선박용 자이로컴파스의 구성 요소 및 작동 원리 (전체 기술 매뉴얼)
1. 선박용 자이로컴퍼스의 하드웨어 구성
요코가와(YOKOGAWA) CMZ 900 시리즈 선박용 나침반 시스템의 구성도(블록 다이어그램)는 그림 4-1-1과 같다:
그림 4-1-1 나침반 구성 시스템 블록도
(1) 전원 부분
전원 제어함의 외형 및 내부 구조도는 그림 4-1-2와 같으며, 이는 주 나침반에 직류 전원을 공급하고 선박 전원을 나침반용 전원으로 변환하는 역할을 한다. 그림에는 제어함 내부의 퓨즈, 전원 스위치 및 배선 단자대의 설치 위치가 표시되어 있다.
그림 4-1-2 전원 제어함 외관 및 내부 구조도
(2) 주나침반 부분
주 나침반은 선박의 실제 항로를 감지하는 역할을 하며, 그림 4-1-3의 주 나침반 구조 도면은 선박 주 나침반의 외부 및 내부 구조를 보여준다. 주 나침반 외부에는 전원 스위치 유닛과 M 조작 유닛이 장착되어 있으며, 내부에는 나침반 구를 담는 용기가 장착되어 있다.
[자이로 스피어 하우징과 디지털 조작 장치가 포함된 해상 주나침 장치 조립도]
그림 4-1-3 주 나침반 구조 도식도
(3) 제어함
그림 4-1-4에 표시된 제어함은 선수 방향 신호와 전원을 다른 장치로 분배하고, 다른 신호(예: 속도, 위치 등)를 나침반으로 수신하는 데 사용됩니다. 제어함 전면 패널에는 C 조작 장치가 장착되어 있으며, 내부에는 퓨즈, 전원 스위치 및 단자대가 설치되어 있습니다.
(4) 나침반 재표시기
나침반 방향 표시기는 그림 4-1-5와 같이, 주 나침반으로부터 선수를 향한 신호를 수신하여 선박의 선수 방향을 표시한다.
그림 4-1-5 나침반 재표시기
2. 선박용 자이로컴퍼스 시동 절차
(1) 선박에서 자이로스코프에 공급되는 전원이 시스템 요구 사항을 충족하는지 확인한다.
선박의 교류 및 직류 전원 공급이 정상인지 확인하고, 전압과 주파수가 나침반의 전력 요구 사항을 충족하는지 확인한다.
(2) 제어함의 전원을 켠다
제어함의 전원 스위치는 그림 4-1-6과 같이 제어함 내부의 오른쪽에 위치해 있으며, 토글 스위치를 “ON” 위치로 설정하면 전원이 켜집니다.
(3) 메인 나침반 전원 켜기
주 자이로컴퍼스의 전원 스위치는 주 자이로컴퍼스 전면 패널(M 조작 유닛)에 위치해 있으며(그림 4-1-7 참조), 토글 스위치를 “ON” 위치로 설정하면 전원이 켜집니다.
[전원 토글 스위치가 강조된 M형 작동 장치의 이미지]
그림 4-1-7 주 나침반 전원 스위치
(4) 나침반 재표시기에 전원을 공급하고 보정하기
나침반 재표시기의 배선함 유닛은 그림 4-1-8과 같으며, 주 나침반으로부터 선미 방향 신호와 전원이 입력됩니다. 이러한 신호와 전원은 나침반 재표시기의 작동을 구동합니다. 또한, 배선함에는 나침반 재표시기의 밝기 조절 기능도 갖추고 있습니다. 또한, 배선함 내부에는 제로 조정 스위치가 장착되어 있어, 조작자는 이 스위치를 사용하여 나침반 재표시기와 주 나침반 간의 편차 값을 조정할 수 있다.
시동 후 약 5시간 이후, 주 나침반의 진로가 확정되면 시스템이 실제 진로를 출력합니다. 나침반 재표시기와 스테핑 신호의 진로 추적 신호는 주 나침반의 진로를 따라 다른 진로 신호가 필요한 부품이나 장비로 전달되며, 이로써 나침반의 시동이 완료됩니다.
3. 나침반 신호와 다른 장비와의 연결
나침반 신호를 확인하려면 버튼을 조작하여 메뉴를 통해 C 조작 유닛 및 M 조작 유닛의 메뉴를 불러와야 합니다. 그림 4-1-9는 C 조작 유닛 패널의 각 버튼 기능에 대한 설명입니다. 그림 4-1-10는 M 조작 유닛 패널의 각 버튼 기능에 대한 설명입니다.
(1) 나침반 출력 신호 확인
1. C 조작 유닛
그림 4-1-11은 C 조작 유닛 패널의 화면으로, 선미 방향 표시 영역에는 현재 나침반 선미 방향 측정 데이터와 시스템 상태가 표시되며, 데이터 표시 영역에는 입력 방법과 입력된 선속 및 선위 정보가 표시됩니다.
[방향 및 데이터 영역이 표시된 C 작동 장치 패널 디스플레이 이미지]
그림 4-1-11 C 조작 유닛 패널 표시
2. M 조작 유닛
그림 4-1-12는 M 작동 유닛의 패널 디스플레이를 보여주고 있으며,자이로 헤딩 이 열에 표시된 데이터는 현재 나침반의 선수를 나타내는 출력 데이터입니다.
(2) 나침반 신호와 다른 장비와의 연결
나침반 출력 신호를 레이더, AIS, VDR 또는 ECDIS 등의 장비에 연결할 때는 먼저 주 나침반의 직렬 출력 포트에 대한 통신 프로토콜을 수정해야 합니다. 구체적인 조작 방법은 다음과 같습니다. Command 명령 모드에서 “Generat Menu” 메뉴에서 코드 번호가 42 “Out Port” 옵션을 선택하여 출력 포트의 보트레이트 설정을 조정합니다(그림 4-1-13 참조).
(2) 메뉴에서 코드를 선택합니다. “4 Generat”, “ENT” 키를 눌러 들어갑니다.
(3) 코드 선택 “42 Out Port” (구체적인 조작 화면에 따라, 참고: 코드는 그림 41 또는 42와 일치해야 함), “ENT” 키를 누르십시오.
(4) 상하 방향 키를 사용하여 다른 포트를 선택한 후 “ENT” 키를 누르면, 선택된 포트의 보트 속도가 깜빡이기 시작합니다. 이후 상하 방향 키를 사용하여 다른 보트 속도를 선택할 수 있으며, 변경을 마친 후 “ENT” 키를 누르면 보트 속도 설정이 완료됩니다.
(5) 포트 매개변수 설정이 완료되면, 신호 케이블을 통해 나침반의 출력 단자를 레이더, AIS, VDR 또는 ECDIS 등의 장비의 선미 방향 신호 입력 단자에 연결합니다.
4. 나침반 오차 제거 방법
나침반 오차를 제거하려면 C 조작 유닛에서 작동 모드를 명령 모드로 전환하고, 설정 기능으로 진입한 후 각 매개변수를 설정 및 조정하여 자이로나침반이 실제 항로를 정확하게 표시하도록 해야 합니다. 정상적인 상황에서는 자이로컴파스가 Log 및 GNSS 등에서 각각 선박의 속도 신호와 위도 신호를 입력받아 속도 오차를 자동으로 보정합니다.
(1) 명령 패턴의 소개
C 조작 유닛은 명령 버튼을 길게 눌러 다음으로 전환할 수 있습니다. “명령 모드”, 패널 버튼 배치도는 그림 4-1-8 및 그림 4-1-9에 표시된 명령 버튼의 위치 표기를 참조하십시오.
명령 버튼을 누르면, 그림 4-1-14와 같이 C 조작 유닛의 데이터 표시 영역에 기본 메뉴가 표시되며, 상하 버튼과 “ENT” 버튼을 사용하여 메뉴 항목을 전환하거나 중간 메뉴(하위 메뉴)로 진입할 수 있습니다.
(2) 속도 오차의 제거
속도 오차 보정을 위해 명령 모드를 통해 설정 기능 하위 메뉴로 진입하는 명령어 21 SPD 세트 옵션. 기능 설정 스크립트는 표 4-1-1과 같습니다:
표 4-1-1 설정 기능 명령어
| 스크립트 | 조작 유닛 | 기능 옵션 | 대기 모드에서 실행 | 페이지 번호 | |
| C | M | ||||
| 20 | 0 | – | 외부 선미 방향 입력 선택. | 0 | 42 |
| 21 | 0 | 0 | 속도 오차 보정을 위한 속도 설정. | 0 | 43 |
| 22 | 0 | 0 | 속도 오차 보정을 위한 위도 설정. | 0 | 44 |
| 23 | 0 | 0 | 나침반 자동 정렬. | X | 45 |
| 24 | 0 | 0 | 나침반 수동 정렬. | X | 47 |
| 25 | 0 | 0 | 주 자이로 추적 이득을 설정합니다. | 0 | 49 |
| 26 | 0 | 0 | 주 나침반 경보 원인을 표시하거나 재설정합니다. | 0 | 50 |
| 27 | 0 | – | 표시/재설정(작동 유닛 경보 원인). | 0 | 51 |
| 28 | 0 | – | 편차 경보 설정. | 0 | 52 |
| 29 | 0 | 0 | 시동 타이머 설정. | 0 | 53 |
| 메뉴 코드 | 명령 기능 (Operation MENU) |
|---|---|
| 21 | SPD SET (속도 오차 보정 입력) |
| 22 | LAT SET (위도 오차 보정 입력) |
(1) “Operation MENU”에서 “21 SPD SET”를 선택하고 “ENT” 키를 눌러 속도 오차 보정 속도 입력 화면으로 전환합니다.
(2) “ENT” 키를 눌러 자동 또는 수동 입력 모드를 선택합니다. 이때 “AUTO”와 “MANUAL”이 동시에 깜빡이며, 상하 방향 키를 사용하여 선택한 후 “ENT” 키를 누르면 됩니다.
(3) ‘자동’을 선택하면 자동 선속 입력값이 깜빡이며, 그림 4-1-15는 선속이 23 kn일 때의 자동 입력 표시 예시입니다.
(4) ‘수동’을 선택하면 선속의 십의 자릿수가 깜빡이며, 좌우 키로 자릿수를 전환하고 상하 키로 숫자를 변경하여 00~99 kn의 선속을 수동으로 입력할 수 있습니다.
(5) 선속을 입력한 후 “ENT” 키를 누르면 입력한 수치가 깜빡이며, 이는 정보를 수정해야 함을 나타냅니다. “ENT” 키를 다시 누르면 깜빡임이 멈추고 입력된 숫자가 수정되며, 속도 오차 보정이 완료됩니다.
(3) 위도 오차의 제거
(1) “Operation MENU”에서 “22 LAT SET”을 선택합니다(참고: 원문에는 22 SPD SET로 표기되어 있으나, LAT SET이 맞습니다). “ENT” 키를 눌러 속도 오차 보정 위도 입력 화면으로 전환합니다.
(2) “ENT” 키를 눌러 자동 또는 수동 입력 모드를 선택합니다. 이때 “AUTO”와 “MANUAL”이 동시에 깜빡이며, 상하 방향 키를 사용하여 선택한 후 “ENT” 키를 누르면 됩니다.
(3) ‘자동’을 선택하면 자동 위도 입력란이 깜빡이며, 그림 4-1-16은 위도 39°일 때의 자동 입력 표시 예시입니다.
(4) 수동 모드를 선택하면 N과 S가 깜빡이며, 좌우 버튼으로 자릿수를, 상하 버튼으로 숫자를 변경하여 00~70°를 수동으로 입력할 수 있습니다.
(5) 위도를 입력한 후 “ENT” 키를 누르면, 입력한 수치가 깜빡이며 변경이 필요한 정보를 나타냅니다. “ENT” 키를 다시 누르면 깜빡임이 멈추고 입력된 숫자가 변경되며, 위도 오차 보정이 완료됩니다.
(4) 충격 오차의 제거
자이로 나침반의 충격 오차는 선박이 기동 항해(예: 속도 변경, 방향 전환) 시 발생하는 관성력에 의해 발생한다. 관성력이 나침반 시스템에 작용하면 주축이 안정된 위치에서 벗어나게 되어 오차가 발생한다. 이를 제거하는 방법은 주로 다음과 같은 요점을 포함한다:
1. 설계 최적화 및 자연 감쇠
제2종 충격 오차는 기동 종료 후 약 1/4의 감쇠 주기에서 최대값에 도달하며, 일반적으로 1시간 정도 지나면 자연적으로 사라집니다. 충격 오차를 제거하기 위한 기본 원칙은 자이로볼의 진동 주기를 늘려 관성력이 나침반에 미치는 영향을 줄이는 것입니다.
2. 보상법
- 외부 보정법:외부 장치(예: 기준선 또는 눈금판 조정)를 통해 항로 측정값을 보정하고, 오차 값을 직접 차감한다.
- 내부 보정법:나침반에 보정 토크(예: 수직축 또는 수평축 보정 토크)를 가하여 주축이 자오면 내에서 안정되도록 한다. 예를 들어, Sperry MK37형 나침반은 수직축 보정을 채택하고, 아마브랑 10형은 수평축 보정을 채택한다.
선박이 기동 항해를 할 때, 선박의 위도가 설계 위도보다 낮으면 충격 오차는 처리하지 않아도 된다. 선박의 위도가 설계 위도보다 높으면, 오차를 제거하기 위해 댐퍼를 차단해야 한다.
(5) 기준선 오차의 제거
선박 자이로컴파스의 기준선 오차는, 자이로컴파스 장치의 물리적 기준선과 선박의 실제 선수-선미면이 수평 투영상에서 이루는 각도 편차를 의미한다. 정상적인 상황에서 자이로컴파스 항로 눈금판의 0도 선(나침반 기준선)은 선박의 종축이 수평면에 투영된 선(선박의 선수-선미 방향을 나타냄)과 완전히 일치해야 한다. 만약 두 선 사이에 각도가 존재하면, 나침반이 표시하는 항로는 선박의 실제 항로와 일정한 편차를 보이게 됩니다. 이러한 체계적 오차는 항해 정확도에 심각한 영향을 미치므로, 전문적인 교정을 통해 반드시 제거해야 합니다.
기준선 오차가 발생하는 데에는 주로 세 가지 원인이 있습니다:
- (1) 설치 오차:장비 설치 시 측정 도구의 정확도가 부족하거나 설치 작업이 부적절하여, 나침반 받침대의 기준면이 선박의 설계 상 선미면 및 선수면과 완전히 일치하지 않아, 처음부터 기준선 편차가 발생하게 되었다.
- (2) 선체 변형의 영향:선박은 다양한 적재 상태에서, 또는 복잡한 해상 상황에 직면했을 때 선체 변형이 발생하며, 예를 들어 중앙 아치나 중앙 처짐과 같은 구조적 굽힘 현상이 나타납니다. 이러한 변형은 간접적으로 나침반 설치 베이스의 방위각 편차를 초래합니다.
- (3) 장비 부품의 풀림:선박이 장기간 항해하는 동안 장비의 지속적인 진동으로 인해 나침반 내부의 기계 부품이 서서히 느슨해져, 기준선이 시간이 지남에 따라 서서히 어긋나게 됩니다. 이러한 오차는 지속적으로 누적되므로 정기적인 유지보수가 필요합니다.
기준선 오차를 제거하려면 규격에 따른 절차에 따라 교정을 수행해야 합니다:
(1) 교정 조건 선택:선박을 안정된 상태로 유지하십시오. 예를 들어, 잔잔한 수역에 정박하거나 저속으로 직선 항해하는 것이 좋습니다. 보정 정확도에 영향을 미치지 않도록 선박의 횡요, 종요 및 잦은 항로 변경을 피하십시오.
(2) 기준 방위를 확인하고 오차를 측정합니다:고정밀 외부 기준점을 도입하여 선박의 실제 항로를 확인하는 일반적인 방법으로는, 육분의를 사용하여 천체를 관측하는 천문 방위 측량, 차분 위성항법시스템(DGPS)을 통해 항로를 산출하는 방법, 지형 표지 방위 교차법을 활용하는 방법 등이 있습니다. 나침반 표시 방위와 기준 방위를 비교하면, 두 값의 차이가 바로 기선 오차이다.
(3) 보정 작업을 수행합니다:나침반의 기계적 조정 장치(예: 방위 보정 노브)를 사용하거나, 항법 시스템 소프트웨어 인터페이스에 보정 매개변수를 입력하여 나침반 기준선과 선박의 실제 선수·선미면을 재조정합니다. 보정이 완료된 후에는 다시 한 번 검증하여 오차가 IMO가 규정한 ±0.5° 범위 내에서.
운항 중인 선박의 경우, 정기 유지보수 주기(예: 항해마다 또는 매월)에 맞춰 기준선 보정을 실시할 것을 권장합니다. 특히 선박의 적재량이 크게 변동하거나 구조적 수리를 거쳤을 때, 또는 장기간 고강도 항해를 마친 후에는 나침반 방위 측정값의 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 보정 횟수를 늘려야 합니다.
자이로컴퍼스(ETO) 연간 유지보수 및 성능 점검 체크리스트
| 검사 분류 | 유지보수 작업 요령 (CMZ 900 규격에 따름) | 합격 기준 / 상세 설명 | 검사 결과 |
|---|---|---|---|
| 전원 시스템 | 전원 제어함 내부 점검 (그림 4-1-2) | 퓨즈가 정상이고, 배선 단자판에 느슨한 부분이 없으며, 스위치의 접점이 양호합니다. | □ 합격 / □ 재수강 |
| 주전원-예비전원 전환 시험 | 교류 전원 차단 상황을 시뮬레이션했을 때, 24V 직류 예비 전원이 끊김 없이 전환되어야 한다. | □ 합격 / □ 재수강 | |
| 기계 및 설치 | 주 나침반 받침대 및 기계 부품 점검 | 설치 받침대에 녹이 슬지 않았는지, 내부 나침반 구의 수평 상태 및 기계적 고정 상태를 점검한다. | □ 합격 / □ 재수강 |
| 기준선 오차 확인 (Baseline) | DGPS 또는 천문 방위와 비교하여 물리적 편차가 0.5° 이하인지 확인하십시오. | □ 합격 / □ 재수강 | |
| 오차 보정 | 자동 편차 보정 신호 입력 검증 | Log 및 GNSS 속도, 위도 신호가 C 유닛에 ‘AUTO’로 표시되는지 확인하십시오. | □ 합격 / □ 재수강 |
| 수동 보정 기능 테스트 | 스크립트 21, 22로 이동하여 수동 입력값이 방위 표시를 어떻게 영향을 미치는지 확인합니다. | □ 합격 / □ 재수강 | |
| 신호 분배 | 직렬 출력 포트(Out Port) 설정 | 레이더, AIS, VDR의 통신 프로토콜 호환성을 확인하고, 보트 레이트 깜빡임 조정 기능이 정상적으로 작동하는지 확인한다. | □ 합격 / □ 재수강 |
자이로컴퍼스 (CMZ 900) 작동 및 유지보수 평가 문제
모집 직종: 전자·전기 기술자 (ETO) / 운전기사 | 평가 시간: 15분
1. 기술 이론 및 매개변수 검증
- CMZ 900 설명서의 요구 사항에 따라, 자이로컴파스는 선박이 출항하기 전에 _______ 시간 이상부터 시작됩니다.
- 주 나침반이 작동하기 시작한 지 약 _______ 몇 시간 후, 주 나침반의 선수를 향한 방향이 확정되고, 시스템이 실제 선수 방향을 출력한다.
- 속도 오차를 보정할 때 수동 입력 방식을 선택한 경우, 수동으로 입력할 수 있는 선속 범위는 _______ kn.
- 위도 오차를 보정할 때, 수동으로 입력하는 위도 범위는 일반적으로 _______ 도 이내.
- IMO 규정에 따르면, 교정된 나침반의 기준선 오차는 ±_______° 범위 내에서.
2. 메뉴 조작 실습 시뮬레이션
시나리오 시뮬레이션: 현재 나침반 신호를 새로 설치된 레이더에 연결해야 합니다. C 조작 장치에서 출력 포트의 보트레이트를 수정하는 전체 명령 단계를 작성하십시오.
1단계: 길게 누르기 _______ 키를 눌러 명령 모드로 들어갑니다.
2단계: 코드 선택 _______ Generat 메뉴로 들어갑니다.
3단계: 코드 선택 _______ 출력 포트(Out Port) 설정으로 이동합니다.
4단계: 위/아래 화살표 키를 사용하여 포트를 선택하고, 보트 속도를 확인합니다. _______ 때때로 조정한다.
5단계: 조정이 끝나면 누르세요 _______ 키를 눌러 설정을 완료합니다.
3. 오차 제거 원리 분석
“충격 오차”가 발생하는 근본 원인을 간략히 설명하고, “내부 보정법”과 “외부 보정법”이 충격 오차를 제거할 때의 구체적인 적용 차이를 비교하여 설명하시오.
