船用风传感器试验与分析

　　0　引言

　　船舶气象仪是在船体走航状态下获取海面气象要素的常用设备,其安装和使用不可避免的受到船体环境的影响。其中,风传感器通常安装在桅杆两侧,桅杆是否会对风测量产生影响,在何种状态下产生怎样影响,尚未可知。为此,本文通过船体航行试验,对安装在桅杆顶部和桅杆两侧不同位置的风传感器的测量值进行了对比分析,为风传感器的安装和使用提供技术支持。

　　1　有关计算

　　由于船舶气象仪风传感器直接测量值是相对于移动船体的瞬时风速、风向,需要进行真风速、真风向的换算和时间平均的计算,下面将计算方法介绍如下。

　　1.1　真风速、真风向计算公式

　　假设第i次采样时,船上风速风向传感器的读数为Vri和θri。规定Vri和θri以船舶为参考坐标系。安装风向传感器时,其0°~180°线应与艏艉线平行,并使0°(指北点)指向船首。假设真风速和真风向为Vti和θti,真风矢量在北方向和东方向的分量为VtNi和VtEi。规定Vti和θti,VtNi和VtEi以地球为参考坐标系,并且θti相对于地理北极(而不是磁北极)计算。从GPS获得的船舶航速和航向为Vsi和θsi。规定Vsi和θsi以地球为参考坐标系,并且θsi相对于地理北极(而不是磁北极)计算。

　　从罗经获得的船首方向(船向)为θbi。规定θbi相对于地理北极(而不是磁北极)计算。根据船舶所用罗经的实际情况,如有必要,在计算真风速风向之前需先对θbi进行换算(相对于磁北极的θbi+船舶所在海区的磁偏角=相对于地理北极的θbi)。θri与θti,θsi,θbi的计算起点不同。为了解决这个问题,便于下面的分析,引入“表观风速”Vai和“表观风向”θai的概念,定义:    ,              

　　1.2　计算T时间内真风速和真方向平均值

　　2　传感器安装位置

　　风传感器安装位置如图2所示,桅杆顶距海面高度约为15 m,试验设备类型为小飞机型风传感器。1#风传感器位于桅杆左臂4 m处(相对于船艏方向);2#风传感器位于桅杆顶无遮挡处。为了使得数据更有说服力,尽量选择在风速大于5 m/s情况下进行试验。由于2#风传感器位于桅杆顶无遮挡处,我们将其视为真实的风速、风向值,作为数据比对的标准值。下面进行的分析及提到的风向,风速均指真风向、真风速。

　　3　试验及其数据分析

　　3.1　2007-07-22试验及数据分析

　　2007-07-22T12:00,船体航速、航向变化如图3所示,01:06—02:30,船体由16 kn航速减速至1 kn,然后再加速至17 kn,同时船体进行转圈航行。