一种反向定高巡航的冰下河流流量监测系统及方法与流程

本发明涉及水文监测与水利工程，特别是指一种反向定高巡航的冰下河流流量监测系统及方法。

背景技术：

1、具体涉及一种在寒冷地区河流表面结冰（封冻）状态下，利用水下机器人搭载声学测量设备，在不规则冰层下进行河流流量自动监测的方法及系统。

2、在高纬度寒区，河流冬季封冻期长达数月。冰盖阻隔使得常规的水文测量手段难以实施，传统的冰下流量监测通常依赖人工破冰钻孔，将流速仪下放至冰层下方逐点测量。这种方式不仅作业效率低、人力成本高，而且测量人员长时间在冰面作业存在严重的安全隐患。此外，逐点测量方式无法同步获取整个断面的流速剖面，难以精确捕捉冰下流场的空间分布特征。

3、引入搭载声学多普勒流速剖面仪的水下机器人进行冰下走航测量，是获取全断面连续流量数据的有效途径，但在实际工程应用中，该技术路线面临以下技术挑战：

4、（1）冰层对卫星导航信号的屏蔽效应：在厚度可达数米的冰层覆盖下，全球导航卫星系统信号严重衰减以至不可用。在开阔水域，测量船可借助实时动态差分定位技术获取厘米级的绝对位置和速度基准，但在冰下环境中，水下机器人无法依赖卫星导航系统提供外部绝对位置校正，惯性导航系统的定位误差随时间累积发散，难以保障长时间走航测量的定位精度。

5、（2）高含沙量河流的“动床”效应：在高含沙量河流中，河床并非固结不动的刚性边界。在高速水流驱动下，河底表层泥沙会发生推移质运动。声学多普勒流速剖面仪的底跟踪功能基于河床静止的假设，通过探测河床反射回波的多普勒频移来推算仪器自身的对地速度。当河床底质自身在运动时，底跟踪测得的对地速度实际包含了河床运动速度的贡献。若直接以此速度作为机器人的绝对对地速度并用于水流速度合成，会将河床运动分量错误地引入水流速度计算中，导致最终计算出的断面流量存在系统性偏差。

6、（3）冰底地形起伏对航行与测量的影响：冰层底部并非平整界面，常存在向下突出的冰脊、冰锥等不规则地形。一方面，这些障碍物可能对水下机器人的航行安全构成威胁；另一方面，机器人若因规避障碍而频繁调整深度，将导致测量剖面偏离预设断面线，影响流速剖面测量的连续性和空间准确性。此外，常规向下安装的测距传感器无法感知冰底地形的变化，机器人难以实现稳定的冰底定高巡航。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中所存在的冰层覆盖导致的导航卫星系统信号失效、河床推移质运动导致声学底跟踪测速失准，以及冰底地形起伏导致机器人定高与测量困难的问题，本发明提出了一种反向定高巡航的冰下河流流量监测系统及方法。

2、本发明的技术方案是：

3、s1、河岸布设水声定位基站，建立覆盖监测断面的水下局域坐标，将水下机器人部署至冰下水体；

4、s2、控制水下机器人在监测断面的垂直平面内，依据预设距冰高度沿监测断面横向贴冰反向定高巡航；

5、s3、巡航中以高频数据递推水下机器人状态，以低频绝对位置数据进行数据融合更新，结合河床底跟踪速度矢量解算并输出水下机器人对地绝对速度矢量及三维坐标；

6、s4、将河床底跟踪速度矢量与s3中的对地绝对速度矢量实时解算瞬时动床速度；

7、s5、利用对地绝对速度矢量、相对流速矢量、瞬时动床速度进行补偿合成并获得各测点的绝对流速剖面；

8、s6、将绝对流速剖面在河流横断面上进行空间积分，结合水深数据及机器人坐标计算得冰下河流的总流量。

9、优选的，所述步骤s2中反向定高巡航具体包括：

10、s21、水下机器人利用搭载的反向高度计，以高频探测机器人本体上表面至冰层底界面的垂直距离；

11、s22、设定安全巡航高度距离阈值，该阈值需要大于高度计的测量盲区；

12、s23、机器人调节自身距离冰面高度，使误差趋近于零，保持距离冰面恒定距离；

13、s24、反向定高航行时，机器人利用前视声纳扫描航向前方预设距离范围内的冰下地形，当检测到前方存在向下突出的冰层且侵入当前航行深度层时，系统自动计算冰脊底端的深度，并叠加预定高度，生成临时的下潜深度指令；

14、s25、机器人执行下潜动作越过冰脊后，缓慢上浮恢复至设定的恒定距离继续巡航。

15、优选的，所述步骤s3采用误差状态卡尔曼滤波进行数据融合，具体包括：

16、s31、根据捷联惯性导航系统输出的三轴比力和三轴角速度，积分推算机器人的位置、速度和姿态矩阵，构建误差状态向量。

17、s32、利用离散化的状态转移矩阵进行误差状态协方差矩阵的时间更新；

18、s33、当收到岸基水声定位系统发送的有效绝对定位数据时，构建观测方程；

19、s34、根据观测残差计算卡尔曼增益，通过滤波迭代估计误差状态，当检测到动床现象导致底跟踪失效时，自适应增大速度观测量的噪声协方差的值，降低底跟踪数据在融合中的权重，使系统自动平滑过渡到主要依赖惯导和水声定位的模式；

20、s35、利用其修正捷联惯性导航系统的推算结果，输出高精度、高频率的对地绝对速度矢量。

21、优选的，所述步骤s4中实时解算瞬时动床速度合成的具体逻辑为：

22、s41、adcp的底跟踪测得的机器人坐标系下速度利用姿态矩阵转换至导航坐标系；

23、s42、在理想静止河床条件下，机器人的对地绝对速度等于机器人的对底相对速度与底质运动速度之和；

24、获取所述机器人在导航坐标系下的绝对对地速度矢量，获取由所述声学多普勒流速剖面仪测量的、经坐标变换至所述导航坐标系的底跟踪速度矢量，将所述绝对对地速度矢量与所述底跟踪速度矢量求差，得到河床底质的瞬时运动速度矢量；

25、s43、对计算出的瞬时动床速度进行滑动窗口均值滤波，以消除测量噪声，判断是否存在显著动床现象。

26、优选的，步骤s43具体为：

27、s431、采用滑动窗口均值滤波方法，降低单次解算瞬时动床速度的噪点；

28、s432、基于滤波后的所述瞬时运动速度矢量，与所述预设的速度阈值进行比较，当瞬时运动速度矢量的大小持续超过速度阈值的时间，达到预设的持续时间阈值时，判定当前河床处于动床状态，并在后续流量计算中应用校正值。

29、优选的，所述步骤s5中获得各测点的绝对流速剖面的方法具体为：

30、s51、获得由声学多普勒流速剖面仪测量，多个水体单元在运载体坐标系下的相对流速信息；

31、s52、基于所述水下机器人的实时姿态信息，将各所述水体单元的相对流速信息从所述运载体坐标系变换至导航坐标系，得到导航系相对流速；

32、s53、获取所述水下机器人在所述导航坐标系下的绝对对地速度；

33、s54、将各所述水体单元的所述导航系相对流速，分别与所述绝对对地速度求和，得到各所述水体单元的绝对流速，从而构成所述绝对流速剖面。

34、优选的，所述步骤s6中绝对流速剖面及总流量的计算方法为：

35、s61、获取由所述反向高度计测得的冰层底部高程信息，以及由所述声学多普勒流速剖面仪通过底跟踪方式测得的水深数据；

36、s62、基于所述机器人位置坐标，将所述监测断面沿宽度方向划分为多个垂线区间，并根据所述冰层底部高程信息与所述水深数据，确定各所述垂线区间的有效水深；

37、s63、对于每个所述垂线区间，根据该区间内各所述水体单元的绝对流速，计算该区间的平均流速在所述监测断面法向上的分量；

38、s64、将各所述垂线区间的所述平均流速法向分量、所述有效水深及所述垂线区间宽度相乘，并对所有所述垂线区间的乘积结果求和，得到所述冰下河流的总流量。

39、优选的，一种反向定高巡航的冰下河流流量监测系统，其特征在于，包括水下机器人、环境感知模块、流速测量模块、导航与控制模块和岸基监控模块；

40、所述水下机器人为具备垂直、水平及纵向运动控制能力的自主潜水器；

41、环境感知模块、流速测量模块、导航与控制模块和岸基监控模块均设置于水下机器人上；

42、所述导航与控制模块用以使水下机器人在水下反向定高巡航；

43、所述流速测量模块为安装于水下机器人上的声学多普勒流速剖面仪，用于测量相对流速剖面和底跟踪速度；

44、所述岸基监控模块通过水声通信网络与水下机器人连接，用于发送断面监测指令及实时监视机器人与冰面的相对位置。

45、优选的，所述环境感知模块包括反向高度计和前视避障声纳；

46、所述反向高度计安装于水下机器人的顶部，用于测量距冰面距离；

47、所述前视避障声纳固定安装于水下机器人的头部，用于探测冰层变化。

48、优选的，所述高度计的具体搭载方式为反向放置，即高度计换能器发射面朝向机器人本体坐标系z轴正向放置，使其波束垂直向上发射，以实现针对冰层底界面的定高功能。

49、本发明的优点：

50、1.本发明通过融合水声定位与惯性导航数据获取机器人高精度对地绝对速度，并与声学多普勒流速剖面仪测得的底跟踪速度进行矢量差分运算，实时解算出瞬时动床速度并进行补偿，消除了底质运动对流速测量的干扰，确保了在复杂水沙条件下的测量准确性。

51、2.针对gps等传统定位手段失效的问题，本发明采用误差状态卡尔曼滤波算法，将水声定位的低频绝对位置数据与捷联惯性导航系统的高频递推数据进行融合，实时修正惯性导航的累积误差，还能在因动床导致底跟踪数据不可靠的情况下，自适应调整权重，确保持续输出高频率、高精度的机器人绝对速度和位置信息，为精确测流提供了时空基准。

52、3.不同于传统的定深航行或贴底航行，本发明创新性地采用了“反向定高”巡航策略。利用反向放置的高度计和前视避障声纳，使机器人能够以冰层底界面为基准保持恒定距离航行，并能自动识别和规避向下突出的冰脊。这不仅保证了机器人的航行安全，还能使其始终处于流速较大的近冰面区域进行测量，从而获取更完整的流速剖面数据，避免了传统定点测量代表性不足的问题。

53、4.本发明采用水下机器人代替传统的人工破冰钻孔作业，避免了测验人员直接在脆弱或不稳定的冰面上作业，极大降低了安全风险。同时，自动化的断面扫描方式相比单点钻孔测量，大幅提高了作业效率和数据采集的空间分辨率，能够更快速地响应防凌汛等紧急水文监测需求。