Лабораторная работа. Обработка данных позиционного измерителя течений на примере измерителя «Вектор-2».

Цель работы: по имеющимся данным измерения характеристик течения и дрейфа судна определить скорость и направление течения.

Задачи работы:

1. по данным о координатах судна определить направление и скорость дрейфа.

2. по данным наблюдения за течением произвести их осреднение.

3. результатам предыдущих расчетов определить истинную скорость течения.

Общие пояснения

Автономный измеритель течений ВЕКТОР-2 предназначен для измерения скорости и направления течений в морях и пресноводных водоемах на глубинах.

В состав измерителя входит также датчик температуры воды с достаточно малой инерционностью. Имеющиеся параметры прибора позволяют использовать его в режиме зондирования с борта судна с незначительной (около 10 минут) выдержкой на каждом интересующем горизонте. Основная возникающая при этом проблема это учет дрейфа судна для корректного воспроизводства скоростей течения. Для этого работа прибора синхронизируется судовой станции GPS, по показаниям которой вводятся поправки учитывающие дрейф судна.

Основное назначение прибора - это использование в составе автономных буйковых станций с длительными сроками автономной работы. Измеритель одинаково работает в придонной зоне с относительно малыми скоростями течений и в верхней волновой зоне, осуществляя цифровое векторное осреднение. Малые скорости течений от 0,5 см/с эффективно измеряются благодаря высокой чувствительности ротора Савониуса, работающего в разгруженном режиме.

К прибору прилагается программное обеспечение на CD-диске. Для установки и работы ПО требуется операционная система Windows 95 и выше.

Основные технические характеристики "Вектор-2"

Скорость течения, см/с	1 ÷150
Пределы допускаемой погрешности канала измерений скорости течения см/с	±(1+0,04Vизм)
Диапазон канала измерений направления течения, градус	0÷ 360°
Пределы допускаемой погрешности канала измерений направления течений, град	±7,0
Ориентация относительно магнитного меридиана	0 ÷ 360°
Рабочий диапазон угла отклонения корпуса от вертикали, градус	0 ÷ 30°
Диапазон канала измерения гидростатического давления, МПа (при переходе к уровню, м)	0 ÷ 2,5 (0÷250 м)
Диапазон измерений температуры воды	- 2 до +28°С
Объем памяти	1 Мбит
Переодичность циклов измерения, мин	0,5; 5; 10; 30
Срок автономной работы, год	1

Теоретическая часть

1. На первом этапе работы надо по данным о координатах судна определить расстояние, пройденное судном за время выполнения гидрологической станции и направление дрейфа судна.

Расчет расстояний между точками по их координатам на плоскости элементарен, на поверхности Земли – немного посложнее: мы рассмотрим измерение расстояния и начального азимута между точками без проекционных преобразований. Для начала разберемся в терминологии.

Длина дуги большого круга – кратчайшее расстояние между любыми двумя точками находящимися на поверхности сферы, измеренное вдоль линии соединяющей эти две точки (такая линия носит название ортодромии) и проходящей по поверхности сферы или другой поверхности вращения. Сферическая геометрия отличается от обычной Эвклидовой и уравнения расстояния также принимают другую форму. В Эвклидовой геометрии, кратчайшее расстояние между двумя точками – прямая линия. На сфере, прямых линий не бывает. Эти линии на сфере являются частью больших кругов – окружностей, центры которых совпадают с центром сферы.

Начальный азимут – азимут, взяв который при начале движения из точки А, следуя по большому кругу на кратчайшее расстояние до точки B, конечной точкой будет точка B. При движении из точки A в точку B по линии большого круга азимут из текущего положения на конечную точку B постоянно меняется. Начальный азимут отличен от постоянного, следуя которому, азимут из текущей точки на конечную не меняется, но маршрут следования не является кратчайшим расстоянием между двумя точками.

Через любые две точки на поверхности сферы, если они не прямо противоположны друг другу (то есть не являются антиподами), можно провести уникальный большой круг. Две точки, разделяют большой круг на две дуги. Длина короткой дуги – кратчайшее расстояние между двумя точками. Между двумя точками-антиподами можно провести бесконечное количество больших кругов, но расстояние между ними будет одинаково на любом круге и равно половине окружности круга, или π*R, где R – радиус сферы.

На плоскости (в прямоугольной системе координат), большие круги и их фрагменты, как было упомянуто выше, представляют собой дуги во всех проекциях, кроме гномонической, где большие круги – прямые линии. На практике это означает, что самолеты и другой авиатранспорт всегда использует маршрут минимального расстояния между точками для экономии топлива, то есть полет осуществляется по расстоянию большого круга, на плоскости это выглядит как дуга.

Форма Земли может быть описана как сфера, поэтому уравнения для вычисления расстояний на большом круге важны для вычисления кратчайшего расстояния между точками на поверхности Земли и часто используются в навигации.

Вычисление расстояния этим методом более эффективно и во многих случаях более точно, чем вычисление его для спроектированных координат (в прямоугольных системах координат), поскольку, во-первых, для этого не надо переводить географические координаты в прямоугольную систему координат (осуществлять проекционные преобразования) и, во-вторых, многие проекции, если неправильно выбраны, могу привести к значительным искажениям длин в силу особенностей проекционных искажений.

Существует два способа расчета сферического расстояния большого круга.