1、,為什么要研究磁羅經(jīng)？,引言,當今，電子技術(shù)高度發(fā)展、助航儀器與導航設(shè)備的自動化程度在不斷提高、陀螺定向也得到廣泛應用、電羅經(jīng)普遍使用，磁羅經(jīng)的地位也是不可低估的。船舶在海上航行，必須確定其航向。目前船舶上均使用羅經(jīng)這種指向儀器，以引導船舶航行。SOLA S公約規(guī)定:150總噸以上的船舶應裝配磁羅經(jīng)。船舶規(guī)范，PSC的檢查都免不了磁羅經(jīng)這一項。由此可見，如何充分認識磁羅經(jīng)在使用中存在的主要問題以及解決這些問題從而充分發(fā)揮其在船舶上的作用仍然是值得探討的一個問題。,磁羅經(jīng)的發(fā)現(xiàn),指南針是我國四大發(fā)明之一。據(jù)中外學者考證，不但指南針系我國最早發(fā)明，而且先于他國在航海上使用。,到十六世紀，制造出裝于

2、箱體內(nèi)的液體磁羅經(jīng)，這就更加便于操縱和觀測，并能保持羅經(jīng)的水平正值狀態(tài)，防止了搖擺，克服了古指南針的弊病，保證了磁羅經(jīng)的精度，成為航海的必備儀器。,磁羅經(jīng)在傳統(tǒng)航海指向儀器中的地位如何？,傳統(tǒng)航海指向儀器的比較與發(fā)現(xiàn),目前，船舶仍然使用傳統(tǒng)的指向儀器磁羅經(jīng)作為船舶的指向儀器，或使用磁羅經(jīng)和陀螺羅經(jīng)共同作為船舶的指向儀器。,磁羅經(jīng)結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、經(jīng)濟耐用、特別是其不需要外界條件僅借助于地磁場作用力就可獨立工作。 陀螺羅經(jīng)不但為船舶航行提供精確的向位，還可以比較方便地將所指示的航向轉(zhuǎn)換為信號，非常方便地傳輸?shù)酱吧闲枰蛭坏奈恢?，并為ARPA、電子海圖、自動舵等提供向位，可以說是船舶自動航行所

3、必須的指向儀器。,陀螺羅經(jīng),磁羅經(jīng)與陀螺羅經(jīng)的比對 由于陀螺羅經(jīng)結(jié)構(gòu)復雜，是由眾多的機械器件和電器器件組成的。陀螺羅經(jīng)一般需要連續(xù)工作幾十天、幾個月甚至幾年，因此航行中就比較容易發(fā)生故障。有時即使是發(fā)生一個很小的故障，就可能使整臺羅經(jīng)錯誤指向或不能指向。 相比之下，當船舶發(fā)生緊急情況時，在一些特定條件下，現(xiàn)代先進的儀器無法使用，而原始的、不需要動力電源的導航儀器一一磁羅經(jīng)往往能發(fā)揮出巨大作用。 因此，可以說磁羅經(jīng)在 航海事業(yè) 上的地位依然舉足輕重。,CLP-2B型操舵陀螺羅經(jīng),為什么要發(fā)展磁羅經(jīng)？,磁羅經(jīng)在現(xiàn)代航海事業(yè)上的局限：,1、自差影響指向精度 2、磁差影響船舶操縱 3、磁羅經(jīng)管理、使用

4、不當易引發(fā)的問題,1、自差影響指向精度,磁羅經(jīng)是利用地磁場對磁針具有吸引力的現(xiàn)象而制成的一種航海指向儀器。當其在鋼鐵結(jié)構(gòu)的船舶上使用時，由于船磁的影響而產(chǎn)生自差。因為自差是隨著船舶所在磁緯度、航向傾斜情況的變化而變化的，因此造成磁羅經(jīng)使用極大不便。,2、磁差影響船舶操縱,1、 磁羅經(jīng)是以地球磁北作為航向基準，由于磁北與真北地理位置不一致而造成磁差。 2、將磁航向轉(zhuǎn)換為真航向需要利用換算公式進行計算。 3、另外，由于磁差是隨著磁緯度的不同而不同，計算需要海圖數(shù)據(jù)，并且還要注意磁差的性質(zhì)。,3、磁羅經(jīng)管理使用不當易引發(fā)的問題,一些港作船舶在距岸很近的水域航行，經(jīng)常利用羅經(jīng)觀測陸標、燈標方位來進行定

5、位、導航，如果磁羅經(jīng)指向不準確、誤差太大將影響定位精度，甚至發(fā)生錯誤導航，給船舶安全帶來威脅。,事故：,2006年3月20日2130時，隸屬于浙江溫嶺市長安海運有限公司的“長安119”輪在進營口老港航行至12#燈浮時，利用羅經(jīng)觀測燈標方位導航，因羅經(jīng)沒有按歸定校正自差，羅經(jīng)指向誤差太大，引航員對情況估計不足，造成錯誤導航，船舶擱淺在營口港區(qū)12-13#燈浮之間的淺灘上。,4、各航海領(lǐng)域磁羅經(jīng)的使用現(xiàn)狀,隨著GPS,AIS_電子海圖、多功能雷達等儀器被船舶廣泛使用以來，航海技術(shù)不斷在提高，航海事業(yè)得到迅速發(fā)展。在電子航海儀器越來越被廣泛應用，航海技術(shù)向數(shù)字化發(fā)展的同時，傳統(tǒng)磁羅經(jīng)不被重視，管理疏

6、忽，存在安全隱患。,怎樣發(fā)展磁羅經(jīng)？,對磁羅經(jīng)技術(shù)在航海領(lǐng)域應用開發(fā)方面的展望,1、傳統(tǒng)航海指向儀器的未來 2、電子磁羅經(jīng) 3、GPS羅經(jīng)的崛起,1、傳統(tǒng)航海指向儀器的未來,1、采用數(shù)字技術(shù)處理磁羅經(jīng)航向信號 2、 提高陀螺儀的可靠性 3、采用數(shù)字化技術(shù)處理和傳輸航向 4、增加羅經(jīng)的自動監(jiān)測功能,1、采用數(shù)字技術(shù)處理磁羅經(jīng)航向信號,過去：以前的磁羅經(jīng)復示器多采用電磁感應式或光電二極管式轉(zhuǎn)換航向信號，晶體管放大信號，精確度和可靠性都比較差。 現(xiàn)在：采用數(shù)碼檢測技術(shù)和CPU處理航向信號，提高了磁羅經(jīng)航向傳輸?shù)木?，還可以將磁差和自差消除，使磁羅經(jīng)也能和陀螺羅經(jīng)一樣，提供精確的向位并控制船舶自動航行

7、。,2、 提高陀螺儀的可靠性,現(xiàn)在：船用陀螺羅經(jīng)使用的陀螺儀(陀螺電機)，全部使用電動陀螺儀，工作時轉(zhuǎn)子必須高速旋轉(zhuǎn)，電流大、機械磨損大、誤差大、故障率高，壽命短。 未來：可用體積小、精度高、壽命長的激光陀螺儀或性能更好的陀螺儀代替現(xiàn)在使用的電動陀螺儀，以提高陀螺羅經(jīng)指向的可靠性和使用壽命。,3、采用數(shù)字化技術(shù)處理和傳輸航向,現(xiàn)在：陀螺羅經(jīng)測量精度不太高、故障率高，信號傳輸過程中不容易對信號進行再處理，影響了傳輸?shù)狡渌麅x器的航向精度及可靠性。 未來：若采用數(shù)字技術(shù)和CPU電路，將大幅度提高航向傳輸?shù)木群涂煽啃浴?4、增加羅經(jīng)的自動監(jiān)測功能,未來： 設(shè)置陀螺儀(球)主軸指向、主羅經(jīng)指向、各復示

8、器指向、電路故障、主要元器件故障和指向誤差等的自動監(jiān)測功能，能夠自動檢測故障原因、位置，并及時顯示和發(fā)出報警，告知使用人員，以便采取及時正確的應對措施。,2、電子磁羅經(jīng),電子磁羅經(jīng)的核心部分是磁性傳感器。 不同工作原理的磁傳感器構(gòu)成了不同類型的羅經(jīng).目前在航海上應用的磁性傳感器的種類很多，主要有基于霍爾效應原理的、磁通門效應原理的、磁阻效應原理的和巨磁電阻效應原理的傳感器.它們可以檢測磁場的大小、方向，確定載體的角度、位置和位移等參量。,2. 1霍爾羅經(jīng)(Hall compass) 2. 2磁通門羅經(jīng)(Flux gate compass) 2. 3磁阻(M R)羅經(jīng) 2. 4巨磁電阻傳感器,霍

9、爾羅經(jīng)(Hall compass),工作原理： 霍爾羅經(jīng)是基于霍爾效應原理工作的，在半導體薄片上若沿X軸方向通入電流，沿Y軸方向加上磁感應強度，則電流與磁感應強度相垂直.薄片中的正電荷在洛侖茲力作用下向垂直于XY平面方向聚集，結(jié)果在薄片的上下表面形成正負電荷的積累，形成電勢差，即霍爾電壓。,霍爾器件工作原理示意圖,霍爾器件優(yōu)點：,1、 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓; 2、 原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，隔離電壓可達9600Vrms； 3、精度高; 4、線性度好：優(yōu)于0.1%； 5、寬帶寬; 6、測量范圍：霍爾傳感器為系列產(chǎn)品，電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。,

10、用途：,率先在潛艇部隊得到廣泛應用,2. 2 磁通門羅經(jīng),工作原理： 磁通門傳感器是利用被測磁場中高導磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場。,磁通門傳感器工作原理圖,磁通門傳感器特點,優(yōu)點： 1、與其他類型測磁儀器相比，磁通門傳感器具有分辨力高； 2、測量弱磁場范圍寬； 3、可靠、能夠直接測量磁場的分量和適于在速運動系統(tǒng)中使用。 缺陷： 尺寸較大、響應時間長。,磁通門傳感器用途：,目前在海洋流向、風向、海洋浮標、海洋機器人 水下運動姿態(tài)、鉆井及航海等方面的磁場測量中 得到廣泛應用,2. 3 磁阻羅經(jīng),工作原理： 磁阻羅經(jīng)，它是基于鐵磁材料具有磁阻效應的原

11、理工作.所謂磁阻效應(M agnetoresistanc effect是指導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體內(nèi)部的磁化方向時，磁體電阻幾乎不隨外磁場變化， 而當磁場偏離內(nèi)部磁化方向時，則電阻減小.隨著外磁場的增大，電阻急劇變化，當外磁場達到一定場強時，電阻將趨向于飽和而基本不變。,磁阻傳感器工作原理圖,磁阻傳感器有如下特點:,1)磁阻傳感器被集成芯片，尺寸小，可方便地裝入插板產(chǎn)品中. 2)靈敏度高.由于內(nèi)阻小，使其對電磁噪聲和干擾不敏感. 3)無轉(zhuǎn)動等機械部件，無需日常保養(yǎng)，具有高度可靠性. 4)成本低，價格便宜.,磁阻傳感器用途,它們可應用在交通車輛、導航系統(tǒng)、實驗儀器、

12、醫(yī)療儀器、鉆井設(shè)備、農(nóng)業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。,2.4 巨磁電阻羅經(jīng),工作原理： 所謂巨磁電阻效應是一種磁致電阻效應，主要是指在納米尺度的磁性多層薄膜材料中，當磁場作用于磁性多層膜中自旋導電電子時，導致膜電阻發(fā)生很大的變化.,巨磁傳感器工作原理圖,巨磁傳感器特點：,1、體積小； 2、靈敏度高； 3、線性范圍寬 4、可靠性高 5、成本低 6、熱穩(wěn)定性好,用途,目前完全可取代傳統(tǒng)的霍爾及磁阻元件，廣泛應用在信息、電機、電子電力、能源管理、汽車、磁信息讀寫及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域。,電子羅經(jīng)在航海上應用展望,隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字磁羅經(jīng)作為導航儀器或姿態(tài)傳感器，在航空、航天、機器人、航海、車輛自主導航等多個領(lǐng)域

13、都有廣闊的應用前景。 在船舶導航方面，在實際使用中傳統(tǒng)磁羅經(jīng)的指向精度低，讀數(shù)較為困難且其所測得的航向信號不能直接輸入其它儀器，已經(jīng)不能適應現(xiàn)代船舶綜合導航系統(tǒng)需要。而如果在船舶上使用數(shù)字磁羅經(jīng)取代傳統(tǒng)磁羅經(jīng)，完全可以克服傳統(tǒng)磁羅經(jīng)的這些缺點。 由于現(xiàn)在數(shù)字磁羅經(jīng)技術(shù)具有明顯的軍事應用潛能，在很多國家高精度的數(shù)字羅經(jīng)多為軍用，還沒有完全轉(zhuǎn)為民用，而且數(shù)字磁羅經(jīng)自身還存在一定的局限性需要改進，例如響應時間太長，受外部干擾磁場影響較大等因素，因此數(shù)字磁羅經(jīng)技術(shù)還需要一定的時間和進一步的完善，才能獲得更為廣泛的應用。,3、GPS羅經(jīng),工作原理： GPS羅經(jīng)一般由GPS接收機、數(shù)據(jù)處理器(或微處理器)

14、和顯示器三個部分組成。 GPS接收機用于接收來自GPS衛(wèi)星的導航數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)處理器則是根據(jù)GPS羅經(jīng)導航算法模型和動態(tài)實時解算整周模糊度算法，解算出基線向量在大地坐標系中的解，繼而得到運動載體的方位角、俯仰角和橫滾角等技術(shù)參數(shù)。采用慣性陀螺的三維偏向參數(shù)，結(jié)合衛(wèi)星定位精確指北數(shù)據(jù)進行循環(huán)修正，達到穩(wěn)定指北的目的。 顯示器則是顯示處理器得出的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。,GPS羅經(jīng)工作原理圖,GPS羅經(jīng)特點,優(yōu)點：GPS羅經(jīng)能夠快速準確地指出航向且不受磁場強度和漂移誤差的影響，體積小、精度高、定位速度快、易安裝、免維護、價格低廉。 缺陷：如天線必須對天空可視，保持衛(wèi)星信號無遮擋;通常需要通過初始化求解整周模糊度;姿態(tài)測量操作時，要求接收機對衛(wèi)星信號連續(xù)進行跟蹤，如果衛(wèi)星失鎖太多、太久，則需要重新初始化整周模糊度，影響系統(tǒng)的實際使用。,GPS羅經(jīng)用途,GPS羅經(jīng)，通常也稱作衛(wèi)星羅經(jīng)，是一種能夠滿足現(xiàn)代導航定位需要的新型航向指示設(shè)備。它可與雷達、自動舵、電子海圖、船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)、船載航行數(shù)據(jù)記