一种水下航行器的遥测遥控系统技术方案

本发明专利技术提供了一种水下航行器的遥测遥控系统，能够实现水下航行器的实时定位，所述系统包括：通信浮标组网，水下航行器和综合处理显控系统，所述通信浮标组网，至少包括3个通信浮标，用于与水下航行器进行通信；所述水下航行器包括遥测遥控段，用于向通信浮标发射水下航行器的距离信息和遥测信息，还用于接收通信浮标发送的遥控信息；所述遥测遥控段与通信浮标上均安装高精度同步时钟进行脉冲同步；所述综合处理显控系统，用于接收多个通信浮标发送的浮标定位信息、水下航行器的距离信息和遥测信息，由此实现水下航行器的定位，还用于通过通信浮标向水下航行器发送控制指令。本发明专利技术的遥测遥控系统能够实现对水下航行器巡航过程全程航迹准确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种水下航行器的遥测遥控系统
本专利技术涉及水下探测领域，具体涉及一种水下航行器的遥测遥控系统。
技术介绍
海洋面积广阔，水下探测环境复杂恶劣，设备操作困难，发展水下无人自治系统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系统，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，结合高精度长基线系统，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(ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI)、基于信号到达时间(TimeofArrival，TOA)、基于信号到达时差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)、基于信号到达角度(AngelofArrival，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。长基线和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系统，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WoodsHole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。目前的测量系统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。
技术实现思路
本专利技术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，提出了一种水下航行器的测量系统，实现水下航行器定位、通信、遥控一体化，可为国内水下航行器装备的研发、测试、评价等提供科学有效的试验手段。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种水下航行器的遥测遥控系统，能够实现水下航行器的实时定位，所述系统包括：通信浮标组网，水下航行器和综合处理显控系统，所述通信浮标组网，至少包括3个通信浮标，用于与水下航行器进行通信；所述水下航行器包括遥测遥控段，用于向通信浮标发射水下航行器的距离信息和遥测信息，还用于接收通信浮标发送的遥控信息；所述遥测遥控段与通信浮标上均安装高精度同步时钟进行脉冲同步；所述综合处理显控系统，用于接收多个通信浮标发送的浮标定位信息、水下航行器的距离信息和遥测信息，由此实现水下航行器的定位，还用于通过通信浮标向水下航行器发送控制指令。作为上述装置的一种改进，所述通信浮标包括浮标本体、水声通信机、定位系统和无线电通信系统；其中，所述浮标本体为通信浮标提供水面浮力支持；所述定位系统和无线电通信系统位于浮标本体的上部，所述定位系统用于为浮标提供位置信息；所述无线电通信系统用于将浮标位置信息和水声通信机接收到的数据发送至综合处理显控系统；所述无线电通信系统还用于实时接收综合处理显控系统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：电源系统，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、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，所述定位系统包括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，所述定位系统包括北斗定位模块，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。作为上述装置的一种改进，所述遥测遥控段包括：接收机板、数字信号处理板和发射机板；所述接收机板，用于接收若干个水声换能器发送的通信浮标发送的电信号并进行功率放大；所述数字信号处理板，用于调制水声信号和解调接收信号；所述发射机板，用于对数字信号处理板发送的模拟信号进行功率放大，并发送给水声换能器。作为上述装置的一种改进，所述遥测遥控段还包括：锂电池和电源管理板；所述锂电池用于进行一体化供电，所述电源管理板用于对遥测遥控段进行电源管理。作为上述装置的一种改进，所述电源管理板包括降压DC、DC隔离模块、数字信号处理板的电源控制芯片、接收机板的电源控制芯片、发射机板的电源控制芯片、单片机和带通滤波放大电路；通过单片机监测水声信号，分时对数字信号处理板的电源控制芯片、接收机板的电源控制芯片、大功率发射机板的电源控制芯片进行供电控制。作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下航行器的遥测遥控系统，能够实现水下航行器的实时定位，其特征在于，所述系统包括：通信浮标组网，水下航行器和综合处理显控系统，所述通信浮标组网，至少包括3个通信浮标，用于与水下航行器进行通信；所述水下航行器包括遥测遥控段，用于向通信浮标发射水下航行器的距离信息和遥测信息，还用于接收通信浮标发送的遥控信息；所述遥测遥控段与通信浮标上均安装高精度同步时钟进行脉冲同步；所述综合处理显控系统，用于接收多个通信浮标发送的浮标定位信息、水下航行器的距离信息和遥测信息，由此实现水下航行器的定位，还用于通过通信浮标向水下航行器发送控制指令。

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器的遥测遥控系统，能够实现水下航行器的实时定位，其特征在于，所述系统包括：通信浮标组网，水下航行器和综合处理显控系统，所述通信浮标组网，至少包括3个通信浮标，用于与水下航行器进行通信；所述水下航行器包括遥测遥控段，用于向通信浮标发射水下航行器的距离信息和遥测信息，还用于接收通信浮标发送的遥控信息；所述遥测遥控段与通信浮标上均安装高精度同步时钟进行脉冲同步；所述综合处理显控系统，用于接收多个通信浮标发送的浮标定位信息、水下航行器的距离信息和遥测信息，由此实现水下航行器的定位，还用于通过通信浮标向水下航行器发送控制指令。2.根据权利要求1所述的水下航行器的遥测遥控系统，其特征在于，所述通信浮标包括浮标本体、水声通信机、定位系统和无线电通信系统；其中，所述浮标本体为通信浮标提供水面浮力支持；所述定位系统和无线电通信系统位于浮标本体的上部，所述定位系统用于为浮标提供位置信息；所述无线电通信系统用于将浮标位置信息和水声通信机接收到的数据发送至综合处理显控系统；所述无线电通信系统还用于实时接收综合处理显控系统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。3.根据权利要求2所述的水下航行器的遥测遥控系统，其特征在于，所述通信浮标包括：电源系统，安装在浮标本体的上部。4.根据权利要求2或3所述的水下航行器的遥测遥控系统，其特征在于，所述水声通信机包括主控电路、电源管理电路、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。5.根据权利要求4所述的水下航行器的遥测遥控系统，其特征在于，所述定位系统包括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所述的水下航行器的遥测遥控系统，其特征在于，所述定位系统包括北斗定位模块，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.根据权利要求1或2所述的水下航行器的遥测遥控系统，其特征在于，所述遥测遥控段包括：接收机板、数字信号处理板和发射机板；所述接收机板，用于接收若干个水声换能器发送的通信浮标发送的...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢社锋，徐立军，曾迪，
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