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航海儀器介紹

 文炳春秋 2020-03-03

航海儀器用于確定船位和保證船舶安全航行的儀器的統(tǒng)稱,主要是航行定位儀器。航行定位儀器可大致分為用于天文定位(見)和無線電定位(見)等四類。有些儀器可供幾種定位方法采用。

航跡推算儀器

供航跡推算用儀器。主要有羅經(jīng),計(jì)程儀,自動(dòng)操舵儀,跡記錄器等。

1、羅經(jīng):確定航向和觀測(cè)物標(biāo)方位的儀器。一般海船都裝有陀螺羅經(jīng)和磁羅經(jīng)兩種,前者精確方便,后者簡(jiǎn)單可靠,互相取長(zhǎng)補(bǔ)短。羅經(jīng)和同為最重要的航海工具,在海圖上畫出航線后,船舶就依靠羅經(jīng)指示航向,沿航線駛向目的地。

磁羅經(jīng)是利用磁針指北的特性而制成。指南針即是原始型式的磁羅經(jīng),是中國(guó)古代四大發(fā)明之一。用于航海的指南針又稱羅盤。鐵船出現(xiàn)后,磁經(jīng)產(chǎn)生了自差。19世紀(jì)以后,先后提出消除自差的方法,至20世紀(jì)初,性能穩(wěn)定、軸針摩擦更小的液體羅經(jīng)制成,曾用于大部分船舶。磁羅經(jīng)有磁差,是由于地磁極與地極不一致而產(chǎn)生。存在于磁北和真北之間的夾角,即磁偏角。海圖上標(biāo)注有本地磁差和年變化率,使用磁羅經(jīng)時(shí)可據(jù)以修正讀數(shù)。磁羅經(jīng)結(jié)構(gòu)主要由羅經(jīng)柜和羅經(jīng)盆組成,帶有磁針的羅經(jīng)卡安裝在盆內(nèi)。

電羅經(jīng)羅經(jīng)又稱陀螺羅經(jīng),是利用陀螺儀的定軸性和進(jìn)動(dòng)性,結(jié)合地球自轉(zhuǎn)矢量和重力矢量,用控制設(shè)備和阻尼設(shè)備制成以提供真北基準(zhǔn)的儀器。陀螺羅經(jīng)是由主羅經(jīng)與分羅經(jīng)、電源變換器、控制箱和操縱箱等附屬設(shè)備構(gòu)成。

2、計(jì)程儀:測(cè)量航速、累計(jì)航程的儀器。它和羅經(jīng)同為航跡推算的基本儀器,在海圖上作業(yè)就是根據(jù)計(jì)程儀讀數(shù)在航線上量取航行距離。

原理和性能 近代計(jì)程儀主要由測(cè)速部分和指示部分組成。測(cè)速部分用以檢測(cè)和放大船舶航速信號(hào)或航程信號(hào);指示部分用機(jī)械或電氣形式顯示船舶航速或航程,再通過積分或微分方法顯示航程或速度。不同類型的計(jì)程儀的工作原理和性能如下所述。

①拖曳計(jì)程儀。利用相對(duì)于船舶航行的水流,使船尾拖帶的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),通過計(jì)程儀繩、聯(lián)接錘、平衡輪,在指示器上顯示船舶累計(jì)航程。這種計(jì)程儀線性差,高速誤差大,受風(fēng)流影響大,操作不便,但性能可靠,有的船舶作為備用計(jì)程儀。

②轉(zhuǎn)輪計(jì)程儀。利用相對(duì)于船舶航行的水流,推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生電脈沖或機(jī)械斷續(xù)信號(hào),經(jīng)電子線路處理后,由指示器給出航速和航程。這種計(jì)程儀線性好,低速靈敏度較高,但機(jī)械部分容易磨損。除小船應(yīng)用外,已逐漸被淘汰。

③水壓計(jì)程儀。利用相對(duì)于船舶航行水流的動(dòng)壓力,作用于壓力傳導(dǎo)室的隔膜上,轉(zhuǎn)換為機(jī)械力,借助于補(bǔ)償測(cè)量裝置,將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為速度量,再通過速度解算裝置給出航程。這種計(jì)程儀工作性能較可靠,但線性差,低速誤差大,不能測(cè)后退速度,機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使用不便,漸被淘汰。

④電磁計(jì)程儀。通過水流(導(dǎo)體)切割裝在船底的電磁傳感器的磁場(chǎng),將船舶航行相對(duì)于水的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電勢(shì),再轉(zhuǎn)換為航速和航程。其優(yōu)點(diǎn)是線性好,靈敏度較高,可測(cè)后退速度,目前使用最廣。

⑤多普勒計(jì)程儀。利用發(fā)射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測(cè)量船舶相對(duì)于水底的航速和累計(jì)航程。這種計(jì)程儀準(zhǔn)確性好,靈敏度高,可測(cè)縱向和橫向速度,但價(jià)格昂貴。主要用于巨型船舶在狹水道航行、進(jìn)出港、靠離碼頭時(shí)提供船舶縱向和橫向運(yùn)動(dòng)的精確數(shù)據(jù)。多普勒計(jì)程儀受作用深度限制,超過數(shù)百米時(shí),只能利用水層中的水團(tuán)質(zhì)點(diǎn)作反射層,變成對(duì)水計(jì)程儀。

⑥聲相關(guān)計(jì)程儀。應(yīng)用聲相關(guān)原理測(cè)量來自水底同一散射源的回聲信息到達(dá)兩接收器的時(shí)移,以解算得相對(duì)于水底的航速和航程。這種計(jì)程儀可測(cè)后退速度,兼用于測(cè)深。水深超過數(shù)百米時(shí)也變成相對(duì)于水的計(jì)程儀,尚在改進(jìn)中。

3、自動(dòng)操舵儀:能自動(dòng)控制舵機(jī)(見)以保持航向的設(shè)備,又稱自動(dòng)操舵裝置。目前使用較多的是機(jī)電式自動(dòng)操舵儀,可根據(jù)海況和船舶裝載情況由人工調(diào)節(jié)偏舵角、反舵角和壓舵角。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的自適應(yīng)自動(dòng)操舵儀,能根據(jù)客觀情況自動(dòng)調(diào)整上述各種舵角,使航向更穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)效益更好。

4、航跡記錄器:能自動(dòng)在海圖上進(jìn)行航跡推算作業(yè)的儀器,簡(jiǎn)稱航跡儀。它根據(jù)輸入的羅經(jīng)和計(jì)程儀(或主機(jī)轉(zhuǎn)速)的信息進(jìn)行工作。此外,還有海圖作業(yè)用具如海圖分規(guī)、航海平行尺,航海三角尺等;計(jì)算工具如計(jì)算尺、等。

陸標(biāo)定位儀器

供沿岸航行船舶進(jìn)行陸標(biāo)定位的儀器。有測(cè)方位的、測(cè)距離的、測(cè)夾角的和測(cè)水深的四類。

1、測(cè)方位儀器:主要有方位圈,是套在羅經(jīng)或羅經(jīng)復(fù)示器上,觀測(cè)地物或天體方位的儀器。主要部分是由照門和照準(zhǔn)架組成的照準(zhǔn)儀。方位圈上有 0~360 刻度供測(cè)舷角用。在方位圈上裝上望遠(yuǎn)鏡可便于精測(cè)。有的船上裝有啞羅經(jīng),用以觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)羅經(jīng)視線受阻擋的物標(biāo)方位。啞羅經(jīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒有指北部件,要先對(duì)準(zhǔn)航向再觀測(cè)方位。

2、測(cè)距離儀器:船用測(cè)量物標(biāo)距離的光學(xué)儀器,有基線式和仰角式兩類。前者是根據(jù)測(cè)距儀的基線長(zhǎng)度求物標(biāo)距離;后者是根據(jù)物標(biāo)高度求物標(biāo)距離。用或用帶有密位標(biāo)尺刻度的望遠(yuǎn)鏡也可根據(jù)物標(biāo)高度測(cè)仰角,從而求物標(biāo)距離。雷達(dá)(見)是既可測(cè)方位,又可測(cè)距離的儀器。它能在能見度不良的情況下和夜間進(jìn)行觀測(cè),是定位精度較高的一種儀器。雷達(dá)測(cè)距離的精度比測(cè)方位的高。

3、測(cè)夾角儀器:主要有六分儀。用六分儀測(cè)得3個(gè)物標(biāo)的兩水平夾角,再用由一個(gè)圓形刻度盤和三條直尺構(gòu)成的三桿定位儀(又稱三桿分度儀),按所得水平夾角的數(shù)值在海圖上定位。有一種三桿定位儀帶有一組反射鏡,可代替六分儀直接觀測(cè)水平夾角后在海圖上定位。

4、測(cè)水深儀器:通常船用有手砣和回聲測(cè)深儀。在等深線形狀合適的水域可用以測(cè)深辨位。正在發(fā)展的利用洋底地形定位的技術(shù),就是將測(cè)深設(shè)備連續(xù)測(cè)得的水深數(shù)據(jù)通過電子計(jì)算機(jī)處理,然后與已知洋底地貌進(jìn)行比較定位。

天文定位儀器

主要是在看不到陸標(biāo)的情況下,觀測(cè)天體定位用的儀器,包括六分儀,、星球儀、索星卡、眼高差測(cè)定器以及天文計(jì)算器等。六分儀、天文鐘是傳統(tǒng)的定位儀器,雖然現(xiàn)在有了無線電定位設(shè)備,但由于它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和隱蔽性好,仍是主要航海儀器之一。

1、六分儀:主要是用以觀測(cè)天體高度定船位的手持光學(xué)儀器。普通六分儀利用水天線作為觀測(cè)基準(zhǔn)。也有利用氣泡水準(zhǔn)提供人工地平的氣泡六分儀和用簡(jiǎn)易陀螺儀提供人工地平的陀螺六分儀,它們?cè)谒炀€不清時(shí)也能觀測(cè)天體高度,但其精度尚不能滿足航行中定位精度的要求。此外,還有利用光的增強(qiáng)裝置將夜間灰暗的水天線增亮的微光夜視六分儀,能接收天體輻射的無線電波和用人工平臺(tái)自動(dòng)觀測(cè)天體高度的射電六分儀,它們都有待改進(jìn)和完善。

2、天文鐘:是指示世界時(shí)的精確時(shí)計(jì)。觀測(cè)天體高度時(shí)需記下準(zhǔn)確時(shí)刻,以便在航海天文歷中入表,查找天體坐標(biāo)。

3、星球儀:用以辨認(rèn)星體或選擇適于觀測(cè)的星體的天球模型。星球儀上畫有常用恒星,也可臨時(shí)標(biāo)上日、月、行星。

4、索星卡:按不同緯度將星空投影在平面上的一組圖卡,用途同星球儀。

5、眼高差測(cè)定器:是測(cè)量真地平與視地平(即水天線)之間夾角的儀器。以水天線為基準(zhǔn)觀測(cè)天體高度須修正眼高差,其數(shù)值除可由航海表查得外,還可用眼高差測(cè)定器實(shí)測(cè)。在實(shí)際氣溫、水溫與航海表采用的標(biāo)準(zhǔn)值有較大差別時(shí),用眼高差測(cè)定器求取眼高差更準(zhǔn)確。

6、天文計(jì)算器:能簡(jiǎn)化天文定位中人工計(jì)算作業(yè)的電子計(jì)算器。它能迅速解算天文三角形。有的內(nèi)存有常用天體視坐標(biāo)數(shù)據(jù);有的還內(nèi)裝準(zhǔn)確時(shí)計(jì),如與六分儀相聯(lián)自動(dòng)記時(shí),可在很大程度上減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。 

線電定位儀器

供船舶利用無線電技術(shù)定位的儀器。目前通用的有測(cè)向儀、康索爾等方位系統(tǒng)和羅蘭、臺(tái)卡、奧米加、子午儀導(dǎo)航等雙曲線系統(tǒng)。它們各有優(yōu)缺點(diǎn),可以配合使用以取長(zhǎng)補(bǔ)短,但不能相互替代。理想的定位系統(tǒng)還有待研制,它要求全球性、全天候、自備式、被動(dòng)式、完全可靠和高精度。奧米加和子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)曾被稱為20世紀(jì)60年代以來航海技術(shù)的兩大成就,但它們都只具備部分上述條件。80年代后期將正式投入使用的美國(guó)新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),稱為GPS全球定位系統(tǒng)。它可以連續(xù)定位,精度比子午導(dǎo)航儀系統(tǒng)更高,是向著理想定位系統(tǒng)跨進(jìn)一步的新的技術(shù)成就。

此外,航海儀器還包括氣象、水文觀測(cè)儀,如氣壓表、干濕溫度計(jì)、風(fēng)速計(jì)等。

由于航海儀器對(duì)保證航行安全有重要意義,國(guó)際海上人命安全公約和通過的有關(guān)決議對(duì)航海儀器的安裝和性能標(biāo)準(zhǔn)分別作出了規(guī)定。

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