航海仪器

1.简述什么是平衡陀螺仪，什么是自由陀螺仪？

答：3自由度陀螺仪的重心与中心点相重合，称为平衡陀螺仪。不受任何外力矩作用的平衡陀螺仪称为自由陀螺仪。

2.简述自由陀螺仪的定轴性。

答：在不受外力矩的作用时，高速旋转的自由陀螺仪主轴将保持它在空间的初始方向不变。 3.简述自由陀螺仪外力矩作用下主轴的进动规律。

答：在外力矩的作用下，陀螺仪主轴的动量矩矢端将以捷径趋向外力矩矢端。当动量距为一定值时，进动角速度的大小与外力距的大小成正比;当外力距为一定值时，进动角速度的大小与动量距的大小成反比.公式为：ωp=M/H 4．陀螺罗经如何克服地球自转角速度垂直分量的影响?

答：对陀螺仪水平轴施加一力矩MY，利用陀螺仪进动性从而抵消地球自转角速度垂直分量的作用效果，并满足ωPZ =MY/H=ω2

5 简述地球上自由陀螺仪的视运动的规律

答：北纬东偏 南纬西偏 东升西降 全球一样（除赤道外） 6 简述变自由陀螺仪为摆式罗经的两种方法。

实践中，一种方法是重心下移法,是将陀螺仪的重心沿垂直轴下移,使重心不与支架点O重合。另一方法是液体连通器法,在平衡陀螺仪上挂上盛有液体的容器，用以产生控制力矩 7 何谓罗经阻尼因数和阻尼周期?

阻尼因数f又称衰减因数,它表示主轴在方位角上减幅摆动过程的快慢程度。 阻尼周期Tn表示罗经作减幅摆动时,主轴作阻尼摆动一周所需的时间。 8 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？ 施加力矩指向不同（为了使主轴得到相同的进动方向） 9 安许茨系列陀螺罗经采用何种阻尼设备?

安许茨系列陀螺罗经采用液体连通器产生水平阻尼力矩。 10 Sperry系列陀螺罗经采用何种阻尼设备?

Sperry系列陀螺罗经采用阻尼重物产生垂直阻尼力矩。 11 摆式罗经减幅摆动的运动轨迹是什么曲线? 收敛螺旋线轨迹。

12 何谓水平轴阻尼法?它有何特点?

定义:由阻尼设备产生的阻尼力矩作用于陀螺仪的水平轴OY上而得名。

特点：不会引起罗经在稳态时产生附加方位角α偏差（αr＝0）,但阻尼装置的结构比较复杂。 13 何谓垂直轴阻尼法?它有何特点?

定义:由阻尼设备产生的阻尼力矩作用于罗经的垂直轴OZ上以实现阻尼的方法。 特点：产生纬度误差

14 何种系列的陀螺罗经产生纬度误差?为什么? 采用垂直轴阻尼法的陀螺罗经才会产生纬度误差，原因是该类陀螺罗经，其主轴指北端的稳定位置不在子午面内，而偏离子午面一个角度

15 陀螺罗经速度误差的产生原因是什么?

船舶作恒速恒向运动时，陀螺罗经主轴的稳定位置，与船速为零时主轴稳定位置二者方位不同。 16 陀螺罗经速度误差的校正方法有哪些? ①查表法 ②外补偿法 ③内补偿法 17 航行在北纬60°海区的某轮，以航速V＝30kn向正南航行，试计算此船陀螺罗经的速度误差和罗经的真航向。

V ° cosC?rv? 5 ? cos ? =-3.8°（负号代表东误差） TC = GC +?rv =176.2°

18 船舶机动航行时，陀螺罗经不产生第一类冲击误差的条件是什么?

船舶在设计纬度上机动时，等幅摆动周期为84.4min，不存在第一类冲击误差。

1

19 第二类冲击误差什么情况下不必消除？

第二类冲击误差的符号与第一类冲击误差相反，同时船舶航行在低于设计纬度上 20 船舶在哪些航向上航行时，陀螺罗经产生的摇摆误差最大?

船舶沿隅点航向(045、135、225、315)航行且横摇时,摇摆误差最大。 21 安许茨20型陀螺罗经随动信号灵敏元件是什么? P64 陀螺球

22 Sperry MK37型陀螺罗经的支撑方式？ P82 轴承与液浮混合

23 Sperry系列罗经的传向系统主要采用何种方式? P89 直流步进式传向系统。

24 Sperry系列罗经的随动信号的测量采用什么传感器? 随动变压器，又称E形变压器

25 阿玛--勃朗系列陀螺罗经灵敏部分组成之一扭丝的作用是什么?P100 1.消除滚珠轴承中所存在的摩擦力； 2.定陀螺球中心；

3.水平扭丝起到水平力矩器作用，垂直扭丝起到垂直力矩器作用。 26 阿玛--勃朗系列陀螺罗经随动信号的测量采用什么传感器? P104 安装在贮液缸南北轴缸壁处的陀螺位置敏感线圈和陀螺球上的电磁铁 27 回声测深仪最小测量深度和什么有关? P173

C? 由发射脉冲宽度τ决定，最小测量深度hmin，

hmin??750? 228 回声测深仪最大测量深度和脉冲重复周期有何关系? P173

2h

T?max C29 何为电致伸缩效应?该类换能器一般采用何种材料?

已极化的介电材料在外力的作用下，沿外力方向产生相对伸缩形变时，将引起其内部电场强度的变化；或是在外加电场的作用下，沿电场方向产生相对伸缩形变，上述现象统称为电致伸缩效应，该类换能器一般以压电陶瓷做材料

30声波在水中传播的速度与哪些因素有关?

密度和K压缩系数：即海水温度、含盐量、静压力。 31 回声测深仪换能器安装位置选择在船底何处最好? 换能器一般装于离船首1/2～1/3船长处 32 回声测深仪的测量误差主要有哪些?

回声探测仪的误差主要有：声速误差，时间电机转速误差，零点误差和基线误差。 33 船用计程仪分为几类?有何区别?

可分为相对计程仪和绝对计程仪两类。相对计程仪只能测量船舶相对于水的速度并累计航程，绝对计程仪可以测量船舶对地的速度并累计其航程。但是当测量水深超过其跟踪深度范围时，绝对计程仪便转换成为跟踪水层的相对计程仪。

34 何为多普勒效应？写出表达式。

多普勒效应是指：当声源与接受者之间存在相对运动时，接受者接受到的声波的频率和声源频率不同的现象。表

V达式：

?f?f0 C35 简述电磁计程仪的测速计程原理?

电磁计程仪的传感器根据法拉第电磁感应定律，将船舶相对水的运动速度转换为感应电势，从而产生航速信号

Eg?B~LV?10?8(V)?K?V

36 何谓三元多普勒计程仪? 有何用途?

2

除了再船首装置四波束换能器外，还在尾部安装一对向船尾左右方向发射波束的换能器，称为三元多普勒计程仪。这种仪器既可以测量船舶纵向速度，又能测量船首部和船尾部的横向速度，能反映船舶运动的全貌，通常用于大型或超大型船舶进出港，靠离码头和锚泊等作业中，可确保航行的安全。 37 船用多普勒计程仪为何要采用双波束向水下发射超声波?

为消除由于船舶上下颠簸和纵向摇摆产生的船舶在垂直方向上的运动速度。 38 简述声相关计程仪工作方式，为何可兼作测深仪?

声相关计程仪可工作于海底跟踪、水层跟踪两种方式。采用垂直向发射和接收超声波信号，同时可以测得信号发射和接收的时间差以及这段时间内的航程，利用水深测量公式即可算得水深。

?Ct??S?H?D?h?D??????

?2??2?39 何为地磁三要素?

地磁水平分量、地磁倾角与磁差。

40 如何检查磁罗经的灵敏度和罗盘磁性的大小？

灵敏度检查方法是用小磁铁将罗盘从原平衡位置向左引偏2°-3°，移去磁铁，让罗盘恢复其原位。再用同样方法，使罗盘向另一个方向上引偏2°-3°，视其能否回到原位。误差小于0.2°为正常

磁性检查方法是将罗盘搬至岸上无磁性干扰地方，使罗盘离地1m，转动罗盘使船首基线对准罗盘0°，然后用小磁铁将罗盘引偏40°，移去小磁铁，罗盘开始摆动，用秒表测量罗盘上0°两次通过船首基线的时间，左右各测一次取平均值，如果测得半周期比标准值大得多，则罗盘磁力减弱。误差在+1.5s以内正常 41 磁罗经为什么会产生自差？

磁罗经在岸上时只受地磁力作用，但装在钢铁船上后除首地磁力作用外，还受到永久船磁力与感应船磁力的共同作用。受此作用磁罗经磁针的北极偏离磁北的角度为磁罗经的自差。 42 船舶硬铁磁性与软铁磁性有何区别？

硬铁力是船舶在建造或长期停泊的时间内，船首长期朝着某一方向上，船上硬铁部分受地磁的磁化而变成磁体，其所获得磁性在相当长时间内是稳定的；软铁磁力是船上的软铁材料受地磁磁化而获得的磁性，其不具有保留性，随着磁场的变化而变化。

43 测定磁罗经自差的方法有哪几种? (至少两种)

1．利用天体（太阳）测定自差；2.利用叠标测定自差；3.利用比对航向测定自差。 44 简述倾斜自差产生的原因?

倾斜自差是由于船上有垂直船磁力作用于磁罗经，当船倾斜时垂直力在水平面上产生了一个高舷侧的分量，而使磁罗经产生了倾斜自差。

45 在校正磁罗经半圆自差时，为抵消P力的影响，航向多少?使用何种校正器校正? 磁东或磁西；磁棒

46 在校正磁罗经半圆自差时，为抵消Q力的影响，航向多少? 使用何种校正器校正? 磁北或磁南；磁棒

47在校正磁罗经象限自差时，航向多少? 使用何种校正器? 某个隅点磁航向；软铁球或软铁片盒

48 校完罗经自差后，为什么要测定8个罗经航向的剩余自差？

在自差消除中，不可能把每个航向上的自差都消除到零，总是还存在消除未尽的剩余自差，一般校正以后的自差标准罗经不超过3°、操舵罗经不超过5°。所以我们在8个主要航向上测定剩余自差。 49 罗兰C的台链名称为6780，则脉冲组重复周期是多少? 67800?s

50 罗兰C发射信号的相位编码的主要作用是什么?

消除前一脉冲高次天波对后一脉冲的干扰，接收设备便于实现对信号的自动搜索和自动识别主副台信号，还能起到改善信噪比、抑制连续波干扰的作用。

51为什么自动罗兰C信号接收跟踪点选择在30μs? 把30μs作为采样点，基于两点考虑：

3

22 1) 避免天波的干扰；

2) 该处的包络波形较陡，具有一定的幅值，便于接收机检测。 52 GPS导航系统由哪几部分组成?

由GPS导航卫星、地面站及用户设备三大部分组成。 53 卫星的无摄动轨道可以用哪几个参数来确定?

升交点赤经?、轨道倾角、近地点幅角、轨道长半径、轨道偏心率、平近点角 54 何谓GPS P码? 它是怎样产生的?

P码是一种连续、快速、长周期的伪随机二进制序列码，其频率为10.23MHz，电码周期为7天。产生：当C/A码锁定之后，通过卫星导航电文的转换字码的转换就可以获得P码。 55 何谓GPS CA码? 它是怎样产生的?

C/A码是一种低速、短周期的伪随机码，其频率为P码的1/10，即1.023MHz，其周期为1ms。

产生：C/A码属于GOLD码的PRN(伪随机噪声)系列，由G1和G2两个PRN序列产生，G1和G2实际上是两个10位的移位寄存器，序列长度1023。（网上资料） 56 GPS卫星频率有几种? 各为多少? 有2种：1575.42MHz和1227.60MHz

57 利用GPS定位至少需要几颗卫星? 为什么? 至少要3颗

原因：双曲线定位原理及就近原则 （参考）

58 GPS导航仪定位误差的大小与什么有关? 对于1ns的时间精度,大约相当于多少米的距离误差?

（1）几何误差：GDOP，精度几何因子，表示用户与卫星之间的几何关系对定位精度的影响大小。GDOP 越小，定位精度越高；GDOP越大，定位精度越差。 PDOP，三维定位精度几何因子。 HDOP，二维定位精度几何因子。 TDOP，时间精度几何因子； VDOP，垂直精度几何因子。

位置误差=伪测距误差（σ）*PDOP

水平位置误差=伪测距误差（σ）*HDOP 高程误差=伪测距误差（σ）*VDOP 钟差误差=伪测距误差（σ）*TDOP （2）伪测距误差

伪测距误差包括卫星误差、信号传播误差和导航仪误差。 （3）海图测地系误差

（4）GPS系统的“选择可用性”（SA-selective availability）政策

对于1ns的时间精度,大约相当于0.3米误差

59 何为HDOP？接收机上的HDOP为2，等效测伪距误差为8.6米,GPS定位误差为多少米? HDOP（horizontal DOP），二维定位精度几何因子。水平位置误差=伪测距误差（σ）*HDOP= 2*8.6=17.2

60 目前有哪几种差分GPS定位方法?(至少列出3种)

位置差分GPS、伪距差分GPS、相位平滑伪距差分GPS、载波相位差分GPS、广域差分GPS和广域增强系统。 二、问答题

1 描述在北纬某处下重式罗经减幅摆动的运动轨迹，分析其位于四个象限的线速度分量，并解释稳定位置的物理意义。 线速度 线速度运动规律 主轴偏于子午面之东，上升 主轴偏于子午面之西，下降 V1 4

V2 u2 主轴位于北纬，偏东 主轴位于南纬，偏西 主轴高于水平面，向西 主轴低于水平面，向东 主轴偏于子午面之东，向西 主轴偏于子午面之西，向东 u3MV1u3u2?r(西)H'u2V1V2u3V2u2u3?3?2V2u3u2?1V1H(东)V2V1M'

稳定位置为：

?r?0

?r??H?2

M?CH?2?r?

M?C? r 角。由于?r 的存在，阻尼器内的多余液体所产生的OY轴负稳定位置位于子午面内，相对于水平面抬高一个

向的阻尼力矩，减弱了作用于OY轴正向的重力控制力矩，所以主轴相对于水平的稳定位置必须比等幅摆动时再

抬高一些，以产生较大的重力控制力矩，在抵消了多余液体产生的阻尼力矩后，同样能使主轴的进动速度与子午面在空间的旋转速度相等。

2 描述在北纬某处液体连通器罗经减幅摆动的运动轨迹，分别标示出其位于四个象限的线速度分量，写出稳定位置的表达式，并分析其稳定位置的物理意义。 答： 线速度 V1 V2 U1 U2 线速度运动规律 主轴偏于子午面之东，上升 主轴偏于子午面之西，下降 主轴位于北纬，偏东 主轴位于南纬，偏西 主轴高于水平面，向西 主轴低于水平面，向东 主轴高于水平面，向下 主轴低于水平面，向上 5

M'V1u2?max?rV1u3V2?2u2u2V1V2V2u2V1u3u3u3V2u2V1u3V2V2H(东)V2u2?rM?1u3 稳定位置： ?r??MDtg? MH?2 M?r??因此，具有阻尼重物的液体连通器罗经主轴的稳定位置不仅存在一定的高度角?r ，而且在方位上也存在 ?r 角，即不在子午面内。在北纬为?r 负值，表示偏于子午面之东；在南纬 ?r 为正值，表示偏于子午面之西。

3 图示分析陀螺罗经速度误差的物理实质。 图见P45-46

当船速为零时，陀螺球主轴的稳定位置在如图所示的r点，其坐标为：

?r?0,?r??H?2

M?C作恒速恒向航行时，由于船舶存在着船速北向分量VN＝VcosC，角速度矢量指OW轴正向，即指西方。

主轴指北端即相对于水平面出现抬高的视运动，其线速度为：

V3?HVN Re为此主轴必须向西偏离子午面一个αrv角，以产生一个向下的视运动速度

?VsinC??V1?H????rv ?1?Re??当满足下列等式:

?VcosCVsinC?VcosC?? ??H??1???HrvrvRe?ecos??VsinCRe?Re??

6

4 简述双波束多普勒计程仪消除船舶上下颠簸误差的原理？ 朝船首向及船尾向波束的多普勒频移分别为：

2f02ff ?cossin?f2?0(?Vcos??usin?) ① ? (V ? ? u ? ) ②

C4f0Vcos?用①减去② 有 ?f??f1??f2?

CC上式称为双波束多普勒频移公式，由公式可知，船舶摇摆颠簸引起的垂向运动速度U的影响已完全被消除。

5 何为相对计程仪和绝对计程仪，各有什么特点？ （和简答题33题重复）

可分为相对计程仪和绝对计程仪两类。相对计程仪只能测量船舶相对于水的速度并累计航程，绝对计程仪可以测量船舶对地的速度并累计其航程。但是当测量水深超过其跟踪深度范围时，绝对计程仪便转换成为跟踪水层的相对计程仪。

6 叙述磁罗经在那些情况下需要测定和校正自差？ （1）新安装的磁罗经，或磁罗经位置搬移之后； （2）修船以后，不论大、中、小修；

（3）驾驶台或磁罗经附近的建筑物改建后；

（4）船舶受到剧烈的震动后，发现磁罗经自差有显著变化者； （5）船舶固定在某一航向停泊一个月以上； （6）装运大量磁性货物后；

（7）没有用软铁消除软半圆自差力和感应自差力的罗经，航行纬度变化 以上时； （8）正常情况下，罗经矫正自差后超过一年以上者； 7 简述ＧＰＳ导航系统的定位原理以及定位误差。 (1)测伪距:卫星到用户的距离：根据导航电文的编码信号（CA码或P码），测量信号从卫星传播到用户的时间（Δt），则用户（接收时刻）到卫星（发射时刻）的距离：r i* =C Δt

（2）位置线原理：用户若同时接收几颗GPS卫星信号，就可以同时求得几个（几条）空间圆球面或平面距离位置线，其距离位置线的交点就是用户的位置

（3）用户位置计算 ：GPS定位是GPS导航仪解伪距方程得到的。

（4）测速原理：测量卫星信号的多普勒频移，求得用户与卫星之间的伪距变化率，建立伪距变化率方程组，解方程组就可以得到用户的二维或三维速度。

8.简述DGPS的工作原理以及可以消除或减小那些误差。 DGPS (Differential GPS)：

是利用已精确知道三维坐标的差分GPS基准台，求出伪距修正量或位置修正量，将这个校正量实时或者事后送到用户GPS卫星导航仪，对用户的测量数据进行修正，提高GPS定位精度。 可减少的误差：

公共误差：卫星剩余钟差 星历表误差 电离层 SA

非公共误差：多径效应 导航仪噪声与量化误差 通道间偏差 9. 简述半圆自差消除原理及校正步骤： 校正原理

产生半圆自差有纵向力B′λH和横向力C′λH，即：

B??H?cZ?P

C??H?fZ?Q船舶罗经系数f≈0；cZ力在未知值的情况下可参考同类型船舶近似地放置适量的佛氏铁。使其近似为零。这样两个半圆自差力仅剩下两个硬铁力，即；

7

B??H?P

?C?H?Q抵消P、Q两力的方法通常采用爱利法，即在4个基点的磁航向000o、090o、180o、270o上直接观测自差，用水平纵、横校正磁铁分别抵消B′λH和C′λH力。

用爱利法消除半圆自差的方法就是在任意一个主磁航向上测出自差，首先全部消除，然后在相反航向上测出自差，消除一半，保留一半，具体的校正步骤如下：

(1)若磁航向从N开始，测出这个航向上的自差δN。然后在罗经柜中放置极性正确的横向磁铁或调整柜内横向磁铁与罗盘的距离，将δN消除为零。 (2)将船转过90o，稳定于磁航向E上，测出自差δE。在罗经柜中放置极性正确的纵向磁铁或调整柜内纵向磁铁与罗盘的距离，将δE消除为零。

(3)继续转向，稳定于磁航向S上，测出自差δS。调整横向磁铁，消除自差δS的一半，保留自差的一半。这样，横向硬铁力Q就被抵消了。

(4)再转向至磁航向W上，测出自差δW。调整纵向磁铁，消除自差δW的一半，保留自差的 一半。这样，纵向硬铁力P就被抵消了。

10. 画图说明测深仪的整机组成，并说明各部分的作用及工作过程： 回声测深仪的整机构成:

显示器：是整机的中枢部分，它的作用是控制和协调整机工作，测定声波自发射至接收的时间并将其变换为深度加以显示。 发射系统：它在显示器的触发脉冲控制下产生具有一定脉冲宽度、频率和输出功率的电振荡脉冲，并输至发射换能器以推动其工作。 换能器：是一个可逆声电能量转换器件，它将发射系统输出的电振荡脉冲转换为向水中发射的超声波振荡脉冲；同时，它亦将来自海底反射的超声振荡脉冲转换为电振荡信号。

接收系统：将来自换能器的微弱的回波信号加以放大、选择和处理后输至显示器。

电源设备：将船舶电源变为测深仪所需要的电源。

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