[发明专利]适用于复杂水环境的鱼类超声波标记精密定位方法及系统

说明书

本发明公开了一种适用于复杂水环境的鱼类超声波标记精密定位方法及系统，该方法包括：S1采集信号标记鱼到达水听器监测网内各水听器的时间或到达两个水听器的时间差；S2利用Chan算法估计信号标记鱼的近似坐标和信号发射时刻；S3以信号标记鱼的近似坐标为中心，构建近似坐标备选区间，并对近似坐标备选区间划分子网；S4取一子网的节点位置作为信号标记鱼位置初值，采用抗差最小二乘估计进行信号标记鱼的定位解算；S5对步骤S4获得的定位解算结果进行评估，若评估通过，该定位解算结果即信号标记鱼的精密定位结果；否则，重复执行步骤S4。本发明方法可有效实现高精度、高可靠性的鱼类运动轨迹精确捕获。

技术领域

本发明属于鱼类资源保护领域，尤其涉及一种适用于复杂水环境的鱼类超声波标记精密定位方法。

背景技术

鱼类作为水生态系统的顶级群落，模拟、重建及恢复其重要栖息地，从而实现河流生态系统的结构和功能修复是水生态学的重要目标^[1]。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。如能实现鱼类精密定位，一方面可以根据其关键生命期(如产卵期)准确确定关键生境(如产卵场)，有效获取相应生境因子^[2]；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。

超声波标记跟踪技术以其在水中传播距离远、适用性强而成为目前鱼类精密定位的主要手段^[3]。该技术是将足够轻小的声学标记安置于鱼腹腔内(或体外)，由布设在水下特定位置的水听器接收标记发出的超声波信号。目前国内水生态领域大部分研究还停留在根据水听器位置及其是否观测到信号标记，确定信号标记鱼所在的球形水域范围(数百米级精度)，未能将水听器设备的精密定位功能进行有效的开发应用。然而，我国并不缺乏定位技术的科研基础，在卫星大地测量学研究领域，相关研究人员已经基于现有全球卫星导航定位系统实现了m级至cm级的精密定位。为此，有必要在现有卫星定位技术的基础上，针对鱼类精密定位实现过程中存在的相关应用难点问题，开展专业性的定位技术研发。

目前基于时延差测量值进行定位的实现算法有多种，如Chan、Taylor、FANG、SX、SI等^[4]。其中Chan算法和Taylor级数展开法被认为是最有效的两种方法。Chan算法是一种求解双曲线方程组的非递归算法，该算法采用两步最大似然估计，在噪声服从高斯分布的环境下定位精度高，但在非视距环境，即信号标记与水听器之间的直射路径被障碍物挡住后，Chan算法的定位精度下降。基于最小二乘估计的Taylor级数展开法是一种需要初始位置的递归算法，在每一次递归中通过求解时间差测量误差的局部最小二乘解来改进估计位置。该算法能够适用于各种信道环境，在初始位置与实际位置接近的情况下能得到整体最优的计算结果。但在初始位置选择不好的情况下，该算法将很难保证收敛。此外，在粗差不可避免的情形下，传统最小二乘估计不具有抗干扰性，单个观测值的偏差即可能导致最终的定位结果面目全非。源于此，抗差最小二乘估计应运而生，该方法使得定位计算具有抗差性，可最大程度地抵抗粗差观测值带来的影响^[5]。

文中涉及如下参考文献：

[1]朱仁,司春,储玲,等.基于栖息地斑块尺度的青弋江河源溪流鱼类群落的时空格局[J].水生生物学报,2015,39(4):686-694.

[2]Cooke S J,Midwood J D,Thiem J D,et al.Tracking animals infreshwater with electronic tags:past,present and future[J].AnimalBiotelemetry,2013,1(1):5.

[3]王成友.长江中华鲟生殖洄游和栖息地选择[D].华中农业大学,2012.