航位推算法

航位推算法

航位推算法是在知道當前時刻位置的條件下,通過測量移動的距離和方位,推算下一時刻位置的方法。 航位推算算法最初用於車輛、船舶等的航行定位中,所使用的加速度計、磁羅盤、陀螺儀成本高,尺寸大。隨著微機電系統技術的發展,加速度計、數字羅盤、陀螺儀尺寸、重量、成本都大大降低,使航位推算可以在行人導航中得以套用。

作用

為了保證海上航行的安全,很重要的一一點是在任何時候和任何情況下,航海人員都必須知道自己的船位。只有這樣才能夠根據船位,在海圖上了解船舶周圍的航海條件,從而採取必要的航行措施。

船舶在海上航行時確定船位的方法一般可以分為兩大類,即推算和定位。所謂推算或航跡推算,是海上求取船位的最基本的方法。它是從已知的推算起始點開始,根據船舶最基本的導航儀器(羅經和計程儀)所指示的航向與航程,以及當時的風、流要素和船舶操縱要素,在不藉助於外界導航物標的條件下,推算出具有一定精度的航跡和船位來。而定位是利用各種航海導航儀器,觀測外界已確知其位置的物標,如山頭、島嶼、燈塔、無線電導航站、天體和人造衛星等,然後根據觀測結果定出當時的船位。目前,航海上常用的定位方法,根據所採用物標的性質和觀測手段的不同可分為:陸標定位、天文定位、無線電定位、電航儀器定位和衛星定位等幾類。

航跡推算是根據船舶的航向、航程和當時的風流資料等推算出來的,這是駕駛員在任何情況下、在任何時候求取船位的最基本的方法。航跡推算還可以使駕駛員清楚地了解到船舶在海上運動的連續軌跡,並且能夠根據它推測出船舶在繼續前進的前方是否存在有航海危險。同時,推算船位又是天文定位、無線電導航儀器定位和衛星定位必不可少的一種輔助信息。如果沒有推算船位,有時就無法解決上述這些定位的雙值性問題或衛星定位無法進行。另外,推算航位的精度也會影響到天文船位、無線電航儀器船位的精度。因此,航跡推算是海上導航最基本而必不可少的方法,組合導航系統中就要套用到這一方法。

算法

航跡推算有以下兩種方法:

1.航跡繪算法:又稱海圖作業法。它是在海圖上根據航向、航程和風流資料,直接畫出推算船位和航跡。這種方法簡明、直觀,因此是目前航海上普遍採用的推算方法。

2.航跡計算法:又稱航法(Sailing)。它是套用數學公式,通過計算:查表或電子計算機的工作,算出到達點的推算航位和推算航跡的數值,然後駕駛員再根據它將推算航位和航跡繪製到航用海圖上去,指導船舶航行。因此,目前航跡計算法僅僅是航跡繪算法在某種情況下的補充方法。在電算機已經逐漸普及的今天,航跡計算早已在衛星導航接收機(例如MX-1105衛星導航接收機)、組合導航系統(例如MX-200組合衛導系統)和綜合數據駕駛台等設備中被廣泛套用,他們都具有航位推算的功能。

航跡推算工作,一般應在船舶駛離港口領航水域或港界,定速航行、並測得準確船位後立即開始,自此航跡推算不應無故中斷。直到船舶駛抵目的港的領航水域,或接近港界有物標可以目測校驗船位和導航時,方可終止推算工作。航跡推算的起始點和終止點必須記入航海日誌中。

如果在航行中發現推算船位與觀測船位之間相差較大時,必須查明具體原因。在推算誤差主要是由於推算造成的,觀測船位是確實可靠的,需要轉移推算點時,應報經船長同意後,方可將推算船位轉移到觀測船位上去。

套用

航向測定

對於一般船舶來講,磁羅經具有結構簡單、堅固、可靠及不用電源等優點。但由於它對當地的淨磁場會有反應,故在羅經附近的金屬體、磁性體甚至僅器儀表和鑰匙等都會影響磁羅經的讀數。而潛水器由於體積和尺寸非常小,要使羅經遠離上述物體幾乎是不可能的。再加上潛水器活動海區的井架和管道等對當地淨磁場的影響非常大,也會造成磁羅經讀數的巨大誤差。例如,在北海油田一個潛水器運行過程中不慎與平台發生了碰撞,於是潛水器就從磁羅經讀數的航向轉過180°,但只前進了十英尺又與平台發生了碰撞。顯然磁羅經提供了極其錯誤的讀數。所以,目前在潛水器上採用方向陀螺或電羅經來測定航向。

1.方向陀螺

實際上是一種陀螺儀,它可以指示出所需要的方向,並具有體積小、重量輕等優點,大多在飛機上使用。它可以在某一方向上維持一段時間,故有提供短期航向的基準的功能。現在裝在潛水器SDL-1的方向陀螺是借用飛機的。英國維克斯“南魚座”號上的斯伯利CLJ1方向陀螺的漂移率大約為1°/h,從而對於執行長時間任務,陀螺漂移造成的積累誤差是不能容忍的。因此,尚不能用它來作為推算航位的手段。

2.電羅經

電羅經是依靠一隻或多隻指北的陀螺儀作為指向元件,從而指標出相對真北的航向。故它不受磁場影響,且所產生的誤差在所有航向上都是相同的。但電羅經從啟動到穩定工作的時間較長,所以一旦電源中斷,通常需要幾小時才能使電羅經達到穩定工作狀態。電羅經還存在若干系統誤差,如進動誤差等,但這些誤差可以在設計時予以消除或抵銷,也可通過手動調節桌校正。但是總的來講,現代羅經的誤差都比較小,但是對潛水器來講.它的重量尺寸都無法使潛水器承受。隨著技術的發展,近年來市場上已出現不少體積小重量輕.適合於潛水器用的電羅經。這些電羅經的最小本體已小於35cm ,並可以為潛水器提供精度在±0.5°~±1°之間的長期航向信息。“深星-2000”潛水器所採用的MK-27型電羅經及其復示器.全部採用飛機的設計方案,故尺寸重量很小。潛水器“PC-9”和“PC-14”上使用的電子方向指示器,大約只有網球那么大,可以直接安裝在儀錶板上。

有些潛水器,如“海崖”和“海龜”號,它們把電羅經作為主要航向指示器同時還使,磁羅經作為輔助指示器。為了減少潛水器磁性殼體的影響,而把羅經的復示器(分羅經)安裝在控制屏上.並加以禁止以防止磁干擾。

航程測量

航位推算法確定位置是從一已知位置出發,根據方向陀螺或羅經提供的航向和每一瞬間潛水器的移動距離來確定新的航位,移動距離可以由速度積分獲得。這種方法的誤差主要由海流、儀表、操縱和時間引起,同時隨著航行距離的增加亦會產生很大的積累誤差。目前採用的測量航速和計程的常規儀器有轉輪式計程儀、畢託管(水壓式)計程儀和電磁式計程儀。這些儀器都是依靠測量水中運行器與水托相對速度而工作的,因此這些計程儀的精度直接取決於水流速度和運行器航速的相對比值,即流速占的成分越大,積分產生的航程誤差也就越大。所以這類計程儀在潛水器上的套用受到很大的限制。為了在海底精確導航,最好的方法是以海底作為基準面來測量航速。實現這點的最簡單而經濟的方法是拖輪里程表法。

拖輪里程表法是在潛水器下部伸出一根桿子,在它的末端安裝一隻帶有重量的滾輪或滾輪車,由潛水器通過這根桿子拖著滾輪(車)接觸海底滾動,一條計程電纜與該滾輪(車)相連,從而獲得計程信號。計程顯示儀可以安裝在潛水器內部或觀察窗的外部,計程儀和羅經或陀螺配合使用可以測量出潛水器沿某一方向的航行距離。這種測距在平坦的沙質海底可以獲得非常滿意的結果。例如,潛水器檢查海底電纜時,如果用拖輪測量海底電纜的長度,則可以達到與現有其他方法同樣的精度。

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