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1、为为什什么么要要研研究究磁罗经？磁罗经？引言引言当当今今，电电子子技技术术高高度度发发展展、助助航航仪仪器器与与导导航航设设备备的的自自动动化化程程度度在在不不断断提提高高、陀陀螺螺定定向向也也得得到到广广泛泛应应用用、电电罗罗经经普普遍遍使使用用，磁磁罗罗经经的的地地位位也也是是不不可可低低估估的的。船船舶舶在在海海上上航航行行，必必须须确确定定其其航航向向。目目前前船船舶舶上上均均使使用用罗罗经经这这种种指指向向仪仪器器，以以引引导导船船舶舶航航行行。SOLA S公公约约规规定定:150总总吨吨以以上上的的船船舶舶应应装装配配磁磁罗罗经经。船船舶舶规规范范，PSC的的检检查查都都免免不不了
2、了磁磁罗罗经经这这一一项项。由由此此可可见见，如如何何充充分分认认识识磁磁罗罗经经在在使使用用中中存存在在的的主主要要问问题题以以及及解解决决这这些些问问题题从从而而充充分分发发挥挥其其在在船船舶舶上上的的作作用用仍仍然然是是值得探讨的一个问题。值得探讨的一个问题。磁罗经的发现磁罗经的发现指指南南针针是是我我国国四四大大发发明明之之一一。据据中中外外学学者者考考证证，不不但但指指南南针针系系我我国国最最早发明，而且先于他国在航海上使用。早发明，而且先于他国在航海上使用。到到十十六六世世纪纪，制制造造出出装装于于箱箱体体内内的的液液体体磁磁罗罗经经，这这就就更更加加便便于于操操纵纵和和观观测测，
3、并并能能保保持持罗罗经经的的水水平平正正值值状状态态，防防止止了了摇摇摆摆，克克服服了了古古指指南南针针的弊病，保证了磁罗经的精度，成为航海的必备仪器。的弊病，保证了磁罗经的精度，成为航海的必备仪器。磁磁罗罗经经在在传传统统航航海海指指向向仪仪器器中中的的地地位位如何？如何？传统航海指向仪器的比较与发现传统航海指向仪器的比较与发现 目目前前，船船舶舶仍仍然然使使用用传传统统的的指指向向仪仪器器磁磁罗罗经经作作为为船船舶舶的的指指向向仪仪器器，或或使使用用磁磁罗罗经经和陀螺罗经共同作为船舶的指向仪器。和陀螺罗经共同作为船舶的指向仪器。 磁磁罗罗经经结结构构简简单单、性性能能可可靠靠、经经济济耐耐
4、用用、特特别别是是其其不不需需要要外外界界条条件件仅仅借借助助于于地地磁磁场场作作用用力力就就可独立工作。可独立工作。 陀陀螺螺罗罗经经不不但但为为船船舶舶航航行行提提供供精精确确的的向向位位，还还可可以以比比较较方方便便地地将将所所指指示示的的航航向向转转换换为为信信号号，非非常常方方便便地地传传输输到到船船舶舶上上需需要要向向位位的的位位置置，并并为为ARPA、电电子子海海图图、自自动动舵舵等等提提供供向向位位，可可以以说说是船舶自动航行所必须的指向仪器。是船舶自动航行所必须的指向仪器。陀螺罗经 磁罗经与陀螺罗经的比对磁罗经与陀螺罗经的比对由由于于陀陀螺螺罗罗经经结结构构复复杂杂，是是由由
5、众众多多的的机机械械器器件件和和电电器器器器件件组组成成的的。陀陀螺螺罗罗经经一一般般需需要要连连续续工工作作几几十十天天、几几个个月月甚甚至至几几年年，因因此此航航行行中中就就比比较较容容易易发发生生故故障障。有有时时即即使使是是发发生生一一个个很很小小的的故故障障，就就可可能使整台罗经错误指向或不能指向。能使整台罗经错误指向或不能指向。 相相比比之之下下，当当船船舶舶发发生生紧紧急急情情况况时时，在在一一些些特特定定条条件件下下，现现代代先先进进的的仪仪器器无无法法使使用用，而而原原始始的的、不不需需要要动动力力电电源源的的导导航航仪仪器器一一一一磁罗经往往能发挥出巨大作用。磁罗经往往能发
6、挥出巨大作用。因此，可以说磁罗经在因此，可以说磁罗经在 航海事业航海事业上的地位依然举足轻重。上的地位依然举足轻重。CLP-2B型操舵陀螺罗经型操舵陀螺罗经为为什什么么要要发发展展磁罗经？磁罗经？磁罗经在现代航海事业上磁罗经在现代航海事业上的局限的局限：1、自差影响指向精度、自差影响指向精度2、磁差影响船舶操纵、磁差影响船舶操纵3、磁罗经管理、磁罗经管理、使用不当易引发的问题使用不当易引发的问题1、自差影响指向精度、自差影响指向精度 磁磁罗罗经经是是利利用用地地磁磁场场对对磁磁针针具具有有吸吸引引力力的的现现象象而而制制成成的的一一种种航航海海指指向向仪仪器器。当当其其在在钢钢铁铁结结构构的的
7、船船舶舶上上使使用用时时，由由于于船船磁磁的的影影响响而而产产生生自自差差。因因为为自自差差是是随随着着船船舶舶所所在在磁磁纬纬度度、航航向向倾倾斜斜情情况况的的变化而变化的，因此造成磁罗经使用极大不便。变化而变化的，因此造成磁罗经使用极大不便。2、磁差影响船舶操纵、磁差影响船舶操纵1、 磁磁罗罗经经是是以以地地球球磁磁北北作作为为航航向向基基准准，由由于于磁磁北与真北地理位置不一致而造成磁差。北与真北地理位置不一致而造成磁差。2、将将磁磁航航向向转转换换为为真真航航向向需需要要利利用用换换算算公公式式进进行计算。行计算。3、另另外外，由由于于磁磁差差是是随随着着磁磁纬纬度度的的不不同同而而不
8、不同同，计算需要海图数据，计算需要海图数据，并且还要注意磁差的性质。并且还要注意磁差的性质。3、磁罗经管理使用不当易引发的、磁罗经管理使用不当易引发的问题问题 一一些些港港作作船船舶舶在在距距岸岸很很近近的的水水域域航航行行，经经常常利利用用罗罗经经观观测测陆陆标标、灯灯标标方方位位来来进进行行定定位位、导导航航，如如果果磁磁罗罗经经指指向向不不准准确确、误误差差太太大大将将影影响响定定位位精精度度，甚至发生错误导航，给船舶安全带来威胁。甚至发生错误导航，给船舶安全带来威胁。事故：事故：2006年年3月月20日日2130时时，隶隶属属于于浙浙江江温温岭岭市市长长安安海海运运有有限限公公司司的的
9、“长长安安119”轮轮在在进进营营口口老老港港航航行行至至12#灯灯浮浮时时，利利用用罗罗经经观观测测灯灯标标方方位位导导航航，因因罗罗经经没没有有按按归归定定校校正正自自差差，罗罗经经指指向向误误差差太太大大，引引航航员员对对情情况况估估计计不不足足，造造成成错错误误导导航航，船船舶舶搁搁浅浅在在营营口口港港区区12-13#灯灯浮浮之间的浅滩上。之间的浅滩上。4、各航海领域磁罗经的使用现状、各航海领域磁罗经的使用现状随随着着GPS,AIS_电电子子海海图图、多多功功能能雷雷达达等等仪仪器器被被船船舶舶广广泛泛使使用用以以来来，航航海海技技术术不不断断在在提提高高，航航海海事事业业得得到到迅迅
10、速速发发展展。在在电电子子航航海海仪仪器器越越来来越越被被广广泛泛应应用用，航航海海技技术术向向数数字字化化发发展展的的同同时时，传传统统磁磁罗经不被重视，管理疏忽，存在安全隐患。罗经不被重视，管理疏忽，存在安全隐患。怎怎样样发发展展磁磁罗罗经？经？对磁罗经技术在航海领域应用开发方面的展望对磁罗经技术在航海领域应用开发方面的展望 1、传统航海指向仪器的未来、传统航海指向仪器的未来 2、电子磁罗经、电子磁罗经 3、GPS罗经的崛起罗经的崛起 1、传统航海指向仪器的未来、传统航海指向仪器的未来1、采用数字技术处理磁罗经航向信号、采用数字技术处理磁罗经航向信号2、 提高陀螺仪的可靠性提高陀螺仪的可靠
11、性3、采用数字化技术处理和传输航向、采用数字化技术处理和传输航向4、增加罗经的自动监测功能、增加罗经的自动监测功能1、采用数字技术处理磁罗经航向信号、采用数字技术处理磁罗经航向信号 过过去去：以以前前的的磁磁罗罗经经复复示示器器多多采采用用电电磁磁感感应应式式或或光光电电二二极极管管式式转转换换航航向向信信号号，晶晶体体管管放放大大信信号号，精确度和可靠性都比较差。精确度和可靠性都比较差。现现在在：采采用用数数码码检检测测技技术术和和CPU处处理理航航向向信信号号，提提高高了了磁磁罗罗经经航航向向传传输输的的精精度度，还还可可以以将将磁磁差差和和自自差差消消除除，使使磁磁罗罗经经也也能能和和陀
12、陀螺螺罗罗经经一一样样，提提供供精确的向位并控制船舶自动航行。精确的向位并控制船舶自动航行。2、 提高陀螺仪的可靠性提高陀螺仪的可靠性 现现在在：船船用用陀陀螺螺罗罗经经使使用用的的陀陀螺螺仪仪(陀陀螺螺电电机机)，全全部部使使用用电电动动陀陀螺螺仪仪，工工作作时时转转子子必必须须高高速速旋旋转转，电电流流大大、机机械械磨磨损损大大、误误差差大、故障率高，寿命短。大、故障率高，寿命短。未未来来：可可用用体体积积小小、精精度度高高、寿寿命命长长的的激激光光陀陀螺螺仪仪或或性性能能更更好好的的陀陀螺螺仪仪代代替替现现在在使使用用的的电电动动陀陀螺螺仪仪，以以提提高高陀陀螺螺罗罗经经指指向向的的可靠
13、性和使用寿命。可靠性和使用寿命。3、采用数字化技术处理和传输航向采用数字化技术处理和传输航向现现在在：陀陀螺螺罗罗经经测测量量精精度度不不太太高高、故故障障率率高高，信信号号传传输输过过程程中中不不容容易易对对信信号号进进行行再再处处理理，影影响响了了传传输输到到其其他他仪仪器器的的航航向向精精度度及可靠性。及可靠性。未未来来：若若采采用用数数字字技技术术和和CPU电电路路，将将大大幅度提高航向传输的精度和可靠性。幅度提高航向传输的精度和可靠性。4、增加罗经的自动监测功能、增加罗经的自动监测功能未来：未来： 设设置置陀陀螺螺仪仪(球球)主主轴轴指指向向、主主罗罗经经指指向向、各各复复示示器器指
14、指向向、电电路路故故障障、主主要要元元器器件件故故障障和和指指向向误误差差等等的的自自动动监监测测功功能能，能能够够自自动动检检测测故故障障原原因因、位位置置，并并及及时时显显示示和和发发出出报报警警，告告知知使使用用人人员员，以以便便采采取取及及时时正正确确的应对措施。的应对措施。2、电子磁罗经、电子磁罗经电子磁罗经的电子磁罗经的核心部分核心部分是是磁性传感器磁性传感器。不不同同工工作作原原理理的的磁磁传传感感器器构构成成了了不不同同类类型型的的罗罗经经.目目前前在在航航海海上上应应用用的的磁磁性性传传感感器器的的种种类类很很多多，主主要要有有基基于于霍霍尔尔效效应应原原理理的的、磁磁通通门
15、门效效应应原原理理的的、磁磁阻阻效效应应原原理理的的和和巨巨磁磁电电阻阻效效应应原原理理的的传传感感器器.它它们们可可以以检检测测磁磁场场的的大大小小、方向，确定载体的角度、位置和位移等参量方向，确定载体的角度、位置和位移等参量。2. 1霍尔罗经霍尔罗经(Hall compass)2. 2磁磁 通通 门门 罗罗 经经 (Flux gate compass)2. 3磁阻磁阻(M R)罗经罗经2. 4巨磁电阻传感器巨磁电阻传感器霍尔罗经霍尔罗经(Hall compass)工作原理：工作原理：霍霍尔尔罗罗经经是是基基于于霍霍尔尔效效应应原原理理工工作作的的，在在半半导导体体薄薄片片上上若若沿沿X轴轴
16、方方向向通通入入电电流流，沿沿Y轴轴方方向向加加上上磁磁感感应应强强度度，则则电电流流与与磁磁感感应应强强度度相相垂垂直直.薄薄片片中中的的正正电电荷荷在在洛洛仑仑兹兹力力作作用用下下向向垂垂直直于于XY平平面面方方向向聚聚集集，结结果果在在薄薄片片的的上上下下表表面面形形成成正正负负电电荷荷的的积积累累，形形成成电势差，即霍尔电压电势差，即霍尔电压。霍尔器件工作原理示意图霍尔器件工作原理示意图霍尔器件优点：霍尔器件优点：1、 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压;2、 原原边边电电路路与与副副边边电电路路之之间间有有良良好好的的电电气气隔隔离离，隔隔离
17、离电电压可达压可达9600Vrms；3、精度高、精度高;4、线性度好：优于、线性度好：优于0.1%；5、宽带宽、宽带宽;6、测测量量范范围围：霍霍尔尔传传感感器器为为系系列列产产品品，电电流流测测量量可可达达50KA，电压测量可达，电压测量可达6400V。用途：用途：率先在潜艇部队得到广泛应用率先在潜艇部队得到广泛应用2. 2 磁通门罗经磁通门罗经工作原理：工作原理：磁磁通通门门传传感感器器是是利利用用被被测测磁磁场场中中高高导导磁磁铁铁芯芯在在交交变变磁磁场场的的饱饱和和激激励励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。磁通门传感
18、器工作原理图磁通门传感器工作原理图磁通门传感器特点磁通门传感器特点优点：优点：1、与其他类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨力高；、与其他类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨力高；2、测量弱磁场范围宽；、测量弱磁场范围宽；3、可靠、能够直接测量磁场的分量和适于在速运动系统中使用。、可靠、能够直接测量磁场的分量和适于在速运动系统中使用。缺陷：缺陷： 尺寸较大、响应时间长。尺寸较大、响应时间长。磁通门传感器用途：磁通门传感器用途：目前在海洋流向、风向、海洋浮标、海洋机器人目前在海洋流向、风向、海洋浮标、海洋机器人水下运动姿态、钻井及航海等方面的磁场测量中水下运动姿态、钻井及航海等方面的磁场测量
19、中得到广泛应用得到广泛应用2. 3 磁阻罗经磁阻罗经工作原理：工作原理：磁磁阻阻罗罗经经，它它是是基基于于铁铁磁磁材材料料具具有有磁磁阻阻效效应应的的原原理理工工作作.所所谓谓磁磁阻阻效效应应(M agnetoresistanc effect是是指指导导体体电电阻阻受受磁磁场场影影响响而而产产生生变变化化的的现现象象当当外外磁磁场场平平行行于于磁磁体体内内部部的的磁磁化化方方向向时时，磁磁体体电电阻阻几几乎乎不不随随外外磁磁场变化，场变化， 而而当当磁磁场场偏偏离离内内部部磁磁化化方方向向时时，则则电电阻阻减减小小.随随着着外外磁磁场场的的增增大大，电电阻阻急剧变化，当外磁场达到一定场强时，电
20、阻将趋向于饱和而基本不变。急剧变化，当外磁场达到一定场强时，电阻将趋向于饱和而基本不变。磁阻传感器工作原理图磁阻传感器工作原理图磁阻传感器有如下特点磁阻传感器有如下特点:1)磁阻传感器被集成芯片，尺寸小，可方便地装入插板产品中磁阻传感器被集成芯片，尺寸小，可方便地装入插板产品中.2)灵敏度高灵敏度高.由于内阻小，使其对电磁噪声和干扰不敏感由于内阻小，使其对电磁噪声和干扰不敏感.3)无转动等机械部件，无需日常保养，具有高度可靠性无转动等机械部件，无需日常保养，具有高度可靠性.4)成本低，价格便宜成本低，价格便宜.磁阻传感器用途磁阻传感器用途它们可应用在交通车辆、导航系统、实验仪器、它们可应用在交
21、通车辆、导航系统、实验仪器、医疗仪器、钻井设备、农业设备等领域。医疗仪器、钻井设备、农业设备等领域。2.4 巨磁电阻罗经巨磁电阻罗经工作原理：工作原理：所所谓谓巨巨磁磁电电阻阻效效应应是是一一种种磁磁致致电电阻阻效效应应，主主要要是是指指在在纳纳米米尺尺度度的的磁磁性性多多层层薄薄膜膜材材料料中中，当当磁磁场场作作用用于于磁磁性性多多层层膜膜中中自自旋旋导导电电电电子子时时，导致膜电阻发生很大的变化导致膜电阻发生很大的变化.巨磁传感器工作原理图巨磁传感器工作原理图巨磁传感器特点：巨磁传感器特点：1、体积小体积小；2、灵敏度高灵敏度高；3、线性范围宽线性范围宽4、可靠性高可靠性高5、成本低成本低
22、6、热稳定性好热稳定性好用途用途目目前前完完全全可可取取代代传传统统的的霍霍尔尔及及磁磁阻阻元元件件，广广泛泛应应用用在在信信息息、电电机机、电子电力、能源管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。电子电力、能源管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。电子罗经在航海上应用展望电子罗经在航海上应用展望 随随着着科科学学技技术术的的发发展展，数数字字磁磁罗罗经经作作为为导导航航仪仪器器或或姿姿态态传传感感器器，在在航航空空、航航天天、机机器器人人、航航海海、车车辆辆自自主主导导航航等等多多个个领领域域都都有有广广阔阔的的应用前景。应用前景。在在船船舶舶导导航航方方面面，在在实实际际使使用用中
23、中传传统统磁磁罗罗经经的的指指向向精精度度低低，读读数数较较为为困困难难且且其其所所测测得得的的航航向向信信号号不不能能直直接接输输入入其其它它仪仪器器，已已经经不不能能适适应应现现代代船船舶舶综综合合导导航航系系统统需需要要。而而如如果果在在船船舶舶上上使使用用数数字字磁磁罗罗经经取取代代传统磁罗经，完全可以克服传统磁罗经的这些缺点传统磁罗经，完全可以克服传统磁罗经的这些缺点。由由于于现现在在数数字字磁磁罗罗经经技技术术具具有有明明显显的的军军事事应应用用潜潜能能，在在很很多多国国家家高高精精度度的的数数字字罗罗经经多多为为军军用用，还还没没有有完完全全转转为为民民用用，而而且且数数字字磁磁
24、罗罗经经自自身身还还存存在在一一定定的的局局限限性性需需要要改改进进，例例如如响响应应时时间间太太长长，受受外外部部干干扰扰磁磁场场影影响响较较大大等等因因素素，因因此此数数字字磁磁罗罗经经技技术术还还需需要要一一定定的的时时间间和和进一步的完善，才能获得更为广泛的应用。进一步的完善，才能获得更为广泛的应用。3、GPS罗经罗经工作原理：工作原理： GPS罗罗经经一一般般由由GPS接接收收机机、数数据据处处理理器器(或或微微处处理理器器)和和显显示示器器三三个个部部分分组成。组成。GPS接收机用于接收来自接收机用于接收来自GPS卫星的导航数据。卫星的导航数据。数数据据处处理理器器则则是是根根据据
25、GPS罗罗经经导导航航算算法法模模型型和和动动态态实实时时解解算算整整周周模模糊糊度度算算法法，解解算算出出基基线线向向量量在在大大地地坐坐标标系系中中的的解解，继继而而得得到到运运动动载载体体的的方方位位角角、俯俯仰仰角角和和横横滚滚角角等等技技术术参参数数。采采用用惯惯性性陀陀螺螺的的三三维维偏偏向向参参数数，结结合合卫卫星星定定位精确指北数据进行循环修正，达到稳定指北的目的。位精确指北数据进行循环修正，达到稳定指北的目的。显示器则是显示处理器得出的相关技术参数。显示器则是显示处理器得出的相关技术参数。GPS罗经工作原理图罗经工作原理图GPS罗经特点罗经特点优优点点：GPS罗罗经经能能够够
26、快快速速准准确确地地指指出出航航向向且且不不受受磁磁场场强强度度和和漂漂移移误误差差的的影影响响，体体积积小小、精精度度高高、定定位位速速度度快快、易易安安装装、免维护、价格低廉免维护、价格低廉。缺缺陷陷：如如天天线线必必须须对对天天空空可可视视，保保持持卫卫星星信信号号无无遮遮挡挡;通通常常需需要要通通过过初初始始化化求求解解整整周周模模糊糊度度;姿姿态态测测量量操操作作时时，要要求求接接收收机机对对卫卫星星信信号号连连续续进进行行跟跟踪踪，如如果果卫卫星星失失锁锁太太多多、太太久久，则则需需要重新初始化整周模糊度，影响系统的实际使用。要重新初始化整周模糊度，影响系统的实际使用。GPS罗经用
27、途罗经用途GPS罗罗经经，通通常常也也称称作作卫卫星星罗罗经经，是是一一种种能能够够满满足足现现代代导导航航定定位位需需要要的的新新型型航航向向指指示示设设备备。它它可可与与雷雷达达、自自动动舵舵、电电子子海海图图、船船舶舶自自动动识识别别系系统统(AIS)、船船载载航航行行数数据据记记录录仪仪(VDR)、以以及及卫卫星星通通信信设设备备等共同完成航海导航和通信任务。等共同完成航海导航和通信任务。 结论结论 磁磁罗罗经经是是由由我我国国古古代代四四大大发发明明之之一一的的指指南南针针改改进进而而来来，是是中中华华民民族族的的瑰瑰宝宝，曾曾经经为为航航海海事事业业作作出出过过伟伟大大的的贡贡献献。虽虽然然随随着着航航海海仪仪器器向向数数字字化化发发展展，其其作作用用越越来来越越不不明明显显。然然而而当当许许多多危危急急情情况况发发生生时时，现现代代航航海海仪仪器器失失灵灵了了，不不需需要要任任何何外外界界条条件件的的磁磁罗罗经经往往往往能能发发挥挥巨巨大大作作用用。因因此此，我我们们必必须须端端正正思思想想，重重新新审审视视磁磁罗罗经经在在航航海海事事业业中中的的地地位位，提提高高对对磁磁罗罗经经重重要要性性的的认认识识，对对于于海海上上通航安全以及航海事业发展有着十分重要的意义。通航安全以及航海事业发展有着十分重要的意义。 谢谢！谢谢！
