АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ШТОРМОВЫХ УСЛОВИЯХ С ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ

Область техники. Полезная модель относится к области метеорологических измерений и океанологии, конкретно к автоматизированным комплексам для компенсации качки судна при проведении микрометеорологических измерений в морских условиях с движущихся оснований (суда, морские буи) при наличии поверхностного волнения в интересах микрометеорологических и метеорологических измерений для расчета истинной скорости ветра и характеристик атмосферной турбулентности при измерениях с судов и других подвижных платформ.
Уровень техники.
Измерения турбулентных пульсаций с борта судна значительно усложняются низкими уровнями турбулентности, более агрессивной окружающей средой, искажением сигналов движениями самого прибора из-за волнения моря (качка судна). Корпус судна и его надстройки оказывают сопротивление воздушному потоку и искажают его, поэтому большое значение имеет место установки приборов. Кроме того, судно перемещается не только относительно земли, но и относительно воды, поэтому для вычисления истинного ветра необходимо знать местоположение судна, его курс и направление продольной оси судна относительно земли, а также скорость перемещения и направление относительно воды. При измерениях с борта судна также возникают погрешности, вызванные перемещением датчиков в вертикальном направлении в результате килевой качки судна, колебаниями датчика в результате бортовой качки и рысканьем судна по курсу [Кречмер и др., 1972]. Особенно искажаются спектры вертикальной скорости ветра.
Ветровым волнением называется процесс формирования, развития и распространения вызванных ветром волн на поверхности моря. Это один из основных гидрометеорологических факторов, определяющих безопасность и экономическую эффективность мореплавания. Качка создает опасные крены, затрудняет определение места судна, кроме потери скорости, волнение вызывает рыскание и уклонение судна с заданного курса. Ветровому волнению присущи две основные черты. Первая черта - нерегулярность: неупорядоченность размеров и форм волн. Гребни волн перемещаются не только в направлении ветра, но и в других направлениях. Такая сложная структура возмущенной поверхности моря объясняется вихревым, турбулентным характером ветра, образующего волны. Вторая черта волнения заключается в быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана также с ветром. Однако размеры волн зависят не только от скорости ветра, существенное значение имеет продолжительность его действия, площадь и конфигурация водной поверхности. Поэтому учет движения судна за счет морского волнения при проведении метеорологических измерений крайне затруднен, особенно в штормовых условиях.
Существуют три источника искажений при вычислении потоков, вызываемых движением судна [Hare,. 1992]:
1) одновременный наклон анемометра из-за килевой, бортовой качки, и рысканья носа судна по курсу;
2) угловые скорости перемещения анемометра, вызываемые вращением судна относительно подвижной системы координат (моря);
3) трансляционные скорости судна относительно абсолютной системы координат.
На основе метода, предложенного для самолетных измерений [Axford, 1968] в работе [Fujitani, 1985] была разработана методика коррекции влияния движения судна на измеренную скорость ветра, в результате которой получался ветер относительно неподвижной поверхности [Репина, Смирнов 2008]. Варианты этой методики были использованы для коррекции измерений с морских буев и судов в работах [Anctil et al., 1994; Edson et al., 1998]. Координатная система в этом исследовании правосторонняя с осью ОХ вдоль бака судна, OY - перпендикулярно борту, a OZ - вертикально вверх. (Фиг 1)
ϕ
θ
ψ
Угловая скорость положительна, когда борт опускается, угловая скорость  положительна когда борт опускается и угловая скорость  положительна по движению против часовой стрелки, если смотреть сверху. Следуя работе [Anctil et al. 1994], реальный вектор ветра может быть получен из уравнения:
true
obs
obs
mot
U=T(U+Щ×R)+V
obs
mot
Где Ω - измеренный вектор угловых скоростей, Т - матрица перехода из системы координат, связанной с судном к истинной системе координат, V - вектор скорости движения судна относительно воды, R - расстояние между анемометром и компенсационной системой.
Используя гипотезу малых углов, три отдельных вращения в матрице Т можно производить в любом порядке. В данной работе используется матрица Т предложенная в [Goldstein, 1950] и доработанная в [Anctil et al. 1994].
obs
Вектор угловых скоростей Ω определяется в нашей правосторонней системе координат следующим образом:
где точка означает производную по времени углов Эйлера. R зависит от конкретного судна и расположения датчиков.
Вектор скорости движения судна относительно воды вычисляется интегрированием ускорения а, которое существует в системе отсчета судна. При этом необходимо учитывать среднюю скорость судна относительно воды.
Т.е. мы можем записать:
И, окончательно,
То есть для достижения результата необходимо изменять углы наклона судна и ускорения по трем направлениям, что и обеспечивается автоматизированным комплексом для компенсации качки судна при проведении микрометеорологических измерений в морских условиях с движущихся оснований (суда, морские буи). Вектор скоростей движения судна берется из данных судовой навигационной системы.
Постановка задачи. Задачей полезной модели является коррекция качки при микрометеорологических измерениях с движущихся объектов при наличии умеренного и сильного морского волнения. Техническим результатом - повышение точности измерений скорости ветра и характеристик атмосферной турбулентности с движущихся объектов.
Решение поставленной задачи. Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что Автоматизированный комплекс обеспечения проведения гидрометеорологических измерений в штормовых условиях с движущихся объектов согласно полезной модели включает акселерометр и инклинометр, установленные в специальном боксе на некотором расстоянии от измерительной системы и соединенные кабелем с аналого-цифровым преобразователем, соединенным по управляющим сигналам и сигналам измерений через интерфейсную линию связи с управляющим компьютером. АЦП обеспечивает преобразование сигналов и синхронизацию данных. Интерфейсная линия связи выполнена кабельной с интерфейсом RS232. Регистрация производится с помощью программного обеспечения National Instruments, программного компонента VI Data Logger. Регистрация скорости и движения судна производится через систему GPS, непосредственно соединенную с компьютером.
Достижение поставленной задачи и технического результата. Автоматизированный комплекс обеспечения проведения гидрометеорологических измерений в штормовых условиях с движущихся объектов выполнен в виде акселерометра (1) и инклинометра (2), установленных в специальном боксе на некотором расстоянии от измерительной системы и соединенные кабелем с аналого-цифровым преобразователем (4), соединенным по управляющим сигналам и сигналам измерений через интерфейсную линию связи с управляющим компьютером (6). АЦП обеспечивает преобразование сигналов и синхронизацию данных. Регистрация производится с помощью программного обеспечения National Instruments, программного компонента VI Data Logger. Регистрация скорости и движения судна производится через систему GPS (3), непосредственно соединенную с компьютером (6).
В целом система обеспечивает надежную регистрацию трех компонент ускорения судна, углов наклона судна по трем направлениям, скорости и курса судна, синхронизацию данных и сопряжение данных с данными автоматизированного комплекса для регистрации и обработки данных микрометеорологических измерений в приземном слое атмосферы
Указанные преимущества комплекса обеспечивают уменьшение ошибок микрометеорологических измерений в приводном слое атмосферы с движущихся объектов.
Ссылка на чертежи. На фиг.1 представлена координатная система для коррекции качки, на фиг.2. - функциональная схема автоматизированного комплекса обеспечения проведения гидрометеорологических измерений в штормовых условиях погоды с движущихся объектов, на фиг.3 - спектры горизонтальной и вертикальной скорости ветра и их коспектры при разных условиях стратификации до (левая панель) и после коррекции качки, на фиг.4 - спектры вертикальной скорости ветра с коррекцией качки и без нее.
Описание в статике. Автоматизированный комплекс обеспечения проведения гидрометеорологических измерений в штормовых условиях с движущихся объектов содержит измерительные элементы (Фиг.2): акселерометр (1) стандарта ADXL330, инклинометр (2) стандарта STS 360 и GPS (3) стандарта Garmin 17N. Сигналы поступают на входы аналого-цифрового преобразователя NI USB 6008 (4). 3-осевой акселерометр ADXL330 позволяет измерять три компоненты ускорения. Датчик расположен на плате с тремя операционными усилителями. Питание - +5 вольт. Характеристики датчика представлены в таблице 1. АЦП подключено к блоку питания (5). Сигналы с АЦП и GPS поступают на компьютер (6).
Таблица 1
Параметр
Значение
Примечание
Диапазон измеряемых ускорений
±4g
От полной шкалы
Нелинейность преобразования
±0.3%
По любой из двух осей
Ошибка ортогональности направления осей
±0.1%
По любой из двух осей
Взаимовлияние каналов
±1%
По любой из двух осей
Чувствительность
330 мВ/g
Максимальная по любой из осей
Смещение величины выходного сигнала при нулевом ускорении
1.5 В
По любой из осей, типовое значение
Рабочая полоса
По Х и Y осям
1600 Гц
Без внешнего фильтрующего конденсатора
Z
550 Гц
Без внешнего фильтрующего конденсатора
Инклинометр (2) STS-360 позволяет измерять углы наклона в трех проекциях. Диапазон измерений - 360°. Прибор характеризует высокая точность и надежность в исполнении. Передача сигнала осуществляется через RS232. Характеристики прибора представлены в Таблице 2.
Таблица 2
Тип
STS-360-RS232
Изм. Диапазон
360°
Точность
±0.1°
Разрешение
±0.1°
Температурная стабильность
Цифровая компенсация
Рабочая температура
-10°+70°
Выход
RS232 (9600 Baud)
Постоянная времени
<0,3 с
Питание
8-15 VDS
Три компоненты ускорения и три угла наклона поступают на входы аналого-цифрового преобразователя (4) NI USB 6008. Регистрация производится с помощью программного обеспечения National Instruments, программного компонента VI Data Logger. УСД NI USB-6008 присоединяется к компьютеру посредством интерфейса full-speed USB и содержит восемь каналов ввода аналоговых сигналов (AI), два канала генерации аналоговых сигналов (АО), 12 каналов цифрового ввода / вывода (DIO) и 32-разрядный счетчик. Характеристики УСД представлены в таблице 3.
Таблица 3
Характеристика
USB-6008
Разрешение при аналоговом вводе
12 бит (дифференциальное подключение) 11 бит (подключение с общим приводом)
Максимальная частота дискретизации (один канал)
10 Гц
Максимальная частота дискретизации (несколько каналов)
10 Гц
Конфигурация цифрового вывода
Открытый коллектор
Описание в динамике.
U
f
z
σ
L
w
На Фиг.3 показаны спектры вертикальной и горизонтальной скорости ветра и коспектры между ними при различных условиях стратификации до и после коррекции качки с помощью Автоматизированного комплекса для компенсации качки судна при проведении микрометеорологических измерений в морских условиях с движущихся оснований с использованием предложенной выше методики. Затененная область показывает стандартную ошибку от среднего.  средняя скорость ветра,  частота в Гц,  - высота анемометра, и∗ динамическая скорость, - стандартное отклонение вертикальной скорости ветра.  - масштаб Монина-Обухова. Использовано 285 спектров, из них 30 при устойчивой стратификации, 194 при неустойчивой и 61 при нейтральной.
На Фиг.4 показан отдельный спектр вертикальной скорости ветра, по данным, полученным на судне при работе на Черном море, с использованием системы коррекции качки и без нее. Видно, что качка вносит возмущение в область спектра в районе 0.1 Гц, что соответствует периоду волнения в 8 сек.
Источники информации:
1. Кречмер С.И., Панин Г.Н., Ипатов В.В. Измерение пульсаций влажности над морем // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1972, т.8, №7
2. Anctil, F., M.A.Donelan, W.M.Drennan, and H.C.Graber, Eddy-correlation measurements of air-sea fluxes from a discus buoy, J.Atmos. & Oceanic Tech., Vol.11, pp.1144-1150.
3. Axford, D.N., On the accuracy of wind measurements using an inertial platform in an aircraft and an example of a measurement of the vertical mesostructure of the atmosphere, J.Appl. Meteorol., 7, 645-666, 1968.
4. Edson J.В., Hinton A.A., Prada K.E., Hare J.E. Fairall C.W. Direct Covariance Flux Estimates from Mobile Platforms at sea // J.Atmos. Oceanic Technol. 1998. V.15, P.547-562.
5. Fujitani, Т., Method of turbulent flux measurement on a ship using a stable platform system, Pap. Meteorol. Geophys., 36, 157 - 170, 1985.
6. Goldstein, H., Classical Mechanics, 399 pp., Addison-Wesley-Longman, Reading, Mass., 1950.
7. Hare, J.E, 1992: Shipboard eddy-covariance measurements of the turbulent fluxes of heat, moisture, and momentum. MS Thesis, Penn State University, 207 pp.