CN112684436A - 一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量方法 - Google Patents

一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量方法 Download PDF

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陈小娟
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Abstract

本发明公布了一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量方法，该方法首先对水听器设备进行位置稳定性评估，并对失控水听器的位置进行重新确定，在此基础上，最终完成了鱼类超声波标记信号水听器设备间的时间基准精确同步。该数据处理方法，是进一步开展鱼类超声波标记精密定位的实现基础。在水听器设备间的时间基准统一后，才能得到同一鱼类超声波信号于不同水听器设备处记录(信号接收时刻)的时间差，进而得到该信号标记与不同水听器设备间的距离差，以便最终通过距离交汇的方式得到待监测鱼的精密定位结果。

Description

一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量 方法
技术领域
本发明属于鱼类定位跟踪领域，用于鱼类资源保护，通过对鱼类进行超声波标记信号水听器设备间高精度、低成本时间同步实现鱼类游动轨迹定位，是精确捕获鱼类的基础。
背景技术
生态环境保护日益受到重视，以水生态环境因子对鱼类的影响、鱼类适宜生境为课题的研究成为国内外学者关注的重要方向，并由此提出了鱼类微生境的概念。然而，依靠鱼类早期资源调查、亲鱼产卵行为观察、渔民走访等传统手段推测的鱼类产卵场等关键生境位置，存在范围广、精度差、误差大等问题，在此基础上研究得到的环境影响因子和生境特性可能被淡化和掩盖。鱼类精确定位一方面可以根据鱼类的关键生命期(如产卵期)准确定位关键生境(如产卵场)，有效获取相应生境因子；另一方面，可捕捉鱼类运动轨迹，获取鱼类习性和喜好生境，进而构建科学的生境适宜指标，为鱼类保护和栖息地修复提供必要的理论和技术支撑。
近年来，人类已开发了GPS、北斗等GNSS卫星定位系统，对陆生动物的行为轨迹跟踪也有了重要的进展，但鱼类的精密定位还严重滞后。主要原因包括：难以直接观测鱼在江河湖泊中的行为轨迹；利用水下图像技术的观测范围和观测条件受到很大的限制(如在大江大河湍急水流中难以观测)；鸟类研究广泛使用的无线电标记在水中传播时损耗严重，信号难以保证(Travade
Figure BDA0002836603460000011
and Larinier M.，2002)。姚贵丹等(2014)、王丁等(2007)研究了水中哺乳动物的定位方法，但该方法基于动物的发声特性实现，无法应用于常规鱼类运动轨迹跟踪。因此，超声波标记技术以其在水中传播距离远、适用性强而成为鱼类定位的主要手段。
鱼类超声波标记技术是将足够轻小的声学标记安置于鱼体内(上)，通过水听器接收来自该标记发出的超声波脉冲信号，确定标记鱼所在的球形水域范围(百米级精度)，是鱼类生态学研究领域的前沿技术手段(陈求稳等，2009)。
近年来，国内已购置大量的鱼类超声波标记及水听器，开展了大尺度的鱼类追踪，主要有中华鲟研究所开展的中华鲟幼鱼实时追踪(新华社，2016)，长江水产研究所对中华鲟的移动遥测等(王成友，2012)，大部分的相关科研院所虽已具备超声波标记跟踪设备，但除中科院海洋所对许氏平鮋、花鲈、海参的三维运动轨迹进行了初步探索外，目前国内大部分研究还停留在鱼类分布规律和迁徙路线的大尺度探测，只简单利用了超声波标记技术的“岗哨”作用，未将精密定位这一重要功能有效的开发利用。
要实现基于鱼类超声波标记信号的精密定位，首先需要进行鱼类超声波标记信号水听器设备间高精度的时间同步，只有水听器设备间的时间基准统一后，才能得到同一鱼类超声波信号于不同水听器设备处记录(信号接收时刻)的时间差，进而得到该信号标记与不同水听器设备间的距离差，以便最终通过距离交汇的方式得到待监测鱼的精密定位结果(侯轶群， 2019)。
目前实现鱼类超声波信号水听器设备间时间同步的方法有多种，如利用电缆进行水听器设备连接实现时间同步；或者基于GNSS技术，通过在水面处布设一套GNSS设备的方式将时间基准信息引入水下布设的鱼类超声波标记信号水听器设备。不过前者受限于需要电缆连接，因此不适合长距离大范围的水听器布设场景，并且在江河等有船只通过的应用场景下，该方案实施较为困难；后者则受限于需要额外搭载定制的GNSS设备，增加了水听器设备间时间同步的应用成本。为此，本发明综合考虑了上述几类方案的优缺点，并结合鱼类超声波标记水听器设备仅需保证相对时间基准统一的特性，提出了一种适用于鱼类超声波标记信号水听器设备的高精度低成本时间同步方法。
参考文献
[1]Travade
Figure BDA0002836603460000021
and Larinier M.Monitoring techniques forfishways.Bulletin
Figure BDA0002836603460000022
de la Pêche et de la Pisciculture 364Supplément,2002:166-180
[2]姚贵丹，金志刚，苏毅珊.水下认知网络中的哺乳动物定位测速算法，计算机应用，2014， 34(12)：3400-3404
[3]王丁，王克雄，李松海，赤松友成.长江豚类的声学研究，野生动物生态与资源保护全国学术研讨会，2007
[4]陈求稳，程仲尼，蔡德所等.基于个体模型模拟的鱼类对上游水库运行的生态响应分析. 水利学报，2009，40(8)：897-903
[5]新华社，推动长江经济带发展座谈会，2016
[6]王成友.长江中华鲟生殖洄游和栖息地选择.武汉：华中农业大学，博士论文，2012
[7]侯轶群,邹璇,姜伟,陈亮,朱佳志.自然水体中超声波标记鱼游动轨迹精密确定算法. 农业工程学报，2019，35(3)：182－188.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.023 http://www.tcsae.org
发明内容
本发明旨在通过先评估水听器当前位置是否发生偏离，并对偏离的水听器的位置进行校正，最后根据水听器的位置估算水听器间的时间基准偏差。克服了现有鱼类位置水监听方法不适合长距离大范围的水听器布设场景，和需额外搭载GNSS设备的问题。
本发明的技术方案是，一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量方法，包括以下步骤：
S01.判断任意两个水听器设备的位置稳定性：记录信号标记I、信号标记II发射的超声波信号被水听器a、水听器b分别监听到的时刻：
Figure BDA0002836603460000023
并计算得到两个水听器间的真实距离Dab，
Figure BDA0002836603460000024
其中，信号标记I、信号标记II分别布设在水听器a、水听器b上，v为超声波信号在水中的传播速度，可根据实验场景下获取的水温、盐度、水压等信息近似计算得到，将计算得到的Dab与水听器a、水听器b初始布设时的已知位置距离进行对比，可判断两个水听器设备的位置是否发生改变；
S02.按以上步骤S01对观测网中多个水听器间的真实距离与已知位置距离相互检核比较，即可实现观测网内不同水听器的位置稳定性评估，将水听器位置稳定的标记为拟稳水听器组，其坐标参数为x2，将水听器位置不稳定的标记为不稳定水听器组，其坐标参数为x1。
S03.不稳定的水听器组的位置重新确定：以拟稳水听器组的坐标参数x2为拟稳点，进行拟稳平差，平差后的新坐标来更新不稳定的水听器组的坐标参数x1，可得全部水听器的坐标最优估计结果；
S04.观测网中各水听器间时间同步，包括以下步骤：
S04.1.计算第i个历元下任意两个水听器设备的时间基准偏差计算值ΔTa-b：
Figure BDA0002836603460000031
(xa，ya，ha)和(xb，yb，hb)为步骤S03估算得到的两个水听器的已知坐标，tI和tII为坐标已知的信号标记j(xj，yj，hj)发出的超声波信号分别被两个水听器接收并记录的时刻；
S04.2.按步骤S04.1的方法计算两个水听器设备在所有历元下时间基准偏差计算值，比较两个水听器在任意历元下的时间基准偏差计算值与其在前后历元下的时间基准偏差计算值的差值，若差值均大于阈值，则剔除两个水听器在该历元下的时间基准偏差计算值；
S04.3以时间间隔A为分段标准，采用分段线性函数对步骤S04.2得到的两个水听器在所有历元下的时间基准偏差计算值数据拟合建模，当某一观测时段内两个水听器间无法捕获到足够数量的时间基准偏差计算值数据时，将相邻时段估计得到的钟差e、钟飘f作为先验约束信息，第i时段，所述的两个水听器于任意时刻t的时间基准偏差T的观测方程为：
Figure BDA0002836603460000032
其中：tref为分段线性估计的参考时刻；
则在第i+1时段，两个水听器的时钟误差分段线性待估参数：钟差ei+1、钟飘fi+1按照随机游走过程进行如下参数化约束：
Figure BDA0002836603460000041
其中：E为数学期望，D为方差，we、wf为钟差e、钟飘f在时段间的变化量，
Figure BDA0002836603460000042
Figure BDA0002836603460000043
为钟差e、钟飘f的方差，qe、qf为钟差e、钟飘f的功率谱密度，Δt为相邻时段的间隔；
最终根据公式
Figure BDA0002836603460000044
构建的虚拟观测方程和时间基准偏差T的观测方程一起加入法方程，采用最小二乘法
Figure BDA0002836603460000045
Figure BDA0002836603460000046
估计全部水听器于所述的各观测时段内的待估参数：钟差e、钟飘f，从而实现对一观测时段内的时间基准偏差数据的线性拟合建模；
S04.4根据步骤S04.3中的所有时段的时间基准偏差数据拟合建模得到模型可计算得到任意历元下任意两水听器间的时间基准偏差。
进一步地，在获得水听器设备间的时间基准偏差后，即实现了不同水听器间时间基准的同步。
才能得到同一鱼类超声波信号于不同水听器设备处记录(信号接收时刻)的时间差，进而得到该信号标记与不同水听器设备间的距离差，以便最终通过距离交汇的方式得到待监测鱼的精密定位结果。
本发明提出了一种适用于鱼类超声波标记信号水听器设备的高精度低成本时间同步方法。该方法首先对水听器设备进行位置稳定性评估，并对失控水听器的位置进行重新确定，在此基础上，最终完成了鱼类超声波标记信号水听器设备间的时间基准精确同步。该数据处理方法，是在低可见度的江河湖海中确定鱼体精确运动轨迹的实现基础。对于在野外大范围水域内开展鱼类行为学监测研究，增进人类对水生环境中生态和行为在种群层面演变过程的了解具有一定的推动作用。
附图说明
图1是本发明的一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量方法数据处理流程图；
图2是两个水听器在连续45天内的时间基准偏差的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所述实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更加清晰的表现。需要说明的是，附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用于更加清晰、方便地辅助说明本发明实施的目的。
如图1，一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量方法，包括以下步骤：
S01.判断任意两个水听器设备的位置稳定性：记录信号标记I、信号标记II发射的超声波信号被水听器a、水听器b分别监听到的时刻：
Figure BDA0002836603460000051
并计算得到两个水听器间的真实距离Dab，
Figure BDA0002836603460000052
其中，信号标记I、信号标记II分别布设在水听器a、水听器b上，v为超声波信号在水中的传播速度，可根据实验场景下获取的水温、盐度、水压等信息近似计算得到(Chenand Millero 1977；Millero and Li 1994)。
将计算得到的Dab与水听器a、水听器b初始布设时的已知位置距离进行对比，可判断两个水听器设备的位置是否发生改变。
S02.按以上步骤S01对观测网中多个水听器间的真实距离与已知位置距离相互检核比较，即可实现观测网内不同水听器的位置稳定性评估，将水听器位置稳定的标记为拟稳水听器组，其坐标参数为x2，将水听器位置不稳定的标记为不稳定水听器组，其坐标参数为x1。
步骤S01中，假定信号标记I所发射的超声波信号在
Figure BDA0002836603460000053
时刻被水听器a、水听器b接收，则两个水听器的时间基准偏差Tab可表示为：
Figure BDA0002836603460000054
同理对于信号标记II所发射的超声波信号在
Figure BDA0002836603460000055
时刻被水听器a、水听器b接收，则两个水听器的时间基准偏差Tab可表示为：
Figure BDA0002836603460000056
由公式(1)和(2)可计算得到两个水听器间的真实距离Dab。
S03.不稳定的水听器组的位置重新确定：以拟稳水听器组的坐标参数x2为拟稳点，进行拟稳平差，平差后的新坐标来更新不稳定的水听器组的坐标参数x1，可得全部水听器的坐标最优估计结果。
步骤S03中以拟稳基准的秩亏自由网平差称为拟稳平差。如公式(4)所示，拟稳平差是将网中参数分为x1和x2两类，其中x2是拟稳水听器组的坐标参数(包含X、Y、H三个方向的坐标分量)，x1是不稳定水听器组的坐标参数(包含X、Y、H三个方向的坐标分量)。
Figure BDA0002836603460000061
式中u为所有水听器组的数量，有u1组不稳定未知数对应于不稳定组，有u2(u2≥2)组稳定未知数对应于稳定组。
由于不同水听器间的距离D可以由公式(1)-(2)计算得到，根据各水听器的近似坐标对D进行泰勒级数展开，得到线性化后的观测方程：
Figure BDA0002836603460000062
其中A为泰勒级数展开时对应系数阵，n为可获得的水听器间距离观测值个数。
水听器间距离观测值对应的权矩阵为对角阵P1，已知稳定水听器坐标对应的强约束权矩阵为对角阵P2，则可按照最小二乘原则计算出各水听器坐标的平差结果：
x＝(BTPB)-1BTPL
其中：E为单位阵，
Figure BDA0002836603460000063
S04.观测网中各水听器间时间同步：
鱼类超声波标记定位技术是以不同水听器记录的标记信号时间差为依据，通过乘以水中声速转换为距离差进行位置测算(Biesinger et al.2013)。对于无法以电缆或无线电等方式进行交互通讯的水听器设备，其内置时钟由于漂移会存在相互之间不同步的问题，因此需对水听器设备之间的时间基准进行统一，即时间同步，该步骤是水下鱼类超声波信号标记精密定位得以有效实现的先决条件。
S04.1.计算第i个历元下任意两个水听器设备的时间基准偏差计算值ΔTa-b：
Figure BDA0002836603460000064
(xa，ya，ha)和(xb，yb，hb)为步骤S03估算得到的两个水听器的已知坐标，tI和tII为坐标已知的信号标记j(xj，yj，hj)发出的超声波信号分别被两个水听器接收并记录的时刻；
S04.2.按步骤S04.1的方法计算两个水听器设备在所有历元下时间基准偏差计算值，比较两个水听器在任意历元下的时间基准偏差计算值与其在前后历元下的时间基准偏差计算值的差值，若差值均大于阈值，则剔除两个水听器在该历元下的时间基准偏差计算值；
S04.3以时间间隔A为分段标准，采用分段线性函数对步骤S04.2得到的两个水听器在所有历元下的时间基准偏差计算值数据拟合建模，当某一观测时段内两个水听器间无法捕获到足够数量的时间基准偏差计算值数据时，将相邻时段估计得到的钟差e、钟飘f作为先验约束信息，第i时段，所述的两个水听器于任意时刻t的时间基准偏差T的观测方程为：
Figure BDA0002836603460000071
其中：tref为分段线性估计的参考时刻；
则在第i+1时段，两个水听器的时钟误差分段线性待估参数：钟差ei+1、钟飘fi+1按照随机游走过程进行如下参数化约束：
Figure BDA0002836603460000072
其中：E为数学期望，D为方差，we、wf为钟差e、钟飘f在时段间的变化量，
Figure BDA0002836603460000073
Figure BDA0002836603460000074
为钟差e、钟飘f的方差，qe、qf为钟差e、钟飘f的功率谱密度，Δt为相邻时段的间隔；
最终根据公式
Figure BDA0002836603460000075
构建的虚拟观测方程和时间基准偏差T的观测方程一起加入法方程，采用最小二乘法
Figure BDA0002836603460000081
Figure BDA0002836603460000082
估计全部水听器于所述的各观测时段内的待估参数：钟差e、钟飘f，从而实现对某一观测时段内的时间基准偏差数据的线性拟合建模；
S04.4根据步骤S04.3中的所有时段的时间基准偏差数据拟合建模得到模型可计算得到任意历元下任意两水听器间的时间基准偏差。
解算过程中，每个水听器于不同观测时段均设置钟差e、钟漂f两个待估参数，将不同水听器对同一个时间同步信号的时间基准偏差观测方程(11)加入法方程，同时对每个水听器在相邻时段的时钟误差分段线性待估参数e、f，采用公式(12)进行约束以提升整体解算结果的精度和可靠性。最终采用最小二乘估计给出各水听器于不同时段，整体最优的时钟误差分段线性参数估计结果。步骤S04.3中两部分观测方程一起构建最终的法方程进行最小二乘估计，得到整体最优的e、f估计结果，如果中间时段存在公式(11)对应的数据缺失问题，除了可以用前面时段的数据，还可以用后面时段的数据用于估计e、f，相当于是内插。内插比外推一般而言预测的更加准确一些，而公式(12)中的参数数值取决于水听器的硬件性能本身，是把物理特性作为虚拟观测方程加入以提升整体估计结果的效果。
图2给出了一组典型的水听器间时间基准差ΔTa-b的计算结果。两个水听器间的时间基准偏差计算结果整体呈线性变化，不过在33.6天时由于tI观测值出现错误，导致ΔTa-b计算结果中存在少量粗差。对图2所示连续45天的ΔTa-b计算结果采用线性拟合的方式进行模型化后还可发现，在某些观测时段内线性拟合结果与真实的计算结果间差异量可能高达0.1秒以上 (距离误差为150米)，对于米级精度的鱼类运动轨迹精确捕获而言需顾及该项误差的影响。除此之外，图2右下角小图所示的ΔTa-b计算结果在时段28.0-28.2天间存在数据量较少的情况，分析认为这是由于在野外复杂环境下，由于船只经过或水流增大等原因导致水中气泡含量增加、环境噪声增大，从而在一段时间内影响了水听器对超声波信号的捕获成功率。如某一时段内无法捕获到足够多有效的时间同步信号，简单的使用前一时段的时间同步信息进行外推，或仅利用当前时段较少的时间同步信号进行建模，均无法得到最优的水听器设备间时间同步结果，故需借助本发明的步骤S04.3的估算方法。

Claims (1)

1.一种水听器设备的超声波标记信号的时间基准偏差的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01.判断任意两个水听器设备的位置稳定性：记录信号标记I、信号标记II发射的超声波信号被水听器a、水听器b分别监听到的时刻：
Figure FDA0002836603450000011
并计算得到两个水听器间的真实距离Dab，
Figure FDA0002836603450000012
其中，信号标记I、信号标记II分别布设在水听器a、水听器b上，v为超声波信号在水中的传播速度，可根据实验场景下获取的水温、盐度、水压等信息近似计算得到，将计算得到的Dab与水听器a、水听器b初始布设时的已知位置距离进行对比，可判断两个水听器设备的位置是否发生改变；
S02.按以上步骤S01对观测网中多个水听器间的真实距离与已知位置距离相互检核比较，即可实现观测网内不同水听器的位置稳定性评估，将水听器位置稳定的标记为拟稳水听器组，其坐标参数为x2，将水听器位置不稳定的标记为不稳定水听器组，其坐标参数为x1；
S03.不稳定的水听器组的位置重新确定：以拟稳水听器组的坐标参数x2为拟稳点，进行拟稳平差，平差后的新坐标来更新不稳定的水听器组的坐标参数x1，可得全部水听器的坐标最优估计结果；
S04.观测网中各水听器间时间同步，包括以下步骤：
S04.1.计算第i个历元下任意两个水听器设备的时间基准偏差计算值ΔTa-b：
Figure FDA0002836603450000013
(xa，ya，ha)和(xb，yb，hb)为步骤S03估算得到的两个水听器的已知坐标，tI和tII为坐标已知的信号标记j(xj，yj，hj)发出的超声波信号分别被两个水听器接收并记录的时刻；
S04.2.按步骤S04.1的方法计算两个水听器设备在所有历元下时间基准偏差计算值，比较两个水听器在任意历元下的时间基准偏差计算值与其在前后历元下的时间基准偏差计算值的差值，若差值均大于阈值，则剔除两个水听器在该历元下的时间基准偏差计算值；
S04.3以时间间隔A为分段标准，采用分段线性函数对步骤S04.2得到的两个水听器在所有历元下的时间基准偏差计算值数据拟合建模，当某一观测时段内两个水听器间无法捕获到足够数量的时间基准偏差计算值数据时，将相邻时段估计得到的钟差e、钟飘f作为先验约束信息，第i时段，所述的两个水听器于任意时刻t的时间基准偏差T的观测方程为：
Figure FDA0002836603450000014
其中：tref为分段线性估计的参考时刻；
则在第i+1时段，两个水听器的时钟误差分段线性待估参数：钟差ei+1、钟飘fi+1按照随机游走过程进行如下参数化约束：
Figure FDA0002836603450000021
其中：E为数学期望，D为方差，we、wf为钟差e、钟飘f在时段间的变化量，
Figure FDA0002836603450000022
Figure FDA0002836603450000023
为钟差e、钟飘f的方差，qe、qf为钟差e、钟飘f的功率谱密度，Δt为相邻时段的间隔；
最终根据公式
Figure FDA0002836603450000024
构建的虚拟观测方程和时间基准偏差T的观测方程一起加入法方程，采用最小二乘法
Figure FDA0002836603450000025
Figure FDA0002836603450000026
估计全部水听器于所述的各观测时段内的待估参数：钟差e、钟飘f，从而实现对一观测时段内的时间基准偏差数据的线性拟合建模；
S04.4根据步骤S04.3中的所有时段的时间基准偏差数据拟合建模得到模型计算任意历元下任意两水听器间的时间基准偏差。
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