磁罗盘
指南针是一种初级磁罗盘，是中国古代四大发明之一。唐宋时期，中国的海外贸易非常发达。大型商船航行到波斯湾、红海等地，其造船和航海技术居世界前列。指南针应用于航海的最早记录见于北宋朱昱的《平洲谈》(1119)。书上说:“一个船师懂地理，但他晚上看星星，白天看太阳，黄昏看罗盘。”用于导航的指南针也叫罗盘。明代铜制的水罗经用八支、十二支、四维卦的名称标注了24个方向(图2)。一般认为指南针是从中国传到阿拉伯，再传到欧洲，但有争议。相传在14世纪初，来自南意大利的阿马尔菲人f·焦亚(F. Gioia)首先将纸质罗盘卡(即方向盘)与磁针连接起来转动。这是磁罗盘发展的一次飞跃。从此，当船改变方向时，不再需要用手转动罗盘。16世纪，意大利人卡尔登做了一个平衡环，在船摇晃的时候使磁罗盘保持水平。18世纪初，英国人E. Harry做出了世界上第一条等磁差曲线。
铁船出现后，磁罗盘产生了偏差。在此之前，明末清初方以智的《物理要诀》中已有关于自偏现象的描述。书中谈到铁对磁针的干扰，以及海船不用钉子的原因:“海水咸腐，亦有损磁。”19世纪上半叶，叶英国民m·弗林德斯和g·b·艾里先后提出了消除偏差的方法，法国泊松对偏差的数学理论做出了贡献。65438+20世纪70年代，英国物理学家w·汤姆逊(W. Thomson)制作了一个稳定的罗盘，并将其安装在带有现代偏差校正器的罗盘柜中，一度被英国海军作为标准装备。20世纪初由性能更稳定、轴销间摩擦力更小的液体罗盘制成，现已被大部分船舶使用。陀螺罗盘按对陀螺施加力矩的方式可分为机械摆式和电磁控制式。
①机械摆式陀螺罗盘:按产生摆力矩的方式可分为两种。一种是弹性支撑的单转子重水银罗盘，或者是液体连接器罗盘(图6)，比如斯佩里陀螺罗盘；另一种是将陀螺仪的重心放在支撑中心的下方，称为下重罗盘(图7)，如液浮支撑的Anschuetz型双转子下重罗盘。这两种方法产生的摆力矩方向相反，其动量矩矢量方向也相反。导至液连罗盘的动量矩矢量，下重罗盘的动量矩矢量指向北方。在摆力矩的作用下，机械摆罗盘主轴的北端会绕子午面等幅摆动，其轨迹为球面上的椭圆。对于带阻尼器的机械摆罗盘，主轴的北端以阻尼振荡的形式趋向子午面，并相对于子午面稳定，从而提供真北基准。
液体通信罗盘的敏感部分由陀螺电机和支架组成，由钢丝悬挂，利用水银装置的负摆效应产生控制力矩。下重式罗盘的敏感部分是一个密封的陀螺球，球内装有两个陀螺电机、灯架和阻尼器，参数相同(图8)。两个陀螺电机垂直支撑在灯形支架上，通过曲柄连杆和弹簧连接，并分别与陀螺球主轴的南北线成45度夹角。有了这种装置，两个陀螺电机只能同时以相反的方向和相同的角度绕各自的垂直轴旋转，但旋转角度很小。因此，它们合成的动量矢量的矩始终与陀螺球主轴的南北线一致，类似于单个转子的作用，使用两个陀螺电机可以有效减小摆动误差。②电磁控制陀螺罗盘:在二自由度平衡陀螺仪的结构上安装一套由电磁摆和力矩器组成的电磁控制装置，陀螺罗盘(图9)通过电信号对陀螺仪施加控制力矩，简称电控陀螺罗盘。由于电信号容易控制，可以根据需要改变控制力矩，实现罗盘的快速稳定。Ama-Brown罗盘是典型的电磁控制罗盘。中国制造的CLP-1陀螺罗经是民用船舶使用的电磁控制陀螺罗经(见彩图)。机械摆罗经和电控罗经中最常见的陀螺器件是球陀螺和液浮陀螺。液浮陀螺出现后，挠性陀螺得到了发展。其支撑系统采用柔性关节代替传统的陀螺框架轴承。挠性陀螺具有结构简单、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，已在舰船上得到应用。挠性陀螺罗盘从原理上讲还是属于电控罗盘。陀螺罗盘存在纬度误差、速度误差、撞击误差、摆动误差和基线误差。垂直轴阻尼法陀螺罗盘存在纬度误差，这是一种原理误差。速度误差与罗盘的结构参数无关，而与船的速度、航向和纬度有关。纬度误差和速度误差是有规律的，可以通过查表、移动基线或刻度盘、力矩补偿等方法进行修正。船舶机动时，通过切断阻尼器，使罗经的等幅摆动周期等于84.4分钟或切断电磁摆，可以消除惯性力对陀螺罗经的影响而产生的冲击误差。陀螺罗盘有减小船舶摇摆引起的摇摆误差的装置，所以这种误差一般可以忽略。主罗经或分罗经基线安装不当引起的基线误差是固定误差。测量后，可旋转主罗经或分罗经的基座，使基线与船舶的首尾线平行，以进行校正。在风平浪静的海面上，当船舶以恒定的速度和方向航行时，修正后的电罗经误差不应大于1。