CN108414982A - 一种用于水声定位的通信浮标及其组网 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水声定位的通信浮标及其组网，所述通信浮标与综合处理显控***连接，包括浮标本体、水声通信机、定位***和无线电通信***；所述浮标本体为通信浮标提供水面浮力支持；所述定位***和无线电通信***位于浮标本体的上部，所述定位***用于为浮标提供位置信息；所述无线电通信***用于将水声通信机接收到的数据发送至综合处理显控***；所述无线电通信***还用于实时接收综合处理显控***发送过来的遥控指令，将遥控指令发送给水声通信机；所述水声通信机位于所述浮标本体的下部，用于接收水下航行器发射的信息和向水下航行器发射遥控指令。本发明还提供一种用于水声定位的通信浮标组网，至少包括3个用于水声定位的通信浮标。

Description

一种用于水声定位的通信浮标及其组网
技术领域
本发明涉及水下探测领域，具体涉及一种用于水声定位的通信浮标及其组网。
背景技术
海洋面积广阔，水下探测环境复杂恶劣，设备操作困难，发展水下无人自治***成为海洋探测的主流方向。智能水下航行器在国家安全与国民经济方面起着重要的作用，水下航行器在研制过程中，必须经过水下试验，验证各种功能指标，包括水下三维航迹、航行姿态、工作状态等，因此需要建立一套能够对水下航行器航行轨迹、航行姿态及工作状态信息进行远程测量的遥测***，同时还能对水下航行器进行远程无线遥控。
上世纪九十年代以来，自主水下航行器(AUV)已经成为世界主要海洋强国的一个最主要的探测工具，在海洋环境观测、水文测量、海底地形扫描以及沉船搜索领域发挥了重要作用。航行器在水下作业过程中，必须进行水下定位。它向母船提供AUV的位置及巡航路线，结合高精度长基线***，AUV甚至可以按照规定的路线做高精度巡航。测距技术是水下定位技术的基础，目前广泛使用的测距方法有四种：基于信号到达强度(Received SignalStrength Indication，RSSI)、基于信号到达时间(Time of Arrival，TOA)、基于信号到达时差(Time Difference of Arrival，TDOA)、基于信号到达角度(Angel of Arrival，AOA)，由于水下环境信号衰减和噪声等影响，RSSI测距应用较少，海洋定位设备广泛使用TOA和TDOA两种测距方式进行水下定位，TOA通过时钟同步来获取时间差，乘以声速获得距离，TDOA通过发送应答方式经过固定时间差获取时间延迟，避免了时钟同步要求，但是信道占用时间是TOA两倍。在测距技术的基础上，通过多点测距，结合定位节点坐标，利用三角关系就可以计算出目标节点的坐标。目前水下定位广泛采用短基线(SBL)、超短基线(USBL)和长基线(LBL)定位技术。
短基线技术将换能器按照三角关系布设在船体上，通过接收信号的TDOA方式，对水下目标进行定位，超短基线则采用距离小于10cm的换能器阵进行信号接收，通过相位计算，获得目标位置。长基线技术需要布放四个以上信标海底，按照三角关系通过TDOA测距方式对移动目标进行定位，这种定位方式的优点是定位精度高。
近年来，国外对水下定位技术展开了广泛的研究，产生了各种水下定位技术，并在海洋领域得到广泛应用。Pedro.Batista等人设计了一种新型定位方式，在AUV上安装USBL接收基阵，通过水面信标对AUV进行定位，AUV通过接收信标数据可以实现自动回港，并在冰下环境中得到应用。N.Kussat等人研究了通过船载GPS***，实现了对水下AUV进行定位的长基线定位技术，同步方式采用了发送、应答方式的半双工测距。美国的B.Crosbie等人应用Woods Hole研究所的水声通信机，采用同步时钟方式进行单工测距，实现对水下AUV进行了精确定位。近二十年来，水声通信技术的快速发展，使得结合水声通信定位方式得到了广泛应用，水面定位设备获得位置信息后，可以通过水声通信机发送给水下定位设备，LiamPaull就提出一种将USBL和水声通信结合的定位方式，来修正AUV的定位信息。
目前的测量***无法远程实时获取水下航行器航行姿态与工作任务状况(如：航向、横滚、速度、回旋角速度、探测估计的目标方位、距离等)，也无法对水下航行器进行远程控制(如：危机情况下紧急停车、转向等)。而且，目前的水下航行器航迹测量误差较大，也无法针对关键航行段航迹进行精确测量，而且不能测量双水下航行器交互距离。
发明内容
本发明的目的在于解决目前水下航行器航迹测量精度不高、以及无法对关键航行段进行精细测量等问题，提出了一种用于水声定位的通信浮标及组网，实现与水下航行器的通信。
为了实现上述目的，本发明提出了一种，一种用于水声定位的通信浮标，与综合处理显控***连接，其特征在于，所述通信浮标包括浮标本体、水声通信机、定位***和无线电通信***；其中，所述浮标本体为通信浮标提供水面浮力支持；所述定位***和无线电通信***位于浮标本体的上部，所述定位***用于为浮标提供位置信息；所述无线电通信***用于将水声通信机接收到的数据发送至综合处理显控***；所述无线电通信***还用于实时接收综合处理显控***发送过来的遥控指令，将遥控指令发送给水声通信机；所述水声通信机位于所述浮标本体的下部，用于接收水下航行器发射的信息和向水下航行器发射遥控指令。
作为上述装置的一种改进，所述通信浮标包括：电源***，安装在浮标本体的上部。
作为上述装置的一种改进，所述水声通信机包括主控电路、电源管理电路、大功率发射机和水声换能器；
所述电源管理电路，用于通过隔离DC/DC模块实现对主控电路和发射机的独立供电；
所述主控电路包括：模拟接收电路、DSP主控电路和FPGA，所述模拟接收电路用于接收水声换能器转换的电信号，采用二极管和三极管搭建带通滤波电路，实现电信号的放大，且放大倍数增益可调；所述DSP主控电路通过加载通信算法对所需发射的数据进行调制编码，然后通过总线控制将数据传输给FPGA，在经过FPGA处理后，通过DA转换器将数据转换成模拟信号传输给发射机；
所述发射机，用于通过隔离电感将所得模拟信号传输给大功率发射电路，通过大功率发射电路，将所需发送的数据转换成高压信号，通过水声换能器将信号转换为水声传输给水下航行器。
作为上述装置的一种改进，所述水声通信机上设置高精度同步时钟。
作为上述装置的一种改进，所述定位***包括GPS定位模块，通过TTL电平接口将浮标本体的GPS位置信息实时传输给DSP主控电路，以实现授时同步。
作为上述装置的一种改进，所述定位***包括北斗定位模块，通过TTL电平接口将浮标本体的GPS位置信息实时传输给DSP主控电路，以实现授时同步。
本发明还提供了一种用于水声定位的通信浮标组网，至少包括3个上述的用于水声定位的通信浮标。
本发明的优势在于：
本发明的通信浮标具有通信距离远、结构组装简便的优点，可以实现与水下航行器的水声信息交互。
附图说明
图1为本发明的定位通信浮标电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明。
水下航行器上安装的遥测遥控段有同步声信标，可以定时向浮标发射声信号。同时，水下航行器遥测遥控段还将内测姿态信息和工作状态信息发送到通信浮标。多个通信浮标构成长基线***，利用其上装载的北斗接收机定时测定自身位置，接收水下航行器发射的定位信号，估计到达时间，与接收到的航行器姿态信息和工作状态信息一同通过无线电发送到母船。母船对无线电接收信息进行综合处理，完成水下目标定位与航迹估计，与姿态信息、工作状态信息一同显示在显控台。母船能根据综合态势，通过浮标对水下航行器进行远程无线指令控制。除了全航程航迹测量外，对于关键航行段还可采用更高精度测量方法。对于双水下航行器水下交汇距离测量问题，采用一个航行器的遥测遥控段发射信号，另一个航行器接收的方法估计交汇距离。三个分***详细设计如下：
遥测遥控段
遥测遥控段安装在水下航行器上，用于水声定位信号和遥测信息信号的发射和遥控信息的接收。它通过高精度同步时钟定时发射信号，通信浮标根据本地同步时钟参考获得传输时延，进行距离测算。此外，两个水下航行器之间也可以通过同步定位信号精确计算相互间的距离，进行两航行器交汇距离的精确计算。
由于水下航行器的特殊构造，该单元作为航行器的一个舱段来研制，采用模块化安装的方式安装在水下航行器上。如表1：
表1
探测舱段 遥测遥控舱段 浮力舱段 电池舱段 控制舱段 推进舱段
遥测遥控段的内部组成包括：数字信号处理板、发射机板、接收机板、电源板、换能器。其中数字信号处理板进行水声信号调制、接收信号解调以及和航行器控制单元通信功能，发射机板用于发射信号功率放大，接收机板用来放大换能器接收的声电信号，电源板用来给电路板供电，水声换能器用来实现水声信号的声电转换。
该遥测遥控段组成部分包括电池、数字信号处理板、接收机板、大功率发射机板、电源管理板、声学换能器，整个遥测遥控段的组成，实现了水下航行器的内测和外测信息的实时获取和传输，能够在湖上、海上通用，布放方便。
对于所述遥测遥控段的电池部分，采用高能量锂电池对整套设备进行一体化供电。通过电源管理板对整套通信电路进行管理，该锂电池还可以重复充电。
对于所述遥测遥控段的数字信号处理板部分，包括DSP、FPGA等主控芯片，SDRAM、DDR等存储芯片，高速DA，低速DA，高速AD，低速AD等芯片，组成了该套遥测遥控段的核心数字信号处理板，完成数据的数模、模数转换、通信算法移植、通信编码的调制和解调等功能。
对于所述遥测遥控段的接收机板部分，采用嵌位二极管保护模拟信号的方式，防止过大电压出现，保护后级的模拟电路，且后级电路通过二极管和三极管等进行模拟电路的带通滤波和放大，以此降低接收机板的整体功耗，并实现小信号的无失真万倍放大，以利于数字信号处理板的后续算法处理。
对于所述遥测遥控段的大功率发射机板部分，采用模拟放大的方式，将数字信号处理板所需要发射的调制信号进行发射，通过大功率运放芯片，提高发射声源级，使得换能器能够将信号发射更远的距离。
对于所述遥测遥控段的电源管理板部分，包括降压的DC、DC隔离模块，数字信号处理板的电源控制芯片，发射机板的电源控制芯片，MSP430单片机，带通滤波放大电路。通过MSP430监测水声信号的方式，分时对数字信号处理板、接收机板、大功率发射机板的供电控制，实现降低整个遥测遥控段的功耗。
对于所述遥测遥控段的声学换能器部分，将要发送的水下航行器的内测和外测状态等信息转换成声信号，通过水声信道发送出去，并且换能器还能接收水面浮标发送过来的控制命令的声信号，将声信号转换成电信号，遥测遥控段在接收到相应的控制命令信号后，实现对水下航行器的远程遥测遥控功能。
通信浮标
如图1所示，通信浮标包括四个部分：浮标本体、水声通信机、北斗定位***、无线电通信***。其中浮标本体给整个***提供水面浮力支持，水声通信机完成对水下航行器水声定位及遥测信息接收和水声遥控命令发射，北斗定位***为浮标提供精确三维位置信息，无线电通信***完成浮标与综合处理显控***之间的无线通信。
通信浮标分为水上和水下两个部分，水下部分安装水声通信机，水面部分安装北斗定位***、无线电通信***和电源***。多个浮标通过北斗定位***获得自身精确位置信息后，就组成了一套长基线定位***。
水声通信机上装有高精度同步时钟，浮标在工作时，首先需要获取自己准确的位置信息，浮标浮在水面上的时候，受到风浪等的影响，在水面上的位置会有浮动，所以，浮标每时每刻的位置都不是固定的，这里用高精度同步时钟的目的就是为了时刻获取浮标实时的精确时间和位置信息。
水下航行器和浮标之间的水声定位信号通过高精度同步时钟同步，浮标通过计算定位信号时延计算航行器与浮标之间的距离。北斗定位***通过TTL电平接口向浮标授时同步，并通过RS232接口将三维坐标信息传给无线电通信***，无线电通信***与水声通信机通过RS232或者RS422接口通信，互相交互遥测和遥控信息，无线电通信***最终将水下航行器与浮标的距离信息和遥测信息发送给综合处理显控***。
浮标本体部分，浮块为整套浮标设备提供在水面上的浮力，浮标本体分为水上和水下两个部分，水下部分安装水声通信机，水面部分安装北斗定位***及无线电通信***，从而保证浮标与水面综合处理显控***的无线通信和数据处理。
水声通信机安装在浮标水下部分，硬件电路部分，电源管理电路，通过隔离DC/DC模块，实现对主控电路部分和大功率发射机部分的独立供电，从而杜绝主控部分与发射机部分的相互影响。主控电路部分包括DSP和FPGA，DSP内通过加载通信算法，对所需发射的数据进行调制编码，通过总线控制，将数据传输给FPGA，在经过FPGA处理后，通过DA转换器将数据转换成模拟信号传输给发射机。大功率发射机部分，通过隔离电感，将所得模拟信号传输给大功率发射电路，通过大功率发射电路，可以将所需发送的数据转换成高压信号，通过换能器将信号转换为水声发送出去，实现水声通信。
主控电路还包括：模拟接收电路，模拟接收电路用于接收换能器转换的电信号，采用二极管和三极管搭建带通滤波电路，通过接收电路实现对所接收信号的放大，且放大倍数增益可调，接收电路部分功耗很低，仅90mW。
北斗定位***还可以为GPS定位***，采用高精度GPS定位模块，为水声定位通信浮标提供精确的位置信息，通过TTL电平接口将GPS位置信息实时传输给DSP主控电路，以实现授时同步。
无线电通信***安装在浮标水面部分，水声通信机将接收到的水声通信数据做处理后，通过无线电通信***将数据传输给综合处理显控***。同时，无线电通信***也可以实时接收综合处理显控***发送过来的遥控指令，将指令发送给水声通信机，水声通信机接收到指令后，根据所获得的指令信息，通过大功率发射机发送给换能器，经水声信道传输后，将命令传输给水下航行器，从而水下航行器根据所得指令进行相应的操作。
综合处理显控***
综合处理显控***包括无线电通信***和显示控制***两个部分，其中无线电通信***负责接收多个浮标传来的水下航行器的距离和遥测信息，还可以利用该***通过浮标单元向水下航行器发送控制指令。显示控制***主要由一部高性能计算机组成，上面运行综合处理显示控制软件，该软件收到多个浮标的测距和航行器遥测信息后，运行定位算法计算水下航行器的精确位置，采用非线性滤波等跟踪算法计算航迹，实时显示航行器的运行航迹。同时在界面上还可实时显示航行器遥测信息，以便让试验人员实时了解航行器运行状态。试验人员如果观察到航行器运行状态异常，可以通过向浮标向水下航行器发送各种控制命令，处理各种异常状况。
在综合处理显控***研究过程中需要开发显示控制软件，并在软件中实现定位与跟踪算法，显示水下航行器的三维航行航迹，同时实时显示航行器的遥测信息，方便试验人员观测。该显控软件提供人员操作按钮，试验人员通过按钮向航行器发送控制指令。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于水声定位的通信浮标，与综合处理显控***连接，其特征在于，所述通信浮标包括浮标本体、水声通信机、定位***和无线电通信***；其中，所述浮标本体为通信浮标提供水面浮力支持；所述定位***和无线电通信***位于浮标本体的上部，所述定位***用于为浮标提供位置信息；所述无线电通信***用于将水声通信机接收到的数据发送至综合处理显控***；所述无线电通信***还用于实时接收综合处理显控***发送过来的遥控指令，将遥控指令发送给水声通信机；所述水声通信机位于所述浮标本体的下部，用于接收水下航行器发射的信息和向水下航行器发射遥控指令。
2.根据权利要求1所述的用于水声定位的通信浮标，其特征在于，所述通信浮标包括：电源***，安装在浮标本体的上部。
3.根据权利要求1或2所述的用于水声定位的通信浮标，其特征在于，所述水声通信机包括主控电路、电源管理电路、大功率发射机和水声换能器；
所述电源管理电路，用于通过隔离DC/DC模块实现对主控电路和发射机的独立供电；
所述主控电路包括：模拟接收电路、DSP主控电路和FPGA，所述模拟接收电路用于接收水声换能器转换的电信号，采用二极管和三极管搭建带通滤波电路，实现电信号的放大，且放大倍数增益可调；所述DSP主控电路通过加载通信算法对所需发射的数据进行调制编码，然后通过总线控制将数据传输给FPGA，在经过FPGA处理后，通过DA转换器将数据转换成模拟信号传输给发射机；
所述发射机，用于通过隔离电感将所得模拟信号传输给大功率发射电路，通过大功率发射电路，将所需发送的数据转换成高压信号，通过水声换能器将信号转换为水声传输给水下航行器。
4.根据权利要求3所述的用于水声定位的通信浮标，其特征在于，所述水声通信机上设置高精度同步时钟。
5.根据权利要求4所述的用于水声定位的通信浮标，其特征在于，所述定位***包括GPS定位模块，通过TTL电平接口将浮标本体的GPS位置信息实时传输给DSP主控电路，以实现授时同步。
6.根据权利要求4所述的用于水声定位的通信浮标，其特征在于，所述定位***包括北斗定位模块，通过TTL电平接口将浮标本体的GPS位置信息实时传输给DSP主控电路，以实现授时同步。
7.一种用于水声定位的通信浮标组网，其特征在于，至少包括3个权利要求1-6之一所述的用于水声定位的通信浮标。
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