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

Bài viết đề xuất một phương pháp đơn giản để xác định hệ số la bàn từ (B, và C) khi tàu đang hành trình. Phương pháp này có thể coi như một tham khảo cho lý thuyết la bàn từ Hàng hải.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG 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 La bàn từ Hàng hải thiết bị quan trọng sử dụng để báo hướng tàu Để đảm bảo yêu cầu an toàn hàng hải, la bàn từ Hàng hải cần hiệu chỉnh độ lệch lập bảng độ lệch lại trước tàu vào khai thác Theo lý thuyết, tàu thay đổi vĩ độ đáng kể so với vĩ độ nơi la bàn từ hiệu chỉnh, vận chuyển quặng thép lực gây độ lệch thay đổi làm cho la bàn từ bị lệch đáng kể so với la bàn điện Khi tàu hành trình thay đổi vĩ độ hoạt động, lực bán vòng (B, C) thay đổi nhiều so với lực A, D, E Để giải vấn đề này, độ lệch la bàn từ lực bán vòng (B, C) gây hiệu chỉnh lập lại bảng độ lệch la bàn với hệ số (B, C) với đồng thời giữ nguyên hệ số (A, D, E) Nghiên cứu đề xuất phương pháp đơn giản để xác định hệ số la bàn từ (B, C) tàu hành trình Phương pháp coi tham khảo cho lý thuyết la bàn từ Hàng hải Từ khóa: La bàn từ Hàng hải, bảng độ lệch la bàn, hệ số độ lệch bán vòng, tàu hành trình Abstract Marine magnetic compass is an important equipment which is used to indicate the ship’s course To ensure the requirerments of maritime safety, magnetic compass needs to be corrected to compensate the deviation between magnetic compass and Gyro compass and then the magnetic compass deviation table is also made before operating the ship Theorically, when the latitude of ship are significantly different with those in a port where magnetic compass is corrected to compensate the deviation or when the ship carries the iron, then deflected forces have a tendency to change and cause the deviation in magnetic compass compared to gyro compass When the ship sails in her route, forces (B, and C) change significantly compared to others (A, D, and E) To 16 overcome this problem, the magnetic compass deviation caused by semicircle forces (B, and C) can be corrected, then making the new deviation table with new coefficients (B, and C) and keeping former ones (A, D, and E) In this study, a simple means to determine the compass coefficints (B, and C) when the ship are sailing her route This method can be seen as a simple refference for the theory of marine magnetic compass Keywords: Marine magnetic compass, compass deviation table, semicircle deviation coefficient, ship underway Đặt vấn đề La bàn từ Hàng hải thiết bị quan trọng sử dụng để báo hướng tàu, với la bàn quay thiết bị yêu cầu lắp đặt tàu biển theo quy định Tổ chức Hàng hải Thế giới để đảm bảo an toàn hàng hải Mặc dù độ khơng cao la bàn điện, la bàn từ hoạt động dựa nguyên lý từ trường trái đất, nên la bàn từ Hàng hải ln coi thiết bị dự phịng la bàn điện gặp cố điện không hoạt động Thông thường, la bàn từ khử độ lệch lập bảng độ lệch lại trước tàu đưa vào khai thác Để lập bảng độ lệch la bàn từ Hàng hải tàu cần phải điều động quay hướng (N, S, E, W, NE, NW, SE SW) khác ghi lại độ lệch la bàn từ với la bàn điện hướng đặc biệt [2] Tuy nhiên, tàu hành hải biển, việc điều động tàu quay đủ hướng để xác định độ lệch la bàn từ với la bàn điện đơi bị hạn chế Để khắc phục việc cần thiết phải quan sát độ lệch la bàn hướng chính, nghiên cứu [3] đề xuất phương pháp tính tốn sử dụng kỹ thuật bình phương nhỏ để tính tốn hệ số độ lệch la bàn từ mà không cần quan sát độ lệch la bàn hướng Tuy nhiên, Hàng hải nhiều quan sát thấy độ lệch la bàn từ với la bàn điện lớn đến chục độ tàu thay đổi vĩ độ hoạt động đáng kể so với nơi la bàn từ khử độ lệch vận SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY chuyển quặng thép [2] Thực tế cho thấy, địa từ trường nơi tàu hoạt động thay đổi so với địa từ trường nơi mà tàu hiệu chỉnh la bàn lần gần nhất, thay đổi vĩ độ từ làm cho phân lực địa từ trường theo hướng thằng đứng (Z) thay đổi làm cho lực bán vòng (B, C) thay đổi nhiều so với lực cố định lực phần tư vòng (A, D, E) Trong trường hợp đó, thuyền viên tàu khử độ lệch la bàn từ lực bán vòng (B, C) gây lập lại bảng độ lệch với việc giữ nguyên hệ số độ lệch cố định độ lệch phần tư vòng (A, D, E) Các vấn đề đề cập nghiên cứu [4, 5] Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất phương pháp để xác định hệ số độ lệch B, C cần quan sát hướng Tuy nhiên, lý thuyết phương pháp yêu cầu phải sử dụng máy đo từ lực, phức tạp mặt nguyên lý khó thực thuyền viên tàu Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất cách thức đơn giản để xác định hệ số độ lệch la bàn từ (B C) tàu hành trình, phương pháp coi phương pháp tham khảo giúp cho thuyền viên tính tốn hệ số độ lệch la bàn từ trường hợp đặc biệt Hệ số độ lệch la bàn từ phương pháp xác định Hàng hải tin liên quan đến việc hiệu chỉnh la bàn như: số nam châm vị trí để khử độ lệch bán vòng, số thép hộp sắt non, sắt Flinder, hệ số độ lệch (A, B, C, D, E), đường cong biểu diễn độ lệch la bàn từ tất hướng sau hiệu chỉnh bàn từ Để xác định hệ số độ lệch la bàn từ, công thức độ lệch [2] sử dụng, công thức độ lệch la bàn từ viết dạng sau:  = A + BsinHL + CcosHL + Dsin2HL + Ecos2HL (1) Để xác định độ lệch la bàn từ hướng khác nhau, trước tiên cần quan sát ghi lại độ lệch la bàn từ hướng sau thay vào phương trình (1) để tính hệ số độ lệch la bàn (A, B, C, D, E) Quan sát độ lệch lại khử hết hướng: N, NE, E, SE, S, SW, W NW Thay vào công thức độ lệch tương ứng với hướng sau: HL = 00 => N = A + Bsin00 + Ccos00 + Dsin00 + Ecos00 HL = 450 => NE = A + Bsin450 + Ccos450 + Dsin900 + Ecos900 HL = 900 => E = A + Bsin900 + Ccos900 + Dsin1800 + Ecos1800 (2) HL = 135 => SE = A + Bsin1350 + Ccos1350 + Dsin2700 + Ecos2700 Hd = 1800 => S = A + Bsin1800 + Ccos1800 + Dsin3600 + Ecos3600 HL = 2250 => SW = A + Bsin2250 + Ccos2250 + Dsin4500 + Ecos4500 HL = 2700 => W = A + Bsin2700 + Ccos2700 + Dsin5400 + Ecos5400 HL = 3150 => NW = A + Bsin3150 + Ccos3150 + Dsin6300 + Ecos6300 Hình Bảng độ lệch la bàn từ Sau hiệu chỉnh xong la bàn từ, công việc thực bước để lập bảng độ lệch cịn lại (Hình 1) Bảng đưa chi tiết thơng SỐ 66 (4-2021) Tính giá trị hàm lượng giác xếp lại phương trình trên, ta có phương trình sau: N = A + C + E NE = A + B Sin450 + C Sin450 + D E = A + B – E 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ SE = A + B Sin450 - C Sin450 – D S = A - C + E SW = A - B Sin450 - C Sin450+ D W = A - B – E NW = A - B Sin450 + C Sin450 – D JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (3) Trong hệ phương trình (3), có ẩn số phương trình Để xác định hệ số độ lệch (A, B, C, D, E), sử dụng chung quy tắc sau: phương trình chứa hệ số cần tìm, nhân với hệ số (và dấu) đứng trước sau cộng vế tất phương trình với tính tốn giá trị hệ số cần tìm Hệ thức xác định hệ số độ lệch la bàn từ hệ thức (4):  N   NE   E  SE  S  SW   W   NW  A     E   W   NE  SW SE   NW    B   sin45  4     (4)  N  S   NE  SW SE   NW      sin 45 C   4      NE  SW SE   NW D    4   N  S  E   W E    4  Hệ thức (4) hệ thức dùng để xác định độ lệch la bàn từ thiết lập bảng độ lệch lại Để xác định hệ số độ lệch la bàn từ hàng hải, phương pháp thông dụng xác giới phương pháp trình bày hệ thức (4) Tuy nhiên, để xác định theo phương pháp này, cần thiết phải quan sát độ lệch la bàn từ so với la bàn điện hướng chính, thực tế nhiều khó thực Do đó, nghiên cứu [3], tác giả đề xuất phương pháp sử dụng thuật tốn bình phương nhỏ để tính tốn hệ số độ lệch áp dụng quan sát độ lệch la bàn từ với la bàn điện hướng Trong nghiên cứu này, tác giả hướng đến việc tính toán hệ số độ lệch trường hợp việc quan sát độ lệch hướng gặp khó khăn tàu bị đảo mũi nhanh hướng sóng gió mà khơng kịp ghi lại độ lệch la bàn Để tìm hiểu phương pháp xác định này, tham khảo chi tiết tài liệu [3] Xác định hệ số độ lệch B C la bàn từ Hàng hải tàu hành trình Khi tàu hành trình biển, nhiều việc quay trở hướng khác khó thực quay trở nhiều hướng khác làm 18 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI chậm thời gian tàu đến cảng so với kế hoạch dự kiến (Hình 2) WPT3 WPT2 WPT1 WPT4 Tàu giữ hướng tuyến đường lập Hình Tàu hành trình biển Theo lý thuyết la bàn từ [2], lực cố định A khử đặt la bàn mặt phẳng trục dọc tàu, lực phần tư E nhỏ nên bỏ qua Lực phần tư vịng D phụ thuộc vào hệ số sắt non thành phần địa từ trường ngang (H), lực bán vòng (B C) phụ thuộc vào hệ số sắt non, hệ số sắt già, thành phần địa từ trường trái đất theo chiều thẳng đứng (Z) Khi tàu hành trình thay đổi vĩ độ từ liên tục, đặc biệt tàu chạy lên vùng vĩ độ cao, vĩ độ từ tăng làm thành phần (H) giảm thành phần địa từ trường thẳng đứng (Z) tăng Điều làm cho lực bán vòng B C thay đổi đáng kể so với lực phần tư vịng D [4, 5] Do đó, trường hợp bảng độ lệch la bàn từ thiết lập lại cách giữ lại hệ số độ lệch A, D, E xác định hệ số độ lệch B, C [4] Cơng thức (1) viết lại dạng sau: BsinHL + CcosHL = -A - Dsin2HL - Ecos2HL (5) Để xác định hệ số B C theo phương trình (5), có hai trường hợp: tàu thay đổi hướng góc nhỏ, xét đến việc bẻ lái ngược lại để tàu trở đường cũ 3.1 Tính tốn hệ số B C hướng tàu thay đổi góc nhỏ Trong trường hợp tàu phép thay đổi góc nhỏ để tàu khơng bị chệch khỏi đường hành trình lớn, cần thiết phải quan sát độ lệch hướng khác Do đó, bên cạnh hướng tàu chạy theo tuyến đường lập WPT1WPTi, thuyền viên thay đổi hướng tàu thêm 50 đến 100 sang mạn so với hướng chạy khoảng thời gian ngắn, điều đảm bảo điều kiện để quan sát độ lệch hướng khác (Hình 3) tàu khơng bị q nhiều thời gian làm ảnh hưởng đến thời gian dự kiến đến cảng SỐ 66 (4-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hình Thay đổi hướng tàu góc nhỏ Như vậy, hướng đó, quan sát độ lệch tương ứng, ta có hệ phương trình đây:  BsinHL1 + CcosHL1 =  δ1 - A - Dsin2HL1 - Ecos2HL1   (6)  BsinHL2 + CcosHL2 =  δ - A - Dsin2HL2 - Ecos2HL2  Trong hệ phương trình (6), HL1, HL2 hướng tàu chạy theo tuyến đường lập, hướng tàu thay đổi khoảng 50 đến 100 khoảng thời gian ngắn; 1 2 độ lệch la bàn từ so với la bàn điện quan sát hai hướng tương ứng; hệ số A, D, E hệ số độ lệch la bàn từ lấy bảng độ lệch la bàn từ buồng lái Hệ phương trình (6) hệ phương trình bậc hai ẩn, dễ dàng giải máy tính cầm tay Đặt:     A  Dsin2 HL  Ecos HL  1 1      A  Dsin2 HL2  Ecos HL2  (7) Ta có hệ phương trình:   BsinHL1  CcosHL1  1    BsinHL2  CcosHL2   (8) Theo đó, hệ số độ lệch B C xác định công thức:   Δ1sinHL2 - Δ2 sinHL1  C =  cosHL1sinHL2 - cosHL2 sinHL1   Δ1  Δ1sinHL2 - Δ2 sinHL1   B = sinHL - cosHL sinHL - cosHL sinHL tgHL  2 1  (9) 3.2 Tính toán hệ số B C xét đến việc bẻ lái để đưa tàu trở lại đường định Trong trường hợp xét đến việc bẻ lái để đưa tàu quay trở lại đường hành trình (Hình 4), quan sát độ lệch la bàn nhiều hướng hơn, áp dụng thuật tốn bình phương nhỏ để xác định hệ số B C SỐ 66 (4-2021) Hình Thay đổi hướng tàu bẻ lái đưa tàu trở lại đường hành trình Khi tàu thay đổi hướng sang mạn góc nhỏ thời gian ngắn để quan sát độ lệch, sau bẻ tàu quay trở lại để đưa tàu đường định quan sát độ lệch hướng đó, có hệ phương trình (10):  BsinHL1  CcosHL1  1   BsinHL2  CcosHL2       BsinHLn  CcosHLn   n (10) Theo tài liệu [1], thuật tốn bình phương nhỏ áp dụng để tìm hệ số B C thoả mãn điều kiện cực tiểu hệ thức sau: n S =  (Δ - BsinHL -CcosHL ) (11) i i i i=1 S đạt cực tiểu khi:  S 0   B   S    C (12) Biến đổi khai triển ta được: n  2 cos HLi ( i  B cos HLi  C sin HLi )   i 1  n   2 sin HLi ( i  B cos HLi  C sin HLi )   i 1 n n n B  cos HLi  C  sin HLi cos HLi   i cos HLi  i 1 i 1 i 1  n n n B  sin HLi cos HLi  C  sin HLi   i sin HLi  i 1 i 1 i 1 (13) (14) Hệ phương trình (14) lại có dạng hệ phương trình (8) hệ phương trình bậc ẩn Có thể dễ dàng giải hệ phương trình để thu hệ số B C hệ thức (9) Như hai trường hợp khi: tàu thay đổi 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ góc nhỏ, tính đến quay trở để quan sát độ lệch, ta giải hệ phương trình bậc ẩn để tìm hệ số độ lệch B C Cụ thể: Khi tàu thay đổi góc nhỏ, ta có hệ gồm phương trình bậc ẩn số B C (hệ phương trình 8), lời giải hệ thực theo hệ phương trình (9) Trong trường hợp xét đến việc bẻ lái sang mạn bẻ lái ngược trở lại để đưa tàu đường ban đầu định quan sát nhiều giá trị độ lệch la bàn, thu hệ phương trình (10) với nghiệm B C Để giải hệ này, thuật tốn bình phương nhỏ áp dụng, triển khai hệ (10) thành hệ phương trình (14) để thu nghiệm cuối B C Kết luận Trong nghiên cứu này, báo đề xuất phương pháp lý thuyết tham khảo để xác định hệ số độ lệch la bàn từ B C Trong thực tế, thuyền viên hay gặp tượng độ lệch la bàn từ la bàn điện chênh lệch đáng kể tàu thay đổi vĩ độ từ tàu chở quặng thép Do đó, thuyền viên tàu thao tác hiệu chỉnh độ lệch la bàn từ lực bán vòng B C sinh Sau hiệu chỉnh xong, bảng độ lệch la bàn từ lập sau với hệ số độ lệch B C, lại giữ nguyên hệ số độ lệch cố định phần tư vịng (A, D, E) ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Thuỷ Vỹ Giáo trình phương pháp tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2017 [2] Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Minh Đức, Lại Thế Việt La bàn từ Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2013 [3] Van Suong Nguyen.Calculation of the deviation coefficients for marine magnetic compass Journal of International Maritime Safety, Enviromental Affairs and Shipping, Vol.2, Issue 2, pp.112-115 2019 [4] Lushnikov E.M Compensation of Magnetic Compass Deviation at Single Any Course International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, Vol.5, No.3, Sep 2011 [5] Jeong-Bin Yim, Yeong-Ho Sim A New Method for the Acquisition of Deviation Coefficients B and C at a Single Magnetic Heading Journal of Navigation and Port Research, Vol.28, No.5, pp.851-859 2004 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 08/3/2021 22/3/2021 29/3/2021 Trong phương pháp đề xuất, tác giả có tính đến điều kiện như: tàu cần giữ hướng để đảm bảo tàu chạy tuyến đường lập theo kế hoạch, thay đổi hướng mũi tàu (khoảng 50 đến 100) khoảng thời gian ngắn để quan sát độ chênh lệch la bàn từ so với la bàn điện, xét đến việc quay trở lại đường hành trình Vì thao tác cách đơn giản, nhanh chóng máy tính cầm tay thay phải sử dụng thiết bị máy đo từ lực nên phương pháp phù hợp với thuyền viên việc xác định nhanh hệ số độ lệch la bàn từ Hàng hải Trong nghiên cứu tiếp theo, tác giả tính đến 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 khử độ lệch la bàn nhà máy đóng tàu theo phương pháp COLONGA 20 SỐ 66 (4-2021) ... khử độ lệch b? ?n vịng, số thép hộp sắt non, sắt Flinder, hệ số độ lệch (A, B, C, D, E), đường cong biểu diễn độ lệch la b? ?n từ tất hướng sau hiệu chỉnh b? ?n từ Để x? ?c định hệ số độ lệch la b? ?n từ, ... để x? ?c định độ lệch la b? ?n từ thiết lập b? ??ng độ lệch lại Để x? ?c định hệ số độ lệch la b? ?n từ hàng hải, phương pháp thông dụng x? ?c giới phương pháp trình b? ?y hệ th? ?c (4) Tuy nhiên, để x? ?c định. .. 1 2 độ lệch la b? ?n từ so với la b? ?n điện quan sát hai hướng tương ứng; hệ số A, D, E hệ số độ lệch la b? ?n từ lấy b? ??ng độ lệch la b? ?n từ buồng lái Hệ phương trình (6) hệ phương trình b? ? ?c hai