表面流速流向测量系统的设计与应用.pdf

表面流速流向测量系统的设计与应用 卢 中，黄亚平，朱春春（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430060）摘要：本文根据实际工程需求，设计并实现了由 CORS 服务中心、移动端、云服务器端、监控端四部分构成的表面流速流向测量系统。系统采用了 RTK 自定位浮标，浮标固定解状态下平面定位精度可达厘米级；系统引入多组多线协同作业方法，内部采用无线网络通讯，可实现多测线同步施测，提高了测量成果的时效性。工程实测表明，系统方法具备可实施性，与传统表面流速流向测量方法相比，可显著提高工作效率，且能更准确地反馈回流区和急流区等复杂水域的流态。关键词：表面流；系统设计；GNSS；CORS 中图分类号：P229.5 文献标识码：A 文章编号：1004-9592（2023）04-0072-04 DOI:10.16403/ki.ggjs20230416 Design and Application of Surface Velocity and Direction Measuring System Lu Zhong,Huang Yaping,Zhu Chunchun（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430060,China）Abstract:According to actual engineering requirement,a new surface velocity and direction measuring system is designed,which consists of CORS service center,mobile terminal,Cloud server terminal and monitoring terminal.RTK self-positioning buoy applies,with the horizontal positioning accuracy reaching centimeter level under the fixed positioning state.Multi-group multi-line cooperative method is introduced to the system,complete with wireless network communication,which supports synchronous measuring of multiple lines and improves the timeliness of measuring results.The engineering practice shows that the systematic method is feasible and absolutely efficient,and feeds back accurately the flow pattern of complex water areas such as back-flow area and torrent in comparison with the traditional method.Key words:surface flow;system design;GNSS;CORS 引引 言言 表面流速流向测量是内河水文观测中的重要工作，通过对其观测数据和航迹线图分析水流流速和流向分布，是确定内河码头前沿线的重要依据，是确定内河航道整治方案、检验航道整治和改造效果的重要手段，也是验证内河水文分析河段的数学模型和物理模型准确性的重要方法，其精度直接影响内河码头前沿线确定和河床演变分析等结果1。表面流速流向测量成果在河口及海岸工程中也是经常用到的水文要素。表面流速流向测量方法多样，制定高精度、高效率的表面流速流向测量系统，将对水运工程建设起到积极促进作用。1 表面流速流向测量方法表面流速流向测量方法 经典的表面流速流向测量方法是浮标法，即在测区上游释放浮标，依据指定的时间间隔测量浮标点坐标，反算流速及流向。具体施测方法又分为前方交会法、人工 GNSS 观测法和自动 GNSS观测法2。收稿日期：2022-10-08 作者简介：卢中（1990-），男，硕士，工程师，主要从事工程测量及水文测量工作。72Port,Waterway and Offshore Engineering 1.1 前方交会法前方交会法 前方交会法需在测区两处观测点同时架设全站仪或经纬仪，根据指定的时间信号观测浮标方位角，采用三角函数解算浮标点坐标。前方交会法受环境影响较小，但由于投入人员多、劳动强度大，且工作效率低、测量精度低，只有在无GNSS信号等特定的环境下使用。1.2 人工人工 GNSS 观测法观测法 人工 GNSS 观测法指释放浮标后，测量员在测量船上采用 GNSS-RTK 设备根据指定的时间间隔靠近浮标并采集坐标，以此计算浮标流速及流向。GNSS-RTK 设备定位精度为厘米级，但由于测量过程中 RTK 设备无法精确对中，且测量船接近浮标时会产生浪涌影响浮标轨迹，实际定位精度为米级。1.3 自动自动 GNSS 观测法观测法 自动 GNSS 观测法采用集成了定位和数据传输功能的 GNSS 浮标代替传统浮标，GNSS 浮标可根据指定的时间间隔将定位数据发送至服务器，以此计算表面流速流向3。现有商用 GNSS 浮标一般采用星站差分技术，定位精度为米级，且均为单线作业模式。2 系统需求分析系统需求分析 为改善传统表面流速流向测量方法的不足，系统需要在仪器设备、作业方法等方面对传统方法进行改进。2.1 远程数据传输远程数据传输 传统人工 GNSS 测量方法测量船接近浮标时会产生浪涌影响浮标轨迹，为保障测量精度，测量船需与 GNSS 浮标保持距离，因此要求 GNSS浮标要具备远程数据传输的能力。2.2 高精度高精度 现有商用 GNSS 浮标一般采用星站差分技术，定位精度为米级，对于回流及涡流等复杂流态，流速一般小于 1m/s，采用星站差分技术进行定位时可能导致轨迹失真。因此，本文所述系统需要 GNSS 浮标定位精度达到分米级或分米级以上。2.3 多线作业多线作业 表面流速流向测量时效性要求较高，若施测时间过长，河道流量将可能发生变化，导致不同时间的测量数据相对关系失真。鉴于此，常规的观测方法中一条测量船监测一个 GNSS 浮标的单线作业模式效率将无法满足需求，需采取一条测量船监测多个 GNSS浮标的多线作业模式。2.4 协同作业模式协同作业模式 为进一步提高表面流速流向观测效率，提高不同测线数据的时效性，对系统提出了协同作业模式的需求，即多条测量船同时观测，每条测量船监测多个 GNSS 浮标。为避免不同作业组施测轨迹线重叠，需要系统具备可视化的轨迹线记录功能，并实现多组共享。3 系统的设计与实现系统的设计与实现 3.1 系统架构系统架构 结合系统需求，本文所述系统由 CORS 服务中心、移动端、云服务器端、监控端四部分组成，系统内采用无线网络通讯，系统架构及通讯过程见图 1。其中 CORS 服务中心选用了千寻CORS；移动端即 GNSS 浮标，浮标搭载了具备差分定位解算能力的定位模块，通过 CORS 服务中心获取差分数据进行差分定位，并将定位结果传送至云服务器；监控端指监控平台及配套程序，测量人员可通过监控端程序监控所有 GNSS 浮标的工作状态及轨迹；云服务器端包括云服务器及配套程序，是移动端和监控端的信息中转平台和数据存储中心，数据存储在云服务器可保障数据的安全性，且通过云服务器的数据共享功能可实现多线作业和协同作业模式。图图 1 系统架构与通讯过程示意图系统架构与通讯过程示意图 73 3.2 移动端的设计与实现移动端的设计与实现 移动端以 STM32F103 系列开发板为基础，结合所需模块组成。主要模块包括：定位模块、天线模块、无线通讯模块，其连接方式见图 2，通讯方式见图 3。图图 2 移动端连接示意图移动端连接示意图 图图 3 移动端通讯示意图移动端通讯示意图 开发板及各模块的选型及功能如下：1）开发板 采用 STM32F103C8T6 型微控制器核心板，主要性能见表 1：表表 1 开发板性能汇总表开发板性能汇总表 项目 技术指标 总线宽度 32位 FLASH 64 kB RAM 20 kB 工作温度-40C 85C 开发板可通过加载程序驱动相应的模块完成设计功能，其通讯过程如图 3 所示，具体功能如下：接收并处理定位模块发来的 GNSS 概略坐标和精确坐标，并将其发送至无线网络模块；接收并处理无线网络模块发来的差分信息，并将其发送至定位模块。2）无线网络模块 采用 4G LTE模块，以 TCP模式分别与 CORS服务中心和云服务器建立连接，通讯过程如图 3所示，具体功能如下：接收并处理开发板发来的 GNSS 概略坐标，并将其发送至 CORS服务中心；接收并处理 CORS 服务中心发来的 GNSS差分数据，并将其发送至开发板；接收并处理开发板发来的 GNSS 精确坐标，并将其发送至云服务器。3）天线模块 采用有源陶瓷天线，主要性能见表 2：表表 2 天线模块性能汇总表天线模块性能汇总表 项目 技术指标 接收频率范围 BDS B1/B2/B3 GPS L1/L2/L5 GLONASS G1/G2 GALILEO E1/E2/E5a/E5b/E6 增益 4.5 dBi 极化方式 右旋圆极化（RHCP）相位中心误差 2 mm 天线模块的主要功能为：接收指定频段的卫星信号；对接收到的卫星信号进行放大、滤波处理，并发送至定位模块。4）定位模块 采用双频 GNSS定位模块，主要性能见表 3：表表 3 定位模块性能汇总表定位模块性能汇总表 项目 技术指标 数据更新 110 Hz 单点定位精度 1.5 m RTK定位精度 0.0025 m+1 ppm 定位模块的主要功能为：根据天线模块发来的 GNSS 信号解算 GNSS概略坐标，并将其发送至开发板；根据天线模块发来的 GNSS 信号和开发板发来的 GNSS 差分数据建立双差模型，解算 GNSS精确坐标（差分定位坐标），并将其发送至开发板4。3.3 云服务器软件的设计与实现云服务器软件的设计与实现 云服务器端是移动端和监控端的信息中转平台和数据存储中心。监控端用户指令通过云服务74 器软件解译后传送至对应移动端；移动端定位信息通过云服务器转发至所有在线的监控端设备，同时将数据保存在云服务器。云服务器采用腾讯云轻量应用服务器，服务器系统为 Windows Server，服务器软件采用 Java语言在 Eclipse 平台下编写。服务器软件包括菜单栏、图形显示区、数据显示区、功能区四个板块，软件界面见图 4。图图 4 云服务器软件界面示意图云服务器软件界面示意图 3.4 监控端软件的设计与实现监控端软件的设计与实现 监控端软件运行于 Windows 系统的 PC 平台。监控端软件具备移动端 GNSS 浮标的实时轨迹展示界面5，不同作业组可以共享施测轨迹，避免测线重复和压盖，同时测量人员可通过监控端软件，向移动端 GNSS 浮标发送指令，对各移动端的数据采样间隔、记录状态等信息进行设置。软件采用 Java 语言在 Eclipse 平台下编写。服务器软件包括菜单栏、图形显示区、数据显示区、功能区四个板块，软件界面见图 5。图图 5 监控端软件界面示意图监控端软件界面示意图 4 应用案例应用案例 4.1 项目概况项目概况 系统在三峡葛洲坝两坝间莲沱段航道整治工程竣工测量及整治效果观测工程中进行了测试，项目位于三峡葛洲坝两坝间莲沱段，整治河段全长 6.5 km，整治河段紧邻已实施整治的乐天溪河段，上边界为下岸溪，下边界为莲沱弯道出口茶园，上下边界即为本项目全河段地形测量边界。本项目表面流速流向施测时间为 2021 年 8 月和 2021 年 9 月洪水期，测量期间测区最大流速达3 m/s 以上，工程河段流态较复杂，岸边水流存在回流