Сервис
Техподдержка
ДокументыГирокомпасы на судах: принцип действия и использования
Гирокомпас — навигационный прибор, который указывает направление на истинный (географический) север с помощью быстро вращающегося гироскопа. В отличие от магнитного компаса, он не зависит от магнитного поля Земли и металла корпуса судна. Разбираем, как устроен гирокомпас, на каком физическом принципе он работает, какие у него бывают погрешности и чем механические гирокомпасы отличаются от оптоволоконных.
Что такое гирокомпас
Гирокомпас — основной курсоуказатель на морских судах. Он непрерывно определяет курс относительно истинного меридиана и передаёт его на репитеры на мостике и на другое навигационное оборудование: судовую РЛС, ЭКНИС, авторулевой, АИС и регистратор данных рейса.
Первый практически пригодный гирокомпас создал немецкий инженер Герман Аншютц-Кемпфе в 1908 году, через несколько лет свою конструкцию предложил американец Элмер Сперри. Уже к Первой мировой войне гирокомпасы стояли на крупных военных кораблях, а затем стали стандартом и для торгового флота.
Главное преимущество гирокомпаса — он показывает истинный, а не магнитный курс. Не нужно учитывать магнитное склонение и девиацию от стального корпуса и груза, а показания можно передавать на другие приборы в цифровом виде.
Принцип работы
Работа гирокомпаса основана на двух свойствах гироскопа — быстро вращающегося ротора:
Свободный гироскоп стремится сохранять направление оси вращения в пространстве, как бы ни поворачивалось основание, на котором он установлен.
Если к гироскопу приложить внешнюю силу, его ось поворачивается не в сторону силы, а под прямым углом к ней.
Сам по себе свободный гироскоп север не ищет: из-за вращения Земли его ось постепенно уходит от меридиана. Чтобы превратить гироскоп в компас, используют силу тяжести. Чувствительный элемент делают так, чтобы при отклонении оси от горизонта на него действовал момент силы тяжести — например, смещают центр тяжести вниз или используют жидкостные сосуды. Вращение Земли постоянно наклоняет ось, сила тяжести вызывает прецессию, и в результате ось гироскопа поворачивается к плоскости меридиана.
Без дополнительных мер ось совершала бы медленные колебания вокруг меридиана, поэтому в гирокомпасе есть система затухания, которая гасит их. После включения гирокомпас «приходит в меридиан» — этот процесс у механических приборов занимает от одного до нескольких часов. Поэтому гирокомпас включают заранее, до выхода в рейс.
Как курс передаётся на мостик
Чувствительный элемент — гиросфера — находится внутри следящей системы (в старых описаниях её называют «фантомом»). Когда судно поворачивает, корпус прибора поворачивается вместе с ним, а гиросфера сохраняет направление на север. Датчики фиксируют рассогласование, следящий двигатель доворачивает систему за гиросферой, а угол поворота преобразуется в сигнал курса. Раньше курс передавался на репитеры шаговыми импульсами, сейчас — в цифровом виде по протоколу NMEA 0183 или NMEA 2000.
Устройство гирокомпаса
Современная гирокомпасная система состоит из нескольких блоков:
Содержит чувствительный элемент — гиросферу с роторами — и следящую систему. Определяет направление истинного меридиана.
Включение и контроль системы, ввод широты и скорости для автоматических поправок, сигнализация о неисправностях.
Преобразует бортовое питание в нужные напряжение и частоту для роторов гироскопа и электроники.
Раздаёт сигнал курса на репитеры и навигационное оборудование: РЛС, ЭКНИС, авторулевой, АИС.
Повторители курса на посту управления, крыльях мостика и в румпельном отделении. Пеленгаторные репитеры позволяют брать пеленги на ориентиры.
Регистрирует курс судна во времени. Раньше запись велась на бумажную ленту, сейчас данные о курсе сохраняются в электронном виде, в том числе в регистраторе данных рейса.
На крупных судах часто ставят два гирокомпаса и систему автоматического переключения: при отказе одного курс без перерыва поступает от второго. Дополнительно в систему может входить магнитный компас с датчиком курса или спутниковый компас как резервный источник.
Погрешности гирокомпаса
Гирокомпас точнее магнитного, но и у него есть погрешности. Основные из них:
| Погрешность | Причина | Как компенсируется |
|---|---|---|
| Скоростная | Движение судна на север или юг складывается с вращением Земли, и прибор «видит» смещённый меридиан. На северных курсах ошибка западная, на южных — восточная, растёт с широтой и скоростью | Автоматически: в гирокомпас вводятся скорость (от лага или ГНСС) и широта |
| Широтная | Свойственна гирокомпасам с определённым типом системы затухания, зависит от широты | Ввод широты вручную или от приёмника ГНСС |
| Инерционная (баллистическая) | Ускорения при резком изменении скорости или курса вызывают ложную прецессию | Конструкцией прибора; после манёвра погрешность затухает |
| Погрешность на качке | Качка на промежуточных (интеркардинальных) курсах раскачивает чувствительный элемент | Конструкцией гиросферы — два ротора, жидкостный подвес |
Гирокомпас теряет точность в высоких широтах: ближе к полюсу горизонтальная составляющая вращения Земли, которая направляет ось на север, становится слишком мала. Выше примерно 70–75° погрешности заметно растут, а у полюса обычный гирокомпас работать не может. Для арктического плавания применяют специальные гирокомпасы и инерциальные системы.
Поправку гирокомпаса регулярно проверяют — по пеленгам створов, небесных светил или по спутниковому компасу — и записывают в судовой журнал.
Виды гирокомпасов
Классическая схема с вращающимися роторами в гиросфере. Проверены десятилетиями, но требуют регулярного обслуживания и замены гиросферы по ресурсу.
Вместо роторов — оптоволоконные гироскопы, которые измеряют вращение по разности хода лазерного луча. Нет движущихся частей, быстро приходят в меридиан, почти не требуют обслуживания.
Работают на том же оптическом принципе, но с кольцевыми лазерными гироскопами. Применяются в инерциальных навигационных системах военных и специальных судов.
Оптоволоконные и лазерные приборы часто объединяют функции гирокомпаса и датчика качки — они выдают не только курс, но и крен, дифферент и скорость поворота.
Отдельно стоит спутниковый компас. Он определяет курс по сигналам ГНСС, принятым несколькими разнесёнными антеннами, без гироскопа. Такой прибор быстро включается и не требует ввода поправок, но зависит от приёма спутниковых сигналов, поэтому на судах под СОЛАС гирокомпас не заменяет.
Гирокомпас и магнитный компас: в чём разница
| Гирокомпас | Магнитный компас | |
|---|---|---|
| Указывает на | Истинный (географический) север | Магнитный север |
| Влияние металла и магнитных полей | Не влияют | Девиация от корпуса, груза и электрооборудования |
| Питание | Нужно электропитание | Работает без питания |
| Готовность | Приходит в меридиан от нескольких минут до нескольких часов | Работает сразу |
| Передача курса на другие приборы | Да, в цифровом виде | Только с дополнительным датчиком |
| Высокие широты | Точность падает вблизи полюсов | Ненадёжен вблизи магнитных полюсов |
Поэтому на судах приборы дополняют друг друга: гирокомпас — основной курсоуказатель, а магнитный компас — резервный, который работает даже при полном обесточивании.
Каким судам нужен гирокомпас
По правилу V/19 Конвенции СОЛАС гирокомпас обязателен на судах валовой вместимостью 500 и более. Вместе с ним требуются репитер курса на аварийном посту управления рулём и пеленгаторные репитеры для взятия пеленгов на 360°. Судам вместимостью от 300 до 500 достаточно устройства передачи курса (THD) — например, магнитного компаса с электронным датчиком. Для судов, не подпадающих под СОЛАС, состав навигационного оборудования определяют правила РМРС и РКО в зависимости от типа и района плавания судна.
Механические и оптоволоконные гирокомпасы, репитеры, монтаж и сервисное обслуживание.
Частые вопросы
Что такое гирокомпас простыми словами?
Это прибор, который показывает направление на географический север с помощью быстро вращающегося гироскопа. Он не зависит от магнитного поля Земли и металла корпуса судна, поэтому точнее магнитного компаса.
Почему гирокомпас показывает на истинный север?
Вращение Земли постоянно отклоняет ось гироскопа, а сила тяжести через прецессию возвращает её к плоскости меридиана. В результате ось устанавливается по линии «север — юг» географического меридиана.
Сколько времени гирокомпас приходит в меридиан?
Механическим гирокомпасам обычно нужно от одного до нескольких часов после включения. Оптоволоконные приборы готовы к работе значительно быстрее.
Почему гирокомпас плохо работает у полюса?
Гирокомпас использует горизонтальную составляющую вращения Земли, а вблизи полюса она становится слишком малой. Поэтому в высоких широтах погрешности растут, а у самого полюса обычный гирокомпас не работает.
Кто изобрёл гирокомпас?
Первый практически пригодный гирокомпас создал Герман Аншютц-Кемпфе в 1908 году. Вскоре свою конструкцию предложил Элмер Сперри.
.png)
