基于数字磁力检测仪的磁罗经自差校正方法

9基于数字磁力检测仪的磁罗经自差校正方法季本山（南通航运职业技术学院，江苏南通226010）摘要：为了能使船舶在锚泊或停靠码头的状态下就能实现磁罗经自差校正的目的，通过安装在罗盆底部的一种数字磁力检测仪测量并存储船舶正常航行时三个航向磁罗经自差力的大小与方向，在校正自差时利用存储的数据可计算出半圆自差系数和象限自差系数，完成磁罗经自差的校正工作。从理论上论述了依靠数字磁力检测仪校正磁罗经自差的原理，阐述了数字磁力检测仪组成以及船舶在锚泊或停靠码头时利用数字磁力检测仪校正自差的方法。经过实践验证了校正方法的正确性，用计算机及传感器技术为磁罗经自差校正提供一种高效便捷方法，节省时间和费用。关键词：水路运输；磁罗经数字磁力检测仪校正自差中图分类号：xxxxxx文献标识码：xRectifyingaMagneticCompassAutodynebyaDigitalMagneticDetectorJiben-san(NantongVocational&TechnicalShippingCollege,NantongJiangsu226010)Abstract:Inordertorectifyamagneticcompassautodyneduringashipanchorageoralongside,adigitalmagneticdetectorshouldbeinstalledpreviouslyinthebottomofthecompassbasintomeasureandstorethequantityanddirectionofmagneticdeviationautodyneforcesofvessel’sthreenavigatingcourses.Whenrectifyingamagneticcompassautodyne,wecancalculatethecoefficientsofsemi-circularautodyneandthequadrantbymeansofthestoreddata.Thisarticleanalyzestherectifyingprincipleofamagneticcompassautodynebyadigitalmagneticdetector,andintroducestherectifyingmethodduringashipanchorageoralongside.Itisanefficientandconvenientwaytorectifyingamagneticcompassautodynewhichhasbeenprovedbytheexperiment.Keywords:Magneticcompass;Digital;magneticdetector;Rectifyingautodyne引言由于船磁导致磁罗经指北发生偏差，即产生了磁罗经自差，使磁罗经不能直接用于船舶导向。为了确保磁罗经能准确地指向磁北，磁罗经就必须及时校正，使其误差控制在允许的范围之内。磁罗经自差校正的原理就是以性质相同、大小相等、方向相反的附加磁力来抵消船磁力的影响，即用校正器上的硬磁铁和软铁把船磁力对罗经的影响抵消或降低到允许的范围。实质上就是要在罗盘的磁针周围形成一个只与地磁水平指北同向力的作用环境，从而使罗盘能够正常指向磁北。现有的磁罗经校正方法基本上可归类为两种：一种是爱利法，另一种是测力法。由于测力法校正自差的操作比较复杂，故目前世界各国磁罗经校正师仍使用爱利法。但是不论是爱利法，还是测力法，船舶都必须要在指定的宽阔水域内在规定的航向上机动航行，才能完成磁罗经自差校正工作。随着海上交通的繁忙，船舶吨位的不断增大，探索一种高效便捷的方法，使船舶在锚泊或停靠码头状态就能完成磁罗经自差的校正一直是磁罗经校正师们探究的课题。1数字磁力检测仪测量磁罗经自差力原理由磁罗经自差校正理论可知，在校正自差过程中船舶沿八个规定航向航行的目的是，用纵向、横向磁棒和软铁作为测量工具，用罗盘中磁针作为检验仪器，把船磁总合力中的纵向、横向、隅点分力分辨出来，并且在自差力最大的航向上进行测量自差和校正自差。如果用能一种仪器安装在磁罗经柜中，船舶在正常运输航行时，测量并存储三个航向的船磁纵横向自差分力。船舶停靠码头或锚泊时，通过仪器的RS232串行口将存储的数据传送到笔记本电脑，经过程序计算出这一航向上各个船磁分力的大小和方向，并用检测仪和校正器将自差力抵消。这种仪器就是数字磁力检测仪。在船舶正平时，规定在罗经平面上平行于船---------------------------------------作者简介：季本山（1961-），男，江苏如东人，副教授，江苏科技大学兼职硕士生导师,从事船港电及其自动化的教学与研究。E-mel:[e-mail]联系方式:0513-85960975手机：[phone]通讯地址：江苏南通经济开发区通盛大道185号邮编：226010首尾线作为纵轴——x轴，左右舷为横轴——y轴，垂直于甲板的为垂直轴——z轴，并分别以向船首、右舷和垂直向下的方向为正向。ψ为船舶的磁航向。由于垂直作用于罗盘的Z’力，不会产生对罗盘水平偏转的自差，故暂不考虑，这样作用在罗盘平面上有六个力：A’λH指向是垂直于磁子午线，正力指东，负力指西；B’λH作用方向是正力指向船首为ψ，负力指向船尾为ψ+180°；C’λH的正力方向指向右舷为ψ+90°，负力指向左舷为ψ-90；D’λH的正力方向指向与磁子午线夹角为2ψ，负力指向2ψ±180°；E’λH正力作用方向是指向为2ψ+90°，负力指向2ψ-90°；λH这个力沿磁子午线作用而指向磁北，六个力作用罗盘上的受力图见图1。图1罗盘受6个力作用Fig.1Thecompasssustains6forces对于商船来说由于泊松参数b≈0，d≈0，且磁罗经的艏艉基线在船舶的艏艉面内，故可忽略A’和E’，这时罗盘上只有四个作用，图2为船舶的航向分别在0°、90°及任意航向上罗盘受力情况。由图2可见，船舶航向在0°和180°时Y轴上罗盘只有C’λH作用，航向在90°和270°时X轴上罗盘只有B’λH作用，任意航向上X轴上合力为X=B’λH+D’λHcosΨ+λHcosΨ，Y轴上合力为Y=C’λH+D’λHsinΨ-λHsinΨ，这样船舶航行中在三个航向（0°或180°、90°或270°、一个任意航向）上作机动就可用数字磁力检测仪分别测定出B’λH、C’λH，并能计算出D’λ的大小值并存储，以便船舶在靠码头或锚泊时校正自差。2数字磁力检测仪组成与使用数字磁力检测仪是一种能测量磁力的单片机系统，由硬件和软件两部分组成。软件安装在笔记本电脑中，用于分析与计算单片机传输数据；硬件组成如图3所示。航向为0°航向为90°Course0°Course90°任意航向Arbitrarycourset图2不同航向时罗盘上受力情况分析Fig.2TheanalysisofcompasssustainedforcesOfdifferentnavigatingcourses巨磁阻传感器是利用磁致电阻效应制成的检测磁场强度敏感元件。传统的磁阻传感器测量范围较小（±6×104T），只能测量较弱的磁场。而船上安装的磁罗经所具有的磁场强度通常为8×103A/m以上。这样罗经盆附近由地磁场、船磁场和罗经磁场构成的合成磁场就较强，所以采用测量范围更广的巨磁阻传感器作为磁力检测元件。巨磁阻传感器的测量范围可达±16×103A/m，这里使用的HMR2300传感器可检测磁场在三个方向力的大小和方向，并输出X、Y、Z三个分量。这三个分量分别于罗盆处X、Y、Z轴磁场分力对应。将巨磁阻传感器的X、Y和Z基线方向分别与船坐标X、Y、Z轴重合，固定在罗经盒的底部玻璃上，用于测定船磁和地磁对罗盘的作用力，并将X、Y、Z轴方向的三信号传递给单片机。单片机是数字磁力检测仪的计算与控制中心，由传感器传送来的三路（X、Y和Z方向）信号经过模数转换并存储。简易键盘用于测量自差力时输入航向等简单外部操作，RS232口用于单片机与笔记本电脑之间的通信，传送已存的不同航向X、Y、Z轴分量值。图3数字磁力检测仪单片机系统图Fig.3ThePLCsystemdiagramofadigitalmagneticdetector船舶在交通不繁忙的宽阔海域航行时分别在磁航向0°或180°、90°或270°和任一象限角等三个航向上对罗盘的受力进行测定，并将测定结果进行存储。例如船舶航行在0°磁航向上时，按下简易键盘上的“0°”键，就将船舶在0°航向时数字磁力检测仪所测量到的X、Y轴方向自差力进行了存储。船舶靠码头或抛锚泊时，用笔记本电脑由数据通信线通过RS232口读取单片机存储的三个航向X、Y轴自差力分量，查阅航海日志得知测定地点的经纬度，根据测定地的地理位置可查知该地的地磁水平分量H。对于商船标准罗经λ值可取值在0.8~0.90之间，而操舵罗经λ可在0.6~0.8之间取一值，这样B’、C’、D’的值可算出。通过陀螺罗经或陆标测得船舶靠码头或锚泊时的磁航向Ψ，并由资料查得当地的地磁水平分量H和垂直分量Z，这样B’λH、C’λH、D’λH的值就可得。仍用笔记本电脑通过RS232口将巨磁电阻传感器X、Y、Z轴分量实时显示在软件上，在Ψ航向上X轴上合力显示为X=B’λH+D’λHcosΨ+λHcosΨ，Y轴上合力为Y=C’λH+D’λHsinΨ-λHsinΨ，调节校正器上的纵磁棒使软件上X轴上合力显示为X=D’λHcosΨ+λHcosΨ，即抵消了B’λH作用。调节软铁球或软铁片，使X轴上合力显示为X=λHcosΨ，即抵消了D’λHcosΨ。调节校正器上的横向磁铁使软件上Y轴上合力显示为Y=-λHsinΨ，即抵消了Y轴上C’λH。调节罗经柜中的垂直磁棒，使软件上Z轴显示λZ，即消除了垂直误差。笔记本电脑上软件界面如图4所示。这样磁罗经自差就校正完毕了。图4数字磁力检测仪软件界面Fig.4Thesoftwareinterfaceofadigitalmagneticdetector3剩余自差计算在校正中如果B’λH、C’λH、D’λH的校正值均能精确到15μGauss，那么这时的剩余自差均在0.5之内°。如果不能满足这样的精度，那么产生剩余量ΔB’λH、ΔC’λH、ΔD’λH。八个主航向的剩余自差可根据以下公式计算求得。HHBHDHCarctgN'''HHBHDHCarctgS'''HHCHDHBarctgE'''HHCHDHBarctgW'''HHCHBHCHBHDarctgNE45sin'45cos'45cos'45sin''HHCHBHCHBHDarctgSE45sin'45cos'45cos'45sin''HHCHBHCHBHDarctgSW45sin'45cos'45cos'45sin''HHCHBHCHBHDarctgNW45sin'45cos'45cos'45sin''实际上,上述计算过程已编入笔记本电脑程序之中。如图4中所示。4用数字磁力检测仪校正磁罗经自差的注意事项若船舶靠码头时，用数字检测仪校正自差时，周围最好无其他船只停靠；码头上的起重机械应处于停止工作状态；驾驶员在检测并存储磁力时，应以磁航向为基准，并在航海日志上记下当时地理位置，为校正时查知检测地的地磁分量提供依据。5误差分析从上述理论分析可知，用数字磁力检测仪校正磁罗经自差仍属一种测力法，是以A’，E’等于零为条件，剩余自差的测量可用航向比对法也可按上述的公式计算得到。其误差来源主要有五个方面，(1)λ的值是一种估计值，不能针对具体的船舶给出一个精确值。实践证明，即使λ为估计值，在校正过程中取极值，最终剩余自差