具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償高精度海洋氣象多參數(shù)模擬儀的研制

劉 濱, 韓志安, 蘇力日, 綦聲波

具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償高精度海洋氣象多參數(shù)模擬儀的研制

劉 濱, 韓志安, 蘇力日, 綦聲波

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 山東 青島 266100)

針對(duì)船舶氣象儀的綜合檢查過(guò)程中檢測(cè)周期長(zhǎng)、人工排查效率低以及傳統(tǒng)的自動(dòng)氣象站傳感器信號(hào)模擬器的模擬精度低, 沒(méi)有相關(guān)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法導(dǎo)致此類系統(tǒng)不適應(yīng)海洋船舶應(yīng)用環(huán)境的問(wèn)題, 對(duì)氣象要素傳感器的高精度信號(hào)采樣電路、信號(hào)輸出、軟件濾波和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行了研究。通過(guò)分析傳感器和船舶氣象儀的原理, 設(shè)計(jì)了各個(gè)氣象參數(shù)的采樣電路、信號(hào)模擬電路、觸摸屏、GPS和電子羅盤(pán)采樣與模擬電路, 并在近海測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型測(cè)試, 并基于STM32微控制器進(jìn)行了該儀器的系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。研究測(cè)試結(jié)果表明: 該系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性、高精度的特點(diǎn), 能應(yīng)用于海上環(huán)境, 同時(shí)具有對(duì)船舶實(shí)時(shí)定位、氣象要素實(shí)時(shí)模擬和采集、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償多項(xiàng)功能。并且本系統(tǒng)精度在運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后, 系統(tǒng)測(cè)量方差為0.019 3 m/s精度提高至接近真實(shí)值, 均符合《海洋調(diào)查規(guī)范第3部分: 海洋氣象觀測(cè)》的標(biāo)準(zhǔn)。

海洋氣象; 模擬和采樣; 高精度; 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償; 低功耗

21世紀(jì)被稱之為“海洋的世紀(jì)”, 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)包括海洋水文氣象觀測(cè)、海洋環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)和海洋環(huán)境預(yù)報(bào), 它們是研究海洋、開(kāi)發(fā)海洋和利用海洋的基礎(chǔ)[1]。海洋船舶氣象儀(以下簡(jiǎn)稱氣象儀)作為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要設(shè)備[2]已廣泛用于海洋軍事和民用領(lǐng)域, 利用其自身攜帶的風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、氣壓、雨量、GPS和電子羅盤(pán)等要素, 為船舶航行提供安全保障, 為海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。為了保證氣象儀持續(xù)的高效率工作, 研制高精度、高集成度、高可靠性且滿足《海洋調(diào)查規(guī)范第3部分: 海洋氣象觀測(cè)》的標(biāo)準(zhǔn)、便攜且具有強(qiáng)大人機(jī)交互功能的海洋氣象多參數(shù)模擬儀(以下簡(jiǎn)稱氣象模擬儀)對(duì)我國(guó)的觀測(cè)和研究海洋環(huán)境、開(kāi)發(fā)和利用海洋資源至關(guān)重要。

目前, 該種類的儀器僅有無(wú)錫無(wú)線電科學(xué)研究所、芬蘭Vaisala等公司自主生產(chǎn)用于企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)測(cè)試[2], 此類儀器通用化、模塊化、智能化差, 且配套能力差、性能指標(biāo)比較低、模擬的要素缺少GPS和電子羅盤(pán)信號(hào)、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法, 無(wú)法解算氣象真實(shí)值無(wú)法應(yīng)用于海洋船舶環(huán)境。沒(méi)有GPS和電子羅盤(pán)模擬和采集模塊, 無(wú)法獲得當(dāng)前船舶的航速、航向和姿態(tài), 也就無(wú)法驗(yàn)證船舶氣象儀的電子羅盤(pán)和GPS的性能和對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。在GB17378—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》和GB/T 12763— 2007《海洋調(diào)查規(guī)范》中也都規(guī)定了測(cè)量海洋氣象的標(biāo)準(zhǔn), 而目前對(duì)氣象儀的檢測(cè)都存在浪費(fèi)人力、物力和操作步驟繁瑣[3-6]等缺點(diǎn)。

因此, 如何實(shí)現(xiàn)高精度、低功耗、便攜且對(duì)海洋船舶氣象儀定期檢測(cè)的氣象模擬儀是目前亟待解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題, 本文研發(fā)設(shè)計(jì)了一種海洋氣象多參數(shù)模擬儀, 其具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能, 對(duì)上述的各個(gè)氣象要素傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)高精度的模擬和采樣。文中著重介紹海洋氣象多參數(shù)模擬儀的整體設(shè)計(jì), 對(duì)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)上和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法方面進(jìn)行研究提高本系統(tǒng)的精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 海洋氣象多參數(shù)模擬儀總體設(shè)計(jì)

1.1 關(guān)鍵技術(shù)和性能指標(biāo)

本系統(tǒng)是對(duì)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的綜合應(yīng)用, 高度集成了溫度、濕度、氣壓、雨量、GPS、電子羅盤(pán)、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器的采樣和模擬功能。本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶氣象儀的檢測(cè)而設(shè)計(jì), 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo), 有如下問(wèn)題需要重點(diǎn)解決:

(1) 人機(jī)交互設(shè)計(jì), 為了代替繁瑣的人工故障排查, 提高本系統(tǒng)的通用性, 要具備操作簡(jiǎn)單的強(qiáng)大人機(jī)交互功能;

(2) 本系統(tǒng)需要在航海期間對(duì)氣象儀進(jìn)行檢驗(yàn)工作, 因此系統(tǒng)的功耗和可靠性問(wèn)題尤為重要。為此設(shè)計(jì)了電源管理[5-6]和屏幕亮度調(diào)節(jié)功能, 以降低系統(tǒng)的待機(jī)功耗[7];

(3) 為了能夠驗(yàn)證船舶氣象儀的工作穩(wěn)定性, 要求本系統(tǒng)必須具備對(duì)氣象要素高精度的模擬和采樣。從硬件上設(shè)計(jì)新型采樣和模擬電路, 軟件上根據(jù)海洋氣象觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器并針對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)提出運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法, 以提高系統(tǒng)的精度。

本系統(tǒng)的模擬氣象要素(簡(jiǎn)稱“模擬器”)的性能指標(biāo)如表1所示, 采集氣象要素(簡(jiǎn)稱“采集器”)的性能指標(biāo)如表2所示。

表1 模擬器的性能指標(biāo)

表2 采集器的性能指標(biāo)

1.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì), 由電源模塊、主控模塊、人機(jī)交互模塊及通信電路、模擬器和采集器組成?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示, 供電模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源; 主控模塊負(fù)責(zé)完成嵌入式系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度[8]、數(shù)據(jù)處理、補(bǔ)償算法和數(shù)據(jù)通信功能; 模擬器負(fù)責(zé)模擬的各類傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)保存的功能, 同時(shí)負(fù)責(zé)氣象儀供電電壓的監(jiān)測(cè); 采集器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)保存的工作, 同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)傳感器的供電電壓。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)在集成系統(tǒng)的發(fā)展中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位, 成為制約精度的首要因素。為了能夠更好的實(shí)現(xiàn)上述的復(fù)雜功能, 本系統(tǒng)采用ST公司的微處理器STM32F407VET6[9-10]。本系統(tǒng)在充分考慮采樣和模擬方案、EMS和EMI性能的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了人機(jī)交互、模擬器硬件電路、采集器硬件電路和低功耗設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)硬件上對(duì)氣象要素信號(hào)的高精度采集和模擬。氣壓、溫濕度和雨量的模擬與采集與傳統(tǒng)氣象模擬儀模擬原理大致相同[11], 本文不再贅述。

2.1 氣象要素模擬器與采集器電路設(shè)計(jì)

模擬器硬件設(shè)計(jì)如圖1左半部分所示, 其主要包括多種傳感器的信號(hào)模擬電路。為了使系統(tǒng)適用海洋船舶環(huán)境, 需要保證船舶的定位和姿態(tài)的準(zhǔn)確性, 基于此設(shè)計(jì)了電子羅盤(pán)和GPS模塊模擬和采樣電路。

本文的重點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì):

(1) 為了高精度的模擬風(fēng), 筆者設(shè)計(jì)了差分放大電路, 將片外高精度DAC[12]的輸出及參考電壓輸入到運(yùn)算放大器, 片外DAC通過(guò)SPI與主控通信, 風(fēng)模擬電路設(shè)計(jì)如圖2所示。為了模擬風(fēng)傳感器[13]的隔離特性, 該模塊采用隔離開(kāi)關(guān)電源供電并且輸出的模擬信號(hào)要通過(guò)精密隔離運(yùn)算放大器ISO122輸出。

(2) 采集器如圖1右半部分所示, 其主要包括多種傳感器采樣電路。其中, 為了提高風(fēng)速采樣的精度, 設(shè)計(jì)了新型的風(fēng)速采樣電路, 風(fēng)速采樣電路如圖3所示, 該電路為了兼容不同類型風(fēng)傳感器的輸出信號(hào), 比如: 正弦波和脈沖的輸出信號(hào), 筆者設(shè)計(jì)了1和2兩個(gè)0 Ω通道選擇電阻。選擇1通道時(shí), 為單端輸入, 用于匹配采樣脈沖信號(hào)輸出的風(fēng)傳感器; 選擇2通道時(shí), 為差分輸入, 用于匹配正弦波信號(hào)輸出的風(fēng)傳感器。為了風(fēng)速值在小波動(dòng)下不會(huì)產(chǎn)生突變并提高本電路的抗干擾能力, 采用滯回比較器。

圖1 海洋多參數(shù)氣象模擬儀硬件系統(tǒng)框圖

圖2 風(fēng)模擬電路

2.2 低功耗設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)作為海洋船舶氣象儀的檢測(cè)設(shè)備, 需要對(duì)該船舶儀器上進(jìn)行不定期的檢測(cè), 必須進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。通過(guò)本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的情況分析可知, 本系統(tǒng)對(duì)固定的參數(shù)采集和模擬的次數(shù)有限, 因此本系統(tǒng)待機(jī)功耗對(duì)儀器工作時(shí)間起到?jīng)Q定的作用, 其中屏幕和對(duì)傳感器的供電的功耗占整個(gè)系統(tǒng)待機(jī)功耗的65%以上。

圖3 風(fēng)速采樣電路

針對(duì)上述問(wèn)題, 在系統(tǒng)中集成了電源管理模塊, 而屏幕則根據(jù)需求設(shè)計(jì)了亮度調(diào)節(jié)模式以及息屏和亮屏模式。實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電源的自主控制, 可由屏幕控制該模塊的電源開(kāi)斷, 也可自主的判斷當(dāng)前若無(wú)進(jìn)度執(zhí)行, 關(guān)斷屏幕供電, 由按鍵喚醒屏幕。圖4為電源低功耗管理電路, 控制端接主控模塊的I/O口, 若控制端置高, 則N溝道MOS管導(dǎo)通, P溝道MOS管的柵-源之間存在負(fù)壓并大于其導(dǎo)通閾值, 電壓由P溝道MOS管的漏極輸出, 此過(guò)程為開(kāi)啟電壓過(guò)程; 相應(yīng)地, 將控制端置低, 則所有MOS管都處于關(guān)斷狀態(tài)。

2.3 人機(jī)交互

為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)高效率的人機(jī)交互, 采用迪文科技的DGUS觸摸屏。該模塊設(shè)計(jì)了RS-232通信電路和電源管理電路, 采用自主設(shè)計(jì)UI的方式開(kāi)發(fā), 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的屏幕功能包括: 變量圖標(biāo)顯示、繪制歷史數(shù)據(jù)曲線、切換頁(yè)面、觸摸式鍵盤(pán)、變量錄入以及開(kāi)始和結(jié)束功能按鈕等功能。

圖4 電源低功耗管理電路

圖為DGUS觸摸屏的UI以及部分按鍵功能設(shè)計(jì)如圖5所示, 其中(a)為參數(shù)選擇界面, (b)為模擬器的模式選擇界面。

圖5 DGUS觸摸屏的UI以及部分按鍵功能設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控單元的主要功能是按照DGUS屏的通信協(xié)議與主控模塊通信, 接收屏幕下發(fā)的指令, 解析報(bào)文后變更系統(tǒng)的狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。本系統(tǒng)使用Keil5-MDK IDE進(jìn)行C語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)。

3.1 控制主流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用狀態(tài)機(jī)[14]的思路編寫(xiě), 主程序軟件流程圖如圖6所示, 系統(tǒng)初始化后, 通過(guò)人際交互選擇系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)模擬功能還是采集功能, 然后選擇傳感器, 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、處理和保存, 并執(zhí)行相應(yīng)的功能。由于本文軟件流程復(fù)雜, 因此單列一個(gè)參數(shù)的具體流程展現(xiàn)。本系統(tǒng)依托于DGUS進(jìn)行人機(jī)交互, 采用RS-232的通訊方式, 對(duì)屏幕圖標(biāo)的點(diǎn)擊, 都會(huì)生成相應(yīng)的自定義地址報(bào)文, 然后會(huì)觸發(fā)串口接收中斷。通過(guò)對(duì)報(bào)文的解析, 進(jìn)一步獲取系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)標(biāo)志位和相應(yīng)的輸入?yún)?shù), 然后系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖6 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理主要包括解算、反解算和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。解算是采集器根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)與真實(shí)值之間的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系, 計(jì)算出真實(shí)值的過(guò)程。反解算是模擬器根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)與真實(shí)值之間的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系, 將屏幕輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)換成輸出的電信號(hào)的過(guò)程。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔檬窍暮较蚝剿賹?duì)風(fēng)速和風(fēng)向的影響, 首先根據(jù)真實(shí)風(fēng)、相對(duì)風(fēng)和船的運(yùn)動(dòng)建立運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型, 然后利用此運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型, 將風(fēng)傳感器在不同航速和航向下, 測(cè)得的相對(duì)風(fēng)轉(zhuǎn)化成真實(shí)風(fēng), 保證船舶在真實(shí)風(fēng)的指導(dǎo)下從事各種海洋活動(dòng)。

3.3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

按照《海洋調(diào)查規(guī)范第3部分: 海洋氣象觀測(cè)》, 瞬時(shí)風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向每3 s采集1次, 溫濕度是1 min測(cè)量6次, 即每10 s測(cè)量1次。為了提高采樣數(shù)據(jù)的精度, 采用數(shù)字濾波方式排除干擾。其中, 溫濕度采用去極值平均濾波算法; 風(fēng)速風(fēng)向經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后, 風(fēng)向采用算術(shù)平均值濾波算法和風(fēng)速采用測(cè)周法; 雨量采用滑動(dòng)平均濾波法。

4 系統(tǒng)測(cè)試及運(yùn)動(dòng)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到要求的性能指標(biāo), 設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn), 其中系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)包括與氣象儀對(duì)接驗(yàn)證模擬器性能實(shí)驗(yàn)和與傳感器對(duì)接驗(yàn)證采集器性能實(shí)驗(yàn)。由于本系統(tǒng)參數(shù)眾多, 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)量較大, 以下僅展示部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.1 模擬器性能實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證模擬器的性能, 與氣象儀對(duì)接測(cè)試模擬器的性能, 本文僅展示測(cè)量的模擬量包括風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù), 模擬風(fēng)速測(cè)試如表3所示, 模擬溫度測(cè)試如表4所示。

表3 模擬風(fēng)速測(cè)試

表4 模擬溫度測(cè)試

與氣象儀對(duì)接測(cè)試模擬器性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明: 靜止?fàn)顟B(tài)時(shí), 模擬風(fēng)速信號(hào)的誤差都保持在1 m/s以內(nèi), 氣溫要素絕對(duì)誤差保持在0.2 ℃以內(nèi), 相對(duì)濕度絕對(duì)誤差保持在0.4% RH以內(nèi), 模擬器技術(shù)指標(biāo)全部達(dá)到規(guī)定要求, 且系統(tǒng)功能正常穩(wěn)定, 能夠滿足目前的船舶氣象儀的測(cè)試要求。

4.2 采集器性能實(shí)驗(yàn)

由于模擬器的性能測(cè)試通過(guò), 為了驗(yàn)證采集器在極端天氣下, 例如50 ℃的高溫或者100 m/s的風(fēng)速下的系統(tǒng)性能, 將采集器與模擬器連接測(cè)試采集器性能。風(fēng)速風(fēng)向采集測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。溫度采集測(cè)試數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 風(fēng)速風(fēng)向采集測(cè)試

表6 溫度采集測(cè)試

與模擬器對(duì)接聯(lián)合測(cè)試數(shù)據(jù)表明: 風(fēng)速的測(cè)量絕對(duì)誤差保持在1 m/s以內(nèi), 風(fēng)向的絕對(duì)誤差保持在3°以內(nèi), 溫度測(cè)量絕對(duì)誤差保持在0.3 ℃以內(nèi), 相對(duì)濕度誤差采集絕對(duì)誤差保持在2% RH左右, 雨量的絕對(duì)誤差保持在0.2 mm以內(nèi), 各個(gè)要素的驗(yàn)證結(jié)果均達(dá)到了系統(tǒng)的性能指標(biāo), 符合海洋環(huán)境觀測(cè)規(guī)范。

4.3 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了使本系統(tǒng)的精度提高, 因此針對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立了船舶平面運(yùn)動(dòng)的相對(duì)風(fēng)速風(fēng)向和真風(fēng)速風(fēng)向的解算模型。通過(guò)GPS計(jì)算得出船速和航向, 通過(guò)風(fēng)傳感器采集得到相對(duì)風(fēng)速風(fēng)向, 根據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法, 對(duì)相對(duì)風(fēng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償, 解算出真實(shí)的風(fēng)速風(fēng)向, 更好地驗(yàn)證船舶氣象儀與風(fēng)傳感器的采樣精度的準(zhǔn)確性。

相對(duì)風(fēng)是由于船在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的與船運(yùn)動(dòng)方向相反、速度大小一致的船風(fēng)與真實(shí)風(fēng)的結(jié)合產(chǎn)生的, 其矢量模型如圖7(a)所示。首先, 根據(jù)海洋觀測(cè)規(guī)范, 以正北方向作為軸, 順時(shí)針角度為正, 建立船舶運(yùn)動(dòng)平面坐標(biāo)系, 如圖7(b)所示。

圖7 風(fēng)的矢量模型(a)與船舶平面運(yùn)動(dòng)矢量模型(b)

其中真風(fēng)風(fēng)速為ts, 真風(fēng)風(fēng)向?yàn)?i>, 相對(duì)風(fēng)速為rs, 相對(duì)風(fēng)向角為, 航速大小為ss, 航向角為。

此時(shí)的, 風(fēng)的來(lái)向就分為兩種情況分別是

本系統(tǒng)是在海試長(zhǎng)期測(cè)試過(guò)程中, 通過(guò)讀取TF卡中數(shù)據(jù), 選取保持航向?yàn)?80°即船風(fēng)角為0°和航速3.0 m/s情況下的數(shù)據(jù)。在選取了真風(fēng)風(fēng)速為5.0 m/s且不同風(fēng)向的情況下, 驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч? 其中真風(fēng)風(fēng)速為實(shí)驗(yàn)室的同期海試的屏顯風(fēng)速儀獲得, 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 風(fēng)速風(fēng)向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析: 未補(bǔ)償前的風(fēng)速均值為5.97 m/s, 風(fēng)速最大相對(duì)誤差達(dá)到60%, 最小相對(duì)誤差為8.4%, 風(fēng)向相對(duì)值誤差波動(dòng)范圍為1.3%～73.6%; 補(bǔ)償后的風(fēng)速均值為4.97 m/s, 補(bǔ)償后的風(fēng)速相對(duì)誤差最大為4.2%, 最小相對(duì)誤差為0.1%, 在補(bǔ)償后的風(fēng)向的相對(duì)誤差保持在3°以內(nèi)。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后測(cè)量值的方差為0.019 3 m/s, 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前的方差為4.332 m/s, 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后得測(cè)量值更加接近真實(shí)值, 滿足《海洋調(diào)查規(guī)范中第3部分: 海洋氣象觀測(cè)》的所有誤差標(biāo)準(zhǔn), 證明模型可行, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)向風(fēng)速的高精度采集。

5 結(jié)論

為了研發(fā)高精度的新型海洋氣象多參數(shù)模擬儀, 并實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶氣象儀及傳感器定期檢測(cè), 設(shè)計(jì)了新型的風(fēng)模擬和風(fēng)采樣的電路, 并加入了GPS和電子羅盤(pán)的模擬模塊與采樣模塊解算船的航速和航向, 從硬件上提高了系統(tǒng)的精度; 又對(duì)各個(gè)模擬和采樣的傳感器參數(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波器, 同時(shí)對(duì)風(fēng)向和風(fēng)速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償以解算真實(shí)風(fēng)速和風(fēng)向, 從軟件上提高了系統(tǒng)的精度。同時(shí), 還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償模型的可行性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 本系統(tǒng)的性能滿足海洋氣象觀測(cè)的所有標(biāo)準(zhǔn), 證明了本系統(tǒng)具有低功耗、高精度、穩(wěn)定性好、便攜的特點(diǎn), 可以滿足對(duì)船舶氣象儀和傳感器的定期檢測(cè)。

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Development of a high-precision marine meteorological multi- parameter simulator with motion compensation

LIU Bin, HAN Zhi-an, SU Li-ri, QI Sheng-bo

(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

marine meteorology; simulation and sampling; high precision; motion compensation; low power consumption

In view of shortcomings such as a long detection cycle, low manual inspection efficiency, low simulation accuracy, and lack of relevant motion compensation algorithms, traditional automatic weather station sensor signal simulators are not suitable for a comprehensive inspection process of marine ship weather instruments.Moreover, these simulators require a motion compensation algorithm to adapt to a ship’s environment.This work studies the high-precision signal sampling circuit, signal output, software filtering, and motion compensation of the meteorological element sensor.The analysis of the principles of sensors and shipborne weather instruments enables the design of the sampling circuit, signal simulation circuit, touch screen, GPS and electronic compass sampling, and simulation circuit of various meteorological parameters.A motion compensation model test is performed during the offshore test.Simultaneously, instrument function and precision tests are performed.Research and test results show that the system has a low power consumption, high reliability, and high precision and can be applied to the marine environment.Moreover, it has the functions of real-time positioning of ships, real-time simulation and collection of meteorological elements, and motion compensation.After the motion compensation algorithm, the measurement variance of the wind speed is 0.0193 m/s, and the accuracy is improved close to the real value, which is in line with the standards of “Marine Survey Specification Part 3: Marine Meteorological Observation.”

Aug.10, 2020

TP23

A

1000-3096(2021)10-0104-09

10.11759/hykx20200810002

2020-08-10;

2020-12-04

劉濱(1962—), 男, 吉林四平人, 教授, 研究方向: 嵌入式技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā), 海洋儀器儀表開(kāi)發(fā), E-mail: hdliubin@ouc.edu.cn

(本文編輯: 康亦兼)