历险的编年史

作者:彭妮Boviatsou

2014年10月19日，意大利著名海洋水手马泰奥·米塞利乘坐意大利帆船ECO40离开意大利罗马附近的里瓦迪特拉亚诺港，参加罗马海洋世界项目。他的目标是独自环游世界，除了在整个27,000海里(50,000公里)的旅程中所携带的燃料之外，不需要任何化石燃料或额外的供应。

ECO40是一艘40级海洋船(全长12.0米)，配备了一套数据采集系统，可采集船上记录的海洋参数(即表观和实际风速和风向、大气压力、流速、空气和海洋温度、等)和艇本身的运动学特性(即速度和在地面上的航向)。来自罗马大学和都灵理工学院的一组教授用三个徕卡GR25 GNSS参考接收器记录了这艘船的运动。有了这些，他们可以:

• 利用船作为浮标，计算沿ECO40路线的波浪高度，并验证英国Met(气象)办公室的数值模型;
• 通过计算40级帆船在航行过程中的动应力和材料耐久性，改进帆船的结构设计;
• 记录ECO40帆船运动的波浪特征，生成帆船速度的极坐标图，这将对未来的40级帆船有帮助。

米塞利将数据通过卫星传送给罗马大学的Paolo De Girolamo教授和Mattia Crespi教授以及都灵理工学院的Alessandro Pezzoli教授进行分析。

在返回意大利的途中，他绕过了三个海角，航行了25000海里，ECO40号在赤道倾覆。马特奥距离巴西海岸约600英里。他被一艘货船救了。当他回到意大利时，他组织了第一次远征，试图找回ECO40，但没有成功。一个月后，探险队再次尝试，在距巴西海岸300英里处找到了ECO40。现在这艘船回到了意大利。

幸运的是，这些数据被与船一起保存了下来，研究人员得以对整个旅程进行最终分析。

---

水手的旅程

计划的路线是经典的快船路线，从西向东穿过南大洋，利用强大的西风。这条航线是先经过直布罗陀海峡，然后沿着大西洋向下航行，在南纬50度的纬度上，从西向东绕过南极，绕过世界上最著名的几个海角:好望角、卢因角和合恩角。最后，航行大西洋回到直布罗陀海峡，返回母港。

“徕卡GR25 GNSS接收机和徕卡AS10天线收集的有关船只移动的数据报告说，ECO40在第一次风暴中航行的浪高约为6米，最大浪高达到10,0米，”Miceli说。“在旅程结束后，我们现在能够计算出精确的测量结果。”

---

收集的数据

一部分测量数据每天通过卫星调制解调器发送给陆地小组。这些数据由船测量并几乎实时传输，极大地帮助了负责ECO40安全的团队;了解船舶在航行过程中所面临的实际天气情况，可以改进航路策略，提高船舶的安全性。

米塞利说:“从三个GPS接收器获得的船只运动的测量数据，如果进行适当的分析，可以提供ECO40在航行中遇到的波浪的测量数据。”

三个高精度Leica Geosystems GPS接收器被放置在船尾的左右两侧沿船的横轴，而另一个则沿船的纵轴靠近船的入口。系统在ECO40导航过程中获取数据，并由每个接收器存储在一个闪存卡上。在抽认卡回收后的后处理中进行数据分析。

在后处理中采用了两种不同的策略:

1. “独立发动机位移分析的变分方法”(VADASE)
2. 动基座运动学方法。

将这两种方法相辅相成，以求得帆船运动，并将帆船运动应用于帆船在世界航行过程中所面临的波浪特性的估计。

的确，第一种方法(即变分方法)用于计算船的升沉、浪涌和摇摆运动，而第二种方法(即移动基础运动学方法)用于计算横摇、俯仰和偏航运动。利用垂荡、俯仰和横摇运动，导出了波浪特性(即方向性波浪谱)。

当快速运动必须被检测和他们的影响突然评估，徕卡VADASE可以帮助研究人员立即做出最明智的决定。该解决方案为传统的GNSS监测增加了额外的价值，通过独立的GNSS接收器提供准确的速度信息，持续实时地对快速运动进行精确和可靠的分析。

船的性能数据(即速度和地面上的航向)可以允许，在需要一定的时间后，获得一个有统计意义的数据库，以估计船的真实极速度曲线。事实上，陆地小组使用路线优化软件预测最佳路线，每天都将这些曲线发送给米塞利。

船的实际极速曲线与船的设计者估计的理论极速曲线不同。这是由于几个原因，其中发挥重要作用的是船员的能力，以“推动”船的最大性能和波浪的存在，通常不考虑时，计算曲线本身。

这些数据主要用于两个技术和科学目的:

1. 第一个目的是校准和/或验证通常用于海洋风浪预报和/或分析的数值模式输出，以及校准遥感数据(例如卫星风浪测量)。
2. 第二个目的与船的设计直接相关。的确，这种容器可以处理的运动和负载的知识，以及材料对疲劳应力的响应，可以显著改善设计方法。

---

分析测量

这是全球导航卫星系统首次在全球航行中准确测量帆船的运动，并每隔几小时通过卫星传输一次数据。就海洋条件和船只倾侧而言，ECO40在航行中经历的第一场猛烈风暴发生在2014年10月21日至22日的狮湾。利用GPS信号估计船的倾侧，GPS信号采用移动基座运动学方法进行分析。这种分析可以估计整个风暴事件期间的倾侧角α。

De Girolamo说:“关于海洋条件，我们分析风暴的基础上的风数据测量和传输几乎实时从船上。”

在ECO40上，风数据是通过安装在桅杆顶部的风速表测量的。第一次比较是与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)进行的，第二次比较是利用数值模式GFS(全球预报系统)提供的预测数据进行的。

这一对比，以及侧倾分析的结果，表明风的测量高度起着重要的作用。经修正的风的测量结果与从数值模式得到的结果可以比较:在最初的60小时内可以明显地看到很一致的结果。然而，当风暴峰值出现时，测量的风数据和数值数据之间的明显差异是值得注意的。

在目前的情况下，预报和实测风速之间的直接比较显示出了预期的相关差异。这些差异如此之大，以至于低估了预测的风况，在严重的风暴条件下，预测的风况有50%。

研究人员和教授们将测量到的风数据和数值数据进行比较，从而撰写了一篇研究论文。

“尽管旅程的终点出人意料，但从徕卡GR25 GNSS接收机和徕卡AS10天线收集的数据足以提供海洋科学信息，以开发新的海洋知识和技术，造福社会。”徕卡地质系统公司GNSS网络和参考站高级产品经理Frank Pache说。