从船舶管理角度看船舶未来罗经的配置
吕革林 陈德
摘 要：通过对目前船舶的罗经配置现状分析，对比电罗经和光纤罗经工作原理，根据通导技术的发展和现在的实际情况，提出将来更加适航的罗经配置方式。
关键词：电罗经；光纤罗经；配置
1 现有船舶罗经配置分析
笔者从事船舶管理十余年，管理的船舶数量到目前为止为124艘。在这124艘船舶中，配单电罗经的船舶72艘，配双电罗经的51艘，还有一艘是配置单台电罗经和光纤罗经的。电罗经的配备，从造船时间来讲，2008年前出厂的新造船，几乎配备一套电罗经；2008年后出厂的远洋船舶，超过70%配两套电罗经。之所以有这个变化，主要是船舶对罗经越来越依赖，所以现在出厂的新造船，大多配置双罗经，互为备份，具体原因大概有以下4个：
（1）两台罗经互为备份，持续提供HEADING信号，保障航行安全。比如中国的长江、美国的密西西比河，航道长且窄，一旦没有准确的航向信号，航行安全是无法保障的。
（2）部分港口国在船舶靠离码头时，对电罗经要求比较严，电罗经一旦出现故障，必须在锚地修好后，才给予靠泊。本人管理的船舶，多艘在抵达澳大利亚PORT HEDLAND前，电罗经发生故障，AMSA要求必须修复，才给予靠码头。
（3）现在远洋船舶越来越多，罗经在国外的修理费用高昂。国外修理人工费大多按小时计，并且是从出门算到回办公室，因电罗经稳定时间长，还要产生加班费，再叠加交通、备件等费用，过萬美元修理一次是很常见的。发生过因锚地比较远，还要租直升机送工程人员上船的案例，这样花费就更加不可控制。
（4）船上其他设备如AUTO PILOT、ARPA、ECDIS、AIS、VDR等，需要航向信号，一旦罗经发生故障，会直接导致以上设备工作不正常。特别是AUTO PILOT没有可靠的HAEADING信号后，要改成手操舵，给船员增加很大额外工作量。HEADING信号丢失后，ARPA无法捕捉目标，AIS信息也不能在RADAR上显示。
基于上述原因，很多船公司配置了双套电罗经，相对于单罗经，这无疑更加适航。但是从目前通导技术发展和实际情况来看，笔者更倾向于电罗经加光纤罗经的配置方式。
下面简单分析两种罗经的工作原理，从不同的工作方式，我们可以明显看出两种罗经的优缺点。
2 电罗经工作原理及其误差分析
陀螺罗经俗称电罗经，电罗经的核心部件是陀螺仪。陀螺仪是一种悬挂着的绕着其对称轴（也称自转轴）作高速旋转的对称刚体。高速旋转的刚体为陀螺旋转部分，称为转子。转子的旋转轴为通过金属盘的对称中心并与盘面垂直的中心主惯量轴，简称为陀螺仪主轴。与主轴垂直并在转子平面内的主惯量的轴成为赤道轴，转子平面称为赤道面。
陀螺仪由基座、外环、外环轴、内环、内环轴、转子及转子轴等组成如图1所示。转子通过转子轴架在内环中间，内环又通过内环轴架于外环之间，外环通过外环轴装在基座上。陀螺转子可以自转，可以与内环一起绕内环轴转，又可以与外环一起绕外环轴转，所以陀螺转子相对于基座在空间有三个方向的转动，这样的陀螺就称为三自由度陀螺仪。
具有三个自由度的陀螺仪转子绕主轴高速旋转时，在没有受到外力力矩作用下，自由陀螺仪的主轴指向方向保持不变；即使受到瞬时的敲打，只能引起主轴相对初始方向发生一定的偏移，这轴现象称为自由陀螺仪主轴的稳定性，或称为定轴性。当转子让主轴高速旋转时，若在垂直于主轴上施加一外力，而产生沿水平轴方向的力矩时，则陀螺仪主轴的动量矩矢端以捷径向外力矩矢端运动，这种现象称为陀螺仪的主轴进动性。进动角度与外力矩大小成正比，与动量力矩大小成反比，一旦外力矩停止作用，则陀螺仪主轴的进动性随之消失。
三自由度的陀螺仪是电罗经的核心部分，用作稳定指向。根据陀螺仪的转子组成个数可以分成单转子电罗经和双转子电罗经。单转子电罗经多为扭力弹性（吊钢丝）悬挂方式，而双转子电罗经多为液浮悬挂支承。采用液浮悬挂支承方式，在垂直轴上引起的摩擦力矩很小，这样可以提高灵敏度，从而提高罗经的指向力矩。电罗经的陀螺仪随动装置，是为了消除陀螺电机运动时出现的附加干扰力矩，在电罗经结构中应增设随动部分，随动部分支撑着陀螺转子，并且跟随着陀螺仪运动，使陀螺转子与固定悬挂点运动的过程中保持着两者的相对位置，而悬挂点的摩擦力矩会对电罗经指示度数有影响。
由电罗经的组成结构和工作原理能够看出，电罗经会产生纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差等，致使电罗经出现一定的局限性。
（1）纬度误差：采用垂直轴阻尼法的电罗经，稳定时其主轴不是指向子午面，而是偏离子午面一个方位角，从而产生纬度误差。纬度越高，误差越大。
（2）速度误差：电罗经稳定位置都是建立在电罗经基座为静止状态。但是电罗经是随船运动，即基座不是静止的，基座运动使电罗经主轴的运动速度发生变化，从而引起罗经稳定位置发生变化，使电罗经产生速度误差。
（3）船舶作机动航行（变速或转向航行）时，所出现的惯性力对电罗经的影响引起的误差，称为冲击误差。惯性力作用在电罗经的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产生冲击误差，称为第二类冲击误差。
（4）船舶在风浪中摇摆是周期性的，摇摆时会有周期惯性力出现，这种惯性力作用在电罗经上，使电罗经产生的误差叫摇摆误差。电罗经的摇摆误差与其结构参数、罗经的安装位置、船舶摇摆姿态、船舶所在纬度和船舶摇摆方向等参数有关。特别是船舶沿隅点航向（045、135、225、315）航行且横摇时，摇摆误差最大。
3 光纤罗经工作原理
光纤罗经是由光纤陀螺组成的，光纤陀螺原理基于光学Sagnac效应。如图2、图3所示，在同一光学回路中， 沿顺时针方向（ CW） 、逆时针方向（ CCW） 传播的两束光，当回路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生相位差， 该相位差的大小与光回路的旋转速率成比例。
光纤罗经原理的实现如图3 所示 ， 从光源发出的光经分束器后分为两束， 分别沿顺时针方向及逆时针方向进入光纤环传输。在惯性参考系中， 当环形回路以角速度作顺时针旋转时， 由Fizeau 效应有：
式中 为正空中的波长。
从公式（4）可以得出，光在Sagnac效应中产生的光程差、相位差与旋转角速度成正比，只要通过光的干涉原理测出 后，就可以求出回路中的旋转角速度 ，再通过角速度的时间积分即可求得回路的转过的角度值。
实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积， 一般将总长度为L的光纤绕制成N匝直径为D的线圈， 则（4） 式可修正为：
式中： 为环形光纤回路所围的面积， 为光波波长。通过解调相位差 ， 就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度 。
船用光纤罗经采用三个光纤陀螺仪，其旋转轴分别与船的坐标系的三根轴相对应。安装时，尽量确保光纤罗经的x轴与船艏尾线平行，通过测量 、 和平面电子感应器输出的信号，能克服地球自转角速度的影响，实现自动找北、指北功能。另外还能分别提供橫摇、纵摇、航向旋转角度和角速率等船舶运动姿态信息，这些信息在船舶智能化和航海技术等方面有广阔的应用前景。
4 光纤罗经的优点分析
通过以上两种罗经工作原理的对比分析，可以明显看到，光纤罗经具有以下优点：
（1）稳定时间短。常见的电罗经启动到稳定时间一般在4～6个小时，而光纤罗经稳定只需要10分钟左右。
（2）快速转向误差小。电罗经在船舶转速超过6度/秒时，其提供的航向就无法跟踪船舶的真实航向，从而产生较大的航向误差；而光纤罗经最大转向速度可达200度/秒，完全满足快速转向的需要。
（3）避免产生冲击误差。电罗经在船舶机动航行时，惯性力作用于罗经，使罗经主轴在船舶机动过程中和机动终了后，一段时间偏离稳定位置，从而产生指向误差；光纤罗经由于原理上的优势，避免了冲击误差的产生。
（4）消除摇摆误差。船舶在海上航行时，由于风浪等原因发生摇摆，电罗经受到摇摆惯性力的影响，从而产生指向误差；而光纤罗经的惯性元件固定在载体上，避免了框架结构的原理缺陷，完全消除了摇摆产生的航向误差。
（5）除了提供航向信息外，同时能提供船舶其他信息，如横摇、纵摇角度和三个轴的角速率等运动信息。根据光纤罗经提供的船舶姿态信号，对航行中的船舶进行实时监控，以保证船舶安全。另外通过船舶纵、横摇的角速度，计算出货物对船舶结构、货物对货物之间的受力情况，及时采取措施，以避免对船舶、货物的损坏。
（6）工作的地理范围大。电罗经在南纬和北纬70度以上工作时，航向误差最大可达几十度。而光纤罗经在高纬度时使用极地算法，数字控制，较好地解决了这一问题，使航向误差控制在可接受范围内，为极地航行船舶提供了保障。
（7）日常保养。电罗经厂家要求一年做一次常规保养，如不执行的话，特别是有支撑液的设备，液体变浑浊，导电性变差，直接导致罗经指向不稳。电罗经陀螺寿命一般为3～4年，到期就需要更换，增加了运营和管理成本；而光纤罗经因其先天性的结构优势，无需日常维护保养，使用极其简便。
5 结束语
随着智能船舶的发展，光纤罗经技术不断成熟，成本不断降低，类似船舶姿态数据的开发提取，光纤罗经必将成为高可靠性和高精度的船舶动态数据源。
正如目前船舶GMDSS的 配置，IMO充分考量不同频段的传播特点，制定法规规定，GMDSS设备必须包括3个频段：VHF，MF/HF和海事卫星。根据通信的距离远近、实时气象和光波传输特点，相互补充，这种3个频段互为备份的配置，最大限度保障了通信的可靠性，并且以SOLAS公约方式规定下来，在全球范围内强制执行。笔者认为，同样道理，罗经配置也有它的科学性，如配两套都是靠高速旋转的陀螺而提供航向信号的电罗经互为备份，在目前的技术条件下，不如像前面强调的一样，电罗经和光纤罗经互为备份，更加科学，特别是随着北极航线的开发，这种配置尤为适航。
基于以上分析，笔者呼吁船舶将来罗经的配置，应该是一台电罗经，再加一台光纤罗经作为备份，这样的构架除了能更加保障船舶航行安全外，也更加经济、更加科学。
参考文献
[1] SPERRY MARINE NAVIGAT 2100.
[2] 邹友家等.船舶导航技术手册[M].上海交通大学出版社，2017.
摘 要：通过对目前船舶的罗经配置现状分析，对比电罗经和光纤罗经工作原理，根据通导技术的发展和现在的实际情况，提出将来更加适航的罗经配置方式。
关键词：电罗经；光纤罗经；配置
1 现有船舶罗经配置分析
笔者从事船舶管理十余年，管理的船舶数量到目前为止为124艘。在这124艘船舶中，配单电罗经的船舶72艘，配双电罗经的51艘，还有一艘是配置单台电罗经和光纤罗经的。电罗经的配备，从造船时间来讲，2008年前出厂的新造船，几乎配备一套电罗经；2008年后出厂的远洋船舶，超过70%配两套电罗经。之所以有这个变化，主要是船舶对罗经越来越依赖，所以现在出厂的新造船，大多配置双罗经，互为备份，具体原因大概有以下4个：
（1）两台罗经互为备份，持续提供HEADING信号，保障航行安全。比如中国的长江、美国的密西西比河，航道长且窄，一旦没有准确的航向信号，航行安全是无法保障的。
（2）部分港口国在船舶靠离码头时，对电罗经要求比较严，电罗经一旦出现故障，必须在锚地修好后，才给予靠泊。本人管理的船舶，多艘在抵达澳大利亚PORT HEDLAND前，电罗经发生故障，AMSA要求必须修复，才给予靠码头。
（3）现在远洋船舶越来越多，罗经在国外的修理费用高昂。国外修理人工费大多按小时计，并且是从出门算到回办公室，因电罗经稳定时间长，还要产生加班费，再叠加交通、备件等费用，过萬美元修理一次是很常见的。发生过因锚地比较远，还要租直升机送工程人员上船的案例，这样花费就更加不可控制。
（4）船上其他设备如AUTO PILOT、ARPA、ECDIS、AIS、VDR等，需要航向信号，一旦罗经发生故障，会直接导致以上设备工作不正常。特别是AUTO PILOT没有可靠的HAEADING信号后，要改成手操舵，给船员增加很大额外工作量。HEADING信号丢失后，ARPA无法捕捉目标，AIS信息也不能在RADAR上显示。
基于上述原因，很多船公司配置了双套电罗经，相对于单罗经，这无疑更加适航。但是从目前通导技术发展和实际情况来看，笔者更倾向于电罗经加光纤罗经的配置方式。
下面简单分析两种罗经的工作原理，从不同的工作方式，我们可以明显看出两种罗经的优缺点。
2 电罗经工作原理及其误差分析
陀螺罗经俗称电罗经，电罗经的核心部件是陀螺仪。陀螺仪是一种悬挂着的绕着其对称轴（也称自转轴）作高速旋转的对称刚体。高速旋转的刚体为陀螺旋转部分，称为转子。转子的旋转轴为通过金属盘的对称中心并与盘面垂直的中心主惯量轴，简称为陀螺仪主轴。与主轴垂直并在转子平面内的主惯量的轴成为赤道轴，转子平面称为赤道面。
陀螺仪由基座、外环、外环轴、内环、内环轴、转子及转子轴等组成如图1所示。转子通过转子轴架在内环中间，内环又通过内环轴架于外环之间，外环通过外环轴装在基座上。陀螺转子可以自转，可以与内环一起绕内环轴转，又可以与外环一起绕外环轴转，所以陀螺转子相对于基座在空间有三个方向的转动，这样的陀螺就称为三自由度陀螺仪。
具有三个自由度的陀螺仪转子绕主轴高速旋转时，在没有受到外力力矩作用下，自由陀螺仪的主轴指向方向保持不变；即使受到瞬时的敲打，只能引起主轴相对初始方向发生一定的偏移，这轴现象称为自由陀螺仪主轴的稳定性，或称为定轴性。当转子让主轴高速旋转时，若在垂直于主轴上施加一外力，而产生沿水平轴方向的力矩时，则陀螺仪主轴的动量矩矢端以捷径向外力矩矢端运动，这种现象称为陀螺仪的主轴进动性。进动角度与外力矩大小成正比，与动量力矩大小成反比，一旦外力矩停止作用，则陀螺仪主轴的进动性随之消失。
三自由度的陀螺仪是电罗经的核心部分，用作稳定指向。根据陀螺仪的转子组成个数可以分成单转子电罗经和双转子电罗经。单转子电罗经多为扭力弹性（吊钢丝）悬挂方式，而双转子电罗经多为液浮悬挂支承。采用液浮悬挂支承方式，在垂直轴上引起的摩擦力矩很小，这样可以提高灵敏度，从而提高罗经的指向力矩。电罗经的陀螺仪随动装置，是为了消除陀螺电机运动时出现的附加干扰力矩，在电罗经结构中应增设随动部分，随动部分支撑着陀螺转子，并且跟随着陀螺仪运动，使陀螺转子与固定悬挂点运动的过程中保持着两者的相对位置，而悬挂点的摩擦力矩会对电罗经指示度数有影响。
由电罗经的组成结构和工作原理能够看出，电罗经会产生纬度误差、速度误差、冲击误差、摇摆误差等，致使电罗经出现一定的局限性。
（1）纬度误差：采用垂直轴阻尼法的电罗经，稳定时其主轴不是指向子午面，而是偏离子午面一个方位角，从而产生纬度误差。纬度越高，误差越大。
（2）速度误差：电罗经稳定位置都是建立在电罗经基座为静止状态。但是电罗经是随船运动，即基座不是静止的，基座运动使电罗经主轴的运动速度发生变化，从而引起罗经稳定位置发生变化，使电罗经产生速度误差。
（3）船舶作机动航行（变速或转向航行）时，所出现的惯性力对电罗经的影响引起的误差，称为冲击误差。惯性力作用在电罗经的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产生冲击误差，称为第二类冲击误差。
（4）船舶在风浪中摇摆是周期性的，摇摆时会有周期惯性力出现，这种惯性力作用在电罗经上，使电罗经产生的误差叫摇摆误差。电罗经的摇摆误差与其结构参数、罗经的安装位置、船舶摇摆姿态、船舶所在纬度和船舶摇摆方向等参数有关。特别是船舶沿隅点航向（045、135、225、315）航行且横摇时，摇摆误差最大。
3 光纤罗经工作原理
光纤罗经是由光纤陀螺组成的，光纤陀螺原理基于光学Sagnac效应。如图2、图3所示，在同一光学回路中， 沿顺时针方向（ CW） 、逆时针方向（ CCW） 传播的两束光，当回路绕垂直于自身的轴转动时将使两束光产生相位差， 该相位差的大小与光回路的旋转速率成比例。
光纤罗经原理的实现如图3 所示 ， 从光源发出的光经分束器后分为两束， 分别沿顺时针方向及逆时针方向进入光纤环传输。在惯性参考系中， 当环形回路以角速度作顺时针旋转时， 由Fizeau 效应有：
式中 为正空中的波长。
从公式（4）可以得出，光在Sagnac效应中产生的光程差、相位差与旋转角速度成正比，只要通过光的干涉原理测出 后，就可以求出回路中的旋转角速度 ，再通过角速度的时间积分即可求得回路的转过的角度值。
实际上为了提高测量精度、减小陀螺体积， 一般将总长度为L的光纤绕制成N匝直径为D的线圈， 则（4） 式可修正为：
式中： 为环形光纤回路所围的面积， 为光波波长。通过解调相位差 ， 就可以利用上式求出陀螺的旋转角速度 。
船用光纤罗经采用三个光纤陀螺仪，其旋转轴分别与船的坐标系的三根轴相对应。安装时，尽量确保光纤罗经的x轴与船艏尾线平行，通过测量 、 和平面电子感应器输出的信号，能克服地球自转角速度的影响，实现自动找北、指北功能。另外还能分别提供橫摇、纵摇、航向旋转角度和角速率等船舶运动姿态信息，这些信息在船舶智能化和航海技术等方面有广阔的应用前景。
4 光纤罗经的优点分析
通过以上两种罗经工作原理的对比分析，可以明显看到，光纤罗经具有以下优点：
（1）稳定时间短。常见的电罗经启动到稳定时间一般在4～6个小时，而光纤罗经稳定只需要10分钟左右。
（2）快速转向误差小。电罗经在船舶转速超过6度/秒时，其提供的航向就无法跟踪船舶的真实航向，从而产生较大的航向误差；而光纤罗经最大转向速度可达200度/秒，完全满足快速转向的需要。
（3）避免产生冲击误差。电罗经在船舶机动航行时，惯性力作用于罗经，使罗经主轴在船舶机动过程中和机动终了后，一段时间偏离稳定位置，从而产生指向误差；光纤罗经由于原理上的优势，避免了冲击误差的产生。
（4）消除摇摆误差。船舶在海上航行时，由于风浪等原因发生摇摆，电罗经受到摇摆惯性力的影响，从而产生指向误差；而光纤罗经的惯性元件固定在载体上，避免了框架结构的原理缺陷，完全消除了摇摆产生的航向误差。
（5）除了提供航向信息外，同时能提供船舶其他信息，如横摇、纵摇角度和三个轴的角速率等运动信息。根据光纤罗经提供的船舶姿态信号，对航行中的船舶进行实时监控，以保证船舶安全。另外通过船舶纵、横摇的角速度，计算出货物对船舶结构、货物对货物之间的受力情况，及时采取措施，以避免对船舶、货物的损坏。
（6）工作的地理范围大。电罗经在南纬和北纬70度以上工作时，航向误差最大可达几十度。而光纤罗经在高纬度时使用极地算法，数字控制，较好地解决了这一问题，使航向误差控制在可接受范围内，为极地航行船舶提供了保障。
（7）日常保养。电罗经厂家要求一年做一次常规保养，如不执行的话，特别是有支撑液的设备，液体变浑浊，导电性变差，直接导致罗经指向不稳。电罗经陀螺寿命一般为3～4年，到期就需要更换，增加了运营和管理成本；而光纤罗经因其先天性的结构优势，无需日常维护保养，使用极其简便。
5 结束语
随着智能船舶的发展，光纤罗经技术不断成熟，成本不断降低，类似船舶姿态数据的开发提取，光纤罗经必将成为高可靠性和高精度的船舶动态数据源。
正如目前船舶GMDSS的 配置，IMO充分考量不同频段的传播特点，制定法规规定，GMDSS设备必须包括3个频段：VHF，MF/HF和海事卫星。根据通信的距离远近、实时气象和光波传输特点，相互补充，这种3个频段互为备份的配置，最大限度保障了通信的可靠性，并且以SOLAS公约方式规定下来，在全球范围内强制执行。笔者认为，同样道理，罗经配置也有它的科学性，如配两套都是靠高速旋转的陀螺而提供航向信号的电罗经互为备份，在目前的技术条件下，不如像前面强调的一样，电罗经和光纤罗经互为备份，更加科学，特别是随着北极航线的开发，这种配置尤为适航。
基于以上分析，笔者呼吁船舶将来罗经的配置，应该是一台电罗经，再加一台光纤罗经作为备份，这样的构架除了能更加保障船舶航行安全外，也更加经济、更加科学。
参考文献
[1] SPERRY MARINE NAVIGAT 2100.
[2] 邹友家等.船舶导航技术手册[M].上海交通大学出版社，2017.
