阅读说明：本技术 深海自持式剖面浮标水下轨迹记录系统 (Deep sea self-sustaining profile buoy underwater track recording system ) 是由 李醒飞 赵邵鹏 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种深海自持式剖面浮标水下轨迹记录系统,包括：传感器模块,用于采集浮标的剖面数据,并将剖面数据传送给数据处理模块；定位模块,包括惯导系统及GPS系统两部分构成,用于获取浮标的漂流速度、方向、姿态及在海面时的地理位置信息,并将这些信息传送给数据处理模块；数据处理模块,用于处理传感器模块和定位模块采集到的数据,包括对惯导系统采集到的浮标加速度信息及位置、姿态信息进行解算,待浮标浮出水面时将数据传送给数据发送模块；数据传送模块；卫星系统；地面控制中心。(The invention relates to a deep sea self-sustaining profile buoy underwater trajectory recording system, which comprises: the sensor module is used for collecting profile data of the buoy and transmitting the profile data to the data processing module; the positioning module comprises an inertial navigation system and a GPS system, and is used for acquiring the drifting speed, direction and posture of the buoy and the geographical position information on the sea surface and transmitting the information to the data processing module; the data processing module is used for processing the data acquired by the sensor module and the positioning module, resolving the acceleration information, the position information and the attitude information of the buoy acquired by the inertial navigation system, and transmitting the data to the data sending module when the buoy floats out of the water; a data transfer module; a satellite system; and a ground control center.)

深海自持式剖面浮标水下轨迹记录系统

技术领域

本发明涉及一种深海自持式剖面浮标系统。具体地说，是一种用于获取深海自持式剖面浮标水下漂移轨迹的方法。

背景技术

深海自持式剖面浮标又称Argo浮标，因国际Argo计划而得名。其工作原理是基于阿基米德原理，通过浮标底部的油囊来改变浮标的体积，从而改变浮标所受的浮力来控制浮标的上浮与下潜，以采集不同剖面的温度、盐度、压力等参数用于科学研究。

Argo浮标获取的垂直剖面数据时间序列可以反映大尺度海水温、盐变化，对研究海水热盐储量、输送及大洋海水特性等具有重要意义。浮标在“随波逐流”的过程中的实时位置信息直接体现了海水的流动状态，对研究海洋环流、中尺度涡、湍流等具有重要的意义。

GPS技术是目前比较成熟的获取目标实时位置信息的技术。但由于水是光波和电磁波的不良导体，因此常用的无线电导航技术及GPS技术无法适用于深海自持式剖面浮标水下实时位置信息的获取，也就无法对其水下运动轨迹进行重构。

因此目前Argo浮标的轨迹获取主要在其下潜之前、上浮之后以及回收定位阶段，即在海面之上时通过卫星系统传回地理位置信息和剖面数据。根据接收到的浮标数据，生成对应浮标编号的地图层，并将标记点展示在地图层，依据标记点的先后顺序用箭头连接，形成浮标轨迹图，并根据浮标轨迹图来计算浮标的剖面距离、漂流速度及漂流方向等。此种方法获得的轨迹只能反映浮标在海洋表面“随波漂流”的二维信息，无法准确反映浮标水下运行的位置信息。

本发明的目的旨在针对上述缺陷，提出一种能够获取深海自持式剖面浮标水下漂流轨迹的方法。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种深海自持式剖面浮标水下轨迹记录系统，包括：

传感器模块，用于采集浮标的剖面数据，并将剖面数据传送给数据处理模块；

定位模块，包括捷联惯导系统及GPS系统两部分构成，用于获取浮标的漂流速度、方向、姿态及在海面时的地理位置信息，并将这些信息传送给数据处理模块；

数据处理模块，用于处理传感器模块和定位模块采集到的数据，包括对捷联惯导系统采集到的浮标加速度信息及位置、姿态信息进行解算，待浮标浮出水面时将数据传送给数据发送模块，方法如下：

在浮标下潜之前，通过GPS系统对浮标初始位置进行精准定位，并对捷联惯导系统进行初始对准，浮标下潜及上浮过程中，定位系统切换为捷联惯导系统，捷联惯导系统包括3个三轴陀螺仪及3个三轴加速度计构成，在下潜和上浮过程中陀螺仪采集浮标角运动信息，加速度计采集浮标的线运动信息，这些信息通过串口传给数据处理模块。待浮标浮出水面后，通过GPS对位置信息进行校准，并再次对捷联惯导系统进行初始对准，为下一次下潜做准备。

数据传送模块，用于对浮标数据处理模块处理后的浮标数据打包，并将打包好的数据传送给卫星系统，同时也可以接收卫星系统传送过来的控制命令；

卫星系统，用于将浮标发送过来的数据通过卫星服务队列传送至地面控制中心，用于获取地面控制中心的控制命令并通过卫星服务队列传送至浮标；

地面控制中心，用于对传送过来的数据进行处理计算，根据计算结果对浮标的水下轨迹进行重构。

优选地，所述传感器模块用于采集浮标的剖面数据，并将剖面数据传送给数据处理模块，传感器模块搭载有CTD传感器，采集不同剖面的温度、盐度和压力参数。

所述地面控制中心用于对传送过来的数据进行处理计算，并根据计算结果对浮标的水下轨迹进行重构，CTD传感器采集的温、盐、深数据用于对水下轨迹进行修正。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果：

(1)本发明实现了浮标水下运动轨迹的三维重构；

(2)本发明通过CTD传感器采集到的温、盐、深数据修正捷联惯导系统解算的位置信息，对浮标水下运动轨迹的z轴位置信息修正，提高了精度；

(3)本发明水下位置的获取能够不依赖外部系统和环境，完全自主。

附图说明

图1是本发明

具体实施方式

水下轨迹记录系统的原理图。

图2是本发明具体实施例轨迹数据解算过程的原理图。

具体实施方法

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明实例提出了一种深海自持式剖面浮标水下轨迹记录系统，能够对Argo浮标水下漂移轨迹进行三维重构，对于研究海洋环流、中尺度涡、湍流等具有重要的意义。

参见图1，本实例提供一种深海自持式剖面浮标水下轨迹记录系统。包括：电源模块、传感器模块、定位模块、数据处理模块、数据传送模块、卫星系统、地面处理中心等几大模块。其中，电源模块、传感器模块、定位模块、数据处理模块、数据发送模块搭载于自持式剖面浮标上，完成浮标水下数据采集、数据处理及浮出水面后的数据发送工作；卫星系统作为中转系统，接收浮标发送的数据包，并将其转发给地面处理中心；地面处理中心对浮标数据进行处理，最终绘制出下面对整个浮标轨迹记录系统工作的流程进行详细的说明：

(1)浮标电源供电，启动电源管理程序。

(2)浮标定位模块的GPS系统启动，通过北斗卫星实现浮标的精准定位，并将当前位置信息通过卫星的卫星服务队列传送给地面控制中心。

(3)浮标定位模块的捷联惯导系统启动初始对准，GPS系统进入低功耗模式。

(4)浮标油囊收缩，开始下潜，在浮出水面之前每隔固定间隔时间，捷联惯导系统采集角加速度和加速度信息。在不采集时进入低功耗模式。

(5)浮标数据处理模块对角加速度信息和加速度信息进行准确性校验，筛选有效数据，进行数据融合，对姿态角和速度、位置信息解算。并对解算结果存储、备份。

(6)浮标下潜到预定深度，悬停漂流。

(7)浮标继续下潜到最大深度，传感器的CTD模块启动。浮标油囊扩张，浮标上浮CTD固定时间间隔采集对应深度的温度、盐度、压力参数。在不采集时进入低功耗模式。数据处理模块对数据处理、存储、备份。

(8)浮标浮出水面，GPS系统进入正常工作模式。通过卫星系统重新定位。

(9)浮标数据传送模块将浮标数据经卫星系统传送给地面处理中心。

(10)地面处理中心对浮标数据进行计算、滤波，绘制出浮标水下三维漂流轨迹。

(11)重复步骤(2)到(10)，完成下一个剖面的测量和轨迹绘制。直至电源耗尽，回收浮标。

参见图2，本实例提供一种对浮标水下轨迹详细解算过程。包括：下潜前的初始对准、捷联惯导系统数据采集、数据筛选、数据融合、位置解算、轨迹重构等过程。

下面对浮标水下轨迹详细解算过程进行说明：

(1)对浮标系统状态进行建模，利用自适应渐消卡尔曼滤波算法对浮标捷联惯导系统进行初始对准。

(2)3个三轴陀螺仪和3个三轴加速度计采集角加速度信息和加速度信息，分别由3个I/O口和3个AD采样通道传输至数据处理模块。

(3)数据处理模块对采集到的信息进行有效性检测，筛选有效数据。

(4)运用扩展卡尔曼滤波算法，对筛选出来的有效数据进行融合。

(5)对融合出来的数据进行解算，解算出浮标当前时刻的姿态、速度、位置等信息，并存储、备份。

(6)待浮标浮出水面之后，数据经由卫星系统传送回地面处理中心，绘制出浮标水下三维漂流轨迹。