Xác định hệ số độ lệch B và C của la bàn từ hàng hải khi tàu hành trình

Nội dung text: Xác định hệ số độ lệch B và C của la bàn từ hàng hải khi tàu hành trình

1. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐỘ LỆCH B VÀ C CỦA LA BÀN TỪ HÀNG HẢI KHI TÀU HÀNH TRÌNH FINDING THE DEVIATION COEFFICINTS B AND C OF MAGNETIC COMPASS WHEN THE VESSEL SAILS IN HER ROUTE NGUYỄN VĂN SƯỚNG Khoa Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: nguyenvansuong@vimaru.edu.vn Tóm tắt overcome this problem, the magnetic compass La bàn từ Hàng hải là một thiết bị quan trọng deviation caused by semicircle forces (B, and C) được sử dụng để chỉ báo hướng đi của tàu. Để can be corrected, then making the new deviation đảm bảo các yêu cầu về an toàn hàng hải, la bàn table with new coefficients (B, and C) and keeping từ Hàng hải cần được hiệu chỉnh độ lệch và lập former ones (A, D, and E). In this study, a simple bảng độ lệch còn lại trước khi tàu vào khai thác. means to determine the compass coefficints (B, Theo lý thuyết, khi tàu thay đổi vĩ độ đáng kể so and C) when the ship are sailing her route. This với vĩ độ nơi la bàn từ được hiệu chỉnh, hoặc vận method can be seen as a simple refference for the chuyển quặng thép thì lực gây ra độ lệch thay đổi theory of marine magnetic compass. làm cho la bàn từ có thể bị lệch đáng kể so với la Keywords: Marine magnetic compass, compass bàn điện. Khi tàu hành trình thay đổi vĩ độ hoạt deviation table, semicircle deviation coefficient, động, các lực bán vòng (B, và C) thay đổi nhiều ship underway. hơn so với các lực A, D, và E. Để giải quyết vấn đề này, các độ lệch la bàn từ do các lực bán vòng 1. Đặt vấn đề (B, và C) gây ra được hiệu chỉnh và lập lại bảng La bàn từ Hàng hải là một thiết bị quan trọng độ lệch la bàn với các hệ số (B, và C) mới với được sử dụng để chỉ báo hướng đi của tàu, cùng với đồng thời giữ nguyên các hệ số (A, D, và E). la bàn con quay thiết bị này được yêu cầu lắp đặt trên Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp đơn các tàu biển theo quy định của Tổ chức Hàng hải Thế giản để xác định hệ số la bàn từ (B, và C) khi tàu giới để đảm bảo an toàn hàng hải. Mặc dù độ chính không cao như la bàn điện, nhưng la bàn từ hoạt đang hành trình. Phương pháp này có thể coi như động dựa trên nguyên lý từ trường trái đất, nên la một tham khảo cho lý thuyết la bàn từ Hàng hải. bàn từ Hàng hải luôn được coi là thiết bị dự phòng Từ khóa: La bàn từ Hàng hải, bảng độ lệch la khi la bàn điện gặp sự cố mất điện không hoạt động bàn, hệ số độ lệch bán vòng, tàu đang hành trình. được. Thông thường, la bàn từ được khử độ lệch và Abstract lập bảng độ lệch còn lại trước khi tàu được đưa vào Marine magnetic compass is an important khai thác. Để lập bảng độ lệch la bàn từ Hàng hải thì equipment which is used to indicate the ship’s tàu cần phải được điều động quay trên 8 hướng chính course. To ensure the requirerments of maritime (N, S, E, W, NE, NW, SE và SW) khác nhau và ghi safety, magnetic compass needs to be corrected to lại độ lệch của la bàn từ với la bàn điện trên 8 hướng compensate the deviation between magnetic đặc biệt đó [2]. Tuy nhiên, khi tàu đang hành hải trên compass and Gyro compass and then the magnetic biển, việc điều động con tàu quay đủ 8 hướng chính compass deviation table is also made before để xác định độ lệch của la bàn từ với la bàn điện đôi operating the ship. Theorically, when the latitude khi có thể bị hạn chế. Để khắc phục việc cần thiết of ship are significantly different with those in a phải quan sát độ lệch la bàn trên 8 hướng chính, trong nghiên cứu [3] đã đề xuất phương pháp tính port where magnetic compass is corrected to toán sử dụng kỹ thuật bình phương nhỏ nhất để tính compensate the deviation or when the ship carries toán hệ số độ lệch la bàn từ mà không cần quan sát the iron, then deflected forces have a tendency to độ lệch la bàn trên các hướng chính đó. change and cause the deviation in magnetic Tuy nhiên, trong Hàng hải nhiều khi quan sát compass compared to gyro compass. When the thấy độ lệch la bàn từ với la bàn điện có thể lớn đến ship sails in her route, forces (B, and C) change cả chục độ khi tàu thay đổi vĩ độ hoạt động đáng kể significantly compared to others (A, D, and E). To so với nơi la bàn từ được khử độ lệch hoặc vận 16 SỐ 66 (4-2021)
2. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY chuyển quặng thép [2]. Thực tế cho thấy, khi địa từ tin liên quan đến việc hiệu chỉnh la bàn như: số thanh trường nơi tàu hoạt động thay đổi so với địa từ nam châm cũng như vị trí của nó để khử các độ lệch trường nơi mà tàu được hiệu chỉnh la bàn lần gần bán vòng, số lá thép trong các hộp sắt non, thanh sắt nhất, hoặc khi thay đổi vĩ độ từ làm cho phân lực địa Flinder, các hệ số độ lệch (A, B, C, D, và E), và từ trường theo hướng thằng đứng (Z) thay đổi làm đường cong biểu diễn độ lệch la bàn từ trên tất cả các cho các lực bán vòng (B, và C) thay đổi nhiều hơn so hướng sau khi đã hiệu chỉnh là bàn từ. với các lực cố định hoặc lực phần tư vòng (A, D, và Để xác định các hệ số độ lệch của la bàn từ, công E). Trong trường hợp đó, thuyền viên trên tàu có thể thức độ lệch cơ bản trong [2] được sử dụng, công khử các độ lệch la bàn từ do các lực bán vòng (B, và thức độ lệch la bàn từ được viết dưới dạng sau: C) gây ra và lập lại bảng độ lệch mới với việc giữ  = A + BsinHL + CcosHL + Dsin2HL + Ecos2HL (1) nguyên các hệ số độ lệch cố định và độ lệch phần tư Để có thể xác định được độ lệch la bàn từ trên vòng (A, D, và E). Các vấn đề này đã được đề cập mọi hướng khác nhau, trước tiên cần quan sát và ghi trong các nghiên cứu [4, 5]. Trong các nghiên cứu lại độ lệch la bàn từ trên 8 hướng chính sau đó thay này, các tác giả đề xuất các phương pháp để xác định vào phương trình (1) để tính các hệ số độ lệch la bàn hệ số độ lệch B, và C chỉ cần quan sát trên một (A, B, C, D, và E). hướng bất kỳ. Tuy nhiên, lý thuyết của các phương Quan sát độ lệch còn lại không thể khử hết trên 8 pháp này yêu cầu phải sử dụng máy đo từ lực, do đó phức tạp về mặt nguyên lý và rất khó có thể thực hướng: N, NE, E, SE, S, SW, W và NW. Thay vào công thức độ lệch cơ bản tương ứng với 8 hướng như hiện bởi thuyền viên trên tàu. sau: Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất một cách 0 thức đơn giản để xác định hệ số độ lệch la bàn từ (B HL = 0 => 0 0 0 0 và C) khi tàu đang hành trình, phương pháp này có N = A + Bsin0 + Ccos0 + Dsin0 + Ecos0 thể coi như phương pháp tham khảo giúp cho thuyền HL = 450 => viên tính toán hệ số độ lệch la bàn từ trong những  = A + Bsin450 + Ccos450 + Dsin900 + Ecos900 trường hợp đặc biệt. NE HL = 900 => 2. Hệ số độ lệch la bàn từ và các phương 0 0 0 pháp xác định trong Hàng hải E = A + Bsin90 + Ccos90 + Dsin180 + Ecos1800 (2) HL = 1350 => 0 0 0 SE = A + Bsin135 + Ccos135 + Dsin270 + Ecos2700 Hd = 1800 => 0 0 0 S = A + Bsin180 + Ccos180 + Dsin360 + Ecos3600 HL = 2250 => 0 0 0 SW = A + Bsin225 + Ccos225 + Dsin450 + Ecos4500 HL = 2700 => 0 0 0 W = A + Bsin270 + Ccos270 + Dsin540 + Ecos5400 HL = 3150 => 0 0 0 NW = A + Bsin315 + Ccos315 + Dsin630 + Ecos6300 Hình 1. Bảng độ lệch la bàn từ Tính các giá trị hàm lượng giác và sắp xếp lại 8 phương trình trên, ta có 8 phương trình sau: Sau khi hiệu chỉnh xong la bàn từ, công việc tiếp N = A + C + E theo là các thực hiện các bước để lập bảng độ lệch 0 0 NE = A + B Sin45 + C Sin45 + D còn lại (Hình 1). Bảng này đưa ra chi tiết các thông E = A + B – E S Ố 66 (4-2021) 17
3. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 0 0 SE = A + B Sin45 - C Sin45 – D chậm thời gian tàu đến cảng so với kế hoạch dự kiến S = A - C + E (3) (Hình 2). 0 0 SW = A - B Sin45 - C Sin45 + D WPT4 W = A - B – E WPT3 0 0 NW = A - B Sin45 + C Sin45 – D Trong hệ phương trình (3), có 5 ẩn số và 8 phương trình. Để xác định các hệ số độ lệch (A, B, C, WPT2 D, E), sử dụng chung một quy tắc như sau: tại các WPT1 Tàu giữ hướng trên phương trình chứa hệ số cần tìm, nhân với hệ số (và tuyến đường đã lập dấu) đứng trước nó rồi sau đó cộng 2 vế của tất cả phương trình đó với nhau sẽ tính toán được giá trị của từng hệ số cần tìm. Hệ thức xác định từng hệ số Hình 2. Tàu hành trình trên biển độ lệch la bàn từ được chỉ như hệ thức (4): Theo lý thuy ế t la bàn từ [2], lực cố định A được khử khi đặt la bàn đúng mặt phẳng trục dọc tàu, còn NNEEWNW SESSW A lực phần tư E là rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Lực phần 8 tư vòng D phụ thuộc vào hệ số sắt non và thành phần EWSWSE NENW 0 Bsin45 địa từ trường ngang (H), còn các lực bán vòng (B và 444 C) phụ thuộc vào hệ số sắt non, hệ số sắt già, và  (4) NNENWSSWSE 0 thành phần địa từ trường trái đất theo chiều thẳng Csin 45 444 đứng (Z).  D NENWSWSE Khi tàu hành trình thay đổi vĩ độ từ liên tục, đặc 44 biệt là khi tàu chạy lên các vùng vĩ độ cao, vĩ độ từ   E N SEW tăng làm thành phần (H) giảm trong khi thành phần 44 địa từ trường thẳng đứng (Z) tăng. Điều này làm cho các lực bán vòng B và C thay đổi đáng kể hơn so với Hệ thức (4) là hệ thức dùng để xác định độ lệch lực phần tư vòng D [4, 5]. Do đó, trong những la bàn từ và thiết lập bảng độ lệch còn lại. trường hợp này bảng độ lệch la bàn từ có thể được Để xác định hệ số độ lệch la bàn từ hàng hải, thiết lập lại bằng cách giữ lại các hệ số độ lệch A, D, phương pháp thông dụng và chính xác nhất hiện nay và E và đi xác định các hệ số độ lệch B, và C [4]. trên thế giới là phương pháp được trình bày như hệ Công thức (1) có thể viết lại dưới dạng sau: thức (4). Tuy nhiên, để xác định theo phương pháp này, cần thiết phải quan sát được độ lệch la bàn từ so BsinHL + CcosHL = -A - Dsin2HL - Ecos2HL (5) với la bàn điện trên 8 hướng chính, nhưng trong thực Để xác định được hệ số B và C theo phương trình tế nhiều khi khó có thể thực hiện được. (5), có hai trường hợp: là khi tàu chỉ được thay đổi Do đó, trong nghiên cứu [3], các tác giả đã đề xuất hướng đi một góc nhỏ, và khi xét đến việc bẻ lái một phương pháp sử dụng thuật toán bình phương nhỏ ngược lại để tàu trở về đường đi cũ. nhất để tính toán các hệ số độ lệch áp dụng khi quan sát 3.1. Tính toán hệ số B và C khi hướng tàu chỉ độ lệch la bàn từ với la bàn điện trên các hướng bất kỳ. được thay đổi góc nhỏ Trong nghiên cứu này, tác giả hướng đến việc tính toán các hệ số độ lệch trong trường hợp việc quan sát độ Trong trường hợp tàu chỉ được phép thay đổi một lệch trên các hướng chính gặp khó khăn như khi tàu bị góc nhỏ để tàu không bị chệch khỏi đường đi đang đảo mũi nhanh trên các hướng chính do sóng gió mà hành trình quá lớn, cần thiết phải quan sát được độ không kịp ghi lại độ lệch giữa các la bàn. Để tìm hiểu lệch trên 2 hướng khác nhau. Do đó, bên cạnh hướng về phương pháp xác định này, có thể tham khảo chi tiết tàu đang chạy theo tuyến đường đã lập WPT1WPTi, 0 trong tài liệu [3]. thuyền viên có thể thay đổi hướng tàu thêm 5 đến 100 sang một mạn bất kỳ so với hướng đi đang chạy 3. Xác định hệ số độ lệch B và C của la bàn trong một khoảng thời gian ngắn, điều này đảm bảo từ Hàng hải khi tàu đang hành trình điều kiện để quan sát độ lệch trên 2 hướng khác nhau Khi tàu đang hành trình trên biển, nhiều khi việc (Hình 3) và tàu không bị mất quá nhiều thời gian làm quay trở trên các hướng khác nhau là khó thực hiện ảnh hưởng đến thời gian dự kiến đến cảng. vì quay trở trên nhiều hướng khác nhau có thể làm 18 SỐ 66 (4-2021)
4. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình 3. Thay đổi hướng tàu một góc nhỏ Hình 4. Thay đổi hướng tàu và bẻ lái đưa tàu trở lại Như vậy, trên 2 hướng đi đó, có thể quan sát đường đi hành trình được độ lệch tương ứng, khi đó ta có hệ phương trình dưới đây: Khi tàu thay đổi hướng đi sang một mạn một góc nhỏ trong thời gian ngắn để quan sát độ lệch, sau đó BsinHL+ CcosHL= δ- A - Dsin2HL - Ecos2HL 11111 bẻ tàu quay trở lại để đưa tàu về đường đi đã định (6) BsinHL+22222 CcosHL= δ- A - Dsin2HL - Ecos2HL chúng ta cũng quan sát được độ lệch trên các hướng đó, do vậy có hệ phương trình (10): Trong hệ phương trình (6), HL1, HL2 là hướng tàu chạy theo tuyến đường đã lập, và hướng tàu thay BsinHLCcosHL đổi khoảng 50 đến 100 trong khoảng thời gian ngắn; 111 BsinHLCcosHL222 (10) 1 2 là độ lệch của la bàn từ so với la bàn điện quan sát được trên hai hướng tương ứng; các hệ số A, D, E BsinHLCcosHL là các hệ số độ lệch la bàn từ được lấy trong bảng độ nnn lệch la bàn từ trên buồng lái. Theo tài liệu [1], thuật toán bình phương nhỏ Hệ phương trình (6) là hệ phương trình bậc nhất hai nhất được áp dụng để tìm hệ số B và C thoả mãn ẩn, dễ dàng có thể giải được bằng máy tính cầm tay. Đặt: điều kiện cực tiểu hệ thức sau: n 2  ADsin 2 2 HLEcos HL 1111 S =  ()Δ -BsinHL -CcosHL (11) i=1 iii (3) 2222  ADsin 2 2 HLEcos HL (7) S đạt cực tiểu khi: Ta có hệ phương trình: S 0 (12) BsinHL CcosHL B 1 1 1 (8) S BsinHL CcosHL 0 2 2 2 C Theo đó, các hệ số độ lệch B và C được xác định Biến đổi và khai triển ta được: bởi công thức: n  2 cos(cossin)0 HLBHLi iii CHL Δ sinHL - Δ sinHL i 1 C= 12 21 n cosHLcosHL1sinHL221 -sinHL  2sin(cossin)0HLBHL CHL (13) i 1 i iii Δ Δ sinHL - Δ sinHL (9) B =- 1 12 21 sinHL n2 n n 1 cosHLcosHLHL11sinHL221 -sinHL .tg Bcos HL C  sin HL cos HL  cos HL i 1i i 1 i i i 1 i i 3.2. Tính toán hệ số B và C xét đến việc bẻ lái n n2 n Bsin HLi cos HL i C  sin HL i  i sin HL i để đưa tàu trở lại đường đi đã định i 1 i 1 i 1 (14) Trong trường hợp xét đến việc bẻ lái để đưa tàu Hệ phương trình (14) lại có dạng như hệ phương quay trở lại đường đi đang hành trình (Hình 4), thì có trình (8) là hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn. Có thể dễ thể quan sát được độ lệch la bàn trên nhiều hướng dàng giải hệ phương trình này để thu được các hệ số hơn, khi đó có thể áp dụng thuật toán bình phương B và C như trong hệ thức (9). nhỏ nhất để xác định hệ số B và C. Như vậy cả hai trường hợp khi: tàu thay đổi một S Ố 66 (4-2021) 19
5. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY góc nhỏ, và khi tính đến quay trở để quan sát độ lệch, TÀI LIỆU THAM KHẢO ta đều có thể giải các hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn [1] Dương Thuỷ Vỹ. Giáo trình phương pháp tính, để tìm các hệ số độ lệch B và C. Cụ thể: NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2017. Khi tàu thay đổi một góc nhỏ, ta có hệ gồm 2 [2] Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Minh Đức, Lại Thế phương trình bậc nhất 2 ẩn số B và C (hệ phương Việt. La bàn từ Hàng hải, Trường Đại học Hàng trình 8), lời giải của hệ này được thực hiện theo hệ hải Việt Nam, 2013. phương trình (9). [3] Van Suong Nguyen.Calculation of the deviation Trong trường hợp xét đến việc bẻ lái sang một coefficients for marine magnetic compass. mạn và bẻ lái ngược trở lại để đưa tàu về đường đi ban Journal of International Maritime Safety, đầu đã định thì khi đó sẽ quan sát được nhiều giá trị Enviromental Affairs and Shipping, Vol.2, Issue 2, độ lệch la bàn, và thu được hệ phương trình (10) với pp.112-115. 2019. các nghiệm B và C. Để giải hệ này, thuật toán bình phương nhỏ nhất được áp dụng, triển khai hệ (10) [4] Lushnikov E.M. Compensation of Magnetic thành hệ phương trình (14) để thu được nghiệm cuối Compass Deviation at Single Any Course. cùng B và C. International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, Vol.5, No.3, Sep 4. Kết luận 2011. Trong nghiên cứu này, bài báo đề xuất một [5] Jeong-Bin Yim, Yeong-Ho Sim. A New Method phương pháp lý thuyết tham khảo để xác định hệ số for the Acquisition of Deviation Coefficients B độ lệch la bàn từ B và C. Trong thực tế, thuyền viên and C at a Single Magnetic Heading. Journal of rất hay gặp hiện tượng độ lệch giữa la bàn từ và la Navigation and Port Research, Vol.28, No.5, bàn điện chênh lệch nhau đáng kể khi tàu thay đổi vĩ pp.851-859. 2004. độ từ hoặc khi tàu chở quặng thép. Do đó, thuyền viên trên tàu có thể thao tác hiệu chỉnh độ lệch la bàn từ do các lực bán vòng B và C sinh ra. Sau khi hiệu Ngày nhận bài: 08/3/2021 chỉnh xong, bảng độ lệch la bàn từ có thể được lập Ngày nhận bản sửa: 22/3/2021 sau đó với các hệ số độ lệch mới của B và C, còn lại Ngày duyệt đăng: 29/3/2021 giữ nguyên các hệ số độ lệch cố định và phần tư vòng (A, D, và E). Trong phương pháp đề xuất, tác giả có tính đến các điều kiện như: tàu cần giữ hướng đi để đảm bảo tàu luôn chạy trên tuyến đường đã lập theo kế hoạch, có thể thay đổi hướng mũi tàu (khoảng 50 đến 100) trong khoảng thời gian ngắn để quan sát được độ chênh lệch của la bàn từ so với la bàn điện, và xét đến việc quay trở lại đường đi đang hành trình. Vì có thể thao tác một cách đơn giản, nhanh chóng bằng máy tính cầm tay thay vì phải sử dụng các thiết bị máy đo từ lực nên phương pháp có thể phù hợp với thuyền viên trong việc xác định nhanh các hệ số độ lệch của la bàn từ Hàng hải. Trong các nghiên cứu tiếp theo, tác giả sẽ tính đến các vấn đề khác như: sử dụng GPS để xác định hệ số độ lệch la bàn từ, phát triển phương pháp xác định hệ số độ lệch la bàn từ khi khử độ lệch la bàn trong nhà máy đóng tàu theo phương pháp COLONGA. 20 SỐ 66 (4-2021)