CN111999702A - 一种无源水下导航通信定位***与方法 - Google Patents

一种无源水下导航通信定位***与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无源水下导航通信定位***与方法，所述无源水下导航通信定位***包括无源探头单元和数据通信标签单元；所述无源探头单元包括：敏感元件、储能元件、功率放大器；所述数据通信标签单元包括：数据处理器、存储元件；所述敏感元件、所述数据处理器、所述功率放大器三者相互连接，所述存储元件与所述数据处理器连接；所述储能元件用于所述功率放大器、所述数据处理器、所述存储元件的供能；通过结合水下潜器与各个无源水下导航通信定位***之间的距离以及各***的位置信息，可计算所述水下潜器的实际位置，由此可解决累计误差、海流或地壳运动等因素导致长时间航行之后所述水下潜器的绝对坐标产生偏移而无法及时修正的问题。

Description

一种无源水下导航通信定位***与方法
技术领域
本发明涉及水下通信导航技术领域，具体涉及一种无源水下导航通信定位***与方法。
背景技术
当前，水下***的通信导航定位是各个国家大力发展解决的重大问题。由于海水趋肤效应的存在，使得无线电信号入水很浅，无往而不利的GPS等导航***在水中无能为力。而声波等能量传输形式具备在水下远距离传输的特性，成为水下探测、识别与信息传递的主要手段。以水下声学测距测向为手段，通过距离/方位等基本信息确定水下目标坐标的水声定位***作为水面GPS定位技术在水下的延展，已经成为海洋工程中常用的支持设备之一。海洋作业中各种水下结构物的位置测量，使用的各种水下无人无缆自主深潜器(AUV)、缆控无人探测器(ROV)等的勘察作业，实施的各类对接、安装、回收操作均需要水声定位***提供定位服务，因而水声定位***在海洋探测与作业中应用广泛。随着学科呈现交叉发展的趋势，水声定位、导航技术的发展也已经打破了以往单一声学测量的局限模式，而逐步走向多信息、多技术的融合。近年来各类潜器技术，如缆控无人探测器(ROV)、深海拖曳测绘***(TMS)、无人无缆自主深潜器(AUV)和载人深潜器(HOV)等，逐渐走向成熟，成为现代海洋调查的有力手段。深海水声定位***能够为这些水下潜器运动提供高精度导航定位服务，提高海洋调查数据质量和调查水平。现代海洋调查的另一个特点是强调同步观测性，便于现场或事后进行多学科、多原理观测的数据同化处理。深海高精度水声定位***搭载的传感器及数据遥控遥测功能，为多学科同步观测提供了可能。
深海油气资源开发是一项有战略意义的工作，深海油气资源开发中，海管铺设的前期地质调查、海管的铺设施工、运营开采过程中海管的位置监测以及后期海管维修维护全过程，都需要水声定位技术的有力保障。海管布设区地质调查和路由调查需要水声定位***提供灾害地质的辅助监测，并需要有计划地布设路由标志定位基准点；海管铺设施工中不但需要对水下作业ROV实施高精度定位，还要对海管管汇区实现厘米级的高精度定位；运营开采过程中海管位置的实时或准实时高精度定位***的应用，可对可能发生的地质灾害进行评估和预报，防止由地质灾害导致大面积污染环境的生态灾害；而后期维修维护过程中对故障管线的切割和重新安装更需要精确的定位保障。因此，水下声学定位技术在深海石油开采应用中具有重大作用。
目前水下通信导航和定位设备面临的问题主要集中在三个方面，一是下水之后存在累计误差，容易受海流或地壳运动等因素的影响导致长时间航行之后无法准确获取正确的位置信息；二是能源问题导致其工作时间短，需要频繁的能源补充；三是水下潜器传递信息给其他设备需要上浮至水面通过无线传输或采用中继声呐等设备，隐蔽性差且成本较高。
因此，发明一种精准、无源、隐蔽性好、成本低的水下导航通信定位***与方法成为水下通信导航技术领域一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无源水下导航通信定位***与方法，以解决现有技术中水下通信导航定位设备无法准确获取正确的位置信息的问题，其技术方案如下：
一种无源水下导航通信定位***，包括：无源探头单元和数据通信标签单元；
所述无源探头单元包括：敏感元件、储能元件及功率放大器；
所述数据通信标签单元包括：数据处理器及存储元件；
所述敏感元件、数据处理器和功率放大器三者相互连接，所述存储元件与所述数据处理器连接；
所述敏感元件用于与水下潜器之间接收和发射信号；
所述储能元件存储所述敏感元件接收信号所产生的电荷，用于所述功率放大器、所述数据处理器、所述存储元件的供能；
所述功率放大器用于调节所述敏感元件发射信号的功率大小；
所述数据处理器用于对所述敏感元件接收的信号进行调制解调，判断解调后的信号协议，识别并执行所述信号协议代表的指令；
所述存储元件存储所述数据处理器的写入数据和所述无源水下导航通信定位***的预置信息。
优选地，所述敏感元件与所述水下潜器之间的传输信号为声信号或光信号。
优选地，所述指令为十六进制编码，所述指令包括向所述存储元件中写入数据和从所述存储元件中读取数据。
优选地，所述预置信息包括所述无源水下导航通信定位***的位置坐标信息和留言信息。
优选地，所述敏感元件采用压电敏感材料或光学敏感材料；
所述储能元件采用锂电池或铅酸电池并做水密处理；
所述功率放大器采用COMS射频功率放大器；
所述数据处理器采用COMS集成电路、二极管集成电路或微功耗单片机；
所述存储元件采用ROM或E2PROM。
一种无源水下导航通信定位方法，包括：无源水下通信方法和无源水下定位方法，该无源水下导航通信定位方法应用上述的无源水下导航通信定位***执行。
优选地，所述无源水下通信方法包括如下步骤：
步骤一：敏感元件接收水下潜器发送的信号产生电荷，储能元件收集电荷进行电能存储，为功率放大器、数据处理器和存储元件供能；
步骤二：所述数据处理器对所述敏感元件接收到的信号频率进行判断，当调制频率正确时进行调制解调，判断解调后的信号协议，识别所述信号协议代表的指令；当调制频率不正确时，无源水下导航通信定位***进入待机状态；
步骤三：所述数据处理器对所述指令进行判断，若判断为写，所述数据处理器向所述存储元件中写入数据；若判断为读，所述数据处理器从所述存储元件中读取数据，并以1和0的二进制形式通过所述功率放大器和所述敏感元件向所述水下潜器发送信号；
步骤四：所述水下潜器接收所述敏感元件发送的二进制编码信号后通过密码本或预置协议查询所述二进制编码信号所含信息以完成数据通信。
优选地，所述密码本或预置协议为ASCII编码标准。
优选地，所述无源水下定位方法包括如下步骤：
步骤一：水下潜器同时与多个无源水下导航通信定位***进行数据通信，所述水下潜器发射并接收所述无源水下导航通信定位***的信号；
步骤二：通过时频相关算法计算各所述无源水下导航通信定位***的收发时延τi；
Rmax(s1,s2)＝E{s1(t)s2(t+τi)}；
其中：
t表示***响应等待时间；
s1表示所述水下潜器接收1号无源水下导航通信定位***发射的信号；
s2表示所述水下潜器接收2号无源水下导航通信定位***发射的信号；
E{S}为求解S的期望值；
Rmax(s1,s2)为s1和s2的最大相关系数；
步骤三：通过所述收发时延τi、所述***响应等待时间t、水下信号传输速度c计算所述水下潜器与各个所述无源水下导航通信定位***之间的距离ri；
Figure BDA0002450500220000031
步骤四：通过密码本或预置协议查询所述水下潜器接收的二进制编码信号所含信息，获取各所述无源水下导航通信定位***的位置信息(xi,yi)；
步骤五：结合所述水下潜器与各个所述无源水下导航通信定位***之间的距离ri、各所述无源水下导航通信定位***的位置信息(xi,yi)，选择所述水下潜器与各所述无源水下导航通信定位***之间距离分别为r1、r2、r3的三个位置信息(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，计算所述水下潜器的实际位置(x,y)用于矫正航线；
Figure BDA0002450500220000041
Figure BDA0002450500220000042
Figure BDA0002450500220000043
即
Figure BDA0002450500220000044
Figure BDA0002450500220000045
本发明所获得的有益技术效果：
(1)本发明通过结合所述水下潜器与各个所述无源水下导航通信定位***之间的距离、各所述无源水下导航通信定位***的位置信息，可计算所述水下潜器的实际位置用于矫正航线，由此可解决累计误差、海流或地壳运动等因素导致长时间航行之后所述水下潜器的绝对坐标产生偏移而无法及时修正的问题；
(2)本发明通过所述储能元件存储所述敏感元件接收所述水下潜器发射的信号而产生的电荷，用于自身供能，由此可解决所述无源水下导航通信定位***水下作业时的续航问题，避免频繁的能源补充；
(3)本发明中所述水下潜器传递信息时不需要上浮至水面，且所述敏感元件在没有接收到指定调制频率时所述无源水下导航通信定位***进入待机状态，不易被发现，隐蔽性高；另外，所述无源水下导航通信定位***可一次性在水下多点布放，结合其无源的工作方式无需维护补给，因而成本较低。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种无源水下导航通信定位***的结构示意图；
图2为本发明敏感元件的频响曲线图；
图3为本发明一种无源水下通信方法的整体流程图；
图4为本发明一种无源水下定位方法的整体流程图；
图5为本发明一种无源水下导航通信定位***的水下作业示意图；
图6为本发明一种无源水下导航通信定位***的定位示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，实施例中这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
如图1和图2所示，一种无源水下导航通信定位***，包括：无源探头单元和数据通信标签单元；所述无源探头单元包括：敏感元件、储能元件、功率放大器；所述数据通信标签单元包括：数据处理器、存储元件；所述敏感元件、所述数据处理器、所述功率放大器三者相互连接，所述存储元件与所述数据处理器连接；
所述敏感元件用于与水下潜器之间接收和发射信号，所述敏感元件采用包括但不限于压电敏感材料或光学敏感材料，所述敏感元件与所述水下潜器之间的传输信号包括但不限于声信号或光信号；
所述储能元件存储所述敏感元件接收信号所产生的电荷，用于所述功率放大器、所述数据处理器、所述存储元件的供能，所述储能元件采用包括但不限于锂电池或铅酸电池并做水密处理；
所述功率放大器用于调节所述敏感元件发射信号的功率大小，所述功率放大器采用包括但不限于COMS射频功率放大器；
所述数据处理器用于对所述敏感元件接收的信号进行调制解调，判断解调后的信号协议，识别并执行所述信号协议代表的指令，所述指令为十六进制编码，所述指令包括向所述存储元件中写入数据和从所述存储元件中读取数据，所述数据处理器采用包括但不限于COMS集成电路、二极管集成电路或微功耗单片机；
所述存储元件存储所述数据处理器的写入数据和所述无源水下导航通信定位***的预置信息，所述预置信息包括所述无源水下导航通信定位***的位置坐标信息、经纬度信息和留言信息，所述存储元件采用包括但不限于ROM或E2PROM。
需要说明的是，所述无源探头单元本身不携带电能，为获取更多电能储备，需要通过外部指定频带敏感范围的信号激励所述敏感元件产生电荷，所述敏感元件制作时预先设定指定频带敏感范围(fl,fh)，所述指定频带敏感范围靠近所述敏感元件的频率响应峰值处，由此亦可提升通信的隐蔽性。
一种无源水下导航通信定位方法，包括：无源水下通信方法和无源水下定位方法。如图3所示，所述无源水下通信方法包括如下步骤：
步骤一：所述敏感元件接收所述水下潜器发送的指定频带敏感范围的信号而产生电荷，所述储能元件收集电荷进行电能存储，为所述功率放大器、所述数据处理器和所述存储元件供能，由此可解决所述无源水下导航通信定位***水下作业时的续航问题，避免频繁的能源补充；
步骤二：所述数据处理器对所述敏感元件接收到的信号频率进行判断，当调制频率正确时进行调制解调，判断解调后的信号协议，识别所述信号协议代表的指令；当调制频率不正确时，所述无源水下导航通信定位***进入待机状态；所述数据通信标签单元内部包括固定解码调制电路，所述固定解码调制电路可在使用前预先设置，设置完成后所述数据通信标签单元可仅识别预设调制频率；
步骤三：所述数据处理器对所述指令进行判断，若判断为写，所述数据处理器向所述存储元件中写入数据；若判断为读，所述数据处理器从所述存储元件中读取数据，并以1和0的二进制形式通过所述功率放大器和所述敏感元件向所述水下潜器发送信号；具体地，当所述功率放大器不发声时，所述水下潜器接收信号为1；当所述功率放大器发声时，所述水下潜器接收信号为0；
步骤四：所述水下潜器接收所述敏感元件发送的二进制编码信号后通过密码本或预置协议查询所述二进制编码信号所含信息以完成数据通信，所述密码本或预置协议优选为ASCII编码标准。
如图4、图5、图6所示，所述无源水下定位方法包括如下步骤：
步骤一：所述水下潜器同时与多个所述无源水下导航通信定位***进行数据通信，所述水下潜器发射并接收所述无源水下导航通信定位***的信号；
步骤二：通过时频相关算法计算各所述无源水下导航通信定位***的收发时延τi；
Rmax(s1,s2)＝E{s1(t)s2(t+τi)}；
其中：
t表示***响应等待时间；
s1表示所述水下潜器接收1号无源水下导航通信定位***发射的信号；
s2表示所述水下潜器接收2号无源水下导航通信定位***发射的信号；
E{S}为求解S的期望值；
Rmax(s1,s2)为s1和s2的最大相关系数；
步骤三：通过所述收发时延τi、所述***响应等待时间t、水下信号传输速度c计算所述水下潜器与各个所述无源水下导航通信定位***之间的距离ri；
Figure BDA0002450500220000071
步骤四：通过所述密码本或预置协议查询所述水下潜器接收的二进制编码信号所含信息，获取各所述无源水下导航通信定位***的位置信息(xi,yi)；各所述无源水下导航通信定位***均通过连接重物位于水层之中；
步骤五：结合所述水下潜器与各个所述无源水下导航通信定位***之间的距离ri、各所述无源水下导航通信定位***的位置信息(xi,yi)，选择所述水下潜器与各所述无源水下导航通信定位***之间距离分别为r1、r2、r3的三个位置信息(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，计算所述水下潜器的实际位置(x,y)用于矫正航线，由此可解决累计误差、海流或地壳运动等因素导致长时间航行之后所述水下潜器的绝对坐标产生偏移而无法及时修正的问题；
Figure BDA0002450500220000072
Figure BDA0002450500220000073
Figure BDA0002450500220000074
即
Figure BDA0002450500220000081
Figure BDA0002450500220000082
需要说明的是，所述无源水下定位方法中所选取的***数量并不限定，上述3个无源水下导航通信定位***的实施例仅为更加清楚地说明本发明的实施目的。
本发明中所述水下潜器传递信息时不需要上浮至水面，且所述敏感元件在没有接收到指定调制频率时所述无源水下导航通信定位***进入待机状态，不易被发现，隐蔽性高；另外，所述无源水下导航通信定位***可一次性在水下多点布放，结合其无源的工作方式无需维护补给，因而成本较低。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无源水下导航通信定位***，其特征在于，包括：无源探头单元和数据通信标签单元；
所述无源探头单元包括：敏感元件、储能元件及功率放大器；
所述数据通信标签单元包括：数据处理器及存储元件；
所述敏感元件、数据处理器和功率放大器三者相互连接，所述存储元件与数据处理器连接；
所述敏感元件用于与水下潜器之间接收和发射信号；
所述储能元件存储所述敏感元件接收信号所产生的电荷，用于所述功率放大器、所述数据处理器、所述存储元件的供能；
所述功率放大器用于调节所述敏感元件发射信号的功率大小；
所述数据处理器用于对所述敏感元件接收的信号进行调制解调，判断解调后的信号协议，识别并执行所述信号协议代表的指令；
所述存储元件存储所述数据处理器的写入数据和所述无源水下导航通信定位***的预置信息。
2.根据权利要求1所述的无源水下导航通信定位***，其特征在于，所述敏感元件与所述水下潜器之间的传输信号为声信号或光信号。
3.根据权利要求1所述的无源水下导航通信定位***，其特征在于，所述指令为十六进制编码，所述指令包括向所述存储元件中写入数据和从所述存储元件中读取数据。
4.根据权利要求1-3任一项所述的无源水下导航通信定位***，其特征在于，所述预置信息包括所述无源水下导航通信定位***的位置坐标信息和留言信息。
5.根据权利要求4所述的无源水下导航通信定位***，其特征在于，
所述敏感元件采用压电敏感材料或光学敏感材料；
所述储能元件采用锂电池或铅酸电池并做水密处理；
所述功率放大器采用COMS射频功率放大器；
所述数据处理器采用COMS集成电路、二极管集成电路或微功耗单片机；
所述存储元件采用ROM或E2PROM。
6.一种无源水下导航通信定位方法，其特征在于，包括：无源水下通信方法和无源水下定位方法，所述无源水下导航通信定位方法应用权利要求1-5任一项所述的无源水下导航通信定位***执行。
7.根据权利要求6所述的无源水下导航通信定位方法，其特征在于，所述无源水下通信方法包括如下步骤：
步骤一：敏感元件接收水下潜器发送的信号产生电荷，储能元件收集电荷进行电能存储，为功率放大器、数据处理器和存储元件供能；
步骤二：所述数据处理器对所述敏感元件接收到的信号频率进行判断，当调制频率正确时进行调制解调，判断解调后的信号协议，识别所述信号协议代表的指令；当调制频率不正确时，无源水下导航通信定位***进入待机状态；
步骤三：所述数据处理器对所述指令进行判断，若判断为写，所述数据处理器向所述存储元件中写入数据；若判断为读，所述数据处理器从所述存储元件中读取数据，并以1和0的二进制形式通过所述功率放大器和所述敏感元件向所述水下潜器发送信号；
步骤四：所述水下潜器接收所述敏感元件发送的二进制编码信号后通过密码本或预置协议查询所述二进制编码信号所含信息以完成数据通信。
8.根据权利要求7所述的无源水下通信方法，其特征在于，所述密码本或预置协议为ASCII编码标准。
9.根据权利要求6-8任一项所述的无源水下导航通信定位方法，其特征在于，所述无源水下定位方法包括如下步骤：
步骤一：水下潜器同时与多个无源水下导航通信定位***进行数据通信，所述水下潜器发射并接收所述无源水下导航通信定位***的信号；
步骤二：通过时频相关算法计算各所述无源水下导航通信定位***的收发时延τi；
Rmax(s1,s2)＝E{s1(t)s2(t+τi)}；
其中：
t表示***响应等待时间；
s1表示所述水下潜器接收1号无源水下导航通信定位***发射的信号；
s2表示所述水下潜器接收2号无源水下导航通信定位***发射的信号；
E{S}为求解S的期望值；
Rmax(s1,s2)为s1和s2的最大相关系数；
步骤三：通过所述收发时延τi、所述***响应等待时间t、水下信号传输速度c计算所述水下潜器与各个所述无源水下导航通信定位***之间的距离ri；
Figure FDA0002450500210000031
步骤四：通过密码本或预置协议查询所述水下潜器接收的二进制编码信号所含信息，获取各所述无源水下导航通信定位***的位置信息(xi,yi)；
步骤五：结合所述水下潜器与各个所述无源水下导航通信定位***之间的距离ri、各所述无源水下导航通信定位***的位置信息(xi,yi)，选择所述水下潜器与各所述无源水下导航通信定位***之间距离分别为r1、r2、r3的三个位置信息(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，计算所述水下潜器的实际位置(x,y)用于矫正航线；
Figure FDA0002450500210000032
Figure FDA0002450500210000033
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即
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