船舶操縱性能測試系統(tǒng)研究與開發(fā)

袁 強， 徐宏勛， 韓開封， 溫小飛

(1.浙江海洋學(xué)院， 浙江 舟山 316000；2. 浙江增洲造船有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江國際職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

船舶操縱性能測試系統(tǒng)研究與開發(fā)

袁 強1， 徐宏勛2， 韓開封3， 溫小飛1

(1.浙江海洋學(xué)院， 浙江 舟山 316000；2. 浙江增洲造船有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江國際職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

介紹了一種船舶操縱性測試系統(tǒng)的組成、原理和軟件實現(xiàn)。操縱性測試儀利用DGPS數(shù)據(jù)，通過軟件實現(xiàn)《GB/T 3471-2011海船系泊及航行實驗通則》中規(guī)定的動態(tài)測試項目。通過實船測試驗證了該船舶操縱性測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，其測試數(shù)據(jù)對船舶設(shè)計人員和操縱人員具有一定參考價值。

船舶操縱性 測速試驗 DGPS 船舶性能測試

1 引言

船舶是一種在水面或水中可移動的建筑物。它具有技術(shù)復(fù)雜、投資大和使用周期長的特點，并且與國民經(jīng)濟和國防建設(shè)等許多方面有著非常密切的關(guān)系。船舶設(shè)計是一門多學(xué)科高度綜合的科學(xué)技術(shù)，對于民船而言，一般的設(shè)計準則是使船舶達到“適用、經(jīng)濟、安全可靠和造型美觀”的要求。然而，良好的航行性能是船舶適用性、經(jīng)濟性和安全性的重要保證條件。如何進行船舶航行性能的綜合測試和分析是一項非常重要的工作。

船舶的航行性能與船型參數(shù)、航速、螺旋槳(主機)轉(zhuǎn)速、螺旋槳參數(shù)、舵參數(shù)以及航行環(huán)境(主要是航行區(qū)域風(fēng)、浪、流情況，在限制航道里也包括水深、航道寬度等)參數(shù)有關(guān)。因此船舶航行性能綜合測試和分析是一個多目標、多變量和多約束條件的復(fù)雜問題。綜上所述，開發(fā)一個專門用于船舶航行性能測試和自動分析的軟件具有非常重要的意義[1，2]。

2 操縱性測試主要項目及評價指標

為了考核艦船性能，在實船中快速性和操縱性的測量是極為重要的，而傳統(tǒng)的疊標法測量操縱性相當粗略且存在許多不足之處：

(1) 精度不夠理想。① 疊標不平行；② 觀測視角誤差大；③ 進入疊標時有時航速尚未達到穩(wěn)定。

(2) 受天氣、氣候等局限，并且水深、海流諸因素影響也較大。

(3) 試驗時間長，參試人員多，消耗大。 由于GPS 可以在全球連續(xù)地實施導(dǎo)航與定位,同時定位精度高，實時定位速度快，已經(jīng)廣泛裝備船舶上用以導(dǎo)航。也同時為艦船性能(快速性、操縱性)的精密測量提供了良好的手段。目前采用的GPS 定位測速及軌跡測量方法已經(jīng)得到國際上廣泛使用和認可。為了提高系統(tǒng)的測試精度，在實際測試過程中采用差分GPS 接收系統(tǒng)(DGPS)[3]。采用差分GPS 接收系統(tǒng)(DGPS)對艦船性能進行測試除了提高測試的精度，而且不受測量視線的限制，解決因夜間能見度不高及雨雪天氣等原因造成疊標法無法測量的問題，并且受水深、海流諸因素影響也較小。

2.1 測試項目及要求

根據(jù)《GBT 3471-2011海船系泊及航行實驗通則》規(guī)定，船舶航行性能測試的具體項目包括：測速試驗、停船試驗、回轉(zhuǎn)性試驗、航向穩(wěn)定性試驗、初始回轉(zhuǎn)試驗、Z形操縱試驗、威廉遜(Willamson)溺水救生試驗。

2.2 船舶操縱性評價指標

根據(jù)海安會MSC．137(76)決議，操縱性的評價指標分為下列4 種。

(1) 回轉(zhuǎn)能力?；剞D(zhuǎn)能力是衡量船舶機動回轉(zhuǎn)性的指標。它通過“回轉(zhuǎn)性試驗”測取回轉(zhuǎn)圈數(shù)據(jù)進行判斷。主要數(shù)據(jù)包括縱距、回轉(zhuǎn)圈直徑、戰(zhàn)術(shù)直徑等。這些數(shù)據(jù)越小，回轉(zhuǎn)性能越好，一般縱距應(yīng)不超過4.5倍船長，回轉(zhuǎn)圈直徑應(yīng)不超過5倍船長。

(2) 初始回轉(zhuǎn)性能。初始回轉(zhuǎn)性能是衡量直航中船舶的轉(zhuǎn)向能力的指標。它通過試驗獲得數(shù)據(jù)進行判斷。通常用直航船舶操10°舵角，航向角變化10°時，船舶前進的距離來衡量。該距離越小，初始回轉(zhuǎn)性能越好，一般應(yīng)不超過2.5倍船長。

(3) 偏轉(zhuǎn)抑制性能和保向性能。偏轉(zhuǎn)抑制性能和保向性能是衡量船舶航向控制能力的指標。它通過Z形試驗結(jié)果的超越角進行判斷。超越角越小，船舶保向能力越好。

(4) 停船性能。停船性能是衡量船舶直線運動慣性的指標。它通過倒車試驗和停船試驗進行判斷。一般在船舶全速航行中，進行全速倒車操作和停車操作，直至船舶速度為0時所前進的距離來衡量。該距離越小，船舶停船性能越好，一般航跡行程不應(yīng)超過15倍船長。如因船舶排水量大而使該衡準值不切實際時，主管機關(guān)可修改該值，但不得超過20倍船長。

3 測試系統(tǒng)組成及測試原理

3.1 測試系統(tǒng)組成

在實船操縱性試驗中，應(yīng)用的設(shè)備很多, 有些設(shè)備是船上具有的測量設(shè)備。常用的設(shè)備有：秒表、計程儀、航行指示器、光學(xué)儀器、經(jīng)緯儀、雷達、DGPS 衛(wèi)星定位測速儀、風(fēng)向風(fēng)速儀、陀螺儀等。本測試系統(tǒng)的組成包括：DGPS接收天線、DGPS數(shù)據(jù)采集盒、便攜計算機及測試軟件等，如圖1所示。

3.2 測試原理及實現(xiàn)

NMEA 0183是美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association )為海用電子設(shè)備制定的標準格式。目前已成為GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標準協(xié)議。其數(shù)據(jù)標準格式為：＄GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>＊××。其中<2>，<3>分別代表GPS信號接收機位置的參數(shù)值，即經(jīng)緯度值。利用墨卡托投影原理把球面坐標轉(zhuǎn)換成平面坐標，然后根據(jù)不同的測試項目所要求的參數(shù)值，設(shè)計不同的算法進行求解計算。

墨卡托投影，又稱等角正切圓柱投影，其原理是假設(shè)有一個與在赤道與地球相切的圓柱面，先把球面映射到這個圓柱面，再把這個圓柱面展開成為一個平面。例如：設(shè)地球的半徑為R，已知地球上一點P的坐標是(θ，φ)，其中θ表示經(jīng)度，范圍是 -π<θ<π，負數(shù)表示西經(jīng)，正數(shù)表示東經(jīng)；φ表示緯度，范圍是-π /2<φ<π/2，負數(shù)表示南緯，正數(shù)表示北緯。將地球球面通過墨卡托投影映射到平面直角坐標系中，以0°經(jīng)線與赤道的交點的映射點為原點，X軸與緯線平行，并取東方為正方向；Y軸與經(jīng)線平行，并取北方為正方向。P點在平面直角坐標系中的映射點P'的坐標 (Xp',Yp')，其求解公式為[4]

GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測量來實現(xiàn)的，同時還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點的三維坐標，必須對4顆衛(wèi)星進行測量。在這一定位過程中，存在著三部分誤差：第一部分是對每個用戶接收機所公有的誤差，例如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流程誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內(nèi)部噪音、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

利用差分GPS定位計算(DGPS)，除第三部分誤差無法消除外，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離。差分GPS定位已將維修鐘誤差和星歷誤差消除，并將電離層延遲和對流層延遲誤差部分消除，定位精度大幅提高。因此，差分GPS的出現(xiàn)，能實時給定載體的位置，精度為米級，滿足了引航、水下測量等工程的要求。

3.2.1 平均航速和停船試驗

利用DGPS接收儀每1s讀取一個DGPS數(shù)據(jù)，此時每個DGPS數(shù)據(jù)代表航行船舶所處的坐標即經(jīng)緯度，根據(jù)墨卡托投影原理，通過計算機編程語言把球面坐標轉(zhuǎn)換成平面坐標，然后再計算出相鄰兩點之間的航速，最后把所有測試時間內(nèi)的航速取平均值，即為測試航速，測試時間通常為5min。在航速測試時，通常在同一工況下，測量3次往返程航速，再把3次航速進行平均計算，以便消除風(fēng)力和海流對航速的影響，其計算公式為[5]

式中：VE為平均航速；V1為第一次單程航速；V2為第二次單程(返回)航速；V3為第三次單程航速。 停船試驗需要的參考值主要是船舶在慣性力的作用下，直線前進的距離。首先通過計算機編程語言把球面坐標轉(zhuǎn)換成平面坐標，然后再計算出相鄰兩點之間的距離，最后把所有測試時間內(nèi)的距離值求和，即為停船試驗中船舶航跡行程。

3.2.2 回轉(zhuǎn)性試驗、初始回轉(zhuǎn)試驗、威廉遜溺水救生試驗

回轉(zhuǎn)性試驗、初始回轉(zhuǎn)試驗和威廉遜(Williamson)溺水救生試驗，這三個測試項目中需要分析計算出橫距、縱距和回轉(zhuǎn)直徑及戰(zhàn)術(shù)直徑等參數(shù)值。由于橫距Tr和戰(zhàn)術(shù)直徑DT是計算的相應(yīng)點到直線的距離，其直線方向是船舶開始測試時的航向即直線A?？v距Ad是航向角偏離初始航向角90°時，船舶相對于起始位置的垂直距離，如圖2所示。初始回轉(zhuǎn)試驗和威廉遜溺水救生試驗中的進距和橫距與回轉(zhuǎn)性試驗中的縱距和橫距的定義類似。回轉(zhuǎn)性試驗、初始回轉(zhuǎn)試驗和威廉遜溺水救生試驗中需要計算橫距和縱距的對應(yīng)點在測試過程中都作有標記，因此只要確定直線A的方向，就可以通過點到直線的計算公式計算出橫距和縱距。回轉(zhuǎn)性試驗測試中需要作標記的點分別是航向角偏離初始航向90°、180°、270°、360°、450°、540°時船舶對應(yīng)經(jīng)緯度。依次取三點并通過不共線的三點確定一個圓再計算出回轉(zhuǎn)直徑，把所有的回轉(zhuǎn)直徑進行平均即測得回轉(zhuǎn)直徑值。

3.2.3 航向穩(wěn)定性試驗和Z形操縱試驗

航向穩(wěn)定性試驗中的操舵次數(shù)和舵角主要是依據(jù)現(xiàn)場操舵的次數(shù)和舵角進行測試，而橫距和航跡的計算方法與回轉(zhuǎn)性試驗中橫距和停船試驗中進程計算方法一致。Z形操縱試驗中的超越角主要通過讀取船舶羅經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算獲得。

測速試驗、停船試驗、回轉(zhuǎn)性試驗、航向穩(wěn)定性試驗、初始回轉(zhuǎn)試驗、Z形操縱試驗和威廉遜溺水救生試驗中船舶航向的軌跡，主要通過計算機讀取DGPS數(shù)據(jù)并利用編程言語自動生成試驗中相對應(yīng)的航跡圖。

4 實船測試結(jié)果

經(jīng)過車載及標準長度的多次試驗和不斷地完善后，為考核本測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)用本測試系統(tǒng)對一艘“翔富”5 600m3超低溫冷藏遠洋運輸船在相同海域和相同船舶試驗工況下進行船舶操縱性和快速性兩次重復(fù)測量，其船舶測試航行軌跡結(jié)果如圖3～圖8所示。

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圖3～圖8中船形圖標方位代表實船在測試過程中的起點和終點的航向角，曲線代表實船在測試過程中的航行軌跡。表1～表3數(shù)據(jù)為相同試驗條件和船舶工況下，船舶操縱性和快速性試驗數(shù)據(jù)，通過兩組試驗數(shù)據(jù)對比，可以得知本測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

船舶操作性能測量利用DGPS接收機，以提高其測量精度。在相同的實驗條件下，利用本系統(tǒng)對同一艘船舶進行試驗，通過重復(fù)試驗數(shù)據(jù)對比，可知本系統(tǒng)性能穩(wěn)定性較好，因而，提高對艦船的操縱性能和快速性評價結(jié)論的可靠性。艦船操縱性能和快速性的測量會受到風(fēng)力和海流的影響，采用相反方向多次測量，可以消除風(fēng)流的影響。

[1] 楊松林，朱仁慶，王志東等．大型中速船舶快速性和操縱性綜合優(yōu)化研究[J]．船舶，2003，5：18-23.

[2] 洪碧光, 賈傳熒.大型船舶操縱性能綜合評價[J].交通運輸工程學(xué)報,2002，2(2)：55-58.

[3] 侯鎮(zhèn)華．GPS在實船測量中的應(yīng)用[J]．船舶，2002，3：34～35.

[4] 李長春，蔡伯根，上官偉等．基于Web墨卡托投影的地圖算法研究與實現(xiàn)[J]．計算機應(yīng)用研究，2012，29(12)：4793-4796.

[5] 韓波，劉強．GPS在船舶航速和計程儀改正率測定中的應(yīng)用[J]．航海技術(shù)，2011，5：37-39.

Research and Development of Ship Maneuverability Test System

YUAN Qiang1， XU Hong-xun2， HAN Kai-feng3， WEN Xiao-fei1

(1.Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316000, China; 2.Zhejiang Zengzhou Shipbuilding Co., Ltd.， Zhoushan Zhejiang 316000, China； 3.Zhejiang National Career Technical College, Zhoushan Zhejiang 316000, China)

This paper introduces composition, theory and software implementation of vessel maneuverability testing system. The operational tachymeter uses DGPS date to realize dynamic testing item stipulated in GBT3471-2011 General provisions for programming mooring and sea trials of sea going ships with software. The stability and reliability of vessel maneuverability testing system is verified through shiphoard measuremenst, whose testing data has certain reference values for vessel designer and operator.

Ship maneuverability Speed test DGPS Ships performance test

浙江省自然科學(xué)基金項目(LY12E09003)；浙江教育廳項目(Y201121736)；舟山科技計劃項目(2013C41011)；浙江省科技廳重大專項(2013C03033)；舟山科技計劃項目(2011C22050)。

袁 強(1978-)，男，講師。

U661

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