內(nèi)容提要：經(jīng)過長期的理論研究與實踐探索，制作了磁羅經(jīng)數(shù)字校正儀，提出了磁羅經(jīng)自差數(shù)字化校正法，并完成了船舶在錨泊狀態(tài)時就能校正磁羅經(jīng)自差的實際校正工作，能夠滿足校正工作的要求。為磁羅經(jīng)校正工作提供一種高效便捷的方法，確保船舶的航行安全。
關(guān)鍵詞：磁羅經(jīng)自差 磁羅經(jīng)數(shù)字校正法 磁羅經(jīng)校正儀 錨泊校正
0引言
隨著計算機、電子技術(shù)的發(fā)展，航?？萍家惭杆侔l(fā)展，GPS、電子海圖、AIS等航海設(shè)備的應(yīng)用為今日的航海技術(shù)注入新的活力。但陀螺羅經(jīng)和磁羅經(jīng)仍是船舶的主要指向設(shè)備。而磁羅經(jīng)依靠地球的磁性指向，簡單可靠，仍被國際海事組織（IMO）確定為必備設(shè)備。按SOLAS公約和我國《海船航行設(shè)備規(guī)范》：凡150總噸及以上的船舶均應(yīng)裝設(shè)：①一臺標準磁羅經(jīng)或至少應(yīng)配備一臺合適的操舵羅經(jīng)；②各磁羅經(jīng)應(yīng)正確校正，并應(yīng)備有隨時可用的剩余自差表或自差曲線。由于鋼鐵船體的磁性導(dǎo)致磁羅經(jīng)指北發(fā)生偏差，即產(chǎn)生磁羅經(jīng)自差。為了確保磁羅經(jīng)能較為準確地指磁北，磁羅經(jīng)就必須定期校正，使其誤差控制在允許的范圍之內(nèi)。
1磁羅經(jīng)自差的傳統(tǒng)校正法
磁羅經(jīng)自差的校正就是以性質(zhì)相同、大小相等、方向相反的校正磁力來抵消船磁力的影響，即用校正器上的縱、橫硬磁鐵和軟鐵把船磁力對磁羅經(jīng)的影響抵消或降低到允許的范圍。
現(xiàn)有磁羅經(jīng)自差的傳統(tǒng)校正方法基本上可歸類為兩種：一種是愛利法，校正自差時船舶需航行在特定磁航向（N、E、S、W、NE、SE、SW、NW）上，通過測定自差、校正自差，達到抵消自差力的目的；另一種是以科侖克法為代表的測力法，校正自差時船舶需航行在特定羅航向上，通過測定自差力、抵消自差力，達到校正自差的目的。兩種校正方法都需要船舶在較寬闊的水域，機動航行在特定的航向上進行校正工作。這對大型船舶，尤其是集裝箱班輪確有一定難度，使校正工作往往難以實施。如果能用一種方法使船舶在錨泊狀態(tài)下，在任意航向上就能校正磁羅經(jīng)自差，那么磁羅經(jīng)自差的校正工作將方便地在錨地水域進行，既節(jié)省工時，又節(jié)省燃油，這一直是磁羅經(jīng)校正師們所研究的課題。
2磁羅經(jīng)自差數(shù)字化校正法理論
由經(jīng)典磁羅經(jīng)自差校正理論可知，在校正自差過程中船舶在特定的八個航向航行的目的，是把船磁總合力中的縱向力、橫向力和象限自差力分辨出來。如果通過一種方法能夠測定船磁總力并進行分解，那么校正磁羅經(jīng)自差時船舶就不需要回轉(zhuǎn)。
在船舶正平時選取羅經(jīng)坐標系，規(guī)定在羅經(jīng)平面上平行于船首尾線為縱軸（x軸），左右舷為橫軸（y軸），垂直于甲板的為垂直軸（z軸），并分別以向船首、右舷和垂直向下為正向。ψ為船舶的磁航向。由于Z力垂直作用于羅盤平面，不會產(chǎn)生對羅盤水平偏轉(zhuǎn)的自差，這樣作用在羅盤平面上有六個力：
A′λH：指向垂直于磁子午線，正力指東，負力指西。
B′λH：正力指向船首為ψ，負力指船尾為ψ±180°。
C′λH：正力指向右舷為ψ+90°；負力指向左舷為ψ-90°
D′λH：正力指向與磁子午線夾角為2ψ；負力指向2ψ±180°。
E′λH：正力指向為2ψ+90°；負力指向為2ψ-90°。
λH：指北力指向磁北Nm。其中λ為指北力系數(shù)，對于商船，標準羅經(jīng)λ值在0.8～
0.9之間，操舵羅經(jīng)在0.6～0.8之間。
六個力作用在羅盤上的受力圖見圖1。
對于商船來說由于磁羅經(jīng)的艏艉基線在船舶的艏艉面內(nèi)，A′、E′很小，設(shè)A′λH=0、E′λH=0，這時羅盤上受力情況如圖2所示，僅有四個力作用于羅盤上。其中λH圖1羅盤受六個力作用是需要保留的指北力，B′λH、C′λH、D′λH是需要抵消的船磁力。
如果在羅盤上方高斯第二位置加一測力磁鐵，使測力磁鐵的N端朝北放置，測力磁鐵力F朝南，其磁力F的大小等于λH，即以F力抵消λH力，這時羅盤上磁針指向B′λH、C′λH、D′λH的合力方向，如圖3所示。
在此情況下，若船舶航向在ψ1上，x軸上的合力為X1=B′λH+D′λHcosψ1，y軸上的合力為Y1=C′λH+D′λHsinψ1。
當船舶航向在ψ2時，x軸上的合力為X2=B′λH+D′λHcosψ2，y軸上的合力為Y2=C′λH+D′λHsinψ2。
用一種專用磁力測量儀分別測量出X1、Y1、X2、Y2的值，那么聯(lián)列方程：
X1=B′λH+D′λHcosψ1
Y1=C′λH+D′λHsinψ1
X2=B′λH+D′λHcosψ2
Y2=C′λH+D′λHsinψ2
通過解算就可分別求出B′λH、C′λH、D′λH的大小及方向。
再分別用縱向、橫向和軟鐵校正器來抵消B′λH、C′λH、D′λH。使磁力測量儀上的B′λH、C′λH、D′λH分量顯示值為零，這時船磁對磁針的影響即被抵消。
在實際校正時，船舶在錨泊狀態(tài)下的任意航向即為ψ1，經(jīng)測定X1、Y1值后，可微量用車或利用潮流的影響，使船舶偏離一個不大的角度，在航向ψ2上測定X2、Y2值，經(jīng)解算就可分別顯示出B′λH、C′λH和D′λH值，作為校正自差的依據(jù)。這就是磁羅經(jīng)自差數(shù)字化校正法的理論根據(jù)。
3磁阻傳感器的原理
磁阻傳感器是利用鐵磁材料具有磁阻效應(yīng)的特性工作的。磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體電阻受磁場影響而產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。當外磁場平行于磁導(dǎo)體內(nèi)部磁化方向時，磁體電阻幾乎不隨外磁場變化；當外磁場偏離內(nèi)部磁場方向時，則磁阻減小，而且偏離的方向與磁阻的減小成一定的函數(shù)關(guān)系。可見利用鐵磁材料的這一特性能辨別磁場的方向、測量磁場的大小。用兩個相互垂直的磁導(dǎo)體即能測量二維分力；若用三個相互垂直的磁導(dǎo)體就能測量三維分力。本文使用的磁阻傳感器即為三軸傳感器。使傳感器安放在羅盆位置，三個軸分別與羅經(jīng)坐標系的x、y、z軸平行，這樣就能測量磁羅經(jīng)所處環(huán)境的船舶磁場在x、y和z三個方向的分力。檢測到的磁體電阻變化量經(jīng)放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、單片機計算，以RS-485或RS232的標準輸出磁力的方向與大小的數(shù)字信號。
4磁羅經(jīng)校正儀
根據(jù)磁羅經(jīng)數(shù)字化校正理論，設(shè)計制作了磁羅經(jīng)校正儀，其結(jié)構(gòu)由電子羅盆、支架、筆記本電腦、軟件和電源等五部分組成，如圖4所示。
（1）測力磁鐵。測力磁鐵在滑桿上可上下移動，以改變磁鐵對羅盤的作用力，用于抵消地磁的指北力。
（2）滑桿。其中部印有標尺，用于記錄測力磁鐵的位置。
（3）電子羅盆及高靈敏度的磁阻傳感器。磁阻傳感器用于檢測羅盤處船舶縱橫向及垂直方向的船磁力大小，并以RS232串口形式傳送給計算機。電子羅盆安放在羅經(jīng)柜上，羅盆的艏標志與x軸平行，兩側(cè)的支承轉(zhuǎn)軸與y軸平行，以確保X傳感器與x軸平行，Y傳感器與y軸平行，并保證傳感器的中心位置與電子羅盆的幾何中心重合。
（4）可旋轉(zhuǎn)方位盤。與電子羅盆上的艏標記配合使用，用于設(shè)定電子羅盤上的船舶磁航向，這時支架上的Nm標記對準可旋轉(zhuǎn)方位盤上的零時，測力磁鐵的磁力就與地磁指北力反向。
（5）筆記本電腦運行應(yīng)用軟件。用于處理磁阻傳感器送來數(shù)據(jù)，顯示x、y和z軸的分力數(shù)值，并計算出分力B’λH、C’λH、D’λH，檢測校正的分力。軟件界面如圖5所示。其中：縱向分量X、橫向分量Y、垂直分量Z均為傳感器實時測量值，航向ψ1、ψ2為輸入值，第一、二航向按鈕為確認鍵，其余均是計算值。
5磁羅經(jīng)數(shù)字化校正法的應(yīng)用
（1）測量校正地附近的地磁水平分力和垂直分力。在岸上遠離鐵器的地方，校正儀離地至少1m，打開電源開關(guān)和電腦，并運行應(yīng)用軟件，轉(zhuǎn)動電子羅盆方位，使軟件上y軸的讀數(shù)為0，說明電子羅盆上的艏標記指向北。放上支架并將Nm標記與電子羅盆上的艏標記重合。這時軟件界面上x軸分量的讀數(shù)即為當?shù)氐卮潘椒至?/SPAN>H，z軸分量的讀數(shù)即為當?shù)氐卮糯怪狈至?/SPAN>Z。放置測力磁鐵，N端指向北，上下調(diào)整磁鐵，直到軟件界面上x軸輸出的讀數(shù)為0，記下測力磁鐵在滑桿標尺上刻度n，同時記下軟件界面上z軸垂直分力輸出讀數(shù)m。
（2）在船上安裝校正儀。
在船上，從常平環(huán)上取下羅經(jīng)盆，把電子羅盆放在常平環(huán)上，電子羅盆的艏線標記指向船艏。這時電子羅盆的兩支承轉(zhuǎn)軸垂直于船舶的艏艉線，也就是傳感器的三軸與船舶坐標系的x、y、z軸平行。
（3）在ψ1、ψ2
兩航向上測定X1、Y1、X2、Y2。
①通過陀螺羅經(jīng)、天體或物標取得本船的第一磁航向ψ1（如圖中ψ1是125°），轉(zhuǎn)動電子羅盆上的可旋轉(zhuǎn)方位盤，使其指示航向ψ1。放上支架使Nm標記指向可旋轉(zhuǎn)方位盤的0°即磁北。
②用測力磁鐵的磁力抵消地磁指北力。放置測力磁鐵，移動測力磁鐵在滑桿上位置至n′，n′=λn（標準羅經(jīng)λ值取0.8～0.9，操舵羅經(jīng)λ值取0.6～0.8）。
③讀取軟件界面上x、y軸輸出讀數(shù)為X1、Y1，如圖6所示。按確認鍵，存儲此數(shù)值。
④微用車或利用潮流使船舶航向偏離一個角度，測得本船的第二磁航向ψ2（圖中ψ2是162°），調(diào)整電子羅盆方位使航向指向ψ2，轉(zhuǎn)動支架使Nm標記指向磁北，讀取軟件界面上x、y軸輸出讀數(shù)為X2、Y2，如圖7所示。按確認鍵，輸入計算機，這時B′λH、C′λH、D′λH的值已經(jīng)計算出，并顯示縱、橫磁棒及軟鐵校正裝置應(yīng)校正值。
（4）校正半圓自差和象限自差。
①抵消C′λH：在羅經(jīng)柜中的校正架上調(diào)整橫向磁棒使軟件界面上y軸的讀數(shù)為D′λHsinψ2（圖8中D′λHsinψ2為6.36），如圖8所示。
②抵消D′λH：在校正架上調(diào)整軟鐵片（球）使軟件界面上y軸的讀數(shù)為0，如圖9所示。
③抵消B′λH：在校正架上調(diào)整縱向磁棒使軟件界面上x軸的讀數(shù)為0，如圖9所示。
（5）校正傾斜自差。
調(diào)整垂直磁棒使軟件界面上z軸輸出讀數(shù)為m′，m′=λm，如圖10所示m′為263.8。
（6）自差校正完畢，取下電子羅盆與支架，放回磁羅經(jīng)盆，記錄校正器的位置。校正半圓自差、象限自差和傾斜自差結(jié)束。
6磁羅經(jīng)數(shù)字化校正法的可行性
（1）在校正儀中磁阻傳感器是檢測磁力大小與方向的關(guān)鍵元件，其靈敏度將直接影響校正準確性。本文中采用的HMR3200巨磁阻傳感器其磁場測量的分辨率較高，適用于對磁羅經(jīng)周圍磁場大小與方向的測量。
（2）由于地磁在一個地區(qū)的變化不大，因此在同一地區(qū)校正羅經(jīng)時，可直接引用上次所測地磁水平分力和垂直分力數(shù)據(jù)，簡化校正工作步驟。
（3）船舶在錨泊時磁羅經(jīng)的周邊磁場環(huán)境與海上航行狀態(tài)一樣。
（4）為了提高測量和校正精度，在利用潮流或微用車使船舶兩航向的變化角以大于30°為宜。在校正過程中，應(yīng)用軟件根據(jù)D′λH在y、x軸方向分力的大小，來選擇抵消B′λH、C′λH的順序。即若D′λH在y軸上的分力大，就先用橫磁棒抵消C′λH力，再用軟鐵抵消D′λHsinψ2，使y軸的力為零，最后再用縱向磁棒抵消B′λH，使x軸的力為零。反之則先抵消B′λH，再抵消D′λHcosψ2，最后抵消C′λH。應(yīng)用軟件比較D′λHsinψ2和D′λHcosψ2的大小，并作相應(yīng)顯示，以提示校正順序。
（5）由于船舶在錨泊狀態(tài)，可有充足的時間來精確調(diào)整校正器，達到滿意的精度。
7誤差分析及校正中注意事項
從上述理論分析可知，磁羅經(jīng)數(shù)字校正法，仍以假設(shè)A′，E′為零為條件，其誤差來源及操作注意方面有：
（1）在用測力磁鐵抵消λH時，λ的取值是利用手中積累的資料，參考同類型或相近船舶的取值，可能存在差異；
（2）倘若A′，E′均不為零，必然會產(chǎn)生誤差，但對安裝在艏艉面上的羅經(jīng)這個誤差是很小的。
（3）實測結(jié)果表明在校正過程中，剩余磁力分量精確至5~8μGauss時，羅經(jīng)的剩余自差近似為零；當剩余自差力為15μGauss時，羅經(jīng)的剩余自差在1°左右。
（4）校正過程中兩個航向ψ1、ψ2之間相差不小于30°為宜，其中只要有一個為東、南、西、北航向時，B′λH、C′λH中就有一個值能精確測出，而不是通過軟件計算求出的，校正效果更好。
（5）在第一個航向上僅測量X1、Y1的值，所需時間很短，而在第二航向上除測量X2、Y2外，還要完成自差校正工作，所以船舶在第二航向上要保持一定的穩(wěn)定時間，確保校正的精度，否則將產(chǎn)生誤差。
（6）校正傾斜自差時，若船舶不在磁東、西航向，會有一定誤差；這個誤差一般是比較小的。
8結(jié)語
磁羅經(jīng)數(shù)字校正法最大優(yōu)點是船舶不要專門為校正磁羅經(jīng)而進行回轉(zhuǎn)航行，船舶在拋錨或港內(nèi)航行中，通過小角度的航向調(diào)整，就能完成校正工作，節(jié)省燃油，省工省時，無須寬闊水域，在航道狹窄的水域也能進行，是值得推廣的一種校正方法。
作者：季本山 來源：航海技術(shù)
