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船载航行设备与系统

  五大仪器工作原理 雷达工作原理 雷达中频电源设备→触发电路→发射机→天线→接收机→收发开关→显示器 船电通过起动器进入雷达中频电源设备,为雷达提供具有一定频率、一定电压,稳压、 可靠的中频电源。触发电路每隔一定时间产生一个尖脉冲,为发射机、接收机和显示器提供 同步的信号。雷达发射机接收到触发脉冲信号后,由预调制器产生一个具有一定宽度、一定 幅度的正极性矩形脉冲,调制器产生一个一定宽度、一定幅度的负极性高压矩形脉冲,加给 磁控管。磁控管电磁振荡产生大功率超高频振荡脉冲,经过波导送到天线向外进行辐射。物 标反射回来的回波,按原路返回到天线,经收发开关传送到雷达接收机。雷达接收机接收到 脉冲回波信号后,通过变频、放大、检波转变成视频脉冲信号,送到雷达显示器。物标回波 在显示器上以距离扫描线上的加强亮点显示, 其中目标的距离、 方位是通过测量标志电路测 定的。 雷达显示方式 船用雷达的显示方式按代表本船的扫描中心在屏上的运动形式可分为两种: 相对运动显 示方式和真运动显示方式。 按照船首线的指向及所显示的物标方位, 船用雷达的显示方式又 可分为船首向上、真北向上及航向向上三种显示方式。 相对运动雷达显示方式。 一、相对运动雷达显示方式。 1.船首向上图像不稳相对运动显示 显示特点:1)扫描中心代表本船位置在屏上不动,船首线)船 首线指固定方位盘(圈)的零度并代表船首方向;3)本船转向时,船首线不动而物标回波 反转,图像留下一段弧形余辉。 局限: 只能直接测读相对方位, 欲定位还须加上航向,使用不便,也影响精度。 风浪天, 船首有偏荡时,图像模糊不清,观测不便,测量误差大。 应用:1)显示直观,便于判明目标位置;2)判断碰撞危险,需用作观测瞭 望。 2.真北向上图像稳定相对运动显示方式 显示特点:1)扫描中心代表本船位置在屏上不动,船首线°代表真北,船首线)本船转向时,回波不动,船首线对应移动。 局限:当航向在 090°-270°之间,特别是在 180°附近,观测不便,有时容易搞错 物标左右舷角,不利于避碰操作。 应用:便于测量物标的真方位,图像稳定,显示清晰,在定位及多改向窄航道航行时使 用方便。 3.航向向上图像稳定相对运动显示方式 显示特点(优点) :1)船首线指向屏上方,图像直观;2)可直接测得相对方位和线)本船转向时,船首线移向新航向值而物标回波不动,图像稳定。 应用:具有船首向上的直观显像,判明物标的位置;具有真北向上的图像稳定,直接读 取真方位。在避碰、定位和导航应用中均较方便。 二、线.真北向上线)扫描中心在屏上按计程仪或模拟计程仪输入的速度沿着船首向(航向)移动; 2)扫描中心的正上方代表真北,本船船首线)本船转向时,船首线移动,其 他物标不动;4)其它运动物标按各自的航向、航速移动,固定物标静止不动;5)雷达屏 幕上的图像显示的是相对静止的画面,如同海图一般,但可以根据本船的位置作漫游,偏心 显示可以使本船前方的区域更大。 2.对水稳定线)速度输入是对水速度,航向是陀螺罗经航向;本船的船首线)运动的物标按照它对水的速度和航向航行;3)随水漂流的物标(对水静止)在雷 达屏上是不动的,固定的物标(系留于地)在雷达屏上按照风流压的相反方向和速度移动, 运动物标(包括本船)的尾迹表示该物标的对水速度和航向。 3.对地稳定线)速度输入由双轴多普勒计程仪输入对地速度;2)本船(扫描中心)在屏上将 按实际的航迹向及对地速度移动, 本船的航向 (船首线指向) 与航迹向不一致, 有一个偏角, 即风流压差角;3)固定的物标(系留于地)在雷达屏上是不动的,运动的物标(包括本船) 按照它对地的速度和航向航行;4)雷达屏上显示的所有的物标相对与大地的位置变化。 比较与应用:1)在狭水道导航时用对地稳定真运动显示比较直观方便;2)在进行雷 比较与应用 达标绘、计算及判断碰撞危险、采取避碰措施时用对水稳定真运动比较方便、准确。 ARPA 数字式目标自动检测 在噪声和杂波干扰背景中识别目标的存在,称为“雷达信号检测” 。在 ARPA 中,信号 检测是在预处理后进行的, 杂波处理后的信号检测仍然是在剩余的杂波干扰背景中判别目标 是否存在,预处理只是改善了判别的条件。 目标录取 需要跟踪目标的选择及其跟踪的开始,称为 ARPA 的“目标录取” 。 目标录取的任务包括:目标的距离、方位数据;目标的属性、尺度数据的录取。 1.人工录取 优点:用可以按照危险程度作出先后录取的方案,一般先录取船首向、右舷、离本船近 的相遇船,录取目的性明确;运用观测经验,较容易在干扰背景中识别和录取目标。 缺点:录取操作过程费时间、速度慢,在多目标复杂情况下容易措手不及;如果观测疏 忽,可能漏掉危险目标;目标的运动态势及危险程度随时变化,需重复进行录取操作和连续 观测,值班驾驶员负担较重。 2.自动录取 优点:录取速度快,可应付多目标态势。 缺点:可能会造成虚假录取,误将干扰、陆地或岛屿当作目标录取;可能会漏掉在杂波 干扰区外的弱小目标;ARPA 的优先录取准则较简单,难以适应多目标且运动态势复杂的场 合,造成漏掉危险度较大的目标而酿成危险局面。 目标自动跟踪 观测目标位置的相继变化以建立其运动的方程,称为 ARPA 的“目标跟踪”。 目标跟踪的任务:利用目标运动的相关性,将离散的目标位置(点迹)数据分别连成各 目标的航迹,并判明其运动规律。 实现自动跟踪的方法有航迹外推和航迹相关两种。 影响自动跟踪性能的因素:1)α、β 取值对跟踪系统性能的影响;2)跟踪波门波门尺 寸对跟踪性能的影响。 自动跟踪的局限性:1 目标丢失:1)目标回波信号变弱 2)杂波干扰 3)目标大幅度快 速机动 4)雷达测量或 ARPA 书记处理环节出现特大误差 5)目标进入雷达阴影区域或被大 目标遮挡;2 误跟踪,即目标调换。 ARPA 的各种显示方式、特点及选用 的各种显示方式、 1.本船运动显示模式 本船运动显示模式 相对运动(R.M.)显示模式和真运动(T.M.)显示模式。用于船舶避碰的只能是对水 T.M.方式 2.图像指向显示模式 图像指向显示模式 图像指向显示可有船首向上、北向上和航向向上三种模式。 3.矢量显示模式 矢量显示模式 1)相对矢量模式 特点:本船无相对矢量,同速同向目标不显示 R.V;固定或运动目标显示 R.V;从本船 到目标 R.V 延长线的垂足为 CPA,目标航行至 CPA 的时间为 TCPA。 适用场合:R.V 显示模式可评估目标逼近本船的速度,估算 CPA、TCPA,评估相遇船 与本船有无碰撞危险。 2)真矢量显示模式 特点:本船与运动目标都显示 T.V,其长度比为速度比,可形成 0、1、2 个 PPC;固定 没有 T.V;如果固定目标显示 T.V 则是因为受到风、流的影响而产生的,此时为对水 T.M; 若目标的 CPA=0,则该目标 T.V 延长线与本船航向线的交点为 PPC;若本船和目标的 T.V 矢端重叠或离得很近,表示有碰撞危险;根据目标的 T.V 和真航迹可判断目标是否机动。 适用场合:因为 T.V.显示模式可让操作者直接在屏上观察目标真航向、真航速及目标 态势角,所以有助于作出正确的避让决策。 ARPA 的局限性 (1)ARPA 传感器的局限性; (2)自动检测的局限性; (3)录取的局限性; (4)跟踪 局限性; (5)报警的局限性; (6)安全判据的局限性; (7)ARPA 用于狭水道航行的局限 性 磁罗经自差产生的原因及校正的必要性和测定方法 磁罗经自差产生的原因及校正的必要性和测定方法 罗经的自差是由磁针所在位置的外磁场强度所决定,与磁针的磁矩无关。 罗经自差的产生主要由于船磁和地磁两方面的作用力而产生的:1.地磁的直接作用保持 罗经磁针稳定指向磁北;地磁的间接作用使船舶钢铁被磁化,又对罗经磁针产生作用力。 2.船舶在建造时,船上所有的硬铁被地磁场所磁化而具有永久磁性。3.船舶的软铁本身无磁 性, 但受到地磁的磁化后产生的磁场。 感应船磁对罗经的作用力的大小与磁化它的地磁力乘 正比。 如果船用磁罗经的自差很大而没有进行校正,航海人员就不能用 8 个罗经航向上观测 到的自差按自差公式来计算其它任意航向上的自差。也不能根据 8 个罗航向上的自差用简 单线性内插的方法来求取其它航向上的自差。自差较大的磁罗经是不能使用的。 船舶有下列情况之一者必须进行自差校正: (1)新安装磁罗经或磁罗经移动位置; (2) 修船之后; (3)船舶受到剧烈振动后,如碰撞、搁浅等; (4)驾驶室周围进行过大面积的 设备作业; (5)船舶在一个固定航向上停泊一个月及以上; (6)装运大量磁性货物卸货后; (7)标准罗经自差大于±3°;操舵罗经自差大于±5°; (8)船舶未定期(每年)校正磁 罗经自差。 从航海角度出发, 磁罗经自差测定方法主要有利用叠标方位测定自差和利用陀螺罗经比 对航向求自差两种方法。 测角器的工作原理 测角器是用于测定无线电信标方位角度(舷角或方位角)的装置,由正交的固定环状天 线与测角器组成的测角系统。 测角器是由两个相互垂直的固定场线圈和一个可绕中心轴转动 的寻向线圈组成。两个固定场线圈分别与对应的环状天线相连接。 假设被测电台发射电波的传播方向与纵向环 A 的夹角为 θ, 而与横向环 B 的夹角为 90° -θ。 两个环状天线中产生的感应电势分别为 V A ∝ cos θ 和 VB ∝ sin θ 。V A 和 VB 将在测角器 的固定场线圈中产生感应电流,因而产生的磁场 中产生的合成磁场为: 2 H 0 = H y + H x2 H y ∝ cos θ , H x ∝ sin θ 。在固定场线圈 ,则合成磁场的方向与电波的来向相等。因此只要 旋转寻向线圈并根据其输出的信号的强弱变化, 找出最小值即可确定无线电台的方位, 即测 到无线电发射台来波的“哑点” 。 单波道目测式无线电测向仪的工作原理 无线电测角器中的寻向线圈输出端的无线电测向信号经过一系列处理后输至扫描测角 器的旋转线圈, 在其固定线圈中所感应的电动势分别加在阴极射线管的两对偏转板上, 使荧 光屏出现一束与寻向线圈瞬时位置相对应的亮线,形成狭长的“螺旋桨”图形(“∞”字形图) , 浆尖指示刻度即为被测无线电信标的方位。当定边开关放在“定边”位置时(引入垂直天线) , 荧光屏上的“∞”字形方向图变成了心形方向性图,根据心形图及刻度盘上的箭头,可判断无 线电信标的方位。 伺服指针式无线电测向仪的工作原理 无线电测角器中的寻向线圈输出的无线电测向信号与垂直天线的信号叠加, 当寻向线圈 旋转时,叠加信号的幅度随方位的变化而呈现心形方向性图。叠加信号输入侍服电机,带动 寻向线圈和方位指针旋转,使得测角器向“零点”移动。到达“零点”时,寻向线圈中输出信号 的消失,侍服电机停止运动,方位指针指示出无线电信标的正确舷角读数。 GPS 卫星导航定位原理 GPS 卫星导航仪接收其视界内一组卫星信号,从中取得卫星星历、时钟校正参量、大 气校正参量等数据, 并且测量卫星信号的传播延时和多普勒频移。 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之间的“距 离”;根据卫星信号的传播延时、光速和多普勒频移计算出用户的三维运行速度。若用户始 终无偏差,利用 3 颗卫星可以得到以卫星为球心,以卫星到用户的距离为半径的 3 个球面, 其交点就是用户的三维空间位置。若用户始终不精确,需要利用第 4 颗卫星计算出用户的 时钟偏差。

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