海洋資料浮標姿態信息測量技術研究現狀及發展趨勢*

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)海上工作時會產生多個自由度的復雜運動, 對浮標及其搭載測量設備的可靠性、安全性產生影響,也將會導致海洋環境參數實時測量過程中產生一定的誤差。浮標姿態測量, 是認識浮標海上工作時運動狀態的重要信息來源, 關系著浮標研發過程中的穩定性、可靠性及隨波性設計(余建星等, 2017), 關系到風、浪、流等觀測數據的姿態精準校正和運動補償,是海洋資料浮標高準確度參數測量的重要關鍵技術,越來越受到海洋資料浮標研究設計者的重視。與陸地姿態測量技術相比, 海洋資料浮標的海上工作環境和測量方式對姿態測量技術提出了新的挑戰和要求,現有成熟的陸地姿態測量技術難以直接套用在海洋資料浮標平臺, 適用于惡劣海洋環境的浮標姿態測量技術亟待加大研發力度。本文對現有海洋資料浮標的姿態測量技術進行分析探討, 以期為相關研究人員提供一定的借鑒和啟發。

1 海洋資料浮標簡介

海洋觀測是研究海洋、開發海洋和利用海洋的基礎, 海洋觀測技術的發展對于增強海洋環境監測能力、預警和預報海洋災害、提高海洋資源的開發能力、促進海洋經濟的發展至關重要(蔡樹群等, 2007; 漆隨平等, 2019)。依靠先進的海洋監測儀器裝備, 人們得以開展海洋環境大尺度范圍和長序列時間的海上實況測量, 進而實現海洋環境立體實時監測, 從而幫助人們認識海洋, 經略海洋(張云海, 2018)。隨著現代電子、通信、計算機技術, 以及搭載多種海洋傳感儀器平臺技術(浮標、船舶、衛星等)的發展, 人類能夠以組網的方式, 全面立體實時獲取海洋信息, 海洋監測不斷向著綜合智能感知的方向發展(姜曉軼等, 2018)。海洋資料浮標作為離岸現場監測的重要手段, 在海洋動力環境監測、海洋污染監測、衛星遙感數據真實性校驗、水聲環境監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、數據采集器、通信系統、供電系統、安全系統、浮標檢測儀等部分組成(王軍成, 2013)。按照標體結構形式, 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, 可分為氣象水文監測浮標、水質浮標、波浪浮標、光學浮標(楊躍忠等, 2010)、核輻射監測浮標(劉東彥等, 2016)等類型。根據搭載的測量傳感不同, 浮標能夠實現對海洋水文、氣象、生態、光學等環境參數的測量(Liuet al, 2014; Wuet al, 2015; 阮海林等, 2015)。然而, 海洋環境惡劣, 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的長期穩定性下降(陳曉等, 2022),極端天氣下浮標產生劇烈的姿態變化甚至會導致浮標傾覆現象(王昭正, 1987; Bouchardet al, 2006)。浮標的動態運動也會對環境參數的測量結果產生一定的影響(陳新剛等, 2020), 特別是與平臺姿態緊密聯系的環境要素, 在惡劣海況下難以獲得接近真實的數據(陳紅霞等, 2023), 這是海上儀器裝備觀測區別于陸地上儀器觀測的重要不同之處。

2 海洋浮標姿態測量需求

隨著世界各國對于海洋資源探索開發需求的日益增長, 海洋資料浮標的應用需求逐漸從近海向深遠海拓展, 人們對海洋環境監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)。更多種類和數量的傳感器及設備被搭載布置在不同類型的海洋資料浮標上。根據監測任務的不同, 不同類型浮標上集成相應的不同傳感設備, 采集諸如水文、水質、氣象、生態、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, 為研究海洋物質在海洋環流影響下的表層物質散播軌跡, 利用漂流浮標隨海洋環流系統運動軌跡獲取過程參數, 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, 浮標姿態變化受海況影響的程度越嚴重(季春群, 1988; 梁冠輝等,2020b), 相應地, 浮標及搭載設備的安全性和工作穩定性也將受到嚴峻的考驗。姿態變化的影響使得相關測量結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、流等水文氣象參數的觀測儀器和設備而言, 浮標平臺上自身的動態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據獲取需求。在傳感器性能確定條件下, 浮標運動是造成相關環境參數測量誤差的主要來源。

以風測量為例, 當采用平均數值作為風測量值時, 浮標運動影響或可通過統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器轉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)在衛星反演風場與浮標實測風場對比研究過程中發現, 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觀測陣列獲取船體姿態和運動, 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, 數據偏離真實值也會越大, 使得測量結果的可信度變差。因此, 在高海況下依托浮標平臺實現高準確度的測風是比較困難的。

浮標運動姿態與其水動力性能緊密相關。對浮標標體進行結構設計時, 標體水動力分析必不可少。經典的著作《浮標工程》(Berteaux, 1976)就結合流體力學、彈性力學以及環境載荷等相關學科知識, 對浮標及其系泊系統的力學性能進行了深入分析。Carpenter等(1995)利用數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進行了系統分析, 結果顯示, 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、浮標運動姿態與幅值上的工程應用, 系統總結了理論分析、數值模擬、模型試驗和現場觀測這四種水動力特性研究方法, 這些方法在指導浮標設計、分析驗證浮標工作穩定性等具有重要作用, 指出現場獲取連續的實時動態數據可為新型浮標的開發和設計提供直接反饋和指導。可見, 開展海洋資料浮標姿態監測能夠為浮標結構設計提供有力的數據支撐。

目前用于科學研究或業務化觀測的浮標, 對于傳感器布放前的校準、運行中的狀態監測、數據端奇異值質量控制等較為重視(吳曉芬等, 2019), 對于受海況影響產生的浮標多自由度運動導致的測量影響關注較少, 缺乏系統的定量分析評估, 相關校正研究也較少(Croutet al, 2010)。姿態研究方法尚未形成統一標準, 缺乏合適的運動模型, 無法滿足特定復雜海況下的浮標運動姿態精度要求, 浮動平臺運動姿態校正方法在國際上尚未形成共識, 研究一致性存在爭議, 相關領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雜海況下的姿態運動開展系統深入的研究, 提升姿態測量技術在浮標上的應用, 融合浮標姿態信息進行實時數據校正以滿足浮動平臺高精度實時觀測的迫切需求。海洋資料浮標姿態監測不但有利于科研人員對海上設備的工作環境進行科學分析, 對極端海況下的浮標搭載設備數據的真實有效性以及浮標設備的安全性進行重點監測和科學評估, 而且能對浮標標體的結構設計也能起到積極作用。

3 浮標姿態測量研究現狀

浮標平臺的海上運動特性非常復雜, 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境對浮標姿態的影響開展了一定的相關研究, 研究內容相對分散, 研究方法及重點不一。

3.1 浮標運動姿態響應研究

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和受力分布進行了預測和分析, 建立了漂流浮標的通用數值模型。唐文俊等(2013)通過對淺水區海浪譜模型的仿真, 初步研究了淺水區海浪波動對電磁浮標姿態變化的影響。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計尺寸對浮標橫搖運動的影響, 調整設計參數后有效降低了浮標橫搖運動響應, 提高了所搭載儀器的工作穩定性。

浮標系泊方式對浮標姿態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在規則波中的運動進行了研究, 結果顯示, 當規則波浪頻率為浮標固有頻率的兩倍時, 浮標橫搖運動不穩定, 會出現橫向振蕩現象, 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(附加質量、阻尼系數和波浪力等)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。朱新穎等(2000)通過計算深海浮標在規則波中的運動響應和系泊纜張力, 研究了系泊纜繩對浮標運動響應的影響,結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,應用卡明斯運動方程對浮標及其三錨鏈系泊系統進行數值模擬計算, 結果表明, 增加浮標重量能夠使浮標復原力矩變大, 從而降低其橫搖運動響應, 在不改變浮體重量的前提下, 調整浮標尺寸, 增加復原力矩,可改善浮標的橫搖運動。王興剛等(2011)應用邊界元方法對浮標進行了頻域計算, 分析了浮標附加質量、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和系泊纜索張力。孫金偉等(2012)設計了橫向錨泊系統, 增強了流速較大海域波浪浮標抵抗海流的能力, 結果顯示,橫向錨泊系統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據的準確性。張繼明等(2014)利用數值模擬的方法, 得到浮標的運動響應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進行了分析與研究, 充分考慮了流載荷作用, 大大提高了數值模擬的精度。方子帆等(2017)針對淺海浮標系泊結構姿態控制問題, 根據浮標系泊結構力學推導出系泊系統狀態的描述方程,建立了浮標錨鏈參數優化匹配的數學模型, 研究了浮標系泊系統結構參數優化匹配計算方法, 為浮標系泊系統結構設計提供了理論依據。

3.2 浮標姿態測量方法研究

針對浮標姿態測量, 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測量方法。他們通過雙目視覺系統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, 從兩側圖像平面提取相應的直線特征, 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相應的傳感設備, 在實際工程應用中局限性較大。

還有一些學者采用水聽器對浮標姿態進行測量。笪良龍等(2016)設計了一種封裝在矢量水聽器內部的微型姿態測量系統, 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)設計了輕量化低功耗的電子羅盤系統, 結合矢量水聽器, 提高了浮動載體姿態測量的穩定性; Cui (2018)采用集成姿態監測系統對水下平臺的三維姿態進行了獲取, 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監測主要應用于水下載體, 較少用于海上浮標平臺。

上述浮標姿態測量方法在實際作業中局限性均較大。目前, 海洋資料浮標姿態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(劉路等, 2019)。但是, 慣性測量系統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, 在應用慣性測量系統時, 需要采用不同的系統設計方式和不同的算法對姿態測量數據進行校準(甘雨,2015)。

現有浮標姿態測量方法主要包括以下兩種: 一是基于MIMU 的測量研究, 一是基于全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)的測量研究。其中MIMU 系統具有短時間內優良的動態性能與不受外部信號干擾的特點, 能夠彌補導航衛星測量系統動態性能差、更新率低以及易受外部干擾等缺陷, 而GNSS 測量系統具有長期無誤差積累的特點, 可為慣性測量系統進行在線標校和學習提供良好的依據。現有大多數相關研究是基于兩種測量系統的耦合。下文主要就這兩種方法展開論述。

3.2.1 基于MIMU 的浮標姿態信息高精度測量MIMU 是微機電系統(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航軟件等(唐康華等, 2015), 該系統具有低成本, 低功耗, 體積小, 穩定性高的優點, 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)、工業機器人(Chiellaet al, 2019)、車輛姿態分析(Wuet al, 2021)等多種場景下的姿態測量中。

目前, 海上浮標姿態測量多采用微陀螺儀。但是, 微陀螺儀測量的漂移問題會導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浮標實時運動狀態檢測; 二是基于現有陀螺儀、加速度計、磁阻傳感器設計新系統, 獲取相應角加速度、線加速度和地磁信息, 再通過對多元姿態數據進行加權融合計算, 實現浮標實時運動狀態檢測。文獻表明, 大多數相關研究集中在第二種方法開展, 其中余博嵩等(2019)通過設計新系統, 并利用四元法和比例積分(Proportional Integral, PI)調節算法對姿態進行解算并進行數據融合, 使用橢球擬合以及閾值濾波的誤差補償方法進行系統誤差校正。但是, PI 調節無法滿足對浮標復雜的運動狀況的運算, 因此會導致顯著誤差, 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據, 通過采用多種算法進行對比, 證明了在輸入參量一致的情況下,Madgwick 算法和Mahony 算法對于姿態信息的校正精度均優于互補濾波算法。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的真風修正公式。該方法在波浪4.25 m以下的海況下應用情況較好。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工作方式的目標函數情況下, 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 加速度與姿態角信號進行預處理, 獲得主值方向加速度, 利用離散傅里葉變換將加速度轉化到頻域, 濾波后通過離散傅里葉逆變換獲取時域內的唯一信息, 將空投波浪浮標的測量誤差控制在10%以內。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的冗余信息, 通過有限脈沖響應數字濾波、擴展卡爾曼濾波、誤差補償等優化, 實現多源數據的融合, 提升海洋資料浮標姿態信息的測量精度。周金金等(2016)采用 MIMU, 通過卡爾曼濾波對載體的姿態進行確定, 獲得航向角以及俯仰角信息, 進行成像結果的反向調整, 獲取穩定的圖像。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, 在設計系統及算法時,應留出足夠的數據冗余度以應對有可能出現的傳感器測量誤差或零漂導致的系統誤差, 保證系統獲取足夠的信息對浮標姿態進行高精度校準。

3.2.2 基于GNSS 的浮標姿態及定位信息測量GNSS 是所有衛星導航系統的統稱, 包括我國的北斗系統(Bei Dou Navigation Satellite System, BDS)、美國的全球定位系統(Global Positioning System, GPS)、歐洲的伽利略衛星導航系統、俄羅斯的Glonass 系統等,也同時涵蓋了與這些系統配套的星基和地基增強系統(Kaplanet al, 2021)。GNSS 測姿系統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法(Least-squares AMBiguity Decorrelation Algorithm, LAMBDA)及其衍生的相關算法 (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應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 系統獲取浮標的實時運動狀態, GNSS 系統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對航空浮標的定位方法進行了研究,使用狀態更加簡化的2-狀態定位模型, 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, 該方法對導航誤差, 尤其是線性導航誤差有很好的抗性。Xue 等(2021)設計了一種自適應變參時標卡爾曼濾波器, 通過設定狀態噪聲協方差的自適應機制, 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越性。蔡艷輝等(2005)詳細地介紹了采用三維數字羅盤, 基于差分GPS 精密水下立體定位系統, 開展浮標姿態坐標實時三維校正。張麗艷等(2008)通過融合數字羅盤以及GPS, 設計了一套無線測量系統, 對海上浮標姿態和位置實現了測量, 在最終的輸出中同時應用了MIMU 和GNSS的數據, 具有一定的先導性意義。李俊文等(2014;2015)的研究則更進一步, 設計了一款基于六軸姿態傳感器的波浪浮標系統, 通過引入經驗模態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信息數據互補融合, 很好解決了噪聲和零漂對浮標姿態信息的干擾, 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 中斷時導航系統精度易受干擾的問題, 提出了一種用于姿態估算的自適應增益互補濾波器, 通過在觀測對象中引入加速度矢量, 融合深度學習方法, 基于模糊神經網絡的位置預測算法進行參數收斂, 尋找最優解, 結果表明該算法優于目前較為常用的Mahony 算法, 能夠將浮標姿態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 海洋資料浮標姿態測量技術的未來發展

目前, 海洋資料浮標姿態測量技術已由浮標姿態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信息, 如波浪測量中, 波浪特征參數(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雜海洋環境中穩定性和隨波性的直接反映, 是浮標標體設計的重要參考, 能夠為浮標平臺的穩定性或隨波性的增強設計提供依據。總之, 海洋資料浮標姿態測量技術已經不僅僅局限于姿態測量本身, 這些運動測量信息還可為浮標設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。

針對海洋資料浮標, 現有主流的姿態測量系統以慣性測量系統和導航衛星測量系統為主, 兩者組合可以形成明顯的優勢互補。考慮到實際的工程應用成本, 慣性測量系統在浮標平臺上大多采用微慣性測量系統, 導航衛星測量系統則主要采用 GPS 和BDS 的終端接收設備。然而實際上, 慣性測量和導航衛星測量組合系統對復雜海洋環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外姿態測量的研究大多是基于陸地應用環境所給出相應解決方案, 較少涉及海洋領域。雖偶有文獻涉及海上船舶的姿態測量, 但浮標平臺的運動特性較船舶更為復雜, 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生影響。目前國內外相關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, 海洋資料浮標姿態測量技術需解決以下難題:

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

(2) 如何通過優化浮標的運動特性模型及多源數據融合算法進而提高姿態測量設備的高速響應頻率, 增強浮標姿態測量系統的抗干擾能力和復雜海況下自校準能力, 實現浮標運動特性的快速高精度檢測;

(3) 如何實現對浮標任意不同空間位置點運動信息的精準獲取;

(4) 如何實現浮標運動測量設備的低成本、低功耗、小型化、輕量化設計。

簡而言之, 針對復雜海洋環境研制相應的浮標姿態模型和算法, 是海洋資料浮標姿態測量技術未來發展的主要方向。此外, 隨著衛星通信技術和浮標組網技術的發展, 利用浮標組網的信息中繼傳輸特點, 實現深遠海GNSS 系統的精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)及運動信息獲取, 與慣性測量系統進行深度融合, 或將進一步提高浮標姿態測量系統在復雜海洋環境中的運動測量精度。與此同時,通過衛星通信和浮標組網技術對海上浮標運動狀態進行遠程實時監控, 也將是浮標技術智能化和網絡化的發展方向。借助浮標姿態測量技術, 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能力的智能化海洋綜合監測平臺。

5 結語

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

本文介紹了海洋資料浮標目前的應用情況以及發揮的作用, 并針對姿態測量技術在海洋資料浮標領域的技術需求、發展現狀、測量方法優缺點及應用、測姿技術難點及其未來發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測量技術在海洋環境的應用存在的“水土不服”現象, 應用于浮標工程的組合運動測量設備普遍存在實際測量精度不足、數據完整性不強、噪聲分布情況不理想、設備內部運動模型的環境適應性差等問題, 因此, 針對特定海洋環境研制相應的運動測量模型和算法, 將是未來海洋資料浮標姿態測量技術發展的重要方向,結合衛星通信技術和浮標組網技術將不僅有利于提高浮標姿態測量系統在復雜海洋環境中的測量精度,而且有利于促進浮標技術向智能化和網絡化發展。