Способ определения скорости и направления ветра с движущегося объекта Советский патент 1984 года по МПК G01W1/02 

Изобретение относится к метеорологии, а именно к способам определения скорости и направления ветра, и может быть использовано на дрейфующих метеорологических объектах (буйковых и ледовых станциях). Известен способ определения скорос ти и направления ветра на дрейфующих метеорологических объектах без учета параметров движения объектов ввиду сложности или невозможности их опреде ления на таких объектахСП. Так как измерения, вьтолняемые на ходу объекта, характеризуют суммарный воздушный поток, вектор которого равен сумме векторов скоростей ветра и движения объекта, то неучет скорости и направления движения объек та обусловливает погрешность измерения параметров ветра, величина которой, например, при скорости течения более 1 узла вносит существенное искажение в результаты измерения параметров ветра, чем снижает достоверность получаемой информации, а достигнутая инструментальная точность ветроизмерительных приборов остается нереализованной . Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения скорости и направления ветра с движущегося объекта путем измерения с помощью ветроизмерительных приборов скорости и направления суммарного во душного потока, в котором параметры ветра вычисляются по результатам измерения с помощью приборов парамет ров суммарного воздушного потока и движения судна 2. Однако известный способ сложен, так как для своей реализации он требует использования средств для из мерения параметров движения объекта, и узок, так как пригоден только для тех объектов, на которых имеются сред ства определения параметров движения объекта, в результате чего не мо жет быть применен на дрейфующих мете рологических объектах (буйковых и ле довых станциях), на которых отсутствует возможность определения скорости и направления движения объект Цель изобретения - упрощение способа путем исключения необходимости использования измерителей параметров движения объекта. Для достижения поставленной цели согласно способу определения скорости и направления ветра с движущегося объекта путем измерения с помощью ветроизмерительных приборов скорости и направления суммарного воздушного потока и вычисления параметров Бс-тра по известным аависиМостям измеряют скорость и направление суммарного воздушного потока не менее четырех раз последовательно при длительности по времени между первым и вторым, а также третьим и четвертым измерениями, не более 0,1 с, а между вторым и третьим измерениями 10-15 с. При этом измерение скорости и направления суммарного воздушного потока осуществляют в период, в течение которого скорость и направление движения объекта принимают неизменными, производя не менее двух измерений в промежуток времени, в течение которого направление ветра принимают неизменным при одном его направлении, и не менее двух измерений в промежуток времени, в течение которого направление ветра принимают неизменным при другом его направлении. По полученным данным вычисляют направление ветра, направление движения объекта, скорость д ижения объекта и скорость ветра. Измерение параметров cyMf-iapHoro воздушного потока при указанных условиях обеспечивает определение направления ветра до и после его изменения, что позволяет по полученным данным определить параметры движения объекта и скорость ветра. На фиг.1 показан график определения параметров ветра с движущегося объекта, на фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего предложенный способ. Известно, что воздушные потоки в приземном слое воздуха носят турбулентный характер. Турбулентность структуры ветра приводит к тому, что в данной точке скорость и направление ветра непрерывно изменяются. Отклонения текущих значений скорости и направления ветра от их средних значений носят случайных характер. При этом инерционность случайного процесса, характеризующего направление ветра, больше, чем инерционность случайного процесса, характеризующего скорость ветра. Так, направление ветра, полученное в результате двухминутного осреднения, мало отличается от отдельно взятых отсчетов TeKv3щего направления. Это свидетельствуе о том, что в течение небольшого про межутка времени (менее 2 мин) наьрав ление ветра можно принять постоянным Скорость ветра более изменчива и за короткий промежуток времени (доли с кунды) может меняться во много раз. В отличие от скорости ветра скорость и направление движения объекта такой изменчивостью не обладают (ввиду значительной инерционности движения объекта) и в течение 1-2 мин практи чески не изменяются. Поэтому для мало отличающихся по времени моментов измерения параметров ветра с движущегося объекта скорость и напра ление воздушного потока, обусловленн го движением объекта, и направление ветра можно принять постоянным. Параметры ветра с движущегося объекта по предложенному способу определяют следующим образом. На объекте с помощью ориентирован ных относительно направления истинно го меридиана малоинерционных ветрои мерительных приборов измеряют скои направление суммарного воздушного 1 2 времени t, и потока в моменты ( V Х. 0,1 с ) соответственно, где С - время, в течение которого напра ление ветра принимают неизменным. За тем измеряют скорость Wj , W и на правление К , .cyMMapHoro возду ного потока соответственно в момен, «з Сты времени , приfc X 10-15 с - время. нимая через которое направление ветра изме няется. Определение вектора ветра G сводится к решению векторного уравнения вида- , (Л где V - вектор скорости движения объекта. При этом математическая зависимос между и , W и V выражается уравнениями V5,-n(K,-k)W,,-K V3in(K ,5in и.(- 12 V5in(K . Ч Vsih(K -Kj-V/jSin/K 2 )) Uf«i-5{,,-S)- 442) Uj.W,cos(k -K J-Vco3(Kj,-Kj, W (,.-w.P 44r) де К const направление движения объекта в течение времени Ц - -IT , V cotis-t скорость движения объекта в течение времени i - i ; conjt направление ветра в течение времени . К., tOPSt- направление ветра в 34течение времени - . . Решая совместно уравнения (2) (3), получают « .. arct . Решая уравнения (4) и (5), полуают. ., arct Wjcos Из уравнений,,например(2)и(4)полу4 (( oirctf /s(l( cosK,, -W,sin(K -К, cosK, Э4 W, I (12) Зная величины k и. например К. з выражения (2) определяют Nn-41 (ч.-1 Зная величины К у о формулам (6) - (9) определяют корость ветра (J U, УЗ H.U4 моменты времения t, , -t „ i , и Чл оответственно (или только момент времени t, )| осреднение оторых может быть осуществлено за екоторьм промежуток времени в завимости от поставленных задач. Таким образом, используя зависиости 2 -13), определяют не только параметры ветра, но и движения объекта без использования навигационных приборов для их определения, так как скорость и направление движения объекта определяют по результатам измерения суммарного воздушного потока по формулам (12) и (13). По сравнению с известными предпагаемый способ обеспечивает упрощение процесса и расширение возможностей определения параметров ветра с движущегося объекта, таккак для его реализации не требуются измерители скорости движения объекта, что позволяет использовать его на дрейфу щих метеорологических объектах (буйковых и ледовых станциях), где изме рители скорости их движения отсутствуют. Предлагаемый способ может быть ре лизован с использованием существующих малоинерционных ветроизмерительных приборов, обеспечивающих измерение текущих значений параметров воздушного потока при соответствукщем выборе дискретности измерений, командно-программных и вычислительных устройств. Анеморумбометр, реализующий предл гаемьй способ, содержит малоинерционные датчик 1 скорости и датчик 2 направления суммарного воздушного потока, которые через формирователи 3 и 4 подключены к измерителям 5 и-6 соответственно. Измерители 5 и 6 через вычислительную схему 7 подключены к индикатору 8, а также к линиям 9-14 задержки, которые подключены к вычислительной схеме 7. Датчик 2 направления воздушного потока сопряжен с устройством 15. ориентации относительно направления меридиана (компасом) для выработки сигнала о направлении суммарного воздушного потока. Линии 9-14 задержки могут быть выполнены с помощью аппарата магнит ной записи с разнесением головок воспроизведения вдоль магнитного носителя относительно записывающих головок, а также с помощью других накопителей информации. Такой анеморумбометр работает следующим образом. Сигналы о скорости W и направлении .nj воздушного потока от датчиков 1 и 2 через формирователи 3 и 4 поступают в измерители 5 и 6 соответственно. От последних сигналы поступают в вычислительную схему 7 и в линии 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14 задержки. В момент времени i на входы вычислительной схемы 7 одновременно поступают сигналы: W., - от линии 9 задержки, Wj - от линии 11 задержки, Wj - от линии 13 задержки, NX/ от измерителя 5, - от линии 10 задерзйки, К - от линии 12 задержки, линии 14 задержки, - от измерителя 6, соответствующие моментам времени t, t . и 4 При этом, например, Т 0,1 с, i4 ti 10-15 с. Таким образом, в момент времени t4 на входы вычислительной схемы поступают сигналы и от измерителей 5 и 6 в реальном масштабе времени и задержанные линиями 9-14 задержки сигналы W, К , W , К/2 3 измеренные соответственно в предьщущие моменты времени f i , t и -tj . В вычислительной схеме 7 по полученным данным с использованием зависимостей (2)-(13)производится определение скорости и направления ветра, информация о значениях которых поступает на индикатор 8. Такие последовательности операций и условия их выполнения позволяют определять параметры ветра с движущегося объекта по измерениям только суммарного воздушного потока без использования навигационных приборов для определения скорости и направления движения самого объекта, т.е. обеспечивается возможность определения параметров ветра на таких объектах, где измерители скорости движения объектов отсутствуют (на буйковых и ледовых станциях) или обладают недостаточной точностью.

Фе/г.2

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА С ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА путем измерения с помощью ветроизмерительных приборов скорости и направления суммарного воздушного потока и вычисления параметров ветра по известным зависимостям, о т л ич.ающий с я тем, что, с целью упрощения способа путем исключения необходимости использования, измерителей параметров движения объекта, измеряют скорость и направление суммарного воздушного потока не менее четырех раз последовательно при длительности по времени между первым и вторым, а также третьим и четвертым измерениями не более 0,1 с, а между вторым и третьим измерениями 10-15 с.