一种水下航行器北斗状态实时监控系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种水下航行器北斗状态实时监控系统和方法，具体采用小规模、低功耗的集成化设计方案，并在供电及通信等接口进行多重隔离处理，确保满足实际电磁环境要求。可实时处理当前接收的北斗卫星信号及解算数据，根据计算分析结果进行介入性操控。另外，增加水下航行器内部北斗核心处理单元供电储能单元，进一步提高内部北斗定位与通信时的发射功率所需能量。本发明专利技术解决水下航行器在水面浮起点有限时间内，进行北斗卫星定位和通信时偶发故障问题。不仅可为水下航行器北斗组件功率放大部分提供补充式能量供应，亦可在北斗组件故障情况下进行介入性操控，提高水下航行器北斗卫星定位及通信可靠性。定位及通信可靠性。定位及通信可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种水下航行器北斗状态实时监控系统和方法


[0001]本专利技术属于水下航行器控制
，具体属于水下航行器北斗状态实时监控范畴。

技术介绍

[0002]水下航行器是一种航行于水下的综合平台，大体可分为载人和无人两种，特别是无人水下航行器在海洋开发、水下武器装备研制及应急保障等领域应用极为广泛，如无人水下航行器(Unmaned Underwater Vehicle，UUV)、自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)等。UUV和AUV可完成水下勘探、侦测甚至是军事上的侦查、进攻防守等特殊任务。在民用方面，水下航行器在海洋救助与打捞、海洋石油开采、水下工程施工、海洋科学研究、海底矿藏勘探、远洋作业等方面，发挥着非常重要的作用；在军用方面，以水下航行器为代表的水下无人平台/装备具有独特的作战优势，具有隐蔽性好、生命力强、不惧伤亡、自主可控和操作灵活等优势，可深入恶劣、危险环境执行任务。同时，亦可根据工作参数和作战任务的不同，搭载不同的载荷即可满足多种不同作战需求。
[0003]在实际工作中，水下航行器通常采用卫星通讯方式，进行远程操控及数据传输(含工作状态检测等)。我国自主研发的北斗卫星导航系统，具有定位、通信和授时等功能，与常规卫星导航系统相比较，主要特点是双向通信和全息定位。其独特的双向通讯及短报文收发功能，在水下武器装备、应急救援等特殊领域发挥重要作用。特别是随着国家“智慧海洋”、“透明海洋”等系列工程的不断发展，北斗卫星导航系统覆盖船舶、环保，以及部队、公安、海关等特殊指挥调度单位，产生显著的经济和社会效应。当前，国内自主研发的水下航行器多采用北斗卫星系统进行及时卫星通讯，其内部北斗组件工作状态直接影响航行器功能实现，甚至对实航安全造成一定影响。因此，必须对航行器内部北斗组件的工作状态进行可靠设计，确保有限时间内完成及时通信与定位。
[0004]水下航行器整个实航过程中，需要在多个水面浮起点进行状态更新和通信，比如航路位置信息的校准，测量数据回传及遥控信息接收，以及航行终点位置回传等。以自主水下航行器为例，其主要实航步骤如下：
[0005]入水后按照初始设定航路航行，同时进行设置参数进行规避与初始测试；
[0006]到达第一航路末程，航行器执行上浮操控，浮起后升起航行器内部北斗卫星导航天线，进行定位及通信。常规如航路修正、信息交互等；
[0007]在限定时间内完成当前起点规定动作，执行下一航路动作，下潜继续航行；
[0008]重复b)、c)步骤，直至航路终点，执行上浮操控，浮起后升起航行器内部北斗卫星导航天线，回传当前位置及其他相关信息，打捞航行器后，完成当前实航工作。
[0009]水下航行器实航典型航路规划如图1所示。水下航行器整个航行过程中，可在多个水面浮起点进行北斗卫星导航通信，并且每个浮起点工作时间受限。若航行器在当前浮起点，未能在规定时间内完成北斗卫星定位及通信，则会对航行器功能及性能实现造成重大影响。除了会丢失重要测试数据或失控外，还可能会导致该航行器丢失，尤其在海上会存在
重大安全隐患及失泄密风险。因此，其内部北斗工作状态对水下航行器意义重大，必须对其北斗工作状态进行实时监控，确保水下航行体的实航安全性和可靠性。
[0010]随着我国北斗卫星导航系统的不断完善和发展，开阔区域的北斗卫星导航定位及通信成功率大幅提高，但水下航行器等具体应用上仍存在一定难度。以某型号水下航行器为例，由于之前设计时间较早，采用北斗一代卫星通信导航系统。受早期技术条件、内部空间、电路功耗，以及伸缩天线尺寸、当前海况等实际条件限制，在实航过程中仍会存在一定的北斗通信或定位异常可能性。如无法在规定时间内实现精确定位和可靠通信，或者长时间内只能通信，不能定位等。
[0011]综上所述，水下航行器受应用环境及技术条件等因素限制，内部北斗状态并非完全及时可靠，特别是在批量生产及用户使用过程中逐渐显露，对产品质量和用户满意度均造成一定影响。因此，急需在不改变水下航行器内部组成结构，以及相关技术指标等现状基础上，进一步提高水下航行器内部北斗卫星定位及通信有效率，提高可靠性。
[0012]针对上述水下航行器内部北斗工作状态可能存在的偶发性故障情况，基于当前水下航行器生产与试验等实际情况，拟在不更改航行器内部组部件级结构，不影响航行器内部总线等基础条件上，在北斗组件内部进行实时北斗状态监控，以期将航行器内部北斗故障现象概率降低，甚至消除上述偶发性故障，提高产品(水下航行器)质量。
[0013]结合水下航行器实际情况进行综合设计考虑，充分结合当前水下航行器远程大区域航行特点，该专利技术专利在技术设计上主要考虑方面如下：
[0014]水下航行器内部北斗组件功能及结构较为复杂，可利用的空间固定且有限，需在北斗组件内部进行实时监控，且不影响原设计功能、性能及通信结构；
[0015]航行器内部不同工况下的电磁干扰波动大，新增监控系统不应对其它部分产生干扰，亦不能被干扰；
[0016]航行器内部北斗组件以北斗一代为基础。除设计受之前技术现状限制外，实际工作中北斗信号亦随着区域、环境等，有较大变化。新增监控系统需进行卫星接收信号准确识别和及时操控。

技术实现思路

[0017]该专利技术专利针对水下航行器北斗工作时偶发性故障现象进行研究分析，在大量试验测试工作基础上，提出一种在水下航行器内部北斗组件上增加综合并联式实时状态监测系统的实施方法。对航行体内北斗组件核心部件进行实时监控处理，以期达到提高航行体实航北斗卫星定位及通信可靠性的目的。具体的，本专利技术是这样实现的：
[0018]一种水下航行器北斗状态实时监控系统，包括：实时监控单元和储能单元，实时监控单元用于对北斗组件内部信号监测与控制，储能单元用于对北斗组件内部功率放大电源备份供能；实时监控单元的供电及接口均有硬件初始态，能在实时监控单元故障情况下初始复位，不影响水下航行体内部北斗组件正常工作；能对北斗组件的工作状态(如判断是否正在运行，是否正确接收到初始化指令，当前是否发送定位申请等)、工作参数(电压、电流、卫星数量、波束质量等)进行监测，同时亦对自身监控系统工作状态(自身监控系统工作状态包括：判断是否正常运行，是否监视获得当前卡号、北斗卫星数量、波束，以及自身电压、电流和/或复位次数；进行监测，并实时将北斗组件核心信号处理器、总线、监控系统自身工
作参数信息进行记录存储。
[0019]进一步的，实时监控单元包括：一级EMC滤波(100)、DC隔离变换(101)、二级EMC滤波(103)、线性稳压I(104)、线性稳压II(105)、前级EMC滤波(106)、控制器(107)、电平转换(108)、模拟隔离(109)、数据融合处理(110)、数字隔离(111)、操控处理(112)、后级EMC滤波(113)组成。航行体供电通过一级EMC滤波(100)、DC隔离变换(101)、二级EMC滤波(103)后，分别进入线性稳压I(104)、线性稳压II(10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器北斗状态实时监控系统，其特征在于包括：实时监控单元和储能单元，实时监控单元用于对北斗组件内部信号监测与控制，储能单元用于对北斗组件内部功率放大电源备份供能；实时监控单元的供电及接口均有硬件初始态，能在实时监控单元故障情况下初始复位，不影响水下航行体内部北斗组件正常工作；能对北斗组件的工作状态、工作参数进行监测，同时亦对自身监控系统工作状态进行监测，并实时将北斗组件核心信号处理器、总线、监控系统自身工作参数信息进行记录存储。2.根据权利要求1所述的水下航行器北斗状态实时监控系统，其特征在于实时监控单元包括：一级EMC滤波(100)、DC隔离变换(101)、二级EMC滤波(103)、线性稳压I(104)、线性稳压II(105)、前级EMC滤波(106)、控制器(107)、电平转换(108)、模拟隔离(109)、数据融合处理(110)、数字隔离(111)、操控处理(112)、后级EMC滤波(113)组成。3.根据权利要求2所述的水下航行器北斗状态实时监控系统，其特征在于，实时监控单元供电端采用双重EMC滤波，并采用微型变压元件进行物理隔离；数字通信端采用数字方式进行隔离，包括数字隔离器、变压器；状态监测采集端采用模拟方式进行信号隔离，包括线性光耦、隔离运放；能进一步降低电磁干扰，并提高长时稳定运行可靠性。4.根据权利要求3所述的水下航行器北斗状态实时监控系统，其特征在于，在原航行体接口与北斗信号处理器通信口之间，利用三极管、二极管等元件构成R...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆国，孙予，粟凌云，陈亮，徐宗利，何江虹，颜家雄，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司七五零试验场，
类型：发明
国别省市：