風速風向的解算方法研究

朱倪瑤　周沫　趙奎

摘 要：為了提高船舶航行中風速風向的測量精度，提出一種風速風向測量誤差解算方法。首先利用WXT520氣象儀測量風速和風向，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速、風向的測量誤差，所以需要對其進行解算，包括對水平風速的補償和真風速解算。利用傾角傳感器測量船體的姿態補償水平風速，根據風的來向，確定測量的數據是否有效，再進一步對這些有效數據進行三角換算，由相對風速測量值求解出相對風速真值；進而利用航速和航向，根據三角關系，解算出真風速和真風向。

關鍵詞：氣象儀；風速解算；姿態補償

中圖分類號：TN06 文獻標識碼：A

1 引 言

風是海上重要的氣象因素之一，風向風速的測量一直是國內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、農業航運等行業都具有非常廣泛的應用。

觀測及理論研究表明，地面邊界層中，風隨高度變化并不明顯。在海洋中的風壓流、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、航向等諸多因素，均會對風速風向的測量精度產生影響，船用風速風向測量傳感器檢測的是相對的風速風向，需要經過計算得到真風的風速風向。當風速風向傳感器的空間位置發生變化時，所測得的風速風向值的變化是很大的，研究傳感器的空間傾角變化對風速風向測量值的影響，設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，是提高風速風向儀的測量精度的關鍵。

2 風速風向的解算模型

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，當艦船沿某方向航行時，相對于氣象儀會產生與航速航向大小相同，方向相反的風場。若假設以艦艏為參考系，則外界自然風場和運動產生的風場共同作用于氣象儀，此處，主要通過建模，以艦艏向為y軸的艦船坐標系下，氣象儀解算的混合風場和在以正北向為y軸自然坐標系下，航向航速艦艏向來求解以正北向為y軸自然坐標系下自然風的風速和風向，坐標圖如下：

計算技術與自動化2016年6月

第35卷第2期朱倪瑤等：風速風向的解算方法研究

圖1 求解自然風的風速和風向坐標圖

2.1 真風速真風向解算

氣象儀在測風時，測量的風為水平風，即可以理解為以三個探頭所確定的投影面上的風場，由于艦船在海上行駛，姿態角會發生改變，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]，需要對其進行解算，針對此問題建立模型如下：

設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.當艦船不發生晃動時，若外界存在的風矢量V→（x，y），則可以得到V→在AB、CD上的投影如式（1）、（2）：

2.當艦船發生晃動時，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軸轉動的角度，其中，前傾時α為正，后傾時α為負。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動的角度，因此β為直線AB繞CD轉動的角度，其中，右傾為正，左傾為負。

設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

設艦艏向為θs，航向為θm，航速為Vm，通過氣象儀的測量結果在艦船坐標系下，解算出的混合風速為Vw，風向θw，可求得自然坐標系下混合風風向：

3 空間數據測量

3.1 空間測量方法

通過實驗，探究氣象儀在不同風速條件下氣象儀傾角的變化對風速測量的影響，并根據實驗結果，給出相應的修正方法，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據正確可信[2]。

1.實驗設備連接與調試

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），并對氣象儀進行調準，直至氣象儀下方的箭頭指向風源方向，將氣象儀放置于風洞中通過一根長線纜連接到置于風洞外的電腦上接收所測數據，如圖3風洞實驗現場圖所示。

圖3 風洞實驗現場圖

2.驗證測試

1）將實驗平臺放置于風洞內不同位置，測試風洞的均勻性；

2）將測風儀風向指示與風洞內成不同角度，測試測風儀數據波動范圍。

3.傾角實驗

在進行風洞實驗時，可以根據需要對風洞的風速、風向、WXT520氣象儀的傾斜角度進行調整，風速設置為5m/s，15m/s，30m/s，風向的角度分別為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據進行記錄[3]。

3.2 實驗數據分析

由于工作量比較大、數據繁多，在此，只對幾種典型情況的部分數據進行分析。

4 實驗結論

通過上述實驗數據分析，可以得出以下結論：第一、二組數據表示正面迎風對氣象儀所測數據的影響，由前面推導出的解算公式對實驗數據進行解算，驗證了對縱搖數據的解算可行，第三組數據表示側面迎風對氣象儀所測數據的影響，解算后的數據與真實值相符，驗證了解算公式在橫搖數據中是可用的，第四組數據表示在縱橫搖均存在的情況下，解算后得到的數據與真實值基本相同，驗證了該解算公式的可行性[5]。

綜上所述，在沒有進行風速解算時，測出的風速風向誤差較大，當引入了解算公式后，所得結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

[1] 任曉文.船舶搖擺速度對風向風速測量影響的研究[D].大連：大連海事大學，2014.

[2] KOSTINA V L， MYTSENKO I M，ROYENKO A N， et al. Investigation of ultrashort wave attenuation in the regions of the World Ocean[J].Telecommunications and radio Engineering，2008，67（18）：18-19.

[3] 韓新春.風帆助力船舶風速風向的檢測方法研究[D].大連：大連海事大學，2010.

[4] 王國峰，趙永生，范云生.風速風向測量誤差補償算法的研究[J].儀器儀表學報，2007，22（3）：410-413.

[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