信標(biāo)GPS定位信號(hào)與測(cè)深儀水聲信號(hào)的融合技術(shù)研究

史建青,焦明連,董春來(lái)

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079;2.淮海工學(xué)院 測(cè)繪學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

信標(biāo)GPS定位信號(hào)與測(cè)深儀水聲信號(hào)的融合技術(shù)研究

史建青1,2,焦明連2,董春來(lái)2

(1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,湖北 武漢 430079;2.淮海工學(xué)院 測(cè)繪學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

以水下地形地貌測(cè)量為例,通過(guò)測(cè)量?jī)x器硬件有效安裝和傾斜改正,對(duì)信標(biāo) GPS定位信號(hào)與換能器測(cè)深水聲信號(hào)的空間位置在垂直軸上進(jìn)行統(tǒng)一;以計(jì)算機(jī)API時(shí)鐘作為時(shí)間基準(zhǔn),使定位信息和測(cè)深信息在時(shí)間軸上對(duì)齊;經(jīng)過(guò)位置與時(shí)間信息融合后,形成空間匹配的三維數(shù)據(jù)。

信標(biāo) GPS;信息融合;空間;時(shí)間

利用測(cè)桿、水鉈測(cè)深和岸上經(jīng)緯儀定位比較簡(jiǎn)單的水下地形測(cè)量方法,形成的信息少、內(nèi)容比較單一、數(shù)據(jù)融合工作比較容易處理。但是,目前在進(jìn)行水下地形地貌測(cè)量時(shí),一般由信標(biāo) GPS接收機(jī)提供測(cè)量點(diǎn)的平面坐標(biāo),而垂直坐標(biāo)是由單波束或多波束測(cè)深儀測(cè)量水深再加上水面高程獲得,測(cè)深和定位是由不同傳感器獲得的;定位和測(cè)深系統(tǒng)日趨復(fù)雜,輸出信息量大幅度增加,僅靠人類大腦進(jìn)行融合巳經(jīng)不可能,于是用信號(hào)處理系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合非常必要。

1 信息融合的定義

信息融合一詞出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期,并于80年代發(fā)展成為一門專門技術(shù)。它是人類模仿自身信息處理能力的結(jié)果。信息融合的基本原理就像人腦綜合處理信息一樣,充分利用多個(gè)傳感器資源,通過(guò)對(duì)多傳感器觀測(cè)信息的合理支配和使用,把其在空間或時(shí)間上可冗余或互補(bǔ)的信息,依據(jù)某種準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行組合,以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。

信息融合的目的是通過(guò)信息組合,推導(dǎo)出更多的信息,得到最佳協(xié)同作用的結(jié)果,即利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì),提高傳感器系統(tǒng)的有效性,消除單個(gè)或少量傳感器的局限性。數(shù)據(jù)融合比較確切的定義可概括為:充分利用不同時(shí)間或空間的多傳感器信息資源,采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合、配合使用,獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋和描述,以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù),使系統(tǒng)獲得比它的各組成部分更優(yōu)越的性能。

數(shù)據(jù)融合可以分為3個(gè)層次,即:數(shù)據(jù)融合、特征融合、決策融合。目前應(yīng)用最多的仍是決策層次的數(shù)據(jù)融合。本文主要討論決策層次的數(shù)據(jù)融合。

2 數(shù)據(jù)處理流程

進(jìn)行信號(hào)融合處理的目的就是為了建立準(zhǔn)確的水下三維數(shù)字高程模型,為航運(yùn)和水工建筑物的建設(shè)等工作服務(wù),此過(guò)程如圖1所示。

圖1 三維數(shù)字地形模型總體框圖

3 信標(biāo) GPS定位信號(hào)與測(cè)深換能器水聲信號(hào)在位置上的信息融合

定位中心偏心是指由于 GPS接收天線中心與測(cè)深儀換能器中心不重合而引起的測(cè)量誤差。假設(shè)測(cè)深儀換能器中心距 GPS天線中心在 x軸方向?yàn)? m,則相鄰測(cè)線間距會(huì)引起±2 m的變化,如圖2所示。圖2(a)為正常測(cè)深線,圖2(b)為定位中心不一致后引起的測(cè)深線變稀或變密的后果。由于海上測(cè)量作業(yè)遠(yuǎn)比陸地上困難,為了減少內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性,用于港區(qū)和近岸測(cè)量的小型測(cè)船,應(yīng)盡量把用于定位的信標(biāo) GPS天線和測(cè)深的換能器安裝在同一鉛垂線上,消除兩者所謂的偏心誤差,如果兩者中心不一致,規(guī)范要求其偏差不宜大于圖上0.3 mm[5],超限時(shí)應(yīng)利用式(1)進(jìn)行改正。

在測(cè)船坐標(biāo)系中,定位中心偏心誤差為

式中:S為測(cè)深換能器偏心距,φ為偏心角。

測(cè)船在作業(yè)過(guò)程中由于受到風(fēng)浪和其它因素影響而產(chǎn)生縱搖和橫搖,使定位的信標(biāo) GPS天線和測(cè)深儀換能器不垂直,也就是說(shuō)使兩者不能處于同一鉛垂線上,使定位點(diǎn)和測(cè)深點(diǎn)在海底面上的投影不重合,其差值與縱搖和橫搖的大小成正比,這種誤差是海洋測(cè)量的主要誤差之一。雖然許多學(xué)者在理論上對(duì)此進(jìn)行了深入研究,還做了不少實(shí)驗(yàn),但是,由于此改正值在大小和方向上是一個(gè)隨機(jī)的變量,要獲得此項(xiàng)改正數(shù)據(jù),需要設(shè)備量大、且數(shù)據(jù)后處理復(fù)雜,在實(shí)際生產(chǎn)中還沒(méi)有得到廣泛的運(yùn)用。在海況好的情況下,由于測(cè)船自身的重量,可以將波浪造成測(cè)船的大部分縱搖和橫搖誤差濾波掉,不加此項(xiàng)改正,也能夠滿足海洋測(cè)量中現(xiàn)行相應(yīng)測(cè)圖比例尺的精度要求,信標(biāo) GPS定位值即為相應(yīng)時(shí)間的水下地形點(diǎn)的平面位置。所以說(shuō),在沿海風(fēng)浪較大的海況下,當(dāng)波高超過(guò)0.6 m時(shí)[5],應(yīng)停止野外作業(yè)。

圖2 定位中心偏心原理及定位中心偏心前、后測(cè)深線(航跡)變化

4 信標(biāo) GPS定位信號(hào)與測(cè)深換能器水聲信號(hào)在時(shí)間上的信息融合

在進(jìn)行水下測(cè)量時(shí),由于定位和測(cè)深是由兩套相互獨(dú)立的設(shè)備施測(cè)完成的,在施測(cè)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)上,兩儀器的時(shí)間延遲不可能相同,因此,必須施測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)間延遲,使定位數(shù)據(jù)和測(cè)深數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上對(duì)齊。

大多數(shù)信標(biāo)GPS接收機(jī)提供一個(gè)符合RS-232電氣標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口,測(cè)深儀同樣也有一個(gè)符合RS-232C電氣標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口,這兩個(gè) RS-232口分別與計(jì)算機(jī)的兩個(gè)串行口相對(duì)接。GPS設(shè)備通過(guò)串口RS-232按照一定的波特率向PC機(jī)傳輸定位信息,并記錄其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的時(shí)間;水聲換能器(測(cè)深儀)也是通過(guò)串口RS-232按照一定的波特率向PC機(jī)傳輸測(cè)深信息,并記錄其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的時(shí)間。計(jì)算機(jī)獲得了GPS接收機(jī)輸出的有關(guān)定位信息和測(cè)深換能器水聲信號(hào)的信息(見(jiàn)圖3)。

圖3 硬件系統(tǒng)連接示意圖

以計(jì)算機(jī)API時(shí)鐘為基準(zhǔn),以普通便攜式計(jì)算機(jī)、單波束測(cè)深儀和 RBN-DGPS型信標(biāo)機(jī)為例,就定位時(shí)刻和測(cè)深時(shí)刻的時(shí)間同步加以分析。

利用模擬測(cè)深儀+數(shù)字化儀的組合型單波束測(cè)深儀,測(cè)量時(shí)從其串口不斷輸出測(cè)深數(shù)據(jù),對(duì)于這種測(cè)深儀,首先測(cè)定其輸出數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間的延遲d tc,便攜式計(jì)算機(jī)的兩個(gè)串口分別連接到信標(biāo)GPS接收機(jī)和測(cè)深儀的數(shù)據(jù)輸出口,同時(shí)接收信標(biāo)GPS和測(cè)深儀輸出的數(shù)據(jù)。由計(jì)算機(jī)根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)首字節(jié)到達(dá)時(shí)間 Tgj(計(jì)算機(jī)時(shí)間)和測(cè)深數(shù)據(jù)首字節(jié)到達(dá)時(shí)間 Tcj(計(jì)算機(jī)時(shí)間),計(jì)算其時(shí)間差d tgc=Tcj-Tgj,再根據(jù)所用的信標(biāo) GPS接收機(jī)輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)相對(duì)于該數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間的延遲d tg,計(jì)算測(cè)深數(shù)據(jù)相對(duì)于導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)時(shí)間的總延遲d ta=d tgc-d tc+d tg,進(jìn)行數(shù)據(jù)的內(nèi)插處理,將測(cè)深和定位數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)時(shí)間軸上對(duì)齊。

測(cè)深儀在 ts時(shí)發(fā)射聲脈沖,在 tr時(shí)收到回聲,經(jīng)過(guò)處理后,在 tt時(shí)刻從串口輸出測(cè)深數(shù)據(jù),測(cè)深儀輸出數(shù)據(jù)的延遲d tcy=(tt-tr)+(tr-ts)/2。往返時(shí)間為(tr-ts),其對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)刻為 th=(tr+ts)/2,水深 h=聲速 v×往返時(shí)間的一半。往返時(shí)間(tr-ts)是水深的函數(shù),(tr-ts)/2=h/v。對(duì)于某種型號(hào)的測(cè)深儀,傳輸延遲(tt-tr)可以認(rèn)為是常數(shù)d tcl,該常數(shù)一旦測(cè)定即可長(zhǎng)期使用。因此,使用的測(cè)深儀輸出數(shù)據(jù)的延遲為d tc=d tcl+h/v,每一個(gè)數(shù)據(jù)的延遲都要根據(jù)測(cè)量的水深和設(shè)定的聲速進(jìn)行計(jì)算。

測(cè)深儀輸出數(shù)據(jù)的延遲,可以用具有時(shí)間間隔測(cè)量功能的測(cè)量?jī)x器,測(cè)量測(cè)深儀發(fā)射的聲脈沖與其后輸出的測(cè)深數(shù)據(jù)的間隔作為d tc,并根據(jù)所測(cè)的水深和設(shè)定的聲速計(jì)算d tcl。

計(jì)算機(jī)以中斷方式進(jìn)行字節(jié)接收,記錄每一組測(cè)深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)首字節(jié)的接收時(shí)間(計(jì)算機(jī)時(shí)間),接收時(shí)間由串口中斷處理程序給出。一組測(cè)深數(shù)據(jù)往往有固定的結(jié)構(gòu),即起始字符+數(shù)據(jù)+結(jié)束符,如果起始字符是獨(dú)特而又易于識(shí)別的,可直接對(duì)起始字符進(jìn)行跟蹤;如果起始字符不是獨(dú)特而又易于識(shí)別的,則可以結(jié)束符CR/LF作為識(shí)別標(biāo)識(shí),在收到結(jié)束符后,設(shè)置標(biāo)識(shí),表明下一個(gè)字節(jié)為首字節(jié)。計(jì)算機(jī)根據(jù)相鄰的測(cè)深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)首字節(jié)的時(shí)間,計(jì)算兩者的時(shí)間差d tgc,并根據(jù)所用的 GPS接收機(jī)輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的延遲d tg和測(cè)深儀輸出數(shù)據(jù)的延遲d tc,得到測(cè)深數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)時(shí)間,完成時(shí)間同步。

5 結(jié) 論

1)以計(jì)算機(jī)API時(shí)鐘作為定位和測(cè)深在時(shí)間軸上對(duì)齊的基準(zhǔn),在理論上容易理解,在實(shí)際工作中容易實(shí)現(xiàn),特別是對(duì)經(jīng)常在一些深度變化不大的區(qū)域進(jìn)行水下地形地貌測(cè)量的情況,測(cè)深和定位的時(shí)間延遲一經(jīng)測(cè)定,可以作為常數(shù)使用。

2)經(jīng)過(guò)空間位置融合和時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一,形成空間匹配的三維數(shù)據(jù),利用一定的數(shù)學(xué)算法,最終形成水下數(shù)字高程模型(DEM),為工程建設(shè)和管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Study of orientation signal of beacon GPSand the depth signal of underwater acoustic transducer information fusion technology

SH IJian-qing1,2,JIAO M ing-lian2,DONG Chun-lai2
(1.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430079,China;2.Schoolof Geodesy&Geomatics Engineering,Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005,China)

Taking underw ater topographical surveying as an examp le,the position and dep th are consolidated in the space by fixing instruments and adjusting slant;the APIclock of computer acts as the basis to right of the information orientation and the dep th in the time axis.Then two typesof information are formed into right three-dimension datas of space.

beacon GPS;information fusion technology;space;time

P228

A

1006-7949(2011)02-0018-03

2010-01-17

史建青(1966-),男,副教授,博士研究生.

[責(zé)任編輯張德福]