Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов и средств измерений параметров морского волнения и их метрологического обеспечения. Постановка задачиисследования 10
1.1 Математическое описание морского волнения 10
1.2 Анализ принципов и особенностей работы ВБ различных типов, современное состояние развития ВБ 15
1.3 Микромеханические датчики и модули для использования в ВБ и методы оценки их характеристик 26
1.4 Особенности метрологического обеспечения измерений параметров волнения 31
1.5 Выводы к главе и постановка задачи исследования 33
Глава 2. Оценка точности измерений параметров волнения на основе исследования модели функционирования ВБ с микромеханическим инерциальным измерительным модулем 35
2.1 Постановка задачи исследования 35
2.2 Обоснование метода расчета ординат возвышений и статистических характеристик волнения 37
2.3 Исследование характеристик микромеханических датчиков, входящих в состав ВБ 39
2.4 Алгоритм выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем 47
2.5 Оценка точности измерений параметров движения ИИМ 2.5.1 Разработка алгоритма и модели для оценки погрешностей ИИМ 56
2.5.2 Оценка погрешности алгоритма выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем ВБ на основе разработанной модели 61
2.5.3 Оценка погрешности выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем ВБ с учетом особенностей датчиков на основе разработанной модели 2.6 Исследование алгоритма расчета статистических характеристик 81
2.7 Формирование требований к погрешностям датчиков ВБ для обеспечения гарантированной точности определения параметров морского трехмерного волнения 95
2.8 Выводы к главе 2 100
Глава 3. Разработка экспериментальных методов оценки точности измерений параметров волнения. Оценка суммарной погрешности измерений параметров трехмерного волнения с помощью ВБ 102
3.1 Постановка задачи исследования 102
3.2 Разработка методов оценки динамических погрешностей микромеханических датчиков и модулей на их основе
3.2.1 Метод оценки динамических погрешностей микромеханических датчиков и модулей на основе воспроизведения колебаний в заданном спектре частот 102
3.2.2 Метод оценки частотных характеристик датчиков угловой скорости при воздействии линейных ускорений
3.3 Разработка метода экспериментальной оценки точности алгоритмов определения параметров волнения по данным от инерциального измерительного модуля 112
3.4 Анализ составляющих погрешности измерений параметров морского волнения с помощью ВБ на микромеханическом модуле 115
3.5 Метод оценки суммарной погрешности измерений параметров морского волнения 121
3.6 Выводы к главе 3 122
Глава 4. Использование разработанных методов оценки точности измерений параметров трехмерного волнения при разработке ВБ «Шторм» 123
4.1 Постановка задачи 123
4.2 Описание ВБ «Шторм» 123
4.3 Исследование гидродинамических характеристик вертикальных и угловых колебаний первичного преобразователя ВБ «Шторм» 126
4.4 Экспериментальная оценки характеристик инерциального измерительного модуля ВБ «Шторм» 129
4.5 Натурные исследования метрологических характеристик ВБ «Шторм» 131
4.6 Метод проектирования ВБ на микромеханическом модуле для обеспечения гарантированной точности измерений статистических параметров морского волнения 137
Заключение 139
Список литературы
- Анализ принципов и особенностей работы ВБ различных типов, современное состояние развития ВБ
- Обоснование метода расчета ординат возвышений и статистических характеристик волнения
- Метод оценки динамических погрешностей микромеханических датчиков и модулей на основе воспроизведения колебаний в заданном спектре частот
- Описание ВБ «Шторм»
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследования.
Волномерные буи (ВБ) предназначены для измерений статистических и спектральных характеристик волнения. С их помощью решается множество задач в интересах различных областей морской техники, которые позволяют прогнозировать и учитывать текущее состояние волнения моря. Информация о волнении необходима для обеспечения безаварийной работы морских портов, нефтяных платформ на шельфах морей и океанов, плантаций аквакультуры, обеспечения судоходства и решения задач ВМФ.
Особенностью измерения волнения волномерными буями является то, что первичным преобразователем прибора является непосредственно буй. В качестве промежуточных преобразователей, измеряющих параметры движения ВБ, используются гидростатические датчики давления, вертикальные акселерометры, устанавливаемые на стабилизированной платформе, инерциальные модули на основе пьезоэлектрических вибрационных гироскопов, системы GPS и др. Активное развитие микромеханических инерциальных датчиков позволило перейти к созданию ВБ, использующего для решения задачи его ориентации микромеханический инерциальный измерительный модуль (НИМ). Применение микромеханических ИИМ в ВБ является чрезвычайно перспективным. Указанные преобразователи позволяют уменьшить энергопотребление, габариты, массу ВБ, повысить надёжность прибора и увеличить его ресурс, при этом суммарная погрешность измерения параметров волнения не увеличивается в сравнении с известными приборами. По существу, анализ конструктивных особенностей, характеристик и эксплуатационных возможностей таких ВБ говорит о переходе к разработке приборов нового поколения, имеющих комплекс преимуществ перед известными.
В настоящее время ВБ, как правило, изготавливаются транснациональными фирмами-производителями - Datawell BV, FUGRO (Нидерланды), Axys Technologies Inc. (Канада), Jove Sciences Inc. (США). При этом их технические описания часто носят рекламный характер и не отражают действительных метрологических характеристик. Производители зачастую нормируют характеристики только приборного блока, а не ВБ в целом, поскольку методы оценки точности измерений параметров волнения с помощью ВБ слабо разработаны.
Таким образом, разработка метода проектирования и оценки точности ВБ на основе микромеханического ИИМ является актуальной задачей.
Целью работы является научное обоснование и разработка метода проектирования и алгоритмов функционирования ВБ с микромеханическим инерциальным модулем для обеспечения требуемой точности измерений
статистических параметров трехмерного морского волнения, а также методов контроля метрологических характеристик ВБ при их изготовлении.
Комплекс задач, необходимый для выполнения поставленной цели, включает в себя:
разработку модели функционирования ВБ с микромеханическим ИИМ;
разработку метода расчета ординат возвышений и расчета статистических параметров волнения;
оценку точности выработки статистических параметров волнения с помощью ИИМ на основе исследования разработанной модели функционирования ВБ;
формирование требований к датчикам ИИМ для обеспечения необходимой точности измерений параметров волнения;
разработку экспериментальных методов оценки динамических погрешностей ИИМ и расчета статистических параметров волнения;
расчет суммарной погрешности измерений параметров волнения с помощью ВБ на основе микромеханического ИИМ;
верификацию результатов аналитических исследований на основе лабораторных и натурных испытаний опытного образца ВБ;
формирование метода проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ, имеющего заранее заданную точность измерения статистических параметров трехмерного волнения.
Научная новизна работы заключается в том, что:
разработана модель функционирования ВБ с микромеханическим ИИМ, учитывающая характеристики датчиков и позволяющая оценить погрешность расчета параметров движения ВБ и статистических параметров волнения;
сформирован метод проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ для обеспечения требуемой точности измерений статистических параметров трехмерного морского волнения;
разработан комплекс методов оценки динамических погрешностей и характеристик микромеханических датчиков и модулей, адаптированных для лабораторных испытаний ИИМ ВБ.
Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании алгоритмов функционирования и создании метода проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ, а также разработке методов контроля точности измерений параметров морского волнения.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методы и алгоритмы были использованы при проектировании опытного образца ВБ «Шторм», проводившемся в рамках ОКР по заказу Министерства Промышленности и торговли Российской Федерации. Кроме того, сформированные в работе рекомендации позволят проектантам создавать ВБ с заданными метрологическими характеристиками. Результаты исследований
могут быть использованы при создании новых комплексов оборудования для измерения и прогнозирования волнения, что обеспечит импортозамещение в данной области.
Методология и методы исследования. В работе использовались основные положения теории измерений, инерциальной навигации, теории автоматического управления, гидродинамики и математической статистики. Математическое моделирование, расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнены на компьютере с помощью программного обеспечения MatLab.
На защиту выносятся:
модель функционирования ВБ с микромеханическим ИИМ, учитывающая характеристики датчиков и позволяющая оценить погрешность расчета параметров движения ВБ и статистических параметров волнения;
алгоритмы постобработки данных от ИИМ ВБ для расчета статистических характеристик трехмерного волнения;
комплекс экспериментальных методов лабораторных исследований точности ИИМ ВБ;
метод проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ, обеспечивающего требуемую точность измерений статистических параметров трехмерного морского волнения.
Степень достоверности научных и практических результатов подтверждается использованием обоснованных методов исследования и сопоставлением результатов моделирования с результатами стендовых и натурных испытаний опытного образца ВБ.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на XIII-XVII конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (Санкт-Петербург, 2011 - 2015 гг.), на Четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях «СУДОМЕТРИКА-2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.), на международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК, получено 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Общий объем диссертации составляет 153 страницы, в тексте имеется 71 рисунок, 16 таблиц, список литературы содержит 43 наименования.
Анализ принципов и особенностей работы ВБ различных типов, современное состояние развития ВБ
Волномерные буи могут быть предназначены как для измерения только статистических характеристик волнения, получаемых путем обработки реализаций волновых ординат, так и для исчерпывающих – статистических и спектральных характеристик, для получения которых необходимо измерять и волновые ординаты, и углы волнового склона в географической системе координат.
Все существующие методы измерения статистических характеристик волнения с помощью ВБ основаны на преобразовании в электрический сигнал следующих физических величин [9]: 1. Ускорения при движении ВБ по водной поверхности. К этому классу относятся ВБ, использующие в качестве датчика акселерометр, стабилизированный по вертикали. Двойное интегрирование сигнала с датчика позволяет получить значения волновых возвышений. Данные буи получили самое широкое распространение в мировой практике. 2. Скорости при движении ВБ по водной поверхности.
В буях этой группы в качестве датчика используется гидрометрическая вертушка. При подъёме датчика вслед за буем на лопасти вертушки набегает поток воды, в результате чего она вращается. Вращение формируется в электрический сигнал, интегрирование которого дает информацию об ординатах волновых возвышений. 3. Давления, пропорционального ординатам возвышений водной поверхности.
К этому классу устройств относятся буи с гидростатическим датчиком давления, установленным в гондоле, соединенной с корпусом буя с помощью кабель-троса. В связи с простотой конструкции этот тип ВБ также получил широкое распространение.
Для измерения спектральных характеристик волнения в ВБ применяют: – инерциальный измерительный модуль на основе триад гироскопов и акселерометров, дополненных магнитометром для определения направления на магнитный Север. Применение модулей различных модификаций предоставляет потребителю широкий выбор приборов в зависимости от требуемой точности, стоимости, надежности, массогабаритных характеристик и пр. Однако создание ВБ с инерциальным модулем требует разработки специальных алгоритмов обработки измерительной информации. – GPS технологии, с помощью которых возможно определять ординаты волновых возвышений и направление распространения волн. Однако, несмотря на простоту конструкции и значительное снижение количества входящих в состав ВБ конструктивных элементов, устройства имеют и недостатки: сложность алгоритмов обработки данных от спутников и нарушение работоспособности при заливании антенны GPS водой или сильных наклонах ВБ. – вертикальный акселерометр, стабилизированный в горизонте. Двойное интегрирование сигнала акселерометра позволяет получить информацию о волновых ординатах, а данные системы стабилизации позволяют рассчитать углы волнового склона. Данный тип приборов широко распространен в мировой практике, однако, наличие значительного количества механических элементов, а также сложность конструкции и ее обслуживания не позволяет говорить о высокой надежности подобного класса ВБ.
В настоящее время лидерами производства ВБ для определения параметров морского волнения являются зарубежные компании, в частности голландская компания Datawell BV [40]. В настоящее время компания выпускает широкий спектр измерительного оборудования, предназначенного для всестороннего контроля состояния поверхности моря, и контролирует практически мирового рынка приборов подобного назначения. Наиболее распространенным измерительным модулем является блок Hippy 40, предназначенный для измерения вертикальных перемещений и углов качки. В данном блоке акселерометр для измерения вертикальных ускорений размещен на стабилизированной платформе с периодом собственных колебаний 40 с, представляющей собой демпфированный маятник. Сигналы вертикального ускорения дважды интегрируются и преобразуются в перемещение, а информация об углах волнового склона вырабатывается благодаря наличию стабилизированной платформы. На базе датчика Hippy 40 компания Datawell BV выпускает ВБ Directional Waverider MkIII [38] и его различные модификации – Directional Waverider DWR4/ACM, DWR-G4, Waverider SG. Отметим, что буи этой фирмы могут оснащаться системой электропитания на солнечных батареях, что значительно повышает их автономность.
Одним из наиболее современных образцов ВБ, выпускаемых компанией Datawell BV, является ВБ Waverider DWR-G [31]. Он предназначен для измерения статистических характеристик волнения и параметров двухмерного спектра. Буй имеет шарообразный корпус, в котором размещены приборный блок и аккумуляторные батареи. Общий вид ВБ Waverider DWR-G представлен на рис. 1.5, а его основные характеристики – в таблице 1.1.
Обоснование метода расчета ординат возвышений и статистических характеристик волнения
На основе рассчитанных начальных параметров ориентации (курс, крен, дифферент) определяется начальное значение кватерниона L0 и начальное значение матрицы направляющих косинусов Со, определяющих ориентацию OXYZ относительно OENh.
По данным от спутниковой системы о широте и долготе места проведения измерений рассчитывается начальное значение кватерниона Qo, определяющего ориентацию OENh относительно OgrjC .
Зная начальные значения кватернионов ориентации L0 и Q0 можно рассчитать начальное значение кватерниона Go, определяющего ориентацию OXYZ относительно O TJC , как кватернионное произведение.
На этом алгоритм определения начальных условий завершен. Рассчитанные начальные значения необходимы для работы основного алгоритма и системы коррекции на первом шаге интегрирования.
Входными данными для основного алгоритма расчета параметров ориентации являются показания гироскопов OmX, OmY, OmZ по трем осям в системе координат, связанной с объектом, и сигналы коррекции dOmX, dOmY, dOmZ в осях OXYZ, вырабатываемые системой коррекции. На их основе формируются скорректированные сигналы гироскопов GX,GY,GZ, по которым на каждом шаге интегрирования рассчитывается вектор конечного поворота (ВКП) fX, fY, fZ в проекциях на оси OXYZ. На основании расчета ВКП определяется кватернион Н конечного поворота объекта относительно инерциального пространства на шаге интегрирования. По рассчитанному значению кватерниона Н определяется приращение кватерниона G, определяющего ориентацию OXYZ относительно O rjC, как произведение значения кватерниона G на предыдущем шаге интегрирования и его малого приращения Н, при этом обеспечивается нормировка кватерниона G. Gi = Gi_iHKl-Gi_i) (2.12) По данным об инерциальной долготе на предыдущем шаге работы алгоритма и широте места рассчитывается кватернион, обратный кватерниону Q, R=Q_1, определяющий ориентацию OfrC относительно OENh.
По значениям кватернионов G и R рассчитывается кватернион L и матрица направляющих косинусов С, определяющие ориентацию OXYZ относительно OENh. Углы ориентации рассчитываются через элементы матрицы направляющих косинусов С по следующим формулам у/ = arctg JT a -с e = arctg -; (2.13) с33 K = 2arctg Рассчитанные параметры ориентации служат одновременно и выходными параметрами алгоритма работы ИИМ и входными данными для системы коррекции, которая формирует сигналы для коррекции показаний гироскопов.
Система коррекции работает следующим образом (рис. 2.7). На основе вычисленных углов ориентации, рассчитывается матрица направляющих косинусов С1, определяющая ориентацию OXYZ относительно ортодромической системы координат OElNlhl. На вход системы коррекции также поступают измерения от акселерометров и магнитометра в осях OXYZ. Используя матрицы С и С1 эти входные данные переводятся в оси OENh и OElNlhl соответственно. Рассчитанный по показаниям магнитометров магнитный курс и ускорение поступают в блок, который вырабатывает сигналы коррекции угловой скорости в осях OENh. Преобразование через обратную матрицу С1т позволяет перевести эти
4+с22 сигналы в систему координат, связанную с объектом. Полученные сигналы коррекции учитываются в измерениях от гироскопов, которые являются входными для основного алгоритма работы ИИМ. То есть система коррекции работает с привлечением данных о линейных ускорениях в системе координат, развернутой на угол курса относительно системы координат с географической ориентацией осей.
Отметим, что одним из выходных параметров приведенного алгоритма является вертикальное ускорение объекта. Однако, как было отмечено в разделе 2.2, для расчета статистических характеристик параметров волнения обработке подвергается вертикальное перемещение ВБ - реализации ординат волновых возвышений. Для их получения необходимо производить двойное интегрирование вертикального ускорения ВБ при движении по взволнованной поверхности. Интегрирование возможно производить двумя методами - во временной и частотной областях.
При двойном интегрировании гармонического сигнала x=Asind t во временной области выходной сигнал примет вид y=((A-smcotdt=-—smcot о? Таким образом, при изменении частоты входного сигнала в п раз, амплитуда выходного сигнала изменяется в 1/п2 раз. Известно, что применение интегрирующего звена второго порядка для получения перемещения нецелесообразно, в связи с тем, что оно имеет ЛАЧХ с наклоном -40 дБ/дек в области нулевых частот [15]. То есть звено будет производить интегрирование не только полезного сигнала, но и шумов, что приведет к накоплению погрешности. В связи с этим в инерциальных системах данные о линейной скорости объекта берут от лагов, лотов, одометров и других источников информации.
Вертикальный канал является неустойчивым вследствие наличия погрешностей начальных значений положения объекта и его вертикальной скорости. Для обеспечения работы алгоритма двойного интегрирования в течение длительного времени без насыщения и исключения из процесса интегрирования шумов, ЛАЧХ системы должна иметь вид, представленный на рисунке 2.8. При этом, рабочая полоса частот, в которой производится двойное интегрирование лежит от 1 до 2 о
Блок-схема алгоритма расчета вертикального перемещения представлена на рисунке 2.9. Входными данными является рассчитанное в алгоритме работы ИИМ вертикальное ускорение в осях, связанных с объектом, а выходными данными – информация о вертикальном перемещении объекта.
Вертикальное ускорение ah 1 2 3 Вертикальное перемещение h т2п T„sTns + \ Thhs +1 T s + l Thh W T2ns2 +2mlTns + \ W Рисунок 2.9 - Блок-схема алгоритма расчета вертикального перемещения Колебательное звено 1 с постоянной времени Тп имеет ЛАЧХ с наклоном -40дБ/дек в области частот со — и является фильтром нижних частот, а дифференцирующее звено 2 с постоянной времени Тп имеет ЛАЧХ с наклоном + 20дБ/дек в области частот со и является фильтром высоких частот. Таким Тп образом, применение этих звеньев с одинаковой постоянной времени обеспечивает требуемую ЛАЧХ вертикального канала. Включение в схему интегро-дифференцирующего звена 3 позволяет осуществлять демпфирование системы.
Метод оценки динамических погрешностей микромеханических датчиков и модулей на основе воспроизведения колебаний в заданном спектре частот
Из графиков видно, что углы крена и дифферента рассчитываются с одинаковой точностью, и при этом СКО погрешностей их расчета с учетом смещения нулей гироскопов и акселерометров и при условии отсутствия шумовых составляющих датчиков не превосходит 0,5. То есть смещения нулей гироскопов и акселерометров в равной степени влияют на точность выработки параметров ориентации.
При оценке погрешности выработки вертикального ускорения в режимах 4 и 5 моделирования получены графики СКО погрешности определения вертикального ускорения, представленные на рисунке 2.30. Из рисунка видно, что смещения нулей гироскопов в меньшей степени оказывают влияние на точность расчета вертикального ускорения, в то время как смещение нулей акселерометров более чем на порядок увеличивает погрешность расчета. Однако при этом погрешность в определении вертикального ускорения находится на уровне тысячных долей м/с2. СКО погрешности расчета вертикального ускорения
При одновременном задании смещения нулей и гироскопов, и акселерометров (режим 6 таблицы 2.6) характер погрешности выработки углов ориентации соответствует режиму задания смещения нулей гироскопов (рис. 2.31), а характер погрешности выработки вертикального ускорения – режиму задания смещения нулей акселерометров (рис. 2.32), что соответствует логике работы БИНС.
СКО погрешности выработки углов ориентации с учетом одновременного задания смещения нулей гироскопов и акселерометров Рисунок 2.32 – СКО погрешности выработки вертикального ускорения с учетом одновременного задания смещения нулей гироскопов и акселерометров
Таким образом, в реальном режиме работы ИИМ при наличии смещения нулей гироскопов и акселерометров, входящих в его состав, СКО погрешности выработки углов ориентации составляет 0,5, а СКО погрешности определения вертикального ускорения составляет 0,003 м/с2.
При моделировании режима 7 таблицы 2.6 при одновременном задании шумовых составляющих и смещения нулей гироскопов и акселерометров получены расчетные значения СКО погрешности выработки углов крена, дифферента (рисунок 2.33) и вертикального ускорения (рисунок 2.34). Из графика на рис. 2.33 видно, что характер зависимости погрешности расчета углов ориентации от частоты входного сигнала определяется смещением нулей гироскопов, входящих в состав ИИМ. При этом СКО выработки углов крена и дифферента не превосходит 0,5. Из графика на рис. 2.34 можно сделать вывод, что погрешность расчета вертикального ускорения не превосходит 0,0022 м/с2. Рисунок 2.33 – СКО погрешности выработки углов ориентации с учетом одновременного задания шумов и смещения нулей гироскопов и акселерометров
Проведем исследование точности работы алгоритма расчета вертикального перемещения с учетом погрешностей гироскопов и акселерометров. При моделировании помимо фазовых сдвигов при расчете вертикального перемещения наблюдаются колебания рассчитанных значений относительно среднего уровня. При этом наибольшие колебания рассчитанных данных проявлялись при наличии смещения нулей и шумовых составляющих погрешностей акселерометров. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, шумовые составляющие погрешности датчиков приводили к наибольшей погрешности при расчете вертикального ускорения. Во-вторых, наличие низкочастотного дрейфа показаний акселерометров при двойном интегрировании вертикального ускорения, приводит к значительным погрешностям в определении вертикального перемещения.
Относительная погрешность расчета волновых возвышений с учетом различных составляющих погрешностей гироскопов и акселерометров Из графиков видно, что наименьшее влияние на точность расчета вертикального перемещения оказывают шумы и смещения нулей гироскопов. Наименьшая точность расчета волновых возвышений достигается при одновременном наличии всех составляющих погрешностей датчиков, входящих в состав ВБ, при этом наибольший вклад вносят погрешности акселерометров. Погрешности на высоких частотах обусловлены тем, что согласно (2.14) им соответствуют малые высоты волн (единицы сантиметров), поэтому даже небольшие абсолютные погрешности в определении вертикального ускорения приводят к значительным относительным величинам. Полученные результаты показывают, что погрешность расчета волновых возвышений находится на недопустимом уровне. В связи с этим использование предложенного алгоритма без дополнительной обработки данных для расчета статистических параметров морского волнения невозможно.
Отметим, что одним из вариантов уменьшения погрешности расчета вертикального перемещения является применение самонастраивающегося интегрирующего устройства [11]. Поскольку частоты качки могут варьироваться от 0,05 Гц до 1 Гц при ударе волны по корпусу ВБ, то переходные процессы при постоянных параметрах интегратора могут быть большой длительности и амплитуды. Чтобы обеспечить самонастройку параметров интегрирующего устройства необходимо вычислять спектр вертикального ускорения и определять частоту его максимума, в зависимости от которой выбираются параметры интегратора. Подобный подход применим как в режиме работы прибора в условиях реального времени, так и при реализации режима постобработки данных.
Отметим также, что погрешность в расчете вертикального перемещения в основном обусловлена колебаниями рассчитанных значений относительно среднего уровня. При постобработке данных для расчета статистических параметров волнения это возможно компенсировать путем центрирования реализаций, что позволит значительно снизить погрешности расчета параметров волнения. 2.6 Исследование алгоритма расчета статистических характеристик
Очевидно, что в условиях записи параметров движения ВБ за интервал времени 15 – 20 мин. увеличение точности измерения параметров волнения может быть достигнуто путём постобработки результатов измерений. Учитывая, что измеряемый процесс волнения является центрированным, следует отцентрировать реализацию вертикальных возвышений. Впервые алгоритм центрирования реализаций волновых возвышений был предложен при обработке реальных данных, полученных с ВБ с гидростатическим датчиком [9]. На рисунке 2.36 представлена запись волновых ординат (волнограмма) при волнении в 4 балла. Из рисунка видно, что на волнограмме наблюдается низкочастотный тренд в начале записи, который обусловлен дрейфом характеристик датчика. Выделить подобные составляющие возможно с помощью спектра, построенного по записанным данным. Предлагаемый алгоритм центрирования аналогичен методу скользящего среднего, при котором варьируется окно и интервал осреднения.
Описание ВБ «Шторм»
Из приведенных графиков видно, что частоты волн, в которых вертикальная качки буя может вносить погрешность в измерения волнения, превышают 3,5 рад/с, что соответствует волнению в 1 балл по шкале ГУГМС-53. Высоты волн 3%-обеспеченности при такой балльности не превышают 0,25 м. Влиянием АЧХ буя на измерение ординат волн и углов волнового склона при таком волнении можно пренебречь. По угловым колебаниям ВБ «Шторм» имеет период собственных колебаний 2,04 с и наименьшее влияние качки буя на измерения приходятся на диапазон от 0 до 2 рад/с, что соответствует волнению в 3 балла и выше. Полученные характеристики позволяют сказать, что ВБ «Шторм» применим для измерения морского волнения начиная с 2-3 баллов по шкале ГУГМС-53.
Полученные АЧХ по вертикальной и угловой качке можно применять для корректировки результатов измерений при построении двухмерного спектра трехмерного волнения.
Целью испытаний являлось экспериментальное определение работоспособности и точностных характеристик измерительного модуля ВБ. Испытания разработанного ИИМ производились на стенде вертикального перемещения (СВП) и двухстепенном стенде угловых колебаний «Кречет». СВП позволяет задавать вертикальное перемещение платформы, изменяющееся по гармоническому закону в диапазоне амплитуд от 0 до 2,7 м с периодами от 13,9 до 200 с. Двухстепенной стенд «Кречет» позволяет задавать угловое движение платформы, изменяющееся по гармоническому закону в диапазонах ±45 для бортовой и килевой качки.
Испытания на СВП производились с целью оценки точности выработки вертикального перемещения ИИМ. В таблице 4.2 приведены расчетные значения СКО погрешности ИИМ ан при различных режимах работы СВП. При этом постоянная времени канала двойного интегрирования выбиралась равной Тп=25 с, постоянная времени гировертикали - Т=12 с для всех режимов испытаний.
Из таблицы 4.2 видно, что с увеличением периода качки увеличивается точность расчета вертикального перемещения ИИМ. Это подтверждает полученный по результатам аналитических исследований вывод, что постоянная времени вертикального канала должна выбираться в соответствии с параметрами измеряемого волнения: чем меньше балльность волнения (и, соответственно, средний период), тем меньше должна быть постоянная времени Тп. Испытания на двухстепенном стенде угловых колебаний «Кречет» производились с целью оценки точности выработки углов качки ИИМ. В таблице 4.3 приведены расчетные значения СКО погрешности ИИМ аБК и аш бортовой и килевой качки при различных режимах работы стенда. При этом постоянная времени гировертикали выбиралась равной Т=12 с для всех режимов испытаний.
Результаты испытаний на двухстепенной стенде качки подтвердили выводы, полученные аналитическим путем, о том, что СКО погрешности выработки углов крена и дифферента при Т=12 с не превосходит 0,3. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность разработанных алгоритмов ИИМ и рассчитанную в главе 3 погрешность.
В настоящее время отсутствуют процедуры эталонирования параметров измерения морского волнения. В связи с этим для подтверждения характеристик ВБ «Шторм» были проведены натурные сравнительные испытания, предполагавшие сличение результатов измерений, полученных с помощью разработанного ВБ, и данных от волнографов, имеющих другой принцип работы. В качестве таких приборов были выбраны струнный волнограф, закрепленный на неподвижном основании, и ВБ Waverider DRW-G, характеристики и описание которого приведены в разделе 1.2 главы 1. Для проведения натурных исследований была выбрана морская платформа экспериментального отделения Морского гидрофизического института, расположенная в пос. Кацивели, республика Крым [22]. Эта платформа является уникальным сооружением не только на территории России, но и в мире. Она установлена в 700 м. от берега на стальных фермах, стоящих на дне акватории глубиной 35 м. Струнный волнограф был закреплён на ферме платформы, проницаемой волнами, а ВБ заякорены рядом с ней.
Сравнительные исследования волнографов трёх типов проводились осенью 2014 г. По результатам записей волнограмм оценивались статистические и спектральные характеристики волнения, полученные от сравниваемых приборов. В результате испытаний получено 85 волнограмм при волнении от 1 до 5 баллов. Отметим, что при проведении исследований наблюдались сбои в работе всех трёх приборов, в результате чего не удалось произвести сравнения параметров волнения, записанных буями с записями струнного волнографа на интенсивном волнении.
Струнный волнограф и ВБ «Шторм» измеряют ординаты волновых возвышений, при этом в алгоритме функционирования ВБ «Шторм» заложены постоянные времени, полученные на основании аналитического исследования (раздел 2.5 главы 2). Полученные записи волновых ординат подвергались статистической обработке в соответствии с алгоритмом, разработанным в разделе 2.6 главы 2, для расчета высоты волны трехпроцентной обеспеченности h3o/o, средней высоты hср и среднего периода волн Тср.
В отличие от ВБ «Шторм» и струнного волнографа, ВБ Waverider DWR-G в соответствии с руководством по эксплуатации выдает информацию о значительной высоте волны гіш. Под значительной высотой волны понимается средняя высота 1/3 наибольших волн в рассматриваемой совокупности. По распределению Рэлея эта величина имеет обеспеченность 13,5% и связана с высотой волны трехпроцентной обеспеченности следующим соотношением [30]: