RU2561229C1 - Buoy for determination of characteristics of sea wind waves - Google Patents
Buoy for determination of characteristics of sea wind waves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2561229C1 RU2561229C1 RU2014115543/28A RU2014115543A RU2561229C1 RU 2561229 C1 RU2561229 C1 RU 2561229C1 RU 2014115543/28 A RU2014115543/28 A RU 2014115543/28A RU 2014115543 A RU2014115543 A RU 2014115543A RU 2561229 C1 RU2561229 C1 RU 2561229C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- buoy
- casing
- component
- wave
- tabs
- Prior art date
Links
Landscapes
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн, а также может быть использовано для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях.The invention relates to the field of hydrometeorology and can be used to determine the characteristics of sea wind waves, and can also be used to measure hydrometeorological parameters by means of registration placed on buoys.
Известные устройства для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях (авторское свидетельство SU №1280321, 30.12.1986; авторское свидетельство SU №1280320, 30.12.1986; авторское свидетельство SU №1712784, 15.02.1992; патент JP №60107490, 12.06.19S5 [1-4]), состоят из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания.Known devices for measuring hydrometeorological parameters by means of registration placed on buoys (copyright certificate SU No. 1280321, 12/30/1986; copyright certificate SU No. 1280320, 12/30/1986; copyright certificate SU No. 1712784, 02/15/1992; JP patent No. 60107490, 12.06 .19S5 [1-4]), consist of a hull, a mast with a device for transmitting information via radio and satellite communication channels, a wind parameter meter, an atmospheric pressure meter, an air temperature sensor, a water temperature sensor, a beacon, a radar corner reflector, a module I control with an optional GPS unit, an information memory unit, a central module with a controller, a wave height and orientation meter, a speed and direction sensor, salinity, electrical conductivity, turbidity, oxygen content, pH ions, an oxidation / reduction process controller, power source.
Общим недостатком известных устройств определения характеристик морских ветровых волн [1-4] является невысокая конструктивная надежность как самого буя, так и средств измерения и источника питания, что существенно повышает трудоемкость использования данных средств на длительном временном интервале морских исследовании.A common disadvantage of the known devices for determining the characteristics of sea wind waves [1-4] is the low structural reliability of both the buoy itself and the measuring instruments and power source, which significantly increases the complexity of using these tools for a long time interval of marine research.
Известно также устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях (патент RU №2328757, 10.07.2008) [5], которое состоит из корпуса цилиндрической формы, мачты с устройством передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором в отличие от известных аналогов [1-4] корпус буя выполнен из армированной пластмассы, а нижняя часть выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, верхняя часть корпуса выполнена из пенопласта в виде расширяющегося к верху конуса под углом 30 градусов, в центре которого герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри нее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала.There is also known a device for measuring hydrometeorological parameters by means of registration placed on buoys (patent RU No. 2238757, July 10, 2008) [5], which consists of a cylindrical body, a mast with a device for transmitting information via radio and satellite communication channels, and a parameter meter wind, atmospheric pressure measuring instrument with a barport including a separation chamber, a desiccant, a flexible connecting pipe, a lockable channel, an air collector, a ball valve located inside the air intake pipe, sensors and air temperature, a water temperature sensor, a beacon, a radar angle reflector, a control module with an optional GPS unit, an information memory unit, a central module with a controller, a wave height and orientation meter, a speed and direction sensor, salinity, electrical conductivity, turbidity sensors , oxygen content, pH ion content, oxidation / reduction process controller, power source, in which, unlike the known analogues [1-4], the buoy’s body is made of reinforced plastic, and the lower part is made in the form of a metal base equipped with a stabilizing device, the upper part of the body is made of foam in the form of a cone expanding to the top at an angle of 30 degrees, in the center of which a tube is sealed through the foam housing, in the upper part of which is on the crosshead a water temperature sensor is installed, a second air temperature sensor is installed on the mast in a protective shield made of a hydrophobic heat-insulating material with a reflective coating and equipped with m lateral ventilation openings and the ball valve baroporta atmospheric pressure sensor is made of spheroplastic, air intake tube inlet is oriented downward and inside of the ball valve is a narrow channel, the upper surface of the valve abutment molded field similar diameter lockable channel.
Конструктивные отличия устройства [5] от его аналогов позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности измерения гидрометеорологических параметров.The design differences of the device [5] from its analogues allow to achieve a technical result, which consists in increasing the reliability of measuring hydrometeorological parameters.
Однако при длительных временных исследованиях на морских акваториях, особенно в условиях арктических морей, конструкция корпуса буя, включающая наряду с металлическими элементами и элементы, выполненные из пластмассы, подвержена деформации, что существенно сокращает срок эксплуатации устройства. Появление деформации вносит дополнительные погрешности при решении задачи определения параметров волнения, обусловленные наличием неравномерного перемещения буя как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что также негативно сказывается на обеспечении нормального функционирования спутникового канала связи.However, during long-term temporary studies in marine waters, especially in the conditions of the Arctic seas, the construction of the buoy’s hull, which includes plastic elements along with metal elements, is subject to deformation, which significantly reduces the life of the device. The appearance of deformation introduces additional errors in solving the problem of determining the wave parameters due to the presence of uneven movement of the buoy both in the vertical and horizontal planes, which also negatively affects the normal functioning of the satellite communication channel.
Также существенным недостатком устройства [5] является его невысокая автономность, обусловленная сроком эксплуатации источника питания.Also a significant disadvantage of the device [5] is its low autonomy, due to the life of the power source.
Аналогичными недостатками обладают и известные устройства (патент RU №2328757 С2, 10.07.2008; патент RU №2254600 С1, 20.06.2005, патент US №4220044 А1, 02.09.1980 [6-8]). При создании океанографических приборов широкое распространение получило комплексирование различных измерительных средств, это привело к тому, что создаваемые автономные буи стали предназначаться не только для измерения волнения, но и получения информации о температуре воды и воздуха, скорости и направлении течений, а также других физических величин.Similar disadvantages have known devices (patent RU No. 2238757 C2, 07/10/2008; patent RU No. 2254600 C1, 06/20/2005, US patent No. 42,20044 A1, 09/02/1980 [6-8]). When creating oceanographic instruments, the integration of various measuring instruments became widespread, which led to the fact that the autonomous buoys being created began to be intended not only for measuring waves, but also for obtaining information about the temperature of water and air, the speed and direction of currents, as well as other physical quantities.
Форма проектируемых буев должна учитывать требования, предъявляемые к бую со стороны средств измерения этих величин. Поэтому некоторые фирмы выпускают буи, имеющие не только цилиндрическую, но и иную форму.The shape of the designed buoys should take into account the requirements for the buoy from the means of measuring these values. Therefore, some companies produce buoys that have not only a cylindrical, but also a different shape.
За рубежом для измерения морского волнения используются различные радиобуи с неакустическими датчиками. Основными их производителями являются США и Канада. В Канаде для измерения волнения разработана серия компактных, сбрасываемых с летательных аппаратов или с надводных кораблей, дрейфующих радиобуев генерации CMOD (Compact Meteorogical and Oceanographic Drifter).Abroad, various beacons with non-acoustic sensors are used to measure sea waves. Their main producers are the USA and Canada. In Canada, a series of compact, discharged from aircraft or surface ships, drifting CMOD (Compact Meteorogical and Oceanographic Drifter) generation beacons has been developed in Canada for measuring waves.
Так «CMOD Waves» - одноразовый дрейфующий буй - предназначен для измерения и расчета характеристик поверхностного волнения и передачи данных через интегрированную систему МАТ 609 Argos РТТ и спутниковую систему NOAA Tiros. Дополнительно к стандартным датчикам генерации CMOD в буе используются акселерометры, датчики угла наклона и компасное устройство для определения направления волнового фронта.So “CMOD Waves” - a one-time drifting buoy - is designed to measure and calculate the characteristics of surface waves and transmit data through the integrated MAT 609 Argos PTT system and the NOAA Tiros satellite system. In addition to the standard CMOD generation sensors, the buoy uses accelerometers, tilt sensors and a compass device to determine the direction of the wavefront.
Известно также устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях, - устройство для измерения параметров волнения (патент RU №2432589 27.10.2011 [9]), сущность которого заключается в том, что в устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях [5], которое состоит из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором нижняя часть корпуса выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, в центре корпуса герметично установлена трубка, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри нее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала, внесены следующие дополнения: корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части корпуса размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части - посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством.There is also known a device for measuring hydrometeorological parameters by means of registration placed on buoys, a device for measuring wave parameters (patent RU No. 2432589 10.27.2011 [9]), the essence of which is that in a device for measuring hydrometeorological parameters by means of registration placed on buoys [5], which consists of a hull, a mast with a device for transmitting information via radio and satellite communication channels, a wind parameter meter, atmospheric pressure meter with baroport m, including a separation chamber, a desiccant, a flexible connecting pipe, a lockable channel, an air collector, a ball valve located inside an air intake pipe, an air temperature sensor, a water temperature sensor, a beacon, a radar angle reflector, a control module with an optional GPS unit, an information memory unit, a central module with a controller, a wave height meter and a buoy orientation, a speed and direction sensor, salinity, electrical conductivity, turbidity sensors, content oxygen, the content of pH ions, a controller of oxidation / reduction processes, a power source in which the lower part of the housing is made in the form of a metal base equipped with a stabilizing device, a tube is sealed in the center of the housing, in the upper part of which a water temperature sensor is installed on the traverse, the second the air temperature sensor is mounted on the mast in a protective shield made of a hydrophobic heat-insulating material with a reflective coating and provided with side ventilation holes holes, and the ball valve of the baroport of the atmospheric pressure sensor is made of spherical plastic, the air intake tube is oriented downward and a narrow channel is located inside the valve above it, the upper surface of the valve fit is molded along the sphere of the same diameter of the lockable channel, the following additions are made: the body is made of all-metal, cigar-shaped forms, in the lower part of the housing is a retractable anchor device, a stabilizing device is installed on the upper part of the housing and but in the form of wings, articulated to the housing in the upper part by hinges, and at the bottom - by means of rubber shock absorbers in the upper housing portion also has elements of the parachute system, the power supply generator is provided, articulated to the stabilizing device.
Выполнение стабилизирующего устройства в виде крыльев и резиновых амортизаторов в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивает погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Выполнение корпуса устройства цельнометаллическим позволяет использовать его многократно и исключить негативное воздействие как морской воды, так и внешних условий. Выполнение корпуса сигарообразной формы позволяет обеспечить равномерные колебания устройства при нахождении в морской среде. Размещение в нижней части корпуса якорного устройства способствует удержанию буя в вертикальном положении и уменьшению влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений. Исключение негативного воздействия на устройство морской воды и внешних гидрометеорологических условий, а также обеспечения равномерных колебаний его при нахождении в морской среде обеспечивает повышение точности измерения гидрометеорологических параметров. Кроме того, амортизаторы, соединяющие крылья стабилизирующего устройства с нижней частью корпуса, выполнены таким образом, что при совершении поступательного движения запускают генератор источника питания и обеспечивают подзарядку аккумуляторных батарей источника питания, увеличивая тем самым срок его эксплуатации.The implementation of the stabilizing device in the form of wings and rubber shock absorbers in combination with a cigar-shaped body provides the repayment of unwanted hydrometeorological effects. The implementation of the all-metal housing allows you to use it repeatedly and eliminate the negative effects of both sea water and external conditions. The execution of the cigar-shaped body allows for uniform oscillations of the device when in the marine environment. The placement of the anchor device in the lower part of the housing helps to keep the buoy in a vertical position and reduces the influence of wind drift and drift from wave currents. The elimination of the negative impact on the device of sea water and external hydrometeorological conditions, as well as ensuring uniform fluctuations when it is in the marine environment, improves the accuracy of measuring hydrometeorological parameters. In addition, the shock absorbers connecting the wings of the stabilizing device with the lower part of the body are made in such a way that when the translational movement is made, the power source generator is started and the batteries of the power source are recharged, thereby increasing its useful life.
Однако при работе буя на малых глубинах при вертикальной качке необходимо обеспечить демпфирование вертикальной качки в области резонанса.However, when operating the buoy at shallow depths with vertical rolling, it is necessary to ensure damping of the vertical rolling in the resonance region.
Внедрение спутниковой (навигационной) технологии, комплектация волномерных буев спутниковыми навигационными приемниками значительно сокращает время определения координат буя и позволяет с высокой точностью определять его элементы движения.The introduction of satellite (navigation) technology, the equipment of wave-measuring buoys with satellite navigation receivers significantly reduces the time of determining the coordinates of the buoy and allows you to determine its motion elements with high accuracy.
Следует иметь в виду, что понятие «спутниковые навигационные технологии» означает методы и приемы (алгоритмы) использования результатов измерений радионавигационных параметров (РНП) сигналов спутниковых навигационных систем (СНС), полученных с точностью как обычных, так и специальных спутниковых навигационных приемников (СНП) для решения различных прикладных задач. В зависимости от требуемой точности навигационного обеспечения их можно разделить на три группы:It should be borne in mind that the concept of "satellite navigation technology" means the methods and techniques (algorithms) for using the results of measurements of radio navigation parameters (RNP) of signals from satellite navigation systems (SNA), obtained with the accuracy of both conventional and special satellite navigation receivers (SPS) to solve various applied problems. Depending on the required accuracy of navigation support, they can be divided into three groups:
- задачи, обеспечиваемые штатным навигационным режимом СНС;- tasks provided by the regular navigation mode of the SNA;
- задачи, обеспечиваемые дифференциальным режимом СНС;- tasks provided by the differential mode of the SNA;
- задачи, требующие относительного позиционирования.- tasks requiring relative positioning.
Штатный навигационный режим предполагает использование измерительной информации только от СНС. Из кодовых измерений (псевдодальностей) обычно формируют опенки координат объекта с автоматическим исключением систематической ошибки измерений (расхождение системной шкалы времени и шкалы СНП). Данная ошибка является проявлением специфики бззапросного метода спутниковой навигации (псевдодальномерный метод) и исключается оцениванием ее в расширенном векторе координат. Одним из простейших алгоритмов решения задачи абсолютного позиционирования является способ наименьших квадратов (Волосов П.С., Дубинко Ю.С. и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. - Л.: Судостроение, 1983. - 272 с.). Решение навигационной задачи при этом реализует декомпозицию полного вектора состояния (координаты и скорости) на координатный и скоростной подвекторы и полного вектора измерений (псевдодальности и псевдоскорости) также на два подвектора: кодовый и фазовый.Regular navigation mode involves the use of measurement information only from the SNA. From code measurements (pseudo-ranges), usually form the coordinates of the object with the automatic exclusion of the systematic measurement error (discrepancy between the system time scale and the SOR scale). This error is a manifestation of the specifics of the non-query satellite navigation method (pseudo-rangefinder method) and is excluded by evaluating it in the extended coordinate vector. One of the simplest algorithms for solving the absolute positioning problem is the least squares method (Volosov PS, Dubinko Yu.S. et al. Shipborne satellite navigation systems. - L .: Sudostroenie, 1983. - 272 p.). The solution of the navigation problem at the same time implements the decomposition of the full state vector (coordinate and speed) into coordinate and speed subvectors and the full measurement vector (pseudorange and pseudo-speed) also into two subvectors: code and phase.
Следовательно, из псевдодоплеровских измерений получают оценки проекций вектора скорости. Систематической ошибкой здесь выступает скорость изменения расхождения шкал времени, вызванная главным образом нестабильностью опорного генератора спутникового навигационного приемника (СНП).Consequently, estimates of the projections of the velocity vector are obtained from pseudo-Doppler measurements. The systematic error here is the rate of change of the divergence of time scales, caused mainly by the instability of the reference generator of the satellite navigation receiver (SPS).
Дифференциальный режим в СНП предполагает формирование в наземной контрольно-корректирующей станции (ККС), координаты которой геодезически с высокой точностью привязаны к местности, поправок к измеренным значениям дальностей, вызванных ошибками прогноза эфемеридной информации (ЭИ), задержками в тропосфере и ионосфере (для одночастотного СНП), передачу их потребителям, находящимся в зоне функционирования ККС в радиусе до нескольких десятков-сотен километров, и учет этих поправок в СНП при решении навигационной задачи.The differential mode in the SPS involves the formation in the ground control and correction station (CCS), the coordinates of which are geodesically accurately linked to the terrain, corrections to the measured values of ranges caused by errors in predicting ephemeris information (EI), delays in the troposphere and ionosphere (for single-frequency SPS ), transferring them to consumers located in the area of the KKS operation within a radius of several tens to hundreds of kilometers, and taking these amendments into account in the SPS when solving the navigation problem.
Тем не менее, оба этих режима ни функционально, ни по уровню точности непригодны для решения определения параметров движения волномерного буя с требуемой точностью, а также для решения задач определения наклонов морской поверхности.However, both of these modes are neither functionally nor in terms of accuracy suitable for solving the determination of the parameters of the movement of a wave-like buoy with the required accuracy, as well as for solving problems of determining the inclination of the sea surface.
Задача, заключающаяся в создании устройства, конструктивные особенности которого позволят повысить точность измеряемых гидрометеорологических параметров, решена в известном техническом решении (патент RU №2490679 С1, 20.08.2013 [10]).The task of creating a device, the design features of which will improve the accuracy of the measured hydrometeorological parameters, is solved in the well-known technical solution (patent RU No. 2490679 C1, 08/20/2013 [10]).
Известное техническое решение [10] реализуется посредством буя для определения характеристик морских ветровых волн, состоящего из корпуса, устройства передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, модуля управления с опционным блоком GPS, источника питания, корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части которого размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части корпуса - посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством, в отличие от прототипа корпус в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклонном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя.The well-known technical solution [10] is implemented by means of a buoy for determining the characteristics of sea wind waves, consisting of a body, a device for transmitting information via radio and satellite communication channels, a control module with an optional GPS unit, a power source, the body is made of an all-metal, cigar-shaped, in the lower parts of which a retractable anchor device is placed, the stabilizing device is installed on the upper part of the body and is made in the form of wings articulated with the body in the upper part ditch, and in the lower part of the casing - by means of rubber shock absorbers, in the upper part of the casing there are also elements of a parachute system, the power supply is equipped with a generator articulated with a stabilizing device, unlike the prototype the casing in its underwater part is equipped with a damping device consisting of a nozzle equipped with an even number of petals fixed to the buoy body using flat springs, with the odd petals fixed upward and the even petals fixed downward, an optional GP unit S contains a four-channel receiver of satellite signals with the possibility of simultaneous measurement of delta-range from up to four artificial Earth satellites, while the receiver of the satellite communication channel contains a navigation filter for simulating the movement of the buoy.
Новые отличительные признаки известного технического решения, заключающиеся в том, что корпус буя в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклонном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр, для моделирования движения буя, позволяют при работе буя на малых глубинах при вертикальной качке обеспечить демпфирование вертикальной качки в области резонанса, повысить точности измерения при решении задач определения параметров движения буя и наклонов морской поверхности.New distinctive features of the known technical solution, namely, that the buoy body in its underwater part is equipped with a damping device consisting of a nozzle equipped with an even number of petals secured to the buoy body using flat springs, the odd petals being fixed with an upward inclination, and the even the petals are fixed downward inclined; the optional GPS unit contains a four-channel receiver of satellite signals with the possibility of simultaneous measurement of deltap-range ranges of up to four artificial Earth satellites, while the satellite communication channel receiver contains a navigation filter, to simulate the movement of the buoy, when operating the buoy at shallow depths with vertical pitching, the damping of the pitching in the resonance region can be improved, measurement accuracy can be improved when solving problems of determining the motion parameters of the buoy and the incline of the sea surface .
Однако основными недостатками известного буя для определения характеристик морских ветровых волн [10] являются погрешности измерения, обусловленные периодичностью движения ИСЗ в районе проводимых исследований, и погрешности, обусловленные невозможностью разделить составляющие ускорения, вызванные с одной стороны проекциями силы тяжести на три координатные оси, а с другой стороны - составляющими ускорения движения буя в горизонтальной плоскости.However, the main drawbacks of the known buoy for determining the characteristics of sea wind waves [10] are measurement errors due to the periodicity of the satellite in the area of research, and errors due to the inability to separate the acceleration components caused on the one hand by the projections of gravity into three coordinate axes, and with on the other hand, components of acceleration of buoy movement in the horizontal plane.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности и достоверности измерения параметров волнения посредством буя для определения характеристик морских ветровых волн.The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy and reliability of the measurement of wave parameters through a buoy to determine the characteristics of sea wind waves.
Поставленная задача решается за счет того, что буй для определения характеристик морских ветровых волн состоит из корпуса, устройства передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, модуля управления с опционным блоком GPS, источника питания, корпус выполнен цельнометаллическим, в нижней части корпуса размещено выдвижное якорное устройство, а также стабилизирующее устройство буя, выполненное в виде крыльев, сочлененных с корпусом посредством шарниров и резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством, корпус буя в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя. При этом буй для определения характеристик морских ветровых волн выполнен с площадью сечения по ватерлинии в соотношении 2:1 относительно вертикального габарита, буй для определения характеристик морских ветровых волн дополнительно содержит цифровой трехкомпонентный акселерометр, размещенный в одном корпусе с трехкомпонентным магнитометром.The problem is solved due to the fact that the buoy for determining the characteristics of sea wind waves consists of a body, a device for transmitting information via radio and satellite communication channels, a control module with an optional GPS unit, a power source, the body is made all-metal, a retractable is located in the lower part of the body the anchor device, as well as the stabilizing device of the buoy, made in the form of wings, articulated with the hull by means of hinges and rubber shock absorbers, in the upper part of the hull there are parachute elements of the cradle system, the power source is equipped with a generator articulated with a stabilizing device, the buoy body in its underwater part is equipped with a damping device consisting of a nozzle equipped with an even number of petals secured to the buoy body using flat springs, with the odd petals secured upwardly, and even lobes are fixed with a downward inclination, the optional GPS unit contains a four-channel receiver of satellite signals with the possibility of simultaneous measurement of deltap-range ranges of up to four governmental satellites, wherein the satellite communication channel the receiver comprising a navigation filter for modeling the motion of the buoy. At the same time, the buoy for determining the characteristics of sea wind waves is made with a cross-sectional area along the waterline in a ratio of 2: 1 relative to the vertical dimension, the buoy for determining the characteristics of sea wind waves additionally contains a digital three-component accelerometer located in one housing with a three-component magnetometer.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема буя для определения характеристик морских ветровых волн, которая включает модуль управления 1 с опционным блоком GPS, источник питания 2, корпус 3 буя, выдвижное якорное устройство 4, стабилизирующее устройство 5, выполненное в виде крыльев, шарниры 6, резиновые амортизаторы 7, узел крепления парашютной системы 8, электрохимический размыкатель 9, таймер 10, предназначенный для запуска источника питания 2, микродвигатель 11 с редуктором 12, антенна 13 спутникового канала связи системы GPS, демпфирующее устройство 14, цифровой трехкомпонентный акселерометр 15, размещенный в одном корпусе 16 с трехкомпонентным магнитометром 17.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawing, which shows a block diagram of a buoy for determining the characteristics of sea wind waves, which includes a control module 1 with an optional GPS unit, power supply 2, buoy body 3, retractable anchor device 4, stabilizing device 5, made in in the form of wings, hinges 6, rubber shock absorbers 7, mount unit for the parachute system 8, electrochemical breaker 9, timer 10, designed to start the power supply 2, micromotor 11 with gearbox 12, antenna 13 s GPS satellite communication channel, damping device 14, digital three-component accelerometer 15, located in one housing 16 with a three-component magnetometer 17.
Демпфирующее устройство 14, как и в прототипе [10], состоит из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз.The damping device 14, as in the prototype [10], consists of a nozzle equipped with an even number of petals secured to the buoy body using flat springs, the odd petals secured upwardly, and the even petals secured downwardly.
Буй для определения характеристик морских ветровых волн устанавливается на морскую поверхность с летательного аппарата, также как и в прототипе, что позволяет сократить время на установку множества таких устройств при выполнении широкоформатных исследований, например при длительных исследованиях процессов на границе среды атмосфера-океан или при проведении изыскательских работ при сооружении морских гидротехнических объектов, включая морские терминалы газонефтяных месторождений. Для установки с летательного аппарата устройство снабжено узлом крепления парашютной системы, посредством которой осуществляется спуск буя на морскую поверхность. Антенна 13 спутникового канала связи системы GPS выполнена с линейной поляризацией в виде несимметричного полуволнового штыревого вибратора, обеспечивающего наилучшие энергетические характеристики излучения в области малых углов, с учетом ограничений по массогабаритным характеристикам и условиям эксплуатации буя.A buoy for determining the characteristics of sea wind waves is installed on the sea surface from an aircraft, as well as in the prototype, which allows to reduce the time to install many of these devices when performing large-scale studies, for example, during lengthy studies of processes at the atmosphere-ocean interface or during survey work in the construction of offshore hydraulic facilities, including offshore terminals of gas and oil fields. For installation from an aircraft, the device is equipped with a mount unit for the parachute system, through which the buoy is launched to the sea surface. The antenna 13 of the satellite communication channel of the GPS system is linearly polarized in the form of an asymmetric half-wave pin vibrator, which provides the best energy characteristics of radiation in the region of small angles, taking into account restrictions on the weight and size characteristics and operating conditions of the buoy.
Для обеспечения требуемой вероятности безошибочного приема информационного сообщения с буя через транслятор (космический аппарат) на наземный приемный пункт, составляющей не менее 0,99 в условиях интерференционных замираний передаваемого сигнала, предусмотрено формирование пакетных сообщений, содержащих блок корректирующего кода и синхроблок, состоящий из синхропреамбулы для космического аппарата (транслятора) и синхропреамбулы для наземного пункта приема, обеспечивающий определение факта приема пакета, тактовую синхронизацию и оценку текущей достоверности побитного приема. Кроме того, применена кратная передача пакетных сообщений с длительностью, не превышающей средней длительности благоприятных для приема временных интервалов, с независимым приемом, мажоритарным сложением пакетов и восстановлением передаваемого сообщения буем на наземном пункте.To ensure the required probability of error-free reception of an information message from a buoy through a translator (spacecraft) to a ground-based receiving station of at least 0.99 in the conditions of interference fading of a transmitted signal, it is possible to generate packet messages containing a correction code block and a sync block consisting of a sync reamble for a spacecraft (translator) and synchro-preamble for a ground-based reception point, which determines the fact of receiving a packet, clock synchronization and sc GCC current bit-reception reliability. In addition, multiple transmission of packet messages with a duration not exceeding the average duration of time intervals favorable for reception was applied, with independent reception, majority addition of packets and restoration of the transmitted message by a buoy at a ground station.
Для контроля заливаемости морской волной антенны 13 и затенении космического аппарата при малых углах места и больших выемах воли в модуле управления 1 предусмотрено устройство контроля, включающее датчик тока в цепи оконечного каскада усилителя мощности передатчика буя с амплитудным модулятором на два режима работы: режим «большой мощности», используемый при передаче сообщения, и режим «малой мощности», используемый при ожидании благоприятных для передачи условий. Стабилизирующее устройство, выполненное в виде крыльев 5, сочлененных с нижней частью корпуса при помощи резиновых амортизаторов 7, в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивают погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Кроме того, во время гидрометеорологических воздействий на буй резиновые амортизаторы 7 сокращаются и растягиваются, совершая поступательное движение. Совершая поступательное движение, амортизаторы запускают генератор источника питания 2, что обеспечивает подзарядку аккумуляторных батарей источника питания 2. Якорное устройство 4 предназначено для удержания буя в вертикальном положении и уменьшения влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений. Выполнение корпуса 3 устройства цельнометаллическим позволяет использовать его многократно и исключить как негативное воздействие морской воды, так и влияние внешних условий, которые в морских условиях непостоянны.To control the flooding of the antenna 13 by the sea wave and the shading of the spacecraft at small elevation angles and large notches, a control device 1 is provided that includes a current sensor in the circuit of the terminal stage of the power amplifier of the buoy transmitter with an amplitude modulator for two operating modes: high power mode "Used when transmitting a message, and the mode of" low power "used when waiting for favorable conditions for transmission. The stabilizing device, made in the form of wings 5, articulated with the lower part of the body using rubber shock absorbers 7, in combination with a cigar-shaped body provides the repayment of unwanted hydrometeorological effects. In addition, during hydrometeorological impacts on the buoy, the rubber shock absorbers 7 contract and stretch, making a translational motion. Making translational motion, the shock absorbers start the generator of the power source 2, which provides recharging the batteries of the power source 2. Anchor device 4 is designed to hold the buoy in an upright position and reduce the influence of wind drift and drift from wave currents. The execution of the housing 3 of the device all-metal allows you to use it repeatedly and exclude both the negative impact of sea water and the influence of external conditions, which are unstable in marine conditions.
Программное обеспечение измерения параметров волнения позволяет реализовать определение параметров волнения (высота, период, частота, длина, скорость) с выделением низкочастотной части для описания крупномасштабных колебаний морской поверхности, используемой в дальнейшем при анализе квазизеркального отражения радиоволн методом Кирхгофа и высокочастотной части для описания мелкомасштабных колебаний морской поверхности (ветровая рябь), используемой в дальнейшем при анализе диффузного рассеяния радиоволн методом возмущений. Для демпфирования вертикальной качки в области резонанса корпус 3 снабжен демпфирующим устройством 14. Демпфирующее устройство 14, как и в прототипе ([10], рис. 2), состоит из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу 3 буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз. The software for measuring wave parameters makes it possible to determine wave parameters (height, period, frequency, length, speed) with the allocation of the low-frequency part for describing large-scale oscillations of the sea surface, which is further used in the analysis of quasi-mirror reflection of radio waves by the Kirchhoff method and the high-frequency part for describing small-scale oscillations of the surface (wind ripple), which will be used later in the analysis of diffuse scattering of radio waves by the perturbation method. To dampen the pitching in the resonance region, the housing 3 is equipped with a damping device 14. The damping device 14, as in the prototype ([10], Fig. 2), consists of a nozzle equipped with an even number of petals fixed to the housing 3 of the buoy using flat springs moreover, the odd petals are fixed with an inclination up, and the even petals are fixed with an inclination down.
Демпфирующее устройство 14 представляет собой насадку, устанавливаемую в подводной части буя на корпусе 3. Демпфирующим элементом являются лепестки, закрепленные к корпусу 3 буя посредством плоских пружин. Демпфирующее устройство 14 имеет четное число лепестков, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные - с наклоном вниз.The damping device 14 is a nozzle mounted in the underwater part of the buoy on the housing 3. The damping element is the petals attached to the housing 3 of the buoy by means of flat springs. The damping device 14 has an even number of petals, with the odd petals secured upwardly, and the even ones downwardly secured.
При вертикальной качке буя лепестки будут раскрывайся, в результате чего увеличится сила демпфирования. Отличительной особенностью демпфирующею устройства 14 является то, что величина силы сопротивления, при вертикальных колебаниях буя, будет зависеть от частоты этих колебаний.With a vertical roll of the buoy, the petals will open, as a result of which the damping force will increase. A distinctive feature of the damping device 14 is that the magnitude of the resistance force, with vertical vibrations of the buoy, will depend on the frequency of these vibrations.
Цифровой трехкомпонентный акселерометр 15 представляет собой цифровой акселерометр типа APXL 345 (интерфейс 12 и SPI, пределы измерения ±2 g, ±4 g, ±8 g, ±16 g, частота выборки 0,1-3200 Гц). Цифровой трехкомпонентный акселерометр 15 не требует внешних компонентов, в то время как акселерометры с аналоговым выходом обычно подключаются к АЦП через ФНЧ (фильтр низкой частоты), а также требуется расчет параметров фильтра, расчет погрешности, вносимой элементами фильтра.The digital three-component accelerometer 15 is an APXL 345 type digital accelerometer (interface 12 and SPI, measurement limits ± 2 g, ± 4 g, ± 8 g, ± 16 g, sampling frequency 0.1-3200 Hz). The digital three-component accelerometer 15 does not require external components, while accelerometers with an analog output are usually connected to the ADC through a low-pass filter (low-pass filter), and filter parameters must be calculated, and the error introduced by the filter elements must be calculated.
Опционный блок GPS 1 содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя.The optional GPS unit 1 contains a four-channel receiver of satellite signals with the possibility of simultaneous measurement of delta-range from up to four artificial Earth satellites, while the receiver of the satellite communication channel contains a navigation filter for modeling the movement of the buoy.
Определение текущей скорости буя по сигналам СНС осуществляется, как и в прототипе.The determination of the current speed of the buoy on the signals of the SNA is carried out, as in the prototype.
При невозможности использования спутникового канала для определения параметров морских ветровых волн средняя высота и период волнения измеряются по амплитуде вертикальной качки поверхностного буя. Вертикальная составляющая качки буя измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра 15, объединенного в одном общем корпусе 16 с трехкомпонентным магнитометром 17. Линейные перемещения буя по вертикали получают путем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения. При обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами буя по двум горизонтальным осям X и Y.If it is impossible to use a satellite channel to determine the parameters of sea wind waves, the average height and wave period are measured by the amplitude of the vertical roll of a surface buoy. The vertical component of the buoy roll is measured using a digital three-component accelerometer 15, combined in a single common housing 16 with a three-component magnetometer 17. Linear vertical displacements of the buoy are obtained by double integration of the vertical acceleration component over time. When processing data, the contribution of the projection of gravity onto the vertical axis due to the inclination of the buoy along the two horizontal axes X and Y is excluded.
При этом наклоны буя по осям X и Y измеряют независимо от акселерометра 15 путем обработки данных магнитометра 17. Независимые измерения углов наклона буя позволяют исключить погрешности измерения высоты волн, обусловленные горизонтальной составляющей качки буя.At the same time, the buoy tilts along the X and Y axes are measured independently of the accelerometer 15 by processing the magnetometer 17 data. Independent measurements of the buoy tilt angles allow to exclude errors in the measurement of wave height due to the horizontal component of the buoy roll.
В известных конструкциях буев для определения волнения используют однокомпонентный аналоговый акселерометр, стабилизированный по вертикали с помощью маятникового подвеса в кардане с успокоителем колебаний масляным демпфером. Маятник с относительно малым периодом собственных колебаний по отношению к периоду волнения обеспечивает вертикальность датчика ускорения при наклонах буя, что необходимо для правильного измерения вертикальной составляющей ускорения. В реальности буй колеблется не строго вертикально, а имеет периодические горизонтальные смещения за счет скольжения по наклонному фронту волны. За счет горизонтальной составляющей колебаний буя появляются горизонтальные ускорения, которые отклоняют маятниковый подвес по вертикали и вследствие этого вызывают пропорциональную погрешность измерения вертикальной составляющей ускорения. Данный вид погрешности измерения высоты волны является принципиально неустранимым, если опираться только на измерения трех проекций ускорения, регистрируемых акселерометром. Погрешности обусловлены невозможностью разделить составляющие ускорения, вызванные с одной стороны проекциями силы тяжести на три координатные оси, а с другой - составляющими ускорения движения датчика.In known buoy designs, a one-component analog accelerometer, stabilized vertically by means of a pendulum suspension in a cardan with a vibration damper with an oil damper, is used to determine the waves. A pendulum with a relatively short period of natural oscillations with respect to the wave period ensures the verticality of the acceleration sensor when the buoy is inclined, which is necessary for the correct measurement of the vertical component of acceleration. In reality, the buoy does not oscillate strictly vertically, but has periodic horizontal displacements due to sliding along the inclined wave front. Due to the horizontal component of the buoy oscillations, horizontal accelerations appear that deflect the pendulum suspension vertically and, as a result, cause a proportional error in the measurement of the vertical component of acceleration. This type of error in measuring the wave height is fundamentally unrecoverable if we rely only on measurements of three projections of acceleration recorded by the accelerometer. Errors are due to the inability to separate the components of the acceleration caused on the one hand by the projections of gravity into three coordinate axes, and on the other, the components of the acceleration of the sensor.
Для корректного решения задачи требуется дополнительно привлечь данные независимого датчика углов наклона. В необходимых случаях для точных измерений используются гироскопы или магнитометры, опирающиеся на стабильное угловое направление вектора магнитной напряженности Земли.For the correct solution of the problem, it is required to additionally involve the data of an independent tilt angle sensor. In necessary cases, gyroscopes or magnetometers based on the stable angular direction of the Earth's magnetic tension vector are used for accurate measurements.
Предполагается, что независимо от наличия или отсутствия горизонтальной составляющей качки буя вертикальная амплитуда колебаний с достаточной точностью отслеживает высоту поверхности воды. Буй, выполненный в виде конструкции с большой площадью сечения по ватерлинии относительно своих габаритов, сохраняет положение ватерлинии как на гребнях, так и на впадинах волн с погрешностью порядка 10 см, что и характеризует возможные погрешности измерения высоты волны.It is assumed that regardless of the presence or absence of the horizontal component of the buoy rolling, the vertical amplitude of the oscillations accurately tracks the height of the water surface. The buoy, made in the form of a structure with a large cross-sectional area along the waterline relative to its dimensions, maintains the position of the waterline both on the crests and on the troughs of the waves with an error of the order of 10 cm, which characterizes the possible errors in measuring the wave height.
Задачей обработки данных волнения является построение по точкам волнограммы в течение интервала наблюдений с последующим вычислением средней высоты и периода волнения. Согласно нормативам статистики для обработки данных по волнению достаточно иметь ряд наблюдений из 30 волн с средним периодом 6 с, что составляет интервал осреднения 180 с. Достаточная дискретность отсчетов волнограммы составляет 0,5 с, что соответствует измерению периодов волн от 2 до 12 с. Каждый отсчет должен представлять осредненное значение в интервале 0,5 с с целью фильтрации высокочастотных составляющих. Ряд наблюдений из 360 отсчетов должен быть центрированным, т.е. из него должна быть исключена постоянная составляющая. В обработку принимается только вертикальная составляющая ускорения, из которой исключены проекции силы тяжести, обусловленные наклонами буя.The task of processing the wave data is to build wave points from the points during the observation interval, followed by calculating the average height and wave period. According to statistical standards, to process data on waves, it is enough to have a series of observations of 30 waves with an average period of 6 s, which is an averaging interval of 180 s. Sufficient discreteness of the waveogram samples is 0.5 s, which corresponds to measuring wave periods from 2 to 12 s. Each sample should represent an average value in the range of 0.5 s in order to filter high-frequency components. A series of observations from 360 samples should be centered, i.e. a constant component should be excluded from it. Only the vertical component of the acceleration is accepted for processing, from which the projections of gravity due to the buoy's inclinations are excluded.
Вначале измеряются и обрабатываются данные магнитометра 17 для измерения углов наклона оси Z от вертикали в каждой точке волнограммы с периодом 0,5 с в интервале 180 с (всего 360 отсчетов).First, the data of the magnetometer 17 are measured and processed to measure the angles of inclination of the Z axis from the vertical at each point of the waveform with a period of 0.5 s in the interval of 180 s (360 counts in total).
Для этого регистрируются все три компоненты магнитного поля Mx, My, Mz с частотой 100 Гц, осредняются по 50 отсчетов и записываются в буферную память. В каждой точке волнограммы с номером от 1 до 360 вычисляется мгновенный угол отклонения вектора магнитного поля от оси Z датчика по формуле:For this, all three components of the magnetic field M x , M y , M z with a frequency of 100 Hz are recorded, 50 samples are averaged and written to the buffer memory. At each point of the waveogram with a number from 1 to 360, the instantaneous angle of deviation of the magnetic field vector from the Z axis of the sensor is calculated by the formula:
, ,
где Mx, My, Mz - усредненные по 50 измерениям значения проекций магнитного поля на оси X, Y, Z в условных единицах. Цена делений по осям должна быть приведена к единому масштабу предварительной градуировкой (путем определения масштабных коэффициентов mx, my, mz).where M x , M y , M z are the values of the magnetic field projections averaged over 50 measurements on the X, Y, Z axis in arbitrary units. The price of divisions along the axes should be reduced to a single scale by preliminary calibration (by determining the scale factors m x , m y , m z ).
Полученная величина αz еще недостаточна для расчета угла отклонения оси Z от вертикали, поскольку вектор магнитного поля M наклонен к горизонтали на некоторый угол β, зависящий от координат географической точки и называемый магнитным наклонением (в отличие от магнитного склонения - угла между географическим и магнитным меридианом). Магнитное наклонение рассчитывается как среднее значение угла αz всего ряда наблюдений из 360 точек, исходя из предположения, что колебания буя происходят симметрично относительно вертикали. В штилевую погоду без волнения магнитное наклонение равняется углу αz.The obtained value of α z is still insufficient to calculate the angle of deviation of the Z axis from the vertical, since the magnetic field vector M is inclined to the horizontal by some angle β, depending on the coordinates of the geographic point and called magnetic inclination (in contrast to magnetic declination, the angle between the geographic and magnetic meridian ) The magnetic inclination is calculated as the average value of the angle α z of the entire series of observations from 360 points, based on the assumption that the buoy oscillations occur symmetrically relative to the vertical. In calm weather without disturbance, the magnetic inclination is equal to the angle α z .
В каждой точке волнограммы с 1 по 360 вычисляется отклонение оси Z датчика от вертикали по формуле:At each point of the waveform from 1 to 360, the deviation of the Z axis of the sensor from the vertical is calculated by the formula:
γ=αz-β, гдеγ = α z -β, where
γ - угол отклонения оси Z от вертикали, в радианах;γ is the angle of deviation of the Z axis from the vertical, in radians;
αz - мгновенный угол оси Z относительно вектора магнитного поля;α z is the instantaneous angle of the Z axis relative to the magnetic field vector;
β - магнитное наклонение.β is the magnetic inclination.
Регистрируются три компоненты ускорения по осям X, Y, Z в каждой точке волнограммы с 1 по 360 с частотой 100 Гц, осредненные по 50 отсчетов, записываются в буферную память в условных единицах. Затем отсчеты ускорения пересчитываются в физическую величину м/с2 путем умножения на градуированные коэффициенты ax, ay, az, определяемые при первичной калибровке датчика. Это необходимо для того, чтобы при последующих вычислениях получить высоту волны в метрах. Полученные три ряда наблюдений центрируют, вычисляя среднее значение из 360 отсчетов и вычитая из каждого отсчета полученное среднее значение. По оси Z среднее значение ускорения должно быть близко к 9,8 м/с2, а по горизонтальным компонентам X и Y - близко к нулю. Если это условие выполняется, значит буй не имеет постоянной составляющей угла наклона. Если не выполняется, то последующей обработкой с использованием данных магнитометра погрешность от угла наклона будет устранена. Данные магнитометра 17, измеряющего углы наклона буя от вертикали, необходимы и в том случае, если колебания по углу происходят симметрично относительно вертикали. Если представить, что под действием ветра или других причин буй колеблется только по углу наклона, не испытывая вертикальных перемещений центра тяжести, то результат измерения высоты волн должен быть нулевым. Однако проекция силы тяжести на ось Z будет иметь значительную амплитуду и при учете углов наклона, что даст ложную амплитуду вертикальной качки. Для избежания ошибки такого рода следует учитывать все три проекции на оси X, Y, Z, которые при векторном сложении дадут величину ускорения, в точности равную 9,81 м/с2, что и укажет на отсутствие волнения.Three acceleration components are recorded along the X, Y, Z axes at each point of the waveform from 1 to 360 with a frequency of 100 Hz, averaged over 50 samples, are recorded in buffer memory in arbitrary units. Then the acceleration readings are converted into a physical quantity m / s 2 by multiplying by the graduated coefficients a x , a y , a z determined during the initial calibration of the sensor. This is necessary in order to obtain the wave height in meters in subsequent calculations. The obtained three series of observations are centered, calculating the average value from 360 samples and subtracting the obtained average value from each sample. On the Z axis, the average acceleration should be close to 9.8 m / s 2 , and on the horizontal components X and Y - close to zero. If this condition is met, then the buoy does not have a constant component of the angle of inclination. If not performed, then subsequent processing using magnetometer data, the error from the angle of inclination will be eliminated. The data of the magnetometer 17, measuring the angles of inclination of the buoy from the vertical, are necessary if oscillations in the angle occur symmetrically with respect to the vertical. If we imagine that under the influence of wind or other reasons, the buoy oscillates only in the angle of inclination, without experiencing vertical movements of the center of gravity, then the result of measuring the height of the waves should be zero. However, the projection of gravity on the Z axis will have a significant amplitude when taking into account the tilt angles, which will give a false amplitude of the vertical roll. To avoid this kind of error, all three projections on the X, Y, Z axis should be taken into account, which with vector addition will give an acceleration value of exactly 9.81 m / s 2 , which indicates the absence of excitement.
Для вычисления только вертикальной составляющей качки буя достаточно три зарегистрированные проекции ускорения bx, by, bz спроектировать на вертикаль. Для этого необходимо использовать угол наклона γ оси Z к вертикали, измеренный магнитометром 17. Вычисления выполняются для каждой точки волнограммы по формуле:To calculate only the vertical component of the buoy roll, it is enough to project the registered acceleration projections b x , b y , b z onto the vertical. For this, it is necessary to use the angle of inclination γ of the Z axis to the vertical, measured by a magnetometer 17. Calculations are performed for each point of the waveogram according to the formula:
B=bz*cosγ+bX*cos(γ+90°)+bY cos(γ+90°), гдеB = b z * cosγ + b X * cos (γ + 90 °) + b Y cos (γ + 90 °), where
B - вертикальная компонента ускорения буя в м/с2;B is the vertical component of the acceleration of the buoy in m / s 2 ;
bx, by, bz - компоненты ускорений, измеренные акселерометром в каждой точке волнограммы, м/с2;b x , b y , b z — acceleration components measured by the accelerometer at each point of the waveform, m / s 2 ;
γ - угол отклонения оси Z датчика от вертикали в каждой точке волнограммы.γ is the angle of deviation of the Z axis of the sensor from the vertical at each point of the waveform.
В итоге вычислений получится центрированный ряд из 360 точек вертикальных ускорений буя, используемый далее для вычисления высоты и периода волны.As a result of the calculations, we obtain a centered series of 360 points of vertical accelerations of the buoy, which is used later to calculate the height and period of the wave.
Далее выполняют интегрирования ускорения.Next, integrate acceleration.
Первое интегрирование ряда наблюдений по времени дает мгновенную скорость вертикального движения буя в каждой точке волнограммы. Приращение скорости вычисляются по известной из физики формуле:The first integration of a series of observations over time gives the instantaneous speed of the vertical movement of the buoy at each point of the waveform. The increment of speed is calculated by the formula known from physics:
ΔV=g*Δt, гдеΔV = g * Δt, where
ΔV - приращение скорости в м/с,ΔV is the increment of speed in m / s,
g - ускорение в м/с2,g - acceleration in m / s 2 ,
Δt - интервал дискретизации в с.Δt is the sampling interval in s.
Интегрирование выполняют по шагам от первой точки волнограммы до 360, последовательно прибавляя приращение скорости с учетом знака от точки к точке согласно формулам:Integration is performed in steps from the first point of the waveform to 360, sequentially adding a speed increment taking into account the sign from point to point according to the formulas:
V1=B1∗ΔtV 1 = B 1 ∗ Δt
V2=(B1+B2)*ΔtV 2 = (B 1 + B 2 ) * Δt
V3=(B1+B2+B3)*ΔtV 3 = (B 1 + B 2 + B 3 ) * Δt
Vn=(B1+B2+B3+Bn)*Δt, гдеV n = (B 1 + B 2 + B 3 + B n ) * Δt, where
V1…Vn - скорость буя в точках волнограммы с 1 до 360 в м/с;V 1 ... V n - buoy speed at the points of the waveform from 1 to 360 in m / s;
B1…Bn - вертикальные ускорения буя в точках волнограммы;B 1 ... B n - vertical acceleration of the buoy at the points of the waveform;
Δt=0,5 с - дискретность квантования в с.Δt = 0.5 s is the quantization resolution in s.
Коррекцию нулевой точки датчика ускорений делать не требуется, поскольку исходный ряд был центрирован.Correction of the zero point of the acceleration sensor is not required, since the original row was centered.
Полученный новый ряд мгновенных скоростей буя из 360 отсчетов подвергают второму интегрированию, в результате которого получают искомую волнограмму высоты волн непосредственно в метрах. Вычисления выполняют по аналогичной формуле:The resulting new series of instantaneous buoy velocities from 360 samples is subjected to second integration, as a result of which the desired waveform of wave height is obtained directly in meters. The calculations are performed according to a similar formula:
H1=V1∗ΔtH 1 = V 1 ∗ Δt
H2=(V1+V2)*ΔtH 2 = (V 1 + V 2 ) * Δt
H3=(V1+V2+V3)*ΔtH 3 = (V 1 + V 2 + V 3 ) * Δt
Hn=(V1+V2+V3+Vn)*Δt, гдеH n = (V 1 + V 2 + V 3 + V n ) * Δt, where
H - вертикальное смещение буя в м;H is the vertical displacement of the buoy in m;
V1, V2…Vn - скорость буя в точках волнограммы от 1 до 360;V 1 , V 2 ... V n - buoy speed at the points of the waveform from 1 to 360;
Δt=0,5 с - дискретность квантования.Δt = 0.5 s is the quantization resolution.
Вычисляют среднюю высоту волны от подошвы до вершины, предполагая, что колебания буя происходят по синусоидальному закону. Фактически вычисляется площадь волнограммы, деленная на время наблюдений и умножения на коэффициент формы. Коэффициент формы может корректироваться по результатам натурных испытаний датчика волнения. Вычисление выполняют по формуле:The average wave height from the bottom to the top is calculated, assuming that the buoy oscillates in a sinusoidal manner. In fact, the area of the waveogram is calculated, divided by the time of observation and multiplication by the shape factor. The shape factor can be adjusted according to the results of field tests of the wave sensor. The calculation is performed according to the formula:
, где where
Нср - высота волны в м;H cf - wave height in m;
H1, Н2…Н360 - смещение буя от среднего положения по абсолютной величине (без знака) в м;H 1 , N 2 ... N 360 - the displacement of the buoy from its average position in absolute value (unsigned) in m;
K=1,41 - коэффициент формы для синусоиды.K = 1.41 - shape factor for a sinusoid.
Средний период волнения определяют по формуле по соотношению амплитуд высоты волны и ускорений, исходя из предположения синусоидальной формы волны. Вычисление выполняют по формуле:The average wave period is determined by the formula by the ratio of the amplitudes of the wave height and accelerations, based on the assumption of a sinusoidal wave form. The calculation is performed according to the formula:
, где where
Т - средний период волны, с;T is the average period of the wave, s;
Вср - средняя амплитуда ускорения, м/с2;In cf is the average acceleration amplitude, m / s 2 ;
Нср - средняя высота волны, м.N cf - average wave height, m
Следует отметить, что вычисленный по этой формуле средний период волнения - величина достаточно условная, но она соответствует периоду синусоиды с максимальной амплитудой, полученной спектральным анализом Фурье - разложения. Ранее при обработке волнограмм средний период волнения определяли по числу пересечений волнограммы с нулевым уровнем моря. При малых амплитудах волн между цугами относительно больших волн количество пересечений нулевого уровня резко возрастает и трудно поддается подсчету. Условность такого подхода к измерению периода волнения еще более формальна и не отражает энергетической стороны процесса. Строгого определения среднего периода волнения не существует.It should be noted that the average period of excitement calculated using this formula is rather arbitrary, but it corresponds to the period of a sinusoid with the maximum amplitude obtained by Fourier spectral analysis - decomposition. Previously, when processing waveograms, the average wave period was determined by the number of intersections of the waveogram with zero sea level. At small wave amplitudes between trains of relatively large waves, the number of zero-level intersections increases sharply and is difficult to calculate. The conventionality of this approach to measuring the period of excitement is even more formal and does not reflect the energetic side of the process. There is no strict definition of the average period of unrest.
Реальные параметры волнения определяют исходя из следующих уравнений.The real parameters of the waves are determined based on the following equations.
Если буй совершает синусоидальные колебания на волне, то уравнения движения запишутся следующим образом:If the buoy makes sinusoidal oscillations on the wave, then the equations of motion are written as follows:
Н=Н0*sinωtH = H 0 * sinωt
V=ωН0*sinωtV = ωН 0 * sinωt
g=ω2*H0*sinωt, гдеg = ω 2 * H 0 * sinωt, where
; ;
H0 - половина высоты волны в м;H 0 is half the wave height in m;
V - мгновенная скорость буя в м/с;V is the instantaneous speed of the buoy in m / s;
g - мгновенное ускорение в м/с2;g is the instantaneous acceleration in m / s 2 ;
ω - угловая частота волнения, 1/с;ω is the angular frequency of the waves, 1 / s;
T - период волны, с;T is the wave period, s;
t - текущее время в с.t - current time in sec.
Из этих формул выводится выражение для периода волнения в зависимости от соотношения амплитуды волны и амплитуды ускорения (или их средних значений):From these formulas, the expression for the wave period is derived depending on the ratio of the wave amplitude and acceleration amplitude (or their average values):
. .
Если подставить в эти формулы реальную высоту волны 5 м, период колебаний 10 с, то получим амплитуду ускорения буя:If we substitute in these formulas the real wave height of 5 m, the oscillation period of 10 s, then we obtain the acceleration amplitude of the buoy:
, где where
, ,
H0=1/2*5 м;H 0 = 1/2 * 5 m;
g=0,985 м/с2, т.е. около 0,1 м/с2, а соотношение g/H0 составит 0,1/2,5=0,392.g = 0.985 m / s 2 , i.e. about 0.1 m / s 2 , and the ratio g / H 0 will be 0.1 / 2.5 = 0.392.
Средняя высота и период волнения в предлагаемом техническом решении измеряются по амплитуде вертикальной качки заякоренного поверхностного буя. Вертикальная составляющая качки заякоренного поверхностного буя измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра 15, объединенного в одном общем корпусе 16 с трехкомпонентным магнитометром 17. Линейные перемещения буя по вертикали получают путем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения. При обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами буя по двум горизонтальным осям X и Y.The average height and the period of excitement in the proposed technical solution are measured by the amplitude of the vertical roll of the anchored surface buoy. The vertical rolling component of the anchored surface buoy is measured using a digital three-component accelerometer 15, combined in one common housing 16 with a three-component magnetometer 17. The linear displacement of the buoy vertically is obtained by double integration of the vertical acceleration component over time. When processing data, the contribution of the projection of gravity onto the vertical axis due to the inclination of the buoy along the two horizontal axes X and Y is excluded.
При этом наклоны буя по осям X и Y измеряют независимо от акселерометра 15 путем обработки данных магнитометра 17. Независимые измерения углов наклона буя позволяют исключить погрешности измерения высоты волн, обусловленные горизонтальной составляющей качки буя.At the same time, the buoy tilts along the X and Y axes are measured independently of the accelerometer 15 by processing the magnetometer 17 data. Independent measurements of the buoy tilt angles allow to exclude errors in the measurement of wave height due to the horizontal component of the buoy roll.
А при одновременном определении характеристик ветровых волн, посредством использования акселерометра и магнитометра и спутникового канала, среднеквадратическая погрешность приращения дальности доплеровским методом которого не зависит от длительности интервала интегрирования и от разбиения этого интервала на части, то обеспечивается повышение надежности и достоверности при определении характеристик ветровых волн. Последнее обстоятельство позволяет при непрерывных измерениях дельтапсевдодальностей до четырех спутников, исключив систематическую погрешность эталона частоты приемного устройства буя, построить траекторию его движения независимо от его динамики.And while determining the characteristics of wind waves through the use of an accelerometer and a magnetometer and a satellite channel, the root-mean-square error of the range increment by the Doppler method which does not depend on the duration of the integration interval and on dividing this interval into parts, provides increased reliability and reliability in determining the characteristics of wind waves. The latter circumstance allows for continuous measurements of delta-range-to-four satellites, eliminating the systematic error of the frequency standard of the buoy receiving device, to build the trajectory of its movement, regardless of its dynamics.
Другие параметры волнения (фазовая скорость с, длина волны L, групповая скорость cg, крутизна волны (H0/L0)max) вычисляются на основании известных формульных зависимостей в зависимости от глубины моря в районе проведения измерений (мелкая вода, промежуточная, глубокая вода), а также такие характеристики, как энергия волны (E=e/8hL, где e - вес 1 м морской воды в кг; h - высота волны в м; L - длина волны в м), высота вскатывания волны (формула Н.И. Джунковского: hв=3,2 khtga, где h - высота волны в м; k - коэффициент шероховатости откоса, k=1 для гладких откосов, k=0,9 для мощенных и одерновых откосов, k=0,77 для каменной наброски и сплошных зарослей на откосе; α - угол наклона откоса к горизонту); сила удара волны (
Промышленная реализация заявляемого технического решения может быть осуществлена путем применения серийно выпускаемых измерительных датчиков, узлов и элементов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».Industrial implementation of the claimed technical solution can be carried out by using commercially available measuring sensors, components and elements, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the patentability condition “industrial applicability”.
Таким образом, новые отличительные признаки заявленного изобретения обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении точности и достоверности измерения параметров волнения посредством буя для определения характеристик морских ветровых волн.Thus, the new distinguishing features of the claimed invention ensure the achievement of the technical result, which consists in increasing the accuracy and reliability of the measurement of wave parameters by means of a buoy for determining the characteristics of sea wind waves.
Источники информацииInformation sources
1. Авторское свидетельство SU №1280321, 30.12.1986.1. Copyright certificate SU No. 1280321, 12/30/1986.
2. Авторское свидетельство SU №1280320, 30.12.1986.2. Copyright certificate SU No. 1280320, 12.30.1986.
3. Патент SU №1712784, 15.02.1992.3. Patent SU No. 1712784, 02.15.1992.
4. Патент JP №60107490, 12.06.1985.4. JP patent No. 60107490, 06/12/1985.
5. Патент RU №2328757, 10.07.2008.5. Patent RU No. 23228757, 07/10/2008.
6. Патент RU №2328757 С2, 10.07.2008.6. Patent RU No. 2238757 C2, 07/10/2008.
7. Патент RU №2254600 С1, 20.06.2005.7. Patent RU No. 2254600 C1, 06/20/2005.
8. Патент US №4220044 А1, 02.09.1980.8. US patent No. 422,044 A1, 02.09.1980.
9. Патент RU №2432589, 27.10.2011.9. Patent RU No. 2432589, 10.27.2011.
10. Патент RU №2490679 С1, 20.08.2013.10. Patent RU No. 2490679 C1, 08/20/2013.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014115543/28A RU2561229C1 (en) | 2014-04-17 | 2014-04-17 | Buoy for determination of characteristics of sea wind waves |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014115543/28A RU2561229C1 (en) | 2014-04-17 | 2014-04-17 | Buoy for determination of characteristics of sea wind waves |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2561229C1 true RU2561229C1 (en) | 2015-08-27 |
Family
ID=54015532
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014115543/28A RU2561229C1 (en) | 2014-04-17 | 2014-04-17 | Buoy for determination of characteristics of sea wind waves |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2561229C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631965C1 (en) * | 2016-09-19 | 2017-09-29 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Pitch-roll buoy with inertial measuring unit based on micromechanical sensors |
RU177210U1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-02-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Compact buoy for measuring the statistical characteristics of short surface waves on the sea surface |
RU188357U1 (en) * | 2018-01-31 | 2019-04-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Drifting waveographic complex for measuring the parameters of short wind waves on the sea surface |
RU202129U1 (en) * | 2020-10-30 | 2021-02-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» | NAVIGATION BUOY |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1216649A1 (en) * | 1983-10-26 | 1986-03-07 | Государственный Океанографический Институт | Device for measuring parameters of agitated water surface |
RU2328757C2 (en) * | 2006-09-04 | 2008-07-10 | Рудольф Александрович Балакин | Device for determining characteristics of sea wind-driven waves |
RU2432589C1 (en) * | 2010-01-28 | 2011-10-27 | Сергей Борисович Курсин | Device for determining characteristics of sea wind waves |
RU2490679C1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-08-20 | Николай Николаевич Жильцов | Buoy for determining characteristics of sea waves |
-
2014
- 2014-04-17 RU RU2014115543/28A patent/RU2561229C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1216649A1 (en) * | 1983-10-26 | 1986-03-07 | Государственный Океанографический Институт | Device for measuring parameters of agitated water surface |
RU2328757C2 (en) * | 2006-09-04 | 2008-07-10 | Рудольф Александрович Балакин | Device for determining characteristics of sea wind-driven waves |
RU2432589C1 (en) * | 2010-01-28 | 2011-10-27 | Сергей Борисович Курсин | Device for determining characteristics of sea wind waves |
RU2490679C1 (en) * | 2011-12-30 | 2013-08-20 | Николай Николаевич Жильцов | Buoy for determining characteristics of sea waves |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631965C1 (en) * | 2016-09-19 | 2017-09-29 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Pitch-roll buoy with inertial measuring unit based on micromechanical sensors |
RU177210U1 (en) * | 2016-12-28 | 2018-02-13 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Compact buoy for measuring the statistical characteristics of short surface waves on the sea surface |
RU188357U1 (en) * | 2018-01-31 | 2019-04-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный гидрометеорологический университет" | Drifting waveographic complex for measuring the parameters of short wind waves on the sea surface |
RU202129U1 (en) * | 2020-10-30 | 2021-02-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» | NAVIGATION BUOY |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8004930B2 (en) | Methods and systems for determining coordinates of an underwater seismic component in a reference frame | |
Pugh | Tides, surges and mean sea-level (reprinted with corrections) | |
CN103261920B (en) | For gathering the automatic control submarine navigation device of geophysical data | |
US20140300888A1 (en) | Motion-stabilised lidar and method for wind speed measurement | |
CN109029460B (en) | Air navigation aid, system and device of the deep-sea vehicle to monitor surface platform ranging | |
CN102288170B (en) | Correction method of electronic compass in underwater vehicle | |
RU2561229C1 (en) | Buoy for determination of characteristics of sea wind waves | |
CN105253255A (en) | GNSS (Global Navigation Satellite System) sea surface geodetic height surveying buoy | |
CN101162147A (en) | Marine fiber optic gyroscope attitude heading reference system mooring extractive alignment method under the large heading errors | |
CN105527642B (en) | A kind of single star positioner and method | |
JP4672605B2 (en) | Sea state measurement method by super buoy | |
CN106767922B (en) | On-orbit absolute calibration system and calibration method for satellite-borne altimeter of marine satellite | |
RU2490679C1 (en) | Buoy for determining characteristics of sea waves | |
Work | Nearshore directional wave measurements by surface-following buoy and acoustic Doppler current profiler | |
CN111409774B (en) | GNSS buoy for measuring sea surface height | |
André et al. | Measuring sea level with GPS-equipped buoys: A multi-instruments experiment at Aix Island | |
CN103901496A (en) | Gravity measuring method based on fiber-optic gyroscope SINS and Big Dipper | |
Kjelldorff et al. | Water current measurements using oceanographic bottom lander LoTUS | |
RU2572046C1 (en) | Marine self-contained bottom station for seismic survey and seismological monitoring | |
JP2005241441A (en) | Mobile on-water wind observation system | |
Zhang et al. | Experimental study on underwater moving gravity measurement by using strapdown gravimeter based on AUV platform | |
Koneshov et al. | An approach to refined mapping of the anomalous gravity field in the Earth’s polar caps | |
CN204329960U (en) | Based on the inclination angle dynamic measurement device of weight | |
Moore et al. | Real-time river level monitoring using GPS heighting | |
CN202928582U (en) | Posture monitoring and positioning device for floating drilling platform |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160705 |