船舶运动状态下风速风向测量补偿与数字仿真

为了研究船舶运动状态下的风速风向精确测量,设计了一种船舶风速风向动态测量及误差补偿的数字仿真系统。通过对船舶航行状态下的风速风向测量原理进行分析,建立了船舶平面运动的相对风速风向和真风风速风向的解算模型,并根据船舶空间运动的风速风向测量及其误差补偿算法,对船舶横摇、纵摇状态下的风速风向的动态测量和误差补偿进行了数字仿真。数字仿真结果表明,该方法能够消除船舶航行时的运动姿态对风速风向测量带来的影响,为船舶的操纵控制和航行安全提供了精确和可靠的风速风向数据信息。     

基于海洋气象漂流浮标的动态测风技术研究

利用海洋气象漂流浮标对海洋风数据进行观测具有成本低、可抛弃性的优势,然而,海洋气象漂流浮标在海上动态观测环境中传感器倾角不断变化且改变速度不确定,引起了较大的测量误差;针对这一问题,搭建了模拟海洋动态环境的测风实验平台,选用FT742-SM型超声波测风传感器对风速风向数据进行测量,并利用欧拉角模型和四元数模型对测风传感器姿态变化时的三个倾角进行解算;通过多次实验数据对比分析,发现传感器俯仰角θ和横滚角γ对风速风向测量影响最大,进而提出了多变量拟合的方法对所测风速风向数据进行误差补偿,补偿后的数据准确性得到了较大的提升;最后,结合真风订正算法设计了漂流浮标测风算法总流程,为后续的海洋气象漂流浮标测风提供了很好的参考价值。     

舰船消磁远程动态航向船位测量系统设计

针对动态测磁需要对舰船进行远程高精度航向和位置测量的问题,利用载波相位实时动态差分技术,以及无线远程数据传输技术,提出并建立了一套基于GPS RTK技术的远程动态航向船位测量系统;在远程流动站采用RTK技术对航向进行解算后,再用数据链将解算结果和载波相位原始观测量传回数据处理中心,与基站载波相位原始观测量再次进行载波相位差分解算位置数据,并对系统可行性、适用性和精度进行了验证;试验结果表明,系统数据传输稳定,解算结果正确,达到了设计要求.     

基于GA-BP神经网络温漂补偿的十字正交型热温差式测风仪

为准确测量风速与风向,根据十字型导管内上下游温度差求得风速,通过正交分解得到二维空间内任意方向的风速以及风向角,设计了一种十字正交型热温差式测风仪,利用FLUENT 软件对传感器周围的温度场分布进行仿真,搭建了测试平台,对不同环境温度、不同风速下测得的上下游温差数据进行拟合,且提出了一种利用遗传算法优化BP神经网络的算法补偿环境温度引起的测量误差。实测结果表明,十字正交型热温差式测风仪精度较高,在测风领域具有一定的应用价值。     

基于CFD和BP神经网络的超声测风仪阴影效应补偿研究

风速风向是气象观测的关键性参数,阴影效应对超声测风仪测量风速风向有显著影响.为了消除不同风速风向和温度条件下阴影效应导致的测量误差,结合超声波时差法测风原理提出了一种基于计算流体力学(CFD)仿真和反向传播(BP)神经网络数据处理的阴影效应补偿方法.首先通过CFD仿真软件Fluent对超声测风仪的风场进行模拟分析,获取了受阴影效应影响的风速、风向以及温度样本数据,然后利用这些样本从减小相对误差方面对BP神经网络算法在超声测风仪中应用的性能进行了研究与分析,最后利用超声测风仪风洞实验的测量数据对本文的阴影效应补偿方法的准确性进行了验证.研究结果表明:通过基于CFD和BP神经网络的预测模型对阴影效应进行修正后,测试系统风速风向的测量精度有显著的提升,可满足高精度超声测风的测量需求.本文的研究结果对于高精度超声测风仪的研制有一定的参考价值.     

基于GA-BP神经网络温漂补偿的十字正交型热温差式测风仪

为准确测量风速与风向,本文根据十字型导管内上下游温度差求得风速,通过正交分解得到二维空间内任意方向的风速以及风向角,设计了一种十字正交型热温差式测风仪。利用FLUENT软件对传感器周围的温度场分布进行仿真,搭建了测试平台,对不同环境温度、不同风速下测得的上下游温差数据进行拟合,且提出了一种利用遗传算法优化BP神经网络的算法补偿环境温度引起的测量误差。实测结果表明,十字正交型热温差式测风仪精度较高,在测风领域具有一定的应用价值。     

基于空三解算技术的树障测量技术研究

电线与树冠之间的准确而有效的测量可以有效地防止与植被有关的故障,并确保电力系统的安全稳定运行。针对电力走廊树木障碍的测量难度,提出了一种基于空三解算技术进行测量的方法。通过拍摄电力线走廊区域的正面照,并使用图像的重叠特征点,可以算出每张照片的方向元素。根据空中三角剖分的原理,采用像素匹配算法计??算测量区域的密集点云数据,可以对树障测量进行统计,然后计算出树障的值。实验结果表明,空三解算方法可以实现对传输线势垒值的测量,测量误差可以满足测量树木与输电线路之间距离的需要。     

基于磁阻传感器的航姿测量系统罗差补偿技术研究

针对磁阻航姿测量系统在实际应用中易受到周围环境中的软硬铁效应引起的罗差干扰导致其航向角精度较低的问题,本文在分析航姿测量系统罗差产生机理的基础上,建立了对应的罗差修正模型,同时在已知当地磁倾角和由捷联于测量系统中的加速度计提取的载体姿态信息的基础上,提出了采用超定线性方程组求最小二乘解的方法推导出罗差系数的标定补偿算法。最后利用设计的算法对系统进行误差补偿对比试验。结果表明,该罗差补偿算法是正确有效的,三轴软硬铁效应得到了有效的补偿并且航向角解算精度得到了显著提高。该补偿方法为后续的载体误差分析和补偿提供了理论参考,具有一定的工程应用价值。     

基于磁干扰补偿的智能手机车载 ＡＨＲＳ 算法

针对基于智能手机的车辆导航应用场景下,车辆载体磁场干扰较大导致车载AHRS算法解算的航向严重失准,进而影响定位精度的问题,提出了一种基于在线磁干扰补偿的车载AHRS算法。在GNSS可用时,利用GNSS测量信息,结合AHRS解算的航向信息和准静态磁场检测,构建了扩展卡尔曼滤波器,对车辆磁干扰进行在线估计。跑车试验表明,该方法能准确估计车辆磁干扰。磁干扰补偿后进行AHRS解算,能明显改善航向失准的问题,航向估算精度约为3~5度,满足基于智能手机的车辆导航应用需求。     

基于卡尔曼滤波的四元数姿态解算算法研究

针对MEMS惯性测量单元器件特性导致的测量精度低,数据发散和航向角积分漂移等问题,提出一种基于卡尔曼滤波的四元数姿态解算算法。设计了4维卡尔曼滤波器,通过加速度计和磁力计的数据作观测量,对姿态解算过程中的四元数进行线性最优估计,在计算量没有大幅提高的前提下修正了四元数的值,进而完成了对姿态角和姿态矩阵的补偿。通过在无磁转台上进行静态测试以及在测试标定系统上进行动态测试,分析各轴向的补偿效果表明,该方法可以有效增强MIMU的动态跟随性能、明显提升姿态解算精度。     

基于风向标的光纤Bragg光栅风向仪设计

风向仪能够测出风向变化,进而调整风机跟随风向变化进行高质量发电,从而降低成本。采用风向标结构,风向标转轮上设置方向凸轮和角度凸轮,风向标主体与粘贴有光纤Bragg光栅（ FBG）的等悬臂梁固定在底座上。风向标转轮受风力作用旋转,带动方向凸轮和角度凸轮,等强度悬臂梁受凸轮撞击产生挠度变化,导致粘贴其上的FBG波长移位,根据搭建的数学模型,由波长移位量可得出风向标旋转角度即风向。通过对FBG风向仪的风洞实验的数据分析得出：起动风速为1.2 m/s,非线性误差为7.92% FS,灵敏度为1.47 pm /（°）,重复性误差为6.03% FS。     

Radar imaging of Kelvin arms of ship wakes

The wave pattern generated by a moving ship is formed by two dominant features: the turbulent wake and a 'V'-shaped pattern trailing the ship, consisting of the two Kelvin arms. In this paper we investigate the radar imaging mechanism of Kelvin arms, which are formed by the cusp waves. A composite surface model for the radar backscattering at the ocean surface is used. The radar signatures of Kelvin arms can be attributed to tilt and hydrodynamic modulation of Bragg waves by the cusp waves. The proposed model allows the computation of the normalized radar backscattering cross-section (NRCS) as a function of radar frequency, polarization, incidence angle, wind speed and direction, and wavelength, direction, and slope of the cusp waves. By using this imaging model, radar signatures of cusp waves are calculated for several spaceborne Synthetic Aperture Radars (SARs): (1) the SEASAT L-band HH-polarized SAR, (2) the ERS-1/-2 VV-polarized SAR, (3) the RADARSAT C-band HH-polarized SAR, and (4) the X-, C- and L-band multipolarization SARs of the Space Radar Laboratory flown on the space shuttle during the SIRC/X-SAR mission in 1994. The results of the simulations are compared with SEASAT and SIR-C/X-SAR imagery of ship wake patterns. It is shown that the dependence of the observed radar signatures of Kelvin arms on radar look direction is consistent with the proposed imaging theory and that the measured relative mean NRCS values induced by Kelvin arms can be fairly well reproduced by the proposed model. The simulations indicate that ship wake signatures should be more clearly visible on SEASAT L-band SAR than on ERS-1/-2 or RADARSAT C-band SAR images. The radar signatures of Kelvin arms are strongest at low wind speeds and are not very sensitive to wind direction.     

激光测速雷达的性能对比分析

激光测速雷达较传统大气数据系统在测量精度方面有显著的优势。为了能够在稳定流场下实现对比测试,将激光测速雷达和高精度超声波风速风向仪一同放置于风塔200 m高度进行长时间对比。以10 min、1 min、1 s、0.1 s为尺度对两者测量的真空速(风速)和侧滑角(风向)进行分析。数据表明激光测速雷达的测量精度和超声波风速风向仪(速度精度0.18 m/s、风向2°)是同级别的。     

气动模型及导航信息辅助的大气参数估计方法

针对无初始风速信息情况下的虚拟大气数据计算问题,提出一种气动模型及导航信息辅助的大气参数粗精两级估计方法.利用飞行器气动模型下的动力学方程,建立与风速直接相关的导航传感器测量模型;采用非线性最小二乘优化方法对风速进行一级估计,并作为滤波初始值;利用扩展卡尔曼滤波,对风速进行二级估计,进而实现大气参数的实时精确估计.实验结果表明,所提方法具有较高的收敛速度和估计精度,可提高大气数据系统的测量范围和可靠性,适用于全飞行包线下攻角、侧滑角、真空速的测量.     

基于非线性拟合的自动气象站风向传感器校准控制研究

风向传感器是自动气象站的重要组成元件,由于其运行数据存在的噪声与缺失问题导致测量误差增加,因此设计基于非线性拟合的自动气象站风向传感器校准控制方法。分析自动气象站风向传感器的组成结构和工作原理,构建自动气象站等效模型。采用循环采集的方式获取风向传感器的实时运行数据,通过滤波、缺失补偿等步骤完成数据预处理。以数据预处理结合为基础,利用非线性拟合技术计算风向传感器误差,通过装设风向传感器校准控制器,完成风向传感器校准控制。实验结果表明,所设计方法与传统校准控制方法相比传感器的测量误差降低了0.759°,误差变化率有所下降,即证明了该方法的自动气象站风向传感器校准控制效果好。     

煤矿用超声波式风速风向传感器设计

为了监测煤矿瓦斯突出事故导致的瓦斯逆流情况,应用超声波时差法原理设计了煤矿用超声波式风速风向传感器。该传感器利用超声波发射、接收的时差与风速、风向的关系,经过运算得到被测风向和风速。测试结果表明,该传感器稳定性强,测量精度高,风速测量范围为0.4~15m/s,误差不超过0.3m/s,风向测量范围为0~360°,误差不超过3°。     

基于FY-3B微波成像仪的海面风速反演

风云三号B星微波成像仪的10.65、18.7、23.8和36.5 GHz频点对海表面粗糙度和介电特性比较敏感,能够用于海面地球物理参数的反演。为获得一种适用于全球大部分海域的海面风速反演算法,利用快速辐射传输模式和再分析大气廓线库模拟微波成像仪海面微波辐射特性,在此基础上建立了半经验反演算式,并利用浮标现场测量数据及WindSat全极化辐射计风速产品对半经验算法和经验算法分别进行了验证和对比。另外,通过分析风向对风速反演的影响,借助AT BV-TBH模型,尝试利用查找表算法对风向造成的晴空区域风速反演偏差进行初步校正。校正风向误差后,反演风速与浮标风速的均方根误差为0.9775 m/s。     

杯式风速传感器计量的线性研究

线性是表征杯式风速传感器角速度与风速正比关系的重要计量性能指标。传感器动态运行时,它能直接反映风杯结构设计特征,并产生风速输出值的系统误差,其技术指标要求不超过±0.5 m/s。目前,风速计量用“示值误差”表示测量结果,不能直接反映传感器的线性特征。根据检定规程的测量方法,对风速传感器在风洞中开展全量程重复性测量并获取试验数据。采用最小二乘估计法对数据的线性度进行分析,提出以“非线性误差”作为研究线性计量特性的指标。相比较单校准点的“示值误差”作为计量结果,应用非线性误差的分析方法研究线性特征,对传感器的评价更加客观。风速线性计量技术研究可进一步推动风速自动观测数据的补偿及修正技术,可应用于气象观测、电力、民航、军队及煤矿等领域,以提高风速数据准确性。     

基于捷联惯性导航的矿用单轨吊机车定位算法

针对煤矿井下单轨吊机车常用定位方法存在定位精度低和定位成本高的问题,提出了一种基于捷联惯性导航的矿用单轨吊机车定位算法。采用九轴惯性测量单元(IMU)采集机车加速度数据,并对加速度数据进行限幅滤波和去零偏等预处理,解算并输出姿态角和加速度值;采用方向余弦矩阵法滤除加速度数据中所含的重力分量,消除该分量对数据的干扰;利用加速度变化率阈值法和零速修正法修正稳态误差,使稳态加速度和速度更接近真实值;采用Lagrange插值多项式测距法测量单轨吊机车的行驶距离,并利用测距结果定时修正法来补偿测距误差,根据机车的起点和行驶距离实现定位。实验结果表明,当车辆行程为30.8 m时,测距误差基本在0.65 m以内,可以达到高精度、低成本的定位要求。