小型船舶磁羅經自差智能校正系統的設計與實現

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(鎮江船艇學院，江蘇 鎮江 212003)

為了適應船舶航海儀器的發展需要，國內外學者對傳統的指向儀器——磁羅經進行了數字化的改造，其中對磁羅經自差的智能校正方法也進行了大量研究，其中文獻[1-3]的自差校正方法需要首先確定磁羅經的自差系數，而自差系數的獲取又需要獲得8個主航向的自差值，再帶入自差基本公式即可得自差系數。該方法需要提供外部設備提供船舶的真航向，對于安裝有電羅經的船舶而言切實可行，但當前多數小型船舶并沒有安裝電羅經，無法應用該方法進行校正羅經；文獻[4-5]采用磁傳感器敏感X、Y軸方向的磁力來進行測量自差，但在計算過程中對A、E這兩個參數進行了假設，使得最終的結果存在一定的誤差。為了精確測定磁羅經準確自差系數，通過準確自差系數進行自差校正，設計一種適用于小型船舶的自差智能校正系統。

1 校正原理

1.1 準確自差系數的求取方法

自差的計算方法基于自差計算公式[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。

傳統的愛利法確定自差系數時是對式(2)進行了進一步化簡。當自差角很小時，在sinδ=δ,cosδ=1兩個條件下，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。

由于公式中有部分參數進行了近似處理，最終得到的結果存在一定的誤差。

文中求取自差系數采用式(2)，可以通過測量物標及本船的經緯度得到真方位然后與羅方位進行比對得到自差角δ，通過觀測磁羅經可以得到羅航向φ′，5個參數待確定，由聯立的5個方程即可求得準確自差系數A′、B′、C′、D′、E′，所以只需觀測5個任意羅航向的自差值。根據準確自差系數帶入式(2)即可求得各羅航向的自差值。

1.2 自差消除方法

當船舶保持羅航向在任意航向ψ時，根據準確自差系數及式(2)求得該航向的自差值，同時假設B′=0，其它系數不變，帶入式(2)可以求得新的自差角，進而求得消除B′λH后的羅航向ψ1。通過調整縱向磁棒使得船舶羅盤指向調整到ψ1，即可認為添加的磁棒正好消除了B′λH，仍然保持航向。假設B′=0,C′=0，其它系數不變，帶入式(2)可以求得新的自差角，進而求得消除完C′λH后羅航向ψ2，通過調整橫向磁棒使得船舶羅盤指向調整到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 系統工作原理

小型船舶磁羅經自差智能校正系統的結構見圖1。

圖1 小型船舶磁羅經自差智能校正系統的結構

計算準確自差系數需測量5個羅航向及對應的自差角。為了使得羅航向值數字化，系統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的數據格式形式發送到下位機。此外，任意羅航向上自差值的獲取也極為關鍵，大型船舶可以通過比對磁羅經與電羅經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，在此情況下，系統是通過對比某一觀測物標的羅方位、真方位及當地的磁差來確定磁航向。再由磁航向與羅航向比較獲取該航向上的自差，見式(4)。

(4)

下位機采用一個望遠鏡觀測物標，在望遠鏡下方加裝旋轉編碼器測量物標的舷角，使得舷角數字化。系統選用10位的旋轉編碼器，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兩個信號，可以達到一周2 048個脈沖輸出，一個脈沖代表0.175 8°，精確地計量物標的舷角。

真方位的獲取是基于觀測物標的經緯度及本船的經緯度共同確定，本船的經緯度通過GPS獲得，物標的經緯度可事先在海圖上量取，然后進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。

數據采集系統依據解算的步驟，采集當前船舶的羅航向及物標舷角，并將羅航向、舷角發送給平板電腦。根據解算原理，解算自差還需要獲取物標的真方位，因此，系統選用自帶GPS定位芯片的平板電腦或手機，實時采集當前船位，由于物標經緯度已知，解算出真方位，再結合下位機發送過來的數據處理得到當前航向上磁羅經自差。采集5組數據后，帶入式(2)，通過高斯消元法進行求解，解算出準確自差系數A′、B′、C′、D′、E′。

3 系統工作過程

系統由下位機進行數據采集工作，首先將下位機通電復位，實時采集羅航向、物標舷角信息，由于望遠鏡不是實時對準物標，編碼器采集的信息并不是真實的舷角信息。為了使下位機發送數據的準確、可靠，下位機設置按鈕，當望遠鏡準線對準物標時按下按鈕，此時設置發送的數據為有效。上位機接收到有效數據，實時解算物標的真方位，計算出該航向自差，當記錄下5個或更多航向的自差值，點擊計算自差系數按鈕即可觸發準確系數自動計算子程序，完成準確自差系數計算后系統提示進入校正環節。

在校正環節，通常校正的是B′λH，C′λH,D′λH自差力，根據前面的原理分析，對這3個產生自差的力的校正順序沒有嚴格要求，為了使校正計算程序簡化，這里按照B′λH,C′λH,D′λH依次進行校正。校正B′λH時，先假設B′λH，帶入式(2)求出此時的羅航向，只需添加或者調整縱向磁棒將當前羅航向調整到求出的航向即可消除B′λH。系統分析當前航向及自差值，采用語音提示的方法提示校正人員添加、調整磁棒。

消除完B′λH后再進行消除C′λH及D′λH，消除C′λH時，此時應假設B′λH=0；C′λH=0，再求出此時對應的羅航向，添加或調整磁棒使得羅航向靠近目標航向，消除D′λH步驟類似。自差消除完成后，可再次進去自差測定程序，檢測自差消除效果。

4 系統誤差分析

磁羅經自差智能校正系統的誤差主要由磁航向傳感器誤差、GPS定位誤差、物標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致輸出信號有偏差[7]。此外，傳感器假設刻度盤下方磁棒的磁場是均勻磁場，而實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，對系統影響不大。

考慮GPS定位的精度通常可以控制在±20 m范圍內[8]，為了保證目標的觀測靈敏度，被測目標通常選擇在1 n mile左右，由此定位誤差所導致的最大偏差約為0.3°。物標舷角觀測誤差主要是認為觀測物標不準確造成，由于物標距離較遠，偏差也可忽略(誤觸發除外)。系統中自差、目標航向等的計算都是采用計算機進行計算，計算精度滿足系統要求。因此，該系統產生的誤差滿足船舶在海上航行的安全要求。

5 結論

通過觀測單一物標的舷角間接計算船舶在任意航向上的自差，有效弱化了傳統愛利法實施過程中對水域的要求，任意5個航向即可測得準確自差系數，船舶在拋錨、停泊或任意航向航行時都可進行自差的校正。系統下位機采用簡單的數據采集裝置，上位機軟件可以通過JAVA語言設計適用于智能手機的解算軟件，使得智能手機也可代替平板電腦，可節省系統成本。采用語音提示，對于非校正人員也適用，是一個值得推廣的磁羅經自差消除系統。

[1] 關政軍.船靠碼頭校正磁羅經自差的實施[J].世界海運,2004,27(5):12-14.

[2] 關政軍,陳 鐸,陳小鳳.磁羅經自差的智能測定和校正系統[J].大連海事大學學報,2002,28(4):22-24.

[3] 關政軍,陳 鐸.磁羅經自差自動測定和補償系統的研制[J].大連海事大學學報,2004,30(4):13-15.

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

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

[6] 中國人民解放軍總后勤部軍事交通運輸部.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,等.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢大學出版社,2008.