測量船磁羅經(jīng)自差校正技術(shù)研究

楊　洋，舒　敏，韓　璐，王化偉，湯　楹

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

測量船磁羅經(jīng)自差校正技術(shù)研究

楊洋，舒敏，韓璐，王化偉，湯楹

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

根據(jù)航天測量船結(jié)構(gòu)特點，分析測量船磁羅經(jīng)的受力以及羅經(jīng)自差變化的原因，針對測量船航線途徑磁赤道的航程，提出準確校正測量船磁羅經(jīng)自差及保證自差系數(shù)穩(wěn)定的方法。

磁羅經(jīng)；自差；校正

近年來測量船經(jīng)常需要進行遠洋航行，有時還需要駛?cè)敫呔暥葏^(qū)域開展工作。測量船配備有各種先進的導(dǎo)航儀器，但陀螺羅經(jīng)和磁羅經(jīng)仍是船舶的主要指向設(shè)備。磁羅經(jīng)作為傳統(tǒng)的導(dǎo)航儀器依靠地球的磁性指向，簡單可靠，被國際海事組織(IMO)確定為必備設(shè)備。但磁羅經(jīng)最大的缺點是受地磁和船磁的作用而產(chǎn)生自差，并且自差還會隨航行地區(qū)緯度的變化、船磁的變化而變化。

測量船磁羅經(jīng)校正工作通常選擇在長江口錨地進行，由于該地船舶密度大，校正時間緊張，校正工作一般只能粗略完成，校正精度難保障;且選擇在一地校正，很難嚴格區(qū)分船舶不同性質(zhì)的磁力，船舶感應(yīng)磁力部分只是被概略消除。隨著船舶航行緯度的變化，自差會重新出現(xiàn)。為保證船舶行駛安全，確保導(dǎo)航設(shè)備工作的準確性，航海人員不僅應(yīng)清楚船舶自差的變化情況，還必須能夠校正自差。為此，就測量船磁羅經(jīng)的受力情況，對自差變化的原因進行分析和探討，進而針對測量船的特殊船舶結(jié)構(gòu)提出準確校正測量船磁羅經(jīng)自差，保證自差系數(shù)穩(wěn)定的方法[1-8]。

1　測量船磁羅經(jīng)受力情況分析

測量船主要從事無線電測量工作，船體結(jié)構(gòu)比較特殊，在甲板上搭載有各種結(jié)構(gòu)的鋼鐵材質(zhì)天線。天線底座與船體被地磁力磁化后，根據(jù)材料性質(zhì)的不同會分別產(chǎn)生一定的硬鐵磁力和軟體磁力，影響羅經(jīng)指向，產(chǎn)生自差。此外，由于甲板上搭載的微波天線需頻繁進行大功率工作，產(chǎn)生的熱效應(yīng)在一定程度上也會影響船磁的穩(wěn)定性，使羅經(jīng)自差發(fā)生變化。測量船甲板設(shè)備見圖1。

圖1　測量船磁羅經(jīng)受力分析示意

由圖1可見，從船體平面結(jié)構(gòu)看，船體龍骨、縱梁、船殼板、橫梁、橫隔堵等縱橫軟鐵很多，大部分首尾左右連續(xù)，且在羅經(jīng)處首尾左右中斷的軟鐵不多，即它們產(chǎn)生的軟鐵系數(shù)為a<0和e<0，又因船的長度大于寬度，橫軟鐵兩端磁極至羅經(jīng)的距離要比首尾軟鐵兩端磁極至羅經(jīng)的距離近，即軟鐵作用力橫向比縱向大，軟鐵系數(shù)|e|>|a|。

磁羅經(jīng)安裝在駕駛臺頂前部，在磁羅經(jīng)后方分布有桅桿、天線底座、煙囪等大型鋼鐵材質(zhì)構(gòu)件，這些設(shè)備的上沿接近磁羅經(jīng)，被地磁力磁化后產(chǎn)生的軟鐵系數(shù)為k>0,c<0，且c值較大，與普通船舶相比有很大的差異，是測量船磁羅經(jīng)自差產(chǎn)生的主要因素之一。

硬鐵力在水平面上的分力為P、Q、R，其大小和方向已在造船時由船臺方向及羅經(jīng)安裝位置決定，由于船上硬鐵數(shù)量多，硬鐵力較軟鐵力對磁羅經(jīng)自差產(chǎn)生的影響大得多。

測量船磁羅經(jīng)半圓自差主要由力B′λH和C′λH影響產(chǎn)生。

式中：cZ——軟鐵力，由煙囪和天線底座及桅桿中的軟鐵材質(zhì)被感應(yīng)磁化后產(chǎn)生;

P、Q、R——硬鐵力，由船體和天線底座及桅桿中的硬鐵材質(zhì)被磁化后產(chǎn)生。

象限自差主要由D′λ=(a-e)/2力影響產(chǎn)生；傾斜自差主要由-[R+(k-e)Z]i和-[R+(k-a)Z]i力影響產(chǎn)生。B′λH、C′λH與船航向和船所在的磁緯度有關(guān)，傾斜自差與船所在的緯度有關(guān)，D′λ力僅與船航向有關(guān)。

2　測量船磁羅經(jīng)自差變化的原因

磁羅經(jīng)校正自差原則：由硬鐵船磁引起的自差，應(yīng)以磁鐵力加以消除；由感應(yīng)船磁引起的自差，應(yīng)以軟鐵消除[9]，人為地增加磁性與船磁相同、方向相反、大小相等的磁力以消除自差。

測量船磁羅經(jīng)的自差校正工作通常選擇在長江口水域完成，主要對羅經(jīng)的象限自差、半圓自差和傾斜自差進行校正。象限自差是由軟鐵系數(shù)的感應(yīng)磁力產(chǎn)生，單獨使用軟鐵校正器對其進行校正，兩者的磁力即可處于良好的抵消狀態(tài)，校正結(jié)果不會隨著船舶行駛緯度的變化發(fā)生改變。半圓自差由南北半圓自差和東西半圓自差兩部分組成，通過對測量船磁羅經(jīng)的受力情況分析可知，南北半圓自差主要是由船舶硬鐵力Q影響產(chǎn)生，校正時通過加入橫向磁棒加以抵消即可準確校正，當(dāng)船舶行駛緯度發(fā)生變化時，這部分自差將不會發(fā)生改變；而東西半圓自差則是由船舶硬鐵力P和軟鐵力cZ共同作用的結(jié)果，在一地進行校正時，很難將這兩種性質(zhì)的磁力嚴格分開，通常軟鐵力cZ只是被概略的消除，東西半圓自差則主要是被放入的縱向磁棒消除，即

某高速公路設(shè)計速度為100km/h，路基寬度28m，路面結(jié)構(gòu)形式為半剛性基層瀝青路面，基層設(shè)計為34cm水泥穩(wěn)定碎石，考慮到開放交通后，交通量較大，可能有大量重型運輸車輛通行，研究決定在試驗路使用異步連續(xù)攤鋪技術(shù)進行半剛性基層施工，以提高基層整體性與承載能力，為該技術(shù)在全線展開打下基礎(chǔ)。

式中：mZ——佛式鐵產(chǎn)生的軟鐵校正力；

F——縱向校正磁棒產(chǎn)生的硬鐵校正力。

當(dāng)|ΔF|與|ΔP|大小相等，符號相反時，在某一緯度上可使mZ1-cZ1+F-P=0。但這并不符合自差校正的原則，即不能用硬鐵力ΔP去抵消軟鐵力ΔF，盡管在第一緯度上自差為零，但當(dāng)船舶行駛到另一緯度時，由于地磁垂直分力Z發(fā)生變化，導(dǎo)致ΔF發(fā)生變化，即|ΔF|≠|(zhì)ΔP|、mZ2-cZ2+F-P≠0，結(jié)果羅經(jīng)又產(chǎn)生了自差，測量船硬軟鐵力cZ和P沒有被分別準確抵消是引起自差變化的原因。

同理，羅經(jīng)傾斜自差也是由兩部分磁力產(chǎn)生，一部分為硬鐵力R，另一部分為由軟鐵系數(shù)k、a、e產(chǎn)生的軟鐵力。校正傾斜自差時，也不能嚴格將兩者分開，只是以垂直校正磁棒來消除兩者的作用。當(dāng)船駛?cè)敫呔暥鹊貐^(qū)時，Z力增大，軟鐵力部分增大，校正磁棒磁力不足以抵消傾斜自差兩部分作用力之和；另外當(dāng)船舶駛過赤道，進入南緯度地區(qū)時，軟鐵力發(fā)生變化，極性相反，船體發(fā)生傾斜后將產(chǎn)生較大的自差。

此外，隨著緯度的增加，磁羅經(jīng)的指北力也越差，即使自差力不發(fā)生變化，所產(chǎn)生的自差也會比原來的自差變化的大，這一點也是自差發(fā)生較大變化的原因，不能忽視[10]。

3　測量船磁羅經(jīng)校正方法設(shè)計

隨著船舶航行，地磁力的變化是不可避免的，要想使自差盡量少發(fā)生變化，關(guān)鍵的問題是使羅經(jīng)的軟鐵和硬鐵剩余自差越小越好，特別要準確地放置佛氏鐵，以減小羅經(jīng)軟半圓自差的變化。

測量船經(jīng)常途徑磁赤道，且航線跨越緯度通常大于10°，利用航線優(yōu)勢可以使用磁赤道法精確測算cZ和P力，從而準確校正磁羅經(jīng)自差。

3.1校正原理

船舶在航經(jīng)磁赤道時，由于地磁垂直分力為0，即Z=0，此時不管船體的軟鐵系數(shù)c有多大，cZ=0，則B′λH=P。測量船可利用磁赤道的地理特性，進行磁羅經(jīng)校正工作，準確獲知船硬鐵力P值，進行精確校正。待船舶回到中緯度地區(qū)后，再在E和W航向上，以愛利法用佛氏鐵(原磁棒不動)校正半圓自差，即可達到精確抵消cZ和P力，準確校正磁羅經(jīng)的效果。

3.2校正方法

測量船根據(jù)航渡計劃計算途徑磁赤道的時間，并根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行情況安排磁羅經(jīng)校正工作。

1)計算要經(jīng)過磁差為0°磁赤道的地理緯度，并根據(jù)氣象傳真圖分析該地區(qū)的海況是否適合進行磁羅經(jīng)校正工作。如校正條件允許，提前對磁羅經(jīng)羅盆、羅經(jīng)架、羅經(jīng)柜、磁棒、常平環(huán)等活絡(luò)部件進行檢查、清潔及上油養(yǎng)護。

2)船舶到達預(yù)定海域后，采用愛利法校正自差，利用與電羅經(jīng)比對，太陽影方位輔助的方法，按照先校正半圓自差、再校正象限自差、最后測定剩余之差的順序進行磁羅經(jīng)校正工作，其中在校正東西半圓自差過程中，只使用縱向磁棒對自差進行校正，不得使用佛氏鐵或其他軟鐵校正器。

3)待船舶行駛至中緯度地區(qū)時，在海況良好的情況下，分別在東、西兩個航向上按照愛利法的操作要求，只使用軟鐵校正器對磁羅經(jīng)東西自差進行校正，抵消船體軟鐵磁力cZ對羅經(jīng)的影響。

3.3校正中的注意事項

校正自差時船舶的航向應(yīng)為磁航向，船舶在進入一個新的航向時應(yīng)把定一段時間，待羅盤指向穩(wěn)定后再開始校正。校正時應(yīng)檢查羅經(jīng)周圍是否有臨時增加的電器或鐵磁物件，船上各項設(shè)備應(yīng)保持在航行狀態(tài)，校正人員隨身不得攜帶磁性物件。校正時放入的磁棒位置應(yīng)盡量對稱，離磁針宜遠不宜近，增加或減少佛氏鐵時，應(yīng)使軟鐵處于距頂端1/12全長處與磁針在同一水平面上。

3.4校正方法的可行性

測量船磁羅經(jīng)校正方法的實施主要是在磁赤道附近海域完成，由于其特殊的地理位置，能夠為磁羅經(jīng)校正工作提供十分良好的校正條件。

1)由于校正海域地理緯度較低，相對風(fēng)浪較小，船舶能保持正平狀態(tài)，傾斜自差影響極小。

2)在磁赤道由于磁羅經(jīng)的指北力最大，垂直力最小，且遠離陸地能夠有效避開港口附近磁場的影響，船舶小的改向，磁羅經(jīng)都能及時反應(yīng)，十分便于及時測算羅經(jīng)自差及其變化趨勢。

3)磁赤道及附近，范圍大，船舶密度小，船舶旋回余地大，能夠為校正人員提供充裕的時間。

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

[2] 楊曉東.高緯度區(qū)域的地磁導(dǎo)航技術(shù)研究[J].船海工程,2010,39(5):128-133.

[3] 瞿國環(huán).漁船遠航中磁羅經(jīng)自差自行校正的探討[J].上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報,1994,3(3):164-167.

[4] 關(guān)政軍.船用磁羅經(jīng)自差變化的原因[J].大連海事大學(xué)學(xué)報,2001,27(3):10-13.

[5] 李文福，王曦.安裝在船舶上的磁羅經(jīng)為什么需要校正[J].天津航海,2007(4):50.

[6] 關(guān)政軍,戴冉.實用的校正磁羅經(jīng)自差計算程序[J].大連海事大學(xué)學(xué)報,1995,21(1):41-46.

[7] 馮桂蘭,田維堅,葛偉，等.數(shù)字磁羅經(jīng)系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù),2006,25(8):86-88.

[8] 趙柯，時昌金，王則勝.利用衛(wèi)星定位實現(xiàn)對愛利法消除磁羅經(jīng)自差的改進[J].船海工程,2009,38(6):139-140.

[9] 鄢天金.磁羅經(jīng)校正技術(shù)[M].北京：人民交通出版社,1995.

[10] 瞿國環(huán).漁船遠航中磁羅經(jīng)自差自行校正的探討[J].上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報,1994,3(3):164-167.

Study on the Correction Method for MagneticCompass Deviation for Space Tracking Ship

YANG Yang, SHU Min, HAN Lu, WANG Hua-wei, Tang Yin

(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin Jiangsu 214431, China)

The force state of magnetic compass and the reason of compass deviation modification are analyzed, according to the structural features of the space tracking ship. Taking the chance of ship line via magnetic equator, a method is presented to provide accuracy correction for magnetic compass deviation and keep deviation coefficient maintain stability.

magnetic compass; deviation; correction

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.033

2014-08-18

楊洋(1983-),男,碩士,工程師

U666.151

A

1671-7953(2015)01-0131-03

修回日期：2014-08-27

研究方向:磁羅經(jīng)校正技術(shù)及無線電計量

E-mail:yy1167@163.com