基于海洋氣象漂流浮標(biāo)的動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)技術(shù)研究

薛帥寧，孔衛(wèi)奇

（1.重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心，重慶 401147；2.成都市氣象局，成都 611133）

0 引言

海洋風(fēng)是海洋學(xué)和氣象學(xué)觀(guān)測(cè)中的基本要素參數(shù)，更是人類(lèi)在海洋開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須參考的要素之一［1］。海上風(fēng)災(zāi)難事故頻發(fā)，根據(jù)之前的中國(guó)漁船安全分析統(tǒng)計(jì)研究表明，1999～2005年各類(lèi)海上事故導(dǎo)致漁船損失704艘，其中風(fēng)災(zāi)害事故就占據(jù)了其中的51.85%。由此可見(jiàn)，風(fēng)災(zāi)害是導(dǎo)致漁船安全事故發(fā)生的主要原因，對(duì)海洋風(fēng)的觀(guān)測(cè)愈發(fā)顯得重要［2］。通常所說(shuō)的測(cè)風(fēng)為陸地平面測(cè)風(fēng)，對(duì)于海洋環(huán)境下風(fēng)的觀(guān)測(cè)，由于海面海浪、湍流等各種不穩(wěn)定因素影響，使得在海上動(dòng)態(tài)環(huán)境下的測(cè)風(fēng)技術(shù)難度增大，測(cè)量結(jié)果誤差較大。目前較多的有利用無(wú)人機(jī)攜帶傳感器、多普勒激光雷達(dá)、船舶等進(jìn)行海洋風(fēng)數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)［3-5］。隨著衛(wèi)星跟蹤、定位和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)被用以開(kāi)展海洋觀(guān)測(cè)［6］。海洋氣象漂流浮標(biāo)是集海洋水文要素和氣象要素為一體的、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)海洋氣象觀(guān)測(cè)設(shè)備，具有觀(guān)測(cè)要素多、經(jīng)濟(jì)性、可拋棄性等優(yōu)點(diǎn)。基于海洋氣象漂流浮標(biāo)上的測(cè)風(fēng)技術(shù)是指搭載于海洋氣象漂流浮標(biāo)上的測(cè)風(fēng)傳感器在姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化條件下的測(cè)風(fēng)技術(shù)。海洋氣象漂流浮標(biāo)長(zhǎng)期工作在海面上，受海況影響，浮標(biāo)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)不斷變化，導(dǎo)致測(cè)風(fēng)傳感器傾斜角度也不斷發(fā)生著變化，測(cè)量誤差較大。因此在進(jìn)行海面風(fēng)要素測(cè)量時(shí)，對(duì)漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀(guān)測(cè)很有必要。利用漂流浮標(biāo)實(shí)時(shí)姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，得出傳感器的傾斜角度，對(duì)漂流浮標(biāo)上搭載的測(cè)風(fēng)傳感器測(cè)得的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和誤差補(bǔ)償，使所得數(shù)據(jù)滿(mǎn)足氣象觀(guān)測(cè)業(yè)務(wù)的需要。

傳統(tǒng)的測(cè)風(fēng)方法包括機(jī)械式、熱線(xiàn)式、激光多普勒式等［7］。機(jī)械式測(cè)風(fēng)雖較為普遍，且價(jià)格低廉，但是不符合復(fù)雜海況條件下的觀(guān)測(cè)環(huán)境；熱線(xiàn)式測(cè)風(fēng)具有易攜帶、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但更多用于礦洞等狹窄空間中［8］；激光多普勒式測(cè)風(fēng)儀具有響應(yīng)快速、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是需要人工摻入粒子作為散射中心，并且價(jià)格昂貴［9］。超聲波測(cè)風(fēng)傳感器具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、能適應(yīng)復(fù)雜的觀(guān)測(cè)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，較為適合用來(lái)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量［10-11］。結(jié)合復(fù)雜海況的測(cè)量條件和經(jīng)濟(jì)成本，本文選取了FT742-SM 型超聲波測(cè)風(fēng)傳感器，它采用聲共振技術(shù)（acoustic resonance），體積小，可補(bǔ)償溫度、氣壓和濕度所帶來(lái)的測(cè)量誤差。采用固態(tài)一體化設(shè)計(jì)，無(wú)活動(dòng)零部件，無(wú)需重新標(biāo)定，且采用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化鋁外殼，具有極強(qiáng)的抗物理沖擊性和極高的抗鹽霧腐蝕能力，是專(zhuān)門(mén)為惡劣環(huán)境下測(cè)風(fēng)技術(shù)設(shè)計(jì)的，符合此次海洋氣象漂流浮標(biāo)測(cè)風(fēng)的技術(shù)要求。

1 傳感器傾角解算

本文漂流浮標(biāo)姿態(tài)信息的測(cè)量采用基于陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)九軸測(cè)姿技術(shù)的MPU9050傳感器，根據(jù)它測(cè)量出的四元數(shù)數(shù)據(jù)q0，q1，q2，q3進(jìn)行三個(gè)姿態(tài)角的解算。為便于計(jì)算，本文選用歐拉角內(nèi)旋轉(zhuǎn)模型，即繞載體自身三個(gè)坐標(biāo)軸的三次旋轉(zhuǎn)的復(fù)合作用，各種不同的旋轉(zhuǎn)順序只要滿(mǎn)足任意兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)必須繞著不同的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的原則，即可對(duì)同一時(shí)刻載體的姿態(tài)進(jìn)行正確的描述［12］。本文選用的旋轉(zhuǎn)順序?yàn)閆-X-Y，也稱(chēng)為 “航空次序歐拉角”，旋轉(zhuǎn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 歐拉角旋轉(zhuǎn)示意圖

其中：Oxbybzb為載體坐標(biāo)系，Oxnynzn為地理坐標(biāo)系。定義繞X軸旋轉(zhuǎn)角度稱(chēng)為橫滾角roll，用字母γ表示，取值范圍為±180°；繞Y軸旋轉(zhuǎn)稱(chēng)為俯仰角pitch，用字母θ表示，取值范圍為±90°；繞Z軸旋轉(zhuǎn)稱(chēng)為航向角yaw，用φ表示，取值范圍為：0～360°，各個(gè)旋轉(zhuǎn)正方向滿(mǎn)足右手定則［13］。

歐拉角模型可以十分形象地表述出載體姿態(tài)角在三軸空間中的變化，因此最終的姿態(tài)解算結(jié)果都用歐拉角作為顯式。但是在基于角速度傳感器的姿態(tài)解算過(guò)程中，歐拉角法存在三角函數(shù)計(jì)算問(wèn)題及方程的奇異現(xiàn)象［14-16］，而四元數(shù)法不僅不會(huì)出現(xiàn)方程更新的奇異現(xiàn)象，而且易于計(jì)算。所以，具體的姿態(tài)解算過(guò)程一般轉(zhuǎn)化為四元數(shù)法進(jìn)行計(jì)算［17］。四元數(shù)解算模型的基本思路是：定義一個(gè)繞參考坐標(biāo)系的矢量通過(guò)單次轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，表達(dá)式如下：

式（1）中，i、j、k是虛數(shù)，a是實(shí)數(shù)。其中三個(gè)虛數(shù)i、j、k滿(mǎn)足：

根據(jù)Euler定理和姿態(tài)四元數(shù)的“軸角”表示方法，可設(shè)一空間向量n等效載體旋轉(zhuǎn)方向，由向量n和載體轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ可構(gòu)造四元數(shù)來(lái)表示載體坐標(biāo)方位。這樣就可以用范數(shù)將載體所處的三維空間與四維空間聯(lián)系起來(lái)，然后通過(guò)規(guī)范化后的四元數(shù)來(lái)描述三維空間的旋轉(zhuǎn)。得到式（1）的最簡(jiǎn)形式［18］：

其中：Q為單位旋轉(zhuǎn)四元數(shù)，Q＊為Q的共軛，利用方向余弦矩陣作為轉(zhuǎn)換橋梁，展開(kāi)后可得方向余弦矩陣和四元數(shù)的關(guān)系轉(zhuǎn)換表達(dá)式：

再對(duì)同一姿態(tài)不同的表達(dá)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可得到歐拉角的四元數(shù)表達(dá)式：

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

此次動(dòng)態(tài)環(huán)境下測(cè)風(fēng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谀M海洋動(dòng)態(tài)環(huán)境，對(duì)傳感器姿態(tài)無(wú)規(guī)則變化下的動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和誤差補(bǔ)償，得到更加準(zhǔn)確的風(fēng)速風(fēng)向值，為實(shí)際海況下海洋氣象漂流浮標(biāo)上的測(cè)風(fēng)技術(shù)研究打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將測(cè)姿模塊與超聲波測(cè)風(fēng)傳感器同軸安裝，固定于風(fēng)洞工作段中的垂直托盤(pán)上，隨機(jī)晃動(dòng)托盤(pán)改變傳感器姿態(tài)，以秒數(shù)據(jù)同時(shí)接收實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)和傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)比風(fēng)洞風(fēng)速風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

為方便多次測(cè)量，本文動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)在ZOGLAB（佐格）小型風(fēng)洞中進(jìn)行，測(cè)量過(guò)程如圖2所示，該風(fēng)洞能夠提供最大20m／s的測(cè)試環(huán)境。風(fēng)速測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器為ZOGLAB（佐格）計(jì)量DPM2500精密壓差計(jì)，支持壓差測(cè)風(fēng)，風(fēng)速數(shù)據(jù)可直觀(guān)顯示，實(shí)物圖如圖3所示，風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以超聲波測(cè)風(fēng)傳感器自身無(wú)傾角狀態(tài)下所測(cè)多組風(fēng)向取均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2 動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖3 佐格計(jì)量DPM2500精密壓差計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝。將超聲波測(cè)風(fēng)傳感器與姿態(tài)測(cè)量模塊同軸安裝于實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞測(cè)試段下方的托盤(pán)上，可隨托盤(pán)一體隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速設(shè)置。選擇5m／s、10m／s、15m／s、20m／s四種風(fēng)速測(cè)試環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3）測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、處理與分析。隨機(jī)晃動(dòng)托盤(pán)動(dòng)態(tài)地測(cè)量各種傾角下的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)和姿態(tài)變化數(shù)據(jù)，等風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，連續(xù)讀取8組數(shù)據(jù)和同時(shí)刻風(fēng)洞風(fēng)速風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)值（其中測(cè)試數(shù)據(jù)均取 “秒”數(shù)據(jù)），求出測(cè)量誤差，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析，以便后續(xù)的誤差補(bǔ)償算法研究。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

4種風(fēng)速測(cè)試環(huán)境下姿態(tài)傾角值、超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量值、風(fēng)洞對(duì)比風(fēng)速風(fēng)向值以及誤差值分析如表1～4所示。

表1 5m／s風(fēng)洞風(fēng)速下的測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差

由表1可知，風(fēng)速測(cè)量誤差區(qū)間為-0.61～0.13m／s，風(fēng)向測(cè)量誤差區(qū)間為：-5.7～2.3°。

由表2可知，風(fēng)速測(cè)量誤差區(qū)間為-1.17～0.33m／s，風(fēng)向測(cè)量誤差區(qū)間為：-8.1～-3°。

表2 10m／s風(fēng)洞風(fēng)速下的測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差

由表3可知，風(fēng)速測(cè)量誤差區(qū)間為-1.56m／s～0.09m／s，風(fēng)向測(cè)量誤差區(qū)間為：-9.7～-0.5°。

表3 15m／s風(fēng)洞風(fēng)速下的測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差

由表4可知風(fēng)速測(cè)量誤差值區(qū)間為-2.42～-0.31m／s，風(fēng)向測(cè)量誤差值區(qū)間為：-10.7～7.8°。但是，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)風(fēng)洞風(fēng)速設(shè)為20 m／s時(shí)，風(fēng)速數(shù)據(jù)有突變，后經(jīng)工作人員驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞由于電機(jī)功率問(wèn)題，風(fēng)洞風(fēng)速在超過(guò)18m／s時(shí)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠性得不到保證，因此不再對(duì)20m／s風(fēng)速下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

表4 20m／s風(fēng)洞風(fēng)速下的測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差

對(duì)表1～4 中動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)誤差結(jié)果進(jìn)行處理分析可知：

1）隨著風(fēng)洞風(fēng)速逐漸增大，測(cè)風(fēng)誤差隨之增大，符合FT742-SM 型超聲波測(cè)風(fēng)傳感器測(cè)量規(guī)律；

2）在傾角動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，風(fēng)數(shù)據(jù)測(cè)量不僅受到傾角變化還受到傾角變化速度等因素的影響；

3）風(fēng)速測(cè)量值隨傳感器傾角增大特別是俯仰角的增大而增大，橫滾角的變化對(duì)其影響則不是很大，特別是前后傾斜角度對(duì)其影響較大（傳感器自身有遮擋），并且動(dòng)態(tài)風(fēng)速測(cè)量誤差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值10%，因此需要對(duì)動(dòng)態(tài)風(fēng)速測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償；

4）風(fēng)向測(cè)量誤差范圍在±10°以?xún)?nèi)，誤差較小，但仍可對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以求測(cè)得更加精確的風(fēng)向值。

3.3 動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償

3.3.1 風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償

結(jié)合前文對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)誤差影響因素的分析，將載體的線(xiàn)速度、角速度變化所帶來(lái)的測(cè)量誤差綜合考慮為傳感器姿態(tài)角的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化所帶來(lái)的測(cè)量誤差。由3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知測(cè)量模塊的俯仰角θ和橫滾角γ兩個(gè)因素對(duì)風(fēng)速測(cè)量影響較大。因此，提出使用多變量擬合的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的多組動(dòng)態(tài)傾角下的風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)與風(fēng)洞風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，可得到測(cè)量誤差與俯仰角θ和橫滾角γ的高次多項(xiàng)式，從而得到誤差與這兩個(gè)變量的關(guān)系，對(duì)所測(cè)量的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償［19-20］。

運(yùn)用多變量數(shù)據(jù)擬合的方法，可得：

式中，V表示標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，Vc表示在對(duì)應(yīng)橫滾角和俯仰角下的風(fēng)速值，ΔV為誤差值；其中多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)為lmax＝；Pl為系數(shù)；（m＋n）為多項(xiàng)式最高項(xiàng)，應(yīng)用有限元法離散出K組數(shù)據(jù)l（1），l（2），l（3），…，l（k），相應(yīng)地為俯仰角θ和橫滾角γ標(biāo)上上標(biāo)，將每組數(shù)據(jù)代入式（12）中，可以得到如下方程組：

其中：C和ΔV已知，P未知，該式屬于超定方程組（k＞lmax），解不存在［21-22］。但可以找到一個(gè)特定的P，使得等號(hào)兩端的差值達(dá)到最小，這個(gè)差值可寫(xiě)為：

利用最小二乘法求出其最小二乘解，使其總的平方誤差達(dá)到最小［23-24］。求出式（13）的解［P0P1P2…PlmaxT，代入式（12）可得到多變量擬合表達(dá)式。得到風(fēng)速測(cè)量誤差與俯仰角θ和橫滾角γ之間的關(guān)系，從而對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

在使用式（12）對(duì)誤差進(jìn)行擬合處理時(shí)，選擇m＝n＝2，可得：

選取所測(cè)風(fēng)洞風(fēng)速為10m／s的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多變量擬合誤差補(bǔ)償，根據(jù)所測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)誤差值與對(duì)應(yīng)的俯仰角θ和橫滾角γ值代入式（16），可求出誤差補(bǔ)償多項(xiàng)式的系數(shù)為：

將式（17）所得系數(shù)代入式（12）可得到風(fēng)速多變量擬合表達(dá)式，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后的結(jié)果如表5所示。

表5 10m／s風(fēng)速下誤差補(bǔ)償結(jié)果 m／s

經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后，風(fēng)速測(cè)量誤差結(jié)果區(qū)間為：-0.77～0.13m／s，相較于補(bǔ)償前誤差結(jié)果得到明顯改善。同樣地，分別對(duì)5m／s和15m／s風(fēng)速下測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

選取風(fēng)洞風(fēng)速為5m／s的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行多變量擬合誤差補(bǔ)償，根據(jù)所測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)誤差值與對(duì)應(yīng)的俯仰角θ和橫滾角γ傾斜角度代入式（16），可求出誤差補(bǔ)償多項(xiàng)式的系數(shù)為：

將式（18）所得系數(shù)代入式（12）可得到風(fēng)速多變量擬合表達(dá)式，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后的結(jié)果如表6和圖5所示。

表6 5m／s風(fēng)速下誤差補(bǔ)償結(jié)果 m／s

圖5 5m／s風(fēng)速下誤差補(bǔ)償結(jié)果

經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后，風(fēng)速測(cè)量誤差結(jié)果區(qū)間為：-0.34～0.04m／s，相較于補(bǔ)償前誤差結(jié)果得到明顯改善。

同樣地，求出15m／s風(fēng)速下誤差補(bǔ)償多項(xiàng)式的系數(shù)：

將式（19）所得系數(shù)代入誤差補(bǔ)償多項(xiàng)式（12）可得到風(fēng)速的多變量擬合表達(dá)式，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后結(jié)果如表7和圖6所示。

表7 15m／s風(fēng)速下誤差補(bǔ)償結(jié)果 m／s

圖6 15m／s風(fēng)速下誤差補(bǔ)償結(jié)果

經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后，風(fēng)速測(cè)量誤差結(jié)果區(qū)間為：-1.06～0.01m／s，相較于補(bǔ)償前誤差結(jié)果也得到明顯改善。綜上可知，通過(guò)多變量擬合的方法對(duì)動(dòng)態(tài)風(fēng)速測(cè)量誤差進(jìn)行擬合能夠有效減小測(cè)量誤差。

3.3.2 風(fēng)向測(cè)量數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償

同樣地，對(duì)風(fēng)向測(cè)量誤差（設(shè)為ΔD）與俯仰角θ和橫滾角γ的變化值建立多變量擬合誤差表達(dá)式：

經(jīng)過(guò)所測(cè)得的風(fēng)向數(shù)據(jù)求解出表達(dá)式系數(shù)，利用最小二乘法求出表達(dá)式系數(shù)代入式（20）得到多變量擬合表達(dá)式，從而得出風(fēng)向測(cè)量誤差與俯仰角θ和橫滾角γ之間的關(guān)系，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)風(fēng)風(fēng)向誤差結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

經(jīng)過(guò)校正處理后，風(fēng)向測(cè)量數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償結(jié)果如表8和圖7～9所示。

表8 動(dòng)態(tài)風(fēng)向測(cè)量數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償結(jié)果 （°）

圖7 5m／s風(fēng)速下風(fēng)向誤差補(bǔ)償結(jié)果

圖8 10m／s風(fēng)速下風(fēng)向誤差補(bǔ)償結(jié)果

圖9 15m／s風(fēng)速下風(fēng)向誤差補(bǔ)償結(jié)果

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后，5m／s風(fēng)速下風(fēng)速測(cè)量誤差區(qū)間由-0.61m／s～0.13m／s減小到-0.34～0.04m／s；10m／s風(fēng)速下的風(fēng)速測(cè)量誤差區(qū)間由-1.17～0.33m／s減小到-0.77～0.13m／s；15m／s風(fēng)速下的風(fēng)速測(cè)量誤差區(qū)間由-1.56～0.09m／s減小到-1.06～0.01m／s。相較于補(bǔ)償前風(fēng)速測(cè)量誤差結(jié)果均得到明顯改善。對(duì)于風(fēng)向測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后，風(fēng)向測(cè)量誤差整體有所減小。總體呈現(xiàn)出測(cè)試點(diǎn)誤差較大時(shí)補(bǔ)償效果較好，測(cè)試點(diǎn)誤差較小時(shí)補(bǔ)償效果不太好，甚至有所增大，但是經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后誤差效果整體更優(yōu)。綜上可知，通過(guò)多變量擬合法對(duì)動(dòng)態(tài)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償能夠有效減小測(cè)量誤差。

4 真風(fēng)訂正算法設(shè)計(jì)

漂流浮標(biāo)的工作場(chǎng)所在海上，在動(dòng)態(tài)海況條件下，裝載于漂流浮標(biāo)上的超聲波測(cè)風(fēng)傳感器測(cè)量出的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)并不是自然情況下的真實(shí)值。經(jīng)過(guò)前面動(dòng)態(tài)環(huán)境下測(cè)風(fēng)誤差補(bǔ)償后，還應(yīng)該考慮由漂流浮標(biāo)隨洋流移動(dòng)速度、方向的影響。當(dāng)然，根據(jù)需要有時(shí)還需考慮由海面湍流等因素造成的浮標(biāo)體旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的測(cè)風(fēng)誤差。

將漂流浮標(biāo)上搭載的超聲波測(cè)風(fēng)傳感器所測(cè)風(fēng)速風(fēng)向值，結(jié)合姿態(tài)測(cè)量模塊所測(cè)出的漂流浮標(biāo)姿態(tài)信息，經(jīng)過(guò)測(cè)風(fēng)誤差補(bǔ)償后，還應(yīng)再結(jié)合漂流浮標(biāo)上安裝的GPS定位系統(tǒng)所測(cè)出的浮標(biāo)漂流速度和漂流方向進(jìn)行真風(fēng)訂正計(jì)算，最終得到海面真實(shí)風(fēng)速風(fēng)向值。

綜上，可得真風(fēng)計(jì)算公式：

根據(jù)平行四邊形法則定理，由下列公式便可得出真實(shí)風(fēng)速風(fēng)向值：

式中，DV為視風(fēng)風(fēng)向；SV為視風(fēng)風(fēng)速；SS為船風(fēng)風(fēng)速；ST為真風(fēng)風(fēng)速；DS為船風(fēng)風(fēng)向；DT為真風(fēng)風(fēng)向。

將前面誤差補(bǔ)償后的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)與真風(fēng)訂正算法相結(jié)合，便可以得到如下海洋漂流浮標(biāo)測(cè)風(fēng)算法流程：

1）采集漂流浮標(biāo)上超聲波測(cè)風(fēng)傳感器所測(cè)實(shí)時(shí)風(fēng)速Vc和風(fēng)向Dc的值，以及同軸安裝測(cè)姿模塊所測(cè)同時(shí)刻的俯仰角θ和橫滾角γ的值；

2）得出實(shí)時(shí)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量誤差與對(duì)應(yīng)時(shí)刻傳感器俯仰角θ和橫滾角γ的多變量誤差補(bǔ)償表達(dá)式；

3）應(yīng)用有限元法和最小二乘法得到誤差補(bǔ)償表達(dá)式的系數(shù)，從而得到補(bǔ)償后的風(fēng)速Sv和風(fēng)向Dv的值；

4）最后，根據(jù)GPS定位系統(tǒng)所測(cè)得的“船風(fēng)”風(fēng)速Ss和風(fēng)向Ds值，結(jié)合真風(fēng)訂正算法求出真實(shí)海況下的風(fēng)速風(fēng)向值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文模擬海洋動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)環(huán)境，分別對(duì)5 m／s、10 m／s和15m／s風(fēng)速下的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行觀(guān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)傳感器俯仰角θ和橫滾角γ對(duì)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量影響最大。于是，提出使用多變量擬合的方法對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的多組動(dòng)態(tài)傾角下的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量數(shù)據(jù)與風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，建立了測(cè)量誤差與俯仰角θ和橫滾角γ的誤差補(bǔ)償多項(xiàng)式，從而得到誤差值與這兩個(gè)變量的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。對(duì)比補(bǔ)償前后的數(shù)據(jù)，風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后誤差明顯減小，風(fēng)向測(cè)量值經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，準(zhǔn)確度也有了較大提高，可以作為海洋氣象漂流浮標(biāo)測(cè)風(fēng)技術(shù)誤差補(bǔ)償方法使用。該誤差補(bǔ)償算法在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段數(shù)據(jù)較為可靠，但仍可增加其他誤差補(bǔ)償方法與之進(jìn)行對(duì)比，得出更優(yōu)的補(bǔ)償方法。最后，結(jié)合真風(fēng)訂正算法設(shè)計(jì)了真實(shí)海況下漂流浮標(biāo)測(cè)風(fēng)算法總的測(cè)試流程，為后續(xù)真實(shí)海況下漂流浮標(biāo)測(cè)風(fēng)提供技術(shù)支撐。