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基于集成外部传感器的ADCP精确测量方法研究

张红梅 陈志高 赵建虎 黄家勇 王真祥

张红梅, 陈志高, 赵建虎, 黄家勇, 王真祥. 基于集成外部传感器的ADCP精确测量方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311
引用本文: 张红梅, 陈志高, 赵建虎, 黄家勇, 王真祥. 基于集成外部传感器的ADCP精确测量方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311
ZHANG Hongmei, CHEN Zhigao, ZHAO Jianhu, HUANG Jiayong, WANG Zhenxiang. ADCP Integration Measurement Based on External Sensors[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311
Citation: ZHANG Hongmei, CHEN Zhigao, ZHAO Jianhu, HUANG Jiayong, WANG Zhenxiang. ADCP Integration Measurement Based on External Sensors[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311

基于集成外部传感器的ADCP精确测量方法研究

doi: 10.13203/j.whugis20130311
基金项目: 

国家自然科学基金 41176068

国家自然科学基金 41376109

国家自然科学基金 41576107

详细信息
    作者简介:

    张红梅, 博士, 教授, 主要从事海洋测量等方面的教学与科研工作。hmzhang@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P229

ADCP Integration Measurement Based on External Sensors

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41176068

The National Natural Science Foundation of China 41376109

The National Natural Science Foundation of China 41576107

  • 摘要: 受外部磁场、底质流动及仪器性能等因素影响,利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)自带的磁罗经及底跟踪技术难以为流速确定提供准确的方位和船速基准,从而降低了ADCP流速测量精度并限制了其应用。为此,借助GPS和罗经等外部传感器,提出了一种ADCP流速精确测量方法和全套数据处理模型,替代了ADCP测量中的速度和方位基准,显著提高了ADCP成果精度。实验验证了该方法的有效性。
  • 图  1  外部传感器布设示意图

    Figure  1.  Assignments of External Sensors on Ship

    图  2  实验水域及实验断面

    Figure  2.  Water Area and Cross Line for the Experiment

    表  1  ADCP倾斜计数据与RTK数据计算的各测次平均流速及流向

    Table  1.   Difference Between Mean Water Velocity when Tilter Data and RTK Data Used in Calculation

    测次 平均流速/(m·s-1) 平均流向/(°)
    倾斜计 RTK 差值 倾斜计 RTK 差值
    AB 0.519 0.511 -0.008 322.35 321.92 -0.43
    BA 0.493 0.494 0.001 319.35 319.71 0.36
    CD 0.519 0.514 -0.005 316.48 317.22 0.74
    DC 0.623 0.623 0.000 323.49 323.58 0.09
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    表  2  探测得到的α角统计参数/(°)

    Table  2.   Statistical Parameters of α /(°)

    测次 均值 标准差
    AB 5.99 ±0.10
    BA 6.00 ±0.11
    CD 5.97 ±0.14
    DC 6.09 ±0.12
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    表  3  GPS船速滤波前后误差分析/(m\5s-1)

    Table  3.   Difference Between GPS Boat Velocities Before and After Filtering/(m\5s-1)

    测次 滤波前 滤波后
    εV σV εV σV
    AB 0.025 ±0.019 0.005 ±0.015
    BA 0.025 ±0.020 0.005 ±0.017
    CD 0.022 ±0.033 0.005 ±0.012
    DC 0.031 ±0.026 0.005 ±0.012
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    表  4  两种方法下4个测次平均流速比较

    Table  4.   Difference Between Mean Water Velocity Computed by Proposed Method and Traditional Method

    测次 平均流速/(m·s-1) 平均流向/(°)
    底跟踪 GPS 差值均值 差值标准差 底跟踪 GPS 差值
    AB 0.519 0.518 -0.001 ±0.015 322.35 320.93 -1.42
    BA 0.493 0.498 0.005 ±0.018 319.35 319.03 -0.32
    CD 0.519 0.520 0.001 ±0.020 316.48 316.43 -0.05
    DC 0.623 0.615 -0.008 ±0.028 323.49 323.35 -0.14
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-30
  • 刊出日期:  2016-08-05

基于集成外部传感器的ADCP精确测量方法研究

doi: 10.13203/j.whugis20130311
    基金项目:

    国家自然科学基金 41176068

    国家自然科学基金 41376109

    国家自然科学基金 41576107

    作者简介:

    张红梅, 博士, 教授, 主要从事海洋测量等方面的教学与科研工作。hmzhang@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P229

摘要: 受外部磁场、底质流动及仪器性能等因素影响,利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)自带的磁罗经及底跟踪技术难以为流速确定提供准确的方位和船速基准,从而降低了ADCP流速测量精度并限制了其应用。为此,借助GPS和罗经等外部传感器,提出了一种ADCP流速精确测量方法和全套数据处理模型,替代了ADCP测量中的速度和方位基准,显著提高了ADCP成果精度。实验验证了该方法的有效性。

English Abstract

张红梅, 陈志高, 赵建虎, 黄家勇, 王真祥. 基于集成外部传感器的ADCP精确测量方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311
引用本文: 张红梅, 陈志高, 赵建虎, 黄家勇, 王真祥. 基于集成外部传感器的ADCP精确测量方法研究[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311
ZHANG Hongmei, CHEN Zhigao, ZHAO Jianhu, HUANG Jiayong, WANG Zhenxiang. ADCP Integration Measurement Based on External Sensors[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311
Citation: ZHANG Hongmei, CHEN Zhigao, ZHAO Jianhu, HUANG Jiayong, WANG Zhenxiang. ADCP Integration Measurement Based on External Sensors[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(8): 1131-1136. doi: 10.13203/j.whugis20130311
  • 声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler,ADCP)利用两组不同长度的声脉冲测得相对流速(水跟踪流速)及船对地速度(底跟踪船速),综合相对流速、船速、ADCP内置磁罗经方位和姿态计算水流绝对速度[1]。受铁质测量船及周围磁场、流动底质及内部倾斜计测量精度等影响,ADCP自身无法精确地获得方位、船速,也无法有效消除船姿影响[2-4],降低了流速测量精度并限制了其应用[5-7]。为此,国内外学者借助外部传感器开展了相关研究。一些学者借助GPS罗经或光纤罗经的方位信息替换了ADCP磁罗经方位[8-10]。该方法虽提高了方位信息的精度和可靠性,但由于外部罗经提供的方位为测量船方位,而流速计算需要ADCP换能器轴向方位,二者存在安装偏角,导致往返流速测量成果不一致。为消除流动底质造成的底跟踪船速错误,一些学者借助GPS,根据相邻历元间的定位信息确定船速并替代底跟踪船速[11-15]。这些方法将GPS天线处运动速度认定为船速,忽视了姿态因素对船速计算的影响,这种直接替代势必给流速的准确确定带来误差。此外,ADCP内置倾斜计提供的姿态参数精度相对较低,也给流速的精确计算造成了一定的影响。在实际测量中,上述问题对流速测量的影响可能同时存在,而目前研究多基于单一影响开展,尚未形成实现ADCP流速精确确定的系统性解决方案和数据处理方法。为此,本文从ADCP测流原理出发,借助外部传感器,研究ADCP换能器确定速度和方法参数的方法以及流速的计算方法,以期消除上述因素影响,增强ADCP的适用性,提高流速测量精度。

    • ADCP借助多普勒效应实现水跟踪和底跟踪,获得换能器坐标系下的相对流速和船速。受姿态(纵摇pitch,横摇roll)和航向(heading)的影响,瞬时换能器坐标系(transducer frame system,TFS)与理想换能器坐标系、船体坐标系(vessel frame system,VFS)以及地理坐标系(geographic reference frame,GRF)并不一致,需借助综合旋转矩阵M将实测的TFS下的相对流速和船速转换到GRF下,计算公式如下:

      (1)

      式中, H为航向;P为纵摇;R为横摇。这样,GRF下的绝对流速VW可由式(1)获得的相对流速减去船速获得:

      (2)

      式中,VM为ADCP测得的相对换能器的水速;VBT为底跟踪测得的船速。

      由式(1)、(2)可知,影响流速VW精度的因素有底跟踪船速VBTVMH和姿态参数RP。其中,VBT是绝对流速VW计算的参考,但受流动底质影响VBT偏小,可能导致底部检测失败;VM主要受ADCP自身性能影响。一般情况下,ADCP利用水跟踪技术实测的相对流速具有较高的测量精度;H为ADCP轴向实时方位,通常由ADCP内置磁罗经提供的磁方位和当地磁偏角综合确定。磁罗经易受外部磁场(如铁质测量船等)干扰,提供的磁方位存在较大偏差甚至错误,并导致H确定不准确或异常,降低了流速确定精度,限制了ADCP的应用;根据式(1),VMVBT均须借助R、P和H构建的旋转矩阵,通过对实测流速和底跟踪船速变换获得。RP源于ADCP内置倾斜计,精度较低(约为0.5°),会给VMVBT以及最终绝对流速VW计算带来误差。

      为此,本文给出一种基于外部传感器的流速精确确定方法。

    • GPS RTK/PPK可提供cm级平面解,GPS罗经或光纤罗经均可提供优于0.05°的方位和姿态参数,这些为高精度船速、航向以及姿态参数确定提供了条件。图 1给出了借助3台GPS基于RTK/PPK实现上述参数确定的各设备在船上的布设图。RTK-2架设在测船重心正上方,RTK-2和RTK-3沿测船龙骨布设,与船体坐标系Y轴重合;RTK-1安装在ADCP换能器上方,RTK-1与RTK-2沿着船体坐标系X轴布设。设备架设完成后,测定各GPS天线在船体坐标系下的坐标。

      图  1  外部传感器布设示意图

      Figure 1.  Assignments of External Sensors on Ship

      以上借助三台GPS,基于RTK确定了各参数。光纤罗经可提供高精度测船方位及姿态信息,若具备光纤罗经,可替换图 1中的RTK-2和RTK-3,实现方位和姿态的直接测定。光纤罗经可安装在测船重心,并确保其轴向与船体坐标系y轴一致或平行,则光纤罗经提供的方位和姿态也即为测量船方位A和姿态参数;安装在ADCP换能器上方的RTK-1仍用于定位以及船速确定。

    • (1)姿态角P和R

      受风浪等影响,测船姿态瞬时变化,导致GPS天线在理想船体坐标系下位置变化,但天线间几何距离L32L12不会改变;初始安装时,天线间高差dh32和dh12已测定,受纵摇P和横摇R影响,原天线间垂直偏差变化为dh32dh12。借助这些参数,基于式(3)可得船体瞬时姿态角PR

      (3)

      式中,h1~h3为3台GPS天线同时刻的垂直解。

      (2)测量船方位A

      测量船方位A可借助同时刻RTK-3和RTK-2的平面解(X3Y3)和(X2Y2)获得:

      (4)

      (3)船速VGPS

      根据RTK平面解可计算GPS天线瞬时水平速度。在式(2)中,ADCP底跟踪速度为换能器速度。受姿态影响,基于RTK解计算所得速度并非ADCP换能器速度。只有将GPS天线处的平面解归位到换能器,并基于换能器坐标才能计算出正确的换能器速度。

      理想情况下,若RTK-1和ADCP换能器在VFS下坐标分别为PRTK1-VFS=[x, y, z]RTK1-VFSTPT-VFS=[x, y, z]T-VFST,则ADCP换能器在GRF坐标系下的瞬时三维坐标PT-GRF为:

      (5)

      式中,PΔ为RTK1和ADCP换能器在VFS下的坐标矢量差;PRTK1为RTK-1三维解(X1Y1h1);M为由测量船方位A、姿态(PR)构建而成的旋转变换矩阵,形式同式(1)中M

      获得了换能器在GRF下瞬时坐标后,依前后两个历元的平面解可得GPS船速VGPS:

      (6)

      式中,VxVy为船速的东、北分量;(XY)tt时刻GRF下换能器的平面位置。

      为确保GPS船速和方位基准的正确性,采用Kalman滤波对其进行滤波处理[16]:

      (7)

      对船速滤波时,状态向量X=[VGPSxVGPSy],而对方位滤波时X=[θBT]。

    • 由于ADCP换能器固定在测量船上,因此基于外部传感器获得的测量船速度和姿态即为ADCP换能器的速度和姿态。若ADCP安装时Y轴方向与船体坐标系Y轴方向一致,则基于外部传感器获得的测量船方位A也为ADCP换能器轴向方位H;但若安装时二者不一致,则需考虑安装偏角α,以便获得换能器轴向实时方位(如图 1所示)。α角可在设备安装时测定,也可采用走航方式确定。对于后者,α可借助底跟踪船速VBT和式(6)的GPS船速VGPS确定:

      (8)

      式中,(VxVy)GPST为GPS船速矢量;((Vx)′,(Vy)′)BTT为直接将GPS方位A和底跟踪船速VBT代入式(1)中计算得到的换能器速度。

      则换能器的实时方位H为:

      (9)

      故此,借助外部传感器,获得了式(1)和式(2)中需要的各项换能器参量。利用H、P和R构建旋转矩阵M,基于式(1),实现水跟踪所得水速到GRF下的转换,获得VM;综合VMVGPS,基于式(2),获得GRF下绝对流速VW

    • 未受底质流动影响时,ADCP底跟踪所得船速具有较高的测量精度。据此,在不动底质下,借助外部罗经,基于底跟踪开展ADCP测量。顾及安装偏差,获得换能器实时方位,将底跟踪船速作为起算基准,利用式(1)和式(2)获得流速;以该流速为参考,上述参数替换处理后所得流速与之比较,评估本文所述方法确定流速的精度。

      流速确定精度可借助各历元流速误差εVj的均值εV和标准差σεV来评估:

      (10)
    • 为检验外部基准下ADCP流速测量的可靠性,在长江口水域开展了走航式ADCP流速测量实验(图 2 (a))。实验水域为潮汐河段,实验期间处于涨潮时段,无底质流动。ADCP采用RDI公司生产的300 KHz瑞江系列4波束ADCP;GPS选用徕卡SR530,采用RTK作业模式;各设备在测量船上的安装如图 1所示。为检验本文所述方法在不同方位和水流特征下的流速测量精度,实验设计了两个互为正交的断面ABCD,其中AB为纵断面,CD为横断面,断面长度均为1 200 m左右(图 2(b))。分别采用传统ADCP测量方法和基于外部传感器的ADCP测量方法对每个断面进行往返测量,共4个测回,8个测次。

      图  2  实验水域及实验断面

      Figure 2.  Water Area and Cross Line for the Experiment

    • 为检验姿态测量精度对流速影响,分别利用ADCP内置倾斜计姿态和3台RTK解得到的船姿计算4个测次的平均流速流向,结果见表 1。可以看出,二者所得流速差异小于1 cm/s,平均流向差异小于1°,流速流向精度基本一致,表明本文给出的姿态测量方法正确。实验中L23L12长度分别为12.2 m和4.5 m,高程测量精度若为±5 cm,由式(3)知,PR角精度分别为0.3°和0.8°,与内置倾斜计姿态角测量精度处于同一量级,因此二者流速确定精度非常接近。

      表 1  ADCP倾斜计数据与RTK数据计算的各测次平均流速及流向

      Table 1.  Difference Between Mean Water Velocity when Tilter Data and RTK Data Used in Calculation

      测次 平均流速/(m·s-1) 平均流向/(°)
      倾斜计 RTK 差值 倾斜计 RTK 差值
      AB 0.519 0.511 -0.008 322.35 321.92 -0.43
      BA 0.493 0.494 0.001 319.35 319.71 0.36
      CD 0.519 0.514 -0.005 316.48 317.22 0.74
      DC 0.623 0.623 0.000 323.49 323.58 0.09
    • 根据式(5)和式(6)计算GPS船速,式(1)计算底跟踪船速,式(8)得到安装偏角α。4个测次的α角统计结果如表 2所示。4个测次的α角均值为6.02°。

      表 2  探测得到的α角统计参数/(°)

      Table 2.  Statistical Parameters of α /(°)

      测次 均值 标准差
      AB 5.99 ±0.10
      BA 6.00 ±0.11
      CD 5.97 ±0.14
      DC 6.09 ±0.12

      可以看出,本文给出的安装角偏差探测方法具有较高的精度,标准差控制在±0.15°。最终以4个测次探测到的α均值6.02°作为本次实验中ADCP换能器的安装偏角。

    • 底质稳定时,ADCP底跟踪船速具有很好的精度,可用于检验本文给出的GPS船速精度。实验水域为非流动底质,借助GPS确定的换能器轴向方位H、底跟踪船速及倾斜计姿态可计算船速;采用本文方法所得船速,以底跟踪船速为参考,与GPS船速进行比较,各测次偏差统计结果如表 3所示。可以看出,对GPS船速滤波前,由于GPS-RTK定位精度较高,GPS船速与底跟踪船速吻合较好,平均最大偏差为3.1 cm/s,标准差为±3.3 cm/s;滤波后,由于消除了GPS高频噪声,相对滤波前,GPS船速精度更高,最大平均误差为0.5 cm/s,标准差为±1.7 cm/s。以上表明滤波后的GPS船速具有较高的精度,基于本文所述方法给出的船速具有较高的精度和稳定性,且不依赖于底质条件。

      表 3  GPS船速滤波前后误差分析/(m\5s-1)

      Table 3.  Difference Between GPS Boat Velocities Before and After Filtering/(m\5s-1)

      测次 滤波前 滤波后
      εV σV εV σV
      AB 0.025 ±0.019 0.005 ±0.015
      BA 0.025 ±0.020 0.005 ±0.017
      CD 0.022 ±0.033 0.005 ±0.012
      DC 0.031 ±0.026 0.005 ±0.012
    • 为分析基于外部传感器的ADCP流速确定精度,开展了如下实验。

      方法1 以GPS船速为参考,结合式(9)确定换能器方位H,式(3)确定的姿态及水跟踪流速,分别计算4个测次平均流速。

      方法2 以底跟踪船速为参考,结合H、姿态及水流速,分别计算4个测次平均流速。

      比较两种方法计算所得各测次流速和流向,并对差值进行统计,统计结果如表 4所示。可以看出,二者计算所得流速吻合很好,4个测次流速差值均小于0.02 m/s,标准差小于±0.04 m/s;此外,二者的平均流向也吻合较好,4个测次的最大差值小于2°,满足流速测量精度要求。由于不动底质下底跟踪流速具有较高的精度,不稳定的磁罗经方位又被替换,因此由方法2计算的流速具有较高的精度,而方法1计算结果与之具有较好的一致性,表明本文给出的基于外部传感器的ADCP流速测量方法正确,且具有较高的流速确定精度。

      表 4  两种方法下4个测次平均流速比较

      Table 4.  Difference Between Mean Water Velocity Computed by Proposed Method and Traditional Method

      测次 平均流速/(m·s-1) 平均流向/(°)
      底跟踪 GPS 差值均值 差值标准差 底跟踪 GPS 差值
      AB 0.519 0.518 -0.001 ±0.015 322.35 320.93 -1.42
      BA 0.493 0.498 0.005 ±0.018 319.35 319.03 -0.32
      CD 0.519 0.520 0.001 ±0.020 316.48 316.43 -0.05
      DC 0.623 0.615 -0.008 ±0.028 323.49 323.35 -0.14
    • 本文给出的基于外部传感器的ADCP流速测量方法,为流速计算提供了准确的换能器速度和方位,避免了底质流动、外部磁场干扰等造成的底跟踪船速和磁罗经方位不准确甚至异常问题,提高了ADCP流速测量精度,同时也扩展了其应用范围。理论和实验均验证了上述结论的正确性。

      基于GPS阵列确定测量船姿态精度的方法除与RTK测量精度相关外,还与天线间基线长度相关。基线长度越长,姿态确定精度越高。因此,借助外部传感器确定测船姿态时,建议在大型专业测量船上采用GPS测姿阵列或四维光纤罗经,而在小型测量船上采用四维光纤罗经。

      本文基于RTK定位技术给出了船速、方位和姿态参数确定方法,若作用距离相对较远且无线电传输存在问题,RTK定位技术将不能采用,此时可考虑采用PPK定位技术开展上述参数解算。

参考文献 (16)

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