航海仪器

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航海仪器(navigational instruments),用于确定船位和保证船舶安全航行的各种仪器的统称。主要是航行定位仪器,它分为 航迹推算 仪器、 陆标定位 仪器、 天文定位 仪器和 无线电定位 仪器4类。

简介

概述

用于确定船位和保证船舶安全航行的仪器的统称,主要是航行定位仪器。航行定位仪器可大致分为用于航迹推算、陆标定位、天文定位(见 天文航海 )和无线电定位(见 船舶无线电导航 )等四类。有些仪器可供几种定位方法采用。

分类

①航迹推算仪器。用于航迹推算。包括 罗经计程仪自动操舵仪 和航迹记录器。罗经是供确定航向和观测物标方位用的仪器。通常有 陀螺罗经 和磁罗经两种,前者精确方便,后者简单可靠。在海图上划出航线后,船舶就靠罗经指示方向航行。计程仪在海图的航线上量取航行距离,用于测量 航速 和累计航程。自动操舵仪用作自动控制 舵机 以保持航向。航迹记录器用作自动在海图上进行航迹推算作业。其他还有一些常规的仪器,如两脚规、计算器等。

②陆标定位仪器。供沿岸航行船舶进行陆标定位用,主要有测方位用的方位圈等测方位仪器;测量物标距离用的测距离仪器;用于测量物标水平夹角用的测夹角仪器,如 六分仪 等;测水深仪器,如船用 回声测深仪 等。

③天文定位仪器。主要是在陆标看不见时,用以观测天体定位,包括六分仪、 天文钟 、星球仪、 索星卡 、天文计算器等仪器。其中六分仪和天文钟是传统定位仪器。

④无线电定位仪器。它是船舶利用无线电技术定位的仪器,包括通用的 测向仪 、康索尔方位系统, 罗兰台卡 、奥米加、 子午仪 导航等双曲线系统。此外,船上使用的航海仪器还有常规的水文、气象测量等仪器、仪表。

应用

航迹推算

供航迹推算用仪器。主要有罗经、计程仪、自动操舵仪和航迹记录器等。①罗经:确定航向和观测物标方位的仪器。一般海船都装有陀螺罗经和磁罗经两种,前者精确方便,后者简单可靠,互相取长补短。罗经和海图同为最重要的 航海工具 ,在海图上画出航线后,船舶就依靠罗经指示航向,沿航线驶向目的地。②计程仪:测量航速、累计航程的仪器。它和罗经同为航迹推算的基本仪器,在海图上作业就是根据计程仪读数在航线上量取航行距离。③自动操舵仪:能自动控制舵机(见 舵设备 )以保持航向的设备,又称自动操舵装置。使用较多的是 机电式自动操舵仪 ,可根据海况和船舶装载情况由人工调节偏舵角、反舵角和 压舵角 。20世纪70年代出现的 自适应自动操舵仪 ,能根据客观情况自动调整上述各种舵角,使航向更稳定,经济效益更好。④航迹记录器:能自动在海图上进行航迹推算作业的仪器,简称航迹仪。它根据输入的罗经和计程仪(或主机转速)的信息进行工作。此外,还有 海图作业 用具如 两脚规 、平行尺等;计算工具如 计算尺航海计算器 等。

陆标定位

供沿岸航行船舶进行陆标定位的仪器。有测方位的、测距离的、测夹角的和测水深的四类。①测方位仪器:主要有方位圈,是套在罗经或罗经复示器上,观测地物或天体方位的仪器。主要部分是由照门和照准架组成的照准仪。方位圈上有 0°~360° 刻度供测 舷角 用。在方位圈上装上望远镜可便于精测。有的船上装有 哑罗经 ,用以观测标准罗经视线受阻挡的物标方位。哑罗经结构简单,没有指北部件,要先对准航向再观测方位。②测距离仪器:船用测量物标距离的 光学仪器 ,有基线式和仰角式两类。前者是根据 测距仪 的基线长度求物标距离;后者是根据物标高度求物标距离。用六分仪或用带有 密位 标尺刻度的望远镜也可根据物标高度测仰角,从而求物标距离。雷达(见 航海雷达 )是既可测方位,又可测距离的仪器。它能在能见度不良的情况下和夜间进行观测,是定位精度较高的一种仪器。雷达测距离的精度比测方位的高。③测夹角仪器:主要有六分仪。用六分仪测得3个物标的两水平夹角,再用由一个圆形刻度盘和三条直尺构成的三杆定位仪(又称 三杆分度仪 ),按所得水平夹角的数值在海图上定位。有一种三杆定位仪带有一组反射镜,可代替六分仪直接观测水平夹角后在海图上定位。④测水深仪器:通常船用 测深设备 有手砣和回声测深仪。在 等深线 形状合适的水域可用以测深辨位。正在发展的利用洋底地形定位的技术,就是将测深设备连续测得的水深数据通过电子计算机处理,然后与已知洋底地貌进行比较定位。

天文定位

主要是在看不到陆标的情况下,观测天体定位用的仪器,包括六分仪,天文钟、星球仪、索星卡、眼高差测定器以及天文计算器等。六分仪、天文钟是传统的定位仪器,虽然有了无线电定位设备,但由于它们结构简单、使用可靠和隐蔽性好,仍是主要航海仪器之一。①六分仪:主要是用以观测 天体高度 定船位的手持光学仪器。普通六分仪利用水天线作为观测基准。也有利用气泡水准提供人工地平的气泡六分仪和用简易 陀螺仪 提供人工地平的陀螺六分仪,它们在水天线不清时也能观测天体高度,但其精度尚不能满足航行中定位精度的要求。此外,还有利用光的增强装置将夜间灰暗的水天线增亮的微光夜视六分仪,能接收天体辐射的无线电波和用人工平台自动观测天体高度的 射电六分仪 ,它们都有待改进和完善。②天文钟:是指示世界时的精确时计。观测天体高度时需记下准确时刻,以便在 航海天文历 中入表,查找 天体坐标 。③星球仪:用以辨认星体或选择适于观测的星体的天球模型。星球仪上画有常用恒星,也可临时标上日、月、行星。④索星卡:按不同纬度将星空投影在平面上的一组图卡,用途同星球仪。⑤眼高差测定器:是测量真地平与视地平(即水天线)之间夹角的仪器。以水天线为基准观测天体高度须修正眼高差,其数值除可由航海表查得外,还可用眼高差测定器实测。在实际气温、水温与航海表采用的标准值有较大差别时,用眼高差测定器求取眼高差更准确。⑥天文计算器:能简化天文定位中人工计算作业的电子计算器。它能迅速解算天文三角形。有的内存有常用天体视坐标数据;有的还内装准确时计,如与六分仪相联自动记时,可在很大程度上减轻驾驶员负担。

无线电定位

供船舶利用无线电技术定位的仪器。通用的有测向仪、康索尔等方位系统和罗兰、台卡、奥米加、子午仪导航等双曲线系统。它们各有优缺点,可以配合使用以取长补短,但不能相互替代。理想的定位系统还有待研制,它要求全球性、全天候、自备式、被动式、完全可靠和高精度。奥米加和子午仪导航系统曾被称为20世纪60年代以来 航海技术 的两大成就,但它们都只具备部分上述条件。80年代后期将正式投入使用的美国新的 卫星导航系统 ,称为 GPS全球定位系统 。它可以连续定位,精度比子午导航仪系统更高,是向着理想定位系统跨进一步的新的技术成就。

此外,航海仪器还包括气象、水文观测仪,如 气压表 、干湿温度计、 风速计 等。

由于航海仪器对保证航行安全有重要意义, 国际海上人命安全公约 和国际海事组织通过的有关决议对航海仪器的安装和性能标准分别作出了规定。

现状与发展

磁罗经现状与发展

现状:

船舶仍然使用传统的指向仪器磁罗经作为船舶的指向仪器,或使用磁罗经和陀螺罗经共同作为船舶的指向仪器。磁罗经指向可靠的优点,可以较好地弥补陀螺罗经容易发生故障、指向错误或不能指向的缺点。而陀螺罗经也弥补了磁罗经指向精度差,即指向误差大、且误差变化复杂的缺点。陀螺罗经不但为船舶航行提供精确的向位,还可以比较方便地将所指示的航向转换为信号,非常方便地传输到船舶上需要向位的位置,并为ARP A 、 电子海图 、自动舵等提供向位,可以说是船舶自动航行所必须的指向仪器。但是,由于陀螺罗经结构复杂,是由众多的机械器件和电器器件组成的。陀螺罗经一般需要连续工作几十天、几个月甚至几年,因此航行中就比较容易发生故障。有时即使是发生一个很小的故障,就可能使整台罗经错误指向或不能指向。对此,一般采取的应对办法是当陀螺罗经不能指向时,用人工操舵按磁罗经指示的航向航行,而不能使用诌动舵自动操舵航行,而其他需要输人航向的仪器则改为人工输人,降低了 船舶自动化 航行的程度和可靠性。而且这种情况必将影响到今后船舶自动化航行的进一步发展。

发展:

1、提高陀螺仪的可靠性。船用陀螺罗经使用的陀螺仪( 陀螺电机) ,全部使用 电动陀螺仪 ,工作时转子必须高速旋转,电流大、机械磨损大、误差大、故障率高,寿命短,是影响陀螺罗经指向性能的重要因素。未来可用体积小、精度高、寿命长的 激光陀螺仪 或性能更好的陀螺仪代替使用的电动陀螺仪,以提高陀螺罗经指向的可靠性和使用寿命。

2、全部采用数字化技术处理和传输航向。陀螺罗经一般采用信号电桥、随动 变压器 、交流 自整角机光电转换器 等,测量和传输 陀螺球 航向至主罗经( 刻度盘) 和 分罗经 。测量精度低、故障率高,信号传输过程中不容易对信号进行再处理,以消除有关指向误差和对信号的自动监测,影响了传输到其他仪器的航向精度及可靠性。若采用数字技术和CP U 电路,将大幅度提高航向传输的精度和可靠性。

3、增加罗经的自动监测功能。设置陀螺仪( 球) 主轴指向、主罗经指向、各复示器指向、电路故障、主要元器件故障和指向误差等的自动监测功能,当有关要素及器件发生变化时,能够 自动检测故障 原因、位置,并及时显示和发出报警,告知使用人员,以便采取及时正确的应对措施,确保陀螺航向 信号源 的可靠性。

定位仪器的现状与发展

现状:

船舶上用于定位的仪器主要是美国的“全球卫星导航系统( GPS ) ”和雷达。卫星定位系统除了G PS ,还有俄罗斯的“全球导航卫星系统( GLONAS ) ” 、国际民航组织的“全球导航星系统( GNSS ) ” ; 我国也已于2000 年10 月、12月和2003年5 月发射了3 颗北斗l 号定位卫星。我国船舶主要利用GPS 定位。GPS 定位存在的主要问题是: 它是美国自己的一种卫星定位系统,若完全依赖其定位,特殊情况下可能存在不安全因素。另外, GPS 只有一个民用频率和一种可选择性编码信号,不能有效地消除电离层传播延时误差,只能获得不精确的伪距; 现有卫星颗数( 24 颗) 较少,有时不能保证选取定位精度高的卫星,使船舶航行时的定位精度不是很高。为了提高GPS 定位精度,我国从19% 年开始建立差分GPS ( DGPS ) 基准台( DGPS 基准台) , 1997 年已建成大三山岛等6个DGPS 基准台并投人使用。随后,又先后建立了14 个DG p S 基准台,使DGP S 基准台达到20 个,有效地提高了我国近海水域船舶利用G 邓定位的精度。 美国政府 鉴于国际 卫星导航 市场的发展情况和国际影响,早在1 9 9 8 年就宣布,尽快取消GP S 的SA 政策,提高G PS 的民用定位精度。据有关资料介绍, 2000年美国总统已宣布取消了SA 政策,可使GPS 民用定位精度由以前的约100 米提高到约12 米。

发展:

据有关资料介绍,美国计划在2 0 05 年以前,将GPS 卫星从现有的24 颗增加到30 颗;再增添一个卫星第三发射频率( L3 ) ,使GPS 民用频率增加到2 个。若这些计划全部兑现,将有效提高船舶航行时利用G PS 定位的精度。 欧盟 于19 9 年提讼了建立全球卫星定位系统的“伽利略计划” 。我国已加人欧盟的“伽利略计划” ,并向“伽利略联合企业”投人约2 亿欧元,并在其中持有相应股份,此协议已于10 月30 日北京中欧首脑会议期间签署。“伽利略计划”的 导航卫星 由27 颗工作卫星和3 颗预备卫星共30 颗卫星组成,可以覆盖全球。“伽利略计划”总投资约32 亿欧元,预计2 0 08 年建成投人使用。届时,将改变我国船舶主要依赖GPS 定位的现状。另外,我国的 北斗卫星导航系统 也将继续 增发 卫星,逐步由定点定位功能向综合导航功能发展,必将提高卫星定位的安全性和多元化。

外文名
性质
航行定位仪器