CN108490455A - 一种智能海洋装备的定位与通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信定位设备领域，公开了一种智能海洋装备的定位与通信***，设置有：信号发射器、信号接收器、GPS***、单片机、显示器、控制面板、电源模块、天阳能发电板、通信模块、通信卫星；信号发射器、信号接收器均电性连接于GPS***，GPS***电性连接于单片机，显示器、控制面板、通信模块、电源模块均电性连接于单片机，通信模块无线连接于通信卫星。本发明通过GPS***实现卫星定位，通过通信模块无线连接于通信卫星来实现海上通信功能，通过太阳能发电板给***提供电能，设计合理，***化程度高，操作简便，并且GPS***连接的是中国北斗卫星，经济型提高，节约生产成本。

Description

一种智能海洋装备的定位与通信***
技术领域
本发明属于通信定位设备领域，尤其涉及一种智能海洋装备的定位与通信***。
背景技术
目前，伴随着我国海洋强国战略的发展，11000米级的全海深海洋装备，如全海深着陆器、全海深无人潜水器和全海深载人潜水器，能够进行全海深的海底观测，是探索地球奥秘、生物起源、海洋资源开发的利器，备受国内外瞩目。全海深海洋装备对各组成部分及其功能提出了更高的要求，其中及时获知浮出海面的全海深海洋装备的地理位置信息，以便母船上工作人员及时完成对全海深海洋装备的回收和检修，尤为重要。目前，海洋装备通常采用GPS和铱星设备用于将所处位置信息发送给母船或控制中心。由于铱星及其服务商均是国外的，保密安全性差、价格高，而且运行服务费高，不利于实现定制化需求。
在一定的范围内，如何快速找到并准确定位的标识关键设施，并读取其ID信息，是必须解决的问题。传统的RFID的核心应用是对设备的ID的读取，没有在一定区域内对隐蔽的设备进行搜索和准确定位的能力。
目前依赖于成功读取到ID才能确定是否有应答设备。
综上所述，现有技术存在的问题是：由于铱星及其服务商均是国外的，保密安全性差、价格高，而且运行服务费高，不利于实现定制化需求，无法满足使用者的需要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能海洋装备的定位与通信***。
本发明是这样实现的，一种智能海洋装备的定位与通信***设置有：
信号发射器、信号接收器、GPS***、单片机、显示器、控制面板、电源模块、天阳能发电板、通信模块、通信卫星。
所述信号发射器、信号接收器均电性连接于所述GPS***，所述GPS***电性连接于所述单片机，所述显示器、控制面板、通信模块、电源模块均电性连接于所述单片机，所述通信模块无线连接于所述通信卫星，所述电源模块电性连接于所述太阳能发电板。
电源模块，电性连接于单片机和太阳能发电板，用于整个***供电。
通信模块，电性连接于所述单片机并且无线连接于所述通信卫星，实现海上卫星通信。
进一步，所述GPS***无线连接于中国北斗卫星。
进一步，所述电源模块包括蓄电池。
进一步，GPS***通过连接的信号发射器周期性地发送探索载波信号，计算每个探索周期的返回信号强度RSS及环境信号强度RSSe；
其次用RSSe对RSS进行修正，得到探索周期信号接收器返回的有效信号强度RSSr，计算多个探索周期的有效信号强度的均值RSSa作为信号接收器的返回信号强度；
最后根据信号发射器稳定后得到的RSSa，通过查表或计算得到信号接收器与信号发射器之间的距离，实现信号接收器的准确定位；
信号接收器探索信号是信号发射器周期性地发射的一小段一小段的载波信号，每个小段的载波周期数为N，每个小段之间的间隔为T，T和N均可由实验确定：N的取值确保信号接收器天线感应到足够能量；T的取值要确保信号接收器前一个探索周期的返回信号不会干扰本周期信号强度信号的计算，即信号接收器上一周期接收的能量已经完全衰减。
所述信号发射器首先测量环境信号强度RSSe；然后发射N个周期的探测性载波信号，再之后测量返回信号强度RSS，两次测量方法相同，并构成一个探索周期，根据RSSe和RSS得到该探索周期的有效信号强度RSSr；
用发射探测载波后得到的信号强度RSS，有条件减去环境信号强度RSSe，如公式：
取M个探索周期的RSSr的平均值作为RSSa，构成一个信号强度更新周期，如公式：
所述信号发射器由FPGA模块、发射电路模块、接收电路模块、放大滤波模块、AD转换模块；发射电路模块和接受电路模块与天线连接：
FPGA模块，用于输入输出控制、任务调度、信号调制、AD转换器控制、数字滤波、波形识别和RSS计算；
发射电路模块，与FPGA模块连接，用于将调制后的信号进行功率放大，通过天线发射出去；
接收电路模块，与发射电路模块连接，与天线相连，用于从天线接收信号接收器返回信号；
放大滤波模块，与接收电路模块连接，接收到的返回信号属于微弱信号，对该信号进行滤波放大后才能进行数字化采样；
AD转换模块，与放大滤波模块连接，用于对放大滤波后的信号进行固定周期采样；
所述FPGA模块进一步包括：
输入输出控制器，用于对键盘输入进行编解码，生成用户命令；
信号调制模块，用于载波信号的产生及将需要发送给信号接收器的命令调制在载波信号上；
数字滤波模块，用于对采样得到的数字信号进行带宽滤波，去除干扰；
波形识别模块，用于对滤波后的数字信号计算局部极大值，识别出一个周期的波形；
RSS计算及解码模块，用于从波形数据中计算接收信号强度，依据信号接收器返回信号的编码规则，对信号进行解码，提取信号接收器返回的数据。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明通过GPS***实现卫星定位，通过通信模块无线连接于通信卫星来实现海上通信功能，通过太阳能发电板给***提供电能，设计合理，***化程度高，操作简便，并且GPS***连接的是中国北斗卫星，经济型提高，节约生产成本。
本发明无需执行ID读取操作，即可判断电磁场内是否有应答设备；
能够对隐蔽处的信号发射器进行准确的相对定位(相对于信号接收器天线位置)。依据返回信号强度的变化趋势，移动信号接收器，找到信号强度的最大值，则可根据该最大值得到信号接收器与信号发射器之间的距离，从而能够准确对信号发射器进行相对定位；
传统应用中，应用本方法首先探测，利用探测结果来触发信号发射器ID读取操作，降低信号接收器工作功耗。
本发明的信号接收器首先计算接收信号强度RSSe，RSSe作为当前环境的干扰信号的强度；然后，发送一段较短的载波信号(通常数十个周期)，然后检测返回信号强度RSS，用RSS去除RSSe得到信号强度RSSr，RSSr称为有效信号强度。周期性地执行上述过程，并计算多个周期的有效信号强度的均值(RSSa)作为信号发射器的返回信号强度。那么当信号接收器靠近信号发射器时，信号强度RSSa大，当信号接收器远离信号发射器时，接收信号强度RSSa小，从而可以确定信号发射器的方位，并依据特定方位上的接收信号强度RSSa，估计信号发射器与信号接收器之间的距离，准确定位信号发射器。
附图说明
图1是本发明实施例提供的智能海洋装备的定位与通信***结构示意图；
图中：1、信号发射器；2、信号接收器；3、GPS***；4、单片机；5、显示器；6、控制面板；7、电源模块；8、天阳能发电板；9、通信模块10、通信卫星。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例所述的智能海洋装备的定位与通信***包括：信号发射器1、信号接收器2、GPS***3、单片机4、显示器5、控制面板6、电源模块7、天阳能发电板8、通信模块9、通信卫星10。
所述信号发射器1、信号接收器2均电性连接于所述GPS***3，所述GPS***3电性连接于所述单片机4，所述显示器5、控制面板、通信模块9、电源模块7均电性连接于所述单片机4，所述通信模块9无线连接于所述通信卫星10，所述电源模块7电性连接于所述太阳能发电板8。
电源模块7，电性连接于单片机4和太阳能发电板8，用于整个***供电。
通信模块9，电性连接于所述单片机4并且无线连接于所述通信卫星10，实现海上卫星通信。
进一步，所述GPS***3无线连接于中国北斗卫星。
进一步，所述电源模块7包括蓄电池。
本发明的工作原理：本***通过信号发射器1和信号接收器2以及GPS***3来与中国北斗卫星实现定位，通过控制面板6来拨打电话和输入信息，通过太阳能发电板8来里利用个太阳能给电源模块7中的蓄电池充电，给整个***提供电力支持，通过通信模块9实现与通信卫星10的无线连接，显示器5显示出所有通信以及定位经度纬度信息。
本发明通过GPS***实现卫星定位，通过通信模块无线连接于通信卫星来实现海上通信功能，通过太阳能发电板给***提供电能，设计合理，***化程度高，操作简便，并且GPS***连接的是中国北斗卫星，经济型提高，节约生产成本。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
GPS***通过连接的信号发射器周期性地发送探索载波信号，计算每个探索周期的返回信号强度RSS及环境信号强度RSSe；
其次用RSSe对RSS进行修正，得到探索周期信号接收器返回的有效信号强度RSSr，计算多个探索周期的有效信号强度的均值RSSa作为信号接收器的返回信号强度；
最后根据信号发射器稳定后得到的RSSa，通过查表或计算得到信号接收器与信号发射器之间的距离，实现信号接收器的准确定位；
信号接收器探索信号是信号发射器周期性地发射的一小段一小段的载波信号，每个小段的载波周期数为N，每个小段之间的间隔为T，T和N均可由实验确定：N的取值确保信号接收器天线感应到足够能量；T的取值要确保信号接收器前一个探索周期的返回信号不会干扰本周期信号强度信号的计算，即信号接收器上一周期接收的能量已经完全衰减。
所述信号发射器首先测量环境信号强度RSSe；然后发射N个周期的探测性载波信号，再之后测量返回信号强度RSS，两次测量方法相同，并构成一个探索周期，根据RSSe和RSS得到该探索周期的有效信号强度RSSr；
用发射探测载波后得到的信号强度RSS，有条件减去环境信号强度RSSe，如公式：
取M个探索周期的RSSr的平均值作为RSSa，构成一个信号强度更新周期，如公式：
所述信号发射器由FPGA模块、发射电路模块、接收电路模块、放大滤波模块、AD转换模块；发射电路模块和接受电路模块与天线连接：
FPGA模块，用于输入输出控制、任务调度、信号调制、AD转换器控制、数字滤波、波形识别和RSS计算；
发射电路模块，与FPGA模块连接，用于将调制后的信号进行功率放大，通过天线发射出去；
接收电路模块，与发射电路模块连接，与天线相连，用于从天线接收信号接收器返回信号；
放大滤波模块，与接收电路模块连接，接收到的返回信号属于微弱信号，对该信号进行滤波放大后才能进行数字化采样；
AD转换模块，与放大滤波模块连接，用于对放大滤波后的信号进行固定周期采样；
所述FPGA模块进一步包括：
输入输出控制器，用于对键盘输入进行编解码，生成用户命令；
信号调制模块，用于载波信号的产生及将需要发送给信号接收器的命令调制在载波信号上；
数字滤波模块，用于对采样得到的数字信号进行带宽滤波，去除干扰；
波形识别模块，用于对滤波后的数字信号计算局部极大值，识别出一个周期的波形；
RSS计算及解码模块，用于从波形数据中计算接收信号强度，依据信号接收器返回信号的编码规则，对信号进行解码，提取信号接收器返回的数据。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种智能海洋装备的定位与通信***，其特征在于，所述智能海洋装备的定位与通信***的信号发射器、信号接收器均电性连接于GPS***；GPS***电性连接于所述单片机；显示器、控制面板、通信模块、电源模块均电性连接于单片机；通信模块无线连接于通信卫星；
GPS***通过连接的信号发射器周期性地发送探索载波信号，计算每个探索周期的返回信号强度RSS及环境信号强度RSSe；
其次用RSSe对RSS进行修正，得到探索周期信号接收器返回的有效信号强度RSSr，计算多个探索周期的有效信号强度的均值RSSa作为信号接收器的返回信号强度；
最后根据信号发射器稳定后得到的RSSa，通过查表或计算得到信号接收器与信号发射器之间的距离，实现信号接收器的准确定位；
信号接收器探索信号是信号发射器周期性地发射的一小段一小段的载波信号，每个小段的载波周期数为N，每个小段之间的间隔为T，T和N均可由实验确定：N的取值确保信号接收器天线感应到足够能量；T的取值要确保信号接收器前一个探索周期的返回信号不会干扰本周期信号强度信号的计算，即信号接收器上一周期接收的能量已经完全衰减。
2.如权利要求1所述的智能海洋装备的定位与通信***，其特征在于，所述信号发射器首先测量环境信号强度RSSe；然后发射N个周期的探测性载波信号，再之后测量返回信号强度RSS，两次测量方法相同，并构成一个探索周期，根据RSSe和RSS得到该探索周期的有效信号强度RSSr；
用发射探测载波后得到的信号强度RSS，有条件减去环境信号强度RSSe，如公式：
3.如权利要求1所述的智能海洋装备的定位与通信***，其特征在于，取M个探索周期的RSSr的平均值作为RSSa，构成一个信号强度更新周期，如公式：
4.如权利要求1所述智能海洋装备的定位与通信***，其特征在于，所述信号发射器由FPGA模块、发射电路模块、接收电路模块、放大滤波模块、AD转换模块；发射电路模块和接受电路模块与天线连接：
FPGA模块，用于输入输出控制、任务调度、信号调制、AD转换器控制、数字滤波、波形识别和RSS计算；
发射电路模块，与FPGA模块连接，用于将调制后的信号进行功率放大，通过天线发射出去；
接收电路模块，与发射电路模块连接，与天线相连，用于从天线接收信号接收器返回信号；
放大滤波模块，与接收电路模块连接，接收到的返回信号属于微弱信号，对该信号进行滤波放大后才能进行数字化采样；
AD转换模块，与放大滤波模块连接，用于对放大滤波后的信号进行固定周期采样；
所述FPGA模块进一步包括：
输入输出控制器，用于对键盘输入进行编解码，生成用户命令；
信号调制模块，用于载波信号的产生及将需要发送给信号接收器的命令调制在载波信号上；
数字滤波模块，用于对采样得到的数字信号进行带宽滤波，去除干扰；
波形识别模块，用于对滤波后的数字信号计算局部极大值，识别出一个周期的波形；
RSS计算及解码模块，用于从波形数据中计算接收信号强度，依据信号接收器返回信号的编码规则，对信号进行解码，提取信号接收器返回的数据。
5.如权利要求1所述的智能海洋装备的定位与通信***，其特征在于，所述智能海洋装备的定位与通信***还设置有：
电源模块，电性连接于单片机和太阳能发电板，用于整个***供电；
通信模块，电性连接于所述单片机并且无线连接于所述通信卫星，实现海上卫星通信。
6.如权利要求1所述的智能海洋装备的定位与通信***，其特征在于，所述电源模块包括蓄电池。
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