CN103308722B - 一种船舶风向风速测量仪误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，具有如下步骤：采集当前船舶的平台罗经或惯性导航系统输出的三维船体摇摆、俯仰和船头转动三个自由度运动的角速度，记录所述三个角速度随时间的变化率；确定当前船舶的三个自由度的运动中心点，以及该中心点与船体风向风速测量仪之间的几何距离；通过该几何距离分别计算所述三个自由度对应的各自风向风速测量仪距离上的线速度（即切线速度）和对应方向；对所述的三个自由度的线速度和对应方向进行矢量合成，求出每一时刻与平台罗经数据对应的三维风向风速测量仪高度点的风向风速值，该风速风向值即为船体摇摆、俯仰和船头转动带来的测量误差值；将船舶气象仪测得风向风速矢量减去所述误差矢量风，得到修正后的真实风速和风向。

Description

一种船舶风向风速测量仪误差修正方法

技术领域

本发明涉及一种船舶风向风速测量仪误差修正方法。

背景技术

海面气象观测是监测海洋天气系统变化的重要手段。由于全球海洋面积占总面积70%，而大多天气系统又来自于热带海洋，所以对海洋海面气象观测要求范围大。而海上岛屿甚少，大范围无法设站进行气象观测，所以船舶气象报是唯一有效观测手段。但由于大风浪过程各种船只的船体对风浪影响不同，产生的测量观测误差巨大，甚至到了无法有效的使用。更不要说精确使用。尤其是船体大小不同，吨位不同，船舶气象仪架设距海面高度不同产生误差相距甚远。特别在风浪天气过程更需要精准的船舶气象报数据支持。风浪越大，船舶气象报信息越重要，而此时船舶气象报所测风向风速的误差越大，甚至误差与实际真风速为同一量级，非常接近，这为气象信息应用带来了很大的误导。而全球海洋有几十万只船舶每天航行，如何把船舶气象报信息质量提高，为海上精准预报天气变化，为船舶航行安全，为人类减灾，本发明具有一定意义。

全世界现有船只气象水文观测都没有考虑船舶在风浪过程的摇摆俯仰和船头转动等大风浪过程中产生的船体响应带来船舶气象报信息误差产生的结果。本方法提出对未来提高船舶气象报信息的准确性具有一定作用。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，具有如下步骤：

—采集当前船舶的平台罗经或惯性导航系统输出的三维船体摇摆、俯仰和船头转动三个自由度运动的角速度，记录所述三个角速度随时间的变化率；

—确定当前船舶的三个自由度的运动中心点，以及该中心点与船体风向测量仪之间的几何距离；通过该几何距离分别计算所述三个自由度对应的各自风速风向测量仪距离上的线速度（即切线速度）和对应方向；

—对所述的三个自由度的线速度和对应方向进行矢量合成，求出每一时刻与平台罗经数据对应的三维风向风速测量仪高度点的风向风速值，该风速风向值即为船体摇摆、俯仰和船头转动带来的测量误差值；将船舶气象仪测得风速矢量减去所述误差矢量风，得到修正后的真实风速和风向。

所述中心点与风速风向测量仪之间的几何距离的计算方法为：确定船体三个方向惯性转动惯量平面的转动轴，在围杆上船舶风速风向仪架设点，对三个平面的转动轴做垂直投影，确定该点与三个平面转动轴的垂直距离。

所述风速测量仪距离上的线速度的计算方法如下：三个惯性转动惯量确定平面转动轴与船舶气象测风仪架设点垂直距离乘以罗经仪给出的该平面转动速率，得出与该转动轴垂直方向的船舶气象测风仪所产生的该方向误差风速。

所述真实风速和风向的计算过程如下：

对于船头方向X轴即摇摆分量，传感架设桅杆测点至船体转动惯量中心点水平面距离应为桅杆上架设传感器点沿桅杆至转动惯量中心水平面的距离，即R_x；船体摇摆的角速度ω_x顺时针为正，则：

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的摇摆角速率；

船体俯仰角速度ω_y

对于船体横向方向Y轴即俯仰分量：传感器架设桅杆测点与转动惯量中心点连线距离Ry。即桅杆上传感器架设点至转动惯量中心水平面垂直距离Rx和在转动惯量中心平面上垂直投影点与中心点距离构成的直角三角形斜边距离Rz；

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的俯仰角速率；

船头转动角度ω_z

对于船体平面垂直方向Z轴即转动分量：传感器架设桅杆测点至转动惯量中心水平面垂直投影点至转动惯量中心点距离R_z；

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的船头转动角速率；

船体平台摇摆、俯仰和船头转动产生的误差风矢量

风为来向

$\stackrel{\→}{V}=-(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_x\stackrel{\→}{i}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_y\stackrel{\→}{j}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_z\stackrel{\→}{j})$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{V_x}=\stackrel{\→}{V_{x2}}+\stackrel{\→}{V_{X3}}$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{V_y}=\stackrel{\→}{V_{y1}}+\stackrel{\→}{V_{y3}}$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{V_z}=\stackrel{\→}{V_{z1}}+\stackrel{\→}{V_{z2}}$

记录船体在前后、左右和上下三个自由度运动的速度，记录所述三个速度随时间的变化率。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，为今后大风浪过程船舶气象测风仪加密观测提供可靠的技术保障。使风速在时间轴上加密观测成为可能。由于大风浪过程，对风速观测尤为重要，对其精度提高是解决当前船舶气象报风速测不准的大问题。该方法使用对提高船舶大风浪过程气象报精度提供支持。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明风速传感器与船舶运动中心点的距离计算示意图

图2为本发明带有坐标轴的船体正面示意图

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-图2所示：

一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，主要包括如下步骤：

首先，根据接收并采集当前船舶的平台罗经或惯性导航系统输出的三维船体摇摆、俯仰和船头转动三个自由度运动的角速度，记录所述三个角速度随时间的变化率。

然后，确定当前船舶的三个自由度的运动中心点，以及该中心点与船体风向测量仪之间的几何距离，然后计算风速风向测量仪的线速度，通过该几何距离分别计算所述三个自由度对应的各自风速风向测量仪距离上的线速度（即切线速度）和对应方向。

风速合成步骤，对所述的三个自由度的线速度和对应方向进行矢量合成，求出每一时刻与平台罗经数据对应的三维风向风速测量仪高度点的风向风速值，该风速风向值即为船体摇摆、俯仰和船头转动带来的测量误差值；将船舶气象仪测得风速矢量减去所述误差矢量风，得到修正后的真实风速和风向。

进一步的，考虑到船舶的风速风向测量仪（风速传感器）所述中心点与风速风向测量仪之间的几何距离的计算方法为：确定船体三个方向惯性转动惯量平面的转动轴，在围杆上船舶风速风向仪架设点，对三个平面的转动轴做垂直投影，确定该点与三个平面转动轴的垂直距离。

所述真实风速和风向的计算过程如下：

所述真实风向风速的计算过程如下：

对于船头方向X轴即摇摆分量：传感器架设桅杆测点至船体转动惯量中心点水平面距离应为桅杆上架设传感器点沿桅杆至转动惯量中心水平面的距离，即R_x；船体摇摆的角速度ω_x顺时针为正，则：

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的摇摆角速率；

船体俯仰角速度ω_y

对于船体横向方向Y轴即俯仰分量：传感器架设桅杆测点与转动惯量中心点连线距离Ry。即桅杆上传感器架设点至转动惯量中心水平面垂直距离Rx和在转动惯量中心平面上垂直投影点与中心点距离构成的直角三角形斜边距离Rz；

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的俯仰角速率；

船头转动角度ω_z

对于船体平面垂直方向Z轴即转动分量：传感器架设桅杆测点至转动惯量中心水平面垂直投影点至转动惯量中心点距离R_z；

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的船头转动角速率；

船体平台摇摆、俯仰和船头转动产生的误差风矢量

风为来向

$\stackrel{\→}{V}=-(\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_x\stackrel{\→}{i}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_y\stackrel{\→}{j}+\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{V}_z\stackrel{\→}{j})$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{V_x}=\stackrel{\→}{V_{x2}}+\stackrel{\→}{V_{X3}}$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{V_y}=\stackrel{\→}{V_{y1}}+\stackrel{\→}{V_{y3}}$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{V_z}=\stackrel{\→}{V_{z1}}+\stackrel{\→}{V_{z2}}$

记录船体在前后、左右和上下三个自由度运动的速度，记录所述三个速度随时间的变化率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，具有如下步骤：

—采集当前船舶的平台罗经或惯性导航系统输出的三维船体摇摆、俯仰和船头转动三个自由度运动的角速度，记录所述三个角速度随时间的变化率；

—确定当前船舶的三个自由度的运动中心点，以及该中心点与船舶风向风速测量仪之间的几何距离；通过该几何距离分别计算所述三个自由度对应的各自船舶风向风速测量仪距离上的线速度，即切线速度和对应方向；

—对所述的三个自由度的线速度和对应方向进行矢量合成，求出每一时刻与平台罗经或惯性导航系统数据对应的船舶风向风速测量仪高度点的风向风速值，该风向风速值即为船体摇摆、俯仰和船头转动带来的测量误差值；将船舶风向风速测量仪测得风向风速矢量减去误差风矢量，得到修正后的真实风速和风向。

2.根据权利要求1所述的一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，其特征还在于：所述中心点与船舶风向风速测量仪之间的几何距离的计算方法为：确定船体三个方向惯性转动惯量平面的转动轴，在桅杆上船舶风向风速测量仪架设点，对三个平面的转动轴做垂直投影，确定该点与三个平面转动轴的垂直距离。

3.根据权利要求1所述的一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，其特征还在于：所述船舶风向风速测量仪距离上的线速度的计算方法如下：三个惯性转动惯量确定平面转动轴与船舶风向风速测量仪架设点垂直距离乘以平台罗经或惯性导航系统给出的该平面转动速率，得出与该转动轴垂直方向的船舶风向风速测量仪所产生的该方向误差风向和风速。

4.根据上述任意一项权利要求所述的一种船舶风向风速测量仪误差修正方法，其特征还在于：所述误差风矢量的计算过程如下：

对于船头方向X轴即摇摆分量：船舶风向风速测量仪架设桅杆测点至船体转动惯量中心点水平面距离应为桅杆上架设船舶风向风速测量仪点沿桅杆至转动惯量中心水平面的距离，即R_x；船体摇摆的角速度ω_x顺时针为正，则：

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的摇摆角速率；

船体俯仰角速度ω_y；

对于船体横向方向Y轴即俯仰分量：船舶风向风速测量仪架设桅杆测点与转动惯量中心点连线距离Ry，即桅杆上船舶风向风速测量仪架设点至转动惯量中心水平面垂直距离Rx和在转动惯量中心平面上垂直投影点与中心点距离Rz构成的直角三角形斜边距离；

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的俯仰角速率；

船头转动角度ω_z

对于船体平面垂直方向Z轴即转动分量：船舶风向风速测量仪架设桅杆测点至转动惯量中心水平面垂直投影点至转动惯量中心点距离R_z；

其中：

为平台罗经或惯性导航系统提供的船头转动角速率；

船体平台摇摆、俯仰和船头转动产生的误差风矢量

风向与船舶前进方向相对；

$\stackrel{\→}{V}=-\[\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\stackrel{\→}{v_{xi}}+\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\stackrel{\→}{v_{yi}}+\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\stackrel{\→}{v_{zi}}\]$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\stackrel{\→}{v_{xi}}=\stackrel{\→}{v_{x2}}+\stackrel{\→}{v_{x3}}$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\stackrel{\→}{v_{yi}}={\stackrel{\→}{v_{y1}}}^{+}\stackrel{\→}{v_{y3}}$

$\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\stackrel{\→}{v_{zi}}=\stackrel{\→}{v_{z1}}+\stackrel{\→}{v_{z2}}$

记录船体在前后、左右和上下三个自由度运动的速度，记录所述三个速度随时间的变化率。