第20卷第8期装备环境工程
2023年8月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·15·船舶及海洋工程装备
杨宗豫，王迎晖，李明政，田于逵
（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）
摘要：目的建立有效的低温试验检测手段及评估方法，以保障冰区航行船舶在低温环境下的通讯导航能力。
方法在国军标与船标的指导下，针对典型船用通导设备磁罗经与电子罗经，开展包括试前工作测试、–25 ℃低温贮存试验、–20 ℃低温工作试验以及附加防寒措施的系列考核试验。结果试验成功复现了低温环境下磁罗经与电子罗经的性能失效模式。磁罗经经历低温后，磁力指向稳定性大幅减弱，试验前后指向刻度最大偏差可达3.3°；电子罗经经历低温后，指向误差最大可达3.7°，电流最大增长32.8%。通过遮蔽防寒、伴热措施保温后，整个试验过程中温度趋于稳定，磁罗经与电子罗经的刻度示值变化幅度减小。结论磁罗经内部部件机械阻尼的增大以及自差校正磁棒磁力的改变是引起磁罗经定位精度率波动、定位误差变大的主要原因。电子罗经天线内部电气元件的性能改变是引起指向刻度变化的主要因素。通
过采取一定的防寒保温措施，减小温度变化范围，将有利于提高磁罗经与电子罗经低温工作的稳定性。
关键词：通导设备；磁罗经；电子罗经；低温试验；性能失效；防寒；电伴热
中图分类号：TN801 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)08-0015-09
DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2023.08.003
Experimental Study on the Low Temperature Performance of Typical Marine
Communication and Navigation Equipment
YANG Zong-yu, WANG Ying-hui, LI Ming-zheng, TIAN Yu-kui
(China Ship Scientific Research Center, Jiangsu Wuxi 214082, China)
ABSTRACT: The work aims to establish an effective low temperature test and evaluation method to ensure the communication and navigation ability of ships sailing in ice area. A series of tests including pre-trial working test, –25 ℃ low temperature stor-age test, –20 ℃low temperature working test and additional winterization measures were carried out for electronic compass and magnetic compass und
er the guidance of national military standard and ship standard. The tests successfully reproduced the performance failure mode of the electronic compass and magnetic compass in low temperature environment. The magnetic pointing stability of the magnetic compass was greatly weakened after low temperature test, and the maximum deviation of the pointing scale before and after the test could reach 3.3°. Likewise, the maximum pointing deviation of electronic compass after low temperature test reached 3.7° and the maximum current increased by 32.8%. However, the temperature tended to be stable
收稿日期：2023-04-03；修订日期：2023-06-15
Received：2023-04-03；Revised：2023-06-15
基金项目：国家自然科学基金（52192694）；国防科工局基础科研项目（JCKY2020206B073）
Fund：The National Natural Science Foundation of China (52192694); Basic Research Projects of the National Defense Science and Industry Bureau (JCKY2020206B073)
作者简介：杨宗豫（1996—），男，硕士。
Biography：YANG Zong-yu (1996-), Male, Master.
引文格式：杨宗豫, 王迎晖, 李明政, 等. 典型船用通导设备低温性能试验研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(8): 015-023.
YANG Zong-yu, WANG Ying-hui, LI Ming-zheng, et al. Experimental Study on the Low Temperature Performance of Typical Marine Commu-nication and Navigation Equipment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(8): 015-023.
·16·装备环境工程 2023年8月
during the whole test process and the scale value of the magnetic compass and electronic compass decreased after the insulation was carried out by shielding and heat tracing measures. According to the analysis, the increase of the mechanical damping of the internal components of magnetic compass and the change of the magnetic force of the self-correcting magnetic rod are the main reasons for the fluctuation of the positioning accuracy rate and the increase of the positioning error. The performance change of the internal electrical components of the electronic compass antenna is the main factor causing the variation of pointing scales. It is beneficial to improving the stability of electronic compass and magnetic compass in low temperature operation by taking some winterization measures to reduce the range of temperature change.
KEY WORDS: communication and navigation equipment; magnetic compass; electronic compass; low temperature test; per-formance failure; winterization; electric heat tracing
冰区船舶在极地低温、大风、多栖等环境下航行时，暴露在船舶操作环境温度中存放的设备材料极有可能不耐受低温，严重时将影响船舶的设备操作与航行安全[1]。例如暴露在低温环境中的船用通导设备，卫星天线被冰覆盖后，因海冰盐分较高，将升高天线表面介电常数，影响信号接收[2-3]。在极地高纬度地区，经线圈快速汇聚，精度变化率很大，定位误差变大，对惯性导航系统定位精度具有较大影响[4-5]。不仅如此，极地环境影响极地的电离层环境等，干扰了高频无线电和卫星信号，限制了极地地区的通信能力，常规的通信设备等很难适用于该区域航行[6]。
实验室模拟环境下的考核试验是验证或提高设备环境适应性和可靠性的关键途径之一，但目前关于船用通导设备环境效应的研究更多集中在试验方法的标准剪裁与梳理上。如王一飞等[7]指出，可通过两箱同步法完成船用导航雷达设备的干热和低温试验。郑梓桢等[8]为应对新型惯性导航系统环境试验鉴定的需要，根据惯性导航系统的技术特点提出一种海陆结合试验模式，并论述了其实施要点。周金亮[9]将舰艇惯性导航系统试验的项目设计成精度试验、可靠性试验、环境适应性试验、使用性考核式样和电磁兼容性试验五大部分，并系统性地阐述了惯性导航系统的试验方法。上述学者针对通导设备的试验方法提出了很多独到的见解，但均没有落实到具体的试验研究上，仅有少数的研究是与通导设备的试验验证相关[10-11]。例如加拿大渔业与海洋部和McMaster大学通信研究实验室开展的双极化冰区导航雷达的装船试
验研究[10]。中船第七〇七研究所开展的极区惯性导航系统罗经失效机理、解算奇异原理及误差传播规律研究，并先后多次开展极区搭载试验，验证了光学惯导的极区导航功能。
鉴于此，本文将充分考虑极地低温环境下船用通导设备的环境适应性、可靠性、可维性等应用需求，建立通导设备的低温试验方法，在模拟低温环境下完成设备的性能试验，分析可能发生的失效机理以及温度变化对通导设备性能参数的影响，为保障极地航行船舶在低温环境下的通讯导航能力提供有效的试验检测手段和评估方法。1 试验对象与测量仪器
罗经是船舶上必备的一种典型导航设备，一般海船都同时装备有磁罗经和电子罗经。磁罗经是利用磁针指北的特性而制成，主要由罗经柜、罗经盆以及自差校正器组成。电子罗经是根据高速旋转陀螺的定向性研制的，主要由主罗经、分罗经以及附属仪器组成，相比磁罗经，使用更为方便、指向更为准确[12]。本研究的试验对象分别是CPT-130D型号磁罗经与SY-Ⅱ型号电子罗经，如图1所示，其主要技术参数见表1。
磁罗经与电子罗经的低温试验在型号为UTH-225-A（品牌：优益速）的恒温湿高低温箱中进行，试验箱内尺寸为600 mm×500 mm×750 mm（宽×深×高），质量约390 kg，升温速率平均2~3 ℃/min，降温速率平均1~1.5℃/m i n，温度测试范围为
图1 典型导航设备
Fig.1 Typical navigation equipment: a) magnetic compass;
b) electronic compass
第20卷 第8期 杨宗豫，等：典型船用通导设备低温性能试验研究 ·17·
表1 主要技术参数
Tab.1 Main technical parameters
磁罗经技术参数
数据
电子罗经技术参数
数据
刻度盘直径 130 mm 显示精度 ±1°
工作温度 –20~60 ℃
分辨率
1° 指向误差[H =35 μT ，t =(20±3) ℃] ≤1.5° 工作温度 –20~65 ℃
半周期[H =35 μT ，t =(20±3) ℃]≥5.59 s 重复性
±1° 摩擦误差[H =35 μT ，t =(20±3) ℃] ≤0.26°
波特率 RS422，4 800 bps
主半圆自差校正能量
1°~40° 输入协议 NMEA0183，HDT/HDG/HDM 象限自查校正能量
1°~5° 输入电压 +18 VDC~+40 VDC （1负，2正）
外形尺寸
330 mm×200 mm×270 mm 外形尺寸
170 mm×72 mm×180 mm
–40~150 ℃。此外，在进行试验时，还需要九点温控
仪、稳压开关电源、秒表、磁铁、稳压开关电源、相机等试验设备及仪表，如图2所示。
图2 试验仪器设备
Fig.2 Test equipment: a) constant temperature and humidity box; b) stabilized switching power supply;
c) nine-point temperature controller
王一 博2 低温试验方法
根据GJB 150.4A —2009《军用装备实验室环境试验方法第4部分：低温试验》[13]、CB 1146—1985《舰船设备环境试验方法》[14]以及IEEC 945—1988《船用导航设备总要求——试验方法和要求的试验
结果》[15]等标准要求，确定了磁罗经与电子罗经的常温工作测试、低温贮存、低温工作以及低温防寒试验方法。
2.1 常温工作测试
准备好试验测试设备，在离金属1 m 远的固定场地、固定方向，分别完成磁罗经的试前自查校正工作。测量磁罗经在常温环境中的罗盘刻度标识灵敏度与罗盘磁力指向稳定性，测量电子罗经在常温环境中的指向方位、电压及电流。其中，磁罗经的试前检测内容详见表2。
2.2 低温贮存试验
磁罗经与电子罗经的低温贮存试验方法见表3。
2.3 低温工作试验
电子罗经的低温工作试验方法见表4。
2.4 低温防寒试验
遮蔽布置与电伴热作为CCS 《钢质海船入级规范》[17]、DNV [18]、LR [19]等船级社防寒规范中最主要的防寒措施，广泛应用于冰区航行船舶的防寒布置。为了验证遮蔽布置与电伴热的防寒效果，针对磁罗经开展附加遮蔽措施的贮存试验，针对电子罗经开展附加电伴热防寒试验。其中，遮蔽措施采用硬质可移动的帆布罩，电伴热带采用DBR 型低温自限温电伴热带，该电伴热带功率为25 W/m ，最高加热温度可达65 ℃[20]，具体试验方法见表5和表6。
表2 磁罗经试前检测内容
Tab.2 Test content of magnetic compass before test
试前检测内容 具体方法
自差校正 将磁罗经放置在高度为1 m 、远离钢铁器件的开敞位置；通过注射器向罗盆内注入酒精与蒸馏水的混合液体，直至罗盆内的气泡完全消除；最后，通过在磁罗经的罗经柜中放置纵向与横向磁棒，多次调节罗盘指向刻度，直至与标准指向一致[16]
罗盘刻度标识 灵敏度测试 转动罗盆，使首基线对准罗盘0°；用小磁铁将罗盘从原平衡位置向左和向右分别引偏2°~3°后迅速移去；罗盘恢复平衡后，视罗盘是否恢复原位，记录此时的指向刻度
罗盘磁力指向 稳定性测试 将罗经搬至无磁性干扰的地方，离地高1 m ，转动罗盆，使首基线对准罗盘0°；用小磁铁将罗盘从原来平衡位置分别向左、右引偏40°后迅速移去；罗盘开始摆动，用秒表测量罗盘0°连续两次通过首基线的时间，即罗盘摆动半周期，共测量3次，取其平均值（罗盘摆动半周期应不小于5.59 s ）
·18·装备环境工程 2023年8月
表3 低温贮存试验方法
Tab.3 Low temperature storage test method
试验顺序试验内容
1 将九点温控仪布置在试验箱中，将待测试件（处于不包装、不通电和准备使用状态）置于试验箱内
2 将试验室内空气温度降低至–25 ℃（降温速率为1 ℃）的低温贮存温度
3 试件温度稳定后（试验样品所有部分的温度都与设定温度之差不大于3 ℃），保持低温贮存时间2
4 h，期间拍摄照片记录
4 贮存24 h后，将试验室温度恢复至常温，并使试件达到温度稳定
5 取出试件放置于定点位置，并调整至定点朝向，对试件进行全面的外观检查，记录磁罗经、电子罗经试验结束时的测量参数。在试验结束1 h后以及结束2 h后，再次测量时间的测量参数。测量数据与常温下的初始值对比，计算偏差
表4 低温工作试验方法
Tab.4 Low temperature working test method
试验顺序试验内容
1 将九点温控仪布置在试验箱中，将电子罗经（不包装、不通电状态）置于试验箱内
2 将试验室内空气温度降低至–20 ℃（降温速率为1 ℃）的低温工作温度
3 试件温度稳定后，对其通电工作，当罗经再次达到温度稳定后，保持2 h低温工作时间，每隔15 min记录一次指向方位、电压、电流数据并拍摄照片
4 工作2 h后，试件保留在试验室中，停止通电，将试验室温度恢复至常温，待试件达到温度稳定后，取出试件
5 取出试件放置于定点位置，并调整至定点朝向。对试件进行全面的外观检查并通电，记录试验结束时罗经的指向方位、电压及电流。在试验结束1 h后以及结束2 h后，再次测量上述测量参数数据。测量数据与常温下的初始值对比，计算偏差
表5 磁罗经附加遮蔽措施的贮存试验
Tab.5 Storage test of additional shielding measures of magnetic compass
试验顺序试验内容
1 将九点温控仪布置在试验箱中，将处于防寒包装的待测试件置于试验室内
2 将试验室内空气温度降低至–25 ℃（降温速率不大于1 ℃）的低温贮存温度
3 试件温度稳定后，保持低温贮存时间2
4 h，期间拍摄照片记录
4 贮存24 h后，将试验室温度恢复至常温，并使试件达到温度稳定
5 取出试件，取下防寒包装，放置于定点位置，并调整至定点朝向
6 对试件进行全面的外观检查和性能检测，记录罗经此时的指向方位。在试验结束时、结束1 h后以及结束2 h后，再次测量罗盘刻度标识灵敏度与罗盘磁力指向稳定性，测量数据与其他试验数据进行对比
表6 电子罗经附加电伴热防寒试验
Tab.6 Additional electric heat tracing and winterization test of electronic compass
试验顺序试验内容
1 将九点温控仪置于试验箱中，在包装好的天线表面贴好电伴热带，与处于未包装状态的罗经主机一并置于试验箱内，通电检查电伴热带是否工作正常
2 将试验室内空气温度降低至–20 ℃（降温速率为1 ℃）的低温工作温度
3 试件温度稳定后，对其通电工作，当时间再次达到温度稳定后，保持2 h低温工作时间，每隔15 min记录一次指向方位、电压、电流数据并拍摄照片
4 工作2 h后，试件应保留在试验室中，停止通电，将试验室温度恢复至常温，待试件达到温度稳定后，取出试件
5 取下防寒包装与电伴热带，将试件放置于定点位置，并调整至定点朝向
6 对试件进行全面的外观检查并通电，记录试验结束时罗经的指向方位、电压及电流。在试验结束1 h后以及结束2 h后，再次测量罗经的指向方位、电压、电流数据，测量数据与其他试验数据进行对比
综合上述试验方法，本文针对磁罗经与电子罗经开展包括试前常温工作测试、–25 ℃低温贮存试验、–20 ℃低温工作试验以及附加防寒措施的系列考核试验。试验工况汇总见表7。
第20卷第8期杨宗豫，等：典型船用通导设备低温性能试验研究·19·
表7 试验工况汇总
Tab.7 Summary of test conditions
编号试验类型温度/℃时间/h 测量参数
Case 1 磁罗经常温工作测试常温—指向方位、指向稳定性、灵敏度Case 2 磁罗经低温贮存试验–25 24
指向方位、指向稳定性、灵敏度Case 3 磁罗经附加遮蔽措施–25 24 指向方位、指向稳定性、灵敏度Case 4 电子罗经常温工作测试常温—指向方位、电压、电流
Case 5 电子罗经低温贮存试验–25 24 指向方位、电压、电流
Case 6 电罗经低温工作试验–20 2 指向方位、电压、电流
Case 7 电子罗经附加电伴热措施–20 2 指向方位、电压、电流
3 结果与分析
3.1 磁罗经低温贮存及防寒试验结果
通过恒温湿低温箱精准控制试验参数，完成磁罗经24 h的–25 ℃低温贮存与附加防寒措施试验，试验过程记录如图3所示。在磁罗经经历低温考核后，进行了磁力指向稳定性与罗盘刻度标识灵敏度的试后检测。
在磁力指向稳定性的检测中，依据JT/T 680.1~ 680.15—2007《船用通信导航设备的安装、使用、维护、修理技术要求第9部分：磁罗经》中的指导方法，分别用小磁铁将罗盘从0°平衡位置向左、右引偏40°后迅速移去，用秒表记录罗盘0°连续2次通过首基线的时间，试验测试结果如图4所示。在图4a向右偏移的磁力指向稳定性试验中，试验前常温下测得罗盘
图3 磁罗经低温贮存与附加防寒措施试验
Fig.3 Low temperature storage of magnetic compass and additional winterization measures
图4 罗盘磁力指向稳定性测试结果
Fig.4 Test results of magnetic compass pointing stability: a) offset 40° to the right; b) offset 40° to the left
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