CN104992545A - 一种水下探测中继平台*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水下探测中继平台***，包括：卫星天线仓、平台浮体及升降装置、中继控制仓；所述中继控制仓与潜标之间采用线缆进行通信，与卫星天线仓之间采用水声通信机进行通信，将接收到的潜标数据经水声通信机、卫星天线上传至远程岸基；远程岸基指令经卫星、卫星天线传至水声通信机，指令经中继控制仓解析后下载到潜标中；同时，中继控制仓检测自身深度的变化，并根据时间表控制升降装置实现卫星天线仓的升降；所述升降装置采用水下排缆绞车，与卫星天线仓之间用绳索连接，通过收放绳索实现卫星天线仓的升降。通过使用本发明的平台***能够实现海洋定点海洋环境参数的长期周期性测量，并可以实现实时监测。

Description

一种水下探测中继平台***

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种水下探测中继平台***。

背景技术

海洋定点数据的采集是一个长期连续的过程，水下信息收集设备如潜标，能获取水下不同深度的长期连续的数据，由于它的浮体一般位于水面以下，因此具有很好的安全性和隐蔽性。

然而，由于工作在水面以下，水下探测设备与远程岸基之间的数据实时交换受到制约，因此，如何改善水下探测及信息收集***数据的实时通讯性能，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种水下探测中继平台***，该平台***搭载水声设备，存储、处理设备数据，使用水下绞车机械装置收放绳缆，控制天线仓的升降，实现水下设备与远程岸基之间的数据交换。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种水下探测中继平台***，包括：卫星天线仓、平台浮体及升降装置、中继控制仓；

所述中继控制仓与潜标之间采用线缆进行通信，与卫星天线仓之间采用水声通信机进行通信，将接收到的潜标数据经水声通信机、卫星天线上传至远程岸基；远程岸基指令经卫星、卫星天线传至水声通信机，指令经中继控制仓解析后下载到潜标中；同时，中继控制仓检测自身深度的变化，并根据时间表控制升降装置实现卫星天线仓的升降；

所述升降装置采用水下排缆绞车，与卫星天线仓之间用绳索连接，通过收放绳索实现卫星天线仓的升降；

在非数据通信工作时间内，水下探测中继平台***隐藏在海面以下；到达预设上浮工作时间时，中继控制仓唤醒卫星天线仓并控制升降装置工作，将卫星天线仓释放出海面；卫星天线仓跟岸基指挥机通过卫星进行指令及数据信息通信，潜标及中继控制仓的信息通过水声通信机上传至卫星天线仓；完成通信后，卫星天线仓进入休眠状态；当中继控制仓时间表回收时间到，中继控制仓控制升降装置将卫星天线仓回收到指定的深度并等待下一次任务。

可选地，地面指挥机与卫星天线仓之间使用卫星通讯方式，卫星天线仓与中继控制仓之间使用RS232接口的水声通讯机通讯，中继控制仓与潜标之间为RS422/485方式的线缆连接通讯方式。

可选地，其通信协议为：

基本数据帧格式：

启动字符
	长度
命令发送方的地址
	命令接收方的地址
命令码
	数据区(若干字节)
帧校验和
	结束字符

传输报文以启动字符开始，以结束字符作为报文结束；数据帧中包含收发方的地址，用于本单元判别解析执行或转发；

上行下行定义：

下行：地面指挥机→卫星天线仓→中继控制仓→潜标；

上行：潜标→中继控制仓→卫星天线仓→地面指挥机；

指令应答方式：卫星天线仓与中继控制仓之间以北斗方式进行通信；下行的指令传输过程中，命令发起方发送指令后，接收方会发送指令应答；若在一定时间内，命令发起方没有收到指令应答，则认为发送失败，重新发送指令；若仍发送失败则记录为异常状态，当卫星天线仓位于水面时，通过上行通道向地面指挥机报告；

升降装置通讯协议中包括通讯命令格式，通讯命令包括：状态申请、深度查询、参数更改、务时间表更改及读取、定位信息获取。

可选地，所述卫星天线仓露出海面后，如果姿态不平稳则通过水声通信机给中继控制仓发指令，请求继续放缆。

可选地，所述卫星天线仓配备有浮体及卫星天线，卫星天线仓浮体采用圆柱型浮体结构，卫星天线安装在浮体中间。

可选地，所述平台浮体及升降装置包括：不锈钢框架结构、深水浮体材料、水密电机、水下小型排缆绞车、机械传动装置、以及水下锂电池组。

可选地，所述水下锂电池为单体不锈钢密封壳体结构，将水下锂电池并联连接增大储备电量。

可选地，所述绞车整体用不锈钢薄板外壳罩住，只保留出缆孔。

本发明的有益效果是：

(1)本发明设计的水下探测中继平台***具有一定的通用性，能够满足海洋定点数据的存储、处理，能够以升降天线的方式，采用卫星通信的方式，将潜标数据上传到远程岸基，同时接收下达岸基任务；

(2)也可以通过使用本发明的平台***实现海洋定点海洋环境参数的长期周期性测量，并可以实现实时监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种水下探测中继平台***的结构示意图；

图2为本发明的中继控制仓的控制框图；

图3为本发明一种水下探测中继平台***湖试一个升降周期电流曲线图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的水下探测中继平台***包括：卫星天线仓，平台浮体及升降装置、中继控制仓。

潜标***整体通过释放器与重块连接，锚碇在海底。平台浮体及升降装置工作于水深100米以下，中继控制仓与潜标之间采用线缆进行通信，与卫星天线仓之间采用水声通信机进行通信。

升降装置采用水下小型排缆绞车，与卫星天线仓之间用绳索连接，通过收放绳索进而实现卫星天线仓的升降。由于电池电量的限制，潜标***在水下的最长工作时间为一个月，工作任务设为每天升降一次并完成各种指令及数据的通信。

在非数据通信工作时间内，平台***隐藏在海面以下，具有隐蔽性；到达预设上浮工作时间时，中继控制仓唤醒卫星天线仓并根据预设的控制策略控制电机工作，从而将卫星天线仓释放出海面。卫星天线仓露出海面后，如果姿态不平稳则通过水声通信机给中继控制仓发指令，请求继续放缆；然后，卫星天线仓跟岸基指挥机通过卫星进行指令及数据信息通信，潜标及中继平台***的信息也可以通过水声通信机上传至卫星天线仓。完成通信后，卫星天线仓进入休眠状态；当中继控制仓时间表回收时间到，中继控制仓控制电机转动将卫星天线仓回收到一定的深度并等待下一次任务。

卫星天线仓配备有浮体及卫星天线，独立电池供电，卫星天线仓浮体采用圆柱型浮体结构，卫星天线安装在浮体中间，使重心保持较低，当露出水面进行无线电通信时，卫星天线仓保持较好的动态稳定性。卫星天线仓能够挂载CTD(温盐探仪)、水声通信机，还可以挂载各种自容式设备，升降过程中测试各种海洋环境参数的周期变化规律。

卫星天线仓内安装有一套卫星通信电路，能处理多种外设数据。同时卫星天线仓具备卫星信标的功能，当潜标***浮出海面，或者出现异常，卫星天线仓在非设定时间内露出海面，均可以自动连续向指挥机发送定位信息，报告所处的位置坐标。

卫星天线仓需要进行配重调整，使其露出海面后能够保持比较好的姿态以便进行卫星通信，因此，平台浮体及升降装置的稳定性至关重要，本发明的平台浮体及升降装置包括：不锈钢框架结构、深水浮体材料、水密电机、水下小型排缆绞车、机械传动装置、以及水下锂电池组；水下锂电池为单体不锈钢密封壳体结构，电量为24V70AH，将水下锂电池并联连接增大储备电量，可以同时给电机、中继控制仓、CTD及水声通信机供电；中继控制仓为一套电路***，根据通信协议存储转发指令及数据，并根据策略控制电机的正反转实现卫星天线仓升降，还可以挂载CTD及其他水声设备。

由于需要长期工作于水下，为了防止海生物的附着生长，可以将绞车整体用不锈钢薄板外壳罩住，只保留出缆孔，这样在基本密闭的空间内可以有效防止海生物附着生长。

在上浮的过程中，绞车在卫星天线仓正浮力的拉力下，电流很小，只为0～0.2A；在回收天线仓的过程中，电流会比较大，特别是卫星天线仓入水的过程中，由于受到海水的阻力、海流以及海面涌浪的影响会出现电流比较大的情况，入水之后同样也会受到海流和海水阻力的影响。为了防止长时间过载，中继控制仓会根据控制策略，进行过流保护，例如，过流保护参数为2A，大于2A会停机保护，间隔一段时间并多次尝试回收卫星天线仓。

本发明的中继控制仓采用MSP430处理器，具有多通道***通信能力，图中所示为4通道，具有RTC时钟单元，外扩1G Flash存储电机驱动及能耗测量部分。由于需要长期工作于水下，能耗是至关重要的问题；每天大部分时间是非工作时间，在此期间可以使***处于休眠状态。其他挂载设备的供电也是需要工作期间才供电，非工作期间则断电处理，尽量减少电量浪费。

中继控制仓起着承上启下的重要作用，向下通过线缆与水下潜标进行通信，向上通过水声通信机与卫星天线仓进行通信，将接收到的潜标数据经水声通信、卫星天线上传至远程岸基；远程岸基指令经卫星、卫星天线传至水声通信机，信息经中继控制仓解析，指令下载到潜标中；同时，中继控制仓检测自身深度的变化，并根据时间表控制电机的转动实现卫星天线仓的升降过程。中继控制仓在***中具备很好的独立性，可以根据控制策略自行判断并实现升降过程，以及放缆、回收任务；另外，中继控制仓兼有水下平台作用，具有多个接口，能够挂载多种水下仪器及传感器。

本发明的通讯结构设计中，包括地面指挥机、卫星天线仓、中继控制仓和潜标电子仓。其中，地面指挥机与卫星天线仓之间使用卫星通讯方式，卫星天线仓与中继控制仓之间使用RS232接口的水声通讯机通讯，中继控制仓与潜标电子仓之间为RS422/485方式的线缆连接通讯方式。

为了实现单元间的可靠通信，高效合理的通信协议是至关重要的，本发明制定了一套通信协议，具体如下：

(1)基本数据帧格式

基本数据帧格式的设置参照下表，具体为：

启动字符
	长度
命令发送方的地址
	命令接收方的地址
命令码
	数据区(若干字节)
帧校验和
	结束字符

传输报文以启动字符开始，以结束字符作为报文结束。数据帧中包含收发方的地址，便于本单元判别解析执行或转发。

(2)上行下行定义

下行：地面指挥机→卫星天线仓→中继控制仓→潜标

上行：潜标→中继控制仓→卫星天线仓→地面指挥机

(3)指令应答方式

为了增加通信可靠性，每条指令都采取应答的通信方式。

其中，卫星天线仓与中继控制仓之间以北斗方式进行通信，考虑到卫星天线仓在海面姿态等因素，尤其要注意通信的可靠性。

下行的指令传输过程中，命令发起方发送指令后，接收方会发送指令应答。若在一定时间内，命令发起方没有收到指令应答，则认为发送失败，重新发送指令，最多重发一次。若仍发送失败则记录为异常状态，当卫星天线仓位于水面时，通过上行通道向地面指挥机报告。

(4)通信指令

升降装置控制通讯协议中包括通讯命令格式，主要通讯命令包括：状态申请，深度查询，参数更改，任务时间表更改及读取，定位信息获取等。

本发明设计的水下探测中继平台***前期进行过相应的测试，并于2015年进行了湖试，图3是千岛湖70米深段，一个升降周期电流曲线。

经测试，卫星天线仓净浮力13kg的情况下，一个升降来回耗电量为0.2Ah；上浮过程电流为0.2～0.5A，回收过程电流为0.8～1.7A。负载为20kg情况下，一个升降来回耗电量为0.35Ah；上浮过程电流为0.1～0.5A，回收过程电流为0.8～2.5A。卫星天线仓最大深度为40米，升降速度约为6.5米每分钟。

本发明设计的水下探测中继平台***具有一定的通用性，能够满足海洋定点数据的存储、处理，能够以升降天线的方式，采用卫星通信的方式，将潜标数据上传到远程岸基，同时接收下达岸基任务；也可以通过使用本发明的平台***实现海洋定点海洋环境参数的长期周期性测量，并可以实现实时监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下探测中继平台***，其特征在于，包括：卫星天线仓、平台浮体及升降装置、中继控制仓；

所述中继控制仓与潜标之间采用线缆进行通信，与卫星天线仓之间采用水声通信机进行通信，将接收到的潜标数据经水声通信机、卫星天线上传至远程岸基；远程岸基指令经卫星、卫星天线传至水声通信机，指令经中继控制仓解析后下载到潜标中；同时，中继控制仓检测自身深度的变化，并根据时间表控制升降装置实现卫星天线仓的升降；

所述升降装置采用水下排缆绞车，与卫星天线仓之间用绳索连接，通过收放绳索实现卫星天线仓的升降；

在非数据通信工作时间内，水下探测中继平台***隐藏在海面以下；到达预设上浮工作时间时，中继控制仓唤醒卫星天线仓并控制升降装置工作，将卫星天线仓释放出海面；卫星天线仓跟岸基指挥机通过卫星进行指令及数据信息通信，潜标及中继控制仓的信息通过水声通信机上传至卫星天线仓；完成通信后，卫星天线仓进入休眠状态；当中继控制仓时间表回收时间到，中继控制仓控制升降装置将卫星天线仓回收到指定的深度并等待下一次任务。

2.如权利要求1所述的水下探测中继平台***，其特征在于，地面指挥机与卫星天线仓之间使用卫星通讯方式，卫星天线仓与中继控制仓之间使用RS232接口的水声通讯机通讯，中继控制仓与潜标之间为RS422/485方式的线缆连接通讯方式。

3.如权利要求2所述的水下探测中继平台***，其特征在于，其通信协议为：

基本数据帧格式：

启动字符 长度 命令发送方的地址 命令接收方的地址 命令码 数据区(若干字节) 帧校验和 结束字符

传输报文以启动字符开始，以结束字符作为报文结束；数据帧中包含收发方的地址，用于本单元判别解析执行或转发；

上行下行定义：

下行：地面指挥机→卫星天线仓→中继控制仓→潜标；

上行：潜标→中继控制仓→卫星天线仓→地面指挥机；

指令应答方式：卫星天线仓与中继控制仓之间以北斗方式进行通信；下行的指令传输过程中，命令发起方发送指令后，接收方会发送指令应答；若在一定时间内，命令发起方没有收到指令应答，则认为发送失败，重新发送指令；若仍发送失败则记录为异常状态，当卫星天线仓位于水面时，通过上行通道向地面指挥机报告；

升降装置通讯协议中包括通讯命令格式，通讯命令包括：状态申请、深度查询、参数更改、务时间表更改及读取、定位信息获取。

4.如权利要求1所述的水下探测中继平台***，其特征在于，所述卫星天线仓露出海面后，如果姿态不平稳则通过水声通信机给中继控制仓发指令，请求继续放缆。

5.如权利要求1所述的水下探测中继平台***，其特征在于，所述卫星天线仓配备有浮体及卫星天线，卫星天线仓浮体采用圆柱型浮体结构，卫星天线安装在浮体中间。

6.如权利要求1所述的水下探测中继平台***，其特征在于，所述平台浮体及升降装置包括：不锈钢框架结构、深水浮体材料、水密电机、水下小型排缆绞车、机械传动装置、以及水下锂电池组。

7.如权利要求6所述的水下探测中继平台***，其特征在于，所述水下锂电池为单体不锈钢密封壳体结构，将水下锂电池并联连接增大储备电量。

8.如权利要求1所述的水下探测中继平台***，其特征在于，所述绞车整体用不锈钢薄板外壳罩住，只保留出缆孔。