上海海事大学研究生航海仪器复习题

一、根据陀螺罗经的典型电路试进行分析，如：传向系统的基本构成、电路特色等，如何实现数字化？

A:以SperryMK37为例：

1）主要部分：E形力矩器：于垂直环东侧，校正速度、纬度误差。

电解液水准器：于垂直环顶部，用于检测陀螺球的倾斜角；自动校平。E状随动变压器：于垂直环西侧，与陀螺球上的衔铁相对应构成随动信号发生器

2）工作原理：

如上图所示，其随动系统由随动传感器、随动放大器和方位电机组成，传向系统则有步进式发送器、控制电路和步进式分罗经组成。当船舶转向时，由于位于垂直环上的随动变压器与位于陀螺球上的衔铁的相对位置发上失配，随动变压器即产生随动信号，经随动放大器放大后，输至方位电机，使其转动，并带动方位齿轮，随动环以及垂直环一起转动，当垂直环与陀螺球相对位置一致时，失配角消失，方位电机停止转动，此时罗经刻度盘指示出新的航向。同时，直接安装于方位电机上的步进式发送器也一起转动，输出航向信号，通过控制电路，在传向各个分罗经，复示主罗经的方向。

3）随动系统：

随动系统主要是确保随动部分在方位上准确地跟随灵动部分一起运动，同时确保把船舶航向精确地传递到各个分罗经。其由随动传感器，随动放大器和方位电机组成。随动传感器就是随动变压器．又称E形变压器，E形铁芯安装在垂直环的西侧，衔铁安装在陀螺球上与E形铁芯相对应的位置上。

图1 图2

图3 图4

图2：当垂直环与陀螺球之间在方位上的相对位置保持一致时，两次级绕组感应的电压相等，相位相反，信号电压U AB为零，没有随动信号输出。

图3：若垂直环与陀螺球之间在方位上偏离其正常位置，假设衔铁偏向E形铁芯A绕组一侧；则A绕组感应电压增大，而B绕组感应电压减小，于是便输出随动信号电压U AB，其大小为U A与U B二者之差，相位将与U A相同。

图4：若垂直环与陀螺球之间偏离其正常位詈和上述情况相反时，即衔铁向B 绕组移动： 此时UB>UA ，信号电压UAB 大小为UB 与UA 二者之差，相位将与UB 相同。

特点：随动传感器采用E 型变压器，随动信号的大小取决于衔铁偏离E 型铁芯中间的大小，随动信号的相位取决于衔铁偏离的方向。

4）传向系统：斯伯利MK37型罗经的传向系统为 (step by step)传向系统，步进式传向系统的原理图如下：

当主罗经航向变化时，方位电机带动步进发送器的遮光板转动。图示位置光电晶体管2,3同时导通，则控制电路2,3通路，接通步进电机的定子绕组光电晶体管2与3的电源电路，则2与3中同时有电流通过，其合成磁场吸引“I”字形软铁转子位于定子绕组2与3之间，分罗经航向刻度盘所指示航向与主罗经一致，当主罗经航向改变1°/6时，遮光板转过30°，此时只有光电晶体管3导通，经控制电路3是步进电机定子绕组3有电流通过，产生沿绕组3轴线的磁场吸引转子转动30°，并位于与绕组3的轴线相一致的位置，通过齿轮传动装置带动分罗经刻度盘亦转过1°/6，复示主罗经航向。

利用单片微机和数字滤波法对陀螺罗经航向信号进行数字化处理：采用单片微机作为主处理机, 以软件代替硬件进行计数和航向判别等数据处理.。

2.以现代水声导航仪器为例，如：测深仪、声相关计程仪和多普勒计程仪等，分析各自的工作原理。说明如何实现向水下发射超声波？显示方式有何改进建议。 1）测深仪工作原理：

2）声相关计程仪原理：

沿船底纵向等间距安装有前向接收换能器R f,发射换能器T, 以及后向接收换能器.Ra 。前后向换能器间距为S.发射换能器T 以一定的时间间隔垂直向海底发射超声波脉冲信号,假设在t=t1时刻，经海底发射回来的一部分超声波信号被前向接收换能器R f 所接收，如图(a)所示，经过时间间隔 τ，即t=t2时刻，回波被后向换能器Ra 所接收，船航行的位移为S/2,如图（b ）所示。由于两换能器接收的超声波所走过的路径完全一致，因此可认为这两个回波信号的包络幅值f1(t)和f2(t)形状完全相同，只是在时间上相差了一时间间隔τ，我们称这两个信号是互相关的，τ为相关延时，τ可以用下式表示： τ=1/2 *s/v v=1/2*s/τ，对航速积分,得到船舶的累计航程。 3）多普勒计程仪工作原理:

在船底安装一收发兼用的换能器O,以固定俯角θ向船首前下方海底发射频率为f0的超声波,超声波经海底反射后(海底可视为二次发射的声源),一小部分声波能量被换能器接受.显然,接收到的反射回波经历了二次多普勒频移,所以

在船底安装有能发射超声波的换能器A 和接收换能器B,A 与B 之间的距离为S,称之为基线.发射换能器A 以间歇的形式向水下发射频率为20—200KHZ 的超声波,超声波经海底一部分被反射,反射回来的一部分被接收换能器B 接收。如果能测出声波自发射至接收所经历的时间t,就可由下列公式求出水深。

H=D+h=D+22AO AM -=D+22()()2

2

ct s -

式中：H 为水面之海底的深度;D 为船舶吃水；h 为测量水深；s 为基线长度；C 为声波在海水中的传播速度，标准声速为1500m/s;t 为声波自发射至接收所经历的时间。 显然，只要求出t,即可求出水深H 。

多普勒频移△f为△f=2f0Vcosθ/C,可得V=C*△f/(2f0cosθ). C取1500m/s ,f0和发射俯角θ已知,只要测得△f,就可以算出V.再对V积分可得航程.

显示方式：在液晶显示屏上显示：

3. 多普勒计程仪中，用公式证明如何采用四波束（X型）、三波束（Y型）能实现船舶测量前进、后退和横移速度。1）X型

设发射频率f0和发射俯角θ（一般取60），四个发射器发射方向相互夹角为α=90

设船舶航行速度为v，方向向前为正，横荡速度为w，方向向右舷为正，垂荡速度为u，方向垂直向上为正。

Δf T1=2f0((vcos α-wsinα)cosθ-usinθ)/c

Δf T2=2f0((vcos α+wsinα)cosθ-usinθ)/c

Δf T3 =2f0((-vcos α+wsinα)cosθ-usinθ)/c

Δf T4=2f0((-vcos α-wsinα)cosθ-usinθ)/c

由上式可得纵向速度v的测速公式为：Δf v=Δf T2-Δf T3=4f0vcosαcosθ/c

。。。。。。。。。横向速度w。。。。。。。。。。。Δf w=Δf T2-Δf T1=4f0wsinαcosθ/c

2）Y型

设三条波束与海底平面的交角均为θ

设船舶航行速度为v，方向向前为正，横荡速度为w，方向向右舷为正，垂荡速度为u，方向垂直向上为正。

方向1:v

方向2:-vcosα+wsin αArray

方向3:-vcos α-ws in α

Δf1=2f0(vcos θ-usin θ)/c

Δf2=2f0[(-vcos α+wsin α)cos θ-usin θ]/c

Δf3 =2f0[(-vcos α-wsin α)cos θ-usin θ]/c

Δf2 +Δf3=2f0(-2vcos αcos θ- 2usin θ)/c

(Δf2 +Δf3)/2=2f0(-vcos αcos θ- usin θ)/c

Δf纵=Δf1- (Δf2 +Δf3)/2=2f0(vcos θ+ vcos αcos θ)/c

=2f0[vcos θ（1+cos α）]/c

Δf横=Δf2 -Δf3=2f0(2wsin α cos θ）/c

=4f0(wsin α cos θ）/c

可得，v=Δf纵c/[2f0 cos θ（1+cos α）]

w=Δf横c/(4f0sin α cos θ）

4. 分析GPS系统工作原理；包括卫星信号的调制及编码发射过程、接收机的信号接收过程等。画出各自的电路框图。

GPS工作原理：GPS卫星导航仪接收其视界内一组卫星的导航信号，从中取得卫星星历、时钟矫正参量、大气矫正

参量等数据，并且测量卫星信号的传播延时和多普勒頻移，根据卫星星历计算出卫星发射信号时的位置；根据卫星信号的传播延时和光速的乘积计算出卫星与用户的“距离”（由于各种误差的影响，此观测距离并非卫星到用户接收机的真实距离，含有各种误差，称为“伪距”），根据卫星信号的船舶延时、光速、多普勒頻移计算出用户的三维运行速度。若用户时钟无偏差，用户利用3颗卫星就可以得到以卫星为球心，以卫星到用户的距离为半径的三个球面，其交点就是用户的三维空间位置。然而，一般用户无精确的时钟，需要用第四颗卫星来估算出用户时钟偏差。