ZUBR气垫船磁罗经自差的岸基校正

兰国辉, 钟云海, 马海瑞, 韩云东

(海军大连舰艇学院 航海系， 辽宁 大连 116018)

ZUBR气垫船磁罗经自差的岸基校正

兰国辉, 钟云海, 马海瑞, 韩云东

(海军大连舰艇学院 航海系， 辽宁 大连 116018)

分析利用传统“爱利法”在海上校正ZUBR气垫船磁罗经自差存在的航向保持困难、船磁随装载变化及经济成本高等问题。根据ZUBR气垫船可在陆地运动的特性，提出一种在岸基条件下校正该型气垫船磁罗经自差的方法。构建具体的磁罗经自差校正场环境模型，进而研究利用该校正场校正磁罗经自差的具体方法。研究成果对开展气垫船磁罗经自差校正工作具有实际意义。

ZUBR气垫船； 磁罗经； 自差校正

Abstract: The limitations of the Airy method for magnetic compass correction on ‘ZUBR’ air cushion vehicle are analyzed. The major problems are the following: It is hard to hold the required heading; the compass deviation is subject to the loading condition of the vehicle; the cost is too high. The on-land solution of magnetic compass correction is proposed by the land travel ability of the ‘ZUBR’ air cushion vehicle. The model of the test field for deviation compensation is built, and the correction procedure is investigated. The suggested method is of value for the deviation correction of compasses on other air cushion vehicles.

Keywords: 'ZUBR' air cushion vehicle; magnetic compass; deviation correction

磁罗经是重要的指向性导航仪器， 《国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)和我国的《海船航行设备规范》都明确规定150总吨以上的船舶均应装设一台标准磁罗经或至少配备1台合适的操舵磁罗经；同时，各磁罗经应正确校正，并应备有随时可用的剩余自差表或自差曲线。[1-2]鉴于磁罗经对保障船舶安全航行具有诸多优良特性，其已在交通、救灾及国防等领域发挥重要作用，当今世界上吨位最大(排水量达500 t)的ZUBR气垫船[3]就是以磁罗经作为主要导航仪器的。

及时进行自差校正是使用磁罗经时必不可少的一项关键工作，而气垫船航泊方式的特殊性致使传统基于海上校正磁罗经自差的方法不再适用。对此，在分析ZUBR气垫船磁罗经自差校正问题的基础上，针对其可在陆地运动的特性，提出在岸基条件下的气垫船磁罗经自差校正理论并构建其岸基校正场模型，进而给出解决气垫船磁罗经自差校正问题的具体方法。

1 ZUBR气垫船磁罗经自差校正问题分析

磁罗经自差校正特指为消除船舶及飞机等载体磁场对磁罗经的影响以提高磁罗经指向精度所采用的专门方法。目前国内外比较通用的校正方法是英国天文学家爱利提出的“消角法”(也称“爱利法”)[4]，即首先在东、西、南及北等4个主航向和2个隅点航向上分别校正半圆自差和象限自差，然后测定各航向的剩余自差。在具体实施该方法时要求船舶沿准确的磁航向航行，利用太阳、叠标或与陀螺罗经比对来测定自差。ZUBR气垫船的特殊性使得采用爱利法的过程中会面临诸多困难，主要表现在以下几个方面。

1) 气垫船的工作原理是在船舶底部衬垫空气，利用船底与水面间的高压气垫作用使船体部分或全部提升，从而使船舶快速行进。[5]气垫船底部与水面并不直接接触，其转向主要依靠空气舵或侧推器，这就使得其在海上难以保持航向固定，通常表现为蛇形运动。[6]然而，磁罗经自差校正要求船舶保持航向固定并持续一段时间，因此气垫船要在海上进行磁罗经自差校正极为困难，甚至无法完成。

2) ZUBR气垫船的主要功能是运输人员和装备，具有多种装载方案，在不同装载条件下其船体磁场也会相应发生变化，从而影响磁罗经的自差。为测得准确的自差数据，应在各种装载条件下分别制作剩余自差表，这就对气垫船磁罗经自差校正提出了更高的要求，实际上在海上很难满足。

3) ZUBR气垫船上安装有5台超大功率的主燃气轮机及4台燃气涡轮发电机，航行时5台燃气轮机全部满负荷工作，油耗量较大。由于采用传统方法校正船用磁罗经自差时需专门在海上航行较长时间(一般约为2 h)，因此仅为校正磁罗经自差而启动机器必将付出较大经济代价。

综上所述，ZUBR气垫船磁罗经自差校正面临着航向难以保持、船磁随装载变化及经济代价高等问题，使得传统的海上ZUBR气垫船磁罗经自差校正难以实施。鉴于ZUBR气垫船具有两栖活动功能[7]，同时为保护其围裙不受海水腐蚀，通常将ZUBR气垫船的驻泊地设在岸上。因此，若能在气垫船驻泊地附近建立岸基校正场，利用气垫船可原地旋回转向的特性，采用爱利法对其自差进行校正，上述问题即可迎刃而解。

2 在岸基条件下气垫船磁罗经自差校正场构建

2.1校正场设计原理

根据磁罗经自差理论，在船舶正平时，磁罗经共受到6个力的作用[8]，分别为：λH,λHA′,λHB′,λHC′,λHD′,λHE′。图1为磁罗经受力分析，其中：φ为磁航向;Nm为磁北;NC为罗北；λH为指北力，指向磁北NM，故不会产生自差;其余5个作用力产生的自差分别记为δA,δB,δC,δD,δE。当自差δ不大时，便可得到自差计算式为

δ=δA+δB+δC+δD+δE=A′+B′sinφ+C′cosφ+D′sin 2φ+E′cos 2φ

(1)

图1 磁罗经受力分析

由于ZUBR气垫船磁罗经安装在艏艉面内，且气垫船左右舷对称，因此λHA′产生的固定自差δA及非对称软铁磁力λHE′产生的自差δE都很小，在进行自差校正时可忽略不计，这时仅有λH，λHB′，λHC′及λHD′等4个力作用在罗盘上。

1)λH是需要保留的指北力。

2)λHB′和λHC′主要由船横向硬铁及纵向硬铁产生，其产生的δB及δC自差较大，需进行校正。

3)λHD′由船对称软铁产生，考虑到ZUBR气垫船纵横比不大，其产生的δD较小，可看作剩余自差处理。

这样，ZUBR气垫船磁罗经自差校正就主要是校正半圆自差λHB′和λHC′。根据爱利法校正磁罗经半圆自差的方法，气垫船要分别航行在东、西、南及北等4个主点航向上校正自差；同时，为得到任意航向的剩余自差，需实测至少5个航向的剩余自差，然后代入到式(1)中进行解算。由上述分析可知：只要在ZUBR气垫船驻地选择合适的校正场，设置5组校正标，利用气垫船可原地转向的特性即可方便地对其磁罗经自差进行校正；同时，可根据测量的5个剩余自差计算出自差系数，进而求得各个航向上的剩余自差。

2.2校正场勘察

建立理想的ZUBR气垫船磁罗经校正场必须经过周密的调查研究和勘察，应主要考虑以下3个方面：

1) 校正场应尽量靠近气垫船驻地，以便缩短校正时间。

2) 由于气垫船受风影响较大，校正场应选择在防风的地点，并有足够的机动回旋空间。

3) 校正场附近不能有磁铁矿、大型钢铁建筑等。

2.3校正场模型构建

校正场应具有为气垫船转向提供航向基准和为气垫船磁罗经自差测量提供方位基准两大功能。由于ZUBR气垫船磁罗经安装在驾驶室内，无法直接利用磁罗经方位圈观测目标方位[9]，因此需借助其装备的2套瞄准镜来进行方位瞄准。为避开瞄准镜观测盲区，气垫船磁罗经消测校正场采用环射式结构，即在气垫船校正场南、北、东、西及东北等5个方向上各放置一个校正标，校正标的布设见图2。

图2 校正标的布设

2.3.1校正标距离R计算

气垫船在旋回过程中会相对校正场中心点产生位移Dw(见图3)。若要保证校正误差时航向精度在θ以内，则校正标距离R的计算式应为

(2)

图3 校正标距离R的计算示意

根据气垫船的旋回特性，其位移误差Dw可控制在15 m以内，若需保证校正误差时航向精度保持在0.5°以内，则校正标距离R应为

(3)

2.3.2校正标位置计算

校正标位置应尽量准确，否则会影响校正自差的精度。其测量方法主要分为天文测量和三角测量2种，其中天文测量较为简便，可按下述方法进行：

(1) 在校正场中心放置一个假罗经；

(2) 计算出某时间段内太阳的真方位(为提高精度，通常选在太阳高度较低时)；

(3) 利用方位圈观测太阳，并将观测方位调整到与计算方位一致；

(4) 固定假罗经罗盘。

此时，假罗经罗盘所示0°方位即为真北。利用该校正准确的假罗经即可确定各标的方位，结合已确定的校正标的距离即可确定校正标的位置。

3 利用岸基校正场校正磁罗经自差的实施方法

利用爱利法校正磁罗经自差主要分为自差校正和剩余自差测量2个部分。[10]

1) 自差校正要求船舶保持在规定的磁航向上，但对磁航向精度要求不高。

2) 剩余自差测量要求校正标方位准确，对校正标的方位精度要求较高。

在利用岸基校正场校正磁罗经自差时，需综合考虑上述要求和校正标布设情况，采用合适的方法。

3.1磁航向保持方法

气垫船磁罗经自差校正必须在规定的磁航向上进行。由于气垫船磁罗经安装在驾驶室内，无法直接用来观测校正标方位，因此需借助气垫船装备的瞄准镜进行观测。确定磁航向的方法为：

1) 计算校正场磁差Var。

2) 利用瞄准镜观测校正标舷角。

3) 操纵气垫船原地旋回至校正标舷角等于Var。

3.2剩余自差测量方法

利用岸基校正场测量磁罗经剩余自差时，必须考虑气垫船偏离中心点位移对校正标方位的影响。因此，利用气垫船装备的差分全球定位系统(Differential Global Positioning System, DGPS)计算校正标的准确方位，具体方法为：校正标位置确定后，其经纬度已知，在GPS中将校正标位置设为航路点，即可读出校正标准确的真方位；再进行换算，即可得到校正标准确的磁方位。

3.3自差表制作方法

在利用校正场校正气垫船磁罗经自差完毕后，再实际测得5个航向上的剩余自差，代入到式(1)中可得：

(4)

根据式(4)求得5个自差系数A′，B′，C′，D′，E′，将其代入到式(1)中可得每隔10°的剩余自差，制作剩余自差表。

4 结束语

首先分析ZUBR气垫船利用传统海上方法校正磁罗经自差存在的航向难以保持、船磁随装载变化及经济代价高等问题，进而根据气垫船可在陆地运动的特性有针对性地提出在岸基条件下建立校正场的新思路。在深入分析气垫船船磁对自差影响的基础上，构建气垫船磁罗经岸基校正场的具体模型，并研究给出利用该校正场校正磁罗经自差的具体方法。研究成果不仅有助于解决当前气垫船磁罗经自差校正无法实施的问题，而且对解决气垫船面临的陀螺罗经差精确测量、多普勒计程仪初始校正等其他类似问题具有一定的参考价值。

[1] 周坤芳,由文立,周湘蓉.建设磁罗经综合实验室提高磁罗经自差消测能力[J].实验室研究与探索,2006,25(9):1060-1061.

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[3] 周红友,气垫船及其军事用途浅析[J].舰船电子工程,2008(2):20-23.

[4] 赵柯,时昌金,王则胜.利用卫星定位实现对爱利法消除磁罗经自差的改进[J].船海工程,2009，38(6):139-141.

[5] 付明玉,张洪雨,施小成，等.气垫船操纵性能理论分析[J].中国造船,2006，47(3):14-20.

[6] WATERS R T, MORN D D.High Speed Maneuvering of Amphibious Hovercraft [C]//Proceedings of the Twentieth General Meeting of the American Towing Tank Conference. New York: Stevensinst of Technology, 1983:459-478.

[7] 彭桂华.气垫船的回顾与展望[J].船舶工程, 2001(1):9-13.

[8] 关政军,刘彤.航海仪器[M].大连:大连海事大学出版社,2009：61-70.

[9] 卢军,黄国樑.全垫升气垫船的航向稳定性[J].上海交通大学学报,2008，42(6):914-918.

[10] 鄢天金.磁罗经校正技术[M].北京:人民交通出版社,1994：71-74.

On-LandMagneticCompassCorrectionforZUBRAirCushionVehicle

LANGuohui,ZHONGYunhai,MAHairui,HANYundong

(Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

U666.151

A

2016-04-12

2110工程三期资助学术预研课题(DLJY-XY2014019)

兰国辉(1982—),男，山西运城人，讲师，硕士，主要从事船舶导航教学与研究。E-mail：514714278@qq.com

1000-4653(2016)03-0009-03