船舶真風解算的誤差影響分析及修正方法

李志乾，崔天剛，胡 桐，漆隨平（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266001；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.國家海洋環(huán)境監(jiān)測設備工程技術(shù)中心，山東 青島 266001）

船舶真風解算的誤差影響分析及修正方法

李志乾1,2，崔天剛2,3，胡 桐2,3，漆隨平2,3
（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266001；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.國家海洋環(huán)境監(jiān)測設備工程技術(shù)中心，山東 青島 266001）

從船舶真風解算的模型出發(fā)，依據(jù)誤差傳播定律，分析了相對風測量誤差和航速誤差對真風解算的影響。視風的測量誤差會直接傳遞給真風；航速小于15 kn時，航速誤差傳遞給真風解算的誤差可忽略不計，航速大于15 kn時，真風誤差會隨航速的增大而增大。真風解算模型忽略了海流因素，當水流速度不可忽略時，船舶的運動軌跡受水流影響，分析了海流引起的誤差模型，給出了選用不同航向航速源下的真風誤差修正量。

真風解算；航速；誤差傳遞

真風是指相對于地面的實際風，加強船舶真風的測算對船舶離靠碼頭、防臺風、搶險救災、海上搜救等有重要的氣象導航作用。風的測量除受傳感器自身精度影響外，還受船體姿態(tài)、安裝位置等多種誤差的影響。Shawn等[1]分析了船舶真風計算過程，指出了相對風測量和洋流對真風計算有重要影響，須對實測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。Yelland等[2-3]研究了船舶遮擋物對風速計的遮擋CFD模型。彭燕等[4]比較了兩種風杯風速儀的誤差，分析了誤差來源并進行了訂正方法研究。吳非洋等[5]從風速儀校驗器的工作原理、誤差來源和校準參數(shù)的確定方法等方面進行了探討。周揚[6]采用了自動識別兩種航向源方式計算真風。薄文波[7]分析了不同航行狀態(tài)下，安裝在不同位置處的風傳感器受遮擋影響程度。王國峰等[8]提出了一種基于空間模型的風速風向測量誤差補償方法，建立了船舶運動狀態(tài)下風矢量模型。周亦武等[9]分析了船舶搖擺狀態(tài)下風速測量的誤差，并提出了基于多變量非線性擬合的補償方法進行校正補償。上述工作均是對傳感器實測的相對風進行了誤差分析，并給出誤差補償方法，但航行中的船舶實際需要的是真風，船舶航海部門常反映在高航速下真風不準的問題，本文將從真風解算模型的角度出發(fā)，探討航速對船舶真風解算的影響，并提出解決方案。

1 船舶真風解算模型

在航行狀態(tài)下的船舶是運動平臺，裝載在桅桿上測風傳感器只能給出運動合成風，輔以船舶的航向航速信息，才能解算出真風。

1.1 有關(guān)幾類風的概念及船舶運動狀態(tài)描述量

相對風：測風傳感器實測的風，以船艏向為參考，風向順時針方向依次增大。

視風：以大地北為參考的感覺風，是一種運動合成風，風速與相對風速大小相同，風向為相對風向與船艏向之和。

航行風：船舶航行因運動而產(chǎn)生的風，方向與船舶航向一致，大小與航速相同。

真風：以大地北為參考的實際風，航行中船舶實際需要的風，它與觀測平臺的運動無關(guān)。

航向：以大地北為參考，船艏向所指的方向。

航速：船舶航行的速度，包括對水速度和對地速度。

對水速度：船舶電磁計程儀的磁感線垂直于船艏向，從對水速度的計量原理出發(fā)，將水流分解為垂直和平行于電磁計程儀磁場的磁感線方向，平行方向上不做功，垂直方向上切割磁感線而計量出的船舶運動速度稱為對水速度。對水速度是兩種水流的疊加：以船舶為參考，船舶的運動引起的水反向運動和海水自身的流動速度。

對地速度：以大地為參考，船舶相對于大地的運動速度。水流向：即海水的流動方向。水流速：即海水的流動速度。

1.2 船舶真風解算模型

圖1 船舶風的合成示意圖

顯然，真風等于視風與航行風之差，在運動平臺上無法直接測量真風，只能依靠模型間接解算。

2 存在的問題

圖2 真風解算誤差示意圖

3 誤差模型的推導

在統(tǒng)計學上，由于變量含有誤差，函數(shù)受其影響也含有誤差，稱之為誤差傳播，闡述這種關(guān)系的定律稱為誤差傳播定律。

設有一般函數(shù)Z=f(x1,x2,…,xn)，式中x1,x2,…,xn為可直接觀測的相互獨立的未知量，Z為不便于直接觀測的未知量。已知x1,x2,…,xn的中誤差分別為m1, m2,…,mn,現(xiàn)在要求Z的中誤差mZ。由數(shù)學分析可知，變量的誤差與函數(shù)的誤差之間的關(guān)系，可以近似的用函數(shù)的全微分來表達，為此對上式求全微分，得：

3.1 視風對真風的影響

由正弦定理：

3.2 航速對真風的影響

說明真風誤差不僅與航速誤差有關(guān)，還跟航速與視風的差值有關(guān)。

4 航行試驗數(shù)據(jù)分析

2013年4 -6月隨某船航行，采集了該船在海上航行的相對風、航向、航速（包括對地速度與對水速度）等數(shù)據(jù)。

航行時，不考慮相對風的測量誤差，分別采用對地速度和對水速度計算真風。取相對風速大于15m/s，對水速度和對地速度均大于15 kn的數(shù)據(jù)樣本計算，圖4是用兩種航速源計算的真風差值隨航速源差值變化的誤差曲線，從圖上可以看出，航行試驗得到的誤差與上文的誤差分析結(jié)論一致。

圖3 高航速下真風誤差曲面

圖4 試驗誤差曲線

5 真風誤差的修正處理

視風測量誤差客觀存在，主要由測風傳感器安裝位置周圍的遮擋及自身測量精度引起，可參考文獻[2-3]的風測量誤差補償方法進行修正，下文討論航速引起的真風誤差修正方法。

如圖5所示，受海水流速的影響，航行下的船舶并非“直線”運動，在保持航向的同時又有跡向，對測風傳感器來說，船舶航向并不是其真實的運動方向，船舶航速也非測風傳感器的運動速度，裝在桅桿上的測風傳感器與船舶相比，可視作質(zhì)點。

圖5 海水流速對跡向的改變示意圖

記跡向為θO，視風向為θV，修正后的視風向應為θ'V=θV-(θO-θH)，記作θ'V=θV+Δθ，化作矢量形式，海水流速不可忽略時，修正后的真風解算模型應為：也是由海水流動引起，（4）式后一項統(tǒng)一記作，于是式(4)簡化為：

（1）當船舶采用以GPS地速為代表的跡向和跡向速度作航向航速時的求法

海流的影響已經(jīng)消除，還需修正視風向，把相對風向調(diào)整到以跡向參考上來，此時，修正后的視風向θ'V=θV+Δθ，由式（1）可得修正后的真風，船舶高速航行時，瞬時，即跡向與航向的偏離很小，從而，說明在以跡向和跡向速度參與解算時，視風向的誤差可忽略不計。

（2）當船舶使用GPS跡向和電磁計程儀的對水速度作航向航速時的求法

從電磁計程儀對水速度的測量原理可以看出，平行于磁感線的水流分量沒有參與計量，實際上電磁計程儀的磁感線方向與船艏向垂直，平行于磁感線方向也即垂直于船體，正是由于垂直于船體的水流分量會對船體產(chǎn)生縱向位移，而縱向位移速度沒有參與真風解算，從而導致解算出來的真風與實際存在一定的誤差。

（3）當船舶使用羅經(jīng)（或慣導）的航向和GPS的地速作航向航速時的求法

（4）當船舶使用羅經(jīng)（或慣導）的航向和電磁計程儀的對水速度作航向航速時的求法

圖2（a）即為這種情況，航向與航速均有誤差，高速航行時，水對船舶的阻力也越大，電磁計程儀計量的對水速度比實際對水速度要小，呈現(xiàn)負誤差（測量值與真值之差），誤差曲面如圖3所示，真風解算的誤差隨航速的增大而增大。

這種情況下，受航向航速雙重誤差影響，求取真風解算模型的誤差修正量較為困難，需要結(jié)合海流、船舶自重等數(shù)據(jù)，建立復雜的數(shù)學修正模型：

上述分析表明，高航速下，方向誤差對真風解算的誤差影響不大，而航速源的選擇對真風解算有較大影響。

6 結(jié)論與建議

船舶用的航速計量儀—電磁計程儀，除自身系統(tǒng)誤差外，還易受海水流速因素影響，不可避免地產(chǎn)生計量誤差，且電磁計程儀測得的是對水速度，計算出的“真風”應是“對水風”，不是真正意義上的自然風，真風是以大地北為參考的自然界實際風。

電磁計程儀計量的對水速度，其測量誤差隨航速的增大而線性增加，這種誤差增大到一定程度，必然會對真風的解算精度造成影響。當水流速度不可忽略時，船舶的運動軌跡受水流影響，裝在船舶桅桿上的測風傳感器可視為質(zhì)點，此時航行風是船舶跡向和跡向速度的同向矢量，同時，視風向也應作相應修正，相對風向是以船艏向為參考，應根據(jù)航向與跡向的夾角，調(diào)整到以跡向為參考，再計算視風。

[1]Shawn RSmith,Mark A Bourassa,Ryan JSharp.EstablishingMore Truth in TrueWinds[J].JournalofAtmospheric and Oceanic Technology,1999,16:939-952.

[2]M JYelland,B IMoat,PK Taylor,etal.Wind StressMeasurements from the Open Ocean Corrected for Airflow Distortion by the Ship [J].JournalofPhysicalOceanography,1998,28:1511-1526.

[3]M JYelland,B IMoat,RW Pascal,etal.CFDModel Estimates of the Airflow Distortion over Research Ships and the Impacton Momentum Flux Measurements[J].JournalofAtmospheric and Oceanic Technology,2002,19:1477-1499.

[4]彭燕,張宏升,許飛,等.風杯風速計測風誤差的分析研究與訂正方法[J].氣象水文海洋儀器,2003(2):1-10.

[5]吳非洋,崔炳儉,趙斐苗.風速計校驗器誤差源和校準參數(shù)的計算分析[J].氣象與環(huán)境科學,2012,35(增刊):113-116.

[6]周揚.船舶氣象儀硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].青島：中國海洋大學，2012.

[7]薄文波.船用風傳感器試驗與分析[J].氣象水文海洋儀器,2009(3):1-5.

[8]王國峰,趙永生,范云生.風向風速測量誤差補償算法研究[J].儀器儀表學報,2013,34(4):786-790.

[9]周亦武,王國峰,趙永生.船舶搖擺狀態(tài)下風速測量誤差分析與補償研究[J].儀器儀表學報,2014,35(6):1239-1245.

[10]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 4301-2008.船用電磁計程儀[S].北京：中國標準出版社，2008.

Research on the Error Analysis and Correction Method for the Calculation Model of the Ship's TrueWind

LIZhi-qian1,2,CUITian-gang2,3,HU Tong2,3,QISui-ping2,3
1.Shandong Provincial Key Laboratory ofMarine EnvironmentMonitoring Techniques,Qingdao 266001,Shandong Province,China; 2.Institute of Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences,Qingdao 266001,Shandong Province,China; 3.National Research Center of Marine EnvironmentMonitoring Equipmentand Engineering Technology,Qingdao 266001,Shandong Province,China

Based on the true wind calculation model for ships and according to the law of error propagation,this paper analyzes the impact of the relative wind measurement errors and navigational speed errors on the truewind calculation model.Measurement error,like that of the wind,will be passed directly to the true wind.When the ship's speed is less than 15 kn,the error passed to the true wind calculationmodel is negligible;on the contrary, the true wind can increase with increasing ship speed.The true wind calculation model ignores the factors of sea currents.When the flow velocity can not be ignored,the ship's trajectory is affected by the flow.The error analysis of the flow'smodel gives the true wind errorwith different corrections of the ship's speed and heading.

true wind calculation;navigational speed;error propagation

P716+.3；P412.16

A

1003-2029（2017）01-0086-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.016

2016-10-10

山東省科學院博士基金項目資助（2015QN025）；山東省科技發(fā)展計劃項目資助（S225）；山東省科學院青年基金資助項目（2014QN034）

李志亁（1983-），男，博士，副研究員，主要從事船舶氣象技術(shù)研究。E-mail：lizhiqian_76@126.com