王軍成 厲運周① 楊英東 劉世萱 孔慶霖 鄭 良

(1.國防科技大學氣象海洋學院 湖南長沙 410073; 2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 山東省科學院海洋儀器儀表研究所山東青島 266061; 3.嶗山實驗室 山東青島 266237)

受海浪、風、海流等的影響, 海洋資料浮標(簡稱浮標)海上工作時會產(chǎn)生多個自由度的復(fù)雜運動, 對浮標及其搭載測量設(shè)備的可靠性、安全性產(chǎn)生影響,也將會導(dǎo)致海洋環(huán)境參數(shù)實時測量過程中產(chǎn)生一定的誤差。浮標姿態(tài)測量, 是認識浮標海上工作時運動狀態(tài)的重要信息來源, 關(guān)系著浮標研發(fā)過程中的穩(wěn)定性、可靠性及隨波性設(shè)計(余建星等, 2017), 關(guān)系到風、浪、流等觀測數(shù)據(jù)的姿態(tài)精準校正和運動補償,是海洋資料浮標高準確度參數(shù)測量的重要關(guān)鍵技術(shù),越來越受到海洋資料浮標研究設(shè)計者的重視。與陸地姿態(tài)測量技術(shù)相比, 海洋資料浮標的海上工作環(huán)境和測量方式對姿態(tài)測量技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)和要求,現(xiàn)有成熟的陸地姿態(tài)測量技術(shù)難以直接套用在海洋資料浮標平臺, 適用于惡劣海洋環(huán)境的浮標姿態(tài)測量技術(shù)亟待加大研發(fā)力度。本文對現(xiàn)有海洋資料浮標的姿態(tài)測量技術(shù)進行分析探討, 以期為相關(guān)研究人員提供一定的借鑒和啟發(fā)。

1 海洋資料浮標簡介

海洋觀測是研究海洋、開發(fā)海洋和利用海洋的基礎(chǔ), 海洋觀測技術(shù)的發(fā)展對于增強海洋環(huán)境監(jiān)測能力、預(yù)警和預(yù)報海洋災(zāi)害、提高海洋資源的開發(fā)能力、促進海洋經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要(蔡樹群等, 2007; 漆隨平等, 2019)。依靠先進的海洋監(jiān)測儀器裝備, 人們得以開展海洋環(huán)境大尺度范圍和長序列時間的海上實況測量, 進而實現(xiàn)海洋環(huán)境立體實時監(jiān)測, 從而幫助人們認識海洋, 經(jīng)略海洋(張云海, 2018)。隨著現(xiàn)代電子、通信、計算機技術(shù), 以及搭載多種海洋傳感儀器平臺技術(shù)(浮標、船舶、衛(wèi)星等)的發(fā)展, 人類能夠以組網(wǎng)的方式, 全面立體實時獲取海洋信息, 海洋監(jiān)測不斷向著綜合智能感知的方向發(fā)展(姜曉軼等, 2018)。海洋資料浮標作為離岸現(xiàn)場監(jiān)測的重要手段, 在海洋動力環(huán)境監(jiān)測、海洋污染監(jiān)測、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)真實性校驗、水聲環(huán)境監(jiān)測等方面的重要作用日益突出。浮標主要由浮標體、錨系、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、浮標檢測儀等部分組成(王軍成, 2013)。按照標體結(jié)構(gòu)形式, 浮標分為圓盤型、球型、船型、柱型等類型。按照錨泊方式, 浮標分為錨系型和漂流型。按照浮標體尺度, 可以分為大型、中型、小型等不同類型。浮標尺度越大, 其穩(wěn)定性越好、越不易傾覆、抗破壞性和抗惡劣海況的能力越強, 但浮標的設(shè)計難度更大, 建造價格更高、周期更長, 運輸、拖航、布放回收難度也會更大。按照浮標測量功能, 可分為氣象水文監(jiān)測浮標、水質(zhì)浮標、波浪浮標、光學浮標(楊躍忠等, 2010)、核輻射監(jiān)測浮標(劉東彥等, 2016)等類型。根據(jù)搭載的測量傳感不同, 浮標能夠?qū)崿F(xiàn)對海洋水文、氣象、生態(tài)、光學等環(huán)境參數(shù)的測量(Liuet al, 2014; Wuet al, 2015; 阮海林等, 2015)。然而, 海洋環(huán)境惡劣, 無論何種類型的海洋資料浮標, 在海上工作過程中, 都會因為受到海浪、風、海流等作用力的影響, 產(chǎn)生六個自由度的運動(縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖), 從而使浮標觀測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性下降(陳曉等, 2022),極端天氣下浮標產(chǎn)生劇烈的姿態(tài)變化甚至會導(dǎo)致浮標傾覆現(xiàn)象(王昭正, 1987; Bouchardet al, 2006)。浮標的動態(tài)運動也會對環(huán)境參數(shù)的測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響(陳新剛等, 2020), 特別是與平臺姿態(tài)緊密聯(lián)系的環(huán)境要素, 在惡劣海況下難以獲得接近真實的數(shù)據(jù)(陳紅霞等, 2023), 這是海上儀器裝備觀測區(qū)別于陸地上儀器觀測的重要不同之處。

2 海洋浮標姿態(tài)測量需求

隨著世界各國對于海洋資源探索開發(fā)需求的日益增長, 海洋資料浮標的應(yīng)用需求逐漸從近海向深遠海拓展, 人們對海洋環(huán)境監(jiān)測的廣度和精度等方面提出了更高要求(戴洪磊等, 2014; 王波等, 2014)。更多種類和數(shù)量的傳感器及設(shè)備被搭載布置在不同類型的海洋資料浮標上。根據(jù)監(jiān)測任務(wù)的不同, 不同類型浮標上集成相應(yīng)的不同傳感設(shè)備, 采集諸如水文、水質(zhì)、氣象、生態(tài)、海洋生物、海洋化學、海洋物理等多方面的海洋信息并加以處理(Daiet al, 2019;王軍成等, 2019)。例如, 為研究海洋物質(zhì)在海洋環(huán)流影響下的表層物質(zhì)散播軌跡, 利用漂流浮標隨海洋環(huán)流系統(tǒng)運動軌跡獲取過程參數(shù), 浮標軌跡路徑和終點位置受多尺度流場變化影響, 通過拉格朗日示蹤分析和觀測模擬試驗, 能夠更全面認識海洋物質(zhì)實際傳播路徑和范圍(盧錫等, 2022)。

通常, 海洋資料浮標的尺寸越小, 浮標姿態(tài)變化受海況影響的程度越嚴重(季春群, 1988; 梁冠輝等,2020b), 相應(yīng)地, 浮標及搭載設(shè)備的安全性和工作穩(wěn)定性也將受到嚴峻的考驗。姿態(tài)變化的影響使得相關(guān)測量結(jié)果不可避免地疊加了浮標運動的干擾, 特別當進行瞬時測量時, 對于搭載在浮標上的風、浪、流等水文氣象參數(shù)的觀測儀器和設(shè)備而言, 浮標平臺上自身的動態(tài)基準對測量誤差的影響更大, 將很難滿足高時間分辨率的數(shù)據(jù)獲取需求。在傳感器性能確定條件下, 浮標運動是造成相關(guān)環(huán)境參數(shù)測量誤差的主要來源。

以風測量為例, 當采用平均數(shù)值作為風測量值時, 浮標運動影響或可通過統(tǒng)計學處理進行減弱甚至抵消, 因此通常認為真風值與平均視風值差距不大。然而, 進行瞬時風測量時, 浮標體的橫搖、縱搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩引起的風速計傾料, 使得浮標風速傳感器旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)軸無法與風向保持平行, 造成瞬時風速風向測量的較大偏差, 特別在高海況下陣性風速的測量會更加顯著。宮明曉等(2019)和Polverari 等(2022)在衛(wèi)星反演風場與浮標實測風場對比研究過程中發(fā)現(xiàn), 兩種風場測量存在明顯差異。胡敦欣等(1996)為獲得精確的海氣湍流通量, 用多個加速度計組成姿態(tài)觀測陣列獲取船體姿態(tài)和運動, 用于校正觀測到的風湍流資料, 能夠較為精確地消除船體運動對風湍流的影響。此外, 浮標體的六自由度運動會帶動風速計產(chǎn)生相對于浮標參考系角速度的變化, 從而造成浮標體相對于固定參考系的移動速度測量誤差。海況越惡劣, 浮標運動越劇烈, 瞬時風速測量誤差會變大, 數(shù)據(jù)偏離真實值也會越大, 使得測量結(jié)果的可信度變差。因此, 在高海況下依托浮標平臺實現(xiàn)高準確度的測風是比較困難的。

浮標運動姿態(tài)與其水動力性能緊密相關(guān)。對浮標標體進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時, 標體水動力分析必不可少。經(jīng)典的著作《浮標工程》(Berteaux, 1976)就結(jié)合流體力學、彈性力學以及環(huán)境載荷等相關(guān)學科知識, 對浮標及其系泊系統(tǒng)的力學性能進行了深入分析。Carpenter等(1995)利用數(shù)值模擬與試驗方法對圓柱形浮標和圓盤形浮標的運動響應(yīng)進行了系統(tǒng)分析, 結(jié)果顯示, 圓柱形浮標的垂蕩運動以及圓盤形浮標的橫搖運動受涌浪影響較為顯著。余建星等(2017)圍繞浮標水動力特性研究, 歸納了浮標水動力特性研究在浮標受力與力矩、浮標運動姿態(tài)與幅值上的工程應(yīng)用, 系統(tǒng)總結(jié)了理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場觀測這四種水動力特性研究方法, 這些方法在指導(dǎo)浮標設(shè)計、分析驗證浮標工作穩(wěn)定性等具有重要作用, 指出現(xiàn)場獲取連續(xù)的實時動態(tài)數(shù)據(jù)可為新型浮標的開發(fā)和設(shè)計提供直接反饋和指導(dǎo)。可見, 開展海洋資料浮標姿態(tài)監(jiān)測能夠為浮標結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

目前用于科學研究或業(yè)務(wù)化觀測的浮標, 對于傳感器布放前的校準、運行中的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)端奇異值質(zhì)量控制等較為重視(吳曉芬等, 2019), 對于受海況影響產(chǎn)生的浮標多自由度運動導(dǎo)致的測量影響關(guān)注較少, 缺乏系統(tǒng)的定量分析評估, 相關(guān)校正研究也較少(Croutet al, 2010)。姿態(tài)研究方法尚未形成統(tǒng)一標準, 缺乏合適的運動模型, 無法滿足特定復(fù)雜海況下的浮標運動姿態(tài)精度要求, 浮動平臺運動姿態(tài)校正方法在國際上尚未形成共識, 研究一致性存在爭議, 相關(guān)領(lǐng)域仍然有較大的探索以及研究空間。因此, 迫切需要就浮標在復(fù)雜海況下的姿態(tài)運動開展系統(tǒng)深入的研究, 提升姿態(tài)測量技術(shù)在浮標上的應(yīng)用, 融合浮標姿態(tài)信息進行實時數(shù)據(jù)校正以滿足浮動平臺高精度實時觀測的迫切需求。海洋資料浮標姿態(tài)監(jiān)測不但有利于科研人員對海上設(shè)備的工作環(huán)境進行科學分析, 對極端海況下的浮標搭載設(shè)備數(shù)據(jù)的真實有效性以及浮標設(shè)備的安全性進行重點監(jiān)測和科學評估, 而且能對浮標標體的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能起到積極作用。

3 浮標姿態(tài)測量研究現(xiàn)狀

浮標平臺的海上運動特性非常復(fù)雜, 包含了橫搖、縱搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩六個自由度的運動。已有部分學者就海洋環(huán)境對浮標姿態(tài)的影響開展了一定的相關(guān)研究, 研究內(nèi)容相對分散, 研究方法及重點不一。

3.1 浮標運動姿態(tài)響應(yīng)研究

Chen 等(2021)基于對海洋漂流浮標組成部件的力學分析, 對不同場景下漂流浮標水下姿態(tài)和受力分布進行了預(yù)測和分析, 建立了漂流浮標的通用數(shù)值模型。唐文俊等(2013)通過對淺水區(qū)海浪譜模型的仿真, 初步研究了淺水區(qū)海浪波動對電磁浮標姿態(tài)變化的影響。曲少春等(2010)通過對圓柱形浮標運動分析, 討論了浮標重力以及設(shè)計尺寸對浮標橫搖運動的影響, 調(diào)整設(shè)計參數(shù)后有效降低了浮標橫搖運動響應(yīng), 提高了所搭載儀器的工作穩(wěn)定性。

浮標系泊方式對浮標姿態(tài)的影響也有較多深入的研究。Radhakrishnan 等(2007)對球形浮標及其系泊系統(tǒng)在規(guī)則波中的運動進行了研究, 結(jié)果顯示, 當規(guī)則波浪頻率為浮標固有頻率的兩倍時, 浮標橫搖運動不穩(wěn)定, 會出現(xiàn)橫向振蕩現(xiàn)象, 并且橫向振蕩幅值隨著浮標吃水深度的增加而減小。陳小紅等(1995)基于浮標靜力計算和三勢流理論, 對浮標水動力系數(shù)(附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)和波浪力等)展開了計算分析,研究了單點系泊浮標在頻域中的運動響應(yīng)。朱新穎等(2000)通過計算深海浮標在規(guī)則波中的運動響應(yīng)和系泊纜張力, 研究了系泊纜繩對浮標運動響應(yīng)的影響,結(jié)果表明系泊纜繩的存在能夠減小浮標的搖蕩運動,使其峰值向低頻移動, 但是垂蕩運動除外。繆泉明等(2003)基于三維勢流理論計算了浮標的水動力系數(shù),應(yīng)用卡明斯運動方程對浮標及其三錨鏈系泊系統(tǒng)進行數(shù)值模擬計算, 結(jié)果表明, 增加浮標重量能夠使浮標復(fù)原力矩變大, 從而降低其橫搖運動響應(yīng), 在不改變浮體重量的前提下, 調(diào)整浮標尺寸, 增加復(fù)原力矩,可改善浮標的橫搖運動。王興剛等(2011)應(yīng)用邊界元方法對浮標進行了頻域計算, 分析了浮標附加質(zhì)量、輻射阻尼、一階波浪力以及二階波浪平均漂移力, 通過時域分析方法計算了浮標的運動響應(yīng)和系泊纜索張力。孫金偉等(2012)設(shè)計了橫向錨泊系統(tǒng), 增強了流速較大海域波浪浮標抵抗海流的能力, 結(jié)果顯示,橫向錨泊系統(tǒng)能夠極大提高波浪浮標的隨波性以及抗傾覆能力, 進而提升了波浪測量數(shù)據(jù)的準確性。張繼明等(2014)利用數(shù)值模擬的方法, 得到浮標的運動響應(yīng)與系泊纜的受力情況, 對圓盤型海洋資料浮標及其系泊系統(tǒng)進行了分析與研究, 充分考慮了流載荷作用, 大大提高了數(shù)值模擬的精度。方子帆等(2017)針對淺海浮標系泊結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制問題, 根據(jù)浮標系泊結(jié)構(gòu)力學推導(dǎo)出系泊系統(tǒng)狀態(tài)的描述方程,建立了浮標錨鏈參數(shù)優(yōu)化匹配的數(shù)學模型, 研究了浮標系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化匹配計算方法, 為浮標系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。

3.2 浮標姿態(tài)測量方法研究

針對浮標姿態(tài)測量, 不同科研團隊采取了不同的研究方法。趙江濤等(2019)基于雙目視覺及空間幾何, 提出了一種新的浮標姿態(tài)測量方法。他們通過雙目視覺系統(tǒng)獲取浮標的運動圖像, 再利用霍夫變換(Hough)變換和隨機樣本一致性算法, 從兩側(cè)圖像平面提取相應(yīng)的直線特征, 得到直線方程和浮標擺角。海上實驗驗證這種方法可在海洋環(huán)境下有效提取平均絕對誤差小于0.5°的浮標線性特征。但是這種方法需要首先獲得浮標的運動圖像, 因此必須在遠離浮標的地方架設(shè)相應(yīng)的傳感設(shè)備, 在實際工程應(yīng)用中局限性較大。

還有一些學者采用水聽器對浮標姿態(tài)進行測量。笪良龍等(2016)設(shè)計了一種封裝在矢量水聽器內(nèi)部的微型姿態(tài)測量系統(tǒng), 輔以微型慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement Unit, MIMU), 采用畢卡迭代算法及卡爾曼濾波, 顯著提升了目標方位的估計精度; 趙信廣等(2017)設(shè)計了輕量化低功耗的電子羅盤系統(tǒng), 結(jié)合矢量水聽器, 提高了浮動載體姿態(tài)測量的穩(wěn)定性; Cui (2018)采用集成姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對水下平臺的三維姿態(tài)進行了獲取, 有效提高了水下平臺矢量水聽器的測量精度。然而, 采用水聽器進行姿態(tài)監(jiān)測主要應(yīng)用于水下載體, 較少用于海上浮標平臺。

上述浮標姿態(tài)測量方法在實際作業(yè)中局限性均較大。目前, 海洋資料浮標姿態(tài)測量仍然多采用陀螺儀、加速度計以及磁阻傳感器融合的慣性測量系統(tǒng)(劉路等, 2019)。但是, 慣性測量系統(tǒng)也存在一定的不足之處, 比如陀螺儀漂移誤差比較大, 加速度計運動干擾明顯, 磁場易受外界影響等等(楊英東, 2017)。因此, 在應(yīng)用慣性測量系統(tǒng)時, 需要采用不同的系統(tǒng)設(shè)計方式和不同的算法對姿態(tài)測量數(shù)據(jù)進行校準(甘雨,2015)。

現(xiàn)有浮標姿態(tài)測量方法主要包括以下兩種: 一是基于MIMU 的測量研究, 一是基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)的測量研究。其中MIMU 系統(tǒng)具有短時間內(nèi)優(yōu)良的動態(tài)性能與不受外部信號干擾的特點, 能夠彌補導(dǎo)航衛(wèi)星測量系統(tǒng)動態(tài)性能差、更新率低以及易受外部干擾等缺陷, 而GNSS 測量系統(tǒng)具有長期無誤差積累的特點, 可為慣性測量系統(tǒng)進行在線標校和學習提供良好的依據(jù)?，F(xiàn)有大多數(shù)相關(guān)研究是基于兩種測量系統(tǒng)的耦合。下文主要就這兩種方法展開論述。

3.2.1 基于MIMU 的浮標姿態(tài)信息高精度測量MIMU 是微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)的一個重要分支, 集成了諸如陀螺儀、加速度計、磁阻傳感器、嵌入式元器件以及導(dǎo)航軟件等(唐康華等, 2015), 該系統(tǒng)具有低成本, 低功耗, 體積小, 穩(wěn)定性高的優(yōu)點, 廣泛運用在諸如軍事(陳督等, 2020)、智能手機(Del Rosarioet al, 2016)、無人機(Yanget al, 2020; 張雄等, 2020; Hoanget al,2021)、工業(yè)機器人(Chiellaet al, 2019)、車輛姿態(tài)分析(Wuet al, 2021)等多種場景下的姿態(tài)測量中。

目前, 海上浮標姿態(tài)測量多采用微陀螺儀。但是, 微陀螺儀測量的漂移問題會導(dǎo)致測量精度的明顯下降, 需要融合其他信息以保證其測量精度, 通常采用以下兩種方法: 一是通過提升改進硬件性能實現(xiàn)浮標實時運動狀態(tài)檢測; 二是基于現(xiàn)有陀螺儀、加速度計、磁阻傳感器設(shè)計新系統(tǒng), 獲取相應(yīng)角加速度、線加速度和地磁信息, 再通過對多元姿態(tài)數(shù)據(jù)進行加權(quán)融合計算, 實現(xiàn)浮標實時運動狀態(tài)檢測。文獻表明, 大多數(shù)相關(guān)研究集中在第二種方法開展, 其中余博嵩等(2019)通過設(shè)計新系統(tǒng), 并利用四元法和比例積分(Proportional Integral, PI)調(diào)節(jié)算法對姿態(tài)進行解算并進行數(shù)據(jù)融合, 使用橢球擬合以及閾值濾波的誤差補償方法進行系統(tǒng)誤差校正。但是, PI 調(diào)節(jié)無法滿足對浮標復(fù)雜的運動狀況的運算, 因此會導(dǎo)致顯著誤差, 這一點在海上試驗中也得到了證實。Jouybari 等(2019)則從位于伊朗基什島沿海水域浮標上獲取數(shù)據(jù), 通過采用多種算法進行對比, 證明了在輸入?yún)⒘恳恢碌那闆r下,Madgwick 算法和Mahony 算法對于姿態(tài)信息的校正精度均優(yōu)于互補濾波算法。Anctil 等(1994)利用小型隨波浮標測量湍流海氣通量, 提出了對風速計角向和軸向運動引起的風速進行修正的方法, 將大地坐標系向浮標坐標系的坐標旋轉(zhuǎn)變換, 通過線性加速度計積分對浮標軸向運動進行補償, 并對浮標旋轉(zhuǎn)引起的角速度進行坐標變換補償, 得到疊加了浮標平動和旋轉(zhuǎn)的真風修正公式。該方法在波浪4.25 m以下的海況下應(yīng)用情況較好。茍艷妮等(2013)探索了模擬退火算法對多基地聲吶浮標水下目標定位的作用, 在建立適合于浮標系統(tǒng)工作方式的目標函數(shù)情況下, 選擇合理的接收停止準則, 通過大量實驗對算法的各方面性能進行了仿真, 證實了退火算法對多基地浮標目標定位具有可行性。劉寧等(2020)對MIMU 加速度與姿態(tài)角信號進行預(yù)處理, 獲得主值方向加速度, 利用離散傅里葉變換將加速度轉(zhuǎn)化到頻域, 濾波后通過離散傅里葉逆變換獲取時域內(nèi)的唯一信息, 將空投波浪浮標的測量誤差控制在10%以內(nèi)。侯慶余(2014)利用三軸加速度傳感器、三軸磁阻傳感器以及三軸陀螺儀, 獲取了浮標載體姿態(tài)的冗余信息, 通過有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波、擴展卡爾曼濾波、誤差補償?shù)葍?yōu)化, 實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合, 提升海洋資料浮標姿態(tài)信息的測量精度。周金金等(2016)采用 MIMU, 通過卡爾曼濾波對載體的姿態(tài)進行確定, 獲得航向角以及俯仰角信息, 進行成像結(jié)果的反向調(diào)整, 獲取穩(wěn)定的圖像。以上研究多采用基于互補濾波器或卡爾曼濾波器的融合算法。需要注意的是, 上述研究中, 在設(shè)計系統(tǒng)及算法時,應(yīng)留出足夠的數(shù)據(jù)冗余度以應(yīng)對有可能出現(xiàn)的傳感器測量誤差或零漂導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差, 保證系統(tǒng)獲取足夠的信息對浮標姿態(tài)進行高精度校準。

3.2.2 基于GNSS 的浮標姿態(tài)及定位信息測量GNSS 是所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)稱, 包括我國的北斗系統(tǒng)(Bei Dou Navigation Satellite System, BDS)、美國的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的Glonass 系統(tǒng)等,也同時涵蓋了與這些系統(tǒng)配套的星基和地基增強系統(tǒng)(Kaplanet al, 2021)。GNSS 測姿系統(tǒng)的研究核心是求解整周模糊度, 其中比較代表性的方法是最小二乘模糊度降相關(guān)法(Least-squares AMBiguity Decorrelation Algorithm, LAMBDA)及其衍生的相關(guān)算法 (Teunissenet al, 1997; Wanget al, 2021; 肖玉鋼等,2021; Jiaet al, 2022), 是目前為止從計算成功率和工業(yè)應(yīng)用上看較為成熟的一種算法。

對于海洋資料浮標而言, 除了基于MIMU 系統(tǒng)獲取浮標的實時運動狀態(tài), GNSS 系統(tǒng)也是獲取浮標運動信息的重要途徑。張欣等(2005)采用了格型擴展卡爾曼濾波技術(shù)對航空浮標的定位方法進行了研究,使用狀態(tài)更加簡化的2-狀態(tài)定位模型, 大幅縮減了計算量, 充分考慮了浮標漂移運動特性, 提升了濾波性能, 該方法對導(dǎo)航誤差, 尤其是線性導(dǎo)航誤差有很好的抗性。Xue 等(2021)設(shè)計了一種自適應(yīng)變參時標卡爾曼濾波器, 通過設(shè)定狀態(tài)噪聲協(xié)方差的自適應(yīng)機制, 可以對不同報告間隔的浮標漂移軌跡進行估算, 對4 個漂移浮標的實測軌跡進行測量, 驗證了該方法在軌跡估算方面的優(yōu)越性。蔡艷輝等(2005)詳細地介紹了采用三維數(shù)字羅盤, 基于差分GPS 精密水下立體定位系統(tǒng), 開展浮標姿態(tài)坐標實時三維校正。張麗艷等(2008)通過融合數(shù)字羅盤以及GPS, 設(shè)計了一套無線測量系統(tǒng), 對海上浮標姿態(tài)和位置實現(xiàn)了測量, 在最終的輸出中同時應(yīng)用了MIMU 和GNSS的數(shù)據(jù), 具有一定的先導(dǎo)性意義。李俊文等(2014;2015)的研究則更進一步, 設(shè)計了一款基于六軸姿態(tài)傳感器的波浪浮標系統(tǒng), 通過引入經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和希爾伯特邊際譜, 利用卡爾曼濾波算法進行加速度計和陀螺儀的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)互補融合, 很好解決了噪聲和零漂對浮標姿態(tài)信息的干擾, 實驗證明了分析算法在波浪頻率和方向上的信息與現(xiàn)場實際情況相符, 該研究是將GNSS 信息與MIMU 信息進行融合的一種有益嘗試。Lei 等(2022)針對GPS 中斷時導(dǎo)航系統(tǒng)精度易受干擾的問題, 提出了一種用于姿態(tài)估算的自適應(yīng)增益互補濾波器, 通過在觀測對象中引入加速度矢量, 融合深度學習方法, 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的位置預(yù)測算法進行參數(shù)收斂, 尋找最優(yōu)解, 結(jié)果表明該算法優(yōu)于目前較為常用的Mahony 算法, 能夠?qū)⒏俗藨B(tài)和位置測量精度大幅增強。

綜上, 隨著研究的不斷深入, MIMU 和GNSS 的融合深度也在逐步提高。

4 海洋資料浮標姿態(tài)測量技術(shù)的未來發(fā)展

目前, 海洋資料浮標姿態(tài)測量技術(shù)已由浮標姿態(tài)信息測量延伸到浮標運動信息測量, 以獲取海洋資料浮標上任意空間位置點的運動矯正信息, 比如三維空間的角速度信息、線加速度信息、三維姿態(tài)信息、三維速度信息、三維位置信息以及升沉信息等等。這些信息的準確獲取不僅可以幫助海洋觀探測儀器進行誤差補償矯正, 而且這些運動測量信息中本身也包含了水文氣象儀器觀測的重要參數(shù)信息, 如波浪測量中, 波浪特征參數(shù)(波高、波周期和波向)的計算就是源于這些運動測量信息。另外, 這些運動測量信息作為浮標平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境中穩(wěn)定性和隨波性的直接反映, 是浮標標體設(shè)計的重要參考, 能夠為浮標平臺的穩(wěn)定性或隨波性的增強設(shè)計提供依據(jù)?？傊? 海洋資料浮標姿態(tài)測量技術(shù)已經(jīng)不僅僅局限于姿態(tài)測量本身, 這些運動測量信息還可為浮標設(shè)計以及搭載于浮標平臺上的水文氣象儀器的觀測提供更加精準和精細化的服務(wù)。

針對海洋資料浮標, 現(xiàn)有主流的姿態(tài)測量系統(tǒng)以慣性測量系統(tǒng)和導(dǎo)航衛(wèi)星測量系統(tǒng)為主, 兩者組合可以形成明顯的優(yōu)勢互補?？紤]到實際的工程應(yīng)用成本, 慣性測量系統(tǒng)在浮標平臺上大多采用微慣性測量系統(tǒng), 導(dǎo)航衛(wèi)星測量系統(tǒng)則主要采用 GPS 和BDS 的終端接收設(shè)備。然而實際上, 慣性測量和導(dǎo)航衛(wèi)星測量組合系統(tǒng)對復(fù)雜海洋環(huán)境下海洋資料浮標隨風、浪、流以及錨系拖拽的運動辨識效果還不夠理想。這可能是因為目前國內(nèi)外姿態(tài)測量的研究大多是基于陸地應(yīng)用環(huán)境所給出相應(yīng)解決方案, 較少涉及海洋領(lǐng)域。雖偶有文獻涉及海上船舶的姿態(tài)測量, 但浮標平臺的運動特性較船舶更為復(fù)雜, 除浮標自身的橫搖、縱搖、艏搖外, 還有橫蕩、縱蕩、垂蕩以及浮標圍繞錨系做的圓弧運動, 這些因素都會對海洋觀探測儀器的測量產(chǎn)生影響。目前國內(nèi)外相關(guān)研究缺少針對波浪場浮標運動的模型描述和分析。針對以上問題, 海洋資料浮標姿態(tài)測量技術(shù)需解決以下難題:

(1) 浮標復(fù)雜隨機運動與海面高強度鏡面反射對MIMU 和GNSS 融合系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的影響;

(2) 如何通過優(yōu)化浮標的運動特性模型及多源數(shù)據(jù)融合算法進而提高姿態(tài)測量設(shè)備的高速響應(yīng)頻率, 增強浮標姿態(tài)測量系統(tǒng)的抗干擾能力和復(fù)雜海況下自校準能力, 實現(xiàn)浮標運動特性的快速高精度檢測;

(3) 如何實現(xiàn)對浮標任意不同空間位置點運動信息的精準獲取;

(4) 如何實現(xiàn)浮標運動測量設(shè)備的低成本、低功耗、小型化、輕量化設(shè)計。

簡而言之, 針對復(fù)雜海洋環(huán)境研制相應(yīng)的浮標姿態(tài)模型和算法, 是海洋資料浮標姿態(tài)測量技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。此外, 隨著衛(wèi)星通信技術(shù)和浮標組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展, 利用浮標組網(wǎng)的信息中繼傳輸特點, 實現(xiàn)深遠海GNSS 系統(tǒng)的精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)及運動信息獲取, 與慣性測量系統(tǒng)進行深度融合, 或?qū)⑦M一步提高浮標姿態(tài)測量系統(tǒng)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的運動測量精度。與此同時,通過衛(wèi)星通信和浮標組網(wǎng)技術(shù)對海上浮標運動狀態(tài)進行遠程實時監(jiān)控, 也將是浮標技術(shù)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。借助浮標姿態(tài)測量技術(shù), 未來的海洋資料浮標將不再是海洋傳感器的簡單載體和信息集成的單一設(shè)備, 而是具備自身運動感知、傳感器測量診斷校準和信息組網(wǎng)能力的智能化海洋綜合監(jiān)測平臺。

5 結(jié)語

海洋資料浮標是在各種海洋環(huán)境下實時監(jiān)測水文、氣象等海洋環(huán)境參數(shù)的重要技術(shù)手段和關(guān)鍵平臺。作為海洋資料浮標智能化技術(shù)的重要組成部分,良好的姿態(tài)測量技術(shù)將賦予海洋資料浮標優(yōu)秀的運動感知能力, 助力海洋水文氣象觀測儀器增進自身測量數(shù)據(jù)的診斷、校準以及海上監(jiān)測信息的交叉檢驗。因此, 姿態(tài)測量技術(shù)越來越被海洋資料浮標領(lǐng)域研究學者和工程專家重視。隨著海洋浮標在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和更高精細化測量需求的發(fā)展,浮標姿態(tài)測量技術(shù)也將得到更加深入地研究, 浮標姿態(tài)測量技術(shù)將由姿態(tài)信息測量延伸到運動信息測量, 姿態(tài)測量技術(shù)不僅緊密關(guān)聯(lián)浮標搭載儀器設(shè)備的測量精度, 而且可為浮標標體穩(wěn)定性/隨波性的增強設(shè)計提供重要的參考。

本文介紹了海洋資料浮標目前的應(yīng)用情況以及發(fā)揮的作用, 并針對姿態(tài)測量技術(shù)在海洋資料浮標領(lǐng)域的技術(shù)需求、發(fā)展現(xiàn)狀、測量方法優(yōu)缺點及應(yīng)用、測姿技術(shù)難點及其未來發(fā)展趨勢等方面進行了詳細介紹和深度剖析, 當前成熟的陸地姿態(tài)測量技術(shù)在海洋環(huán)境的應(yīng)用存在的“水土不服”現(xiàn)象, 應(yīng)用于浮標工程的組合運動測量設(shè)備普遍存在實際測量精度不足、數(shù)據(jù)完整性不強、噪聲分布情況不理想、設(shè)備內(nèi)部運動模型的環(huán)境適應(yīng)性差等問題, 因此, 針對特定海洋環(huán)境研制相應(yīng)的運動測量模型和算法, 將是未來海洋資料浮標姿態(tài)測量技術(shù)發(fā)展的重要方向,結(jié)合衛(wèi)星通信技術(shù)和浮標組網(wǎng)技術(shù)將不僅有利于提高浮標姿態(tài)測量系統(tǒng)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的測量精度,而且有利于促進浮標技術(shù)向智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。