Giáo trình hàng hải và thiết bị hàng hải thuyền trưởng hạng 3 ĐTNĐ

NNW: Bắc Tây BắcBài 3: HẢI ĐỒ 3.1 Định nghĩa Hải đồ là một loại bản đồ địa hình ở trên biển cho ta biết tất cả mọi tìnhhình bố cục ở trên mặt biển, dưới đáy biển a-b / a = 1-b/ ađộ sâu,

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

CỤC ĐƯỜNG THỦY NỘI ĐỊA VIỆT NAM

GIÁO TRÌNHĐÀO TẠO THUYỀN TRƯỞNG HẠNG BA MÔN HÀNG HẢI VÀ THIẾT BỊ HÀNG HẢI

Năm 2014

LỜI GIỚI THIỆU

Thực hiện chương trình đổi mới nâng cao chất lượng đào tạo thuyền viên,người lái phương tiện thủy nội địa quy định tại Thông tư số 57/2014/TT-BGTVTngày 24 tháng 10 năm 2014 của Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải

Để từng bước hoàn thiện giáo trình đào tạo thuyền viên, người lái phươngtiện thủy nội địa, cập nhật những kiến thức và kỹ năng mới Cục Đường thủy nội

địa Việt Nam tổ chức biên soạn “Giáo trình hàng hải và thiết bị hàng hải”

Đây là tài liệu cần thiết cho cán bộ, giáo viên và học viên nghiên cứu,giảng dạy, học tập

Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi những thiếu sót, Cục Đường thủynội địa Việt Nam mong nhận được ý kiến đóng góp của Quý bạn đọc để hoànthiện nội dung giáo trình đáp ứng đòi hỏi của thực tiễn đối với công tác đào tạothuyền viên, người lái phương tiện thủy nội địa

CỤC ĐƯỜNG THỦY NỘI ĐỊA VIỆT NAM

1

a b

PN

PS

Chương I ĐỊA VĂNBài 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ QUẢ ĐẤT

Trong khi xây dựng các bản đồ và các hải đồ, ta phải tính toán đến hìnhdáng và kích thước trái đất Trái đất có hình dáng bề mặt rất phức tạp không thể

đo chính xác được Nhưng nói chung hình dáng của trái đất có dạng giống vớihình elíp xoay gọi là Spheroid Đó là hình mặt phẳng tiếp xúc với nó ở mọi điểmluôn vuông góc với đường dây rọi

thuật cho phép sai số nhất định Để giải quyết một số

trường hợp trong các lĩnh vực như ngành hàng hải thì có

thể coi nó giống như một hình cầu có bán kính không

đổi Ở đây nghiên cứu nó là một hình elíp với các thông

số sau:

- Bán trục lớn a

- Bán trục nhỏ b

- Độ dẹt  = (a-b) / a = 1-b/ aa-b) / a = 1-b/ a

Qua quá trình đo đạc a và b ngày càng hoàn thiện và chính xác

Nước ta và nhiều nước xã hội chủ nghĩa sử dụng kết quả đo đạc của giáo sưViện sỹ Hàn lâm Liên Xô F.N.Crasopski đo năm 1940 đã được kiểm tra lại bằng

sự khảo sát của vệ tinh nhân tạo

Các nước tư bản chủ nghĩa dùng các kết quả riêng do họ đo đạc

Trong hàng hải với độ chính xác cho phép, nên coi trái đất là hình cầu vớibán kính

R = 6.371.110 m = 6.371, 110 km

Hay: R =3.437,8 Hải lý

Hình 1.1

Bài 2: XÁC ĐỊNH PHƯƠNG HƯỚNG TRÊN MẶT BIỂN

2.1 Đường và mặt phẳng cơ bản của người đo

Đứng ở bất kỳ điểm nào trên bề mặt trái đất người đo đều có những đường

và mặt phẳng nhất định để làm cơ sở xác

định phương hướng Người ta đưa ra khái

niệm về các đường thẳng và mặt phẳng cơ

bản sau:

1/Đường chân trời thật.

Là giao tuyến giữa mặt phẳng chân trời

thật và bầu trời tưởng tượng

2/Mặt phẳng nằm ngang: (H)

Mặt phẳng vuông góc với đường dây

dọi gọi là mặt phẳng nằm ngang Khi mặt

5/ Bắc Nam và đường Bắc Nam:

Mặt phẳng kinh tuyến cắt mặt phẳng chân trời thật bởi một đường thẳnggọi là đường NS

6/ Mặt phẳng Đông Tây và đường Đông Tây:

Mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với mặt phẳng kinh tuyến người quansát gọi là mặt phẳng Đông - Tây (a-b) / a = 1-b/ aR)

7/ Giao tuyến giữa mặt phẳng kinh tuyến người quan sát và mặt phẳng chân trờithật là đường Bắc - Nam Đường thẳng nằm trên mặt phẳng chân trời thật vàvuông góc với đường N- S là đường Đông - Tây

2.2 Cách chia phương hướng

Để xác định phương hướng trên bề mặt đất hay cụ thể là trên mặt phẳngchân trời thật người ta đã đưa ra các hệ thống phân chia khác nhau, trong đó cócác điểm chính và hướng chính làm mốc

3

Hình 2.1

Để thuận tiện, người ta chọn hướng NS làm hướng cơ bản Nó chỉ gặp khókhăn khi người quan sát đứng ở cực, lúc đó hướng chính là vô định

Có các hệ thống như sau:

1 Hệ nguyên vòng:

- Điểm mốc được chọn là điểm N

- Các điểm chính trên mặt phẳng chân trời thật là điểm E(a-b) / a = 1-b/ acó giá trị bằng

900), điểm S (a-b) / a = 1-b/ agiá trị góc 1800); điểm W (a-b) / a = 1-b/ agiá trị góc là 2700); điểm N (a-b) / a = 1-b/ a3600 hay

00)

2 Hệ ¼ vòng,.

Là nguyên vòng chia ra thành 4 phần

- Điểm mốc là điểm N và điểm S

- Giới hạn tính góc Tính từ điểm N hoặc

Thứ tự các góc phần tư

+ Góc phần tư thứ nhất: từ điểm N đến điểm E

+ Góc phần tư thứ hai: từ điểm N đến điểm W

+ Góc phần tư thứ ba: từ điểm S đến điểm E

+ Góc phần tư thứ tư: từ điểm S đến điểm W

3 Cách chia điểm Ca:

Là phương pháp phân chia phương hướng đầu tiên, theo phương pháp nàyvòng tròn được chia ra làm 32 phần bằng nhau mỗi phần gọi là một ca có trị sốbằng:

NEN: Đông Đông Bắc

ESE: Đông Đông Nam

SSE: Nam Đông Nam

SSW: Nam Tây Nam

WSW: Tây Tây Nam

WNWNW

NNW: Bắc Tây Bắc

Bài 3: HẢI ĐỒ 3.1 Định nghĩa

Hải đồ là một loại bản đồ địa hình ở trên biển cho ta biết tất cả mọi tìnhhình bố cục ở trên mặt biển, dưới đáy biển (a-b) / a = 1-b/ ađộ sâu), các chướng ngại vật, tìnhhình bờ biển (a-b) / a = 1-b/ ađịa hình ), các hình dạng đường biển, hình dáng, độ cao của đảo,núi… Ngoài ra hải đồ cho ta biết các bố trí về các thiết bị phụ trợ Hàng hải, vị trí

và đặc điểm của chúng

Hải đồ được sử dụng để xác định vị trí tàu, vạch hướng đi và dự kiến cácphương pháp hàng hải trong thời gian tới

Trên cơ sở những nguyên tắc và phương pháp toán học, người ta tính toán

và thiết lập mối quan hệ ràng buộc chặt chẽ giữa tọa độ địa lý của các điểmtrên bề mặt trái đất với hình chiếu của chúng trên mặt phẳng Các yếu tố toánhọc của hải đồ bao gồm: phép chiếu hải đồ, tỷ xích hải đồ, mạng kinh vĩ

3.2 Phân loại phép chiếu hải đồ

Khác với việc sử dụng địa cầu mô tả hình dạng của bề mặt trái đất, bản đồ(a-b) / a = 1-b/ ahải đồ) chỉ thỏa mãn được một điều kiện nhất định: Đẳng giác hay đẳng tíchhoặc không thỏa mãn cả hai điều kiện này Song nếu bỏ qua những sai sót chophép thì ta có thể vẽ được một phần trái đất lên bản đồ mà thỏa mãn được cả haiđiều kiện đẳng giác và đẳng tích

3.2.1 Phân loại theo đặc điểm sai sót (theo qui luật biến dạng)

a) Phép chiếu đẳng giác: Là các phép chiếu thể hiện giá trị của góc không có sai

số Phép chiếu này cho phép nhận được hình dáng đúng đắn của đối tượng trênmặt chiếu nhưng kích thước thì thay đổi

b) Phép chiếu đẳng diện: cho phép thể hiện hải đồ với giá trị diện tích của các

đối tượng được thể hiện một cách chính xác nhưng hình dáng của chúng bị thayđổi

c) Phép chiếu tự do: Không đẳng diện, không đẳng giác.

d) Phép chiếu đẳng cự (đẳng khoảng cách): Là một trong những phép chiếu tự

do Phép chiếu này thể hiện khoảng cách theo những hướng chính không thayđổi và bằng tỷ lệ chính

Không có phép chiếu nào vừa đẳng diện vừa đẳng giác, sai số về góc càngnhỏ thì sai số diện tích càng lớn và ngược lại

3.2.2 Phân loại theo cách dựng

a) Phép chiếu phương vị

5

Phép chiếu phương vị có hai loại: Phối cảnh và không phối cảnh

+ Phép chiếu phương vị phối cảnh

Khi ta cho mặt phẳng chiếu tiếp xúc với địa cầu và vuông góc với đườngtia chiếu (a-b) / a = 1-b/ aPnO), ta có hình chiếu của các vĩ tuyến là các vòng tròn đồng tâm còncác đường kinh tuyến là những đường thẳng hội tụ tại điểm tiếp xúc Tâm chiếu

O có thể nằm bất kỳ:

+ Phép chiếu phương vị không phối cảnh

Người ta không dùng phép chiếu để thể hiện các đường kinh, vĩ tuyến màtùy thuộc vào điều kiện cần thỏa mãn mà qui định cách vẽ riêng Ví dụ người ta

vẽ hình cầu của trái đất

b) Phép chiếu hình nón

Ta chọn một mặt nón tiếp xúc với hình cầu còn trục hình nón thì trùng vớitrục quay của khối cầu Ta sẽ chiếu các đường kinh vĩ tuyến lên mặt nón rồi trảidài ra trên mặt phẳng

Các đường vĩ tuyến lúc này là những cung tròn đồng tâm có bán kính phụthuộc vào vĩ độ Các đường kinh tuyến là những đường thẳng, góc giữa cácđường kinh tuyến sẽ là δ= C.λ (a-b) / a = 1-b/ a C là hệ số tỉ lệ)

- Nếu trục hình nón vuông góc với trục quay của địa cầu ta có phép chiếungang

- Nếu 0<φn<90φn<90n<φn<90900 thì ta có phép chiếu hình nón xiên

Phép chiếu này không có tính chất đẳng giác cũng như đẳng tích Để khắcphục thì người ta chiếu hình cầu lên nhiều hình nón tiếp xúc với chúng

Hình 3.1

c) Phép chiếu hình trụ

Cho một hình trụ tiếp xúc với hình cầu tại xích đạo, ta chiếu các đườngkinh tuyến, vĩ tuyến lên mặt trụ Khi trải mặt trụ ra thì ta có hình chiếu cácđường kinh tuyến là nhứng đường thẳng song song nhau, hình chiếu các đường

vĩ tuyến là các đường vuông góc với đường kinh tuyến

Phép chiếu này thỏa mãn tính đẳng tích và đẳng giác

4 Mức độ tin cậy của hải đồ

Hải đồ là một phương tiện không thể thiếu dùng để hàng hải nhưng mức độtin cậy của chúng thì lại khác nhau Để đánh giá mức độ tin cậy của một hải đồcần phải xem xét tới các yếu tố sau:

- Thời gian xuất bản và tu chỉnh hải đồ: Những hải đồ mà thời gian xuấtbản càng gần thời gian sử dụng hoặc đã được tu chỉnh mới nhất thì có độ tin cậycàng lớn Số liệu ngày tháng, năm xuất bản được ghi ở góc bên trái phía dưới hảiđồ

- Tỉ lệ hải đồ: Hải đồ có tỉ lệ càng lớn thì càng thể hiện được chi tiết và độchính xác càng cao

7

Hình 3.2

Hình 3.3

- Giá trị độ sâu ghi trên hải đồ: Nếu độ sau được ghi một cách liên tục, mật

độ dày đặc thì chứng tỏ đáy biển đã được khảo sát kỹ càng và càng tin cậy Hải

đồ có những khoảng trống không được ghi độ sâu hoặc có những đường đẳngsâu chưa đầy đủ và như vậy chưa đáng tin cậy

- Hình thể và chất đáy của biển: Hình thể đáy biển biết được qua độ sâu ghitrên hải đồ, nếu hình thể đáy biển biến thiên đều đặn chứng tỏ đáy biển khôngphức tạp, không có những biến thiên đột ngột của đáy như san hô, núi lửangầm Ngoài ta chất đáy cho ta biết tính chất phức tạp hay thuần túy của nó

- Khu vực có độ sâu thay đổi lớn thì chứng tỏ địa hình đáy biển phức tạpcần hàng hải một cách cẩn thận, hoặc khu vực mà san hô đang phát triển thìkhông nên dẫn tàu đi qua

- Phải đọc kỹ các khuyến cáo, ghi chú ghi trên hải đồ trước khi sử dụng

- Cần chuẩn bị và tu chỉnh tốt hải đồ trước khi sử dụng

Bài 4: DỰ ĐOÁN ĐƯỜNG TÀU CHẠY VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

VỊ TRÍ TÀU 4.1 Dự đoán đường tàu chạy bằng cách vẽ (thao tác)

Để dẫn tàu an toàn phải dự đoán trước được hướng và quãng đường tàuchạy dựa trên cơ sở phân tích tổng hợp tình hình khí tượng thủy văn, phao tiêu,luồng lạch, nhiệm vụ chuyến đi…

Trong phương pháp dự đoán bằng cách vẽ, người ta thường xuyên kiểm trađường đi của tàu bằng các vị trí xác định Toàn bộ công tác vẽ họa trên hải đồ,thống kê và kiểm tra sự chuyển động của con tàu gọi là thao tác hải đồ

4.1.1 Thao tác sơ bộ

Bất cứ con tàu nào trước mỗi chuyến đi đều phải thao tác sơ bộ trước khithao tác sơ bộ phải nghiêm cứu kỹ các chỉ dẫn hàng hải, như hàng hải chỉ nam,danh mục phao tiêu, đèn biển, tình hình khí tượng thủy văn, tu chỉnh hải đồ theonhững thông báo hàng hải mới nhất có trong tay Việc thao tác sơ bộ được tiếnhành trên tổng đồ Khi thao tác phải:

- Nghiên cứu tuyến đường sắp tới

- Chọn đường đi tối ưu, an toàn

- Thao tác hướng HT và quãng đường tàu chạy

- Đảm bảo diện tích cần thiết cho phép tàu đi chệch ra khỏi đường đi dự tính

do các nguyên nhân khác nhau

- Ghi rõ các điểm chuyển hướng, đánh dấu các mục tiêu quan trọng dùng đểchuyển hướng

- Dự tính thời gian chuyến đi để tính các khoản dự trù khác

- Kiểm tra hải đồ, sách tham khảo

Khi buộc tàu phải chạy qua những vùng nguy hiểm, cần tính toán sao chotàu chạy vào ban ngày

4.1.2 Thao tác sơ bộ

Việc thao tác chính thức được tiến hành trên hải đồ dẫn đường có tỷ lệ xíchlớn Trước khi thao tác phải chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ Việc thao tác phải:

- Thao tác trên hải đồ đã được hiệu chỉnh và có tỉ lệ xích lớn nhất

- Thao tác liên tục trong suốt thời gian từ cảng xuất phát đến cảng đích

- Thao tác chu đáo cẩn thận, chú ý tới khả năng tàu có thể chệch khỏi hướngđi

- Thao tác liên tục từ điểm này tới điểm khác, không bỏ lỡ dịp kiểm tra bằng

vị trí xác định

9

1 giờ phải xác định vị trí một lần khi hành trình qua luồng hẹp hay các khu vựcnguy hiểm phải xác định vị trí liên tục 3 đến 5 phút 1 lần

Toàn bộ công tác thao tác hải đồ chỉ được xóa khi có lệnh của thuyềntrưởng

4.2 Phương pháp xác định vị trí tàu

4.2.1 Xác định vị trí tàu bằng hai phương vị

4.2.1.1 Cơ sở lý thuyết

Trong khi tàu hành trình, nếu trên tàu quan sát được bằng mắt thường được

2 mục tiêu có ghi trên hải đồ và có la bàn với số hiệu chỉnh chính xác Ta dùng

la bàn tiến hành đo đồng thời hai phương vị tới hai mục tiêu thì vị trí tàu là giao

4.2.1.2 Thứ tự tiến hành

gần mũi lái đo trước, chính ngang đo sau

Hiệu chỉnh ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayL được PT, trên hải đồ ta thao

tàu

Nếu thời gian quan trắc lớn hơn 1

phút, tốc độ tàu lớn hơn 12kts ta phải

Nhược điểm: Không kiểm tra được sai số nhầm lẫn của vị trí tàu F vì không

có mục tiêu thứ 3 để kiểm tra

Trong khi tàu hành trình, nếu trên tàu quan sát được ba mục tiêu có ghitrên hải đồ Dùng la bàn đo 3 phương vị đến ba mục tiêu Nếu cạnh của tam giácsai số nhỏ hơn 5mm trên hải đồ có tỉ xích 1:200.000 ta có thể lấy tâm của tamgiác sai số làm vị trí tàu Nếu không ta phải khử tam giác sai số.

4.2.2.2 Thứ tự tiến hành

Để nâng cao độ chính xác chọn mục tiêu thuận tiện cho việc đo phương vị

tiêu Mục tiêu tự nhiên: Đảo, mép hồ, phao nổi, đèn nổi…Những mục tiêu nàyphải được ghi trên hải đồ Những mục tiêu có phương vị thay đổi nhanh đo sau,thay đổi chậm đo trước tức là những mục tiêu phía mũi lái trước, gần chínhngang đo sau

4.2.2.3 Tiến hành đo đạc:

Dùng la bàn đo 3 phương vị đến 3 mục tiêu Nếu khoảng thời gian đophương vị nhỏ hơn 1 phút, tốc độ tàu nhỏ hơn 12kts thì coi như thao tác cùngthời điểm, nếu không phải tiến hành qui về cùng một thời điểm như sau:

PLA = (a-b) / a = 1-b/ aPLA1+PLA2); PLB = (a-b) / a = 1-b/ aPLB1+PLB2)

Lưu ý sao cho khoảng thời gian giữa các lần đo bằng nhau Hiệu chỉnh ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayL,

Nếu vận tốc của tàu lớn ta qui về cùng một thời điểm bằng phương phápsau:

Tại T1/TK1 xác định PLA hiệu chỉnh ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayL được PTNA

Tại T2/TK2 xác định PLB hiệu chỉnh ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayL được PTNB

Tại T3/TK3 xác định PLC hiệu chỉnh ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayL được PTNC

Tại A và B kẻ song song với HT, đặt ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayS1 = VTK (a-b) / a = 1-b/ aT2 - T1) và ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayS2 = VTK (a-b) / a = 1-b/ aT3

4.2.2.4 Nhận xét và đánh giá

Phương pháp này cho phép kiểm tra độ chính xác của sai số la bàn

Khi xác định vị trí tàu bằng 2 đường vị trí thì việc đánh giá độ chính xáccủa vị trí xác định hết sức khó khăn Nếu ta dùng 3 đường vị trí có thêm đường

đồ Giao điểm của hai cung tròn này là gần vị trí dự đoán là vị trí tàu xác định

4.3.2 Thứ tự tiến hành

Khi đã xác định được hai mục tiêu A, B dùng để xác định vị trí tàu.Nhanh chóng sử dụng radar đo khoảng cách tới hai mục tiêu theo nguyên tắcmục tiêu nào biến thiên chậm đo trước, mục tiêu nào biến thiên nhanh đo sau

4.3.3 Thao tác

Trên hải đồ lấy A, B

làm tâm lần lượt quay các

radar đo nhanh khoảng cách tới 3 mục tiêu trên ta sẽ xác định được 3 đườngđẳng trị là 3 cung tròn có tâm là 3 mục tiêu và bán kính lần lượt là khoảng cách

đo được tới 3 mục tiêu đó

Thao tác 3 cung tròn đó lên hải đồ Giao điểm của 3 cung tròn đó ở gần vịtrí dự đoán là vị trí tàu xác định

4.4.2 Thứ tự tiến hành

Khi đã xác định được 3 mục tiêu A, B, C dùng để xác định vị trí tàu Sửdụng Radar nhanh chóng đo khoảng cách tới các mục tiêu đó: mục tiêu gầnchính ngang đo trước, mục tiêu gần mũi lái đo sau

4.4.3 Thao tác

Trên hải đồ lấy A, B, C làm tâm lần lượt quay các cung tròn có bán kính

Theo lý thuyết 3 cung tròn sẽ giao nhau tại một điểm ở gần vị trí dự đoán

và đó chính là vị trí tàu xác định Nhưng do có sai số do đo thực tế 3 cung tròntrên sẽ giao nhau tạo thành một tam giác gọi là tam giác sai số Nếu cạnh củatam giác đó <φn<905mm trên hải đồ 1:200.000, ta lấy tâm tam giác sai số làm vị trítàu Nếu không ta tạo tam giác sai số thứ hai bằng cách thêm hay bớt đi khoảngcách đo được một lượng sai số như nhau, nối các đỉnh tương ứng của hai tamgiác sai số được vị trí tàu

4.5 Xác định vị trí tàu bằng một phương vị và một khoảng cách đồng thời đến một mục tiêu.

4.5.1 Cơ sở phương pháp

Trong khi tàu hành trình, nếu trên tàu quan sát được một mục tiêu có ghi

rõ trên hải đồ, thuận tiện cho việc đo phương vị và khoảng cách tới mục tiêu Tatiến hành đo đồng thời khoảng cách và phương vị tới mục tiêu đó ta sẽ xác địnhđược 2 đường đẳng trị đường phương vị và đường tròn khoảng cách Giao củahai đường đẳng trị cho ta vị trí tàu xác định

Phương pháp này đơn giản nhanh chóng và tương đối chính xác và được

sử dụng rộng rãi trong hàng hải

Ngoài ra khi ở khu vực hàng hải có hai mục tiêu, một mục tiêu thuận lợicho việc đo phương vị (a-b) / a = 1-b/ amục tiêu A), một mục tiêu thuận lợi cho việc đo khoảngcách (a-b) / a = 1-b/ amục tiêu B) ta cũng có thể sử dụng phương pháp này Ta đồng thời đophương vị tới mục tiêu A và đo khoảng cách tới mục tiêu B

4.5.2 Thứ tự tiến hành

Vào thời điểm xác định vị trí của mục tiêu đồng thời đo khoảng cách vàphương vị tới mục tiêu A (a-b) / a = 1-b/ atrường hợp một mục tiêu) hay đồng thời đo khoảngcách tới mục tiêu B và phương vị mục tiêu A (a-b) / a = 1-b/ atrường hợp hai mục tiêu)

Để đo phương vị ta có thể dùng la bàn hoặc radar nhưng để nâng cao độchính xác của vị trí xác định nên sử dụng la bàn để đo phương vị tới mục tiêu vìsai số trong việc đo phương vị bằng la bàn nhỏ hơn nhiều so với phương vị bằngradar

Để đo khoảng cách ta dùng radar,

4.5.3 Thao tác

Đo phương vị tới A được PLA, hiệu chỉnh độ lệch la bàn ΔL Bên cạnh mỗi điểm dự đoán hayL ta được PTA

vào thời điểm T/TK

Bài 5: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 5.1 Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu bao gồm 3 khâu:

- Khâu vệ tinh

- Khâu điều khiển

- Khâu sử dụng

5.1.1 Khâu vệ tinh:

Gồm 28 vệ tinh quay xung quanh trái đất hai lần

trong ngày trong quỹ đạo rất chính xác

Phần vũ trụ sẽ bảo đảm cho bất kỳ vị trí nào trên quả đất đều có thể quansát được 4 vệ tinh ở góc trên 15 độ (a-b) / a = 1-b/ anếu góc ở ngưỡng 10 độ thì có thể quan sátđược 10 vệ tinh và ở góc ngưỡng 5 độ có thể quan sát được 12 vệ tinh

Nhiệm vụ chủ yếu của các vệ tinh.

¡ Ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ khâu điều khiển

¡ Xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh

¡ Duy trì chính xác cao của thời gian bằng các đồng hồ nguyên tử

¡ Chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng

¡ Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đất

5.1.2 Khâu điều khiển

Gồm một trạm điều khiển chính, 5 trạm thu số liệu, 3 trạm truyền số liệu

Công nghệ xử lý gồm: Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ,

hiệu chỉnh quỹ

không cần người trông coi, chịu sự kiểm soát của trạm điều khiển chính, cónhiệm vụ thu thập thông tin từ vệ tinh, liên tục kiểm soát vị trí vệ tinh, cập nhậtthời gian và cung cấp lịch sao cho vệ tinh dùng để đảm bảo sự đồng bộ thời gianvới thời gian chuẩn và vị trí trên trái đất các dữ liệu này được truyền về trạmđiều khiển chính

15

Hình 5.1

Trạm điều khiển chính tiếp nhận, xử lý các thông tin, sai số dữ liệu…từ cáctrạm giám sát truyền về và cập nhật, biên tập các bản tin đạo hàng, cung cấp thờigian chuẩn, tính toán các thông số vệ tinh, đưa ra các lệnh điều khiển… rồitruyền chúng đến các trạm dẫn động, định giờ phát đến các vệ tinh GPS

5.1.3 Khâu sử dụng gồm

Khi ta di chuyển hay dừng tại chỗ, máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh rồitính tóan định vị Kết quả tính được là tọa độ hiển thị trên màn hình bộ ghi sốliệu

Bộ ghi số liệu là máy cầm tay, có phần mềm thu thập số liệu Bộ ghi số liệu

có thể ghi vị trí hoặc gắn thông tin thuộc tính với vị trí

Máy tính, phần mềm xử lý số liệu: Hệ thống GPS có kèm theo phần mềm

xử lý số liệu Sau khi thu thập số liệu ở thực địa, phần mềm chuyển số liệu vị trí

và thông tin thuộc tính sang máy tính (a-b) / a = 1-b/ aPC), sau đó phần mềm sẽ nâng cao độchính xác (a-b) / a = 1-b/ abằng kỹ thuật phân sai)

Phần mềm xử lý số liệu GPS còn có chức năng biên tập hoặc vẽ Phầnmềm này cũng hỗ trợ thu thập các yếu tố địa lý và thông tin thuộc tính cho GPShoặc các cơ sở dữ liệu khác

5.2 Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS

Để giải thích một cách đơn giản, theo như

hình 22.04, đầu tiên giả sử đã biết vị trí của hai

vệ tính trong không gian, cả hai vệ tinh và máy

thu của người sử dụng đều trang bị các đồng hồ

đồng bộ với nhau Khi vệ tinh phát ra một tín

hiệu vào thời điểm được ghi lại trên đồng hồ

người sử dụng và người sử dụng thu nhận được

tín hiệu đó sau 1 giây, thời lượng sóng truyền

lan từ vệ tinh đến người sử dụng là c.t (a-b) / a = 1-b/ atrong đó

c là tốc độ sóng radio trong không gian bằng

300.000 km/s) Vị trí của người quan sát nằm

trên một quả cầu tưởng tượng có bán kính R =

c.t Vị trí người quan sát vừa nằm trên quả cầu

tưởng tượng vừa nằm trên trái đất, cho nên vị trí đó chắc chắn nằm trên đườnggiao nhau của mặt quả cầu và mặt trái đất, đó là đường vị trí thứ nhất A Cùngcách như vậy, đồng thời đo khoảng cách đến một vệ tinh khác ta có đường vị tríthứ hai B hai điểm P là vị trí của người quan sát Hai đường vị trí này cắt nhautại hai điểm, trong đó điểm P là vị trí của người quan sát Hai điểm đó thườngcách nhau rất xa nên không thể nhầm lẫn được

Để thực hiện việc đo khoảng cách, có 3 vấn đề cần giải quyết:

1 Xác định mối quan hệ giữa đồng hồ máy thu GPS của người dùng với đồng

hồ trên vệ tinh

Hình 5.2

Hình 5.3

2 phương pháp đo thời gian với độ chính xác cao, sai số thời gian 10-7s tương

3 thông báo cho người sử dụng thời gian chính xác mà vệ tinh phát tín hiệu

5.3 Độ chính xác của hệ thống GPS

- Sai số do hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh không chính xác

Khoảng cách tính toán từ vệ tinh đến máy thu phụ thuộc vào khoảng thờigian truyền tín hiệu ∆T mà máy thu đo được Mặt khác khoảng thời gian ∆T lạiphụ thuộc rất lớn vào đồng hồ của vệ tinh và của máy thu GPS Trên mỗi vệ tinhngười ta trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao, nó có sai số không

này vẫn có sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí tàu Sai số này khoảng15m

- Sai số do lập lịch vệ tinh không chính xác

Trên cơ sở quan sát vệ tinh, khâu điều khiển dự đoán, tính toán quỹ đạo, vịtrí của vệ tinh trong tương lai để cung cấp cho máy thu tính toán xác định vị trí.Tuy nhiên, quỹ đạo của vệ tinh lại chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn của nhiềuthành phần như: trái đất, mặt trời và các thiên thể…có độ lớn khó tính toán trướcđược nên việc lập lịch vệ tinh dễ có sai số Tất cả các nguyên nhân này gây sai

số đối với vị trí xác định khoảng 8.4m

- Sai số do tầng khí quyển

Khi sóng truyền từ vệ tinh xuống mặt đất phải xuyên qua lớp khí quyển baoquanh nên nó làm cho sóng truyền thay đổi tốc độ và bị khúc xạ đặc biệt là khixuyên qua tầng ion Sai số do tầng ion tác động lên vị trí xác định vào khoảng20-30m vào ban ngày và 3-6m vào ban đêm, sai số này không thể hiệu chỉnh vàkhử hết nên nó vẫn tồn tại khoảng 2m

- Sai số lựa chọn

Với mục đích bảo mật, sai số này khoảng 39 m đối với máy thu GPS thìsai số này được biết trước và loại trừ được

- Sai số do nhiễu máy thu, do phản xạ, do người quan sát di chuyển

Tổng hợp sai số này khoảng 6m

- Độ suy giảm mức chính xác -sai số DOP

Đặc tính hình học của vệ tinh được thể hiện bằng thông số DOP, thông sốđặc tính hình học này biểu thị độ chính xác của vị trí tàu Về mặt hình học, cóthể coi như nếu các vệ tinh càng phân bố rộng trên không gian thì độ chính xác

trong hàng hải địa văn thì độ chính xác càng cao

Tổng hợp trung bình các loại sai số trên được thống kê theo bảng sau:

17

Nguyên nhân gây sai số Sai số

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

Câu 1: Trình bày những khái niệm cơ bản về quả đất?

Câu 2: Trình bày các phép chiếu trên hải đồ?

Câu 3: Trình bày các sai số trong hệ thống GPS?

Câu 4: Trình bày cách xác định vị trí tàu bằng 2 đường khoảng cách?

Câu 5: Trình bày cách xác định vị trí tàu bằng 3 đường khoảng cách?

Câu 5: Trình bày cách xác định vị trí tàu bằng 2 phương vị?

Câu 6: Trình bày cách xác định vị trí tàu bằng 3 phương vị?

Câu 7: Trình bày cách xác định vị trí tàu bằng 1 phương vị và 1 khoảng cách?

Chương II THIẾT BỊ HÀNG HẢIBài 1 MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM 1.1 Nguyên lý hoạt động của máy đo sâu hồi âm

1.1.1 Nguyên lý đo sâu bằng sĩng âm

TTĐK: trung tâm điều khiển

Để đo độ sâu dưới đáy tàu người ta sử

dụng phương pháp sau: từ trung tâm điều khiển phát, điều khiển máy phát để tạo

ra xung dao động cực mạnh phát xuống máy phát Xung dao động qua màng daođộng phát tạo ra sĩng siêu âm phát xuống đáy biển Khi sĩng siêu âm gặp đáybiển, phản xạ trở lại, màng dao động thu nhận được sĩng siêu âm, người ta đođược khoảng thời gian phát và thời gian thu Vì vậy, tính được độ sâu dưới đáybiển theo cơng thức sau:

2 2

- c: Vận tốc sĩng siêu âm trong nước biển

- t: Thời gian thu và phát

- L: Khoảng cách giữa màng dao động thu và phát

Để chỉ báo tín hiệu độ sâu, màng dao động thu sĩng siêu âm để biến thànhdao động điện áp đến bộ phận khuyếch đại tín hiệu, đưa đến trung tâm điềukhiển rồi đến máy chỉ báo độ sâu

Nếu độ sâu lớn thì L/2 rất nhỏ so với c.t/2 nên độ sâu cĩ thể viết:

19

K

TTĐ K

C B

L h

Hình 1.1

Để biểu thị độ sâu đo được thông qua thời gian đo được bằng nhiều phươngpháp như:

- Dùng đèn chỉ thị độ sâu

- Ghi độ sâu bằng băng giấy

- Dùng màn hình điện tử

- Chỉ báo bằng số

1.1.2 Phương pháp tạo ra sóng siêu âm:

Các dụng cụ thủy âm (a-b) / a = 1-b/ amáy đo sâu), người ta dùng phương pháp sau để tạosóng âm:

- Trong môi trường đàn hồi, người ta đặt một nguồn phát sóng siêu âm(a-b) / a = 1-b/ amàng dao động phát) Màng dao động đó có bề mặt tiếp xúc với các phần tửcủa môi trường và làm thay đổi áp lực của môi trường, sự thay đổi trạng thái củamôi trường bị nén hoặc dãn ra nhờ sự đàn hồi mà được truyền từ phần tử nàysang phần tử khác Đó là sự truyền sóng siêu âm trong môi trường

- Nếu trong vùng có sự tác động của nguồn âm, ta đặt một vật có khả năngdao động dưới tác dụng của môi trường bên ngoài thì vật đó sẽ lặp lại những daođộng của nguồn Như vậy, ta thu được sóng siêu âm (a-b) / a = 1-b/ amàng dao động thu) Sauđây là những phương pháp tạo ra và thu sóng siêu âm

a) Phương pháp tạo sóng siêu âm (a-b) / a = 1-b/ achế tạo ra màng dao động phát):

Hiệu ứng từ thuận: khi cho một thanh kim loại có từ tính như: niken, côban,

… và cuốn xung quanh nó những vòng dây, sau đó cho dòng điện xoay chiều cótần số cao chạy qua thì lúc này thanh kim loại bị thay đổi kích thước (a-b) / a = 1-b/ athay đổichiều dài, chiều rộng theo quy luật của tần số nguồn điện tác dụng)

Nếu ta có nhiều thanh kim loại như trên ép chặt lại với nhau như thế và chodòng điện xoay chiều hoặc một chiều dưới dạng xung điện cực mạnh chạy quathì dưới tác dụng của dòng điện, các thanh kim loại sẽ thay đổi kích thước theoquy luật tần số dòng điện và như vậy các thanh kim loại sẽ va đập vào nhau, lúc

đó phát ra âm thanh có tần số nhất định Nếu các thanh kim loại được ép vớinhau càng chặt thì tần số âm càng lớn, sẽ tạo ra sóng siêu âm Lợi dụng hiệu ứngnày người ta chế tạo ra màng dao động phát

∆L

∆L L

Hình 1.2

b) Phương pháp thu sóng siêu âm (a-b) / a = 1-b/ achế tạo màng dao động thu):

Hiệu ứng từ nghịch: gồm thanh kim loại

như: niken, xung quanh có cuộn dây Nếu

ta dùng lực cơ học để làm thay đổi chiều

dài của thanh niken bằng cách kéo hoặc

nén thì lúc này thanh kim loại có nhiễm từ

Trọng lượng của cuộn dây đó ta thấy suốt

điện động ra của cuộn dây luôn tỉ lệ với

tần số kéo nén, gọi là hiện tượng cảm ứng

từ nghịch Áp dụng để chế tạo màng dao

động thu sóng hình sin

Màng dao động thu dựa trên nguyên lý sau: gồm các thanh niken ép lại vớinhau và có cuộn dây xung quanh, khi sóng âm phản xạ trở về từ đáy biển, tácdụng vào thanh kim loại Lúc này sóng âm truyền trong môi trường nước biểnchạy qua lớp tiếp giáp với môi trường thứ hai là thanh kim loại niken, làm kimloại này rung lên theo tần số của nguồn âm, các thanh kim loại này va đập vàonhau chúng di chuyển tường đối trong lòng cuộn dây mà thanh kim loại niken đã

có từ tính sẵn nên trong cuộn dây sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng Nhưvậy tín hiệu sóng âm thu về được chuyển thành tín hiệu điện

Nhược: Nguồn tiêu thụ của màng dao động tương đối lớn Thông thường

1500 – 2000(a-b) / a = 1-b/ aV) phóng qua cuốn dây này mới tạo ra được công suất yêu cầu củamáy phát

Rất nguy hiểm cho người thợ sửa chữa Tần số phát ra trong 1 phạm vi từ

24 Khz – 35 Khz

Kích thước của màng dao động thu phát cồng kềnh

1.1.3 Chọn tần số sóng siêu âm để đo sâu:

Người ta sử dụng sóng siêu âm để đo sâu vì nó có những ưu điểm sau:

- Sóng siêu âm dễ phát ra búp phát hẹp từ màng dao động phát để tập trungnăng lượng xuống đáy biển, giảm được công suất của máy phát, sự tập trungnăng lượng còn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của màng dao động phát

Nếu dùng sóng âm có tần số thấp (a-b) / a = 1-b/ abước sóng lớn) thì dễ lọt tạp âm, búpphát rộng, hệ số định hướng giảm, năng lượng bị phân tán trên nhiều hướng do

đó năng lượng phát đi không được xa

Ta thấy chọn tần số làm việc cho máy đo sâu phù hợp với kiều kiện hànghải tương đối phức tạp, có nhiều mâu thuẩn Thông thường, các máy đo sâu hiệnnay người ta chọn tần số 20 – 50 KHz, một số máy có thể chọn tần số cao hơn(a-b) / a = 1-b/ aphù hợp cho các máy dò tìm cá)

Các máy đo sâu hiện nay có thể thay đổi được tần số phát để phù hợp vớiđiều kiện hàng hải

1.2 Thiết bị tự ghi độ sâu

Băng truyền động quấn qua

hai ròng rọc được kéo bằng một mô

tơ quay nhanh với tốc độ ổn định

chính xác, trên băng truyền động

gắn một ghi ép chặt trên mặt giấy

ghi Trên bề mặt giấy ghi tráng một

lớp kim loại mỏng (a-b) / a = 1-b/ athường dùng lá

nhôm), trên đó phủ một lớp chất

không dẫn điện mỏng nữa Khi có

một điện thế dẫn quan kim ghi thì

lớp trên của kim loại bị cháy và

làm lộ ra lớp kim loại với màu sắc

khác

Khi máy hoạt động, nam châm

kích phát, gắn trên băng truyền

động, lướt qua đầu cảm biến (a-b) / a = 1-b/ agắn

cố định) thì mạch điện được đóng

kín khiến máy phát tạo ra một xung

dao động cơ học và phát sóng âm

vào đáy biển cùng lúc đó kim ghi

cũng chỉ đúng vị trí “zero” trên thang tỷ lệ giấy ghi Trong khi bút ghi vẫn tiếptục di chuyển thì một phần năng lượng của xung phản hồi từ đáy biển được bộtạo dao động thu nhận được và chuyển từ tín hiệu cơ thành tín hiệu điện rồi đưaqua bộ khuếch đại và đưa về bút ghi vẽ thành một vệt đen trên giấy ghi để chỉbáo độ sâu

Khi thay đổi các thang đo khác nhau thì cũng thay đổi tốc độ mô tơ chophù hợp

Ngoài hai phương pháp chỉ báo độ sâu như trên còn có loại chỉ báo theonguyên lý kỹ thuật số

1.3 Sai số của máy đo sâu hồi âm

Hình 1.4