风速风向的解算方法研究摘要为了提高船舶航行中风速风向的测量精bahref"target"_blank"顶峰助力微营销ab度提出一种风速风向测量误差解算方法首先利用WXT520气象仪测量风速和风向因为这其中包含了舰船的航速航向以及舰船船体倾斜所引入风速风向的测量误差所以需要对其进行解算包括对水平风速的补偿和真风速解算利用倾角传感器测量船体的姿态补偿水平风速根据风的来向确定测量的数据是否有效再进一步对这些有效数据进行三角换算由相对风速测量值求解出相对风速真值进而利用航速和航向根据三角关系解算出真风速和真风向中国论文网关键词气象仪风速解算姿态补偿中图分类号TN06文献标识码A1引言风是海上重要的气象因素之一风向风速的测量一直是国内外气象仪器研究的热点无论是气象观测民航公路桥梁新能源农业航运等行业都具有非常广泛的应用观测及理论研究表明地面边界层中风随高度变化并不明显在海洋中的风压流潮汐流惯性流和黑潮流等海流以及船速航线载重引起的吃水变动船舶姿态航向等诸多因素均会对风速风向的测量精度产生影响船用风速风向测量传感器检测的是相对的风速风向需要经过计算得到真风的风速风向当风速风测风速风向
向传感器的空间位置发生变化时所测得的风速风向值的变化是很大的研究传感器的空间倾角变化对风速风向测量值的影响设计一种基于空间模型的误差补偿算法并分析测量值与实际值的误差是提高风速风向仪的测量精度的关键2风速风向的解算模型气象仪安装在舰船的两舷而气象仪的正北指向舰艏同时因海流的作用舰船航向与舰艏存在偏角θ当舰船沿某方向航行时相对于气象仪会产生与航速航向大小相同方向相反的风场若假设以舰艏为参考系则外界自然风场和运动产生的风场共同作用于气象仪此处主要通过建模以舰艏向为y轴的舰船坐标系下气象仪解算的混合风场和在以正北向为y轴自然坐标系下航向航速舰艏向来求解以正北向为y轴自然坐标系下自然风的风速和风向坐标图如下计算技术与自动化2016年6月第35卷第2期朱倪瑶等风速风向的解算方法研究图1求解自然风的风速和风向b顶峰助力微营销b坐标图21真风速真风向解算气象仪在测风时测量的风为水平风即可以理解为以三个探头所确定的投影面上的风场由于舰船在海上行驶姿态角会发生改变存在着平台晃动的问题使得投影面与水平面之间存在着一定的夹角[1]需要对其进行解算针对此问题建立模型如下设投影面的两个正
交矢量ABCD其中方向AB表示气象仪的正西方向CD方向表示气象仪的正南方向1当舰船不发生晃动时若外界存在的风矢量Vxy则可以得到V在ABCD上的投影如式122当舰船发生晃动时定义变量αβα表示为前倾的角度考虑到舰船晃动的实际情况前倾为舰首向与水平面的的夹角因此α为直线CD绕x轴转动的角度其中前倾时α为正后倾时α为负β则表示右倾的角度考虑到舰船晃动的实际情况右倾是船体以舰首线为轴转动的角度因此β为直线AB绕CD转动的角度其中右倾为正左倾为负设ABCD四个点的初始位置为d00-d000d00-d0如图2所示22运动补偿设舰艏向为θs航向为θm航速为Vm通过气象仪的测量结果在舰船坐标系下解算出的混合风速为Vw风向θw可求得自然坐标系下混合风风向3空间数据测量31空间测量方法通过实验探究气象仪在不同风速条件下气象仪倾角的变化对风速测量的影响并根据实验结果给出相应的修正方法整个实验过程的前提是假定测量装置本身的测量精度满足要求确保由气象仪所测得数据正确可信[2]1实验设备连接与调试检查气象仪是否有损坏然后将气象仪安装在实验台上取下螺钉盖将气象仪插入支架中并对气象仪进行调准测风速风向
直至气象仪下方的箭头指向风源方向将气象仪放置于风洞中通过一根长线缆连接到置于风洞外的电脑上接收所测数据如图3风洞实验现场图所示图3风洞实验现场图2验证测试1将实验平台放置于风洞内不同位置测试风洞的均匀性2将测风仪风向指示与风洞内成不同角度测试测风仪数据波动范围3倾角实验在进行风洞实验时可以根据需要对风洞的风速风向WXT520气象仪的倾斜角度进行调整风速设置为5ms15ms30ms风向的角度分别为0306090倾角分为前倾后倾-右倾左倾-四个方向角度分别为-20-15-10-505101520并且对各个实验条件下的数据进行记录[3]32实验数据分析由于工作量比较大数据繁多在此只对几种典型情况的部分数据进行分析4实验结论通过上述实验数据分析可以得出以下结论第一二组数据表示正面迎风对气象仪所测数据的影响由前面推导出的解算公式对实验数据进行解算验证了对纵摇数据的解算可行第三组数据表示侧面迎风对气象仪所测数据的影响解算后的数据与真实值相符验证了解算公式在横摇数据中是可用的第四组数据表示在纵横摇均存在的情况下解算后得到的数据与真实值基本相同验证了该解算公式的可行性[5]综上
所述在没有进行风速解算时测出的风速风向误差较大当引入了解算公式后所得结果的精度得到了提高与真实值的相对误差减小说明了该模型是可行的参考文献[1]任晓文船舶摇摆速度对风向风速测量影响的研究[D]大连大连海事大学2014[2]KOSTINAVLMYTSENKOIMROYENKOANetalInvestigationofultrashortwaveattenuationintheregionsoftheWorldOcean[J]TelecommunicationsandradioEngineering2008671818-19[3]韩新春风帆助力船舶风速风向的检测方法研究[D]大连大连海事大学2010[4]王国峰赵永生范云生风速风向测量误差补偿算法的研究[J]仪器仪表学报2007223410-413[5]LILWUXQZHAOHYetalStudyonthesystemcharacteristicofacranewalkinghydraulicsystembasedonAMESim[C]AdvancedMaterialsResearch20124301809-1813
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