船舶操纵性能测试系统研究与开发
2014-01-28徐宏勋韩开封温小飞
袁 强， 徐宏勋， 韩开封， 温小飞
(1.浙江海洋学院， 浙江 舟山 316000；2. 浙江增洲造船有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江国际职业技术学院， 浙江 舟山 316000)
船舶操纵性能测试系统研究与开发
袁 强1， 徐宏勋2， 韩开封3， 温小飞1
(1.浙江海洋学院， 浙江 舟山 316000；2. 浙江增洲造船有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江国际职业技术学院， 浙江 舟山 316000)
介绍了一种船舶操纵性测试系统的组成、原理和软件实现。操纵性测试仪利用DGPS数据，通过软件实现《GB/T 3471-2011海船系泊及航行实验通则》中规定的动态测试项目。通过实船测试验证了该船舶操纵性测试系统的稳定性、可靠性，其测试数据对船舶设计人员和操纵人员具有一定参考价值。
船舶操纵性 测速试验 DGPS 船舶性能测试
1 引言
船舶是一种在水面或水中可移动的建筑物。它具有技术复杂、投资大和使用周期长的特点，并且与国民经济和国防建设等许多方面有着非常密切的关系。船舶设计是一门多学科高度综合的科学技术，对于民船而言，一般的设计准则是使船舶达到“适用、经济、安全可靠和造型美观”的要求。然而，良好的航行性能是船舶适用性、经济性和安全性的重要保证条件。如何进行船舶航行性能的综合测试和分析是一项非常重要的工作。
船舶的航行性能与船型参数、航速、螺旋桨(主机)转速、螺旋桨参数、舵参数以及航行环境(主要是航行区域风、浪、流情况，在限制航道里也包括水深、航道宽度等)参数有关。因此船舶航行性能综合测试和分析是一个多目标、多变量和多约束条件的复杂问题。综上所述，开发一个专门用于船舶航行性能测试和自动分析的软件具有非常重要的意义[1，2]。
2 操纵性测试主要项目及评价指标
为了考核舰船性能，在实船中快速性和操纵性的测量是极为重要的，而传统的叠标法测量操纵性相当粗略且存在许多不足之处：
(1) 精度不够理想。① 叠标不平行；② 观测视角误差大；③ 进入叠标时有时航速尚未达到稳定。
(2) 受天气、气候等局限，并且水深、海流诸因素影响也较大。
(3) 试验时间长，参试人员多，消耗大。 由于GPS 可以在全球连续地实施导航与定位,同时定位精度高，实时定位速度快，已经广泛装备船舶上用以导航。也同时为舰船性能(快速性、操纵性)的精密测量提供了良好的手段。目前采用的GPS 定位测速及轨迹测量方法已经得到国际上广泛使用和认可。为了提高系统的测试精度，在实际测试过程中采用差分GPS 接收系统(DGPS)[3]。采用差分GPS 接收系统(DGPS)对舰船性能进行测试除了提高测试的精度，而且不受测量视线的限制，解决因夜间能见度不高及雨雪天气等原因造成叠标法无法测量的问题，并且受水深、海流诸因素影响也较小。
2.1 测试项目及要求
根据《GBT 3471-2011海船系泊及航行实验通则》规定，船舶航行性能测试的具体项目包括：测速试验、停船试验、回转性试验、航向稳定性试验、初始回转试验、Z形操纵试验、威廉逊(Willamson)溺水救生试验。
2.2 船舶操纵性评价指标
根据海安会MSC．137(76)决议，操纵性的评价指标分为下列4 种。
(1) 回转能力。回转能力是衡量船舶机动回转性的指标。它通过“回转性试验”测取回转圈数据进行判断。主要数据包括纵距、回转圈直径、战术直径等。这些数据越小，回转性能越好，一般纵距应不超过4.5倍船长，回转圈直径应不超过5倍船长。
(2) 初始回转性能。初始回转性能是衡量直航中船舶的转向能力的指标。它通过试验获得数据进行判断。通常用直航船舶操10°舵角，航向角变化10°时，船舶前进的距离来衡量。该距离越小，初始回转性能越好，一般应不超过2.5倍船长。
(3) 偏转抑制性能和保向性能。偏转抑制性能和保向性能是衡量船舶航向控制能力的指标。它通过Z形试验结果的超越角进行判断。超越角越小，船舶保向能力越好。
(4) 停船性能。停船性能是衡量船舶直线运动惯性的指标。它通过倒车试验和停船试验进行判断。一般在船舶全速航行中，进行全速倒车操作和停车操作，直至船舶速度为0时所前进的距离来衡量。该距离越小，船舶停船性能越好，一般航迹行程不应超过15倍船长。如因船舶排水量大而使该衡准值不切实际时，主管机关可修改该值，但不得超过20倍船长。
3 测试系统组成及测试原理
3.1 测试系统组成
在实船操纵性试验中，应用的设备很多, 有些设备是船上具有的测量设备。常用的设备有：秒表、计程仪、航行指示器、光学仪器、经纬仪、雷达、DGPS 卫星定位测速仪、风向风速仪、陀螺仪等。本测试系统的组成包括：DGPS接收天线、DGPS数据采集盒、便携计算机及测试软件等，如图1所示。
3.2 测试原理及实现
NMEA 0183是美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association )为海用电子设备制定的标准格式。目前已成为GPS导航设备统一的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)标准协议。其数据标准格式为：＄GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>＊××
墨卡托投影，又称等角正切圆柱投影，其原理是假设有一个与在赤道与地球相切的圆柱面，先把球面映射到这个圆柱面，再把这个圆柱面展开成为一个平面。例如：设地球的半径为R，已知地球上一点P的坐标是(θ，φ)，其中θ表示经度，范围是 -π<θ<π，负数表示西经，正数表示东经；φ表示纬度，范围是-π /2<φ<π/2，负数表示南纬，正数表示北纬。将地球球面通过墨卡托投影映射到平面直角坐标系中，以0°经线与赤道的交点的映射点为原点，X轴与纬线平行，并取东方为正方向；Y轴与经线平行，并取北方为正方向。P点在平面直角坐标系中的映射点P'的坐标 (Xp',Yp')，其求解公式为[4]
GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三部分误差：第一部分是对每个用户接收机所公有的误差，例如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流程误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪音、通道延迟、多径效应等。
利用差分GPS定位计算(DGPS)，除第三部分误差无法消除外，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离。差分GPS定位已将维修钟误差和星历误差消除，并将电离层延迟和对流层延迟误差部分消除，定位精度大幅提高。因此，差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求。
3.2.1 平均航速和停船试验
利用DGPS接收仪每1s读取一个DGPS数据，此时每个DGPS数据代表航行船舶所处的坐标即经纬度，根据墨卡托投影原理，通过计算机编程语言把球面坐标转换成平面坐标，然后再计算出相邻两点之间的航速，最后把所有测试时间内的航速取平均值，即为测试航速，测试时间通常为5min。在航速测试时，通常在同一工况下，测量3次往返程航速，再把3次航速进行平均计算，以便消除风力和海流对航速的影响，其计算公式为[5]
式中：VE为平均航速；V1为第一次单程航速；V2为第二次单程(返回)航速；V3为第三次单程航速。 停船试验需要的参考值主要是船舶在惯性力的作用下，直线前进的距离。首先通过计算机编程语言把球面坐标转换成平面坐标，然后再计算出相邻两点之间的距离，最后把所有测试时间内的距离值求和，即为停船试验中船舶航迹行程。
3.2.2 回转性试验、初始回转试验、威廉逊溺水救生试验
回转性试验、初始回转试验和威廉逊(Williamson)溺水救生试验，这三个测试项目中需要分析计算出横距、纵距和回转直径及战术直径等参数值。由于横距Tr和战术直径DT是计算的相应点到直线的距离，其直线方向是船舶开始测试时的航向即直线A。纵距Ad是航向角偏离初始航向角90°时，船舶相对于起始位置的垂直距离，如图2所示。初始回转试验和威廉逊溺水救生试验中的进距和横距与回转性试验中的纵距和横距的定义类似。回转性试验、初始回转试验和威廉逊溺水救生试验中需要计算横距和纵距的对应点在测试过程中都作有标记，因此只要确定直线A的方向，就可以通过点到直线的计算公式计算出横距和纵距。回转性试验测试中需要作标记的点分别是航向角偏离初始航向90°、180°、270°、360°、450°、540°时船舶对应经纬度。依次取三点并通过不共线的三点确定一个圆再计算出回转直径，把所有的回转直径进行平均即测得回转直径值。
3.2.3 航向稳定性试验和Z形操纵试验
航向稳定性试验中的操舵次数和舵角主要是依据现场操舵的次数和舵角进行测试，而横距和航迹的计算方法与回转性试验中横距和停船试验中进程计算方法一致。Z形操纵试验中的超越角主要通过读取船舶罗经相关数据进行计算获得。
测速试验、停船试验、回转性试验、航向稳定性试验、初始回转试验、Z形操纵试验和威廉逊溺水救生试验中船舶航向的轨迹，主要通过计算机读取DGPS数据并利用编程言语自动生成试验中相对应的航迹图。
4 实船测试结果
经过车载及标准长度的多次试验和不断地完善后，为考核本测试系统的稳定性，应用本测试系统对一艘“翔富”5 600m3超低温冷藏远洋运输船在相同海域和相同船舶试验工况下进行船舶操纵性和快速性两次重复测量，其船舶测试航行轨迹结果如图3～图8所示。
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图3～图8中船形图标方位代表实船在测试过程中的起点和终点的航向角，曲线代表实船在测试过程中的航行轨迹。表1～表3数据为相同试验条件和船舶工况下，船舶操纵性和快速性试验数据，通过两组试验数据对比，可以得知本测试系统的稳定性较好。
5 结论
船舶操作性能测量利用DGPS接收机，以提高其测量精度。在相同的实验条件下，利用本系统对同一艘船舶进行试验，通过重复试验数据对比，可知本系统性能稳定性较好，因而，提高对舰船的操纵性能和快速性评价结论的可靠性。舰船操纵性能和快速性的测量会受到风力和海流的影响，采用相反方向多次测量，可以消除风流的影响。
[1] 杨松林，朱仁庆，王志东等．大型中速船舶快速性和操纵性综合优化研究[J]．船舶，2003，5：18-23.
[2] 洪碧光, 贾传荧.大型船舶操纵性能综合评价[J].交通运输工程学报,2002，2(2)：55-58.
[3] 侯镇华．GPS在实船测量中的应用[J]．船舶，2002，3：34～35.
[4] 李长春，蔡伯根，上官伟等．基于Web墨卡托投影的地图算法研究与实现[J]．计算机应用研究，2012，29(12)：4793-4796.
[5] 韩波，刘强．GPS在船舶航速和计程仪改正率测定中的应用[J]．航海技术，2011，5：37-39.
Research and Development of Ship Maneuverability Test System
YUAN Qiang1， XU Hong-xun2， HAN Kai-feng3， WEN Xiao-fei1
(1.Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316000, China; 2.Zhejiang Zengzhou Shipbuilding Co., Ltd.， Zhoushan Zhejiang 316000, China； 3.Zhejiang National Career Technical College, Zhoushan Zhejiang 316000, China)
This paper introduces composition, theory and software implementation of vessel maneuverability testing system. The operational tachymeter uses DGPS date to realize dynamic testing item stipulated in GBT3471-2011 General provisions for programming mooring and sea trials of sea going ships with software. The stability and reliability of vessel maneuverability testing system is verified through shiphoard measuremenst, whose testing data has certain reference values for vessel designer and operator.
Ship maneuverability Speed test DGPS Ships performance test
浙江省自然科学基金项目(LY12E09003)；浙江教育厅项目(Y201121736)；舟山科技计划项目(2013C41011)；浙江省科技厅重大专项(2013C03033)；舟山科技计划项目(2011C22050)。
袁 强(1978-)，男，讲师。
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