现代组合导航仪简析及误差分析
现代船舶航仪主要由雷达、GPS导航仪、磁罗经、多普勒计程仪、回声探测器、声纳、电子海图显示、卫星通信设备等组成。
雷达主要包括五个基本组成部分:发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。雷达的信息载体是无线电波。是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。雷达可给出可靠的位置信息和相对运动信息, 借此可作出碰撞危险的早期预报。雷达可以提供定位参数并在电子海图上确定船位探测本传周围一定范围内水面目标。
电子海图显示与信息系统除了显示航用海图的所有数据资料外,还显示船舶的计划航线、航迹线、转向点和即时船位,另外还具有偏航报警、到达报警、水深报警等功
GPS 在海船上的应用不断普及，己成为驾驶台的主要航用设备，也是使用最频繁的航用仪器之一。GPS的众多优越性已在海船的航行实践中得到体现。那么对沿海港口航道测量而言，它能够起到对测量船舶导航、助航，提高航行安全性的作用
GPS 导航系统在船舶导航一般以码伪距或者载波相位为观测量，根据用户对定位的精度要求，采用单点定位或相对定位原理，为用户提供信息。GPS 定位的误差来源主要有卫星星历误差、卫星钟差、误差和相对论效应的影响；信号传播的误差，有电离层延迟误差、对流层折射误差和多路径效应误差；接收机的误差，主要有观测误差、接收机误差、接收机钟差、计算误差和天线相位中心误差等。
1．GPS的定位系统
港口航道的参照物标很多，驾驶员可依据岸形岸标、浮标、山丘等获得本船的大概位置，也可用雷达来测定船位。
2．航速、航向、方位和距离计算及显示
GPS 能计算并显示船舶对地速度，还能实时显示出船舶当前的航迹向和到达目标点的方位和距离目标点可根据需要设置。GPS 也能计算出船舶偏离计划航线的横距。在船舶操纵中，如靠、离码头，抛、起锚等，驾驶员都需要知道船舶的当前速度。
3．GPS 具有锚位监测功能。
4．GPS 能很方便的存取驾驶员认为必要的特殊船位。
误差分析
由于其航行条件的限制，GPS一般都采用的方式是绝对动态定位方式，这种方式误差比较大，需要对误差进行减小，才能准确对船舶进行定位。在实际工作中，GPS 天线一般安装在船的顶部，只有在海况较好的情况下，GPS 天线与船的运动才基本一致。若海况较差，GPS 天线会受船纵、横摇的影响，记录的定位数据跳变较大，误差较高。这时船的航迹、航向变化也比较大，不能反映真实的航迹和航向。所以要对数据输出的定位误差进行分析并修正。一般而言误差可以有以下几个方面:
（1）测伪距误差
测伪距误差又称等效测距误差。同测其他观测值一样，在测伪距时，由于存在着卫星时钟误差、星历误差及信号在传播过程中由于电离层延时、对流层延迟等多路效应引起的传播误差和用户设备的接收机噪声、接收机通道间偏差引起的接收机误差等。
（2）卫星在空间分布及正确的选星
影响定位精度的第二大因素是卫星在空间分布及正确的选星。
（3）差分定位
实时差分定位系统是由基准站、数据链和多用户流动站三部分组成，
磁罗经是目前舰船指向仪器中的一种, 由于精度不高只作为辅助指向仪器使用, 但由于其结构简单、尺寸小、反应快、可靠性高以及成本低等优点仍然在舰船导航仪器中占有重要的地位川降。特别是当其它指向仪器发生故障后, 这时磁罗经便成为舰船上唯一的指向仪器。因此, 它的精度的高低与航向的准确性尤为重要。
多普勒计程仪是应用多普勒效应, 进行测速和计程的一种水声导航仪器。
误差分析 船用多普勒计程仪采用双波束系统, 可以有效地消除非线性误差, 消除船舶上下颠簸引起的测速误差并有效地消减因船舶纵摇引起的测速误差, 但其测速精度仍然受到声速变化、船舶纵摇引起的发射波速俯角变化、换能器指向性等的影响。
1.对测速精度的影响
声速变化的影响。在多普勒计程仪测速公式中, 是把超声波在海水中的传播速度视为常量, 实际上超声波在水中的传播速度是随海水的温度、盐度和深度的变化而变化。其中温度和盐度变化影响较大。因而当船舶在不同海域航行时, 多普勒计程仪存在的测量误差也不同。据计算, 海水温度每增加1℃, 声速的变化为+3.3m/s,若船舶由海水航行至淡水时, 测量误差可达到2%。由此可见, 如果要达到准确测量, 必须对以上因素进行补偿修正
2.船舶纵摇的影响
3.换能器指向性的影响
回深测深仪是一种水深测量仪器, 用以测定舰船所在海域的水深, 即测量船底到海底之间的距离, 对保证舰船的战术机动和航行安全具有重要的作用。潜艇在下潜或座沉海底过程中, 应经常测定水深, 以确保下潜安全; 当航行在浅水区和情况不明的海区时, 也要经常测定水深, 以保证航行安全; 在抛锚前, 要测定水深,以决定锚链的长度, 这些都是测深仪的基本作用回声测深仪误差可分为系统误差和偶然误差。
误差分析产生系统误差的原因有
( 1) 声波在水中传播的实际速度与设计用的声速存在偏差。超声波在水中传播的速度并非常数, 它与水的温度、盐度等有关, 若盐度或温度增加, 则声速也增大。其估算公式为:
C=1 450+4.206 t - 0.036 6 t2+1.137( S- 35) ( 3)式中: t 为海水温度; S 为海水盐度。根据上式, 可以制成声速修正表。因此, 当海水的盐度和温度变化时回声测深仪的读数就会出现误差,可用下式计算其误差ΔHC=HC(C/CP - 1) ( 4)式中: HC 为测深仪测得水深, m; C 为声波在水中的实际速度, 可根据声速修正表确定, m/s; CP 为测深仪设计用的声速, m/s。可以通过调整指示器的电机转速来消除误差:N=NPC/CP ( 5)式中: N 为电机的实际转速, N/min; NP 为电机设计用转速, N/min。
( 2) 海底斜度产生的误差, 其误差可能会较大, 它取决于海底斜度的大小, 可用下式表示:ΔHα=HC( sec α- 1) ( 6)式中: α为海底倾斜的角度,
( 3) 在测得的水深小于6m 时, 需考虑发射换能器和接收换能器之间的距离引起的误差。
( 4) 电机实际转速偏离设计用转速所引起的误差,可通过调节转速或计算其修正量来消除:
ΔHN=HC(NP /N- 1) ( 7)
( 5) 测深仪零位装定不准引起的误差, 可通过调整记录器和指示器的零位信号来消除。
( 6) 船体摇摆产生的误差, 可根据记录纸上记录的信号估算其修正量。
( 7) 舰船吃水倾差引起的误差, 可计算其修正量:ΔHQ=α( l /L- 1) ( 8)式中: α为倾差的线性大小, m; l 为艏柱到换能器中心的距离, m; L 为舰船长度, m。综合考虑回声测深仪的偶然误差产生的原因, 大致有这几个方面: 电机运行不稳定、回声脉冲产生的波动、电压波动和电源频率的波动、测深仪刻度盘分划误差等等。这样, 测深仪测得深度的总修正量为上述各修正量总和:ΔHP=ΔHN+ΔHC+ΔHα+ΔHS+ΔHQ
随着船舶组合导航仪的普遍采用，驾驶员能否正确掌握个一起之间的误差原因，能有效地防止误差的产生，对船舶安全的航行起到非常大的作用。使用组合导航仪要注意
(1) 输入准确可靠的导航参数,如航向、航路点经纬度、陀螺罗经差、磁罗经差、风流压差;各仪器启动时的初始数据等;
(2) 要熟悉和掌握各仪器的原理与特性,熟练运用组合导航仪中各种仪器的功能,使各仪器工作在最佳状态。
(3) 要充分认识到组合导航仪各仪器的局限性,最好将定位数据、导航参数等数据进行比较分析,选择精度高和可靠性好的船位。
(4) 组合导航仪的报警功能比较齐全,但若使用不当,不但不能起到提醒和警示作用,还会引起使用人员的误解和干扰正常工作。因此,要特别注意报警参数的正确输入和报警功能的合理利用。
(5) 正确进行各仪器的切换,充分发挥组合导航仪仪器多功能全的优势,选取最佳的定位方式和导航方式。
