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,計程儀,自動操舵儀,跡記錄器等。
1、羅經:確定航向和觀測物標方位的儀器。一般海船都裝有陀螺羅經和磁羅經兩種,前者精確方便,后者簡單可靠,互相取長補短。羅經和同為最重要的航海工具,在海圖上畫出航線后,船舶就依靠羅經指示航向,沿航線駛向目的地。
磁羅經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,是中國古代四大發(fā)明之一。用于航海的指南針又稱羅盤。鐵船出現(xiàn)后,磁經產生了自差。19世紀以后,先后提出消除自差的方法,至20世紀初,性能穩(wěn)定、軸針摩擦更小的液體羅經制成,曾用于大部分船舶。磁羅經有磁差,是由于地磁極與地極不一致而產生。存在于磁北和真北之間的夾角,即磁偏角。海圖上標注有本地磁差和年變化率,使用磁羅經時可據(jù)以修正讀數(shù)。磁羅經結構主要由羅經柜和羅經盆組成,帶有磁針的羅經卡安裝在盆內。
電羅經羅經又稱陀螺羅經,是利用陀螺儀的定軸性和進動性,結合地球自轉矢量和重力矢量,用控制設備和阻尼設備制成以提供真北基準的儀器。陀螺羅經是由主羅經與分羅經、電源變換器、控制箱和操縱箱等附屬設備構成。
2、計程儀:測量航速、累計航程的儀器。它和羅經同為航跡推算的基本儀器,在海圖上作業(yè)就是根據(jù)計程儀讀數(shù)在航線上量取航行距離。
原理和性能 近代計程儀主要由測速部分和指示部分組成。測速部分用以檢測和放大船舶航速信號或航程信號;指示部分用機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。不同類型的計程儀的工作原理和性能如下所述。
①拖曳計程儀。利用相對于船舶航行的水流,使船尾拖帶的轉子作旋轉運動,通過計程儀繩、聯(lián)接錘、平衡輪,在指示器上顯示船舶累計航程。這種計程儀線性差,高速誤差大,受風流影響大,操作不便,但性能可靠,有的船舶作為備用計程儀。
②轉輪計程儀。利用相對于船舶航行的水流,推動轉輪旋轉,產生電脈沖或機械斷續(xù)信號,經電子線路處理后,由指示器給出航速和航程。這種計程儀線性好,低速靈敏度較高,但機械部分容易磨損。除小船應用外,已逐漸被淘汰。
③水壓計程儀。利用相對于船舶航行水流的動壓力,作用于壓力傳導室的隔膜上,轉換為機械力,借助于補償測量裝置,將機械力轉換為速度量,再通過速度解算裝置給出航程。這種計程儀工作性能較可靠,但線性差,低速誤差大,不能測后退速度,機械結構復雜,使用不便,漸被淘汰。
④電磁計程儀。通過水流(導體)切割裝在船底的電磁傳感器的磁場,將船舶航行相對于水的運動速度轉換為感應電勢,再轉換為航速和航程。其優(yōu)點是線性好,靈敏度較高,可測后退速度,目前使用最廣。
⑤多普勒計程儀。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量船舶相對于水底的航速和累計航程。這種計程儀準確性好,靈敏度高,可測縱向和橫向速度,但價格昂貴。主要用于巨型船舶在狹水道航行、進出港、靠離碼頭時提供船舶縱向和橫向運動的精確數(shù)據(jù)。多普勒計程儀受作用深度限制,超過數(shù)百米時,只能利用水層中的水團質點作反射層,變成對水計程儀。
⑥聲相關計程儀。應用聲相關原理測量來自水底同一散射源的回聲信息到達兩接收器的時移,以解算得相對于水底的航速和航程。這種計程儀可測后退速度,兼用于測深。水深超過數(shù)百米時也變成相對于水的計程儀,尚在改進中。
3、自動操舵儀:能自動控制舵機(見)以保持航向的設備,又稱自動操舵裝置。目前使用較多的是機電式自動操舵儀,可根據(jù)海況和船舶裝載情況由人工調節(jié)偏舵角、反舵角和壓舵角。20世紀70年代出現(xiàn)的自適應自動操舵儀,能根據(jù)客觀情況自動調整上述各種舵角,使航向更穩(wěn)定,經濟效益更好。
4、航跡記錄器:能自動在海圖上進行航跡推算作業(yè)的儀器,簡稱航跡儀。它根據(jù)輸入的羅經和計程儀(或主機轉速)的信息進行工作。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;計算工具如計算尺、等。
陸標定位儀器
供沿岸航行船舶進行陸標定位的儀器。有測方位的、測距離的、測夾角的和測水深的四類。
1、測方位儀器:主要有方位圈,是套在羅經或羅經復示器上,觀測地物或天體方位的儀器。主要部分是由照門和照準架組成的照準儀。方位圈上有 0~360 刻度供測舷角用。在方位圈上裝上望遠鏡可便于精測。有的船上裝有啞羅經,用以觀測標準羅經視線受阻擋的物標方位。啞羅經結構簡單,沒有指北部件,要先對準航向再觀測方位。
2、測距離儀器:船用測量物標距離的光學儀器,有基線式和仰角式兩類。前者是根據(jù)測距儀的基線長度求物標距離;后者是根據(jù)物標高度求物標距離。用或用帶有密位標尺刻度的望遠鏡也可根據(jù)物標高度測仰角,從而求物標距離。雷達(見)是既可測方位,又可測距離的儀器。它能在能見度不良的情況下和夜間進行觀測,是定位精度較高的一種儀器。雷達測距離的精度比測方位的高。
3、測夾角儀器:主要有六分儀。用六分儀測得3個物標的兩水平夾角,再用由一個圓形刻度盤和三條直尺構成的三桿定位儀(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水平夾角后在海圖上定位。
4、測水深儀器:通常船用有手砣和回聲測深儀。在等深線形狀合適的水域可用以測深辨位。正在發(fā)展的利用洋底地形定位的技術,就是將測深設備連續(xù)測得的水深數(shù)據(jù)通過電子計算機處理,然后與已知洋底地貌進行比較定位。
天文定位儀器
主要是在看不到陸標的情況下,觀測天體定位用的儀器,包括六分儀,、星球儀、索星卡、眼高差測定器以及天文計算器等。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備,但由于它們結構簡單、使用可靠和隱蔽性好,仍是主要航海儀器之一。
1、六分儀:主要是用以觀測天體高度定船位的手持光學儀器。普通六分儀利用水天線作為觀測基準。也有利用氣泡水準提供人工地平的氣泡六分儀和用簡易陀螺儀提供人工地平的陀螺六分儀,它們在水天線不清時也能觀測天體高度,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自動觀測天體高度的射電六分儀,它們都有待改進和完善。
2、天文鐘:是指示世界時的精確時計。觀測天體高度時需記下準確時刻,以便在航海天文歷中入表,查找天體坐標。
3、星球儀:用以辨認星體或選擇適于觀測的星體的天球模型。星球儀上畫有常用恒星,也可臨時標上日、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、眼高差測定器:是測量真地平與視地平(即水天線)之間夾角的儀器。以水天線為基準觀測天體高度須修正眼高差,其數(shù)值除可由航海表查得外,還可用眼高差測定器實測。在實際氣溫、水溫與航海表采用的標準值有較大差別時,用眼高差測定器求取眼高差更準確。
6、天文計算器:能簡化天文定位中人工計算作業(yè)的電子計算器。它能迅速解算天文三角形。有的內存有常用天體視坐標數(shù)據(jù);有的還內裝準確時計,如與六分儀相聯(lián)自動記時,可在很大程度上減輕駕駛員負擔。
線電定位儀器
供船舶利用無線電技術定位的儀器。目前通用的有測向儀、康索爾等方位系統(tǒng)和羅蘭、臺卡、奧米加、子午儀導航等雙曲線系統(tǒng)。它們各有優(yōu)缺點,可以配合使用以取長補短,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、被動式、完全可靠和高精度。奧米加和子午儀導航系統(tǒng)曾被稱為20世紀60年代以來航海技術的兩大成就,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新的衛(wèi)星導航系統(tǒng),稱為GPS全球定位系統(tǒng)。它可以連續(xù)定位,精度比子午導航儀系統(tǒng)更高,是向著理想定位系統(tǒng)跨進一步的新的技術成就。
此外,航海儀器還包括氣象、水文觀測儀,如氣壓表、干濕溫度計、風速計等。
由于航海儀器對保證航行安全有重要意義,國際海上人命安全公約和通過的有關決議對航海儀器的安裝和性能標準分別作出了規(guī)定。
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