CN116907787B - 一种水面船舱面风测量精度评定试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，主要包括评定***误差分配及基准测风传感器选择方法、基准测风传感器总体设计、评定试验及数据处理方法，用于评定实船测风传感器测风精度，本发明解决了测风传感器实际装船状态下的精度评定工作，并为后续总体优化布置提供了支撑，可满足声学导航传感器总体设计要求。

Description

一种水面船舱面风测量精度评定试验方法

技术领域

本申请涉及水面船风测量研究的技术领域，具体而言，涉及一种水面船舱面风测量精度评定试验方法。

背景技术

为保障航行安全和特殊装备使用等，水面船普遍配置了测风传感器，实现舱面风速、风向等测量。测风传感器要求在其安装部位周围不应有阻挡物，风场应尽量开阔，以保障测量准确性。由于水面船通常配置了众多的雷达、通信和光电感知等天线或传感器，总体难以将单个测风传感器布置于无任何障碍物的自由风场中，为尽可能满足测风传感器布置要求，水面船一般配置2个测风传感器，左右对称布置于主桅横桁两侧，通过风场互补处理等可基本满足舰艇安全航行需求，但随着新需求和新技术发展等，逐渐难以满足载机等特殊任务载荷对舱面风测量精度的需求。

目前，国内主要通过风洞试验台测定测风传感器自身的风向、风速测量精度，实船安装条件下的测风传感器测风效果主要通过仿真计算等手段开展了相关研究，难以全面、准确反映实船舱面风测量的实际效果。因此，有必要开展水面船测风传感器实船测风精度评定试验方法研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，可有效评定测风传感器测风效果，并为研究测风传感器的总体布置优化准则提供参考依据。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a，基准测风传感器选择：

评定***中包括风向测量误差和风速测量误差，根据评定***总误差及各环节误差的分配原则，确定基准测风传感器的选择；

步骤b，基准测风传感器的布置：

确定基准测风传感器的理想测量点位置，影响因素包括：与甲板及障碍物、测风塔的距离、与待测定测风传感器的相对位置关系；

步骤c，基准测风传感器的安装：

基准测风传感器通过支架安装，根据基准测风传感器总体布置明确的支架高度及选定的支架材料，采用有限元建模仿真计算方法，开展基准测风传感器安装支架结构设计和刚度核算，要求横摇惯性载荷和纵摇惯性载荷条件下的最大应力小于支架许用应力，最大位移与支架比不大于1％；

步骤d，评定试验：

步骤d1，试验样本的选择，同步录取待评定测风传感器和基准测风传感器测风传感器的风速和风向的测量数据，根据相对风向角的间隔范围进行样本选取；

步骤d2，数据处理，以基准测风传感器测量值为基准，按相对风向角度划分多个区间，统计出各个区间的绝对误差，将风速按照等级划分。

在一些可选的实施方案中，步骤a中所述评定***误差分配原则如下：

γ₁≤1/3*γ₀，

其中，σ为评定***风向总误差，σ₁为基准测风传感器风向测量误差，σ₂为基准测风传感器与船艏艉线平行度误差，σ₃为待评定测风传感器与船艏艉线平行度误差，σ₀为评定测风传感器相对风向测量精度，γ₁为基准测风传感器风速测量误差，γ₀为待评定测风传感器相对风速测量精度；

结合各环节装备及工程可实现情况，分配各环节误差，根据具体分配的误差选择基础测风传感器。

在一些可选的实施方案中，所述基准测风传感器测量位置影响因素具体为：

基准测风传感器应安装在距甲板不低于4m；与障碍物的距离大于10倍障碍物的高度，或与测风塔的距离为测风塔直径的6倍以上；并与待评定测风传感器位于同一高度，缩短水平距离。

在一些可选的实施方案中，所述试验样本的选择要求相对风向角每5°范围内样本数不少于100个；若测风传感器启动风速为V₀，m/s，则剔除基准测风传感器风速≤1.5*V₀的样本。

在一些可选的实施方案中，所述数据处理具体包括如下内容：

按相对风向角度划分，以5°为间隔，共计72个区间，其中i-2、i-1、i、i+1、i+2为一个区间，i＝0，1，2，3，…，70，71，分别统计出72个区间内的待评定测风传感器风向绝对误差的平均值、均方差；风速按照风速等级划分，将1～8级风速分别列出。

在一些可选的实施方案中，所述绝对误差的平均值、均方差的计算公式如下：

其中，X_i为评定测风传感器输出值，Y_i为基准测风传感器输出值，e_i为每组数据对应的误差；对所有误差e_i求均方根，即得到典型航态下的偏离度E。

本申请的有益效果是：本申请提供的一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，进行水面船测风传感器实船测风精度评定，全面、准确反映实船舱面风测量的实际效果，通过实船试验采集相关数据，为后续开展测风传感器总体优化设计提供基础支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1a为本申请实施例的基准测风传感器布置正视图；

图1b为本申请实施例的基准测风传感器布置俯视图；

图2为本申请实施例的基准测风传感器支架受自重时支架应力云图；

图3为本申请实施例的基准测风传感器支架受自重时支架位移云图；

图4为本申请实施例的按风向角度的样本分布图；

图5为本申请实施例的航行阶段风向平均误差图；

图6为本申请实施例的航行阶段8级风速相对误差图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明针对目前水面船实船舱面风精度评定的现实需求，同时实船风速、风向真值测量困难，测风传感器精度难以评定的情况。提出了一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，可用于在实船对测风传感器典型安装部位的舱面风测量精度进行评定。

一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，包括如下步骤：

(1)评定***误差分配及基准测风传感器选择方法

①风向误差分配及基准测风传感器选择方法：待评定测风传感器相对风向测量精度σ₀基准测风传感器风向测量误差σ₁，基准测风传感器与船艏艉线平行度误差σ₂，待评定测风传感器与船艏艉线平行度误差σ₃，按评定***总误差的原则，并结合各环节装备及工程可实现情况，分配各环节误差，在上述工作基础上选择基准测风传感器。

②风速误差分配及基准测风传感器选择方法：待评定测风传感器相对风速测量精度γ₀，基准测风传感器风速测量误差γ₁，原则按γ₁≤1/3*γ₀选择基准测风传感器。

(2)基准测风传感器布置与安装设计

①基准测风传感器总体布置：基准测风传感器理想观测点应安装在距甲板不低于4m；测风传感器与障碍物的距离大于10倍障碍物的高度，或测风点与测风塔的距离为测风塔直径的6倍以上；并与待评定测风传感器尽量在同一高度，水平距离尽量近。

②基准测风传感器安装支架设计：根据基准测风传感器总体布置明确的支架高度(h)等，采用有限元建模仿真计算方法，开展基准测风传感器安装支架结构设计和刚度核算，要求横摇惯性载荷和纵摇惯性载荷条件下的最大应力小于支架许用应力，最大位移与支架比不大于1％。

(3)评定试验及数据处理方法

①试验样本选择：同步录取待评定测风传感器和基准测风传感器测风传感器的风向及风速测量数据，要求相对风向角每5°范围内样本数不少于100个。若测风传感器启动风速为V₀，m/s，，则剔除基准测风传感器风速≤1.5*V₀的样本。

②数据处理方法：以基准测风传感器测量值为基准，按相对风向角度划分，以5°为间隔，共计72个区间，其中i-2、i-1、i、i+1、i+2为一个区间，i＝0，1，2，3，…，70，71(i＝0时，i-2、i-1分别对应358、359度)。然后按照式(1)和式(2)计算方法，分别统计出72个区间内的左、右舷待评定测风传感器风向绝对误差的平均值、均方差；风速按照风速等级划分，将1～8级风速分别列出。

其中：X_i为评定测风传感器输出值，Y_i为基准测风传感器输出值，e_i为每组数据对应的误差；对所有误差e_i求均方根，即可得到典型航态下的偏离度E。

实施例1

以某水面船舱面风测量精度评定试验过程为例，描述具体实施方式：

(1)评定***误差分配及基准测风传感器选择方法

①风向相关误差分配及基准测风传感器选择方法：待评定实船螺旋桨测风传感器相对风向测量精度σ₀≤±5°；基准测风传感器风向误差σ₁：优于1.5°；基准测风传感器与艏艉线平行度误差σ₂≤0.2°；待评定测风传感器与船艏艉线平行度误差σ₃≤0.2°；则总误差为满足小于1/3*σ₀＝1.67°的要求。

②风速相关误差分配及基准测风传感器选择方法：待评定实船螺旋桨测风传感器风速测量误差γ₀≤±(0.5+0.05V)m/s，V为实测风速，基准测风传感器风速测量误差γ₁≤±0.015V m/s，满足γ₁≤1/3*γ₀要求。

(2)基准测风传感器布置与安装设计

①基准测风传感器总体布置：两个待评定螺旋桨测风传感器1对称布置于桅杆横桁2左右舷处，基准测风传感器3布置详见图1。

②基准测风传感器安装支架4设计：首先根据选定的支架材料(20钢)，确定主要机械性能为屈服强度σs＝245MPa、杨氏弹性模量E＝205.6GPa、泊松比μ＝0.3和密度ρ＝7850kg/m³。

根据选定的设计结构和材料建立支架有限元模型。通过将支架自重和惯性力(舰用条件要求最大允许海况下的横摇和纵摇状态)通过计算程序施加到有关节点上，计算得：

横摇：PX＝0，PY＝0.914·M·g+0.707·M·g+961SXZ

PZ＝-0.981·M·g

纵摇：PX＝0.978·M·g+0.174M·g+1862SYZ，PY＝0

PZ＝-1.505M·g

取横摇时PZ值等于纵摇时PZ值，强度偏于安全。分别仿真计算出自重载荷、横摇惯性载荷和纵摇惯性载荷条件下的最大应力(Fmax)、横摇时最大位移(Xmax)和纵摇时最大位移(Ymax)，以自重载荷仿真为例，详见图2、图3。结果如下表：

许用正应力[σ]＝0.45σs＝0.45×245MPa＝110Mpa。

可见支撑杆满足强度以及最大位移与支架比不大于1％的设计要求。

(3)评定试验及数据处理方法

①试验样本选择：测风传感器启动风速为V₀(m/s)，则剔除基准测风传感器风速≤1.5*V₀(m/s)的样本。详见图4。

②数据处理方法：由图5可见，左、右舷的风向平均误差曲线以中间角度区域为中心，基本成对称分布，说明风向的受遮挡情况比较对称。左舷传感器从55°～165°变化比较大，右舷传感器从195°～285°变化较大。从图1测风传感器安装位置示意图可以看出，以上角度区间变化大，主要是由中间球形雷达5遮挡造成的。

由图6可见，左舷风速相对误差在[0°,45°]、[315°,355°]区间以及右舷风速相对误差在[0°,30°]、[300°,355°]区间风速相对误差低于20％，说明这四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。在其它角度区间左舷和右舷风速相对误差均有不同程度增大，从图1测风传感器安装位置示意图可以看出，主要受中间雷达等障碍物遮挡影响较为明显。图5和图6可见，无论左舷测风传感器还是右舷测风传感器，在一些特定风向上桅杆中间球形雷达均分别对两侧测风传感器形成了遮挡。

Claims (4)

1.一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a，基准测风传感器选择：

评定***中包括风向测量误差和风速测量误差，根据评定***总误差及各环节误差的分配原则，确定基准测风传感器的选择，评定***误差分配原则如下：

γ₁≤1/3*γ₀，

其中，σ为评定***风向总误差，σ₁为基准测风传感器风向测量误差，σ₂为基准测风传感器与船艏艉线平行度误差，σ₃为待评定测风传感器与船艏艉线平行度误差，σ₀为评定测风传感器相对风向测量精度，γ₁为基准测风传感器风速测量误差，γ₀为待评定测风传感器相对风速测量精度；

结合各环节装备及工程可实现情况，分配各环节误差，根据具体分配的误差选择基础测风传感器；

步骤b，基准测风传感器的布置：

确定基准测风传感器的理想测量点位置，影响因素包括：与甲板及障碍物、测风塔的距离、与待测定测风传感器的相对位置关系，具体为：

基准测风传感器应安装在距甲板不低于4m；与障碍物的距离大于10倍障碍物的高度，或与测风塔的距离为测风塔直径的6倍以上；并与待评定测风传感器位于同一高度，缩短水平距离；

步骤c，基准测风传感器的安装：

基准测风传感器通过支架安装，根据基准测风传感器总体布置明确的支架高度及选定的支架材料，采用有限元建模仿真计算方法，开展基准测风传感器安装支架结构设计和刚度核算，要求横摇惯性载荷和纵摇惯性载荷条件下的最大应力小于支架许用应力，最大位移与支架比不大于1％；

步骤d，评定试验：

步骤d1，试验样本的选择，同步录取待评定测风传感器和基准测风传感器的风速和风向的测量数据，根据相对风向角的间隔范围进行样本选取；

步骤d2，数据处理，以基准测风传感器测量值为基准，按相对风向角度划分多个区间，统计出各个区间的绝对误差，将风速按照等级划分。

2.根据权利要求1所述的一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，其特征在于，所述试验样本的选择要求相对风向角每5°范围内样本数不少于100个；若测风传感器启动风速为V₀，m/s，则剔除基准测风传感器风速≤1.5*V₀的样本。

3.根据权利要求2所述的一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，其特征在于，所述数据处理具体包括如下内容：

按相对风向角度划分，以5°为间隔，共计72个区间，其中i-2、i-1、i、i+1、i+2为一个区间，i＝0，1，2，3，…，70，71，分别统计出72个区间内的待评定测风传感器风向绝对误差的平均值、均方差；风速按照风速等级划分，将1～8级风速分别列出。

4.根据权利要求3所述的一种水面船舱面风测量精度评定试验方法，其特征在于，所述绝对误差的平均值、均方差的计算公式如下：

其中，X_i为评定测风传感器输出值，Y_i为基准测风传感器输出值，e_i为每组数据对应的误差；对所有误差e_i求均方根，即得到典型航态下的偏离度E。