一种潜标无线实时通信系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种潜标无线实时通信系统及方法，所述系统包括多个水下潜标和一个水面浮标；所述水下潜标包括多个海洋观测设备和潜标水声通信机；所述海洋观测设备用于实现海洋科学数据的观测和记录，所述潜标水声通信机用于将观测数据发送给水面浮标；所述水面浮标包括浮标本体和设置在浮标本体上的浮标水声通信机和卫星通信模块，所述浮标水声通信机通过多基元水声换能器阵接收水下潜标发送的观测数据；再将该数据通过卫星通信模块发回到数据采集服务器。本发明专利技术的系统由于潜标和浮标之间没有通信电缆连接，具有布放方式简单、可靠性高等优点；本发明专利技术的系统延长了潜标的维护周期，可大大降低出船维护潜标的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种潜标无线实时通信系统及方法
本专利技术涉及水声通信领域，具体涉及一种潜标无线实时通信系统及方法，应用于海洋观测潜标数据的实时回传。
技术介绍
海洋观测潜标主要用于在在深海海域获取长周期海洋科学数据，包括水下温度、盐度、深度、流速流向等信息。海洋观测潜标通常布放于水下几百米、几千米甚至上万米的深度，用于观测不同深度的海洋科学数据。常规的电磁波、光通信由于在水下衰减严重，无法实现在水下长距离的信息传输，因此潜标的观测数据无法使用传统的无线电等进行实时传输。传统的海洋观测潜标数据获取主要通过回收潜标后读取观测设备记录的数据获得，出海回收潜标成本高、工作量大，数据获取周期长、延迟高。现有的潜标无线实时通信系统主要采用有缆的方式，即通过通信电缆将潜标观测数据上传到水面浮标，再通过水面浮标上安装的卫星通信模块将数据传回到地面实验室。该方案采用的水下通信电缆成本高，布放过程较为复杂，长期工作遇到恶劣海况后可靠性较差，而且当观测潜标深度达到几千米甚至上万米时，这些缺点会凸显的更加严重，使得该方案在实际应用中较为困难。水声通信是目前已知的水下长距离无线通信的唯一有效手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的潜标有缆实时通信系统中水下长距离通信电缆成本高、布放困难、可靠性差等缺点，提出了一种潜标无线实时通信系统，利用水声通信技术实现了水下潜标与水面浮标之间的无线通信，先将潜标观测数据通过水声通信传输到水面浮标，浮标再通过卫星通信模块将数据传回到地面实验室。本系统由于潜标和浮标之间没通信电缆连接，布放方式简单，可靠性高，可应用于各种深度的海洋观测潜标实时数据传输。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种潜标无线实时通信系统，包括多个水下潜标和一个水面浮标；所述水下潜标包括多个海洋观测设备和潜标水声通信机；所述海洋观测设备用于实现海洋科学数据的观测和记录，所述潜标水声通信机用于将观测数据发送给水面浮标；所述水面浮标包括浮标本体和设置在浮标本体上的浮标水声通信机和卫星通信模块，所述浮标水声通信机通过多基元水声换能器阵接收水下潜标发送的观测数据；再将该数据通过卫星通信模块发回到数据采集服务器。作为上述系统的一种改进，所述海洋观测设备包括声学多普勒流速剖面仪、温盐深仪和单点海流计，所述海洋观测设备通过电缆与潜标水声通信机连接；所述潜标水声通信机使用外部电池舱并联的方式供电，所述电池舱为高容量锂电池，供电电压为24V。作为上述系统的一种改进，所述水面浮标还包括24V锂电池，为浮标水声通信机供电；所述浮标水声通信机将24V电压转换为合适的电压为卫星通信模块供电，所述卫星通信模块与浮标水声通信机通过RS232串口连接，所述卫星通信模块通过同轴电缆与卫星通信天线和GPS天线相连接。作为上述系统的一种改进，所述潜标水声通信机与浮标水声通信机进行数据传输时，当水面浮标和水下潜标进行握手命令的传输时采用MFSK；当进行大量潜标观测数据的传输时采用QPSK，当QPSK无法完成数据传输时，使用MFSK进行数据传输。作为上述系统的一种改进，所述浮标本体为波浪滑翔机、自沉浮式浮标或自主式水下航行器。基于上述系统，本专利技术提出了一种潜标无线实时通信方法，所述方法包括：步骤1)当潜标水声通信机收到海洋观测设备发送的潜标观测数据后开始进入工作状态，向浮标水声通信机发送水声唤醒信号以及RTS消息，本消息中包含潜标电池电压状态；步骤2)浮标水声通信机收到唤醒信号后，根据当前信噪比设定合理的接收机增益和发射幅度，并向潜标水声通信机发送CTS应答；潜标水声通信机收到CTS应答后，根据应答消息中包含的发射幅度大小使用QPSK发送潜标观测数据；步骤3)浮标水声通信机收到潜标观测数据后进行解码校验，然后向潜标水声通信机发送ACK消息，此消息中包含校验结果，如果没有误码，进入步骤5)，否则，进入步骤4)；步骤4)潜标水声通信机将误码帧数据用QPSK重发，浮标水声通信机收到重发数据并进行解码校验，向潜标水声通信机发送ACK消息，如果还有误码，则潜标水声通信机将误码帧数据用MFSK重新调制发射；步骤5)浮标水声通信机先将潜标状态信息、浮标状态信息、校验结果等通过卫星通信模块发送至数据采集服务器，然后再将本次收到的潜标观测数据通过卫星通信模块发送至数据采集服务器，传输完成后浮标水声通信机进入休眠状态。作为上述方法的一种改进，所述潜标水声通信机完成一次数据发送后记录本次工作日志，关电进入休眠状态。作为上述方法的一种改进，如果潜标水声通信机超时未收到浮标水声通信机的CTS消息或ACK消息，则潜标通信机关电，等待5分钟后重新进行与浮标水声通信机进行握手通信，如果重启超过3次仍未通信成功，则放弃本次数据传输，潜标水声通信机进入休眠状态；如有浮标水声通信机超时未收到数据，则浮标水声通信机直接进入休眠状态，等待潜标水声通信机再次发送唤醒信号。作为上述方法的一种改进，在所述步骤2)还包括：所述浮标水声通信机收到唤醒信号后未收到RTS命令或消息错误，则认为是误唤醒，浮标重新进入休眠状态；所述步骤5)还包括：如果卫星通信模块发送数据失败，则保存本次发送失败的数据包后进入休眠状态；在下一次卫星通信模块发送数据成功后，则读取是否有发送失败的数据包，如果有则通过卫星通信模块发送该数据包，如果没有则直接进入休眠状态。作为上述方法的一种改进，在所述步骤1)之前还包括测试的步骤：测试模式通过甲板测试单元启动；用甲板测试单元向潜标水声通信机发送水声唤醒信号和启动测试命令，潜标水声通信机在收到测试命令后向浮标水声通信机发送唤醒信号及RTS消息，测试模式下卫星通信模块上传的数据为在潜标水声通信机中存放的测试数据。本专利技术的优势在于：1、本专利技术的潜标无线实时通信系统可实现海洋潜标观测数据的实时回传，将以往需要通过回收潜标后才能获取到的海洋观测数据由录像回放变为了实时播放；2、本专利技术的系统可实现全潜标观测设备的实时回传，对海洋科学研究、海洋环境和气候的预测、海洋环境安全保障等有着重要意义；3、本专利技术的系统由于潜标和浮标之间没有通信电缆连接，具有布放方式简单、可靠性高等优点；由于海上作业时天气和海况等因素的不可控性，简单的布放方式对于在海上布放作业有很大意义；4、本专利技术的系统可应用于海洋、湖泊、河流内各种观测潜标数据的实时回传，布放后可在无人值守长时间工作一年到几年，延长了潜标的维护周期，可大大降低出船维护潜标的成本；5、本专利技术的系统已于2017年12月在西太平洋海域布放10套，对西太平洋潜标观测网进行了实时化升级，实时数据回传稳定，显著提升了我国对西太平洋海域水文状况的实时监测能力，并将有效提高我国对该海域海洋环境关键参数信息的预报水平。附图说明图1为本专利技术的通信系统的水下潜标的结构示意图；图2为本专利技术的通信系统的水面浮标的结构示意图；图3为本专利技术的通信系统的工作流程图；图4为本专利技术的通信系统的水下潜标的工作流程图；图5为本专利技术的通信系统的水面浮标的工作流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的说明。系统总体结构潜标无线实时通信系统主要包括水下潜标和水面浮标两个部分。水下潜标主要由水声通信机和海洋观测设备组成，其中海洋观测设备主要有声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、温盐深仪(CTD)、单点海流计等，水下潜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种潜标无线实时通信系统，所述系统包括多个水下潜标和一个水面浮标；其特征在于，所述水下潜标包括多个海洋观测设备和潜标水声通信机；所述海洋观测设备用于实现海洋科学数据的观测和记录，所述潜标水声通信机用于将观测数据发送给水面浮标；所述水面浮标包括浮标本体和设置在浮标本体上的浮标水声通信机和卫星通信模块，所述浮标水声通信机通过多基元水声换能器阵接收水下潜标发送的观测数据；再将该数据通过卫星通信模块发回到数据采集服务器。

【技术特征摘要】
1.一种潜标无线实时通信系统，所述系统包括多个水下潜标和一个水面浮标；其特征在于，所述水下潜标包括多个海洋观测设备和潜标水声通信机；所述海洋观测设备用于实现海洋科学数据的观测和记录，所述潜标水声通信机用于将观测数据发送给水面浮标；所述水面浮标包括浮标本体和设置在浮标本体上的浮标水声通信机和卫星通信模块，所述浮标水声通信机通过多基元水声换能器阵接收水下潜标发送的观测数据；再将该数据通过卫星通信模块发回到数据采集服务器。2.根据权利要求1所述的潜标无线实时通信系统，其特征在于，所述海洋观测设备包括声学多普勒流速剖面仪、温盐深仪和单点海流计，所述海洋观测设备通过电缆与潜标水声通信机连接；所述潜标水声通信机使用外部电池舱并联的方式供电，所述电池舱为高容量锂电池，供电电压为24V。3.根据权利要求1或2所述的潜标无线实时通信系统，其特征在于，所述水面浮标还包括24V锂电池，为浮标水声通信机供电；所述浮标水声通信机将24V电压转换为合适的电压为卫星通信模块供电，所述卫星通信模块与浮标水声通信机通过RS232串口连接，所述卫星通信模块通过同轴电缆与卫星通信天线和GPS天线相连接。4.根据权利要求1所述的潜标无线实时通信系统，其特征在于，所述潜标水声通信机与浮标水声通信机进行数据传输时，当水面浮标和水下潜标进行握手命令的传输时采用MFSK；当进行大量潜标观测数据的传输时采用QPSK，当QPSK无法完成数据传输时，使用MFSK进行数据传输。5.根据权利要求1所述的潜标无线实时通信系统，其特征在于，所述浮标本体为波浪滑翔机、自沉浮式浮标或自主式水下航行器。6.一种基于权利要求1-5之一所述的系统实现的潜标无线实时通信方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1)当潜标水声通信机收到海洋观测设备发送的潜标观测数据后开始进入工作状态，向浮标水声通信机发送水声唤醒信号以及RTS消息，本消息中包含潜标电池电压状态；步骤2)浮标水声通信机收到唤醒信号后，根据当前信噪比设定合理的接收机增益和发射幅度，并向潜标水声通信机发送CTS应答；潜标水声通信机收到CTS应答后，根据应答消息中包含的发射幅度大小使用QPSK发送...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢社锋，徐立军，张震，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11