海洋测量（通用5篇）
海洋测量 篇1
渔业资源可持续开发需要定期进行渔业资源调查和评估。自20世纪70年代以来, 渔业发达国家开始采用声学手段调查、评估鱼类资源。所采用的声学手段包括主动和被动声学技术。我国已成功采用主动声学技术对黄海、东海鱼类资源和北太平洋狭鳕鱼进行过资源调查和评估[1]。所谓被动声学技术, 即利用水中目标自身的辐射噪声来进行目标探测、定位、跟踪 与识别的 技术[2]。其对于研究对象没有伤害性和破坏性, 可以实现长期探测, 监控海洋环境污染和人类活动对海洋动物生活习性的破坏等。但该技术应用于渔业资源的还较少, 限制该技术发展的主要原因包括鱼类发声机理不明确、海洋环境噪声的复杂性和海洋生物学家认知的不足等。
鱼类皮肤上的侧线和腹腔中的鳔有发声能力。鳔是掌管浮沉的升降控制器。鱼类可以采用肌肉挤压、摩擦鳔, 或者把半个鳔中的空气挤到另半个鳔中 ( 两室鳔) 来发出声音[3]。海洋中鱼的心理和生理行为 ( 如摄食、产卵、生病、竞争、外侵等) 很难实现可视化观测, 但这些行为与鱼声相关, 而且鱼声在水中传播损耗较低, 因此利用被动声学技术来观测、研究鱼类摄食状态特征, 进而构建动态自动给食方案, 有着重要的理论与工程实际应用价值[4]。被动声学技术对研究对象没有伤害和破坏性, 可实现长期探测并监控坏境污染和人类活动对海洋生物生活习性的影响[6,7]。
目前全球超过800种鱼是可发声的[8]。其中, 超过150种可发声鱼是在北大西洋西部发现的[9]。被动声学技术应用于鱼类生物学和渔业调查已有60多年[7], 该技术已经可以用来确定鱼类的栖息地[7]、分布[10]、产卵地[11,12,13,14,15,16]和鱼类生活习性[17,18]。海洋生态学家和渔业生物学家已经能够用水听器监测鱼发出的声音, 采用信号处理技术确定鱼 类频谱特 征并实现 特定物种 的识别[19]。
1 被动声学技术研究方法
1. 1 被动声的获取
被动声学即通过接受和处理水中目标发出的辐射噪声, 从而测量目标、获取目标参数并判别目标类型的统称[20]。通常获取被动鱼声有两个来源: 圈养池和自然环境下录音。圈养条件下的水箱或鱼缸中, 由于声学环境复杂, 录制的鱼声信号不同于自然环境。研究表明, 通过合理放置声呐以及构建合适的水箱或鱼缸使其共振频率高于所测鱼声信号, 则可认为所测声与自然环境下一致[21]。自然环境下探测鱼声比较困难。但在热带海域, 可以使用高精度水听器和水下视频技术实现被动声的测量[22,23]。虽然自然环境中通过鱼声研究鱼的行为难度较大, 但科学家已经能在圈养条件下模拟自然环境实现[17]。一旦明确在圈养条件下鱼不同的行为对应不同的声音, 那么上述结论同样适用于自然环境用于研究鱼的心理和生理行为。
美国的东加 利福尼亚 大学 ( East Carolina University) 等大学和实验室的科学家正实现海洋鱼类被动声信号的数字化归档和数据库的建立[18,24]。科学家正采取各种方法确定更多的未知鱼类所发出的声音。这些方法包括: ( 1) 采用声呐设备采集养殖场和水族馆的鱼声, 比如Fish等[9]用声呐采集了200多种鱼的声音, 研究结果表明, 150个鱼种里至少有47种是自然非被迫发出的声音。 ( 2) 在自然环境中确定鱼类发声的时间和地点。
圈养条件下基于被动声学技术的鱼群在线测量系统如图1所示。该系统由水池、鱼群、水听器、摄像机和计算机构成。根据实验需要在水池中圈养单条或多条鱼; 水听器将水中鱼类声信号转换为电信号, 通过计算机数据采集卡将电信号转化为数字信号; 摄像机负责记录鱼类的各种运动状态、生活习性, 同时配合水听器提取所要研究的鱼类各种状态; 计算机将采集的声信号数据, 通过计算机软件采用数字滤波技术去除水中噪声, 完成对鱼类声目标的检测。同时, 通过识别算法与已有目标特征库中目标比对识别, 完成对目标的检测分类。为模拟海洋不同的检测环境, 需要改变水流速度、改变水温、改变水听器位置以及鱼群的种类、数量, 实现不同条件下的被动声目标的检测。
1. 2 被动声的采集和录制设备
为了有效测量并录制被动鱼声目标信号, 常用的被动声学检测设备如表1所示, 其中包括水听器、水听器阵列、声呐浮标等。常用的声学数据录制设备如数据记录器、遥感设备、遥控小车和水下监听站见表2。通过高质量的录音系统和分析软件, 如cooledit声音分析软件、可以同时进行视频和音频分析的软件等, 被动声学在渔业领域得以成功运用并取得了一定的进展[7]。
1. 3 被动鱼声研究方法
海洋被动鱼声检测识别流程包括数据的采集、预处理、端点检测、特征提取和识别。在圈养和自然环境下采集的安静背景下的海洋生物被动声信号, 通过预处理后, 提取不同目标信号的特征值, 构建特征识别库; 任意选取一组未知鱼类或鱼群声目标信号, 对该组目标信号进行预处理、端点检测、特征提取后, 与特征库中特征进行识别最后判断输出鱼的类别。被动鱼声检测识别流程如图2。
国外早在20世纪50年代Fish[7]就开始研究被动声识别 技术应用 于鱼类研 究。1978年, Hawkins等[25]研究了鱼的声音与鱼形状的关联, 且发现鱼声 信号由低 频脉冲组 成; 1986年, Hawkins[17]用水听器采集的鱼声信号, 采用信号处理研究鱼类发声; 2002年Wood等[19]采用频谱分析技术研究鱼类发声, 并用于识别鱼的种类。Fish等[26]则研究了小黄鱼发声的频段范围影响水下军事目 标的识别 的影响。1995年, Lobel等[22]采用声像 同步记录 仪获取鱼 类中雀鲷 ( Pomacentridae) 求偶和交配时所辐射的微弱声信号并通过频谱技术研究鱼声与行为之间的关联。
国外针对海洋中声特征比较明显的小黄鱼和鳕鱼研究较多且较早。100多年来, 生物学家就对小黄鱼、鳕鱼和鲑鱼声的产生原因、产生机制、鱼声产生的时间和地域、检测和识别技术做了广泛的研究。1992—1995年间, Abileah等[27]采用美国海军声检测系统 ( SOSUS) 研究了北太平洋海域鲑鱼的声谱特征, 并采用多波束技术和信号处理技术定位鱼声的来源, 表明采用声学监听手段用于探测鲑 鱼目标的 可行性。2000年, Mark等[16]通过圈养养殖和自然海洋环境的实验, 采用谱特征分析方法识别小黄鱼声, 研究结果表明, 被动水声技术可以实现鱼类产卵区域的保护与管理。2003年, Howell等[28]则采用混合神经网络用于识别和分类海洋动物声、人类活动产生的声音以及地质声源, 并且还用于识别小黄鱼、鳕鱼、鲑鱼等鱼类以及海洋哺乳动物。Stolkin等[29]于2007年采用带通滤波技术和傅里叶变换技术提取鳕鱼声特征, 通过阈值判断检测鳕鱼是否存在。上述研究结果表明常规的数字信号处理技术, 如时域、频域、滤波和神经网络等技术适用小黄鱼、鳕鱼和鲑鱼的特征提取、识别和分类。
国内研究多侧重于基于主动声学技术探测海洋生物尤其是鱼类, 主要涉及鱼散射模型、声回波分析和识别[30,31]。但就海洋动物声辐射原理、被动声学技术而言, 几乎少有研究。1981年, 荆显英等[32]研究了白暨豚声信号的分类, 给出了信号时域波形和频谱, 并进行了白暨豚声行为实验; 2007年, 任新敏等[33]研究了大 黄鱼 ( Pseudosciaenacrocea) 觅食及产卵时的发声及信号特性; 2008年, 王巍巍等[34]研究了鱼类时频特征, 并借鉴语音处理技术研究鱼声的倒谱和希尔伯特边谱特征, 最后采用BP神经网络实现声目标的识别; 2010年, 刘贞文等[35]从频域角度研究了大黄鱼的发声及信号特性; 牛富强等[36]于2008年测试了厦门某海湾圈养的两只瓶鼻海豚 ( Tursiop truncatus) 对20 k Hz连续声信号的行为变化; 崔秀华等[37,38]以鱼声信号的 检测为研 究对象, 设计了基 于Lab View的鱼声信号检测系统, 并给出了时域波形和频域图; 许肖梅等[39]对斑海豹 ( Phocalargha) 在空气中的发声及信号特性进行研究;2012年起, 张宇[40]就海洋动物发声的声学特性展开研究, 结果表明合成的大黄鱼声信号在时频域都显示出很好的拟合优度; 陈功等[41]将语音技术应用于鱼类被动声目标特征提取的研究。
随着被动声学技术在海洋渔业领域研究的不断应用, 下一步亟待解决的任务包括: ( 1) 尽力统计各种被动鱼目标声并构建声特征库; ( 2) 研究鱼类、海豚等海洋生物的被动声辐射机理; ( 3) 采用数字信号处理技术, 研究具有代表性的声特征参数; ( 4) 研究发声和特殊行为之间的关联; ( 5) 研究不同鱼种被动声识别技术, 研究鱼群和其它海洋生物的被动声识别技术。
2 两种鱼类的发声研究介绍
2. 1 石首鱼
石首鱼声来源于鱼体内部包含鳔的肌肉的振动。解剖的活体鱼内所包含鳔的鲜红色发声肌肉完全不同于体外侧肌肉。不同的石首鱼具有不同的肌肉收缩频率和鳔形状, 因此能够发出不同的声音。由于石首鱼的鳔形状空比较稳定, 因此科学家通过该主要形态特征来对小黄鱼分类[7]。
Rountree等[7]的研究表明, 1847年科学家Dufossé首次阐明石首鱼产卵时能发出声音。20世纪70年代以来, Abileah等[27]开始借助水下技术定位石首鱼的产卵地, 他们使用水听器来记录大量石首鱼聚集产卵时发出的声音。Rountree等[7]采用拖曳式水听器沿着石首鱼产卵地的声横断面采集和分析声数据, 确定了石首鱼产卵地所在的位置。Mok等[10]在声横截面采用超声法记录海洋鱼声信号, 并以此捕获黑鼓鱼 ( Pogonias cromis) 、云纹犬牙石首鱼 ( Cynoscion nebulosus) 和银鱼 ( Bairdiella chrysoura) 的声音。20世纪90年代以来, 研究人员已经使用被动声学横断面录音技术来查找小黄鱼群产卵地[7]。
鱼繁殖时雄性鱼类发出声音吸引并诱使雌性前来交配, 因此鱼类繁殖时发出声音的通常为雄性。石首鱼群所发出的声音犹如合唱声, 能够吸引较多的雌性前来交配[7]。Mok等[10]研究发现石首鱼是在黄昏和夜间的求偶和产卵时发出声音。佛罗里达中东水域, 石首鱼季节性求偶的叫声直接与产卵有关[10]。根据1978—2002年间在声学横断面收集的300多种信号的分析, 科学家发现在佛罗里达水域不同石首鱼所发出的声音表现出一定的季节性。Mok等[10]20多年在同一地点的研究证明, 这些能发声的群体产卵地点长期保持稳定。
2. 2 鳕鱼
鳕鱼、黑线鳕和大西洋鳕鱼通过鳔外侧肌肉振动发出声音进行交流。鳕鱼的肌肉发声具有性别差异, 雄性的肌肉比雌性明显大很多。发声肌肉要经历季节性的成熟和生殖系统的成熟两个周期, 证据表明性别决定发声肌肉大小[17]。鳕鱼的发声行为在产卵季是最常见的, 而在其它时候却很罕见。Brawn[42]推测秋季鳕鱼的发声期与争斗增加有关, 且这种声音的分布范围比觅食时更多。在鳕鱼产卵季, 发声行为与产卵活动紧密相关, 并且在入夜时的叫声频率很高。发声行为在产卵季频繁在晚上发生, 但在秋天争斗期却频繁发生在白天。Brawn把这种现象归结为“冬夜产卵, 秋日觅食”。Fish[9]研究表明大西洋鳕鱼发出声频主要在80 ~ 500 Hz之间。黑线鳕的声特征在时域上比大西洋鳕鱼更为明显, 虽然它们频率范围接近, 但能通过不同的脉冲特征来区分。苏格兰渔业研究服务中心海洋实验室的研究人员通过上述特征分析已经明确黑线鳕的产卵区域存在于深水域和部分沿海海域[26]。鳕鱼的发声强度与性别、是否产卵和争斗等特殊行为有关, 通过被动声学检测技术分析鳕鱼的时域和频域波形可以确定鳕鱼的性别、栖息地和产卵季节。
3 结语
被动声学技术作为海洋生物测量领域新兴的工程技术, 正引起国内外相关研究者的重视。本文总结了被动声学技术在海洋渔业领域的研究意义、国内外的研究现状, 以及采用该技术相对于传统主动声学技术的优势; 此外还介绍了被动鱼声信号的获取方法、被动声特征提取技术和识别技术、主要研究设备, 通过该技术可以研究海洋生物的栖息地、生活习性, 并将该技术用于渔业捕捞。随着国内外被动声学技术研究的不断深入, 未来其在海洋渔业领域的应用范围将越来越广泛。
摘要：综述了开展基于被动声学技术实现海洋生物测量的重要性;介绍了国内外被动声学技术用于海洋鱼类测量的研究背景、发展现状、存在的问题和发展趋势。列举了常用的被动测量设备以及被动声学数字信号处理方法, 包括数据采集、预处理、端点检测、特征提取和识别技术;分析了采用上述测量技术可以研究海洋鱼类的栖息地、生活习性以及人类活动对鱼类的影响。通过列举石首鱼和鳕鱼的发声研究, 提出今后被动声学技术研究的重点应集中于各种被动鱼目标特征库的建立和完善, 鱼类、海豚等海洋生物的被动声辐射机理的分析, 具有代表性的声特征参数以及鱼类发声和特殊行为之间的关联的研究。
关键词：海洋生物测量,被动声学,数字信号处理
海洋测量 篇2
海洋磁力测量测点拟合方法研究
基于海洋磁力测量的动态性特点,提出了测线分段滑动拟合法,并通过实例证明了其可行性和有效性,结果表明,分段滑动拟合法可以提高海洋磁力测量数据的处理精度.
作 者：孙昊 杨波 张亚彪 裴红松 林海峰 SUN Hao YANG Bo ZHANG Ya-biao PEI Hong-shong LIN Hai-feng 作者单位：海军出版社,天津,300450刊 名：海洋测绘 ISTIC英文刊名：HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING年，卷(期)：200828(5)分类号：P318.6+3关键词：海洋磁力测量 测线拟合 滑动拟合
海洋测量 篇3
目前执行海洋调查测量任务的各调查测量船都是单独作业的单点模式,各调查测量船的基本功能是调查采样、数据采集、以及样品和数据的初加工与存储,待舰船返航到岸站处理中心后再将数据加工成信息产品并发布,不能实时与岸站、其他船只或海洋观测手段等进行实时数据传输,存在产品发布周期长、数据更新慢等不足。本系统根据调查测量船测量设备现状和作业模式,分别在监控中心和测量终端搭建硬件平台,研制专用测控软件,并利用北斗系统数据通信功能在监控中心和测量终端之间进行数据传输和指令交互,即将各测量终端采集的测量状态数据按要求实时传送至监控中心,监控中心对接收到的数据进行实时处理和分析,并可根据任务需求向各测量终端下达控制指令,以指导和监控各测量终端的测量过程,从而形成在监控中心集中控制下的多艘测量船同时进行测量的分布式测量作业模式, 达到提高测量数据的质量和测量作业效率的目的。
1 总体方案设计
北斗卫星是我国具有自主知识产权的卫星通信导航定位系统,信号覆盖范围为我国领土及周边地区。北斗卫星系统兼具导航定位、短信息通信、精密授时三大功能,可全天候、全天时提供卫星导航信息和短信息传输服务,可在我国及周边广大地区,为公路交通、铁路运输、海上作业、水文、气象等领域提供定位及数据通信服务。
本系统主要由监控中心、监测终端两部分组成。本方案研制中,继承北斗用户机通用技术,将用户机划分为天线、射频通道、基带数字信号处理、数据处理、电源模块和结构六大单元。同时针对分布式海洋调查测量的具体应用需求,需要研制监测中心的应用软件和嵌入式数据采集仪,对数据采集、分包进行优化处理。系统总体设计如图1所示。
监测中心用于接收各监测终端的数据采集仪所上报的采集数据,并通过上层应用软件对数据进行分类、分析、整理、备份;同时需监控各监测终端的定位、通信等信息,具备通播发送、在电子海图上跟踪所选目标、轨迹回放、点名定位、电子罗盘导航等指挥调度功能。
嵌入式数据采集仪应具备高分辨率彩色屏幕,大字体、高亮度,以方便操作人员对采集数据工作和设备工作状态进行直观观察;同时内嵌WinCE操作系统,具备按键、触摸屏双重输入方式,从而使得操作简单易用。嵌入式数据采集仪与北斗用户机配套使用,采集仪具备多路串口,可同时接驳不同设备进行数据采集工作,采集后的数据通过北斗用户机发送到监测中心。
船舶北斗监测与数据采集要求北斗用户机具有防水、抗腐蚀、抗盐雾强的特点,同时可接驳高精度GPS,将定位结果、航速、航向等采集信息通过北斗链路发送到监测中心。
2 关键技术
2.1 监测中心设计
调查测量监测中心采用北斗一号指挥型用户机,该产品可同时接收3颗北斗卫星6个波束的信号,IC卡拆卸安装简便快捷,具备在电子海图上跟踪所选目标、轨迹回放、点名定位、电子罗盘导航等实用功能,操作界面美观、简单易用。在电池没电的情况下可直接使用交流适配器工作,环境适应能力满足野外环境使用。该产品可选择两种安装方式,如图2所示。
2.1.1 硬件单元
该产品采用“一线通”设计原理,天线与主机之间采用一根同轴电缆连接,使得安装更加可靠、便捷。主机正面具备三星六波束指示灯,便于对用户机系统工作状态进行监测。整机采用1U高度设计,安装拖架后可架设到标准19寸机柜中。
2.1.2 软件单元
PC平台数据采集软件装载到监测中心,实现多个远端设备北斗通信数据接收、处理,实现远端设备的数据采集控制,能够识别和处理远端设备上报的北斗、GPS位置,实现监控指挥终端设备状态等功能。PC平台数据采集软件采用N-TIER分层架构设计,面向对象的软件设计和实现方法。纵向架构层面上,软件系统提供硬件解析层、数据处理层和应用层三大层面。在每个大层面上又包含若干小层面的抽象、影射、实现和封装。采用这种设计最大限度地降低软件的耦合性,具有较高的可靠性、可维护性和可升级性,软件的总体设计图如图3所示。
其中自上而下又可以划分为如下功能模块:
(1) 采集数据处理模块。能够接收远端设备发送的北斗通信报文,实时处理和暂存接收到的采集数据,实时显示报文接收状态,丢失数据采集报文时应自动控制远端设备进行补发,并按照长报文数据交换格式拼接接收到的报文,采集数据正确、完整接收到后通过交互接口存入信息存储模块,用于事后采集数据的分析。
(2) 北斗定位模块。能够接收和处理所有远端设备申请的北斗定位信息,并能通过交互接口存入信息存储模块,以用于后续北斗与GPS数据进行定位精度、使用性和适用性等定位系统应用性分析。
(3) GPS数据模块。能够接收和处理所有远端设备上报的GPS信息,并能通过交互接口存入信息存储模块,以用于后续北斗与GPS数据进行定位精度、使用性和适用性等定位系统应用性分析。
(4) 设备状态模块。显示指挥终端的北斗卡信息,实时监控和显示指挥终端的设备状态。
(5) 数据存储模块。存储和管理北斗定位、GPS定位和采集数据,并可以根据用户需要导出为TXT格式或Excel格式文件。
2.1.3 监测中心的主要功能
(1) 实时接收下属用户所传输的上报数据。
能够实时接收数据采集中心、船舶、车辆、高精度GPS等终端用户所上报的采集数据;自动对上报的采集数据进行分类分析、汇总。
(2) 下属用户位置、短信息监控。
下属用户位置信息可在监测中心软件系统中的电子地图上显示跟踪,进行可视化动态监控;点名定位功能(可以指定所辖下属用户进行定位);可与下属用户进行短信息通信;具备地图漫游和显示、短信管理、轨迹回放等功能。
(3) 信息管理功能。
所有信息均应有相应的自动管理备份功能;具备对所有存储的历史数据进行分类统计和查询功能。
2.2 监测终端嵌入式数据采集仪设计
监测终端的船舶上统一配备北斗一号通信型终端、嵌入式数据采集仪及各种调测设备。北斗一号通信型终端是在保留北斗普通型用户机全部功能的基础上,针对各类无人值守数据采集站的使用特点而开发研制的一体型用户终端。除保留北斗定位、通信等功能外,将主机内部核心单元进行一体化设计,大大缩小了整机体积,同时采用特种外壳对设备进行封装,适用于高盐雾、高湿热等恶劣工作环境。同时,待机功耗进一步降低,以适应长时间工作的需要。嵌入式数据采集仪采用多路串口,可同时接驳多种数据采集设备,内嵌WinCE操作系统,可同时监测接驳设备的工作状态,同时配套北斗一号通信型终端,将采集到的数据转发给监测中心。如图4所示。
2.2.1 硬件单元
嵌入式数据采集仪显示屏采用640×480高分辨率彩色屏幕、大字体、高亮度、操作界面简单易用;支持3路以上串口,内嵌WinCE操作系统,并且具备按键、触摸屏双重输入方式。
北斗一号通信型终端是在保留北斗普通型用户机全部功能的基础上,针对各类无人值守数据采集站的使用特点而开发研制的一体型用户终端。除保留北斗定位、通信等功能外,将主机内部核心单元进行一体化设计,大大缩小了整机体积,同时采用特种外壳对设备进行封装,适用于高盐雾、高湿热等恶劣工作环境。同时,待机功耗进一步降低,以适应长时间工作的需要。
2.2.2 软件单元
嵌入式平台数据采集软件装载到车载或数据采集仪等远端设备上,实现GPS位置上报;实现采集数据的分包处理,并将分好的包自动按照北斗设备的最大处理能力上报到指挥终端;实现北斗定位;实时检测和显示北斗设备状态。嵌入式平台数据采集软件采用Windows CE嵌入式操作系统,界面操作应直观、友好。
嵌入式平台数据采集软件采用面向对象的软件设计和实现方法。从纵向上划分为串口数据处理与解析层,数据处理层和应用层三个层次,每个层次含有若干个小的子模块,软件的总体设计图如图5所示。
各子功能模块的说明如下:
(1) 串口驱动模块。接收GPS接收机和采集器的数据,采用冗余性设计实现错误数据的剔除,具有并发数据处理能力。
(2) 采集数据处理。接收采集器的采集数据,按照长报文数据传输格式和北斗终端的通信等级自动分包采集数据,按照北斗终端的最高传输频度发送指挥终端,接收指挥终端的长报文控制指令,自动根据北斗设备状态重发、补发采集数据包;接收指挥终端的采集数据控制指令,实现上报指挥终端号码更改、设定采集数据上报方式和频度等采集控制。
(3) GPS数据处理。处理串口驱动模块提交的GPS数据,按照GPS数据传输格式打包GPS定位数据,符合北斗终端的服务频度的情况下发送GPS数据。
(4) 设备状态模块。显示北斗终端的用户卡信息,实时监控和显示北斗终端的设备状态。
(5) 信息存储。实现大容量采集数据的实时存储,以便于事后采集信息处理。
2.2.3 嵌入式数据采集仪主要功能
(1) 数据采集。
采集气象站、高精度GPS等数据,通过北斗链路转发到海洋环境监测中心;具备显示屏和按键,可监控所连接设备的工作状态并可以对北斗设备进行操作控制;可实时显示北斗设备工作状态;可实时显示数据采集、传输工作状态。
(2) 北斗基本功能。
具备定位、短信息通信功能;具备地图漫游和显示、短信管理、轨迹回放等功能。
(3) 信息管理功能。
所有信息均应有相应的自动管理备份功能;具备对所有存储的历史数据进行分类统计和查询功能。
3 结 语
该系统初步实现了监测中心、监测终端的各项功能,但由于目前“北斗”每次通信长度受限制,对于海量数据利用“北斗”进行传输,完全实现各种测量数据的实时传输,还有待于“北斗”导航系统的进一步发展,以进一步完善该分布式海洋调查测量系统。
参考文献
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海洋测量 篇4
海洋漂浮物运动的非接触测量方法研究
浮体的六自由度运动,是海洋、港口和船舶工程模型试验研究中的`的重要参考信息,传统的接触式测量方法是利用直尺测量位移值,使用陀螺仪测量摇角,通过光线示波仪记录信号,人工读取分析,精度低,浪费人力物力,无法满足使用要求.以江苏科技大学船舶与海洋工程学院水池的非接触系统为原型,讨论了基于六自由度运动平台测量点目标实现非接触跟踪测量目标物体位置与姿态的新方法.
作 者： 作者单位： 刊 名：中国水运（下半月） 英文刊名：CHINA WATER TRANSPORT 年，卷(期)： 9(11) 分类号：P76 TP216 关键词：海洋漂浮物 六自由度 测量海洋测量 篇5
关键词：GPRS,无线数据传输,远程监控,TCP/IP协议
0 引 言
目前沿岸地带的应急机动调查测量,一般是利用临时租用的民船来执行任务。但由于受到远程数据传输手段和船只所携带调查测量设备功能的制约,测量数据只有在完成航次任务返航后,才能将数据带回到岸站中心进行处理和评估,导致测量数据质量评估滞后,使得测量数据的精度、密度、成功率、有效率、覆盖范围等主要技术指标都难以一次达到要求,补充测量时有发生,无法满足应急机动测量的需求。
本文根据目前海洋调查测量技术、嵌入式技术和无线通信技术的发展现状及沿岸海域地域特点,为满足机动海洋调查测量的需求,结合海洋机动调查测量的仪器设备、技术手段、数据采集类型等因素,利用信号覆盖范围能满足沿岸测量需求的GPRS无线通信技术,设计了沿岸海洋机动调查测量数据传输系统,实现岸站或母船的监控中心对一个或多个机动测量船的遥测遥控。
1 数据传输系统结构
本系统主要由监控中心、监测终端和无线通信数据链组成。监测终端从调查测量数据中选取能够代表当前测量状态的信息,收集当前调查测量船的航行状态,并对采集到的信息进行压缩编码,利用无线通信数据链将其发送到监控中心,监控中心对接收的机动调查测量船的航行状态、关键调测数据等信息进行处理,随时对调查测量船进行远程遥控。其构成如图1所示。
1.1 GPRS技术简述
GPRS是通用分组无线业务的简称,该技术建立在GSM网络的基础上,被称为2.5代移动通信技术,它将无线通信与Internet紧密结合。GPRS作为一种先进的、全新的无线网络承载手段,具有独特优势:
(1) GPRS引入分组交换的传输方式,使用者只有在发送或接收数据期间才占用资源,按实际通信的数据流量为计费标准,是一种面向使用的计费,计费方式更加科学合理,大幅降低使用成本。
(2) GPRS可提供115 Kb/s传输速率(最高值为171.2 Kb/s),明显高于其他方式。
(3) GPRS提供快速及时的联接,接入时间小于1 s,大幅提高数据收集及监控效率。而且激活GPRS应用后,将永远保持在线,类似于一种无线专线网络。用户只在发送信息时才申请无线资源,其他时间保持激活状态,发送信息的时候无需重新连接。IP数据包通过分组交换技术被分成若干片段,通过不同的路由以存储转发的方式传送到目的端,再组成完整的数据。根据移动的网络状况,每数据包传输时间在1 s左右,并可连续发送,从而保证实时传输的可靠性。
(4) GPRS支持Internet上最广泛使用的IP协议和x.25协议,提供了一个完备的基于TCP/IP协议的通信解决方案。
GPRS作为一种高速、高效、经济的无线系统,具有网络覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大量数据传输,完全满足多点机动测量数据采集及监控的双向数据信息传输,为机动测量数据采集传输及监控提供了一种新的数据传输通信方式。
1.2 监测终端模块
监测终端通过RS 232串口从机动调查测量船中接收数据,然后进行分析、处理,将数据打成IP包,通过GPRS模块接入GPRS网络,再通过各种网关和路由将数据发送到监控中心。GPRS网络用GGSN接入因特网,GGSN提供了GPRS网络和因特网直接的无缝连接,所以远程传输终端和数据中心的数据传输是透明的。
1.3 监控中心模块
监控中心是整个数据传输系统的通信核心,主要功能是接收和处理监测终端发送来的数据,并对监测终端进行结果反馈,实现数据的双向传输,包括服务器端的数据网络传输和数据库的管理等,同时对整个网络状况进行管理。
在实现监控中心和监测终端通信时,监控中心采用TCP/IP协议和一台接入因特网的PC机来进行数据的接收、处理及对终端的管理。GPRS DTU一开机就自动附着到GPRS网络上,并与监控中心建立通信链路,随时收发用户数据设备的数据。GPRS网络采用分组交换方式,针对GPRS的网络特点,采用终端主动发送数据的方式,数据传输效率更高。
1.4 系统功能特点
(1) 数据传输的效率。
系统采用TCP协议传输数据,正确率可达99.9% ,采用UDP协议正确率在85% 左右。
(2) 数据传输的实时性。
根据目前移动GPRS网络状况,一个包长为200 B及以下的数据包需要传送约2 s,200～1 000 B长的数据包大约要3～5 s。数据的发送采用网络信道,数据的接收端则走专线方式,这种方式下表现的结果非常稳定和可靠,时延非常小(1～3 s)。
(3) 数据传输的稳定性。
GPRS模块采用了功能强大的CPU和充足的存储空间,内置操作系统,分别为发送和接收提供不同的进程,保证了数据传输的稳定。
(4) 数据传输的安全性。
除了GPRS网络和无线数据网络本身的安全保障外,GPRS网络接入采用专用VPN连接,可以大大提高数据传输的安全性。
(5) 系统的经济性。
采用GPRS技术,组网简单。系统采用公网VPN (CMNET)接入因特网,组网方式灵活,节省人力资源。
2 系统软硬件设计
2.1 软件部分
首先需制定合理规范的数据通信传输格式,实现数据标准化共享。需要制订的数据格式主要有:单片机对数据处理后存储、加密格式及压缩后通过串口进入GPRS模块的数据格式;打包传输格式;数据处理终端对采集设备控制命令(如加密观测的设置及解除、回补发送)格式,采集端对命令的应答格式;数据存储格式等。软件系统具有如下功能:采集端应用模块对数据的采集、处理、存储、发送;GPRS模块对应用模块发送数据格式的识别、打包发送及对下传指令的识别执行;数据中心IP地址和端口设置,上网指令,数据接收、存储和管理;状态检测及对采集端设备发送控制指令。图2为系统软件流程图。
单片机通信控制单元是数据采集、传输子系统的核心部分,它通过AT指令实现对短信收发模块的控制,把数据以短消息的形式送至远程监控中心,并通过接收到的控制字符采取相应的控制动作。为了实现短消息的收发和系统的控制与管理,可通过设定特征字符的方法实现通信控制模块和短信收发模块之间的数据传输。通信控制模块通过串行口与GSM模块进行数据传输。开机后单片机初始化,通过串口向通信模块发送AT命令,对其进行正确配置。此模块工作时,如果接收到GSM模块传送的数据,便进入串口中断服务程序。在中断服务程序中,对接收到的数据进行检测,如果检测到某一特征字符便调用相应的子程序。单片机部分程序如下所示:
2.2 硬件部分
硬件部分主要是GPRS通信接口电路的设计,GPRS通信接口电路原理图如图3所示。
GPRS通信接口电路主要由三部分组成:电平转换电路、单片机控制电路和GPRS通信模块电路。电平转换电路实现将输入电平转换为各功能模块所需电平。单片机控制电路主要完成控制电压转换,与GPRS通信模块和采集电路进行异步串行通信等任务。无线通信模块的功能是接收和发送各种指令。单片机接收采集电路指令,控制GPRS发送数据,GPRS通信模块将包括数据信息在内的GPRS分组和专用APN信息经基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN),SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信,GGSN对分组数据进行相应的处理,再经Internet路由至监控中心,同时,来自监控中心的命令,由GGSN接收,再转发到SGSN,继而传送到GPRS通信模块,由单片机向底层采集电路发送控制指令,完成校时、状态监测、提取数据等任务。
控制模块电路是整个系统的核心,因此控制芯片的选择尤为重要,选型时,既要考虑到芯片的功耗,又要满足所需的功能,设计中采用Atmel公司研制的ATmega128L微控制器,它采用低功耗CMOS工艺生产,基于RISC结构,具有片内128 KB的程序存储器(FLASH)、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM,2个8位和2个16位硬件定时/计数器,JTAG、SPI等接口,而且它可以在多种不同模式下工作,除了正常操作模式外,还具有六种不同等级的低能耗操作模式,掉电时电流小于25 μA,2个异步通信串行口实现分别与通信模块和采集电路功能,完全满足设计需要。
无线通信模块选择Siemens公司的MC55模块,此模块被誉为当今世界上最具价值、尺寸最小的三频GSM/GPRS模块,除具有普通的GSM模块的通话、短信、电话簿管理、CSD(电路交换数据)传输等功能和无线MODEM的GPRS连接功能外,内置完整的TCP/IP协议栈,不仅支持SOCKET连接下的TCP/UDP数据传输,还支持HTTP,FTP,SMTP,POP3等上层应用协议。图4为MC55模块原理框图。
由于通信模块工作电压典型值为4.2 V,而单片机工作电压典型值为5 V,因此需要将5 V电压转换为4.2 V。在电路设计中,选用MICREL公司的MIC29302BU芯片。此芯片具有高电流,高精度,快速的瞬态响应等特点,同时对过流、输入极反向、反插引脚,高温状态具有保护功能。转换电路的外部结构简单,只要几个电阻和电容就可以输出稳定的电压值。电路图如图5所示。
GPRS通信模块启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电10 ms后(电源电压须大于3 V),为使之正常工作,必须在IGT引脚加时长至少为100 ms的低电平信号,且该信号下降沿时间小于1 ms。启动后,IGT的信号应保持高电平。在设计中,利用单片机的I/O引脚实现对IGT引脚的控制。
通信模块串口的工作电压并不满足TTL电平标准,高电平仅为2.65 V,因此需要在串口信号的TXD和RXD的两个引脚上,利用三极管进行电压调节,将单片机串口输出的TTL电平信号调整到通信模块串口电压。单片机与MC55串行通信电路如图6所示。
3 结 语
本文只是探究了远程数据传输的终端和监控中心的设计,对数据采集部分没有涉及。在后期的研究中,可以对数据采集部分进行设计,同时可以考虑对传输数据进行加密,避免网络安全隐患,还可以采用Web技术进行远程数据的传输等等。
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