基于飛行智能浮標測流系統設計與實現

吳超群，肖子平，吳瑞欽

（廣東省水文局湛江水文分局,廣東 湛江 524000）

1 前言

在水文測驗中,河道流量的測驗工作是河流測量的重要內容,也是水文計算、水土保持、水資源評價以及水生態環境評估的重要基礎數據[1],因此準確、便捷的流量測驗具有重要的現實意義。

常規河流、渠道流速、流量測驗以纜道流速儀為標準,隨著電子、通訊技術的發展,其他測流設備呈現出多樣化的趨勢,測量方式不斷創新。傳統測流設備已經不能滿足洪水期、信息化以及水文現代化發展的需求,特別是針對應急環境下的流量測驗工作[2]。當河流處于洪水期、應急環境下時,走航式ADCP 電動船[3]、轉子流速儀[3]、超聲波時差法[4]、側掃雷達[5]等設備都無法滿足洪水期惡劣環境條件下工作,其中由于流速較大難以保持電動船航行、鉛魚纜道難以在水中保持靜止、超聲波時差法只能測量某一層的流速等。再者出現的非接觸式無人機測流方式[6-7],由于其續航時間的限制也難以滿足洪水期流量測驗要求；GPS 智能測流系統采用高強度材料制作的浮球隨水漂流,通過浮球內置高精度GPS 模塊來測量水面流速、流向等要素,流速球GPS 依賴于多普勒值進行測速,利用載波相位差分得到的多普勒進行測速,這時所得到的的速度為相鄰兩差分時間間隔期間的平均速度,但GPS 浮標法[8-9]由于GPS 本身定位誤差大進而導致測量數據不精確,且需要較多人工配合工作才能完成以及GPS 浮標難以回收,成本較高。GPS浮標智能測流系統的適應性非常強,受自然環境及天氣因素的影響非常小,也不受能見度的限制,不受下雨、下雪等天氣的影響,甚至不受通航的限制[10]。針對上述問題,本文借助無人機機動靈活、起降便捷等優勢和GPS 浮標法測流技術優勢相結合設計一種基于飛行智能浮標測流方式來應對洪水期流量測驗工作,實現超標洪水期的流量測驗自動化、便攜化、實時性以及可回收性,其軟件平臺實現了內、外業 一體化操作,并且實時監控,減輕了測量人員的勞動強度,提高了工作效率,節約了大量的人力、物力、財力,同時有利于水文儀器的現代化發展方向。

2 飛行智能浮標系統設計

2.1 飛行浮標設計

該飛行智能浮標采用無人機為載體,其外殼結構采用一體化的防水設計,尺寸為300 mm×300 mm×150 mm,即飛行智能浮標類似于GPS 浮標功能,但它具有無人機的飛行能力。無人機系統由動力系統、圖傳系統、數傳系統、地面站系統以及控制系統組成,其中動力系統為無人機提供動力；圖傳系統能夠實時傳輸“第一視角”畫面；數傳系統能夠將無人機的姿態、高度、速度等數據實時傳輸至地面站；地面站可用于顯示任務規劃、數據顯示、展示以及處理；控制系統主要用手動控制無人機操作。外殼設計需要滿足如下要求：

（1）外表面為適應流體結構采用流線型設計,減少阻力；

（2）載體底部凹槽式容置空間,搭載測深儀進行水位深度測量；

（3）無人機可以進行水上起降。其外結構見圖1。

圖1 飛行智能浮標

2.2 定位系統

該飛行智能浮標定位系統借助無人機載體的定位系統,為了提高定位精度采用無人機移動RTK 和基準RTK GNSS 設備進行差分定位,頻率（GPS L1/L2,GLONASS G1/G2,BDS B1/B2,GALILEO E1/E5b,QZSSL1/L2）,工作模式為GPS+GLONASS+BDS+GALILEO+QZSS 聯合定位,定位精度達到±2 cm,見圖2。

圖2 移動RTK 安裝位置

2.3 水體表層流速

水體表層流速通過飛行浮標載體漂移速度測得,其具體步驟為：

（1）飛行浮標手動飛行（或自主飛行）至水面上；

（2）降落在水面上的飛行浮標隨水體流動（當做浮標）,無人機在水面上的移動速度,也即水體表層流速,其速度通過無人機數傳系統實時傳輸至無人機地面站上,同時無人機日志也將保存數據；

（3）測驗完成后,飛行浮標飛行至下一個測量點進行下一個點測驗。

2.4 數據傳輸系統

飛行浮標的移動速度（水體表層流速）、測深儀深度、攜帶可見光相機第一現場視角以及控制信號方式都是通過無人機的數圖傳系統一體化傳輸至地面站上,見圖3。其數據傳輸方式數、圖、控傳輸系統見圖4。

圖3 無人機地面站

圖4 數據傳輸系統

3 飛行智能浮標系統實現

選取安徽某明渠為例進行流量測驗工作,本文采用中弘一點法浮標垂線測驗,根據明渠流量和GPS 浮標系數0.84 進行流量測驗工作。

3.1 水體表層流速計算

根據飛行智能浮標類比于GPS 浮標方式來獲得其速度,其水體表層流速采用兩種方式獲得并進行比較,其中一種通過距離和時間來求得速度,一種是飛行智能浮標隨水體流動漂移速度,兩組均采用5 組求取平均值法進行比較,其具體實現步驟如下,實驗見圖5。

圖5 流量測驗實驗圖

步驟（1）：飛行浮標準備降落在水面上。

步驟（2）：飛行浮標降落A 點。

步驟（3）：飛行浮標隨水流漂移移動到B 點。

步驟（4）：飛行浮標測完結束后起飛進行下一組測試,該方式可以進行手動飛行,也可以根據任務規劃自主完成。

從圖5（b）到圖5（c）中可以根據A、B 兩點距離和時間求得速度,也可以直接通過飛行浮標隨水流漂移速度（即飛行浮標移動速度）實時傳輸至地面站獲得圖3 所示（紅色框內表示無人機移動速度,即水體表層速度）,測試5 組數據見表1,即水體表層流速等于無人浮標漂移速度。表1 顯示在兩種方法獲得速度時誤差在5%左右,這也符合在應急環境下的流速測得要求,因此用飛行智能浮標隨水漂流來獲得水體表層流速此方法是可行的。

表1 水體表層流速

3.2 流量測驗

在上述獲得流速時,再導入大斷面數據、水位數據,可計算斷面過水面積,再利用中泓浮標法,將表面流速乘以中泓浮標系數可轉換為斷面平均流速,再利用斷面平均流速乘以過水斷面面積即可計算斷面流量,其具體步驟如下。

浮標法流量測驗屬于流速面積法范疇[11],其公式為：

式中：Qf為虛流量,m3/s；Vf為飛行浮標載體所測流速,m/s；Af為所測垂線的相對河流斷面面積m2。

式中：Q 為實際斷面流量,m3/s,K 為浮標系數。設置明渠流量和GPS 浮標法進行比測見表2,可以發現飛行浮標法要明顯優于GPS 浮標法在誤差的允許范圍內。

表2 流量比測工作

與此同時,比較了GPS 浮標法和飛行浮標法的優缺點見表3。其結果顯示不管從人員、測量精度以及是否可以回收等問題,很明顯的看出,飛行浮標法更有利于水文儀器現代化的發展需求,朝著智能化的發展趨勢。

表3 GPS 浮標法和飛行浮標法比較

4 結論

飛行浮標法流量測驗是洪水期GPS 浮標法、無人機測流法的一種重要的流量測驗補充方式,它利用了無人機的機動靈活、水上起降等特點并憑借其精確的差分定位系統大大改善了GPS 浮標法的GPS 定位差、需要多人員配合工作才能完成的測流方式,大大解放了“勞動力”,這提高了流量測驗的效率,更好地服務于水文現代化的發展需求。