[发明专利]一种用于水声定位的通信浮标及其组网

说明书

本发明公开了一种用于水声定位的通信浮标及其组网，所述通信浮标与综合处理显控系统连接，包括浮标本体、水声通信机、定位系统和无线电通信系统；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。本发明还提供一种用于水声定位的通信浮标组网，至少包括3个用于水声定位的通信浮标。

技术领域

本发明涉及水下探测领域，具体涉及一种用于水声定位的通信浮标及其组网。

背景技术

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(Received SignalStrength Indication，RSSI)、基于信号到达时间(Time of Arrival，TOA)、基于信号到达时差(Time Difference of Arrival，TDOA)、基于信号到达角度(Angel of Arrival，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Woods Hole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。