海洋資料浮標(biāo)姿態(tài)信息測量技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

王軍成 厲運(yùn)周① 楊英東 劉世萱 孔慶霖 鄭 良

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

受海浪、風(fēng)、海流等的影響, 海洋資料浮標(biāo)(簡稱浮標(biāo))海上工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)自由度的復(fù)雜運(yùn)動(dòng), 對(duì)浮標(biāo)及其搭載測量設(shè)備的可靠性、安全性產(chǎn)生影響,也將會(huì)導(dǎo)致海洋環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)測量過程中產(chǎn)生一定的誤差。浮標(biāo)姿態(tài)測量, 是認(rèn)識(shí)浮標(biāo)海上工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要信息來源, 關(guān)系著浮標(biāo)研發(fā)過程中的穩(wěn)定性、可靠性及隨波性設(shè)計(jì)(余建星等, 2017), 關(guān)系到風(fēng)、浪、流等觀測數(shù)據(jù)的姿態(tài)精準(zhǔn)校正和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,是海洋資料浮標(biāo)高準(zhǔn)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(biāo)研究設(shè)計(jì)者的重視。與陸地姿態(tài)測量技術(shù)相比, 海洋資料浮標(biāo)的海上工作環(huán)境和測量方式對(duì)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(biāo)平臺(tái), 適用于惡劣海洋環(huán)境的浮標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)亟待加大研發(fā)力度。本文對(duì)現(xiàn)有海洋資料浮標(biāo)的姿態(tài)測量技術(shù)進(jìn)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(biāo)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(duì)于增強(qiáng)海洋環(huán)境監(jiān)測能力、預(yù)警和預(yù)報(bào)海洋災(zāi)害、提高海洋資源的開發(fā)能力、促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要(蔡樹群等, 2007; 漆隨平等, 2019)。依靠先進(jìn)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(shí)間的海上實(shí)況測量, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境立體實(shí)時(shí)監(jiān)測, 從而幫助人們認(rèn)識(shí)海洋, 經(jīng)略海洋(張?jiān)坪? 2018)。隨著現(xiàn)代電子、通信、計(jì)算機(jī)技術(shù), 以及搭載多種海洋傳感儀器平臺(tái)技術(shù)(浮標(biāo)、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(shí)時(shí)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(biāo)作為離岸現(xiàn)場監(jiān)測的重要手段, 在海洋動(dòng)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(shí)性校驗(yàn)、水聲環(huán)境監(jiān)測等方面的重要作用日益突出。浮標(biāo)主要由浮標(biāo)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(biāo)檢測儀等部分組成(王軍成, 2013)。按照標(biāo)體結(jié)構(gòu)形式, 浮標(biāo)分為圓盤型、球型、船型、柱型等類型。按照錨泊方式, 浮標(biāo)分為錨系型和漂流型。按照浮標(biāo)體尺度, 可以分為大型、中型、小型等不同類型。浮標(biāo)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(qiáng), 但浮標(biāo)的設(shè)計(jì)難度更大, 建造價(jià)格更高、周期更長, 運(yùn)輸、拖航、布放回收難度也會(huì)更大。按照浮標(biāo)測量功能, 可分為氣象水文監(jiān)測浮標(biāo)、水質(zhì)浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、光學(xué)浮標(biāo)(楊躍忠等, 2010)、核輻射監(jiān)測浮標(biāo)(劉東彥等, 2016)等類型。根據(jù)搭載的測量傳感不同, 浮標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海洋水文、氣象、生態(tài)、光學(xué)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(biāo), 在海上工作過程中, 都會(huì)因?yàn)槭艿胶＠恕L(fēng)、海流等作用力的影響, 產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)(縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖), 從而使浮標(biāo)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(biāo)產(chǎn)生劇烈的姿態(tài)變化甚至?xí)?dǎo)致浮標(biāo)傾覆現(xiàn)象(王昭正, 1987; Bouchardet al, 2006)。浮標(biāo)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)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(tái)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(shí)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(biāo)姿態(tài)測量需求

隨著世界各國對(duì)于海洋資源探索開發(fā)需求的日益增長, 海洋資料浮標(biāo)的應(yīng)用需求逐漸從近海向深遠(yuǎn)海拓展, 人們對(duì)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(biāo)上。根據(jù)監(jiān)測任務(wù)的不同, 不同類型浮標(biāo)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(xué)、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(biāo)隨海洋環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡獲取過程參數(shù), 浮標(biāo)軌跡路徑和終點(diǎn)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(yàn), 能夠更全面認(rèn)識(shí)海洋物質(zhì)實(shí)際傳播路徑和范圍(盧錫等, 2022)。

通常, 海洋資料浮標(biāo)的尺寸越小, 浮標(biāo)姿態(tài)變化受海況影響的程度越嚴(yán)重(季春群, 1988; 梁冠輝等,2020b), 相應(yīng)地, 浮標(biāo)及搭載設(shè)備的安全性和工作穩(wěn)定性也將受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)。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(biāo)運(yùn)動(dòng)的干擾, 特別當(dāng)進(jìn)行瞬時(shí)測量時(shí), 對(duì)于搭載在浮標(biāo)上的風(fēng)、浪、流等水文氣象參數(shù)的觀測儀器和設(shè)備而言, 浮標(biāo)平臺(tái)上自身的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)對(duì)測量誤差的影響更大, 將很難滿足高時(shí)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(biāo)運(yùn)動(dòng)是造成相關(guān)環(huán)境參數(shù)測量誤差的主要來源。

以風(fēng)測量為例, 當(dāng)采用平均數(shù)值作為風(fēng)測量值時(shí), 浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)影響或可通過統(tǒng)計(jì)學(xué)處理進(jìn)行減弱甚至抵消, 因此通常認(rèn)為真風(fēng)值與平均視風(fēng)值差距不大。然而, 進(jìn)行瞬時(shí)風(fēng)測量時(shí), 浮標(biāo)體的橫搖、縱搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩引起的風(fēng)速計(jì)傾料, 使得浮標(biāo)風(fēng)速傳感器旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)軸無法與風(fēng)向保持平行, 造成瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向測量的較大偏差, 特別在高海況下陣性風(fēng)速的測量會(huì)更加顯著。宮明曉等(2019)和Polverari 等(2022)在衛(wèi)星反演風(fēng)場與浮標(biāo)實(shí)測風(fēng)場對(duì)比研究過程中發(fā)現(xiàn), 兩種風(fēng)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(gè)加速度計(jì)組成姿態(tài)觀測陣列獲取船體姿態(tài)和運(yùn)動(dòng), 用于校正觀測到的風(fēng)湍流資料, 能夠較為精確地消除船體運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)湍流的影響。此外, 浮標(biāo)體的六自由度運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)風(fēng)速計(jì)產(chǎn)生相對(duì)于浮標(biāo)參考系角速度的變化, 從而造成浮標(biāo)體相對(duì)于固定參考系的移動(dòng)速度測量誤差。海況越惡劣, 浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)越劇烈, 瞬時(shí)風(fēng)速測量誤差會(huì)變大, 數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值也會(huì)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(biāo)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的測風(fēng)是比較困難的。

浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與其水動(dòng)力性能緊密相關(guān)。對(duì)浮標(biāo)標(biāo)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí), 標(biāo)體水動(dòng)力分析必不可少。經(jīng)典的著作《浮標(biāo)工程》(Berteaux, 1976)就結(jié)合流體力學(xué)、彈性力學(xué)以及環(huán)境載荷等相關(guān)學(xué)科知識(shí), 對(duì)浮標(biāo)及其系泊系統(tǒng)的力學(xué)性能進(jìn)行了深入分析。Carpenter等(1995)利用數(shù)值模擬與試驗(yàn)方法對(duì)圓柱形浮標(biāo)和圓盤形浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析, 結(jié)果顯示, 圓柱形浮標(biāo)的垂蕩運(yùn)動(dòng)以及圓盤形浮標(biāo)的橫搖運(yùn)動(dòng)受涌浪影響較為顯著。余建星等(2017)圍繞浮標(biāo)水動(dòng)力特性研究, 歸納了浮標(biāo)水動(dòng)力特性研究在浮標(biāo)受力與力矩、浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)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(yàn)和現(xiàn)場觀測這四種水動(dòng)力特性研究方法, 這些方法在指導(dǎo)浮標(biāo)設(shè)計(jì)、分析驗(yàn)證浮標(biāo)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可為新型浮標(biāo)的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供直接反饋和指導(dǎo)?？梢? 開展海洋資料浮標(biāo)姿態(tài)監(jiān)測能夠?yàn)楦?biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

目前用于科學(xué)研究或業(yè)務(wù)化觀測的浮標(biāo), 對(duì)于傳感器布放前的校準(zhǔn)、運(yùn)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(duì)于受海況影響產(chǎn)生的浮標(biāo)多自由度運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的測量影響關(guān)注較少, 缺乏系統(tǒng)的定量分析評(píng)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(biāo)準(zhǔn), 缺乏合適的運(yùn)動(dòng)模型, 無法滿足特定復(fù)雜海況下的浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)精度要求, 浮動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)校正方法在國際上尚未形成共識(shí), 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(biāo)在復(fù)雜海況下的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)開展系統(tǒng)深入的研究, 提升姿態(tài)測量技術(shù)在浮標(biāo)上的應(yīng)用, 融合浮標(biāo)姿態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)校正以滿足浮動(dòng)平臺(tái)高精度實(shí)時(shí)觀測的迫切需求。海洋資料浮標(biāo)姿態(tài)監(jiān)測不但有利于科研人員對(duì)海上設(shè)備的工作環(huán)境進(jìn)行科學(xué)分析, 對(duì)極端海況下的浮標(biāo)搭載設(shè)備數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性以及浮標(biāo)設(shè)備的安全性進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測和科學(xué)評(píng)估, 而且能對(duì)浮標(biāo)標(biāo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能起到積極作用。

3 浮標(biāo)姿態(tài)測量研究現(xiàn)狀

浮標(biāo)平臺(tái)的海上運(yùn)動(dòng)特性非常復(fù)雜, 包含了橫搖、縱搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。已有部分學(xué)者就海洋環(huán)境對(duì)浮標(biāo)姿態(tài)的影響開展了一定的相關(guān)研究, 研究內(nèi)容相對(duì)分散, 研究方法及重點(diǎn)不一。

3.1 浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)響應(yīng)研究

Chen 等(2021)基于對(duì)海洋漂流浮標(biāo)組成部件的力學(xué)分析, 對(duì)不同場景下漂流浮標(biāo)水下姿態(tài)和受力分布進(jìn)行了預(yù)測和分析, 建立了漂流浮標(biāo)的通用數(shù)值模型。唐文俊等(2013)通過對(duì)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(dòng)對(duì)電磁浮標(biāo)姿態(tài)變化的影響。曲少春等(2010)通過對(duì)圓柱形浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析, 討論了浮標(biāo)重力以及設(shè)計(jì)尺寸對(duì)浮標(biāo)橫搖運(yùn)動(dòng)的影響, 調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)后有效降低了浮標(biāo)橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng), 提高了所搭載儀器的工作穩(wěn)定性。

浮標(biāo)系泊方式對(duì)浮標(biāo)姿態(tài)的影響也有較多深入的研究。Radhakrishnan 等(2007)對(duì)球形浮標(biāo)及其系泊系統(tǒng)在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究, 結(jié)果顯示, 當(dāng)規(guī)則波浪頻率為浮標(biāo)固有頻率的兩倍時(shí), 浮標(biāo)橫搖運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定, 會(huì)出現(xiàn)橫向振蕩現(xiàn)象, 并且橫向振蕩幅值隨著浮標(biāo)吃水深度的增加而減小。陳小紅等(1995)基于浮標(biāo)靜力計(jì)算和三勢流理論, 對(duì)浮標(biāo)水動(dòng)力系數(shù)(附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)和波浪力等)展開了計(jì)算分析,研究了單點(diǎn)系泊浮標(biāo)在頻域中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。朱新穎等(2000)通過計(jì)算深海浮標(biāo)在規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力, 研究了系泊纜繩對(duì)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響,結(jié)果表明系泊纜繩的存在能夠減小浮標(biāo)的搖蕩運(yùn)動(dòng),使其峰值向低頻移動(dòng), 但是垂蕩運(yùn)動(dòng)除外。繆泉明等(2003)基于三維勢流理論計(jì)算了浮標(biāo)的水動(dòng)力系數(shù),應(yīng)用卡明斯運(yùn)動(dòng)方程對(duì)浮標(biāo)及其三錨鏈系泊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算, 結(jié)果表明, 增加浮標(biāo)重量能夠使浮標(biāo)復(fù)原力矩變大, 從而降低其橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng), 在不改變浮體重量的前提下, 調(diào)整浮標(biāo)尺寸, 增加復(fù)原力矩,可改善浮標(biāo)的橫搖運(yùn)動(dòng)。王興剛等(2011)應(yīng)用邊界元方法對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行了頻域計(jì)算, 分析了浮標(biāo)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(shí)域分析方法計(jì)算了浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜索張力。孫金偉等(2012)設(shè)計(jì)了橫向錨泊系統(tǒng), 增強(qiáng)了流速較大海域波浪浮標(biāo)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(biāo)的隨波性以及抗傾覆能力, 進(jìn)而提升了波浪測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。張繼明等(2014)利用數(shù)值模擬的方法, 得到浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與系泊纜的受力情況, 對(duì)圓盤型海洋資料浮標(biāo)及其系泊系統(tǒng)進(jìn)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(duì)淺海浮標(biāo)系泊結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制問題, 根據(jù)浮標(biāo)系泊結(jié)構(gòu)力學(xué)推導(dǎo)出系泊系統(tǒng)狀態(tài)的描述方程,建立了浮標(biāo)錨鏈參數(shù)優(yōu)化匹配的數(shù)學(xué)模型, 研究了浮標(biāo)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化匹配計(jì)算方法, 為浮標(biāo)系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3.2 浮標(biāo)姿態(tài)測量方法研究

針對(duì)浮標(biāo)姿態(tài)測量, 不同科研團(tuán)隊(duì)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(biāo)姿態(tài)測量方法。他們通過雙目視覺系統(tǒng)獲取浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像, 再利用霍夫變換(Hough)變換和隨機(jī)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(biāo)擺角。海上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種方法可在海洋環(huán)境下有效提取平均絕對(duì)誤差小于0.5°的浮標(biāo)線性特征。但是這種方法需要首先獲得浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像, 因此必須在遠(yuǎn)離浮標(biāo)的地方架設(shè)相應(yīng)的傳感設(shè)備, 在實(shí)際工程應(yīng)用中局限性較大。

還有一些學(xué)者采用水聽器對(duì)浮標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行測量。笪良龍等(2016)設(shè)計(jì)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(biāo)方位的估計(jì)精度; 趙信廣等(2017)設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)水下平臺(tái)的三維姿態(tài)進(jìn)行了獲取, 有效提高了水下平臺(tái)矢量水聽器的測量精度。然而, 采用水聽器進(jìn)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(biāo)平臺(tái)。

上述浮標(biāo)姿態(tài)測量方法在實(shí)際作業(yè)中局限性均較大。目前, 海洋資料浮標(biāo)姿態(tài)測量仍然多采用陀螺儀、加速度計(jì)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(jì)運(yùn)動(dòng)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(shí), 需要采用不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式和不同的算法對(duì)姿態(tài)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)(甘雨,2015)。

現(xiàn)有浮標(biāo)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(shí)間內(nèi)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能與不受外部信號(hào)干擾的特點(diǎn), 能夠彌補(bǔ)導(dǎo)航衛(wèi)星測量系統(tǒng)動(dòng)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(diǎn), 可為慣性測量系統(tǒng)進(jìn)行在線標(biāo)校和學(xué)習(xí)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(biāo)姿態(tài)信息高精度測量MIMU 是微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)的一個(gè)重要分支, 集成了諸如陀螺儀、加速度計(jì)、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(diǎn), 廣泛運(yùn)用在諸如軍事(陳督等, 2020)、智能手機(jī)(Del Rosarioet al, 2016)、無人機(jī)(Yanget al, 2020; 張雄等, 2020; Hoanget al,2021)、工業(yè)機(jī)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(biāo)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(huì)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(jìn)硬件性能實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測; 二是基于現(xiàn)有陀螺儀、加速度計(jì)、磁阻傳感器設(shè)計(jì)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(duì)多元姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合計(jì)算, 實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測。文獻(xiàn)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(jì)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(duì)姿態(tài)進(jìn)行解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 使用橢球擬合以及閾值濾波的誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正。但是, PI 調(diào)節(jié)無法滿足對(duì)浮標(biāo)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀況的運(yùn)算, 因此會(huì)導(dǎo)致顯著誤差, 這一點(diǎn)在海上試驗(yàn)中也得到了證實(shí)。Jouybari 等(2019)則從位于伊朗基什島沿海水域浮標(biāo)上獲取數(shù)據(jù), 通過采用多種算法進(jìn)行對(duì)比, 證明了在輸入?yún)⒘恳恢碌那闆r下,Madgwick 算法和Mahony 算法對(duì)于姿態(tài)信息的校正精度均優(yōu)于互補(bǔ)濾波算法。Anctil 等(1994)利用小型隨波浮標(biāo)測量湍流海氣通量, 提出了對(duì)風(fēng)速計(jì)角向和軸向運(yùn)動(dòng)引起的風(fēng)速進(jìn)行修正的方法, 將大地坐標(biāo)系向浮標(biāo)坐標(biāo)系的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換, 通過線性加速度計(jì)積分對(duì)浮標(biāo)軸向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償, 并對(duì)浮標(biāo)旋轉(zhuǎn)引起的角速度進(jìn)行坐標(biāo)變換補(bǔ)償, 得到疊加了浮標(biāo)平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的真風(fēng)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(duì)多基地聲吶浮標(biāo)水下目標(biāo)定位的作用, 在建立適合于浮標(biāo)系統(tǒng)工作方式的目標(biāo)函數(shù)情況下, 選擇合理的接收停止準(zhǔn)則, 通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)算法的各方面性能進(jìn)行了仿真, 證實(shí)了退火算法對(duì)多基地浮標(biāo)目標(biāo)定位具有可行性。劉寧等(2020)對(duì)MIMU 加速度與姿態(tài)角信號(hào)進(jìn)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(shí)域內(nèi)的唯一信息, 將空投波浪浮標(biāo)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(biāo)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(kuò)展卡爾曼濾波、誤差補(bǔ)償?shù)葍?yōu)化, 實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合, 提升海洋資料浮標(biāo)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(duì)載體的姿態(tài)進(jìn)行確定, 獲得航向角以及俯仰角信息, 進(jìn)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(bǔ)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(jì)系統(tǒng)及算法時(shí),應(yīng)留出足夠的數(shù)據(jù)冗余度以應(yīng)對(duì)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(duì)浮標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行高精度校準(zhǔn)。

3.2.2 基于GNSS 的浮標(biāo)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(shí)涵蓋了與這些系統(tǒng)配套的星基和地基增強(qiáng)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(jì)算成功率和工業(yè)應(yīng)用上看較為成熟的一種算法。

對(duì)于海洋資料浮標(biāo)而言, 除了基于MIMU 系統(tǒng)獲取浮標(biāo)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài), GNSS 系統(tǒng)也是獲取浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息的重要途徑。張欣等(2005)采用了格型擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)航空浮標(biāo)的定位方法進(jìn)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(jì)算量, 充分考慮了浮標(biāo)漂移運(yùn)動(dòng)特性, 提升了濾波性能, 該方法對(duì)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(jì)了一種自適應(yīng)變參時(shí)標(biāo)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(jī)制, 可以對(duì)不同報(bào)告間隔的浮標(biāo)漂移軌跡進(jìn)行估算, 對(duì)4 個(gè)漂移浮標(biāo)的實(shí)測軌跡進(jìn)行測量, 驗(yàn)證了該方法在軌跡估算方面的優(yōu)越性。蔡艷輝等(2005)詳細(xì)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(biāo)姿態(tài)坐標(biāo)實(shí)時(shí)三維校正。張麗艷等(2008)通過融合數(shù)字羅盤以及GPS, 設(shè)計(jì)了一套無線測量系統(tǒng), 對(duì)海上浮標(biāo)姿態(tài)和位置實(shí)現(xiàn)了測量, 在最終的輸出中同時(shí)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(jìn)一步, 設(shè)計(jì)了一款基于六軸姿態(tài)傳感器的波浪浮標(biāo)系統(tǒng), 通過引入經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和希爾伯特邊際譜, 利用卡爾曼濾波算法進(jìn)行加速度計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)互補(bǔ)融合, 很好解決了噪聲和零漂對(duì)浮標(biāo)姿態(tài)信息的干擾, 實(shí)驗(yàn)證明了分析算法在波浪頻率和方向上的信息與現(xiàn)場實(shí)際情況相符, 該研究是將GNSS 信息與MIMU 信息進(jìn)行融合的一種有益嘗試。Lei 等(2022)針對(duì)GPS 中斷時(shí)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(bǔ)濾波器, 通過在觀測對(duì)象中引入加速度矢量, 融合深度學(xué)習(xí)方法, 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的位置預(yù)測算法進(jìn)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?biāo)姿態(tài)和位置測量精度大幅增強(qiáng)。

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(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)的未來發(fā)展

目前, 海洋資料浮標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)已由浮標(biāo)姿態(tài)信息測量延伸到浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息測量, 以獲取海洋資料浮標(biāo)上任意空間位置點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)確獲取不僅可以幫助海洋觀探測儀器進(jìn)行誤差補(bǔ)償矯正, 而且這些運(yùn)動(dòng)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(jì)算就是源于這些運(yùn)動(dòng)測量信息。另外, 這些運(yùn)動(dòng)測量信息作為浮標(biāo)平臺(tái)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(biāo)標(biāo)體設(shè)計(jì)的重要參考, 能夠?yàn)楦?biāo)平臺(tái)的穩(wěn)定性或隨波性的增強(qiáng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)?？傊? 海洋資料浮標(biāo)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(yùn)動(dòng)測量信息還可為浮標(biāo)設(shè)計(jì)以及搭載于浮標(biāo)平臺(tái)上的水文氣象儀器的觀測提供更加精準(zhǔn)和精細(xì)化的服務(wù)。

針對(duì)海洋資料浮標(biāo), 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(bǔ)?？紤]到實(shí)際的工程應(yīng)用成本, 慣性測量系統(tǒng)在浮標(biāo)平臺(tái)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(shí)際上, 慣性測量和導(dǎo)航衛(wèi)星測量組合系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下海洋資料浮標(biāo)隨風(fēng)、浪、流以及錨系拖拽的運(yùn)動(dòng)辨識(shí)效果還不夠理想。這可能是因?yàn)槟壳皣鴥?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(xiàn)涉及海上船舶的姿態(tài)測量, 但浮標(biāo)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性較船舶更為復(fù)雜, 除浮標(biāo)自身的橫搖、縱搖、艏搖外, 還有橫蕩、縱蕩、垂蕩以及浮標(biāo)圍繞錨系做的圓弧運(yùn)動(dòng), 這些因素都會(huì)對(duì)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(duì)波浪場浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的模型描述和分析。針對(duì)以上問題, 海洋資料浮標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)需解決以下難題:

(1) 浮標(biāo)復(fù)雜隨機(jī)運(yùn)動(dòng)與海面高強(qiáng)度鏡面反射對(duì)MIMU 和GNSS 融合系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的影響;

(2) 如何通過優(yōu)化浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性模型及多源數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)而提高姿態(tài)測量設(shè)備的高速響應(yīng)頻率, 增強(qiáng)浮標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)的抗干擾能力和復(fù)雜海況下自校準(zhǔn)能力, 實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性的快速高精度檢測;

(3) 如何實(shí)現(xiàn)對(duì)浮標(biāo)任意不同空間位置點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息的精準(zhǔn)獲取;

(4) 如何實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)測量設(shè)備的低成本、低功耗、小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

簡而言之, 針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境研制相應(yīng)的浮標(biāo)姿態(tài)模型和算法, 是海洋資料浮標(biāo)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(biāo)組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展, 利用浮標(biāo)組網(wǎng)的信息中繼傳輸特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海GNSS 系統(tǒng)的精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning, PPP)及運(yùn)動(dòng)信息獲取, 與慣性測量系統(tǒng)進(jìn)行深度融合, 或?qū)⑦M(jìn)一步提高浮標(biāo)姿態(tài)測量系統(tǒng)在復(fù)雜海洋環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)測量精度。與此同時(shí),通過衛(wèi)星通信和浮標(biāo)組網(wǎng)技術(shù)對(duì)海上浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控, 也將是浮標(biāo)技術(shù)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。借助浮標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù), 未來的海洋資料浮標(biāo)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(yùn)動(dòng)感知、傳感器測量診斷校準(zhǔn)和信息組網(wǎng)能力的智能化海洋綜合監(jiān)測平臺(tái)。

5 結(jié)語

海洋資料浮標(biāo)是在各種海洋環(huán)境下實(shí)時(shí)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(tái)。作為海洋資料浮標(biāo)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(biāo)優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)感知能力, 助力海洋水文氣象觀測儀器增進(jìn)自身測量數(shù)據(jù)的診斷、校準(zhǔn)以及海上監(jiān)測信息的交叉檢驗(yàn)。因此, 姿態(tài)測量技術(shù)越來越被海洋資料浮標(biāo)領(lǐng)域研究學(xué)者和工程專家重視。隨著海洋浮標(biāo)在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和更高精細(xì)化測量需求的發(fā)展,浮標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)也將得到更加深入地研究, 浮標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)將由姿態(tài)信息測量延伸到運(yùn)動(dòng)信息測量, 姿態(tài)測量技術(shù)不僅緊密關(guān)聯(lián)浮標(biāo)搭載儀器設(shè)備的測量精度, 而且可為浮標(biāo)標(biāo)體穩(wěn)定性/隨波性的增強(qiáng)設(shè)計(jì)提供重要的參考。

本文介紹了海洋資料浮標(biāo)目前的應(yīng)用情況以及發(fā)揮的作用, 并針對(duì)姿態(tài)測量技術(shù)在海洋資料浮標(biāo)領(lǐng)域的技術(shù)需求、發(fā)展現(xiàn)狀、測量方法優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用、測姿技術(shù)難點(diǎn)及其未來發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹和深度剖析, 當(dāng)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(biāo)工程的組合運(yùn)動(dòng)測量設(shè)備普遍存在實(shí)際測量精度不足、數(shù)據(jù)完整性不強(qiáng)、噪聲分布情況不理想、設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)模型的環(huán)境適應(yīng)性差等問題, 因此, 針對(duì)特定海洋環(huán)境研制相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)測量模型和算法, 將是未來海洋資料浮標(biāo)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(biāo)組網(wǎng)技術(shù)將不僅有利于提高浮標(biāo)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(jìn)浮標(biāo)技術(shù)向智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。