一种船载平台风速测量修正方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体为一种船载平台风速测量修正方法。

背景技术

船载平台使用的蒸发波导监测设备对蒸发波导条件的监测，需要对海上风速、气温、湿度、气压及海表面温度等气象参数进行测量。海上风速的测量容易受到测量平台的影响，其中超声波风速测量模块测量海上风场条件，需要保证测量平面保持水平。

而在舰载平台上，船体倾斜时将使得测量平面发生倾斜，产生测量误差，同时船体的晃动和运动将产生相对风速。现有技术中，通过四阶曲线对倾斜条件下真实风速风向和测量结果之间的关系进行拟合，并通过测量结果和拟合函数计算真实的风向风速，但该方案中的风源为风扇，风速大小并不稳定，同时也不具有普遍性，因此该方法的准确性和适用性仍存在一定问题，另有文献建立了海上风速测量模型，并给出了误差修正的公式，但此方法没有考虑到测风设备的实际情况，忽略了轴方向风速的大小无法测量的条件。另一方面，现有方案中将传感器设备通过螺丝固定在支架上，长时间晃动后容易使连接螺栓发生松动，导致最终的检测精度降低，也提高了拆装或者校准过程的难度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种船载平台风速测量修正方法，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明通过建立不同参照的坐标系，利用所检测到的舰船倾斜参数在不同参照坐标系下的转换和计算，分析得到舰船晃动所产生的相对风速矢量，进而得到对舰船晃动及舰船航速进行补偿后的真实风速，实现所测量风速的修正，基本消除了舰船晃动时倾斜导致的误差，补偿了舰船航速带来的误差，提高了测量风速相对于大地的准确性和精确性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种船载平台风速测量修正方法，包括：

基于大地方向建立大地坐标系，基于舰船重心和水平静止时舰船艏向建立舰船坐标系，基于舰船重心和倾斜时舰船艏向建立相对坐标系；

确定舰船上固定的测风仪在所述舰船坐标系中的位置坐标，并实时获取测量风速，该过程通过超声波风速测量技术来实现；

通过舰船上固定的传感器组件实时获取舰船航速、舰船艏向、横倾角、纵倾角、横摇角速度、纵摇角速度和转向角速度，所述传感器组件的底部设置有安装件，且安装件的底端设置有承接柱，所述承接柱的内部安装有锁定机构，每个所述传感器组件均通过锁定机构将安装件固定在承接柱的上方；

计算所述舰船航向、所述横倾角和所述纵倾角在三个坐标系中的转换矩阵及逆矩阵；

分别计算舰船横摇、纵摇及转向产生的风矢量，并以此计算舰船晃动产生的相对风速矢量；

计算所述舰船晃动产生的相对风速矢量对所述传感器的测量结果造成的晃动误差；

根据所述测量风速、所述晃动误差及所述舰船航速，计算得到修正后的真实风速。

进一步的，所述超声波风速测量技术采用时差法，且传感器的距离固定时，根据顺风与逆风的速度差，推算出风速与风向；所述计算所述舰船艏向、所述横倾角和所述纵倾角在三个坐标系中的转换矩阵及逆矩阵具体包括：

假设舰船航向为θ，横倾角为α，纵倾角为β，横摇角速度为ω

则三个坐标转换矩阵及相应的逆矩阵为：

进一步的，所述分别计算舰船横摇、纵摇及转向产生的风矢量，并以此计算舰船晃动产生的相对风速矢量的具体过程包括：

假设所述传感器检测得到的风速v′

计算舰船横摇产生的风矢量v

其中，

计算舰船纵摇产生的风矢量v

其中，

计算舰船转向产生的风矢量v

其中，

(d

综合舰船横摇、纵摇及转向产生的风矢量，计算得到舰船晃动产生的相对风速矢量

v

计算所述舰船晃动产生的相对风速矢量对所述传感器的测量结果造成的晃动误差v′

v′

其中，

进一步的，所述根据所述测量风速、所述晃动误差及所述舰船航速，计算得到修正后的真实风速的具体过程包括：

利用所述测量风速减去所述晃动误差，即

v

计算所述舰船坐标系下的风矢量v

其中，x

补偿所述舰船航速造成的测量误差，计算得到真实风矢量v

v＝T

进一步的，以正北方向为U轴、以正东方向为V轴建立大地坐标系UVW，以舰船重心为原点、以舰船水平静止时舰船艏向为Y轴建立舰船坐标系XYZ，以舰船重心为原点、以舰船倾斜时舰船艏向为Y′轴建立相对坐标系X′Y′Z′；其中，大地坐标系以W轴为中心旋转，当U轴转向舰船艏向时即为所述舰船坐标系，经横摇和纵摇后得到所述相对坐标系，舰船横摇为以Y′轴为中心旋转角度，纵摇为以X轴为中心旋转的角度。

进一步的，所述大地坐标系至所述相对坐标系的坐标转换矩阵为：

/>

倾斜条件下，若大地坐标系中风矢量为v

假设舰船坐标系中风矢量v

则，舰船坐标系下的风矢量v

x＝(x′-y′sinαsinβ/cosβ)/cosα，y＝y′/cosβ

则，大地坐标系下的风矢量v

v

进一步的，所述传感器固定于舰船甲板上，所述传感器的y轴方向为舰船艏向，x轴方向为舰船右舷90°方向，所述测风仪采用超声波风速测量模块。

进一步的，所述传感器组件的底部安装有托板，所述安装件固定在托板底部，所述承接柱的底端设置有基座，所述安装件包括支撑杆和插接柱，所述插接柱和支撑杆之间设置有凸环，所述凸环的底部贴装有顶部密封垫。

进一步的，所述插接柱的底部设置有螺纹套筒和定位销，所述承接柱的顶部贴装有底部密封垫，所述顶部密封垫的内侧设置有凹槽，所述凹槽的内壁上设置有撑环，所述撑环的表面开设有定位槽。

进一步的，所述锁定机构的外侧安装有手轮，所述手轮与驱动轴连接，所述驱动轴的表面安装有支撑轴承，所述驱动轴的末端安装有主动锥形齿轮，所述承接柱的内部穿插有转动轴，所述转动轴的表面安装有从动锥形齿轮，所述转动轴的顶部设置有螺纹柱。

本发明的有益效果：本发明的一种船载平台风速测量修正方法，包括修正方法本体，所述修正方法本体包括基座、承接柱、锁定机构、安装件、托板、传感器组件、支撑杆、凸环、顶部密封垫、插接柱、螺纹套筒、定位销、底部密封垫、凹槽、撑环、定位槽、螺纹柱、从动锥形齿轮、转动轴、主动锥形齿轮、驱动轴、支撑轴承、调控手轮。

1.该船载平台风速测量修正方法通过建立不同参照的坐标系，利用所检测到的舰船倾斜参数在不同参照坐标系下的转换和计算，分析得到舰船晃动所产生的相对风速矢量，进而得到对舰船晃动及舰船航速进行补偿后的真实风速，实现所测量风速的修正，基本消除了舰船晃动时倾斜导致的误差，补偿了舰船航速带来的误差，提高了测量风速相对于大地的准确性和精确性。

2.该船载平台风速测量修正方法中，利用锁定机构安装在承接柱的内部来实现对每个传感器组件的安装固定，通过该结构取消了外露的螺栓结构，提供了更加稳定可控的连接方式，且拆装以及检修校准过程更加简单高效，能够避免外部海水渗入到连接结构内部，从而延长了使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种船载平台风速测量修正方法的流程示意图；

图2为本发明一种实施例公开的三个坐标系及其关系的示意图；

图3为本发明一种船载平台风速测量修正方法中单向风速测试流程图；

图4为本发明一种船载平台风速测量修正方法安装结构部分的示意图；

图5为本发明一种船载平台风速测量修正方法安装件部分的结构图；

图6为本发明一种船载平台风速测量修正方法中锁定机构部分的示意图；

图中：1、基座；2、承接柱；3、锁定机构；4、安装件；5、托板；6、传感器组件；7、支撑杆；8、凸环；9、顶部密封垫；10、插接柱；11、螺纹套筒；12、定位销；13、底部密封垫；14、凹槽；15、撑环；16、定位槽；17、螺纹柱；18、从动锥形齿轮；19、转动轴；20、主动锥形齿轮；21、驱动轴；22、支撑轴承；23、调控手轮。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1至图6，本发明提供一种技术方案：一种船载平台风速测量修正方法，包括：基于大地方向建立大地坐标系，基于舰船重心和水平静止时舰船艏向建立舰船坐标系，基于舰船重心和倾斜时舰船艏向建立相对坐标系；确定舰船上固定的测风仪在舰船坐标系中的位置坐标，并实时获取测量风速；通过舰船上固定的传感器实时获取舰船航速、舰船艏向、横倾角、纵倾角、横摇角速度、纵摇角速度和转向角速度；计算舰船航向、横倾角和纵倾角在三个坐标系中的转换矩阵及逆矩阵；分别计算舰船横摇、纵摇及转向产生的风矢量，并以此计算舰船晃动产生的相对风速矢量；计算舰船晃动产生的相对风速矢量对传感器的测量结果造成的晃动误差；根据测量风速、晃动误差及舰船航速，计算得到修正后的真实风速。

本实施例，通过采用安装件4与承接柱2相配合的形式对顶部的每个传感器组件6进行安装，具体的，将插接柱10嵌入到底部的承接柱2上方，并将每个定位销12嵌入到定位槽16的内部，此时螺纹套筒11直接搭放在螺纹柱17的顶部，然后通过转动底部的调控手轮23，通过驱动轴21带动主动锥形齿轮20转动，并通过主动锥形齿轮20带动从动锥形齿轮18转动，最终将整个转动轴19进行转动。

通过转动柱将螺纹柱17在螺纹套筒11的内部旋转，由于传感器组件6以及托板5在自身重力作用下下移，即可将螺纹套筒11随着螺纹柱17的转动而下移，并通过该运动状态直至插接柱10整体按压到撑环15的表面并产生较大的压力，通过该压力即可将整个传感器组件6以及托板5进行固定，且利用定位销12和定位槽16避免安装件4发生转动，同时，该压力作用在顶部密封垫9和底部密封垫13上，将内部的凹槽14完全密封处理，避免外部液体渗入到内部，达到延长使用寿命、并简化安装过程的效果。

超声波风速测量技术采用时差法，当传感器的距离固定时，根据顺风与逆风的速度差，推算出风速与风向。单向风速测试流程图如图3所示。超声波发送信号的电压一般可达±300V，但是超声波接收信号的电压只有20mV，并且随着风速的变大，电压会减小，因此在接收信号时，需要进行信号放大。其次在信号传播过程中，会有很多高频与低频的杂波干扰，需要进行信号滤波，提取所需信号，再进行检波，得到超声波的传输时间。

在测量风速时，超声波信号的中心频率会随着风速的变大，而逐渐偏移。当风速达到60m/s时，实际测试发现中心频率偏移15％左右。因此在设计放大滤波电路时，需要放大信号检测的频率范围。

在实际使用时，影响风速的因素有很多，例如温度、湿度、气压等等，其中温度的影响最大，为了保障测量的精度，要进行一定的温度补偿，经过不断的实验与数据对比，得出声速随温度的变化公式。

在该实施例中，通过建立不同参照的坐标系，利用所检测到的舰船倾斜参数在不同参照坐标系下的转换和计算，分析得到舰船晃动所产生的相对风速矢量，进而得到对舰船晃动及舰船航速进行补偿后的真实风速，实现所测量风速的修正，基本消除了舰船晃动时倾斜导致的误差，补偿了舰船航速带来的误差，提高了测量风速相对于大地的准确性和精确性。

如图2所示，在上述实施例中，优选地，以正北方向为U轴、以正东方向为V轴建立大地坐标系UVW，以舰船重心为原点、以舰船水平静止时舰船艏向为Y轴建立舰船坐标系XYZ，以舰船重心为原点、以舰船倾斜时舰船艏向为Y′轴建立相对坐标系X′Y′Z′；

其中，大地坐标系以W轴为中心旋转，当U轴转向舰船艏向时即为舰船坐标系，经横摇和纵摇后得到相对坐标系，舰船横摇角为以Y′轴为中心旋转角度，纵摇角为以X′轴为中心旋转的角度。

本实施例，传感器固定于舰船甲板上，传感器的y轴方向为舰船艏向，x轴方向为舰船右舷90°方向。其中，优选地，测风仪采用超声波风速测量模块。

具体地，若空间直角坐标系中风矢量为(v

若A点和B点存在两个收发一体的超声波传感器，两点间距离为d，外界风速为v

同理，可得从B点到达A点的时间为

简化可得

综合上式可以看出，AB两点可测得风速v

在上述实施例中，优选地，计算舰船艏向、横倾角和纵倾角在三个坐标系中的转换矩阵及逆矩阵具体包括：

假设舰船航向为θ，横倾角为α，纵倾角为β，横摇角速度为ω

则三个坐标转换矩阵及相应的逆矩阵为：

在上述实施例中，优选地，大地坐标系至相对坐标系的坐标转换矩阵为：

倾斜条件下，若大地坐标系中风矢量为v

超声波风速测量模块的测量结果v′

v′

/>

可以看出，由于矩阵A不可逆，无法通过矩阵运算求解得到真实风速。

假设舰船坐标系中风矢量v

则，舰船坐标系下的风矢量v

x＝(x′-y′sinαsinβ/cosβ)/cosα，y＝ y′/cosβ

则，大地坐标系下的风矢量v

v

在上述实施例中，优选地，分别计算舰船横摇、纵摇及转向产生的风矢量，并以此计算舰船晃动产生的相对风速矢量的具体过程包括：

假设传感器检测得到的风速v′

计算舰船横摇产生的风矢量v

其中，

计算舰船纵摇产生的风矢量v

其中，

(d

计算舰船转向产生的风矢量v

其中，

(d

综合舰船横摇、纵摇及转向产生的风矢量，计算得到舰船晃动产生的相对风速矢量

v

在上述实施例中，优选地，计算舰船晃动产生的相对风速矢量对传感器的测量结果造成的晃动误差v′

v′

其中，

在上述实施例中，优选地，根据测量风速、晃动误差及舰船航速，计算得到修正后的真实风速的具体过程包括：

利用测量风速减去晃动误差，即

v

计算舰船坐标系下的风矢量v

其中，x

补偿舰船航速造成的测量误差，计算得到真实风矢量v

v＝T-

根据上述实施例提供的船载平台风速测量修正方法，为了进一步验证修正方法的正确性，通过风洞实验对该风速测量修正方法进行验证。

本实施例，实验中，通过Vaisala公司的WXT520实现风速的测量，其参数如下表1所示，传感器固定在倾角可变的支架上，传感器的倾斜角度可在支架的刻度上读取。

表1 WXT520基本参数

支架放置在风动中可旋转的平台上，可通过平台的旋转，实现风向的变化。设置风洞中风速为10m/s，不同条件下的测量结果为100组，实验中平均测量误差和修正后的结果如下表2所示。

表2风速测量误差及修正结果

可以看出，在倾角较小时，传感器的测量误差相对较小，而随着倾角的增大，测量误差将逐渐增大，最大可为0.703m/s。而修正后的风速测量精度明显改善，当倾角较小时，修正后的误差没有明显变化，而当倾角较大时，误差则明显减小，修正后的最大误差为0.248m/s，小于传感器小于传感器的测量精度0.3m/s，这说明当测量平台发生倾斜时，该风速测量修正方法可实现风速误差的修正。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。