航海电子系统的复习思考 一、陀螺罗经的典型电路分析，如：传向系统、随动系统的基本构成、电路特色等。 以 Sperry 系列罗经为例： 随动系统由随动传感器、随动放大器、方位电机组成； 传向系统由步进式发送器、控制电路、步进式分罗经组成； 原理框图如下图所示电路特色：1.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； 2.传向系统采用直流步进式传向系统 二、在现代水声导航仪器中，如：测深仪、声相关计程仪和多普勒计程仪的工作原理。如 何实现向水下发射超声波？测深仪工作原理测深仪工作原理在船底安装有能发射超声波的换能器 A 和接受换能器 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 20200KHZ 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受换能器 B 接受.如果能测出声波自发射换能器 A 发射 至接受换能器 B 接受所经历的时间 t,即可求出水深. H=D+h=D+DA*DA-AM*AM=D+(ct/2)*(cr/2)-(s/2)(s/2) 声相关计程仪原理声相关计程仪原理沿船底纵向等间距安装有前后接受换能器 Bf,发射换能器 Bt,Ba 以及后向接受换能器.前后 向换能器间距为 S.发射换能器 Bt 以一定的时间间隔垂直向海底发射超声波脉冲信号,经海 底发射回来的一部分超声波信号被前向接收器换能器 Bf 和后向接受换能器 Ba 所接受.假设 船速为 V,t1 时刻,如(a)图,Bt 正好位于点 A 正上方,Bt 发射的脉冲信号经 A 点反射后被 Bf 接 受,经时间间隔 T 时,即 t2 时刻,船舶向前航行一小段航程.接受换能器 Ba 正好位于海底 A 点 正上方.此时 Bt 发射的脉冲信号经 A 点反射后刚好被 Ba 接受.Bf,Ba 均接受来自海底 A 点 反射回来的信号,在 t1,t2 时刻,两回波变化曲线几乎完全相同,经比对求出时间 T. T=S/2/V=S/(2V) 则 V=S/(2T),可对航速积分,得到船舶的累计航程.多普勒计程仪工作原理多普勒计程仪工作原理:在船底 O 处安装一收发兼用的换能器,以固定俯角 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,所以多普勒频移f 为 =2f0Vcos/C,可得V=C*f/(2f0cos). C 取 1500m/s f0 和发射俯角 已知,只要测得f,就可以算出 V.再对 V积分可得航程. 通过换能器向水下发射超声波三、多普勒计程仪中，用公式证明如何采用三个测速波速（Y 型）能实现船舶测量前进、 后退和横移速度。设三条波束与海底平面的交角均为 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:-vcos+wsin 方向 3:-vcos -wsin f1=2f0(vcos -usin )/c f2=2f0(-vcos +wsin )cos -usin /cf3 =2f0(-vcos -wsin )cos -usin /c f2 +f3=2f0(-2vcos cos - 2usin )/c (f2 +f3)/2=2f0(-vcos cos - usin )/c f 纵=f1- (f2 +f3)/2=2f0(vcos + vcos cos )/c=2f0vcos （1+cos ）/c f 横=f2 -f3=2f0(2wsin cos ）/c=4f0(wsin cos ）/c四、GPS 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。答：工作原理 GPS 是一种测距定位系统，利用测定高轨卫星信号的传播延时（电波在空间传播的时间） 和多普勒频移，计算出卫星与用户之间的距离、距离变化率，以精确测定用户位置（三维） 、 速度（三维） 、和时间参数。测定出用户到 3 颗卫星的距离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。 信号接收相关检测 数据检测 微处理器变频与中放 伪码，载波跟踪锁相环路 伪码与多普勒频移测量GPS 卫星导航仪，将接受到的 GPS 卫星信号进行变频、放大、宽带滤波变为中频信号后， 经过锁相环路相关检测，解调出伪随机码、载波及导航数据；测量出伪距离和 GPS 信号的 多普勒频移；计算出用户的位置、速度及其它所需要的信息。 （下面是调制及编码）转转90+L1载载频频 1575.42MhzC/A码码 1.023MhzNAV MSG 50hzP码码 10.23MhzL2载载频频 1227.80Mhz+XXL1波波段段L2波波段段分分析析： L1由由导导航航数数据据码码和和两两个个相相位位正正交交的的伪伪随随 机机噪噪声声码码P和和CA码码调调制制而而成成 L2仅仅有有导导航航数数据据码码和和P码码进进行行调调制制五、船载 AIS 设备的基本组成部分与传输的数据种类。答：（1）组成部分： 内置内置 GNSS 接收机接收机： 如 GPS，GLONASS，用来确定精确的 UTC 时间；它连接到自身的 GNSS 天线。 一般还有外接的 GNSS 设备。 如外接的 GNSS 位置信息丢失，AIS 将从内置 GNSS 获得位置和其它导航数据； 两个两个 VHF 接收机：接收机： 能同时在 AIS1 和 AIS2 频道同时接收数据； DSC 接收机接收机: 在 CH70 频道运行，接收轮询指令和其它该频道上的信息。 DSC 运行是自动的，不需要人工干预。 一个一个 VHF 发射机：发射机： 能运行在所以海上 VHF 频道；能应答 CH70 的协商资讯。 任何时候，AIS 只能在同时一个频道上发送，系统能自动选择正确的发射频道 （AIS1/AIS2/DSC70）一根一根 VHF 天线：天线： 发射机和三个接收机共同使用； VHF 天线和船上其它 VHF 分离； 数据处理系统：数据处理系统： 最小显示和键盘 MKD（2）依据用户相关性的数据类型分为五组： 静态数据：静态数据： 静态数据通常仅仅一次输入 AIS 系统 MMSI 海上移动服务识别码 Call sign & name 呼号 船名 IMO number IMO 号码 Length and beam 船长 与 船宽 Type of ship 船舶类型 Location of position-fixing antenna on the ship 定位天线位置 Height over keel 龙骨以上高度动态数据：动态数据： 动态数据信息通常根据船舶运动而变化 Ships position （with accuracy indication and integrity status） 船位 Time in UTC UTC 时间 Course over ground 对地航向 Speed over ground 对地速度 Heading 首向 Rate of turn 偏转率 Navigational status (e.g. NUC, at anchor, etc. manual input) 航行状态 航次相关数据：航次相关数据： 在每个航次开始或由变化时，手动输入 Ships draught 吃水 Hazardous cargo (type) 危险货物 Destination and ETA 目的地 ETA Optional - Route plan (waypoints) 计划航线 DG: (Dangerous Goods) 危险货物 HS: (Harmful Substances) 有害物质 MP: (Marine Pollutants) 海洋污染安全与安保相关消息：安全与安保相关消息： 所有 AIS 船载设备都能接收和发送安全与安保消息； 可采用对单个台站或广播式发送； 消息长度限制在 160 个字符内； 对单个台站（有地址信息）的消息，有一个自动应答反馈（对方完全收到或存在问题） ； 广播消息则没有自动应答；其它用户相关其它用户相关 AIS 消息：消息：