ψ時(shí)，根據(jù)準(zhǔn)確自差系數(shù)及式(2)求得該航向的自差值，同時(shí)假設(shè)B′=0，其它系數(shù)不變，帶入式(2)可以求得新的自差角，進(jìn)而求得消除B′λH后的羅航向ψ1。通過調(diào)整縱向磁棒使得船舶羅盤指向調(diào)整到ψ1，即可認(rèn)為添加的磁棒正好消除了B′λH，仍然保持航向。假設(shè)B′=0,C′=0，其它系數(shù)不變，帶入式(2)可以求得新的自差角，進(jìn)而求得消除完C′λH后羅航向ψ2，通過調(diào)整橫向磁棒使得船舶羅盤指向調(diào)整到ψ2。以此類推，可以通過類似的處理消除D′λH。A′λH、E′λH作保留處理。

2 系統(tǒng)工作原理

小型船舶磁羅經(jīng)自差智能校正系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 小型船舶磁羅經(jīng)自差智能校正系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

計(jì)算準(zhǔn)確自差系數(shù)需測量5個(gè)羅航向及對應(yīng)的自差角。為了使得羅航向值數(shù)字化，系統(tǒng)采用磁傳感器敏感羅盆刻度盤下方磁棒的磁力，將傳感器的X、Y基線分別與船舶的艏艉基線、左右舷基線對齊，放置于羅盆上方。通電后，傳感器測量出羅航向后以NMEA0183的數(shù)據(jù)格式形式發(fā)送到下位機(jī)。此外，任意羅航向上自差值的獲取也極為關(guān)鍵，大型船舶可以通過比對磁羅經(jīng)與電羅經(jīng)的航向差值求取自差角，但是小型船舶出于成本考慮往往不安裝電羅經(jīng)，在此情況下，系統(tǒng)是通過對比某一觀測物標(biāo)的羅方位、真方位及當(dāng)?shù)氐拇挪顏泶_定磁航向。再由磁航向與羅航向比較獲取該航向上的自差，見式(4)。

(4)

下位機(jī)采用一個(gè)望遠(yuǎn)鏡觀測物標(biāo)，在望遠(yuǎn)鏡下方加裝旋轉(zhuǎn)編碼器測量物標(biāo)的舷角，使得舷角數(shù)字化。系統(tǒng)選用10位的旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器有三路脈沖輸出，其中信號A和信號B相位相差90°，比對A、B兩個(gè)信號，可以達(dá)到一周2 048個(gè)脈沖輸出，一個(gè)脈沖代表0.175 8°，精確地計(jì)量物標(biāo)的舷角。

真方位的獲取是基于觀測物標(biāo)的經(jīng)緯度及本船的經(jīng)緯度共同確定，本船的經(jīng)緯度通過GPS獲得，物標(biāo)的經(jīng)緯度可事先在海圖上量取，然后進(jìn)行必要的換算得到真方位。再通過式(4)換算得到磁航向及自差，角度換算見圖2。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依據(jù)解算的步驟，采集當(dāng)前船舶的羅航向及物標(biāo)舷角，并將羅航向、舷角發(fā)送給平板電腦。根據(jù)解算原理，解算自差還需要獲取物標(biāo)的真方位，因此，系統(tǒng)選用自帶GPS定位芯片的平板電腦或手機(jī)，實(shí)時(shí)采集當(dāng)前船位，由于物標(biāo)經(jīng)緯度已知，解算出真方位，再結(jié)合下位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)處理得到當(dāng)前航向上磁羅經(jīng)自差。采集5組數(shù)據(jù)后，帶入式(2)，通過高斯消元法進(jìn)行求解，解算出準(zhǔn)確自差系數(shù)A′、B′、C′、D′、E′。

3 系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)由下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，首先將下位機(jī)通電復(fù)位，實(shí)時(shí)采集羅航向、物標(biāo)舷角信息，由于望遠(yuǎn)鏡不是實(shí)時(shí)對準(zhǔn)物標(biāo)，編碼器采集的信息并不是真實(shí)的舷角信息。為了使下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，下位機(jī)設(shè)置按鈕，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)線對準(zhǔn)物標(biāo)時(shí)按下按鈕，此時(shí)設(shè)置發(fā)送的數(shù)據(jù)為有效。上位機(jī)接收到有效數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算物標(biāo)的真方位，計(jì)算出該航向自差，當(dāng)記錄下5個(gè)或更多航向的自差值，點(diǎn)擊計(jì)算自差系數(shù)按鈕即可觸發(fā)準(zhǔn)確系數(shù)自動計(jì)算子程序，完成準(zhǔn)確自差系數(shù)計(jì)算后系統(tǒng)提示進(jìn)入校正環(huán)節(jié)。

在校正環(huán)節(jié)，通常校正的是B′λH，C′λH,D′λH自差力，根據(jù)前面的原理分析，對這3個(gè)產(chǎn)生自差的力的校正順序沒有嚴(yán)格要求，為了使校正計(jì)算程序簡化，這里按照B′λH,C′λH,D′λH依次進(jìn)行校正。校正B′λH時(shí)，先假設(shè)B′λH，帶入式(2)求出此時(shí)的羅航向，只需添加或者調(diào)整縱向磁棒將當(dāng)前羅航向調(diào)整到求出的航向即可消除B′λH。系統(tǒng)分析當(dāng)前航向及自差值，采用語音提示的方法提示校正人員添加、調(diào)整磁棒。

消除完B′λH后再進(jìn)行消除C′λH及D′λH，消除C′λH時(shí)，此時(shí)應(yīng)假設(shè)B′λH=0；C′λH=0，再求出此時(shí)對應(yīng)的羅航向，添加或調(diào)整磁棒使得羅航向靠近目標(biāo)航向，消除D′λH步驟類似。自差消除完成后，可再次進(jìn)去自差測定程序，檢測自差消除效果。

4 系統(tǒng)誤差分析

磁羅經(jīng)自差智能校正系統(tǒng)的誤差主要由磁航向傳感器誤差、GPS定位誤差、物標(biāo)舷角觀測誤差等引起的誤差。磁航向傳感器用于敏感羅盆刻度盤下方磁棒的磁場，由于受到傳感器的材料工藝、溫漂和安裝位置等因素影響導(dǎo)致輸出信號有偏差[7]。此外，傳感器假設(shè)刻度盤下方磁棒的磁場是均勻磁場，而實(shí)際磁場并不是均勻磁場，也造成傳感器輸出信號存在偏差。一般磁航向傳感器輸出的航向誤差在0.5°左右，對系統(tǒng)影響不大。

考慮GPS定位的精度通常可以控制在±20 m范圍內(nèi)[8]，為了保證目標(biāo)的觀測靈敏度，被測目標(biāo)通常選擇在1 n mile左右，由此定位誤差所導(dǎo)致的最大偏差約為0.3°。物標(biāo)舷角觀測誤差主要是認(rèn)為觀測物標(biāo)不準(zhǔn)確造成，由于物標(biāo)距離較遠(yuǎn)，偏差也可忽略(誤觸發(fā)除外)。系統(tǒng)中自差、目標(biāo)航向等的計(jì)算都是采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算精度滿足系統(tǒng)要求。因此，該系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差滿足船舶在海上航行的安全要求。

5 結(jié)論

通過觀測單一物標(biāo)的舷角間接計(jì)算船舶在任意航向上的自差，有效弱化了傳統(tǒng)愛利法實(shí)施過程中對水域的要求，任意5個(gè)航向即可測得準(zhǔn)確自差系數(shù)，船舶在拋錨、停泊或任意航向航行時(shí)都可進(jìn)行自差的校正。系統(tǒng)下位機(jī)采用簡單的數(shù)據(jù)采集裝置，上位機(jī)軟件可以通過JAVA語言設(shè)計(jì)適用于智能手機(jī)的解算軟件，使得智能手機(jī)也可代替平板電腦，可節(jié)省系統(tǒng)成本。采用語音提示，對于非校正人員也適用，是一個(gè)值得推廣的磁羅經(jīng)自差消除系統(tǒng)。

[1] 關(guān)政軍.船靠碼頭校正磁羅經(jīng)自差的實(shí)施[J].世界海運(yùn),2004,27(5):12-14.

[2] 關(guān)政軍,陳 鐸,陳小鳳.磁羅經(jīng)自差的智能測定和校正系統(tǒng)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2002,28(4):22-24.

[3] 關(guān)政軍,陳 鐸.磁羅經(jīng)自差自動測定和補(bǔ)償系統(tǒng)的研制[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(4):13-15.

[4] 季本山.基于數(shù)字磁力檢測儀的磁羅經(jīng)自差校正方法[J].中國航海,2009,32(3):24-27.

[5] 季本山.磁羅經(jīng)自差的數(shù)字化校正方法[J].航海技術(shù),2009(6):32-35.

[6] 中國人民解放軍總后勤部軍事交通運(yùn)輸部.航海儀器[M].北京:解放軍出版社,2006.

[7] GRAHAM D L ,FERREIRA H A ,FREITAS P P ,et al.High sensitivity detection of molecular recognition using magnetically labelled biomolecules and magnetoresistive sensors [J].Biosensors &Bioelectronics,2003,18:483-488.

[8] 徐紹銓,張海華,楊志強(qiáng),等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2008.