風(fēng)速風(fēng)向的解算方法研究

朱倪瑤　周沫　趙奎

摘 要：為了提高船舶航行中風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量精度，提出一種風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量誤差解算方法。首先利用WXT520氣象儀測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，因?yàn)檫@其中包含了艦船的航速、航向以及艦船船體傾斜所引入風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量誤差，所以需要對(duì)其進(jìn)行解算，包括對(duì)水平風(fēng)速的補(bǔ)償和真風(fēng)速解算。利用傾角傳感器測(cè)量船體的姿態(tài)補(bǔ)償水平風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)的來(lái)向，確定測(cè)量的數(shù)據(jù)是否有效，再進(jìn)一步對(duì)這些有效數(shù)據(jù)進(jìn)行三角換算，由相對(duì)風(fēng)速測(cè)量值求解出相對(duì)風(fēng)速真值；進(jìn)而利用航速和航向，根據(jù)三角關(guān)系，解算出真風(fēng)速和真風(fēng)向。

關(guān)鍵詞：氣象儀；風(fēng)速解算；姿態(tài)補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TN06 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引 言

風(fēng)是海上重要的氣象因素之一，風(fēng)向風(fēng)速的測(cè)量一直是國(guó)內(nèi)外氣象儀器研究的熱點(diǎn)，無(wú)論是氣象觀測(cè)、民航公路、橋梁、新能源、農(nóng)業(yè)航運(yùn)等行業(yè)都具有非常廣泛的應(yīng)用。

觀測(cè)及理論研究表明，地面邊界層中，風(fēng)隨高度變化并不明顯。在海洋中的風(fēng)壓流、潮汐流、慣性流和黑潮流等海流，以及船速航線、載重引起的吃水變動(dòng)、船舶姿態(tài)、航向等諸多因素，均會(huì)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量精度產(chǎn)生影響，船用風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量傳感器檢測(cè)的是相對(duì)的風(fēng)速風(fēng)向，需要經(jīng)過(guò)計(jì)算得到真風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向傳感器的空間位置發(fā)生變化時(shí)，所測(cè)得的風(fēng)速風(fēng)向值的變化是很大的，研究傳感器的空間傾角變化對(duì)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量值的影響，設(shè)計(jì)一種基于空間模型的誤差補(bǔ)償算法，并分析測(cè)量值與實(shí)際值的誤差，是提高風(fēng)速風(fēng)向儀的測(cè)量精度的關(guān)鍵。

2 風(fēng)速風(fēng)向的解算模型

氣象儀安裝在艦船的兩舷，而氣象儀的正北指向艦艏。同時(shí)，因海流的作用，艦船航向與艦艏存在偏角θ，當(dāng)艦船沿某方向航行時(shí)，相對(duì)于氣象儀會(huì)產(chǎn)生與航速航向大小相同，方向相反的風(fēng)場(chǎng)。若假設(shè)以艦艏為參考系，則外界自然風(fēng)場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)共同作用于氣象儀，此處，主要通過(guò)建模，以艦艏向?yàn)閥軸的艦船坐標(biāo)系下，氣象儀解算的混合風(fēng)場(chǎng)和在以正北向?yàn)閥軸自然坐標(biāo)系下，航向航速艦艏向來(lái)求解以正北向?yàn)閥軸自然坐標(biāo)系下自然風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向，坐標(biāo)圖如下：

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2016年6月

第35卷第2期朱倪瑤等：風(fēng)速風(fēng)向的解算方法研究

圖1 求解自然風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向坐標(biāo)圖

2.1 真風(fēng)速真風(fēng)向解算

氣象儀在測(cè)風(fēng)時(shí)，測(cè)量的風(fēng)為水平風(fēng)，即可以理解為以三個(gè)探頭所確定的投影面上的風(fēng)場(chǎng)，由于艦船在海上行駛，姿態(tài)角會(huì)發(fā)生改變，存在著平臺(tái)晃動(dòng)的問(wèn)題，使得投影面與水平面之間存在著一定的夾角[1]，需要對(duì)其進(jìn)行解算，針對(duì)此問(wèn)題建立模型如下：

設(shè)投影面的兩個(gè)正交矢量AB，CD（其中方向AB表示氣象儀的正西方向，CD 方向表示氣象儀的正南方向）

1.當(dāng)艦船不發(fā)生晃動(dòng)時(shí)，若外界存在的風(fēng)矢量V→（x，y），則可以得到V→在AB、CD上的投影如式（1）、（2）：

2.當(dāng)艦船發(fā)生晃動(dòng)時(shí)，定義變量α、β，α表示為前傾的角度，考慮到艦船晃動(dòng)的實(shí)際情況，前傾為艦首向與水平面的的夾角，因此，α為直線CD繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，其中，前傾時(shí)α為正，后傾時(shí)α為負(fù)。β則表示右傾的角度，考慮到艦船晃動(dòng)的實(shí)際情況，右傾是船體以艦首線為軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，因此β為直線AB繞CD轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，其中，右傾為正，左傾為負(fù)。

設(shè)A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)的初始位置為（d，0，0），（-d，0，0），（0，d，0），（0，-d，0）如圖2所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

設(shè)艦艏向?yàn)棣萻，航向?yàn)棣萴，航速為Vm，通過(guò)氣象儀的測(cè)量結(jié)果在艦船坐標(biāo)系下，解算出的混合風(fēng)速為Vw，風(fēng)向θw，可求得自然坐標(biāo)系下混合風(fēng)風(fēng)向：

3 空間數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 空間測(cè)量方法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究氣象儀在不同風(fēng)速條件下氣象儀傾角的變化對(duì)風(fēng)速測(cè)量的影響，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出相應(yīng)的修正方法，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的前提是假定測(cè)量裝置本身的測(cè)量精度滿足要求，確保由氣象儀所測(cè)得數(shù)據(jù)正確可信[2]。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接與調(diào)試

檢查氣象儀是否有損壞，然后將氣象儀安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上（取下螺釘蓋，將氣象儀插入支架中），并對(duì)氣象儀進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)，直至氣象儀下方的箭頭指向風(fēng)源方向，將氣象儀放置于風(fēng)洞中通過(guò)一根長(zhǎng)線纜連接到置于風(fēng)洞外的電腦上接收所測(cè)數(shù)據(jù)，如圖3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖所示。

圖3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.驗(yàn)證測(cè)試

1）將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放置于風(fēng)洞內(nèi)不同位置，測(cè)試風(fēng)洞的均勻性；

2）將測(cè)風(fēng)儀風(fēng)向指示與風(fēng)洞內(nèi)成不同角度，測(cè)試測(cè)風(fēng)儀數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍。

3.傾角實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)需要對(duì)風(fēng)洞的風(fēng)速、風(fēng)向、WXT520氣象儀的傾斜角度進(jìn)行調(diào)整，風(fēng)速設(shè)置為5m/s，15m/s，30m/s，風(fēng)向的角度分別為0°，30°，60°，90°，傾角分為前傾（+）、后傾（-）、右傾（+）、左傾（-）四個(gè)方向，角度分別為-20°，-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°，20°，并且對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄[3]。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由于工作量比較大、數(shù)據(jù)繁多，在此，只對(duì)幾種典型情況的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：第一、二組數(shù)據(jù)表示正面迎風(fēng)對(duì)氣象儀所測(cè)數(shù)據(jù)的影響，由前面推導(dǎo)出的解算公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，驗(yàn)證了對(duì)縱搖數(shù)據(jù)的解算可行，第三組數(shù)據(jù)表示側(cè)面迎風(fēng)對(duì)氣象儀所測(cè)數(shù)據(jù)的影響，解算后的數(shù)據(jù)與真實(shí)值相符，驗(yàn)證了解算公式在橫搖數(shù)據(jù)中是可用的，第四組數(shù)據(jù)表示在縱橫搖均存在的情況下，解算后得到的數(shù)據(jù)與真實(shí)值基本相同，驗(yàn)證了該解算公式的可行性[5]。

綜上所述，在沒(méi)有進(jìn)行風(fēng)速解算時(shí)，測(cè)出的風(fēng)速風(fēng)向誤差較大，當(dāng)引入了解算公式后，所得結(jié)果的精度得到了提高，與真實(shí)值的相對(duì)誤差減小，說(shuō)明了該模型是可行的。

參考文獻(xiàn)

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