БУЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКИХ ВЕТРОВЫХ ВОЛН
BUOY FOR DETERMINATION OF CHARACTERISTICS OF SEA WIND WAVES

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн, а также может быть использовано для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях.
Известные устройства для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях (авторское свидетельство SU №1280321, 30.12.1986; авторское свидетельство SU №1280320, 30.12.1986; авторское свидетельство SU №1712784, 15.02.1992; патент JP №60107490, 12.06.19S5 [1-4]), состоят из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания.
Общим недостатком известных устройств определения характеристик морских ветровых волн [1-4] является невысокая конструктивная надежность как самого буя, так и средств измерения и источника питания, что существенно повышает трудоемкость использования данных средств на длительном временном интервале морских исследовании.
Известно также устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях (патент RU №2328757, 10.07.2008) [5], которое состоит из корпуса цилиндрической формы, мачты с устройством передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором в отличие от известных аналогов [1-4] корпус буя выполнен из армированной пластмассы, а нижняя часть выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, верхняя часть корпуса выполнена из пенопласта в виде расширяющегося к верху конуса под углом 30 градусов, в центре которого герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри нее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала.
Конструктивные отличия устройства [5] от его аналогов позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности измерения гидрометеорологических параметров.
Однако при длительных временных исследованиях на морских акваториях, особенно в условиях арктических морей, конструкция корпуса буя, включающая наряду с металлическими элементами и элементы, выполненные из пластмассы, подвержена деформации, что существенно сокращает срок эксплуатации устройства. Появление деформации вносит дополнительные погрешности при решении задачи определения параметров волнения, обусловленные наличием неравномерного перемещения буя как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что также негативно сказывается на обеспечении нормального функционирования спутникового канала связи.
Также существенным недостатком устройства [5] является его невысокая автономность, обусловленная сроком эксплуатации источника питания.
Аналогичными недостатками обладают и известные устройства (патент RU №2328757 С2, 10.07.2008; патент RU №2254600 С1, 20.06.2005, патент US №4220044 А1, 02.09.1980 [6-8]). При создании океанографических приборов широкое распространение получило комплексирование различных измерительных средств, это привело к тому, что создаваемые автономные буи стали предназначаться не только для измерения волнения, но и получения информации о температуре воды и воздуха, скорости и направлении течений, а также других физических величин.
Форма проектируемых буев должна учитывать требования, предъявляемые к бую со стороны средств измерения этих величин. Поэтому некоторые фирмы выпускают буи, имеющие не только цилиндрическую, но и иную форму.
За рубежом для измерения морского волнения используются различные радиобуи с неакустическими датчиками. Основными их производителями являются США и Канада. В Канаде для измерения волнения разработана серия компактных, сбрасываемых с летательных аппаратов или с надводных кораблей, дрейфующих радиобуев генерации CMOD (Compact Meteorogical and Oceanographic Drifter).
Так «CMOD Waves» - одноразовый дрейфующий буй - предназначен для измерения и расчета характеристик поверхностного волнения и передачи данных через интегрированную систему МАТ 609 Argos РТТ и спутниковую систему NOAA Tiros. Дополнительно к стандартным датчикам генерации CMOD в буе используются акселерометры, датчики угла наклона и компасное устройство для определения направления волнового фронта.
Известно также устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях, - устройство для измерения параметров волнения (патент RU №2432589 27.10.2011 [9]), сущность которого заключается в том, что в устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях [5], которое состоит из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором нижняя часть корпуса выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, в центре корпуса герметично установлена трубка, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри нее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала, внесены следующие дополнения: корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части корпуса размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части - посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством.
Выполнение стабилизирующего устройства в виде крыльев и резиновых амортизаторов в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивает погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Выполнение корпуса устройства цельнометаллическим позволяет использовать его многократно и исключить негативное воздействие как морской воды, так и внешних условий. Выполнение корпуса сигарообразной формы позволяет обеспечить равномерные колебания устройства при нахождении в морской среде. Размещение в нижней части корпуса якорного устройства способствует удержанию буя в вертикальном положении и уменьшению влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений. Исключение негативного воздействия на устройство морской воды и внешних гидрометеорологических условий, а также обеспечения равномерных колебаний его при нахождении в морской среде обеспечивает повышение точности измерения гидрометеорологических параметров. Кроме того, амортизаторы, соединяющие крылья стабилизирующего устройства с нижней частью корпуса, выполнены таким образом, что при совершении поступательного движения запускают генератор источника питания и обеспечивают подзарядку аккумуляторных батарей источника питания, увеличивая тем самым срок его эксплуатации.
Однако при работе буя на малых глубинах при вертикальной качке необходимо обеспечить демпфирование вертикальной качки в области резонанса.
Внедрение спутниковой (навигационной) технологии, комплектация волномерных буев спутниковыми навигационными приемниками значительно сокращает время определения координат буя и позволяет с высокой точностью определять его элементы движения.
Следует иметь в виду, что понятие «спутниковые навигационные технологии» означает методы и приемы (алгоритмы) использования результатов измерений радионавигационных параметров (РНП) сигналов спутниковых навигационных систем (СНС), полученных с точностью как обычных, так и специальных спутниковых навигационных приемников (СНП) для решения различных прикладных задач. В зависимости от требуемой точности навигационного обеспечения их можно разделить на три группы:
- задачи, обеспечиваемые штатным навигационным режимом СНС;
- задачи, обеспечиваемые дифференциальным режимом СНС;
- задачи, требующие относительного позиционирования.
Штатный навигационный режим предполагает использование измерительной информации только от СНС. Из кодовых измерений (псевдодальностей) обычно формируют опенки координат объекта с автоматическим исключением систематической ошибки измерений (расхождение системной шкалы времени и шкалы СНП). Данная ошибка является проявлением специфики бззапросного метода спутниковой навигации (псевдодальномерный метод) и исключается оцениванием ее в расширенном векторе координат. Одним из простейших алгоритмов решения задачи абсолютного позиционирования является способ наименьших квадратов (Волосов П.С., Дубинко Ю.С. и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. - Л.: Судостроение, 1983. - 272 с.). Решение навигационной задачи при этом реализует декомпозицию полного вектора состояния (координаты и скорости) на координатный и скоростной подвекторы и полного вектора измерений (псевдодальности и псевдоскорости) также на два подвектора: кодовый и фазовый.
Следовательно, из псевдодоплеровских измерений получают оценки проекций вектора скорости. Систематической ошибкой здесь выступает скорость изменения расхождения шкал времени, вызванная главным образом нестабильностью опорного генератора спутникового навигационного приемника (СНП).
Дифференциальный режим в СНП предполагает формирование в наземной контрольно-корректирующей станции (ККС), координаты которой геодезически с высокой точностью привязаны к местности, поправок к измеренным значениям дальностей, вызванных ошибками прогноза эфемеридной информации (ЭИ), задержками в тропосфере и ионосфере (для одночастотного СНП), передачу их потребителям, находящимся в зоне функционирования ККС в радиусе до нескольких десятков-сотен километров, и учет этих поправок в СНП при решении навигационной задачи.
Тем не менее, оба этих режима ни функционально, ни по уровню точности непригодны для решения определения параметров движения волномерного буя с требуемой точностью, а также для решения задач определения наклонов морской поверхности.
Задача, заключающаяся в создании устройства, конструктивные особенности которого позволят повысить точность измеряемых гидрометеорологических параметров, решена в известном техническом решении (патент RU №2490679 С1, 20.08.2013 [10]).
Известное техническое решение [10] реализуется посредством буя для определения характеристик морских ветровых волн, состоящего из корпуса, устройства передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, модуля управления с опционным блоком GPS, источника питания, корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части которого размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части корпуса - посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством, в отличие от прототипа корпус в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклонном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя.
Новые отличительные признаки известного технического решения, заключающиеся в том, что корпус буя в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклонном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр, для моделирования движения буя, позволяют при работе буя на малых глубинах при вертикальной качке обеспечить демпфирование вертикальной качки в области резонанса, повысить точности измерения при решении задач определения параметров движения буя и наклонов морской поверхности.
Однако основными недостатками известного буя для определения характеристик морских ветровых волн [10] являются погрешности измерения, обусловленные периодичностью движения ИСЗ в районе проводимых исследований, и погрешности, обусловленные невозможностью разделить составляющие ускорения, вызванные с одной стороны проекциями силы тяжести на три координатные оси, а с другой стороны - составляющими ускорения движения буя в горизонтальной плоскости.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности и достоверности измерения параметров волнения посредством буя для определения характеристик морских ветровых волн.
Поставленная задача решается за счет того, что буй для определения характеристик морских ветровых волн состоит из корпуса, устройства передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, модуля управления с опционным блоком GPS, источника питания, корпус выполнен цельнометаллическим, в нижней части корпуса размещено выдвижное якорное устройство, а также стабилизирующее устройство буя, выполненное в виде крыльев, сочлененных с корпусом посредством шарниров и резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством, корпус буя в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя. При этом буй для определения характеристик морских ветровых волн выполнен с площадью сечения по ватерлинии в соотношении 2:1 относительно вертикального габарита, буй для определения характеристик морских ветровых волн дополнительно содержит цифровой трехкомпонентный акселерометр, размещенный в одном корпусе с трехкомпонентным магнитометром.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема буя для определения характеристик морских ветровых волн, которая включает модуль управления 1 с опционным блоком GPS, источник питания 2, корпус 3 буя, выдвижное якорное устройство 4, стабилизирующее устройство 5, выполненное в виде крыльев, шарниры 6, резиновые амортизаторы 7, узел крепления парашютной системы 8, электрохимический размыкатель 9, таймер 10, предназначенный для запуска источника питания 2, микродвигатель 11 с редуктором 12, антенна 13 спутникового канала связи системы GPS, демпфирующее устройство 14, цифровой трехкомпонентный акселерометр 15, размещенный в одном корпусе 16 с трехкомпонентным магнитометром 17.
Демпфирующее устройство 14, как и в прототипе [10], состоит из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз.
Буй для определения характеристик морских ветровых волн устанавливается на морскую поверхность с летательного аппарата, также как и в прототипе, что позволяет сократить время на установку множества таких устройств при выполнении широкоформатных исследований, например при длительных исследованиях процессов на границе среды атмосфера-океан или при проведении изыскательских работ при сооружении морских гидротехнических объектов, включая морские терминалы газонефтяных месторождений. Для установки с летательного аппарата устройство снабжено узлом крепления парашютной системы, посредством которой осуществляется спуск буя на морскую поверхность. Антенна 13 спутникового канала связи системы GPS выполнена с линейной поляризацией в виде несимметричного полуволнового штыревого вибратора, обеспечивающего наилучшие энергетические характеристики излучения в области малых углов, с учетом ограничений по массогабаритным характеристикам и условиям эксплуатации буя.
Для обеспечения требуемой вероятности безошибочного приема информационного сообщения с буя через транслятор (космический аппарат) на наземный приемный пункт, составляющей не менее 0,99 в условиях интерференционных замираний передаваемого сигнала, предусмотрено формирование пакетных сообщений, содержащих блок корректирующего кода и синхроблок, состоящий из синхропреамбулы для космического аппарата (транслятора) и синхропреамбулы для наземного пункта приема, обеспечивающий определение факта приема пакета, тактовую синхронизацию и оценку текущей достоверности побитного приема. Кроме того, применена кратная передача пакетных сообщений с длительностью, не превышающей средней длительности благоприятных для приема временных интервалов, с независимым приемом, мажоритарным сложением пакетов и восстановлением передаваемого сообщения буем на наземном пункте.
Для контроля заливаемости морской волной антенны 13 и затенении космического аппарата при малых углах места и больших выемах воли в модуле управления 1 предусмотрено устройство контроля, включающее датчик тока в цепи оконечного каскада усилителя мощности передатчика буя с амплитудным модулятором на два режима работы: режим «большой мощности», используемый при передаче сообщения, и режим «малой мощности», используемый при ожидании благоприятных для передачи условий. Стабилизирующее устройство, выполненное в виде крыльев 5, сочлененных с нижней частью корпуса при помощи резиновых амортизаторов 7, в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивают погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Кроме того, во время гидрометеорологических воздействий на буй резиновые амортизаторы 7 сокращаются и растягиваются, совершая поступательное движение. Совершая поступательное движение, амортизаторы запускают генератор источника питания 2, что обеспечивает подзарядку аккумуляторных батарей источника питания 2. Якорное устройство 4 предназначено для удержания буя в вертикальном положении и уменьшения влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений. Выполнение корпуса 3 устройства цельнометаллическим позволяет использовать его многократно и исключить как негативное воздействие морской воды, так и влияние внешних условий, которые в морских условиях непостоянны.
Программное обеспечение измерения параметров волнения позволяет реализовать определение параметров волнения (высота, период, частота, длина, скорость) с выделением низкочастотной части для описания крупномасштабных колебаний морской поверхности, используемой в дальнейшем при анализе квазизеркального отражения радиоволн методом Кирхгофа и высокочастотной части для описания мелкомасштабных колебаний морской поверхности (ветровая рябь), используемой в дальнейшем при анализе диффузного рассеяния радиоволн методом возмущений. Для демпфирования вертикальной качки в области резонанса корпус 3 снабжен демпфирующим устройством 14. Демпфирующее устройство 14, как и в прототипе ([10], рис. 2), состоит из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу 3 буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз.
Демпфирующее устройство 14 представляет собой насадку, устанавливаемую в подводной части буя на корпусе 3. Демпфирующим элементом являются лепестки, закрепленные к корпусу 3 буя посредством плоских пружин. Демпфирующее устройство 14 имеет четное число лепестков, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные - с наклоном вниз.
При вертикальной качке буя лепестки будут раскрывайся, в результате чего увеличится сила демпфирования. Отличительной особенностью демпфирующею устройства 14 является то, что величина силы сопротивления, при вертикальных колебаниях буя, будет зависеть от частоты этих колебаний.
Цифровой трехкомпонентный акселерометр 15 представляет собой цифровой акселерометр типа APXL 345 (интерфейс 12 и SPI, пределы измерения ±2 g, ±4 g, ±8 g, ±16 g, частота выборки 0,1-3200 Гц). Цифровой трехкомпонентный акселерометр 15 не требует внешних компонентов, в то время как акселерометры с аналоговым выходом обычно подключаются к АЦП через ФНЧ (фильтр низкой частоты), а также требуется расчет параметров фильтра, расчет погрешности, вносимой элементами фильтра.
Опционный блок GPS 1 содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя.
Определение текущей скорости буя по сигналам СНС осуществляется, как и в прототипе.
При невозможности использования спутникового канала для определения параметров морских ветровых волн средняя высота и период волнения измеряются по амплитуде вертикальной качки поверхностного буя. Вертикальная составляющая качки буя измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра 15, объединенного в одном общем корпусе 16 с трехкомпонентным магнитометром 17. Линейные перемещения буя по вертикали получают путем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения. При обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами буя по двум горизонтальным осям X и Y.
При этом наклоны буя по осям X и Y измеряют независимо от акселерометра 15 путем обработки данных магнитометра 17. Независимые измерения углов наклона буя позволяют исключить погрешности измерения высоты волн, обусловленные горизонтальной составляющей качки буя.
В известных конструкциях буев для определения волнения используют однокомпонентный аналоговый акселерометр, стабилизированный по вертикали с помощью маятникового подвеса в кардане с успокоителем колебаний масляным демпфером. Маятник с относительно малым периодом собственных колебаний по отношению к периоду волнения обеспечивает вертикальность датчика ускорения при наклонах буя, что необходимо для правильного измерения вертикальной составляющей ускорения. В реальности буй колеблется не строго вертикально, а имеет периодические горизонтальные смещения за счет скольжения по наклонному фронту волны. За счет горизонтальной составляющей колебаний буя появляются горизонтальные ускорения, которые отклоняют маятниковый подвес по вертикали и вследствие этого вызывают пропорциональную погрешность измерения вертикальной составляющей ускорения. Данный вид погрешности измерения высоты волны является принципиально неустранимым, если опираться только на измерения трех проекций ускорения, регистрируемых акселерометром. Погрешности обусловлены невозможностью разделить составляющие ускорения, вызванные с одной стороны проекциями силы тяжести на три координатные оси, а с другой - составляющими ускорения движения датчика.
Для корректного решения задачи требуется дополнительно привлечь данные независимого датчика углов наклона. В необходимых случаях для точных измерений используются гироскопы или магнитометры, опирающиеся на стабильное угловое направление вектора магнитной напряженности Земли.
Предполагается, что независимо от наличия или отсутствия горизонтальной составляющей качки буя вертикальная амплитуда колебаний с достаточной точностью отслеживает высоту поверхности воды. Буй, выполненный в виде конструкции с большой площадью сечения по ватерлинии относительно своих габаритов, сохраняет положение ватерлинии как на гребнях, так и на впадинах волн с погрешностью порядка 10 см, что и характеризует возможные погрешности измерения высоты волны.
Задачей обработки данных волнения является построение по точкам волнограммы в течение интервала наблюдений с последующим вычислением средней высоты и периода волнения. Согласно нормативам статистики для обработки данных по волнению достаточно иметь ряд наблюдений из 30 волн с средним периодом 6 с, что составляет интервал осреднения 180 с. Достаточная дискретность отсчетов волнограммы составляет 0,5 с, что соответствует измерению периодов волн от 2 до 12 с. Каждый отсчет должен представлять осредненное значение в интервале 0,5 с с целью фильтрации высокочастотных составляющих. Ряд наблюдений из 360 отсчетов должен быть центрированным, т.е. из него должна быть исключена постоянная составляющая. В обработку принимается только вертикальная составляющая ускорения, из которой исключены проекции силы тяжести, обусловленные наклонами буя.
Вначале измеряются и обрабатываются данные магнитометра 17 для измерения углов наклона оси Z от вертикали в каждой точке волнограммы с периодом 0,5 с в интервале 180 с (всего 360 отсчетов).
x
y
z
Для этого регистрируются все три компоненты магнитного поля M, M, M с частотой 100 Гц, осредняются по 50 отсчетов и записываются в буферную память. В каждой точке волнограммы с номером от 1 до 360 вычисляется мгновенный угол отклонения вектора магнитного поля от оси Z датчика по формуле:
,
x
y
z
x
y
z
где M, M, M - усредненные по 50 измерениям значения проекций магнитного поля на оси X, Y, Z в условных единицах. Цена делений по осям должна быть приведена к единому масштабу предварительной градуировкой (путем определения масштабных коэффициентов m, m, m).
z
z
z
Полученная величина α еще недостаточна для расчета угла отклонения оси Z от вертикали, поскольку вектор магнитного поля M наклонен к горизонтали на некоторый угол β, зависящий от координат географической точки и называемый магнитным наклонением (в отличие от магнитного склонения - угла между географическим и магнитным меридианом). Магнитное наклонение рассчитывается как среднее значение угла α всего ряда наблюдений из 360 точек, исходя из предположения, что колебания буя происходят симметрично относительно вертикали. В штилевую погоду без волнения магнитное наклонение равняется углу α.
В каждой точке волнограммы с 1 по 360 вычисляется отклонение оси Z датчика от вертикали по формуле:
z
γ=α-β, где
γ - угол отклонения оси Z от вертикали, в радианах;
z
α - мгновенный угол оси Z относительно вектора магнитного поля;
β - магнитное наклонение.
2
2
2
x
y
z
Регистрируются три компоненты ускорения по осям X, Y, Z в каждой точке волнограммы с 1 по 360 с частотой 100 Гц, осредненные по 50 отсчетов, записываются в буферную память в условных единицах. Затем отсчеты ускорения пересчитываются в физическую величину м/с путем умножения на градуированные коэффициенты a, a, a, определяемые при первичной калибровке датчика. Это необходимо для того, чтобы при последующих вычислениях получить высоту волны в метрах. Полученные три ряда наблюдений центрируют, вычисляя среднее значение из 360 отсчетов и вычитая из каждого отсчета полученное среднее значение. По оси Z среднее значение ускорения должно быть близко к 9,8 м/с, а по горизонтальным компонентам X и Y - близко к нулю. Если это условие выполняется, значит буй не имеет постоянной составляющей угла наклона. Если не выполняется, то последующей обработкой с использованием данных магнитометра погрешность от угла наклона будет устранена. Данные магнитометра 17, измеряющего углы наклона буя от вертикали, необходимы и в том случае, если колебания по углу происходят симметрично относительно вертикали. Если представить, что под действием ветра или других причин буй колеблется только по углу наклона, не испытывая вертикальных перемещений центра тяжести, то результат измерения высоты волн должен быть нулевым. Однако проекция силы тяжести на ось Z будет иметь значительную амплитуду и при учете углов наклона, что даст ложную амплитуду вертикальной качки. Для избежания ошибки такого рода следует учитывать все три проекции на оси X, Y, Z, которые при векторном сложении дадут величину ускорения, в точности равную 9,81 м/с, что и укажет на отсутствие волнения.
x
y
z
Для вычисления только вертикальной составляющей качки буя достаточно три зарегистрированные проекции ускорения b, b, b спроектировать на вертикаль. Для этого необходимо использовать угол наклона γ оси Z к вертикали, измеренный магнитометром 17. Вычисления выполняются для каждой точки волнограммы по формуле:
z
X
Y
B=b*cosγ+b*cos(γ+90°)+b cos(γ+90°), где
2
B - вертикальная компонента ускорения буя в м/с;
x
y
z
2
b, b, b - компоненты ускорений, измеренные акселерометром в каждой точке волнограммы, м/с;
γ - угол отклонения оси Z датчика от вертикали в каждой точке волнограммы.
В итоге вычислений получится центрированный ряд из 360 точек вертикальных ускорений буя, используемый далее для вычисления высоты и периода волны.
Далее выполняют интегрирования ускорения.
Первое интегрирование ряда наблюдений по времени дает мгновенную скорость вертикального движения буя в каждой точке волнограммы. Приращение скорости вычисляются по известной из физики формуле:
ΔV=g*Δt, где
ΔV - приращение скорости в м/с,
2
g - ускорение в м/с,
Δt - интервал дискретизации в с.
Интегрирование выполняют по шагам от первой точки волнограммы до 360, последовательно прибавляя приращение скорости с учетом знака от точки к точке согласно формулам:
1
1
V=B∗Δt
2
1
2
V=(B+B)*Δt
3
1
2
3
V=(B+B+B)*Δt
n
1
2
3
n
V=(B+B+B+B)*Δt, где
1
n
V…V - скорость буя в точках волнограммы с 1 до 360 в м/с;
1
n
B…B - вертикальные ускорения буя в точках волнограммы;
Δt=0,5 с - дискретность квантования в с.
Коррекцию нулевой точки датчика ускорений делать не требуется, поскольку исходный ряд был центрирован.
Полученный новый ряд мгновенных скоростей буя из 360 отсчетов подвергают второму интегрированию, в результате которого получают искомую волнограмму высоты волн непосредственно в метрах. Вычисления выполняют по аналогичной формуле:
1
1
H=V∗Δt
2
1
2
H=(V+V)*Δt
3
1
2
3
H=(V+V+V)*Δt
n
1
2
3
n
H=(V+V+V+V)*Δt, где
H - вертикальное смещение буя в м;
1
2
n
V, V…V - скорость буя в точках волнограммы от 1 до 360;
Δt=0,5 с - дискретность квантования.
Вычисляют среднюю высоту волны от подошвы до вершины, предполагая, что колебания буя происходят по синусоидальному закону. Фактически вычисляется площадь волнограммы, деленная на время наблюдений и умножения на коэффициент формы. Коэффициент формы может корректироваться по результатам натурных испытаний датчика волнения. Вычисление выполняют по формуле:
, где
ср
Н - высота волны в м;
1
2
360
H, Н…Н - смещение буя от среднего положения по абсолютной величине (без знака) в м;
K=1,41 - коэффициент формы для синусоиды.
Средний период волнения определяют по формуле по соотношению амплитуд высоты волны и ускорений, исходя из предположения синусоидальной формы волны. Вычисление выполняют по формуле:
, где
Т - средний период волны, с;
ср
2
В - средняя амплитуда ускорения, м/с;
ср
Н - средняя высота волны, м.
Следует отметить, что вычисленный по этой формуле средний период волнения - величина достаточно условная, но она соответствует периоду синусоиды с максимальной амплитудой, полученной спектральным анализом Фурье - разложения. Ранее при обработке волнограмм средний период волнения определяли по числу пересечений волнограммы с нулевым уровнем моря. При малых амплитудах волн между цугами относительно больших волн количество пересечений нулевого уровня резко возрастает и трудно поддается подсчету. Условность такого подхода к измерению периода волнения еще более формальна и не отражает энергетической стороны процесса. Строгого определения среднего периода волнения не существует.
Реальные параметры волнения определяют исходя из следующих уравнений.
Если буй совершает синусоидальные колебания на волне, то уравнения движения запишутся следующим образом:
0
Н=Н*sinωt
0
V=ωН*sinωt
2
0
g=ω*H*sinωt, где
;
0
H - половина высоты волны в м;
V - мгновенная скорость буя в м/с;
2
g - мгновенное ускорение в м/с;
ω - угловая частота волнения, 1/с;
T - период волны, с;
t - текущее время в с.
Из этих формул выводится выражение для периода волнения в зависимости от соотношения амплитуды волны и амплитуды ускорения (или их средних значений):
.
Если подставить в эти формулы реальную высоту волны 5 м, период колебаний 10 с, то получим амплитуду ускорения буя:
, где
,
0
H=1/2*5 м;
2
2
0
g=0,985 м/с, т.е. около 0,1 м/с, а соотношение g/H составит 0,1/2,5=0,392.
Средняя высота и период волнения в предлагаемом техническом решении измеряются по амплитуде вертикальной качки заякоренного поверхностного буя. Вертикальная составляющая качки заякоренного поверхностного буя измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра 15, объединенного в одном общем корпусе 16 с трехкомпонентным магнитометром 17. Линейные перемещения буя по вертикали получают путем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения. При обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами буя по двум горизонтальным осям X и Y.
При этом наклоны буя по осям X и Y измеряют независимо от акселерометра 15 путем обработки данных магнитометра 17. Независимые измерения углов наклона буя позволяют исключить погрешности измерения высоты волн, обусловленные горизонтальной составляющей качки буя.
А при одновременном определении характеристик ветровых волн, посредством использования акселерометра и магнитометра и спутникового канала, среднеквадратическая погрешность приращения дальности доплеровским методом которого не зависит от длительности интервала интегрирования и от разбиения этого интервала на части, то обеспечивается повышение надежности и достоверности при определении характеристик ветровых волн. Последнее обстоятельство позволяет при непрерывных измерениях дельтапсевдодальностей до четырех спутников, исключив систематическую погрешность эталона частоты приемного устройства буя, построить траекторию его движения независимо от его динамики.
g
0
0
max
в
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mover><mi>Y</mi><mrow><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext></mrow></mover></mrow><mi>в</mi></msub><mi>V</mi><mo>/</mo><mi>g</mi></mrow>
Другие параметры волнения (фазовая скорость с, длина волны L, групповая скорость c, крутизна волны (H/L)) вычисляются на основании известных формульных зависимостей в зависимости от глубины моря в районе проведения измерений (мелкая вода, промежуточная, глубокая вода), а также такие характеристики, как энергия волны (E=e/8hL, где e - вес 1 м морской воды в кг; h - высота волны в м; L - длина волны в м), высота вскатывания волны (формула Н.И. Джунковского: hв=3,2 khtga, где h - высота волны в м; k - коэффициент шероховатости откоса, k=1 для гладких откосов, k=0,9 для мощенных и одерновых откосов, k=0,77 для каменной наброски и сплошных зарослей на откосе; α - угол наклона откоса к горизонту); сила удара волны (
, где V - скорость движения волны, определяемая по изменению доплеровской частоты в горизонтальной плоскости, g - ускорение силы тяжести, Y - коэффициент, зависящий от плотности воды), которые используют для прогноза воздействия волнения на морские объекты хозяйственной деятельности, например добычные комплексы и морские терминалы по отгрузке углеводородов.
Промышленная реализация заявляемого технического решения может быть осуществлена путем применения серийно выпускаемых измерительных датчиков, узлов и элементов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».
Таким образом, новые отличительные признаки заявленного изобретения обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении точности и достоверности измерения параметров волнения посредством буя для определения характеристик морских ветровых волн.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №1280321, 30.12.1986.
2. Авторское свидетельство SU №1280320, 30.12.1986.
3. Патент SU №1712784, 15.02.1992.
4. Патент JP №60107490, 12.06.1985.
5. Патент RU №2328757, 10.07.2008.
6. Патент RU №2328757 С2, 10.07.2008.
7. Патент RU №2254600 С1, 20.06.2005.
8. Патент US №4220044 А1, 02.09.1980.
9. Патент RU №2432589, 27.10.2011.
10. Патент RU №2490679 С1, 20.08.2013.