CN1712999A - 基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统。包括气象站、全球定位系统和罗经设备，所述自动气象站、全球定位系统和罗经设备通过串口与计算机实现通讯连接，所述自动气象站、罗经设备和全球定位系统GPS安装在船上，通过存储于计算机内的主程序结合主程序产生的虚拟仪器对所述外部设备进行控制和采样，并对所采数据进行风速的矢量运算、平均处理，处理后的真风速数据和原始数据分别进行存储、显示。本发明利用虚拟仪器技术作为该测量系统核心构建平台，完成相关仪器的控制、综合数据的采集、运算和储存，测量精度高；可以同时记录两种模式的风参数平均值，具有工作模式及系统设置的记忆功能。

Description

基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统

技术领域

本发明涉及海洋移动气象观测技术，具体地说是一种基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统。

背景技术

目前，应用在船舶上的移动气象观测系统，对有效地获取真实可靠的海洋气象参数资料具有十分重要的实用价值。然而由于舰船是一个移动的测量平台，这就决定了舰船上的气象站直接测量的风要素，是一个合成了舰船移动速度的合成矢量，而并非风参数的真值。要得出风参数的真值，必须结合舰船的移动速度，分解实测的风矢量，从而准确地求得相应的风参数。国内外不少学者，对气象参数的移动测量技术进行了研究，不少专业气象仪器厂商和研究机构也利用相关的技术开发出了自己的产品。从现阶段来看，绝大部分产品采用的是嵌入式微处理器技术完成的，其处理慢且计算能力有限，不能够实时显示各测量参数的变化趋势；很多设备，在计算真风速时，仅仅以航迹、航速以及舰载风速、风向传感器的测量结果来计算真风速，没有考虑到行船中由于海流或风场的影响，船向和航向往往并不重合，从而导致较大的计算误差。部分设备不具备自动测量的功能，需要人工输入计算真风速所需要的航速、航向值，给测量工作带来了不便，而且测量时往往引入人为误差，导致错误测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统。

为了实现上述目的，本发明技术方案是：包括安装在船上的自动气象站、全球定位系统(GPS)和罗经设备，所述自动气象站、GPS和罗经设备通过串口与计算机实现通讯连接，所述自动气象站设有风向、风速、温度、湿度及气压传感器，通过存储于计算机内的虚拟仪器程序对所述外部设备进行控制和采样，并对所采数据进行风速的矢量运算、平均处理，处理后的真风速数据和原始数据分别进行存储、显示；

其中数据显示由虚拟仪器面板上的虚拟指针表盘、数字表盘和图形显示屏幕来完成；

所述风速的矢量运算是把以舰船本身作为参考系、以船首方向作为零方向参考点的实测风速，结合舰船的移动速度和船首偏向角，进行矢量分解，得到真风速；

所述真风速为表观风速

与舰船的行进速度

的矢量差；其中：来自气象站中的风向传感器直接测得的风速为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{ws}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}},$ θ_ws为风向传感器的读数，以船首为方向基准点；当转换成以正北为方向基准点时，则加上罗径测得的船首偏向角θ_c得表观风速，即 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}+{\mathrm{\θ}}_c)};$ 舰船的行进速度为 ${\stackrel{\→}{V}}_s=V_s\×e^{j{\mathrm{\θ}}_s};$

所述主程序具体流程为：读入缺省系统设置，根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置，判断启动采样否？如为否，则重新进行根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置；如为是，则进入采样程序，判断所有设备是否均收到有效数据，否，则报警再重新判断；其结果为是，则提取数据计算真风速，并进行平均处理(显示/存盘)；最后决定采样结束否，不结束返回判断所有设备均收到有效数据处，结束则返回根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置处；

所述真风速计算具体流程是：将自动气象站测得的风向值(即船本身测得的风向值)与舰载罗径的偏角读数(即船首方向)相加，得出“表观风速”的风向值；设风传感器直接测得的风速为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{ws}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}},$ 罗径测得的船首偏向角为θ_c，则算出的“表观风速”为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}+{\mathrm{\θ}}_c)};$ 对“表观风速”和GPS测得的航速进行矢量运算，即“表观风速”减去航速，所得的矢量差即为真风速；假设舰船的行进速度(即GPS测得的航速)为

算出的真风速

的表达式应该为 ${\stackrel{\→}{V}}_w={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}-{\stackrel{\→}{V}}_s;$

所述平均处理流程：根据采样速率，系统自动计算用户所取平均时段内的总采样数N；将真风速矢量在复平面上进行分解，形成实部V_Ri与虚部V_Ii；对连续测得的真风速的实部和虚部分别进行累加处理，得S_R＝∑V_Ri，S_I＝∑V_Ii，并记录累加次数n；如果累加次数n＝N，则将累加结果除以总累加次数N，得出真风速矢量的实部和虚部的平均值；将算得的用复平面形式表示的平均真风速进行转换，求得其模和辐角，从而得出平均真风速的大小和方向值。

本发明具有如下优点：

1.本发明利用虚拟仪器技术作为该测量系统核心构建平台，完成相关仪器的控制、综合数据的采集、运算和储存。这一技术将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，用于数据采集、仪器控制和测量分析，它充分地把高速发展的PC技术所带来的种种便利运用于测量系统中，既提高了系统的开发效率，改善了测量系统的性能，也增加了测量系统的功能。各测量参数分别用不同的虚拟表盘进行实时显示，显示直观。系统实现了全自动采样。

2.测量精度高。本发明将舰载罗径给出的船向值引入真风速参数的计算，提高了测量精度。

3.可以同时记录两种模式的风参数平均值。本发明系统使用户可根据其测量的特殊要求选择平均时段、平均方式(即滑动平均或普通平均)，是否同时记录平均时段风速的最大值等，进一步增加了测量的精度和灵活性。

4.具有工作模式及系统设置的记忆功能。本发明系统储存现行的工作模式和系统设置，下次运行时，自动调入这些设置作为系统运行的缺省设置。

5.本发明可以实时显示各测量参数的变化趋势，便于现场进行数据分析。

6.兼容性能好。本发明系统完全兼容NMEA 0138标准，任何厂家生产的符合上述标准的气象、GPS及罗经设备均可接入此系统，实现本发明所提供的所有功能。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明计算风速矢量图。

图3为本发明工作流程图。

图4为本发明虚拟仪器面板。

图5为本发明真风速计算流程图。

图6为本发明平均处理流程图。

具体实施方式

如1图所示，本发明核心控制是由计算机结合基于虚拟仪器的软件程序来实现，通过对虚拟仪器界面上相关的控制部件进行操控，实现系统的操作控制。自动气象站、GPS和罗经设备通过串口与其实现通讯连接。由于通用计算机通常只有一至两个串口，系统需配置一块通用串口扩展板，以满足系统三个以上串口的要求。任何一款与终端计算机操作系统兼容的串口扩展板，均可以作为本发明中计算机与测量外设的接口设备。具体连接为：串口扩展板(Moxa PC104)通过PCI总线与计算机主板相连，自动气象站(R.M.Young 26700)、GPS(全球定位系统，GBX-8A)和罗经设备(TG-6000)分别通过RS232串口接扩展板的三个输入端；操作主程序经计算机通过串口扩展板对连接于此串口扩展卡上的外部设备进行控制和采样，并对所采数据进行矢量运算、平均处理，处理后的数据和原始数据可分别进行存盘、显示。数据显示由虚拟仪器面板上的虚拟指针表盘、数字表盘和图形显示屏来完成。

如图3所示，所述主程序具体流程为：读入缺省系统设置，根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置，判断启动采样否？如为否，则重新进行根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置；如为是，则进入采样程序，判断所有设备是否均收到有效数据，否，则报警再重新判断；其结果为是，则提取数据计算真风速，并进行平均处理(显示/存盘)；最后决定采样结束否，不结束返回判断所有设备均收到有效数据处，结束则返回根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置处。

系统主程序界面为一虚拟仪器面板(参见图4)，风速、船速、气压等参数分别用虚拟指针表盘和数字表盘显示，温、湿度值的显示分别由虚拟温、湿度计和数字显示来完成。系统同时还给出了上述参数的趋势图显示，用户可以根据需要，选择感兴趣的参数趋势图，进行实时分析。

如图5所示，真风速计算步骤：

1.将安装在船上的自动气象站直接测得的风向值与舰(即船首方向)载罗径的偏角读数相加，得出“表观风速”的风向值。设风传感器直接测得的风速为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{ws}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}},$ 罗径测得的船首偏向角为θ_c，则算出的“表观风速”为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}+{\mathrm{\θ}}_c)};$ 而“表观风速”的风速的大小与自动气象站测得的风速值相等；

2.对“表观风速”和GPS测得的航速进行矢量运算，即“表观风速”减去航速，所得的矢量差即为真风速。假设舰船的行进速度(即GPS测得的航速)为 算出的真风速 的表达式应该为 ${\stackrel{\→}{V}}_w={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}-{\stackrel{\→}{V}}_s;$ (参见图2)。

如图6所示，平均处理步骤：

1.根据采样速率，计算用户所取平均时段内的总采样数N。

2.将前面计算的真风速矢量在复平面上进行分解，形成实部V_Ri与虚部V_Ii。

3.对连续测得的真风速的实部和虚部分别进行累加处理，得S_R＝∑V_Ri，S_I＝∑V_Ii，并记录累加次数n。

4.如果累加次数n＝N，则将累加结果除以总累加次数N，得出真风速矢量的实部和虚部的平均值。

将算得的用复平面形式表示的平均真风速进行转换，求得其模和辐角，从而得出平均真风速的大小和方向值。

系统的测量原理：

固定在地面上的气象站中的风向传感器，在安装时通常选择正北作为风向传感器的零方向位置，由于其参考点位置固定不变，当传感器受风时，其读数即为真风速值。而当其安装于行进中的舰船上时，通常以船首方向作为风向传感器的零方向位置，其参考点将随船只运动发生改变，因此所测的风要素是一个以舰船本身作为参考系、以船首方向作为零方向、合成了舰船移动速度的合成矢量，而并非风参数的真值。要得出风参数的真值，必须结合舰船的移动速度和罗盘读数，分解实测的风矢量，从而准确地求得相应的风参数。安装于舰船之上的GPS可以精确地算出舰船行进的轨迹和行进速度，进而用来对气象站所测得的风参数进行修正，获取风参数的真值。但是，由于风浪、海流等因素的影响，舰船行进时船首的方向往往并不能与其行进轨迹的方向一致，两者之间存在一定的偏角。所以，仅仅利用GPS的测量结果，并不能获取风参数的真值，必须利用船载罗径的读数值，对风向传感器的测量值进行修正，才能得到正确的测量结果。

假设舰船的行进速度为

风传感器直接测得的风速为

罗径测得的船首偏向角为θ_c(以正北为方向基准点)。如果用复数形式来表示，则可以写成 ${\stackrel{\→}{V}}_s=V_s\×e^{j{\mathrm{\θ}}_s},$ 其中θ_s为船速方向(以正北为方向基准点)。 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{ws}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}},$ θ_ws为风向传感器的读数。由于θ_ws是以船首为方向基准点的，所以当转换成以正北为方向基准点时，应该加上罗径测得的船首偏向角θ_c，因此转换后的直测风速(即表观风速)为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}+{\mathrm{\θ}}_c)}.$ 真风速的表达式应该为 与

的矢量差，即 ${\stackrel{\→}{V}}_w={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}-{\stackrel{\→}{V}}_s.$

由于民用GPS信号中加入了伪随机噪声，造成其定位精度的下降，速度值精度也受到影响，进而导致计算出的风参数精度下降。为有效地消除随机噪声、提高测量精度，系统采用了平均处理的方法对测量值进行消噪处理(成熟技术)，具体是：首先设置平均时段，然后将此平均时段内测得的各真风速值，在复平面上进行分解，并分别对分解后的实部和虚部分量进行算术平均处理。合成平均分量，求出该平均矢量的模作为真风速的速度，辐角作为真风速的方向。

记录风参数平均值可以采用两种模式，用户根据其测量的要求可以选择平均时段(指多长时间作一次平均均可)、平均方式(可以选用滑动平均或普通平均方法)，是否同时记录平均时段风速的最大值等。系统通过虚拟仪表界面建立的人机交互操作环境，接受用户的参数设置，并根据这些设置，选择相关的程序流程进行计算，并将计算结果以文件形式储存起来。

虚拟仪器面板上的方式开关(图4)，用于选择显示两种预置平均模式下的风参数的平均值和最大值。数据储存采用文本格式，用户可以根据需要选择记录文件的大小，当数据文件储存的记录数达到预设的个数后，系统会自动形成新的记录文件，这样，就不会出现因记录文件过大，影响操作系统对文件的读、写操作的情况。

系统在工作过程中同时还监控气象站、GPS和罗径的工作状态以及各端口的通信连接情况，根据上述状态判断数据的质量并触发报警提示。

系统还可以根据测量设备的连接和波特率设置，选择所需串行端口及通讯波特率等参数。

系统设计的虚拟仪器界面及测试结果如图4所示，趋势图显示屏中，顶层曲线为气象站直接测量出的风速值，中层为系统测出的真风速值，底层位GPS测得的船速值。速度表盘分别用红、黄、绿三个表针指示直测风速、真风速以及航速。指针式方向表盘也分别用同样颜色的指针指示上述三个速度的方向。虚拟气压表、温、湿度计用以实时显示相关气象参数的实测值。为方便准确读数，系统还为上述参数提供了数字指示。

其系统功能：

本发明是一套基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，它可广泛用于各种舰船、海洋移动平台上，能够有效地去除安装平台的移动给风参数测量造成的影响，实时地测量、储存顺时真风速、真风向；瞬时合成风速、合成风向；温度、湿度、气压；安装平台移动轨迹、速度等参数，并能够实时地显示相关参数的随时间的变化趋势，为海洋气象的研究及预报工作提供真实有效的原始数据分析资料。采样系统完全兼容NMEA 0138标准，任何厂家生产的符合上述标准的气象、GPS及罗经设备均可接入此系统，实现本发明所提供的所有功能。

Claims (7)

1.一种基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，包括安装在船上的自动气象站、全球定位系统和罗经设备，其特征在于：所述自动气象站、全球定位系统和罗经设备通过串口与计算机实现通讯连接，所述自动气象站设有传感器，通过存储于计算机内的虚拟仪器程序对所述外部设备进行控制和采样，并对所采数据进行风速的矢量运算、平均处理，处理后的真风速数据和原始数据分别进行存储、显示。

2.按照权利要求1所述基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，其特征在于：其中数据显示由虚拟仪器面板上的虚拟指针表盘、数字表盘和图形显示屏幕来完成。

3.按照权利要求1所述基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，其特征在于：所述风速的矢量运算是把以舰船本身作为参考系、以船首方向作为零方向参考点的实测风速，结合舰船的移动速度和船首偏向角，进行矢量分解，得到真风速。

4.按照权利要求1所述基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，其特征在于：所述真风速为表观风速 与舰船的行进速度

的矢量差；其中：来自气象站中的风向传感器直接测得的风速为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{ws}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}},$ θ_ws为风向传感器的读数，以船首为方向基准点；当转换成以正北为方向基准点时，则加上罗径测得的船首偏向角θ_c得表观风速，即 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}+{\mathrm{\θ}}_c)};$ 舰船的行进速度为 ${\stackrel{\→}{V}}_s=V_s\×e^{j{\mathrm{\θ}}_s}.$

5.按照权利要求1所述基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，其特征在于：所述主程序具体流程为：读入缺省系统设置，根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置，判断启动采样否？如为否，则重新进行根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置；如为是，则进入采样程序，判断所有设备是否均收到有效数据，否，则报警再重新判断；其结果为是，则提取数据计算真风速，并进行平均处理；最后决定采样结束否，不结束返回判断所有设备均收到有效数据处，结束则返回根据需要更改串口、采样参数、记录文件名等设置处。

6.按照权利要求1所述基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，其特征在于：所述真风速计算具体流程是：将自动气象站测得的风向值与舰载罗径的偏角读数相加，得出“表观风速”的风向值；设风传感器直接测得的风速为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{ws}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}},$ 罗径测得的船首偏向角为θ_c，则算出的“表观风速”为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}=V_{\mathrm{ws}}\×e^{j({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ws}}+{\mathrm{\θ}}_c)};$ 对“表观风速”和全球定位系统测得的航速进行矢量运算，即“表观风速”减去航速，所得的矢量差即为真风速；假设舰船的行进速度为

算出的真风速

的表达式应该为 ${\stackrel{\→}{V}}_w={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{wa}}-{\stackrel{\→}{V}}_s.$

7.按照权利要求1所述基于虚拟仪器技术的海洋移动气象观测系统，其特征在于：所述平均处理流程：根据采样速率，系统自动计算用户所取平均时段内的总采样数N；将真风速矢量在复平面上进行分解，形成实部V_Ri与虚部V_Ii；对连续测得的真风速的实部和虚部分别进行累加处理，得S_R＝∑V_Ri，S_I＝∑V_Ii，并记录累加次数n；如果累加次数n＝N，则将累加结果除以总累加次数N，得出真风速矢量的实部和虚部的平均值；将算得的用复平面形式表示的平均真风速进行转换，求得其模和辐角，从而得出平均真风速的大小和方向值。

Images