风速风向的解算方法研究

摘 要：为了提高船舶航行中风速风向的测量精度，提出一种风速风向测量误差解算方法。首先利用WXT520气象仪测量风速和风向，因为这其中包含了舰船的航速、航向以及舰船船体倾斜所引入风速、风向的测量误差，所以需要对其进行解算，包括对水平风速的补偿和真风速解算。利用倾角传感器测量船体的姿态补偿水平风速，根据风的来向，确定测量的数据是否有效，再进一步对这些有效数据进行三角换算，由相对风速测量值求解出相对风速真值；进而利用航速和航向，根据三角关系，解算出真风速和真风向。

关键词：气象仪；风速解算；姿态补偿

中图分类号：TN06 文献标识码：A

1 引 言

风是海上重要的气象因素之一，风向风速的测量一直是国内外气象仪器研究的热点，无论是气象观测、民航公路、桥梁、新能源、农业航运等行业都具有非常广泛的应用。

观测及理论研究表明，地面边界层中，风随高度变化并不明显。在海洋中的风压流、潮汐流、惯性流和黑潮流等海流，以及船速航线、载重引起的吃水变动、船舶姿态、航向等诸多因素，均会对风速风向的测量精度产生影响，船用风速风向测量传感器检测的是相对的风速风向，需要经过计算得到真风的风速风向。当风速风向传感器的空间位置发生变化时，所测得的风速风向值的变化是很大的，研究传感器的空间倾角变化对风速风向测量值的影响，设计一种基于空间模型的误差补偿算法，并分析测量值与实际值的误差，是提高风速风向仪的测量精度的关键。

2 风速风向的解算模型

气象仪安装在舰船的两舷，而气象仪的正北指向舰艏。同时，因海流的作用，舰船航向与舰艏存在偏角θ，当舰船沿某方向航行时，相对于气象仪会产生与航速航向大小相同，方向相反的风场。若假设以舰艏为参考系，则外界自然风场和运动产生的风场共同作用于气象仪，此处，主要通过建模，以舰艏向为y轴的舰船坐标系下，气象仪解算的混合风场和在以正北向为y轴自然坐标系下，航向航速舰艏向来求解以正北向为y轴自然坐标系下自然风的风速和风向，坐标图如下：

计算技术与自动化2016年6月

第35卷第2期朱倪瑶等：风速风向的解算方法研究

图1 求解自然风的风速和风向坐标图

2.1 真风速真风向解算

气象仪在测风时，测量的风为水平风，即可以理解为以三个探头所确定的投影面上的风场，由于舰船在海上行驶，姿态角会发生改变，存在着平台晃动的问题，使得投影面与水平面之间存在着一定的夹角[1]，需要对其进行解算，针对此问题建立模型如下：

设投影面的两个正交矢量AB，CD（其中方向AB表示气象仪的正西方向，CD 方向表示气象仪的正南方向）

1.当舰船不发生晃动时，若外界存在的风矢量V（x，y），则可以得到V在AB、CD上的投影如式（1）、（2）：

2.当舰船发生晃动时，定义变量α、β，α表示为前倾的角度，考虑到舰船晃动的实际情况，前倾为舰首向与水平面的的夹角，因此，α为直线CD绕x轴转动的角度，其中，前倾时α为正，后倾时α为负。β则表示右倾的角度，考虑到舰船晃动的实际情况，右倾是船体以舰首线为轴转动的角度，因此β为直线AB绕CD转动的角度，其中，右倾为正，左倾为负。

设A、B、C、D四个点的初始位置为（d，0，0），（-d，0，0），（0，d，0），（0，-d，0）如图2所示。

2.2 运动补偿

设舰艏向为θs，航向为θm，航速为Vm，通过气象仪的测量结果在舰船坐标系下，解算出的混合风速为Vw，风向θw，可求得自然坐标系下混合风风向：

3 空间数据测量

3.1 空间测量方法

通过实验，探究气象仪在不同风速条件下气象仪倾角的变化对风速测量的影响，并根据实验结果，给出相应的修正方法，整个实验过程的前提是假定测量装置本身的测量精度满足要求，确保由气象仪所测得数据正确可信[2]。

1.实验设备连接与调试

检查气象仪是否有损坏，然后将气象仪安装在实验台上（取下螺钉盖，将气象仪插入支架中），并对气象仪进行调准，直至气象仪下方的箭头指向风源方向，将气象仪放置于风洞中通过一根长线缆连接到置于风洞外的电脑上接收所测数据，如图3风洞实验现场图所示。

图3 风洞实验现场图

2.验证测试

1）将实验平台放置于风洞内不同位置，测试风洞的均匀性；

2）将测风仪风向指示与风洞内成不同角度，测试测风仪数据波动范围。

3.倾角实验

在进行风洞实验时，可以根据需要对风洞的风速、风向、WXT520气象仪的倾斜角度进行调整，风速设置为5m/s，15m/s，30m/s，风向的角度分别为0°，30°，60°，90°，倾角分为前倾（+）、后倾（-）、右倾（+）、左倾（-）四个方向，角度分别为-20°，-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°，20°，并且对各个实验条件下的数据进行记录[3]。

3.2 实验数据分析

由于工作量比较大、数据繁多，在此，只对几种典型情况的部分数据进行分析。

4 实验结论

通过上述实验数据分析，可以得出以下结论：第一、二组数据表示正面迎风对气象仪所测数据的影响，由前面推导出的解算公式对实验数据进行解算，验证了对纵摇数据的解算可行，第三组数据表示侧面迎风对气象仪所测数据的影响，解算后的数据与真实值相符，验证了解算公式在横摇数据中是可用的，第四组数据表示在纵横摇均存在的情况下，解算后得到的数据与真实值基本相同，验证了该解算公式的可行性[5]。

综上所述，在没有进行风速解算时，测出的风速风向误差较大，当引入了解算公式后，所得结果的精度得到了提高，与真实值的相对误差减小，说明了该模型是可行的。

参考文献

[1] 任晓文.船舶摇摆速度对风向风速测量影响的研究[D].大连：大连海事大学，2014.

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

[3] 韩新春.风帆助力船舶风速风向的检测方法研究[D].大连：大连海事大学，2010.

[4] 王国峰，赵永生，范云生.风速风向测量误差补偿算法的研究[J].仪器仪表学报，2007，22（3）：410-413.

[5] LI L，WU X Q， ZHAO H Y， et al. Study on the system characteristic of a crane walking hydraulic system based on AMESim[C]//Advanced Materials Research.2012，430：1809-1813.