近海測波多傳感器優(yōu)化配置模擬與設(shè)計研究

劉國棟 ，王兵振 ，王 鑫 ，唐 廠 ，宋占杰

(1.天津大學(xué)電視與圖像信息研究所，天津 300072；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

近海測波多傳感器優(yōu)化配置模擬與設(shè)計研究

劉國棟1，王兵振2，王 鑫2，唐 廠1，宋占杰1

(1.天津大學(xué)電視與圖像信息研究所，天津 300072；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

研究了測波浮標(biāo)中GPS傳感器和加速度傳感器共同作用下對近海測波的影響。介紹了測波浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本框架和硬件設(shè)計；為提高測波浮標(biāo)系統(tǒng)的測量精度，對多傳感器進(jìn)行了優(yōu)化配置和信息的融合處理，并通過仿真驗證了該設(shè)計性能的優(yōu)越性。

近海測波；GPS傳感器；加速度傳感器；浮標(biāo)；信息融合

海洋開發(fā)是一個具有戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域，隨著海洋技術(shù)的發(fā)展和人們對海洋資源的不斷開發(fā)，海浪參數(shù)的監(jiān)測就顯得尤為重要。近海岸中遠(yuǎn)程海浪的監(jiān)測多采用測波浮標(biāo)方法，測波浮標(biāo)可以無人值守、自動、定點、連續(xù)地對有效波高、波向、波周期及波速等海洋參數(shù)進(jìn)行遙測，測波浮標(biāo)可以作為連續(xù)波浪測量的唯一可靠來源[1-2]。所以如何提高測波浮標(biāo)的測波精度就顯得尤為重要。針對測波浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)的精度問題，本文提出了一套高精度測波浮標(biāo)采集系統(tǒng)和一種多傳感器優(yōu)化配置和信息融合的處理方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

目前國際較成熟的波浪浮標(biāo)主要有荷蘭的“波浪騎士”、加拿大的TRIAXYS等，它們均使用加速度傳感器或GPS傳感器作為單一的測波傳感器。單一傳感器測波系統(tǒng)在測量波浪時總會產(chǎn)生由自身缺陷所帶來的誤差。本采集系統(tǒng)的總方案如圖1所示，主要傳感器為高精度三軸加速度傳感器和高性能GPS接收機(jī)，主處理器為C8051F020單片機(jī)，對各個傳感器進(jìn)行控制管理和優(yōu)化配置。

根據(jù)波浪理論和計算原理可知，要反演出海浪的有效波高、波向、波周期等信息，首先應(yīng)該采集出浮標(biāo)隨波浪一起變化的三維位移和運(yùn)動方向[1-2]。GPS接收機(jī)通過跟蹤和解調(diào)衛(wèi)星信號解算出浮標(biāo)的經(jīng)度、緯度、海拔高度、三維速度、時間、運(yùn)動方向等信息；三軸加速度傳感器可以測量出浮標(biāo)隨波浪運(yùn)動的三維加速度。單片機(jī)定時對兩個傳感器采樣,并將數(shù)據(jù)通過無線設(shè)備發(fā)送到岸邊的上位機(jī)上。在上位機(jī)經(jīng)過相關(guān)算法反演出海浪的有效波高、波向、波周期等信息。

圖1 采集系統(tǒng)總方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 GPS信號接收模塊

本系統(tǒng)使用的是加拿大NovAtel公司的OEMV-1G接收模塊，該模塊具有超強(qiáng)的接收能力,可在苛刻的條件下提供高可靠性和高精度的三維坐標(biāo)、速度、時間、航行方向、衛(wèi)星星歷以及其他狀態(tài)信息。并且數(shù)據(jù)刷新率最高可達(dá)20 Hz，保證對海浪信息的高采樣率。

GPS接收模塊通過串口和單片機(jī)的UART0通信，單片機(jī)定時從GPS接收模塊中讀取有關(guān)信息，并將有用信息提取出來，通過UART1由無線設(shè)備傳送至上位機(jī)。

2.2 加速度傳感器模塊

當(dāng)浮標(biāo)處于工作狀態(tài)時，浮標(biāo)體將隨波浪作起伏運(yùn)動，加速度傳感器產(chǎn)生與水質(zhì)點運(yùn)動相對應(yīng)的垂直加速度信號，經(jīng)二次積分后得到該水質(zhì)點運(yùn)動的垂直位移，獲得一系列海面波動數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為反演波高，波周期和估計功率譜的原始數(shù)據(jù)。水平方向上X軸和Y軸的加速度通過二次積分可以得到水平方向上的位移，結(jié)合電子羅盤的方位信息可以估計出波浪的方向；通過三個方向上的位移序列交叉譜可以估計海浪的方向譜。因此，精確采集出加速度信號尤為重要[3]。本系統(tǒng)采用的是高精度三軸加速度傳感器Model2422。由于我國近海岸海浪不大，采用量程為+/-2g。加速度傳感器采用差分模擬輸出，相比單端輸出可以減小誤差。加速度傳感器和單片機(jī)的內(nèi)置AD直接相連，并經(jīng)過單片機(jī)的處理后，通過單片機(jī)的UART1由無線設(shè)備傳送至上位機(jī)。

2.3 單片機(jī)微處理器系統(tǒng)

系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)作為主控制器，集成了眾多的外設(shè)和總線接口：2個硬件UART串口，其中UART0與GPS進(jìn)行通信，UART1與無線發(fā)射模塊進(jìn)行通信；一個SMBus接口,一個I2C接口，一個SPI接口，還具有豐富的I/O口。由可編程計數(shù)器陣列和定時器模擬出2個軟件UART串口，易于系統(tǒng)擴(kuò)展，可以將陀螺儀，電子羅盤，溫度傳感器，GIS（地理信息系統(tǒng)）等連入本系統(tǒng)。

C8051F020單片機(jī)片內(nèi)集成一個8通道的12位ADC,能夠滿足對三軸加速度傳感器的6個差分信號同步采樣，片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器對加速度傳感器的模擬信號進(jìn)行采集和處理,減少外部電路的使用,使電路簡化,減小干擾。流水線指令結(jié)構(gòu)和高達(dá)25 MIPS的速度適合海上實時采集和處理數(shù)據(jù)。具有低功耗和多種節(jié)電休眠方式，適合長期在海上作業(yè)。有專用看門狗定時器，防止微處理器在惡劣的海況下死機(jī)。

3 多傳感器性能對比及協(xié)同優(yōu)化

3.1 多傳感器的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計

加速度傳感器和GPS傳感器可以獨(dú)立進(jìn)行測波工作，將其放在一起可以提高精度，但又引出了很多技術(shù)問題。首先是以哪個傳感器為主傳感器。由于加速度傳感器伴隨著浮標(biāo)的運(yùn)動產(chǎn)生信號，信號質(zhì)量比較穩(wěn)定不易丟失，而GPS需要接收到衛(wèi)星才能產(chǎn)生有效的信號，海況不好時，測波浮標(biāo)進(jìn)入盲區(qū)，所以加速度傳感器為主傳感器，GPS傳感器負(fù)責(zé)協(xié)同。其次是多傳感器的同步問題，兩個傳感器采集的數(shù)據(jù)應(yīng)在同一時間點上,本系統(tǒng)中GPS接收機(jī)接收信息的同時，發(fā)送一個同步脈沖，脈沖觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，開始采集加速度信號，使二者的數(shù)據(jù)同步。

加速度傳感器浮標(biāo)和GPS傳感器浮標(biāo)特點不同，適用海域也不同，本系統(tǒng)對采集的信號自適應(yīng)處理。GPS測波浮標(biāo)可以測量海浪周期大于100 s的海浪；而加速度測波浮標(biāo)只能測量周期小于30 s的海浪[4]。當(dāng)海浪很大，海浪的周期小于30 s時，使用加速度傳感器的信息多一些；當(dāng)海面上非常平靜，海浪的周期大于100 s時，使用GPS的信息多一些。因為：（1）加速度傳感器對大浪比較敏感，但加速度變化不大的信號很容易消失在噪聲中；而GPS的測量依靠衛(wèi)星的定位和演算，得到的信息比較準(zhǔn)確。（2）當(dāng)海浪很大時，浮標(biāo)在海浪中的姿態(tài)可能會發(fā)生巨大變化，一旦被海水淹沒，GPS可能會接收不到信號；而加速度傳感器在浮標(biāo)中心不會受到任何的影響。

3.2 多傳感器的信息融合算法

加速度傳感器浮標(biāo)測量波高是對豎直方向上的加速度二次積分得到位移，從而得到原始的波面序列。在初速度未知的情況下，多次積分后誤差會被無限放大，反演誤差將會很大。GPS傳感器的波浪浮標(biāo)是通過星歷演算出波浪浮標(biāo)的三維速度。在測量波高時，用豎直速度乘以采樣時間得到原始的波面序列[5]。由于波浪浮標(biāo)在海上運(yùn)動時大都是加速運(yùn)動，所以也存在很大的誤差。

目前被廣泛應(yīng)用的兩種測波浮標(biāo)在測量原理上都存在不足，單獨(dú)使用都不能很好地反演海浪信息，如果聯(lián)合使用，對數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理，可以得到更加精確的結(jié)果。

卡爾曼濾波器是一種用于時變線性系統(tǒng)的遞歸濾波器，被廣泛用于導(dǎo)航、控制、導(dǎo)彈追蹤等領(lǐng)域?？柭鼮V波可以盡可能地減少噪聲的影響,可以從含有噪聲的測量值中得到系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計。本文用卡爾曼濾波器對加速度傳感器信號和GPS傳感器信號進(jìn)行信息融合，來提高反演海浪的精度[6-7]。本設(shè)計的算法框架如圖2所示。

圖2 卡爾曼濾波算法框圖

卡爾曼濾波過程可分為兩部分：狀態(tài)更新和測量更新。狀態(tài)更新方程能及時地由當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和噪聲方差估計出下一個系統(tǒng)狀態(tài)（先驗估計）；而測量更新方程負(fù)責(zé)反饋,將新的測量信號加入已經(jīng)在狀態(tài)更新方程中得到的先驗估計狀態(tài),并得到系統(tǒng)狀態(tài)的后驗估計?？柭鼮V波算法的狀態(tài)更新方程為式（1）：

測量更新方程為式（2）：

由于波浪浮標(biāo)的采樣率較高，海浪的加速度在短時間內(nèi)幾乎不會突變，所以對波面序列估計的關(guān)鍵是對各個采樣點瞬時速度的估計。選擇三維速度（k），（k），（k）為狀態(tài)向量，則系統(tǒng)狀態(tài)方程如式（3）所示，系統(tǒng)更新方程如式（4）所示：

式中：vGPSX（k），vGPSY（k），vGPSZ（k）為GPS輸出的三維速度測量值；ax（k），ay（k），az（k）為加速度傳感器的測量值；wax，way，waz為三軸加速度在 X，Y，Z 方向上的測量噪聲；wvx，wvy，wvz為GPS測量三維速度的測量噪聲；fs為采樣率。令=[vxvyvz]，=[axayaz]，a=[waxwaywaz]T，則系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程如式（5）和式（6）所示：

4 試驗結(jié)果分析

為了驗證卡爾曼濾波器對多傳感器信息融合的有效性，在MATLAB環(huán)境下編程仿真。僅以一維速度為例,設(shè)GPS在豎直方向上的速度的測量值為式（8）：

式中：wvz為方差為0.1的高斯白噪聲。

加速度傳感器在Z軸的加速度的測量值為式（9）：

式中：waz為方差為0.2的高斯白噪聲。傳感器的采樣率fs=20 HZ，設(shè)定初值為零。

圖3（a）為GPS測量的速度值，圖3(b)為濾波后的速度信號，圖3(c)為無噪聲的理想速度值，圖3(d)為加速度的測量值。由圖對比可見，經(jīng)過卡爾曼濾波融合處理后，主要噪聲被濾掉，結(jié)果比較接近理想真實值。

圖3 信息融合后的速度值與測量得到的速度值的對比

5 結(jié)論

本文對近海測波多傳感器優(yōu)化配置的模擬和設(shè)計進(jìn)行了研究。為了提高測波浮標(biāo)測波的精度，提出了一種多傳感器信息融合的測波方法，然后進(jìn)行了電腦仿真模擬。首先分析了系統(tǒng)的總體設(shè)計，然后具體分析了GPS模塊和加速度傳感器模塊的電路設(shè)計和實現(xiàn)方法。用多傳感器的優(yōu)化配置去克服兩種方法各自的不足，提出了優(yōu)化配置的設(shè)計思想和設(shè)計方法。采用卡爾曼濾波器對加速度傳感器信號和GPS傳感器信號進(jìn)行信息融合處理，提高了測量精度。通過有關(guān)實驗和電腦仿真，驗證了多傳感器優(yōu)化配置和信息融合可以有效地提高測波精度，減小噪聲干擾，提高海浪參數(shù)反演的精度。

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[3]趙曙東．SZF波浪方向浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)[D]．中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2007．

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Research on Simulation and Design of Optimized Multi-Sensor in Wave Measurement Offshore

LIU Guo-dong1,WANG Bing-zhen2,WANG Xin2,TANG Chang1,SONG Zhan-jie1
(1.Institute of TV and Image Information,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

The wave measurement with GPS and acceleration sensor in wave buoy was researched.The basic framework and hardware design of the wave buoy data acquisition system was introduced then.In order to improve the accuracy of wave buoy system,multisensor was optimally configured and the information was fused and processed.The simulation on computer shows the superior performance of the design.

wave measurement offshore;GPS;accelerometer;buoy;information fusion

P715

B

1003-2029（2012）01-0006-04

2011-08-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(10926196)

劉國棟（1987—），男，信號與信息處理專業(yè)研究生，主要研究方向為海洋水文測量與海洋環(huán)境監(jiān)測。