袁 強(qiáng)， 徐宏勛， 韓開(kāi)封， 溫小飛

(1.浙江海洋學(xué)院， 浙江 舟山 316000；2. 浙江增洲造船有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江國(guó)際職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

船舶操縱性能測(cè)試系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

袁 強(qiáng)1， 徐宏勛2， 韓開(kāi)封3， 溫小飛1

(1.浙江海洋學(xué)院， 浙江 舟山 316000；2. 浙江增洲造船有限公司， 浙江 舟山 316000；3.浙江國(guó)際職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

介紹了一種船舶操縱性測(cè)試系統(tǒng)的組成、原理和軟件實(shí)現(xiàn)。操縱性測(cè)試儀利用DGPS數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)《GB/T 3471-2011海船系泊及航行實(shí)驗(yàn)通則》中規(guī)定的動(dòng)態(tài)測(cè)試項(xiàng)目。通過(guò)實(shí)船測(cè)試驗(yàn)證了該船舶操縱性測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，其測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)船舶設(shè)計(jì)人員和操縱人員具有一定參考價(jià)值。

船舶操縱性 測(cè)速試驗(yàn) DGPS 船舶性能測(cè)試

1 引言

船舶是一種在水面或水中可移動(dòng)的建筑物。它具有技術(shù)復(fù)雜、投資大和使用周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，并且與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)等許多方面有著非常密切的關(guān)系。船舶設(shè)計(jì)是一門多學(xué)科高度綜合的科學(xué)技術(shù)，對(duì)于民船而言，一般的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使船舶達(dá)到“適用、經(jīng)濟(jì)、安全可靠和造型美觀”的要求。然而，良好的航行性能是船舶適用性、經(jīng)濟(jì)性和安全性的重要保證條件。如何進(jìn)行船舶航行性能的綜合測(cè)試和分析是一項(xiàng)非常重要的工作。

船舶的航行性能與船型參數(shù)、航速、螺旋槳(主機(jī))轉(zhuǎn)速、螺旋槳參數(shù)、舵參數(shù)以及航行環(huán)境(主要是航行區(qū)域風(fēng)、浪、流情況，在限制航道里也包括水深、航道寬度等)參數(shù)有關(guān)。因此船舶航行性能綜合測(cè)試和分析是一個(gè)多目標(biāo)、多變量和多約束條件的復(fù)雜問(wèn)題。綜上所述，開(kāi)發(fā)一個(gè)專門用于船舶航行性能測(cè)試和自動(dòng)分析的軟件具有非常重要的意義[1，2]。

2 操縱性測(cè)試主要項(xiàng)目及評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了考核艦船性能，在實(shí)船中快速性和操縱性的測(cè)量是極為重要的，而傳統(tǒng)的疊標(biāo)法測(cè)量操縱性相當(dāng)粗略且存在許多不足之處：

(1) 精度不夠理想。① 疊標(biāo)不平行；② 觀測(cè)視角誤差大；③ 進(jìn)入疊標(biāo)時(shí)有時(shí)航速尚未達(dá)到穩(wěn)定。

(2) 受天氣、氣候等局限，并且水深、海流諸因素影響也較大。

(3) 試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，參試人員多，消耗大。 由于GPS 可以在全球連續(xù)地實(shí)施導(dǎo)航與定位,同時(shí)定位精度高，實(shí)時(shí)定位速度快，已經(jīng)廣泛裝備船舶上用以導(dǎo)航。也同時(shí)為艦船性能(快速性、操縱性)的精密測(cè)量提供了良好的手段。目前采用的GPS 定位測(cè)速及軌跡測(cè)量方法已經(jīng)得到國(guó)際上廣泛使用和認(rèn)可。為了提高系統(tǒng)的測(cè)試精度，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中采用差分GPS 接收系統(tǒng)(DGPS)[3]。采用差分GPS 接收系統(tǒng)(DGPS)對(duì)艦船性能進(jìn)行測(cè)試除了提高測(cè)試的精度，而且不受測(cè)量視線的限制，解決因夜間能見(jiàn)度不高及雨雪天氣等原因造成疊標(biāo)法無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題，并且受水深、海流諸因素影響也較小。

2.1 測(cè)試項(xiàng)目及要求

根據(jù)《GBT 3471-2011海船系泊及航行實(shí)驗(yàn)通則》規(guī)定，船舶航行性能測(cè)試的具體項(xiàng)目包括：測(cè)速試驗(yàn)、停船試驗(yàn)、回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)、航向穩(wěn)定性試驗(yàn)、初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形操縱試驗(yàn)、威廉遜(Willamson)溺水救生試驗(yàn)。

2.2 船舶操縱性評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)海安會(huì)MSC．137(76)決議，操縱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為下列4 種。

(1) 回轉(zhuǎn)能力?；剞D(zhuǎn)能力是衡量船舶機(jī)動(dòng)回轉(zhuǎn)性的指標(biāo)。它通過(guò)“回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)”測(cè)取回轉(zhuǎn)圈數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。主要數(shù)據(jù)包括縱距、回轉(zhuǎn)圈直徑、戰(zhàn)術(shù)直徑等。這些數(shù)據(jù)越小，回轉(zhuǎn)性能越好，一般縱距應(yīng)不超過(guò)4.5倍船長(zhǎng)，回轉(zhuǎn)圈直徑應(yīng)不超過(guò)5倍船長(zhǎng)。

(2) 初始回轉(zhuǎn)性能。初始回轉(zhuǎn)性能是衡量直航中船舶的轉(zhuǎn)向能力的指標(biāo)。它通過(guò)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。通常用直航船舶操10°舵角，航向角變化10°時(shí)，船舶前進(jìn)的距離來(lái)衡量。該距離越小，初始回轉(zhuǎn)性能越好，一般應(yīng)不超過(guò)2.5倍船長(zhǎng)。

(3) 偏轉(zhuǎn)抑制性能和保向性能。偏轉(zhuǎn)抑制性能和保向性能是衡量船舶航向控制能力的指標(biāo)。它通過(guò)Z形試驗(yàn)結(jié)果的超越角進(jìn)行判斷。超越角越小，船舶保向能力越好。

(4) 停船性能。停船性能是衡量船舶直線運(yùn)動(dòng)慣性的指標(biāo)。它通過(guò)倒車試驗(yàn)和停船試驗(yàn)進(jìn)行判斷。一般在船舶全速航行中，進(jìn)行全速倒車操作和停車操作，直至船舶速度為0時(shí)所前進(jìn)的距離來(lái)衡量。該距離越小，船舶停船性能越好，一般航跡行程不應(yīng)超過(guò)15倍船長(zhǎng)。如因船舶排水量大而使該衡準(zhǔn)值不切實(shí)際時(shí)，主管機(jī)關(guān)可修改該值，但不得超過(guò)20倍船長(zhǎng)。

3 測(cè)試系統(tǒng)組成及測(cè)試原理

3.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

在實(shí)船操縱性試驗(yàn)中，應(yīng)用的設(shè)備很多, 有些設(shè)備是船上具有的測(cè)量設(shè)備。常用的設(shè)備有：秒表、計(jì)程儀、航行指示器、光學(xué)儀器、經(jīng)緯儀、雷達(dá)、DGPS 衛(wèi)星定位測(cè)速儀、風(fēng)向風(fēng)速儀、陀螺儀等。本測(cè)試系統(tǒng)的組成包括：DGPS接收天線、DGPS數(shù)據(jù)采集盒、便攜計(jì)算機(jī)及測(cè)試軟件等，如圖1所示。

3.2 測(cè)試原理及實(shí)現(xiàn)

NMEA 0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association )為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前已成為GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式為：＄GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，M，<11>，<12>＊××。其中<2>，<3>分別代表GPS信號(hào)接收機(jī)位置的參數(shù)值，即經(jīng)緯度值。利用墨卡托投影原理把球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，然后根據(jù)不同的測(cè)試項(xiàng)目所要求的參數(shù)值，設(shè)計(jì)不同的算法進(jìn)行求解計(jì)算。

墨卡托投影，又稱等角正切圓柱投影，其原理是假設(shè)有一個(gè)與在赤道與地球相切的圓柱面，先把球面映射到這個(gè)圓柱面，再把這個(gè)圓柱面展開(kāi)成為一個(gè)平面。例如：設(shè)地球的半徑為R，已知地球上一點(diǎn)P的坐標(biāo)是(θ，φ)，其中θ表示經(jīng)度，范圍是 -π<θ<π，負(fù)數(shù)表示西經(jīng)，正數(shù)表示東經(jīng)；φ表示緯度，范圍是-π /2<φ<π/2，負(fù)數(shù)表示南緯，正數(shù)表示北緯。將地球球面通過(guò)墨卡托投影映射到平面直角坐標(biāo)系中，以0°經(jīng)線與赤道的交點(diǎn)的映射點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸與緯線平行，并取東方為正方向；Y軸與經(jīng)線平行，并取北方為正方向。P點(diǎn)在平面直角坐標(biāo)系中的映射點(diǎn)P'的坐標(biāo) (Xp',Yp')，其求解公式為[4]

GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對(duì)4顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量。在這一定位過(guò)程中，存在著三部分誤差：第一部分是對(duì)每個(gè)用戶接收機(jī)所公有的誤差，例如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流程誤差等；第二部分為不能由用戶測(cè)量或由校正模型來(lái)計(jì)算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪音、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

利用差分GPS定位計(jì)算(DGPS)，除第三部分誤差無(wú)法消除外，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)的距離。差分GPS定位已將維修鐘誤差和星歷誤差消除，并將電離層延遲和對(duì)流層延遲誤差部分消除，定位精度大幅提高。因此，差分GPS的出現(xiàn)，能實(shí)時(shí)給定載體的位置，精度為米級(jí)，滿足了引航、水下測(cè)量等工程的要求。

3.2.1 平均航速和停船試驗(yàn)

利用DGPS接收儀每1s讀取一個(gè)DGPS數(shù)據(jù)，此時(shí)每個(gè)DGPS數(shù)據(jù)代表航行船舶所處的坐標(biāo)即經(jīng)緯度，根據(jù)墨卡托投影原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言把球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，然后再計(jì)算出相鄰兩點(diǎn)之間的航速，最后把所有測(cè)試時(shí)間內(nèi)的航速取平均值，即為測(cè)試航速，測(cè)試時(shí)間通常為5min。在航速測(cè)試時(shí)，通常在同一工況下，測(cè)量3次往返程航速，再把3次航速進(jìn)行平均計(jì)算，以便消除風(fēng)力和海流對(duì)航速的影響，其計(jì)算公式為[5]

式中：VE為平均航速；V1為第一次單程航速；V2為第二次單程(返回)航速；V3為第三次單程航速。 停船試驗(yàn)需要的參考值主要是船舶在慣性力的作用下，直線前進(jìn)的距離。首先通過(guò)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言把球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)，然后再計(jì)算出相鄰兩點(diǎn)之間的距離，最后把所有測(cè)試時(shí)間內(nèi)的距離值求和，即為停船試驗(yàn)中船舶航跡行程。

3.2.2 回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)、初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、威廉遜溺水救生試驗(yàn)

回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)、初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和威廉遜(Williamson)溺水救生試驗(yàn)，這三個(gè)測(cè)試項(xiàng)目中需要分析計(jì)算出橫距、縱距和回轉(zhuǎn)直徑及戰(zhàn)術(shù)直徑等參數(shù)值。由于橫距Tr和戰(zhàn)術(shù)直徑DT是計(jì)算的相應(yīng)點(diǎn)到直線的距離，其直線方向是船舶開(kāi)始測(cè)試時(shí)的航向即直線A?？v距Ad是航向角偏離初始航向角90°時(shí)，船舶相對(duì)于起始位置的垂直距離，如圖2所示。初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和威廉遜溺水救生試驗(yàn)中的進(jìn)距和橫距與回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)中的縱距和橫距的定義類似。回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)、初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和威廉遜溺水救生試驗(yàn)中需要計(jì)算橫距和縱距的對(duì)應(yīng)點(diǎn)在測(cè)試過(guò)程中都作有標(biāo)記，因此只要確定直線A的方向，就可以通過(guò)點(diǎn)到直線的計(jì)算公式計(jì)算出橫距和縱距?；剞D(zhuǎn)性試驗(yàn)測(cè)試中需要作標(biāo)記的點(diǎn)分別是航向角偏離初始航向90°、180°、270°、360°、450°、540°時(shí)船舶對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度。依次取三點(diǎn)并通過(guò)不共線的三點(diǎn)確定一個(gè)圓再計(jì)算出回轉(zhuǎn)直徑，把所有的回轉(zhuǎn)直徑進(jìn)行平均即測(cè)得回轉(zhuǎn)直徑值。

3.2.3 航向穩(wěn)定性試驗(yàn)和Z形操縱試驗(yàn)

航向穩(wěn)定性試驗(yàn)中的操舵次數(shù)和舵角主要是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操舵的次數(shù)和舵角進(jìn)行測(cè)試，而橫距和航跡的計(jì)算方法與回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)中橫距和停船試驗(yàn)中進(jìn)程計(jì)算方法一致。Z形操縱試驗(yàn)中的超越角主要通過(guò)讀取船舶羅經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算獲得。

測(cè)速試驗(yàn)、停船試驗(yàn)、回轉(zhuǎn)性試驗(yàn)、航向穩(wěn)定性試驗(yàn)、初始回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形操縱試驗(yàn)和威廉遜溺水救生試驗(yàn)中船舶航向的軌跡，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取DGPS數(shù)據(jù)并利用編程言語(yǔ)自動(dòng)生成試驗(yàn)中相對(duì)應(yīng)的航跡圖。

4 實(shí)船測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)車載及標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的多次試驗(yàn)和不斷地完善后，為考核本測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)用本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一艘“翔富”5 600m3超低溫冷藏遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船在相同海域和相同船舶試驗(yàn)工況下進(jìn)行船舶操縱性和快速性兩次重復(fù)測(cè)量，其船舶測(cè)試航行軌跡結(jié)果如圖3～圖8所示。

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圖3～圖8中船形圖標(biāo)方位代表實(shí)船在測(cè)試過(guò)程中的起點(diǎn)和終點(diǎn)的航向角，曲線代表實(shí)船在測(cè)試過(guò)程中的航行軌跡。表1～表3數(shù)據(jù)為相同試驗(yàn)條件和船舶工況下，船舶操縱性和快速性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得知本測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

船舶操作性能測(cè)量利用DGPS接收機(jī)，以提高其測(cè)量精度。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，利用本系統(tǒng)對(duì)同一艘船舶進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可知本系統(tǒng)性能穩(wěn)定性較好，因而，提高對(duì)艦船的操縱性能和快速性評(píng)價(jià)結(jié)論的可靠性。艦船操縱性能和快速性的測(cè)量會(huì)受到風(fēng)力和海流的影響，采用相反方向多次測(cè)量，可以消除風(fēng)流的影響。

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[5] 韓波，劉強(qiáng)．GPS在船舶航速和計(jì)程儀改正率測(cè)定中的應(yīng)用[J]．航海技術(shù)，2011，5：37-39.

Research and Development of Ship Maneuverability Test System

YUAN Qiang1， XU Hong-xun2， HAN Kai-feng3， WEN Xiao-fei1

(1.Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316000, China; 2.Zhejiang Zengzhou Shipbuilding Co., Ltd.， Zhoushan Zhejiang 316000, China； 3.Zhejiang National Career Technical College, Zhoushan Zhejiang 316000, China)

This paper introduces composition, theory and software implementation of vessel maneuverability testing system. The operational tachymeter uses DGPS date to realize dynamic testing item stipulated in GBT3471-2011 General provisions for programming mooring and sea trials of sea going ships with software. The stability and reliability of vessel maneuverability testing system is verified through shiphoard measuremenst, whose testing data has certain reference values for vessel designer and operator.

Ship maneuverability Speed test DGPS Ships performance test

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY12E09003)；浙江教育廳項(xiàng)目(Y201121736)；舟山科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C41011)；浙江省科技廳重大專項(xiàng)(2013C03033)；舟山科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011C22050)。

袁 強(qiáng)(1978-)，男，講師。

U661

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