某船航行状态螺旋式测风传感器风速误差分析

2015-03-19姬延军海军驻青岛造船厂军事代表室山东省海洋环境监测技术重点实验室山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东青岛26600

机械管理开发 2015年2期

姬延军，王平（.海军驻青岛造船厂军事代表室；2.山东省海洋环境监测技术重点实验室；3.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛 26600）

引言

风速风向测量对船舶航行、系泊、防台、救援等有重要的作用，其提供的风速信息更是船舶安全航行的主要参数之一。某船上装有两台螺旋桨式测风传感器，但是由于安装位置的局限性，易被其他设备遮挡，从而影响其测量精度。为了解误差情况，特在船上空间开阔处安装一超声波传感器，默认为无干扰影响，作为此次试验的基准传感器。本文对航行状态下风速测量的误差进行了分析［1－3］。

1 仪器安装情况

螺旋桨式测风传感器分别安装于舰船两侧桅杆上。在艏05甲板的开阔区域焊接一基座，基座上安装一根长约9m的支撑杆，支撑杆周围由钢索牵引固定，超声波测风传感器安装于该支撑杆上（如图1所示）。

2 数据质量控制

螺旋桨式测风传感器启动风速为1.0m／s，剔除基准传感器风速在1.6m／s以下的样本，保留样本量19.4万条。

船舶在正常航行过程中，测风传感器测得的相对风多是正面来风，而船尾来风较少。航行样本按风向角度划分的分布图呈两头多中间少的态势（如图2所示）。

图1 测风传感器布置情况示意图

图2 航行样本按角度分布

3 数据分析

按照风速等级划分，得到2～9级风速相对误差曲线图，列举部分（如下页图3、4、5所示）。

由图3、图4、图5得知，图中某一个角度上同时为0时，表示该角度上样本数量为零，没有意义；而只有气象仪输出值一项为零时，表示样本数量不为零，此时风速相对误差为零，是由于数据有效位为小数点后两位，取舍时恰好为零，例如解算得相对误差为0.001 45时，取舍时为零。

图3 航行阶段2级风速相对误差

图4 航行阶段5级风速相对误差

图5 航行阶段9级风速相对误差

左舷风速在［0°，45°］角度区间、［315°，355°］角度区间相对误差低于20%，说明这两个区间基本不受遮挡影响，此时测量误差是由于螺旋桨式传感器和超声传感器的机械误差和安装高度差引起的［4］。在［50°，160°］角度区间，风速相对误差急剧增大，从图1测风传感器安装位置示意图可以看出，在这一角度区间，左舷风传感器先是受中间导航雷达的影响，后受中间球形雷达的遮挡。在［165°，195°］角度区间，主要是倒车或转向时采集的数据。在［200°，310°］角度区间，左舷风传感器风速相对误差先是不大，后来变大到0.4～0.5，然后又减少，从图1测风传感器安装位置示意图可以看出，左舷风传感器外侧的灯和天线对这一区间的中间区域的风速有影响。2级风速以下，在［60°，180°］区间受影响较大，超过40%以上；随着风速的增大，误差曲线呈双峰的形态，在以100°为中心的区间主要受球形雷达和导航雷达1的干扰，在以280°为中心的区域主要是受航行灯和天线的影响。

右舷风速在［0°，30°］角度区间、［300°，355°］角度区间相对误差在20%左右，这说明两个区间不存在挡风情况，测量误差是由于螺旋桨式传感器和超声传感器的机械误差和安装高度差引起的。在［35°，165°］角度区间，右舷风速相对误差先是逐渐加大，后维持在高位，然后有所减少，从图1测风传感器安装位置示意图可以看出，右舷风传感器先会受外侧的灯和未知名设备1对这一区间影响，然后受后面的导航雷达影响。在［200°，295°］角度区间，右舷风速先是急剧加大，后维持在高位，然后减少，从图1测风传感器安装位置示意图可以看出，在这一角度区间，左舷风传感器先是受中间球形雷达的遮挡，后受中间导航雷达的影响。右舷风速误差曲线呈三峰状态，在以60°为中心的区域主要受外侧航行灯和未知名设备1的影响；在以150°为中心的区域主要受导航雷达2的转动干扰；在以260°为中心的大区域主要受球形雷达的遮挡影响。