船用計程儀的發展與現狀*

趙 濤

(海軍駐錦州地區某軍事代表室 錦州 121000)

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船用計程儀的發展與現狀*

趙 濤

(海軍駐錦州地區某軍事代表室 錦州 121000)

艦船航速測量在船舶導航、國防應用等領域具有重要現實意義。論文主要介紹了船用計程儀的發展歷程、原理分類及未來發展趨勢,重點探討了幾種計程儀的基本原理并進行了性能對比分析,最后對船用計程儀技術發展進行了展望。

船用計程儀; 性能; 發展分析

Class Number TN97

1 引言

速度信息是艦船設計最重要的技術指標之一,其精度和品質對許多系統的性能有直接影響。精確的速度信息可以提高艦船的推算定位精度,提高慣性導航系統的定位和航向精度等。因此,精確測量艦船航速是十分必要的,同時速度信息也是海上交通和航運、海上軍事活動等最為關注的基礎信息之一。計程儀是用于測量艦船航速和累計航程的一種基本儀器[1]。

2 發展歷程

古代用流木法來航海計程。19世紀出現近代計程儀。后來得到廣泛使用的有梅西式和沃克式拖曳計程儀。20世紀30年代出現薩爾式水壓計程儀和契爾尼克夫式轉輪計程儀。上世紀50年代出現電磁計程儀。以上各種計程儀均是測量船舶相對于水的航速和航程,只有根據水的流速和流向加以修正,方能求得船舶相對于水底的航速和航程。上世紀50年代出現的多普勒計程儀和70年代的聲相關計程儀,在一定水深內可以直接測量船舶相對于水底的航速和航程,使計程儀發展到一個新的水平[2]。

3 主要原理和性能分析

計程儀按其測速參考對象的不同,可分為相對計程儀和絕對計程儀兩類。相對計程儀只能測量船舶相對于水的速度并累計其航程,如壓差式、電磁式等計程儀。絕對計程儀可以測量船舶對地的速度并累計其航程,如多普勒計程儀和聲相關計程儀[3]。

3.1 水壓式計程儀

3.1.1 基本原理

水壓式計程儀是利用貝努力方程原理,測量艦船相對于海水的運動速度,由導壓裝置引入前進方向動壓力與靜壓力進入到壓差傳感器,再通過速度解算裝置給出航程。

根據貝努利方程,當理想液體作穩恒流動時,其任一截面Q上的動能、勢能、壓強能的總和是不變的,它始終等于某一常數,即:

通常將海平面當作水平面,海水相對于船舶的流動則可視為水平流動,若同時測得某一深度處的靜壓力和全壓力之差ΔP,便可求得海水相對于艦艇運動的速度:

式中,K為一固定的常數。

3.1.2 性能分析

這種計程儀具有工作性能可靠、傳感器結構簡單、易于保養維護、不存在海生物污染的優點。但同時存在線性差,受海水比重的變化影響較大,在低速測量時精度和靈敏度均較差。

3.2 電磁計程儀

3.2.1 基本原理

電磁計程儀是應用電磁感應原理來測量艦船相對于水的航速并累計其航程。利用法拉第電磁感應定律,在磁場恒定的情況下,通過水流切割裝在船底的電磁傳感器的磁場,將船舶航行相對于水的運動速度轉換為感應電勢,通過數學模型結算得出航速和航程增量信息。即E=V×B×L,式中:V為艦船相對于水的運動速度,B為磁感應強度,L為兩電極間的距離。

3.2.2 性能分析

其優點是測速線性好,測速范圍大,精度較高;缺點是由于船體附近的水層受船體航行的影響,水層自身的不穩定會造成瞬時測速的不穩定。其傳感器主要有桿式傳感器和平面傳感器兩種,其中桿式傳感器由于伸出船體較長,容易勾掛魚網,造成設備損壞;而平面傳感器存在的最大問題是易于附著生長海生物,造成傳感器測量精度嚴重下降。

3.3 多普勒計程儀

3.3.1 基本原理

1842年奧地利科學家Doppler Christion Johann首次發現,任何形式的波傳播,由于波源、接收器、傳播介質或散射體的運動,會使回波頻率發生變化,即產生Doppler頻移,這就是著名的多普勒效應[1]。聲學多普勒測速的想法源于20世紀60年代,美國邁阿密大學海洋實驗室最早開始這方面的研究。此后許多國家也先后開展了此項技術研究,并取得一系列成果[2]。20世紀70年代以后,隨著水聲技術的進步和信號處理技術的發展,使得多普勒測速的性能有了顯著提高,利用多普勒測速原理研制的各種儀器逐漸被廣泛應用[3]。目前船用多普勒計程儀主要分為以下幾種類型:一種是雙波束多普勒計程儀,又稱為一元多普勒計程儀,只能測量船舶前進、后退、縱向速度并累計航程;第二種是四波束多普勒計程儀,它可向船體的前后左右四個方向發射波束,又稱為二維多普勒計程儀,它除了能測量縱向速度外,還能測量橫向速度;第三種類型為六波束多普勒計程儀,它又稱為三維多普勒計程儀,由于它既能測量船舶的縱向速度,又能測量船首部和船尾部的橫向速度,可反映船舶運動全貌,通常作為大型船舶進出港、靠泊碼頭或錨泊之用。

3.3.2 性能分析

多普勒計程儀通過發射和接收聲學信號可以提供船舶相對于海底的絕對航速和航程信息,實現艦艇運動速度的精確測量。在超出其對底工作深度時,可自動跟蹤水層,從而保證測速數據的連續性。相對于傳統計程儀,多普勒計程儀具有測速精度高且穩定、并可同時輸出二維速度信息的優點。同時計程儀的換能器可以在艙內維護,可以克服傳統計程儀在精度、測速穩定性以及可用性、可維護性方面存在的不足。缺陷是工作時要不斷的向外發射聲波,容易受到外界同頻信號干擾。同時常規多普勒計程儀測速精度與海水的溫度、鹽度密切相關,需安裝高精度的溫度傳感器,補償影響聲速測量的溫度誤差。

3.4 聲相關計程儀

3.4.1 基本原理

20世紀70年代,美國GE公司最早將相關測速技術用于測量水中載體相對于流層和水底速度,并于1978年由Dickey等發表了第一篇聲相關測速研究的論文,該論文闡述了聲相關測速技術的基本原理—“波形不變性”,并提出了相關測速聲納的設計思想以及聲納的性能預測。所謂“波形不變性”,即不同時間段的發射信號對于不同位置的水聽器接收的回波有可能遇到相同的干涉效果其回波波形起伏是近似一樣的。聲相關計程儀通過換能器垂直向水底發射一定帶寬的聲波束,利用載體上的多個水聽器接收回波信號,采用實時相關技術進行速度解算,進而獲得載體的航速和航程[4]。

3.4.2 性能分析

聲相關計程儀垂直發、收,在回波強度上高于同頻率的聲多普勒計程儀,所以需要的功率較小。垂直發、收也相對減少了聲波的對外擴散,減少了聲暴露區域范圍。聲相關計程儀不要求窄波束發射,也不要求指向斜下方的波束,因而可用較小的換能器和較低的工作頻率。較寬的發射波束也增加了系統的抗搖擺性。與多普勒計程儀相比,相同工作頻率下,聲相關計程儀的換能器基陣尺寸比多普勒計程儀的基陣小很多,同時多普勒計程儀測速與聲速有關,需要進行實時的聲速修正,相關計程儀水平測速與聲速無關,由于聲相關發射波束垂直向下發射,較多普勒計程儀受載體姿態的影響小。

4 發展動向

1) 法國PA2航母被建議增加排水量和降低航速。法國PA2航母基本情況[5]:

(1)主要技術指標

滿載排水量:75000t

主尺度:283.00m×73.00m×11.50m

動力系統:2臺燃氣輪機,4臺推進電機,4臺柴油交流發電機,2部推進器。

航速:25.00節

續航力:10000海里(15節)

(2)武備

2座“席爾瓦”垂直發射裝置(16枚“紫菀”15導彈)

20或30mm火炮

艦載機聯隊:32架“陣風”戰斗機,3架E-2C“鷹眼”預警機,5架NH 90直升機。

(3)電子設備

探測監視:多功能對空/海雷達,導航雷達,紅外傳感器,光電傳感器。

支援對抗:電子戰系統,干擾彈發射裝置,指控系統。

(4)人員編制:總共1650人。

2) 諾斯羅普·格魯曼公司為新船提供導航系統。諾斯羅普·格魯曼公司為6艘新的高速船提供電子導航系統[6]。

諾斯羅普·格魯曼公司斯佩里船舶公司已為新船提供導航系統設備并進行安裝,包括導航與通信標準件。這些船包括4艘高速穿浪雙體渡船和兩艘澳大利亞皇家海軍的“阿密德爾”級巡邏艇。

其中兩艘渡船為阿曼建造,長65m,航速50節,將用于旅游觀光,它們正在安裝斯佩里船舶公司的雷達、自動駕駛儀、回轉羅經、速度計程儀、測深儀、差分全球定位系統(DGPS)和航行數據記錄器(VDR)。

另外兩艘渡船為土耳其伊多(IDO)建造,長88m,航速36節,可運載1200名乘客和225輛轎車,它們將安裝雷達、自動駕駛儀、光纖陀螺羅經、速度計程儀、測深儀、DGPS、航行數據記錄器(VDR)和電子海圖顯示與信息系統。

2艘巡邏艇長57m,是澳大利亞皇家海軍的第13和14艘“阿密德爾”級巡邏艇,安裝斯佩里船舶公司的雷達、自動駕駛儀、DGPS以及航向與航速傳感器。

3) 美海軍接收兩艘新型測量艇。美國海軍艦隊測量小組(FST)接收了兩艘9m長的“保衛者”級測量艇[7]。

FST指揮官稱,在未來若干年內,這兩艘艇將為艦隊提供關鍵的水文信息。“保衛者”可以對艇艙環境進行控制,使測量設備和測量員在高溫時可保持涼爽,在潮濕時可以保持干燥,因而可以在多種海況和氣候條件下進行持續測量。此外,“保衛者”還具備多種功能和測量能力,支持多束和單束聲波探測工作,還通過艇上的電絞盤及金字塔型系統安裝測聲吶。

FST的任務是進行各種遠征水文測量,及時響應海軍海上系統司令部的命令,并提供各種快速反應。包括海軍軍事行動的地點及對不確定的海上地圖進行測量。

4) 諾斯羅普·格魯曼公司推出新型慣性導航系統。諾斯羅普·格魯曼公司推出Mk39 mod 4A型船用環狀激光慣性導航系統。該系統基于環狀激光陀螺儀技術,能夠獨立提供導航所需數據。這種系統能夠通過艦艇網絡上的計算機相連接,以對導航器、全球定位系統和速度計程儀進行檢查。此外,Mk39 mod 4A型系統可支持慣性測量單元(IMU),并能夠實現后勤供應流水線[8]。

諾斯羅普·格魯曼公司透露,該系統體積更小,重量更輕,成本也更低,將成為海軍艦隊更好的選擇。

5) 詹姆斯·默多克:LCS新設計方案將解決腐蝕問題并實現更高航速。2011年10月20日,默多克在記者招待會表示,LCS項目目前面臨一系列關于是否有必要繼續發展的問題。他認為,該型艦的模塊化特征有助于海軍快速增設目前正在研討中的任務包類型,如海軍陸戰隊型、特別作戰型或其他類型[9]。

LCS 1與LCS 3(“沃斯堡”號)相比,最重要變化是LCS 3水下部分船體的修改設計方案增加燃油容量。LCS 3目前處于船廠海試階段,海軍與馬里內特海事公司將合作研究加強該艦水下部分船體強度,該艦將比LCS 1增加10%以上的燃油容量。

此外,LCS 3可在外海實現更高的航速,該艦的錨鏈艙將從主甲板以下移置至主甲板上。默多克表示,艦上的每種裝置都對整艦性能存在正負兩方面作用。但錨鏈回收至主甲板是一種更為傳統的設計。該種設計更易使艦員適應,并可降低錨鏈在艦艇高速航行狀態下損壞的可能性。

LCS 4(“科羅拉多”號)于2011年11月下水,已于2012年11月前交付。由于裝備更大型噴水推進器,LCS 4可比LCS 2航速增加2～3節。新的噴水推進器外部直徑增加約10cm,可有效增加艦艇航速。

6) 美造船企業開發出最高航速達50節的“超空泡”艦船。防務技術雜志2014年8月24日報道:近日美國朱麗葉海洋系統公司開發了一種獨特的高速船舶“幽靈”號,該船采用了類似俄羅斯超空泡魚雷的技術,其最高航行速度可達50節。“幽靈”號除了執行快速巡邏、特種作戰、保護僑民等任務外還能執行像近海戰斗艦(LCS)一樣的任務,相比于LCS其速度更快、操作方便、自動化水平更高。目前美國海軍瀕海戰斗艦方案正在重新評估并調整,朱麗葉海洋公司正向海軍推薦“幽靈”號[10]。

“幽靈”號的發動機主要由兩個裝載在浮筒中的T53-L-703渦軸發動機,其驅動位于船體前部吊艙中的旋轉螺旋槳,該螺旋槳隨后產生“超空泡”效應,整艘船隨后由“泡沫”而不是密集的海水攜帶高速航行,相比傳統的艦船其船體摩至少能減少900倍。

超空泡效應使該船即使在高速行狀態下仍能穿過3m高的海浪,該船還采用了計算機控制航行過程中的穩定狀態。在測試中“幽靈”號已經達到了每小時30節的速度,預計其最大能達到50節,這種航速可以追蹤上目前任何一種小型武裝船。此外該船上的全電腦控制使其成為一個真正的隱秘幽靈船,船上的操作任務不需要任何船員執行。

5 結語

隨著數字信號處理技術、芯片技術、材料技術及計算機技術等各項技術的不斷發展,計程儀的發展方向正在向低功耗、小型化、全自動、智能化的方向發展。隨著技術成熟度的提高和新型工藝的應用,多普勒計程儀和聲相關計程儀的制造成本也將逐步降低,屆時會獲得更加廣泛的應用。

[1] 田坦,劉國枝,孫大軍.聲納技術[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2000:63-170.

[2] 朱昊,劉文耀.基于DSP和CPLD的數字ADCP信號處理系統[J].海洋技術,2004,23(4):96-102.

[3] 馬淳燕.寬帶相控多普勒測速技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009:6-17.

[4] 王力寶,戰永紅,程翥,等.聲相關計程儀測速技術[J].艦船電子對抗,2008,31(5):98-101.

[5] 法國PA 2航母被建議增加排水量和降低航速[N].每日防務快訊,2006-08-17.

[6] 諾斯羅普·格魯曼公司為新船提供導航系統[N].每日防務快訊,2006-12-15.

[7] 美海軍接收兩艘新型測量艇[N].每日防務快訊,2008-03-12.

[8] 諾斯羅普·格魯曼公司推出新型慣性導航系統[N].每日防務快訊,2011-09-21.

[9] 詹姆斯·默多克:LCS新設計方案將解決腐蝕問題并實現更高航速[N].每日防務快訊,2011-11-03.

[10] 美造船企業開發出最高航速達50節的“超空泡”艦船[N].每日防務快訊,2014-09-10.

Development and Current Situation of Log Ship

ZHAO Tao

(Navy Faorce Representative Office in Jinzhou, Jinzhou 121000)

Ship speed measurement has important practical significance in ship navigation, defense applications. This paper mainly introduces the development history of the ship, log classification principle and the future trend of development, focuses on the basic principles of several kinds of log and a performance comparison analysis. The last, the development of marine log technology is prospected.

for ship log, performance, development analysis

2014年10月5日,

2014年11月25日

趙濤,男,碩士研究生,工程師,研究方向:導航制導與控制技術。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.005