航海仪器课后解答
航海仪器课后复习题
第一章陀螺罗经
1.叙述陀螺仪的定义及其基本特性。
定义：工程上将高速旋转的对称刚体（转子）及其悬挂装置的总称叫做陀螺仪。基本特性：定轴性进动性
2.何谓平衡陀螺仪和自由陀螺仪？
平衡陀螺仪：陀螺仪的中心和其几何中心相重合的陀螺仪。
自由陀螺仪：不受任何外力矩作用的平衡陀螺仪。
4.位于地球上的自由陀螺仪的视运动有何规律？如何解释其物理实质？
自由陀螺仪在地球上的视运动规律：
北纬东偏南纬西偏，（偏转角速度为w2）东升西降南北一样（升降角速度为w1a）
物理实质：当地球自转时，在北纬子午面北点N向西偏转，由于陀螺仪的定轴性，主轴空间指向不变，跟地球一起运动的观察者看到主轴北端在不断向东偏转。同理在南纬，主轴指北端向西偏转。当陀螺仪主轴指北端偏离子午面以东时，受w1的影响，水平面东半平面下降，陀螺仪主轴的指北端相对水平面产生上升的视运动；当陀螺仪主轴的指北端偏离子午面以西时，由于水平面西半平面上升，陀螺仪主轴则产生下降视运动。
5.影响自由陀螺仪主轴不能稳定指北的主要矛盾是什么？克服该主要矛盾对自由陀螺仪影响的基本原则是什么？
W2是影响自由陀螺仪主轴不能指北的主要矛盾。克服该矛盾对自由陀螺仪影响的基本原则是利用陀螺仪的进动性，对陀螺仪水平轴施加一个外力M，使陀螺仪周周绕OZ轴进动，并满足 w’=M/H=w2
6.叙述变自由陀螺仪为摆式罗经的两种方法。
第一种是重力下移法。将陀螺仪的重心沿垂直轴下移，时重心不与支架中心O 重合，当主轴不水平时，产生控制力矩。根据这种方法制成的罗经称为下重式罗经。
第二种是水银器法或液体连通器法。在平衡陀螺仪上悬挂液体连通器，液体连通器中注入适量的高比重液体（如水银或其他化学溶剂），用以产生控制力矩。这类罗经一般被称为水银器罗经或称液体连通器罗经。
7.为何双转子摆式罗经与液体连通器罗经二者的动量矩H的指向不同？
由于地球自转，双转子摆式罗经主轴指北端偏离水平面后产生的重力控制力矩My使陀螺仪主轴指北端向子午面北端靠拢，自动找北。而液体连通器罗经随地球自转产生的控制力矩和双转子摆式罗经产生的控制力矩方向相反，要实现与双转子罗经同样的自动找北功能，只有两者动量矩H指向相反。
8.何谓水平轴阻尼法，它有何特点？
水平轴阻尼法是指压缩椭圆长轴的方法，阻尼力矩应施加于陀螺仪的水平轴上。特点：罗经稳定时主轴稳定在子午面，但阻尼装置的结构比较复杂，控制力矩与阻尼力矩之间的相位关系很难严格做到恰好相差π/2,所以阻尼效果会受到影响。
9.何谓垂直轴阻尼法，它有何特点？
垂直轴阻尼法即压缩椭圆短轴的方法，阻尼力矩应施加于陀螺仪的垂直轴上。特点：阻尼效果好，实现起来也比较方便，但使用垂直轴阻尼法的罗经会在稳态时产生一个附加的方位偏差，需要设置附加的补偿装置。
10.叙述双转子摆式罗经的指北原理。
双转子罗经具有定轴性和进动性，随着地球自转产生北纬东偏南纬西偏东升西降南北一样的视运动，在重力控制力矩的作用下主轴自动找北，在液体阻尼器产生的水平轴阻尼力矩作用下，主轴减幅摆动，此过程中主轴的高度角和方位角渐次衰减，最后抵达其稳定位置。
11.叙述液体连通器罗经的指北原理。
单转子罗经具有定轴性和进动性，随着地球自转产生北纬东偏南纬西偏东升西降南北一样的视运动，在重力控制力矩作用下主轴自动找北，在阻尼重物产生的垂直阻尼力矩作用下，主轴减幅摆动，此过程中主轴的高度角和方位角渐次衰减，最后抵达其稳定位置。
13.不同类型的陀螺罗经在指北原理方面有哪些共性？
1.都具有三个自由度，且都有视运动
2.都具有产生控制力矩的设备
3.都具有产生阻尼力矩使其稳定指北的设备
17.何谓纬度误差？该误差如何予以消除？
具有阻尼重物的液体连通器罗经，稳定后罗经主轴并不恰好位于子午面，而是偏离子午面一个角度α，当罗经的结构参数M、Md确定后，α角仅与地理纬度φ有关，古称为纬度误差。
消除方法：外补偿法、补偿法
18.何谓速度误差？它与哪些因素有关？如何消除?
船舶以恒速恒向运动时，陀螺罗经主轴的稳定位置与航速为零时主轴的稳定位置两者在方位上的夹角称为速度误差。速度误差与船舶航速、航向以及所在纬度有关，与罗经结构参数无关。
消除方法：查表法、外补偿法、补偿法
19.何谓冲击误差？何谓第一类冲击误差和第二类冲击误差？
船舶作机动（变速变向）航行时产生的惯性力对罗经作用引起罗经主轴偏离新的稳定位置形成的误差称为冲击误差。惯性力作用在陀螺罗经重力控制设备上而产生的冲击误差称为第一类冲击误差；惯性力作用在阻尼设备上而产生的冲击误差称为第二类冲击误差。
22.何谓摇摆误差？并简要说明安许茨系列罗经、斯伯利系列罗经和阿玛—勃朗系列罗经消减摇摆误差的措施。
摇摆误差是指船舶摇摆时呈周期性变化的惯性力作用于陀螺罗经的重力控制设备而产生的指向误差。
消减摇摆误差的措施：
1.安许茨系列罗经：在脱落球将单个转子变换为两个互成直角的陀螺转子，两个陀螺转子的动量矩形成的稳定面可使脱落球不随船舶一起摇摆。
2.斯伯利系列罗经：调整液体连通器液体的流动周期，使其远远大于船舶摇摆周期，从而有效地消减了摇摆误差。
3.阿玛—勃朗系列罗经：在敏感主轴高度角的电磁摆充满黏性很大的硅油，对摆锤进行强阻尼，使电磁摆不随船舶摇摆，从而减小了摇摆误差的影响。
35.试述安许茨系列陀螺罗经的结构特点。
双转子陀螺球、随动球、液体支承
36.简述安许茨4型陀螺罗经灵敏部分的结构和支承方式
安许茨4型陀螺罗经主罗经灵敏部分是一个直径为252mm，冲有氮气的密封陀螺球，球的重心垂直下移8mm，以达到产生下重式控制力矩的目的。球装有灯型支架，支架上方装有液体阻尼器，用于产生阻尼力矩。支架中间装有两个相同的陀螺马达，其产生的合成动量矩，用于指北找北。支架下方装有电磁上托线圈，通电后产生电磁上托力用于辅助液体共同支承陀螺球。
46试述斯伯利MK37型主罗经的灵敏部分和随动部分的主要部件及其作用（1）灵敏部分
灵敏部分由陀螺球，垂直环及其组件组成。陀螺球由中间环和东西两个半球壳组成。陀螺球充满氮气，装有一个陀螺马达；陀螺球通过上下垂直轴安装在垂直环；垂直环沿东西水平轴，水平地支承在叉形随动环上，陀螺转子自转轴、陀螺球垂直轴和垂直环水平轴构成了陀螺仪的三个自由度。
（2）随动部分
随动部分由叉形随动环、方位刻度盘和方位随动电机组成。叉形随动环通过垂直轴支承在支承板上与航向刻度盘相连，叉形随动环上面的方位齿轮和方位随动电机的齿轮相咬合。当陀螺球相对垂直环有方位变化时，产生随动信号，经放大器放大后驱动方位电机。在方位电机带动下，随动环和方位刻度盘可绕垂直轴作360°的转动。
58.阿玛—勃朗型陀螺罗经采用扭丝支承有哪些特点？
利用水平扭丝产生控制力矩，利用垂直扭丝产生垂直轴阻尼力矩
罗经部参数可调，具有快速稳定功能
第二章船用磁罗经
1.何为磁矩？其表达式是什么？何谓磁差、磁赤道及地磁三要素？
磁矩表示磁铁磁性的强弱，磁矩是同名磁量与两磁极间距离的乘积，表达式为M=2ml 。m 是磁极的磁量，2l 为两磁极间的距离。
磁差是磁子午面和地理子午面的水平夹角
磁赤道是地球表面磁倾角为零的各点的连线
地刺三要素：地刺水平力H 、磁倾角、磁差var
2.简述磁罗经种类、结构及主要部件作用。
根据罗盆有无液体可分为液体罗经和干罗经；根据罗经的用途可分为标准罗经、操舵罗经、救生艇罗经、应急罗经；根据罗盘直径分为190mm 型、165mm 型、130mm 型罗经
磁罗经由罗经柜、罗盆、自差校正器三部分组成。
罗经柜用来保护罗盆，使其避免风吹雨淋和安放消除的自差校正器
自差校正器用于消除软铁半圆自差、象限自差、半圆自差。
5.如何检查磁罗经的灵敏度和罗盘磁性大小？
检查灵敏度：在船停靠码头时，罗盘稳定，船上或岸上机械不工作的情况下，首先记下罗经基线所指的航向，然后用一小磁铁或铁器将罗盘从原来的平衡位置向左引偏2°~3°，移开小磁铁，观察罗盘能否返回原航向，然后再向右边做同样的检查，取其误差的平均值，若返回原航向的误差大于0.2°，则说明轴针与轴帽间的磨损较严重，需修理或更换。
检查罗盘磁性：通常检查磁针摆动半周期，罗盘处于稳定位置，用磁铁将罗盘从罗经基线引偏40°，移去磁铁，罗盘开始摆动，用秒表记下原航向值连续两次过基线的时间间隔，要求罗盘摆动周期应为2
1/2600H s
9.简述磁罗经九个软铁系数的大小和符号。
（1）软铁系数a 和e
船上罗经的软铁系数a 和e 符号均为负，数值较大，并且两者绝对值e ＞a
（2）软铁系数c
烟囱、天线、桅杆等垂直建筑物在罗经后方，所以c 为负值且较大
（3）软铁系数b 、d 、f 、h
商船构造及甲板设备都是左右对称的，因此装在船首尾面上的罗经的b 、d 、e 、f 四个软铁系数都是正负值同时存在，一般很小几乎等于零
（4）软铁系数k 和g
K 较大，一般为正值，g 一般较小，若驾驶台在船首或船尾时，其值可能大些，其符号随罗经安装位置确定
第三章 船用回声测深仪
1.试画图叙述回声测深仪的测深原理（图在课本P.87）
回声测深仪利用测量超声波从发射到被反射接收的时间间隔来确定水深。在船底装有发射超声波的发射换能器A 和接收超声波的接收换能器B ，A 和B 之间的距离为S ，S 称为基线。发射换能器A 以间歇方式向水下发射频率为20~200khz 的超声波脉冲，声波进海底反射后一部分能量被接收换能器B 接收。只要测出声波自发射到接收所经历的时间，根据下列公式可求出水深：H=D+h=D+)2()2(22S Ct 其中H 是水面到海底的深度，D 为船舶吃水，h 为测量水深，C 为声波在海水中的传播速度，标准声速1500m/s
2.画图说明回声测深仪的整机组成，并说明各部分的作用及整机工作过程（图在课本P.88）
回声测深仪整机由显示器、发射系统、电源设备、接收系统、发射换能器和接收换能器组成
显示器控制协调整机工作，测量声波往返时间并将其换算成水深加以显示
发射系统将显示器的发射指令变为一定脉冲宽度、频率和输出功率的电磁振荡脉冲去推动换能器工作
发射换能器将电磁振荡信号转变为机械振动信号，即将电能转换为声能，形成超声波向海底发射
接收换能器将从海底反射来的声波信号转变为电振荡信号，即将声能转换为电能 接收系统将来自接收换能器的回波信号加以适当地放大、选择和处理，变换为适合显示器的回波脉冲信号
工作过程：显示器的发射触发器按一定时间间隔T 产生触发脉冲，该脉冲触发发射系统产生一定宽度和一定输出功率的电振荡发射脉冲。发射换能器将电振荡发射脉冲转变为工作频率为20~200khz 的超声波脉冲向海底发射。在发射同时，显示器将产生与发射脉冲同步的零点信号，表示计时开始。接收换能器将来自海底的声波反射信号转变为电振荡接收脉冲信号，经接收系统放大、处理后形成回波信号送到显示器。显示器累计回波信号和零点信号间的时间间隔，并按深度公式转换为深度予以显示。
第四章 船用计程仪
2.叙述平面式电磁传感器的测速原理
当船以航速v 向前（或向后）航行时，则水流相对船的速度v 大小相等方向相反。由于海水可导电，可将流过两电极间的海水看做无数根运动的导体在切割磁力线，根据电磁感应原理，在电极a 、b 和海水形成的回路中将产生感应电动势Eg=BLv*10^-8 B 为交流磁感应强度，L 为两电极间距，v 为航速
3.画图叙述单波束多普勒计程仪的测速原理（图在课本P.104）
在船底部装置一个收发兼用的换能器O ，船舶以速度v 向前航行，换能器向海底发射频率为f0的超声波脉冲。声波束的发射方向与船舶速度方向成θ，θ一般取60°。换能器向海底发射的超声波经海底反射后一部分声波能量被换能器接收。发射点和接收点之间有相对位移，故换能器O 收到声波的频率和发射声波
的频率并不相同（又称为二次多普勒效应），测得的多普勒频移为△f=C
v f θcos 20 声波发射频率f0、船速v 及波束俯角θ均为已知量，只要测出△f 即可求出船速
第五章 卫星导航系统
3.试述GPS 卫星导航系统定位原理
GPS 卫星导航系统的定位由伪测距和定位解算实现
（1）伪测距
卫星信号传播到用户的过程中要进过电离层和对流层的折射，信号传播速度和路径发生变化，由此产生了信号传播延迟，带来用户测量时间的误差。因此GPS 接收机测得的距离不是用户到卫星的真距离，称为伪距离
（2）定位解算
GPS 接收机接受其视界一组卫星的导航信号，从中取得星历、时钟校正参量、大气校正参量等数据，并且测量卫星信号的多普勒频移和传播延时。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伪距离；根据卫星信号的传播延时、光速、多普勒频移计算出用户的三维运行速度
6.GPS 卫星导航系统定位误差主要包括哪些？伪测距误差包括哪些？
误差主要包括伪测距误差、几何误差、美国GPS 政策带来的误差、速度误差和海图标绘误差等。
伪测距误差包括卫星误差、信号传播误差及GPS 接收机误差
第六章 自动识别系统
6.船载AIS 设备静态信息有哪些？这些信息是在什么时候如何输入的？是否需要根据不同的航行环境而变更？
静态信息有MMSI 、呼号和船名、IMO 编号、船长和船宽、船舶类型、定位天线的位置
这些信息在AIS设备安装的时候以人工输入方式设定，在船舶买卖移交时需要重新设定，不需要根据航行环境的不同而变更
7.船载AIS设备发送的动态信息有哪些？这些信息来自于哪些传感器，是否能手动输入？其精度如何？
动态信息有船位、UTC时间、COG（对地航向）、SOG（对地航速）、船首向、航行状态、ROT（旋回速率）、首倾角、纵摇/横摇。这些信息来自于GPS、罗经、绝对计程仪等传感器，其精度一般显示为优于或劣于10 m。
8.船载AIS航次相关信息有哪些？输入时应注意哪些问题？
航次相关信息有船舶吃水、危险品货物、目的港/ETA、航线计划、开行前最大吃水、危险品货物种类、港口名和时间、转向点描述，以上信息都由驾驶员输入，随航次而更新。输入时应注意信息的有效性，输入港口名和时间、转向点描述时要经船长同意。
14.请详细叙述AIS工作模式。船舶在远离基站的大洋中航行，AIS通常在什么模式下工作？
（1）自主连续模式
此模式为系统缺省工作状态，不需要人员操作，适用于所有区域。此模式下，AIS设备按照TDMA协议自行确定广播时隙，并自动解决与其他台站在发射时间安排上的冲突，以系统设定的信息更新报告间隔，自动和连续播发本船信息。（2）分配模式
此模式是传播进入负责交通监控的主管机关正在实施交通控制区域时的一种工作模式，一般通过主管机关AIS基站覆盖实现。主管机关指定一个或多个在WGS—84坐标系下的东北角和西南角经纬度作为参考点的矩形区域，区域边界长度一般为20~200 n mile。在此区域的AIS设备运行的信道、收发模式、带宽、发射功率、时隙、信息更新报告间隔等都服从主管机关分配。主管机关一般在区域边界指定1~8 n mile（缺省为5n mile）的过渡区域，在过渡区域，信息报告更新间隔提高一倍。
（3）轮询模式
此模式也叫查询模式或控制模式。AIS设备在收到其他船舶或管理机关询问时，在与询问台相同的信道上单独响应询问的工作方式称为轮询模式。这种工作模式的优点在于，交通监控水域主管机关可通过AIS基站随时查询和更新所关心的船舶信息，提高这些船舶信息更新报告间隔。
船舶在远离基站的大洋中航行由于周围没有基站，AIS通常在自主连续模式下工作