朱倪瑤　周沫　趙奎

摘 要：為了提高船舶航行中風(fēng)速風(fēng)向的測量精度，提出一種風(fēng)速風(fēng)向測量誤差解算方法。首先利用WXT520氣象儀測量風(fēng)速和風(fēng)向，因為這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)向的測量誤差，所以需要對其進(jìn)行解算，包括對水平風(fēng)速的補償和真風(fēng)速解算。利用傾角傳感器測量船體的姿態(tài)補償水平風(fēng)速，根據(jù)風(fēng)的來向，確定測量的數(shù)據(jù)是否有效，再進(jìn)一步對這些有效數(shù)據(jù)進(jìn)行三角換算，由相對風(fēng)速測量值求解出相對風(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)補償

中圖分類號：TN06 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引 言

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

觀測及理論研究表明，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、船舶姿態(tài)、航向等諸多因素，均會對風(fēng)速風(fēng)向的測量精度產(chǎn)生影響，船用風(fēng)速風(fēng)向測量傳感器檢測的是相對的風(fēng)速風(fēng)向，需要經(jīng)過計算得到真風(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，所測得的風(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風(fēng)速風(fēng)向測量值的影響，設(shè)計一種基于空間模型的誤差補償算法，并分析測量值與實際值的誤差，是提高風(fēng)速風(fēng)向儀的測量精度的關(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，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，相對于氣象儀會產(chǎn)生與航速航向大小相同，方向相反的風(fēng)場。若假設(shè)以艦艏為參考系，則外界自然風(fēng)場和運動產(chǎn)生的風(fēng)場共同作用于氣象儀，此處，主要通過建模，以艦艏向為y軸的艦船坐標(biāo)系下，氣象儀解算的混合風(fēng)場和在以正北向為y軸自然坐標(biāo)系下，航向航速艦艏向來求解以正北向為y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：

計算技術(shù)與自動化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

氣象儀在測風(fēng)時，測量的風(fēng)為水平風(fēng)，即可以理解為以三個探頭所確定的投影面上的風(fēng)場，由于艦船在海上行駛，姿態(tài)角會發(fā)生改變，存在著平臺晃動的問題，使得投影面與水平面之間存在著一定的夾角[1]，需要對其進(jìn)行解算，針對此問題建立模型如下：

設(shè)投影面的兩個正交矢量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)生晃動時，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)生晃動時，定義變量α、β，α表示為前傾的角度，考慮到艦船晃動的實際情況，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)動的角度，其中，前傾時α為正，后傾時α為負(fù)。β則表示右傾的角度，考慮到艦船晃動的實際情況，右傾是船體以艦首線為軸轉(zhuǎn)動的角度，因此β為直線AB繞CD轉(zhuǎn)動的角度，其中，右傾為正，左傾為負(fù)。

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

2.2 運動補償

設(shè)艦艏向為θs，航向為θm，航速為Vm，通過氣象儀的測量結(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)測量

3.1 空間測量方法

通過實驗，探究氣象儀在不同風(fēng)速條件下氣象儀傾角的變化對風(fēng)速測量的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果，給出相應(yīng)的修正方法，整個實驗過程的前提是假定測量裝置本身的測量精度滿足要求，確保由氣象儀所測得數(shù)據(jù)正確可信[2]。

1.實驗設(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驗臺上（取下螺釘蓋，將氣象儀插入支架中），并對氣象儀進(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)洞中通過一根長線纜連接到置于風(fēng)洞外的電腦上接收所測數(shù)據(jù)，如圖3風(fēng)洞實驗現(xiàn)場圖所示。

圖3 風(fēng)洞實驗現(xiàn)場圖

2.驗證測試

1）將實驗平臺放置于風(fēng)洞內(nèi)不同位置，測試風(fēng)洞的均勻性；

2）將測風(fēng)儀風(fēng)向指示與風(fēng)洞內(nèi)成不同角度，測試測風(fēng)儀數(shù)據(jù)波動范圍。

3.傾角實驗

在進(jìn)行風(fēng)洞實驗時，可以根據(jù)需要對風(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（-）四個方向，角度分別為-20°，-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°，20°，并且對各個實驗條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄[3]。

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

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

4 實驗結(jié)論

通過上述實驗數(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)對氣象儀所測數(shù)據(jù)的影響，由前面推導(dǎo)出的解算公式對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，驗證了對縱搖數(shù)據(jù)的解算可行，第三組數(shù)據(jù)表示側(cè)面迎風(fēng)對氣象儀所測數(shù)據(jù)的影響，解算后的數(shù)據(jù)與真實值相符，驗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)與真實值基本相同，驗證了該解算公式的可行性[5]。

綜上所述，在沒有進(jìn)行風(fēng)速解算時，測出的風(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，與真實值的相對誤差減小，說明了該模型是可行的。

參考文獻(xiàn)

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[3] 韓新春.風(fēng)帆助力船舶風(fēng)速風(fēng)向的檢測方法研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

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[5] LI L，WU X Q， ZHAO H Y， et al. Study on the system characteristic of a crane walking hydraulic system based on AMESim[C]//Advanced Materials Research.2012，430：1809-1813.endprint