CN103310610A - 基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统(3)，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星(9)和通讯卫星(10)组成的卫星系统与陆地数据终端系统(3)相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查。本发明通过节点间通讯，提高定位精度和调查效率，实时数据回传。

Description

基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网

技术领域

本发明涉及移动海洋观测网技术领域，具体是一种以智能浮标和多台智能潜水器为观测节点，实现“大气-海面-海中-海底”高精度、高效率、立体化海洋调查的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网。

背景技术

海洋占地球表面70%以上，海洋-大气的物质和能量的交换、洋流的变迁、温盐分布均在全球气候变化中起着重要的调节器作用;海洋申蕴含着海洋油气资源、多金属结核、富钴锰结核、可燃冰资源、热液矿藏等大量矿产资源，具有巨大的经济价值;海底地形、声速变换紧密关系到水下战场环境，关系到国家、人民安全。可见，海洋调查是关系到国家经济发展、社会进步、国防安全的重要工作。

浮标(Buoys)是一种重要的海洋观测手段，具有全天候、全天时稳定可靠的收集海洋环境资料的能力，并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。海洋浮标研制于20世纪40-50年代，60年代在海洋调查中开始试使用，70年代中期技术趋于成熟进入实用阶段。浮标根据是否被锚定分为锚定浮标(Moored buoys)和漂流浮标(Drifting buoys)。目前，美国、俄罗斯、加拿大、英国、法国、西德、日本、挪威、荷兰、和澳大利亚等十多个国家研制和使用的锚泊浮标有200多个，漂流浮标1000多个。其中，部分先进的漂流浮标增加了浮力调节单元，实现垂直方向的自动升降采样，被称为自动升降浮标。然而，在水平方向依然没有控制能力，只能随波逐流。

潜水器(Underwater vehicle)是另外一种先进的海洋观测手段，具有水下观察、水下作业和水下航行能力，可代替潜水员执行更深海域的水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务。1554年意大利人塔尔奇利亚发明制造了木质球形潜水器;1717年英国人哈雷设计了第一款有价值的潜水器，用于探寻沉船宝物，但是没有动力的，须由管子和绳索与水面上的母船保持联系;20世纪50年代以后，出现了各种以科学考察为目的的自航深潜器;1960年，美国利用新研制的深潜器首次下潜马里亚纳海沟(下潜深度10916米);1953年，第一艘无人遥控潜水器问世;1980年法国“逆戟鲸”号无人深潜器下潜6000米;1997年日本Kaiko号无人潜水器首次下潜到10911万米深的马里亚纳海沟底部。潜水器已完成多种科学研究及救生、修理、寻找、探查、摄影等工作，如“阿尔文"号曾找到过落入地中海的氢弹和“泰坦尼克"号沉船，墨西哥湾漏油事件的抢险救援中大量使用无人潜水器。然而，由于潜水器航速低，作业效率低、作业成本高、水下定位精度差、定位依赖于母船或专门设置的海底基站，且与水面(或陆地)终端的实时通讯困难。

海洋观测(Ocean Observation)是基于卫星、飞机、调查船、浮标、潜水器、声学设备手段的，水下调查装备的定位精度差、通讯的实时性差一直是主要技术瓶颈，从而导致调查效率低、调查成本高、暂时无法实现对大范围海域时间、空间上的连续、智能观测，这对于我们了解海洋、开发海洋是非常不利的。

发明内容

针对现有技术中存在的浮标在运动控制能力方面的不足以及潜水器在水下定位和通讯方面的困难，提供了一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，该移动海洋观测网具备小型水平推进器和浮力调节器的智能浮标(AutonomousBuoy)和具备水平、垂直运动能力的小型智能潜水器(Autonomous UnderwaterVehicle)，针对现有海洋观测网络中建立基于多台智能浮标和多台智能潜水器的海洋观测网络，通过节点间通讯提高水下节点定位精度和系统的调查效率。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统3，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星9和通讯卫星10组成的卫星系统与陆地数据终端系统3相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查。

所述智能浮标系统包括若干个智能浮标1，其中，每一个智能浮标1均包括：浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13、浮标天线安装支架14、浮标本体15、浮标水密接插件16、浮标电子舱17、浮标推进器系统18、浮标第一通讯换能器19、浮标第一定位换能器20、浮标换能器安装支架21、浮标用户传感器以及浮标控制系统;其中：

所述浮标本体15为圆形球体，其内部设有存储空间，方便上浮下沉及水平运动，浮标本体材料需采用耐腐耐碰撞的金属材料;

所述浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13均布置在浮标本体15的上部，并通过浮标天线安装支架14加高固定，以提高通讯性能;

所述浮标电子舱17安装于浮标本体15的内部，为独立的耐压干舱，并通过浮标水密接插件16与外部设备电连接;

所述浮标水密接插件16分布于浮标电子舱17的上下舱盖上;

所述浮标推进器系统18包括4组推进器，所述4组推进器在浮标本体重心所在水平面上呈十字对称分布，且重心需始终低于浮标本体的浮心，以提高浮标本体运动时的稳定性;

所述浮标第一通讯换能器19和浮标第一定位换能器20在浮标本体的外部下方一米处，并通过浮标换能器安装支架21与浮标本体15刚性连接连接，以减小浮标本体16对声信号的反射;

所述浮标用户传感器安装在以下任一位置：

-浮标本体15内部;

-浮标电子舱17内部;

-浮标天线安装支架14上;

-浮标换能器安装支架21上;

所述浮标控制系统设置于所述浮标电子舱17内部。

所述浮标控制系统包括:浮标无线通讯单元22、浮标卫星定位单元23、浮标卫星通讯单元24、浮标电机控制单元25、浮标电机组、浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33、浮标电池34、浮标电源管理单元35、浮标用户接口36、浮标数据存储单元37、浮标水泵38、浮标漏水检测单元39、浮标第二通讯换能器40、浮标水声通讯单元41、浮标水声定位单元42、浮标第二定位换能器43以及浮标核心控制单元44;其中：

所述浮标无线通讯单元22与浮标无线通讯天线13连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标卫星定位单元23与浮标卫星定位天线11连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标卫星通讯单元24与浮标卫星通讯天线12连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标电机组包括4组电机，所述浮标电机控制单元25与4组电机相连，分别控制浮标推进器系统18的4组推进器的转速，从而控制智能浮标1的运动轨迹;

所述浮标电机控制单元25与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33的数据均由浮标核心控制单元44采集，并作为智能浮标1的运动控制系统的状态反馈信号;

所述浮标电池34通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用太阳能电池或温差发电;所述浮标电池34为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由浮标电源管理单元35管理;

所述浮标电源管理单元35与浮标核心控制单元44间采取串口通讯;

所述浮标用户接口36是浮标核心控制单元44提供的常见电源和控制接口，包括:RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC;

所述浮标数据存储单元37用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，浮标核心控制单元44可对其进行读写操作;

所述浮标水泵38设置于浮标电子舱17内部，用于接收浮标核心控制单元44控制信号，并将运行结果反馈给浮标核心控制单元44;浮标水泵的两端分别设有浮标水袋，并与舱外海水相连，通过调节浮标水袋存水量调节智能浮标1的重力，从而调节智能浮标1的上浮或下沉;

所述浮标漏水检测单元39用于检测浮标电子舱17及其他设备的独立舱体的漏水情况，并发送至浮标核心控制单元44，根据漏水情况和位置，浮标核心控制单元44将采取紧急应对措施;

所述浮标第二通讯换能器40与浮标水声通讯单元41连接，再与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标第二通讯换能器40负责声电及电声转换;

所述浮标水声通讯单元41用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与浮标核心控制单元44通讯;

所述浮标第二定位换能器43与浮标水声定位单元42连接，再与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标第二定位换能器43用于声电及电声转换;

所述浮标水声定位单元42用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与浮标核心控制单元44通讯;

所述浮标核心控制单元44由嵌入式系统构成，用于与浮标无线通讯单元、浮标卫星定位单元、浮标卫星通讯单元、浮标电机控制单元、浮标电源管理单元、浮标水声通讯单元以及浮标水声定位单元进行通讯、运行主控程序和执行应急程序。

所述智能潜水器系统包括若干个智能潜水器2，其中，每一个智能潜水器2均包括:潜水器第一通讯换能器45、潜水器第一定位换能器46、潜水器导流罩47、潜水器电子舱48、潜水器水密接插件49、潜水器水袋50、潜水器水平翼51、潜水器垂直尾翼52、潜水器尾推进器53、潜水器无线通讯天线54、潜水器卫星通讯天线55、潜水器卫星定位天线56以及潜水器控制系统;其中：

潜水器第一通讯换能器45和潜水器第一定位换能器46均布置于潜水器导流罩47的船首位置，以提高声信号性能;

所述潜水器电子舱48为圆筒状耐压干舱，安装于潜水器导流罩内部，并通过潜水器水密接插件49与外部设备电连接;

所述潜水器水密接插件49分布于潜水器电子舱48的上下舱盖平面上;

所述潜水器导流罩47为椭球形结构，流体阻力小;潜水器导流罩与潜水器电子舱之间可安装用户设备、传感器或加装用于船体静力学配平的浮力材料、压载铅块;

所述潜水器水袋布置于潜水器导流罩47内部偏前侧、潜水器电子舱48的下部，用于运动控制过程中船体重力的调节;

所述潜水器水平翼51为1对，1对潜水器水平翼分别安装于潜水器导流罩左右两侧，为固定翼，起稳定船体平衡的作用;

所述潜水器垂直尾翼52为1对，1对潜水器垂直尾翼52分别安装于潜水器导流罩尾部上下两侧，紧跟潜水器水平翼51之后，为固定翼，起稳定船体平衡的作用;

所述潜水器尾推进器53安装于潜水器导流罩47的尾部，用于提供水平推力;

所述潜水器无线通讯天线54、潜水器卫星通讯天线55、潜水器卫星定位天线56均布置在向上的潜水器垂直尾翼52上，尽可能提高安装高度从而提高信号质量;

所述潜水器控制系统设置于所述潜水器电子舱48内部。

所述潜水器控制系统包括：潜水器无线通讯单元57、潜水器卫星定位单元58、潜水器卫星通讯单元59、潜水器漏水检测单元60、潜水器电机控制单元61、潜水器尾推进器电机62、潜水器深度计63、潜水器高度计64、潜水器陀螺仪65、潜水器罗盘66、潜水器电池67、潜水器电源管理单元68、潜水器用户接口69、潜水器数据存储单元70、潜水器水泵71、潜水器姿态控制单元72、潜水器纵向调节电机73、潜水器横向调节电机74、潜水器第二通讯换能器75、潜水器水声通讯单元76、潜水器水声定位单元77、潜水器第二定位换能器78和潜水器核心控制单元79;其中：

所述潜水器无线通讯单元57与潜水器无线通讯天线54连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器卫星定位单元58与潜水器卫星定位天线56连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器卫星通讯单元59与潜水器卫星通讯天线55连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器漏水检测单元60用于检测潜水器电子舱48及其他设备的独立舱体如有的漏水情况，并发送至潜水器核心控制单元79;根据漏水情况和位置，潜水器核心控制单元将采取紧急应对措施;

所述潜水器电机控制单元61与潜水器尾推进器电机62相连，控制潜水器尾推进器53的转速，从而控制智能潜水器2的运动轨迹;

所述潜水器电机控制单元61与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器深度计63、潜水器高度计64、潜水器陀螺仪65、潜水器罗盘66的数据均由核心控制单元79采集，作为智能潜水器2的运动控制系统的状态反馈信号;

所述潜水器电池67通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用温差发电方式;潜水器电池67为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由潜水器电源管理单元68管理;

所述潜水器电源管理单元68与潜水器核心控制单元79间采取串口通讯;

所述潜水器用户接口69是潜水器核心控制单元79提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC;

所述潜水器数据存储单元70是用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，潜水器核心控制单元79可对其进行读写操作;

所述潜水器水泵71设置于潜水器电子舱48内部，用于接收潜水器核心控制单元79控制信号，并将运行结果反馈给潜水器核心控制单元79;潜水器水泵71的两端分别与潜水器水袋50和舱外海水相连，通过调节潜水器水袋存水量调节智能潜水器2的重力，从而调节智能潜水器2的上浮或下沉;

所述潜水器姿态控制单元72由潜水器纵向调节电机73和潜水器横向调节电机74的驱动;

所述潜水器第二通讯换能器75与潜水器水声通讯单元76连接，再与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器第二通讯换能器75用于声电及电声转换;

所述潜水器水声通讯单元76用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与潜水器核心控制单元44通讯;

所述潜水器第二定位换能器43与潜水器水声定位单元42连接，再与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器第二定位换能器78用于声电及电声转换;

所述潜水器水声定位单元77用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与潜水器核心控制单元79通讯;

所述潜水器核心控制单元44由嵌入式系统构成，用于与潜水器无线通讯单元、潜水器卫星定位单元、潜水器卫星通讯单元、潜水器电机控制单元、潜水器电源管理单元、潜水器水声通讯单元以及潜水器水声定位单元进行通讯、运行主控程序和执行应急程序。

所述智能浮标系统采取“卫星定位-惯性导航”组合定位，具体为，智能浮标系统浮上水面时接收卫星系统发出的的卫星定位信号4，沉入水下时依靠惯性导航定位。由于智能浮标系统下潜深度小，下潜周期短，惯性导航的漂移误差小，因此这种"卫星-惯性导航”组合方式可实现高精度定位。

所述智能潜水器系统采取"卫星-水声-惯性导航”组合定位，具体为：智能潜水器系统浮上水面时接收第一卫星定位信号3，潜入水下时依靠“水声-惯性导航”组合定位，即接收智能浮标系统发出的水声定位信号8，计算智能浮标系统坐标下智能潜水器系统的位置坐标，并将水声定位的数据与惯性导航的数据进行数据融合，从而提高定位精度。

所述水声定位具体为：通过测量声信号的传播时间差计算智能潜水器系统与智能浮标系统间的斜距离，然后根据智能浮标系统中的坐标和对应的斜距离推算智能潜水器系统的位置坐标。

所述智能浮标系统和智能潜水器系统之间的控制指令、反馈信号及小数据量调查结果采取水声通讯信号7、无线通讯信号8和卫星通讯信号6，具体为：

实现潜入水下时，智能浮标系统和智能潜水器系统间采取水声通讯7;

浮上水面时，智能浮标系统和智能潜水器系统间采取无线通讯8;

信息最终汇集至担任中枢节点的智能浮标系统，并通过卫星通讯6与陆地数据终端系统交换数据。

本发明提供的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，以多台智能浮标和智能潜水器为节点，组网作业，实现大气-海面-海水-海底的立体化海洋调查。智能浮标采取卫星-惯性导航组合定位，智能潜水器采取以智能浮标为参考点的水声-惯性导航组合定位。智能浮标的垂直运动由浮力调节装置控制，水平运动由四台小型推进器控制。智能潜水器的垂直和水平运动由浮力调节机构、重心调解机构、推进器、双翼、尾舵控制。观测节点均提供常见传感器的供电和通讯接口，可同时搭载多种海洋调查设备。水下节点采取水声通讯，浮上水面后采取无线通讯。最终所有信息通过卫星通讯回传至陆地数据终端。通过节点间通讯，提高定位精度和调查效率，实时数据回传。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的系统构成示意图;

图2为本发明组成智能浮标系统的智能浮标结构示意图;

图3为浮标控制系统示意图;

图4为本发明组成智能潜水器系统的智能潜水器结构示意图;

图5为潜水器控制系统示意图;

图6至图8为智能潜水器典型运动轨迹示意图;

图中：1为智能浮标，2为智能潜水器，3为陆地数据终端系统，4为卫星定位信号，5为水声定位信号，6为卫星通讯信号，7为水声通讯信号，8为无线通讯信号，9为定位卫星，10为通讯卫星，11为浮标卫星定位天线，12为浮标卫星通讯天线，13为浮标无线通讯天线，14为浮标天线安装支架，15为浮标本体，16为浮标水密接插件，17为浮标电子舱，18为浮标推进器系统，19为浮标第一通讯换能器，20为浮标第一定位换能器，21为浮标换能器安装支架，22为浮标无线通讯单元，23为浮标卫星定位单元，24为浮标卫星通讯单元，25为浮标电机控制单元，26为第一组电机，27为第二组电机，28为第三组电机，29为第四组电机，30为浮标深度计，31为浮标高度计，32为浮标陀螺仪，33为浮标罗盘，34为浮标电池，35为浮标电源管理单元，36为浮标用户接口，37为浮标数据存储单元，38为浮标水泵，39为浮标漏水检测单元，40为浮标第二通讯换能器，41为浮标水产通讯单元，42为浮标水声定位单元，43为浮标第二定位换能器，44为浮标核心控制单元，45为潜水器第一通讯换能器，46为潜水器第一定位换能器，47为潜水器导流罩，48为潜水器电子舱，49为潜水器水密接插件，50为潜水器水袋，51为潜水器水平翼，52为潜水器垂直尾翼，53为潜水器尾推进器，54为潜水器无线通讯天线，55为潜水器卫星通讯天线，56为潜水器卫星定位天线，57为潜水器无线通讯单元，58为潜水器卫星定位单元，59为潜水器卫星通讯单元，60为潜水器漏水检测单元，61为潜水器电机控制单元，62为潜水器尾推进器电机，63为潜水器深度计，64为潜水器高度计，65为潜水器陀螺仪，66为潜水器罗盘，67为潜水器电池，68为潜水器电源管理单元，69为潜水器用户接口，70为潜水器数据存储单元，71为潜水器水泵，72为潜水器姿态控制单元，73为潜水器纵向调节电机，74为潜水器横向调节电机，75为潜水器第二通讯换能器，76为潜水器水声通讯单元，77为潜水器水声定位单元，78为潜水器第二定位换能器，79为潜水器核心控制单元。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图8。

本实施例提供了一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统3，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星9和通讯卫星10组成的卫星系统与陆地数据终端系统3相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查。

进一步地，所述智能浮标系统包括若干个智能浮标1，其中，每一个智能浮标1均包括：浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13、浮标天线安装支架14、浮标本体15、浮标水密接插件16、浮标电子舱17、浮标推进器系统18、浮标第一通讯换能器19、浮标第一定位换能器20、浮标换能器安装支架21、浮标用户传感器以及浮标控制系统;其中：

所述浮标本体15为圆形球体，其内部设有存储空间，方便上浮下沉及水平运动，浮标本体材料需采用耐腐耐碰撞的金属材料;

所述浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13均布置在浮标本体15的上部，并通过浮标天线安装支架14加高固定，以提高通讯性能;

所述浮标电子舱17安装于浮标本体15的内部，为独立的耐压干舱，并通过浮标水密接插件16与外部设备电连接;

所述浮标水密接插件16分布于浮标电子舱17的上下舱盖上;

所述浮标推进器系统18包括4组推进器，所述4组推进器在浮标本体重心所在水平面上呈十字对称分布，且重心需始终低于浮标本体的浮心，以提高浮标本体运动时的稳定性;

所述浮标第一通讯换能器19和浮标第一定位换能器20在浮标本体的外部下方一米处，并通过浮标换能器安装支架21与浮标本体15刚性连接连接，以减小浮标本体16对声信号的反射;

所述浮标用户传感器安装在以下任一位置：

-浮标本体15内部;

-浮标电子舱17内部;

-浮标天线安装支架14上;

-浮标换能器安装支架21上;

所述浮标控制系统设置于所述浮标电子舱17内部。

进一步地，所述浮标控制系统包括：浮标无线通讯单元22、浮标卫星定位单元23、浮标卫星通讯单元24、浮标电机控制单元25、浮标电机组、浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33、浮标电池34、浮标电源管理单元35、浮标用户接口36、浮标数据存储单元37、浮标水泵38、浮标漏水检测单元39、浮标第二通讯换能器40、浮标水声通讯单元41、浮标水声定位单元42、浮标第二定位换能器43以及浮标核心控制单元44;其中：

所述浮标无线通讯单元22与浮标无线通讯天线13连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标卫星定位单元23与浮标卫星定位天线11连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标卫星通讯单元24与浮标卫星通讯天线12连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标电机组包括4组电机，所述浮标电机控制单元25与4组电机相连，分别控制浮标推进器系统18的4组推进器的转速，从而控制智能浮标1的运动轨迹;

所述浮标电机控制单元25与浮标核心控制单元44进行串口通讯;

所述浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33的数据均由浮标核心控制单元44采集，并作为智能浮标1的运动控制系统的状态反馈信号;

所述浮标电池34通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用太阳能电池或温差发电;所述浮标电池34为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由浮标电源管理单元35管理;

所述浮标电源管理单元35与浮标核心控制单元44间采取串口通讯;

所述浮标用户接口36是浮标核心控制单元44提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC;

所述浮标数据存储单元37用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，浮标核心控制单元44可对其进行读写操作;

所述浮标水泵38设置于浮标电子舱17内部，用于接收浮标核心控制单元44控制信号，并将运行结果反馈给浮标核心控制单元44;浮标水泵的两端分别设有浮标水袋，并与舱外海水相连，通过调节浮标水袋存水量调节智能浮标1的重力，从而调节智能浮标1的上浮或下沉：

所述浮标漏水检测单元39用于检测浮标电子舱17及其他设备的独立舱体的漏水情况，并发送至浮标核心控制单元44，根据漏水情况和位置，浮标核心控制单元44将采取紧急应对措施;

所述浮标第二通讯换能器40与浮标水声通讯单元41连接，再与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标第二通讯换能器40负责声电及电声转换;

所述浮标水声通讯单元41用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与浮标核心控制单元44通讯;

所述浮标第二定位换能器43与浮标水声定位单元42连接，再与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标第二定位换能器43用于声电及电声转换;

所述浮标水声定位单元42用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与浮标核心控制单元44通讯;

所述浮标核心控制单元44由嵌入式系统构成，用于与浮标无线通讯单元、浮标卫星定位单元、浮标卫星通讯单元、浮标电机控制单元、浮标电源管理单元、浮标水声通讯单元以及浮标水产定位单元进行通讯、运行主控程序和执行应急程序。

进一步地，所述智能潜水器系统包括若干个智能潜水器2，其中，每一个智能潜水器2均包括：潜水器第一通讯换能器45、潜水器第一定位换能器46、潜水器导流罩47、潜水器电子舱48、潜水器水密接插件49、潜水器水袋50、潜水器水平翼51、潜水器垂直尾翼52、潜水器尾推进器53、潜水器无线通讯天线54、潜水器卫星通讯天线55、潜水器卫星定位天线56以及潜水器控制系统;其中：

潜水器第一通讯换能器45和潜水器第一定位换能器46均布置于潜水器导流罩47的船首位置，以提高声信号性能;

所述潜水器电子舱48为圆筒状耐压干舱，安装于潜水器导流罩内部，并通过潜水器水密接插件49与外部设备电连接;

所述潜水器水密接插件49分布于潜水器电子舱48的上下舱盖平面上;

所述潜水器导流罩47为椭球形结构，流体阻力小;潜水器导流罩与潜水器电子舱之间可安装用户设备、传感器或加装用于船体静力学配平的浮力材料、压载铅块;

所述潜水器水袋布置于潜水器导流罩47内部偏前侧、潜水器电子舱48的下部，用于运动控制过程中船体重力的调节;

所述潜水器水平翼51为1对，1对潜水器水平翼分别安装于潜水器导流罩左右两侧，为固定翼，起稳定船体平衡的作用;

所述潜水器垂直尾翼52为1对，1对潜水器垂直尾翼52分别安装于潜水器导流罩尾部上下两侧，紧跟潜水器水平翼51之后，为固定翼，起稳定船体平衡的作用;

所述潜水器尾推进器53安装于潜水器导流罩47的尾部，用于提供水平推力;

所述潜水器无线通讯天线54、潜水器卫星通讯天线55、潜水器卫星定位天线56均布置在向上的潜水器垂直尾翼52上，尽可能提高安装高度从而提高信号质量;

所述潜水器控制系统设置于所述潜水器电子舱48内部。

进一步地，所述潜水器控制系统包括：潜水器无线通讯单元57、潜水器卫星定位单元58、潜水器卫星通讯单元59、潜水器漏水检测单元60、潜水器电机控制单元61、潜水器尾推进器电机62、潜水器深度计63、潜水器高度计64、潜水器陀螺仪65、潜水器罗盘66、潜水器电池67、潜水器电源管理单元68、潜水器用户接口69、潜水器数据存储单元70、潜水器水泵71、潜水器姿态控制单元72、潜水器纵向调节电机73、潜水器横向调节电机74、潜水器第二通讯换能器75、潜水器水声通讯单元76、潜水器水声定位单元77、潜水器第二定位换能器78和潜水器核心控制单元79;其中：

所述潜水器无线通讯单元57与潜水器无线通讯天线54连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器卫星定位单元58与潜水器卫星定位天线56连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器卫星通讯单元59与潜水器卫星通讯天线55连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器漏水检测单元60用于检测潜水器电子舱48及其他设备的独立舱体如有的漏水情况，并发送至潜水器核心控制单元79;根据漏水情况和位置，潜水器核心控制单元将采取紧急应对措施;

所述潜水器电机控制单元61与潜水器尾推进器电机62相连，控制潜水器尾推进器53的转速，从而控制智能潜水器2的运动轨迹;

所述潜水器电机控制单元61与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器深度计63、潜水器高度计64、潜水器陀螺仪65、潜水器罗盘66的数据均由核心控制单元79采集，作为智能潜水器2的运动控制系统的状态反馈信号;

所述潜水器电池67通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用温差发电方式;潜水器电池67为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由潜水器电源管理单元68管理;

所述潜水器电源管理单元68与潜水器核心控制单元79间采取串口通讯;

所述潜水器用户接口69是潜水器核心控制单元79提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC;

所述潜水器数据存储单元70是用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，潜水器核心控制单元79可对其进行读写操作;

所述潜水器水泵71设置于潜水器电子舱48内部，用于接收潜水器核心控制单元79控制信号，并将运行结果反馈给潜水器核心控制单元79;潜水器水泵71的两端分别与潜水器水袋50和舱外海水相连，通过调节潜水器水袋存水量调节智能潜水器2的重力，从而调节智能潜水器2的上浮或下沉;

所述潜水器姿态控制单元72由潜水器纵向调节电机73和潜水器横向调节电机74的驱动;

所述潜水器第二通讯换能器75与潜水器水声通讯单元76连接，再与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器第二通讯换能器75用于声电及电声转换;

所述潜水器水声通讯单元76用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与潜水器核心控制单元44通讯;

所述潜水器第二定位换能器43与潜水器水声定位单元42连接，再与潜水器核心控制单元79进行串口通讯;

所述潜水器第二定位换能器78用于声电及电声转换;

所述潜水器水声定位单元77用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与潜水器核心控制单元79通讯;

所述潜水器核心控制单元44由嵌入式系统构成，用于与潜水器无线通讯单元、潜水器卫星定位单元、潜水器卫星通讯单元、潜水器电机控制单元、潜水器电源管理单元、潜水器水声通讯单元以及潜水器水声定位单元进行通讯、运行主控程序和执行应急程序。

进一步地，所述智能浮标系统采取“卫星定位-惯性导航”组合定位，具体为，智能浮标系统浮上水面时接收卫星系统发出的的卫星定位信号4，沉入水下时依靠惯性导航定位。由于智能浮标系统下潜深度小，下潜周期短，惯性导航的漂移误差小，因此这种"卫星-惯性导航"组合方式可实现高精度定位。

进一步地，所述智能潜水器系统采取"卫星-水声-惯性导航"组合定位，具体为：智能潜水器系统浮上水面时接收第一卫星定位信号3，潜入水下时依靠"水声-惯性导航”组合定位，即接收智能浮标系统发出的水声定位信号8，计算智能浮标系统坐标下智能潜水器系统的位置坐标，并将水声定位的数据与惯性导航的数据进行数据融合，从而提高定位精度。

进一步地，所述水声定位具体为：通过测量声信号的传播时间差计算智能潜水器系统与智能浮标系统间的斜距离，然后根据智能浮标系统中的坐标和对应的斜距离推算智能潜水器系统的位置坐标。

进一步地，所述智能浮标系统和智能潜水器系统之间的控制指令、反馈信号及小数据量调查结果采取水声通讯信号7、无线通讯信号8和卫星通讯信号6，具体为：

实现潜入水下时，智能浮标系统和智能潜水器系统间采取水声通讯7;

浮上水面时，智能浮标系统和智能潜水器系统间采取无线通讯8;

信息最终汇集至担任中枢节点的智能浮标系统，并通过卫星通讯6与陆地数据终端系统交换数据。

本实施例具体为，

本实施例包括多个智能浮标1、多个智能潜水器2和陆地数据终端3组成，智能浮标1可完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器可完成海面至海底的自治潜航调查。

智能浮标1采取“卫星定位-惯性导航”组合定位，智能潜水器2采取“卫星定位-水声定位-惯性导航”组合定位。具体定位方法包括：智能浮标1浮上水面时接收卫星定位信号4，沉入水下时依靠惯性导航定位，由于智能浮标1下潜深度小，下潜周期短，惯性导航的漂移误差小，因此这种“卫星-惯性导航”组合方式可实现高精度定位;智能潜水器2浮上水面时接收卫星定位信号4，潜入水下时依靠“水声定位-惯性导航”组合定位，即接收智能浮标1发出的水声定位信号8，计算智能浮标1坐标下智能潜水器2的位置坐标，并将水声定位数据与惯性导航数据进行数据融合，从而提高定位精度。

水声定位的具体过程包括：首先通过测量声信号的传播时间差(travel timedifferenCe)计算智能潜水器2与智能浮标1间的斜距(slope distanCe)，再根据三台智能浮标1的坐标和对应的斜距离推算智能潜水器2的位置坐标。

控制指令、反馈信号及小数据量调查结果采取水声通讯信号7、无线通讯信号8和卫星通讯信号6，具体通讯方式包括：实现潜入水下时智能浮标1和智能潜水器2间采取水声通讯信号7;浮上水面时智能浮标1和智能潜水器2间采取无线通讯信号8;信息最终汇集至担任中枢节点的智能浮标1，并通过卫星通讯信号6与陆地数据终端系统3交换数据。这种方式可提高通讯的实时性，并降低卫星通讯产生的高额成本。这种方式用于数据终端的控制指令和观测节点执行命令后的反馈信号以及CTD、ADCP数据量小的采集结果。

智能潜水器2观测到的地形信息、地质信息大量数据必须暂时保存在数据存储单元中，待浮上水面时通过卫星通讯信号6发送至陆地数据终端系统3。

智能浮标包括浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13、浮标天线安装支架14、浮标浮标本体15、浮标水密接插件16、浮标电子舱17、由4组推进器构成的浮标推进器系统18、浮标第一通讯换能器19、浮标定位换能器20、浮标换能器安装支架21。其中，浮标本体15是圆形球体，因其内部存储空间大，且方便上浮下沉及水平运动，本体材料需采用耐腐耐碰撞的金属材料。浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13均布置在本体上部，通过浮标天线安装支架14加高固定，以提高通讯性能。浮标电子舱安装于本体内部，为独立的耐压干舱，通过浮标水密接插件16与外部设备电连接。浮标水密接插件16分布于浮标电子舱17的上下舱盖上。4组推进器在浮标本体15重心所在水平面，程十字对称分布，且重心需始终低于浮心，以提高浮标运动时的稳定性。浮标第一通讯换能器19和浮标第一定位换能器20在本体外部下方一米处通过浮标换能器安装支架21与浮标本体15刚性连接连接，以减小浮标本体15对声信号的反射。用户传感器可安装在浮标本体15内或浮标电子舱17内，或者捆绑在浮标天线安装支架14或浮标换能器安装支架21上。

浮标控制系统包括浮标无线通讯单元22、浮标卫星定位单元23、浮标卫星通讯单元24、浮标电机控制单元25、由4组电机26272829构成的浮标电机组、浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33、浮标电池34、浮标电源管理单元35、浮标用户接口36、浮标数据存储单元37、浮标水泵38、浮标漏水检测单元39、浮标第二通讯换能器40、浮标水声通讯单元41、浮标第二水声定位单元42、浮标定位换能器43和浮标核心控制单元44。其中，浮标无线通讯单元22与浮标无线通讯天线13连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯。浮标卫星定位单元23与浮标卫星定位天线11连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯。浮标卫星通讯单元24与浮标卫星通讯天线12连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯。浮标电机控制单元25与4组电机26272829相连，分别控制4组推进器的转速，从而控制智能浮标1的运动轨迹。浮标电机控制单元25与浮标核心控制单元44进行串口通讯。浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33的数据均由浮标核心控制单元44采集，作为智能浮标1的运动控制系统的状态反馈信号。浮标电池34通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用太阳能电池或温差发电。浮标电池34为整个浮标控制系统供电，电池34的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由浮标电源管理单元35管理。浮标电源管理单元35与浮标核心控制单元44间采取串口通讯。浮标用户接口36是浮标核心控制单元44为用户设备、传感器提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±l2VDC、±24VDC、±48VDC。浮标数据存储单元37是用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，浮标核心控制单元44可对其进行读写操作。浮标水泵38接收浮标核心控制单元44控制信号，并将运行结果反馈给浮标核心控制单元44。浮标水泵38设置于浮标电子舱17内部，两端分别与水袋和舱外海水相连，通过调节水袋存水量调节智能浮标1的重力，从而调节其上浮或下沉。浮标漏水检测单元39是海洋仪器、设备必不可少的单元，用来检测浮标电子舱17及其他设备的独立舱体如有的漏水情况，并发送至浮标核心控制单元44。根据漏水情况和位置，浮标核心控制单元将采取紧急应对措施。浮标第二通讯换能器40与浮标水声通讯单元41连接，再与浮标核心控制单元44进行串口通讯。浮标第二通讯换能器40负责声电及电声转换。浮标水声通讯单元41负责发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与核心控制单元44通讯。浮标第二定位换能器43与浮标水声定位单元42连接，再与浮标核心控制单元44进行串口通讯。浮标第二定位换能器43负责声电及电声转换。浮标水声定位单元42负责发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与浮标核心控制单元44通讯。浮标核心控制单元44由嵌入式系统构成，负责与其他子单元通讯、运行主控程序、执行应急程序。

智能潜水器包括潜水器第一通讯换能器45、潜水器第一定位换能器46、潜水器导流罩47、潜水器电子舱48、潜水器水密接插件49、潜水器水袋50、潜水器水平翼51、潜水器垂直尾翼52、潜水器尾推进器53、潜水器无线通讯天线54、潜水器卫星通讯天线55、潜水器卫星定位天线56。其中，潜水器第一通讯换能器45和潜水器第一定位换能器46布置于潜水器导流罩47船首位置，以提高声信号性能。潜水器电子舱48为圆筒状耐压干舱，安装于潜水器导流罩内部，通过潜水器水密接插件49与外部设备电连接。潜水器水密接插件49分布于潜水器电子舱48的上下舱盖平面上。潜水器导流罩47为椭球形结构，流体阻力小。潜水器导流罩与潜水器电子舱之间可安装用户设备、传感器或加装用于船体静力学配平的浮力材料、压载铅块。水袋布置于潜水器导流罩47内部偏前侧，潜水器电子舱48下部，用于运动控制过程中船体重力的调节。1对潜水器水平翼51分别安装于潜水器导流罩左右两侧，为固定翼，起稳定船体平衡的作用。1对潜水器垂直尾翼52分别安装于潜水器导流罩尾部上下两侧，紧跟潜水器水平翼51之后，为固定翼，起稳定船体平衡的作用。潜水器尾推进器53安装于潜水器导流罩47尾部，用于提供水平推力。潜水器无线通讯天线54、潜水器卫星通讯天线55、潜水器卫星定位天线56均布置在向上的潜水器垂直尾翼52上，尽可能提高安装高度从而提高信号质量。

潜水器控制系统由潜水器无线通讯单元57、潜水器卫星定位单元58、潜水器卫星通讯单元59、潜水器漏水检测单元60、潜水器电机控制单元61、潜水器尾推进器电机62、潜水器深度计63、潜水器高度计64、潜水器陀螺仪65、潜水器罗盘66、潜水器电池67、潜水器电源管理单元68、潜水器用户接口69、潜水器数据存储单元70、潜水器水泵71、潜水器纵向调节电机73、潜水器横向调节电机74、潜水器第二通讯换能器75、潜水器水声通讯单元76、潜水器水声定位单元77、潜水器第二定位换能器78和潜水器核心控制单元79构成。其中，潜水器无线通讯单元57与潜水器无线通讯天线54连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯。潜水器卫星定位单元58与潜水器卫星定位天线56连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯。潜水器卫星通讯单元59与潜水器卫星通讯天线55连接，并与潜水器核心控制单元79进行串口通讯。潜水器漏水检测单元60是海洋仪器、设备必不可少的单元，用来检测潜水器电子舱48及其他设备的独立舱体如有的漏水情况，并发送至潜水器核心控制单元79。根据漏水情况和位置，潜水器核心控制单元将采取紧急应对措施。潜水器电机控制单元61与潜水器尾推进器电机62相连，控制潜水器尾推进器53的转速，从而控制智能潜水器2的运动轨迹。潜水器电机控制单元61与潜水器核心控制单元79进行串口通讯。潜水器深度计63、潜水器高度计64、潜水器陀螺仪65、潜水器罗盘66的数据均由潜水器核心控制单元79采集，作为智能潜水器2的运动控制系统的状态反馈信号。潜水器电池67通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用温差发电方式。潜水器电池67为整个控制系统供电，电源的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由潜水器电源管理单元68管理。潜水器电源管理单元68与潜水器核心控制单元79间采取串口通讯。潜水器用户接口69是潜水器核心控制单元79为用户设备、传感器提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC。潜水器数据存储单元70是用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，潜水器核心控制单元79可对其进行读写操作。潜水器水泵71接收潜水器核心控制单元79控制信号，并将运行结果反馈给潜水器核心控制单元79。潜水器水泵71设置于潜水器电子舱48内部，两端分别与潜水器水袋50和舱外海水相连，通过调节潜水器水袋存水量调节智能潜水器2的重力，从而调节其上浮或下沉。潜水器第二通讯换能器75与潜水器水声通讯单元76连接，再与潜水器核心控制单元79进行串口通讯。潜水器第二通讯换能器75负责声电及电声转换。潜水器水声通讯单元76负责发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与核心控制单元44通讯。潜水器第二定位换能器43与潜水器水声定位单元42连接，再与潜水器核心控制单元79进行串口通讯。潜水器第二定位换能器78负责声电及电声转换。潜水器水声定位单元77负责发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与潜水器核心控制单元79通讯。潜水器核心控制单元79由嵌入式系统构成，负责与其他子单元通讯、运行主控程序、执行应急程序。

“水声”定位采用三点定位和时间差测距;智能浮标系统和智能潜水器系统之间的控制指令、反馈信号及小数据量调查结果通常采取水声-无线组合通讯回传陆地数据终端系统;远洋调查时距陆地较远，采取卫星通讯方式回传数据;地形信息、地质信息大量数据暂时保存在浮标数据存储单元和潜水器数据存储单元，待浮上水面时通过卫星通讯回传至陆地数据终端系统。

在本实施例中，

1·智能浮标配平：初始状态水袋为空，设计排水质量大于空气中质量，水线在重心以上，重心在推进器所在平面，浮心高于重心。由于每次搭载的设备重量和尺寸有所不同，每次下水作业前需通过压载和浮力材料调节重力和浮力达到上述要求。水袋的容量设计需大于排水质量与初始空气中质量之差，即当水袋吸满水时，空气中质量必须大于排水质量。

2·智能浮标升降：水袋吸水，智能浮标下沉，直至彻底潜入水中，此时空气中质量约等于排水质量;水袋继续少量吸水，智能浮标下潜;反之，水袋少量排水，智能浮标上浮;当排水质量约等于控制中质量时继续排水则智能浮标浮出水面。

3·智能浮标水平运动：四个推进器分别可以调整转速和转向，当前左后右四个推进器转向分别为“正、零、负、零”时智能浮标向前推进，转速越大推迸速度越大，同理可实现左、后、右推进;当前左后右四个推进器转向分别为“正、正、负、负”时智能浮标问左前方推进，转速越大推进速度越大，同理可实现右前、左后、右后推进;推进器除推进智能浮漂向某方向移动意外，也可以与流速传感器、惯性导航传感器构成反馈，控制智能浮标在波浪或海流中保持位置，亦称之为动力定位。

4·智能潜水器配平：初始状态水袋为半满，设计排水体积略大于空气中重力，即静浮力为正。另外浮心高于重心，并在重心正上方。由于每次搭载的设备重量和尺寸有所不同，每次下水作业前需通过压载和浮力材料调节重力和浮力达到上述要求。

5·智能潜水器的浮力驱动模式:调整纵向调节电机，调节重心位置，可调节智能潜水器纵倾角，配合调节水泵吸(排)水，调节控制中质量，可调节智能潜水器上浮或下沉，从而实现潜水器纵向的滑行;调整横向调节电机，调节重心位置，可调节智能潜水器横倾角，配合调节水泵吸(排)水，调节控制中质量，可调节智能潜水器上浮或下沉，从而实现潜水器横向的滑行;同时调节纵倾角刺横倾角可实现转向。

6·智能潜水器的推力驱动模式：当浮力驱动模式的推力(航速)无法满足调查需求时，可更换为推力驱动模式，即启动尾推进器。

7．轨迹：智能潜水器在浮力驱动模式下通常行驶锯齿形轨迹或螺旋形轨迹，推力驱动模式下出这两种轨迹还可行驶定深或定高的巡回轨迹。智能浮标需配合智能潜水器同步前进，因为需要为智能潜水器提供定位参考点和通讯中继站。

8·应急模式：当用户设备舱出现漏水报警或绝缘报警时，核心控制单元和电源管理单元将立刻切断该舱体的所有供电和通讯，并记录故障时间和地点，但不影响其他设备运行;当电子舱检测到漏水时，立刻排空水袋，然后断电，另智能浮标或智能潜水器尽快浮出水面。

9·智能浮标的士要调查内容：智能浮标浮上水面时，水上部分可安装多种气象学传感器，如风速、风向、气压、气温和湿度;同时，水下部分可安装多种水文要素的传感器，如波浪、海流、潮位、海温和盐度。智能潜水器则主要测量不同海域、不同水深的温度、盐度、重力、磁力、地形、地质信息，或海底观测网、海地地震仪的(OBs)的数据回收。各传感器产生的信号，通过仪器自动处理，由发射机定时发出，陆地数据终端系统(地面接收站)将收到的信号进行处理，就得到了人们所需的资料。远洋浮标由于离陆地很远，可将信号发往卫星，再由卫星将信号传送到地面接收站。大部分情况下智能浮标是由蓄电池活力电池供电进行工作的。但当浮标远离陆地，换电池不方便，可装备太阳能蓄电设备，有的还利用波能蓄电，或者温差发电，从而大大减少了换电池的次数，使海洋浮标更简便经济。掌握了波高、海流、海温、潮位、风速、气压等水文气象要素，可为人们带来更多便利，如知道了大风大浪区域，航海时便可避之而行，免除了船覆人亡的残局;知道了海流流向，航海时便尽可能的顺之而行，以节约航海时间和能源消耗;知道了潮位的异常升高，便可及时防备突发事件，力图在灾害发生时将损失降至最低限度。该系统还可推广应用于海洋调查、海洋环境监测，连续地定量地掌握海洋环境变化规律，为军事、航海、渔业、港工、地质调查以及海洋开发服务。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统(3)，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星(9)和通讯卫星(10)组成的卫星系统与陆地数据终端系统(3)相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查。

2.根据权利要求1所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述智能浮标系统包括若干个智能浮标(1)，其中，每一个智能浮标(1）均包括：浮标卫星定位天线(11)、浮标卫星通讯天线(12)、浮标无线通讯天线(13)、浮标天线安装支架(14)、浮标本体(15)、浮标水密接插件(16)、浮标电子舱(17)、浮标推进器系统(18)、浮标第一通讯换能器(19)、浮标第一定位换能器(20)、浮标换能器安装支架(21)、浮标用户传感器以及浮标控制系统;其中:

所述浮标本体(15)为圆形球体，其内部设有存储空间，方便上浮下沉及水平运动，浮标本体材料需采用耐腐耐碰撞的金属材料;

所述浮标卫星定位天线(11)、浮标卫星通讯天线(12)、浮标无线通讯天线(13)均布置在浮标本体(15)的上部，并通过浮标天线安装支架(14)加高固定，以提高通讯性能;

所述浮标电子舱(17)安装于浮标本体(15)的内部，为独立的耐压干舱，并通过浮标水密接插件(16)与外部设备电连接;

所述浮标水密接插件(16)分布于浮标电子舱(17)的上下舱盖上;

所述浮标推进器系统(18)包括4组推进器，所述4组推进器在浮标本体重心所在水平面上呈十字对称分布，且重心需始终低于浮标本体的浮心，以提高浮标本体运动时的稳定性;

所述浮标第一通讯换能器(19)和浮标第一定位换能器(20)在浮标本体的外部下方一米处，并通过浮标换能器安装支架(21)与浮标本体(15)刚性连接连接，以减小浮标本体(16)对声信号的反射;

所述浮标用户传感器安装在以下任一位置：

-浮标本体(15)内部;

-浮标电子舱(17)内部;

-浮标天线安装支架(14)上;

-浮标换能器安装支架(21)上;

所述浮标控制系统设置于所述浮标电子舱(17)内部。

3.根据权利要求2所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述浮标控制系统包括：浮标无线通讯单元(22)、浮标卫星定位单元(23)、浮标卫星通讯单元(24)、浮标电机控制单元(25)、浮标电机组、浮标深度计(30)、浮标高度计(31)、浮标陀螺仪(32)、浮标罗盘(33)、浮标电池(34)、浮标电源管理单元(35)、浮标用户接口(36)、浮标数据存储单元(37)、浮标水泵(38)、浮标漏水检测单元(39)、浮标第二通讯换能器(40)、浮标水声通讯单元(41)、浮标水声定位单元(42)、浮标第二定位换能器(43)以及浮标核心控制单元(44);其中：

所述浮标无线通讯单元(22)与浮标无线通讯天线(13)连接，并与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯;

所述浮标卫星定位单元(23)与浮标卫星定位天线(11)连接，并与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯;

所述浮标卫星通讯单元(24)与浮标卫星通讯天线(12)连接，并与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯;

所述浮标电机组包括4组电机，所述浮标电机控制单元(25)与4组电机相连，分别控制浮标推进器系统(18)的4组推进器的转速，从而控制智能浮标(1)的运动轨迹;

所述浮标电机控制单元(25)与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯;

所述浮标深度计(30)、浮标高度计(31)、浮标陀螺仪(32)、浮标罗盘(33)的数据均由浮标核心控制单元(44)采集，并作为智能浮标(1)的运动控制系统的状态反馈信号;

所述浮标电池(34)通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用太阳能电池或温差发电;所述浮标电池(34)为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由浮标电源管理单元(35)管理;

所述浮标电源管理单元(35)与浮标核心控制单元(44)间采取串口通讯;

所述浮标用户接口(36)是浮标核心控制单元(44)提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC;

所述浮标数据存储单元(37)用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，浮标核心控制单元(44)可对其进行读写操作;

所述浮标水泵(38)设置于浮标电子舱(17)内部，用于接收浮标核心控制单元(44)控制信号，并将运行结果反馈给浮标核心控制单元(44);浮标水泵的两端分别设有浮标水袋，并与舱外海水相连，通过调节浮标水袋存水量调节智能浮标(1)的重力，从而调节智能浮标(1)的上浮或下沉;

所述浮标漏水检测单元(39)用于检测浮标电子舱(17)及其他设备的独立舱体的漏水情况，并发送至浮标核心控制单元(44)，根据漏水情况和位置，浮标核心控制单元(44)将采取紧急应对措施;

所述浮标第二通讯换能器(40)与浮标水声通讯单元(41)连接，再与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯;所述浮标第二通讯换能器(40)负责声电及电声转换;

所述浮标水声通讯单元(41)用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与浮标核心控制单元(44)通讯;

所述浮标第二定位换能器(43)与浮标水声定位单元(42)连接，再与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯;所述浮标第二定位换能器(43)用于声电及电声转换;

所述浮标水声定位单元(42)用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与浮标核心控制单元(44)通讯;

所述浮标核心控制单元(44)由嵌入式系统构成，用于与浮标无线通讯单元、浮标卫星定位单元、浮标卫星通讯单元、浮标电机控制单元、浮标电源管理单元、浮标水声通讯单元以及浮标水声定位单元进行通讯、运行主控程序和执行应急程序。

4.根据权利要求1所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述智能潜水器系统包括若干个智能潜水器(2)，其中，每一个智能潜水器(2)均包括：潜水器第一通讯换能器(45)、潜水器第一定位换能器(46)、潜水器导流罩(47)、潜水器电子舱(48)、潜水器水密接插件(49)、潜水器水袋(50)、潜水器水平翼(51)、潜水器垂直尾翼(52)、潜水器尾推进器(53)、潜水器无线通讯天线(54)、潜水器卫星通讯天线(55)、潜水器卫星定位天线(56)以及潜水器控制系统;其中：

潜水器第一通讯换能器(45)和潜水器第一定位换能器(46)均布置于潜水器导流罩(47)的船首位置，以提高声信号性能;

所述潜水器电子舱(48)为圆筒状耐压干舱，安装于潜水器导流罩内部，并通过潜水器水密接插件(49)与外部设备电连接;

所述潜水器水密接插件(49)分布于潜水器电子舱(48)的上下舱盖平面上;

所述潜水器导流罩(47)为椭球形结构，流体阻力小;潜水器导流罩与潜水器电子舱之间可安装用户设备、传感器或加装用于船体静力学配平的浮力材料、压载铅块;

所述潜水器水袋布置于潜水器导流罩(47)内部偏前侧、潜水器电子舱(48)的下部，用于运动控制过程中船体重力的调节;

所述潜水器水平翼(51)为1对，1对潜水器水平翼分别安装于潜水器导流罩左右两侧，为固定翼，起稳定船体平衡的作用;

所述潜水器垂直尾翼(52)为1对，1对潜水器垂直尾翼(52)分别安装于潜水器导流罩尾部上下两侧，紧跟潜水器水平翼(51)之后，为固定翼，起稳定船体平衡的作用;

所述潜水器尾推进器(53)安装于潜水器导流罩(47)的尾部，用于提供水平推力;

所述潜水器无线通讯天线(54)、潜水器卫星通讯天线(55)、潜水器卫星定位天线(56)均布置在向上的潜水器垂直尾翼(52)上，尽可能提高安装高度从而提高信号质量;

所述潜水器控制系统设置于所述潜水器电子舱(48)内部。

5.根据权利要求4所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述潜水器控制系统包括：潜水器无线通讯单元(57)、潜水器卫星定位单元(58)、潜水器卫星通讯单元(59)、潜水器漏水检测单元(60)、潜水器电机控制单元(61)、潜水器尾推进器电机(62)、潜水器深度计(63)、潜水器高度计(64)、潜水器陀螺仪(65)、潜水器罗盘(66)、潜水器电池(67)、潜水器电源管理单元(68)、潜水器用户接口(69)、潜水器数据存储单元(70)、潜水器水泵(71)、潜水器姿态控制单元(72)、潜水器纵向调节电机(73)、潜水器横向调节电机(74)、潜水器第二通讯换能器(75)、潜水器水声通讯单元(76)、潜水器水声定位单元(77)、潜水器第二定位换能器(78)和潜水器核心控制单元(79);其中：

所述潜水器无线通讯单元(57)与潜水器无线通讯天线(54)连接，并与潜水器核心控制单元(79)进行串口通讯;

所述潜水器卫星定位单元(58)与潜水器卫星定位天线(56)连接，并与潜水器核心控制单元(79)进行串口通讯;

所述潜水器卫星通讯单元(59)与潜水器卫星通讯天线(55)连接，并与潜水器核心控制单元(79)进行串口通讯;

所述潜水器漏水检测单元(60)用于检测潜水器电子舱(48)及其他设备的独立舱体(如有)的漏水情况，并发送至潜水器核心控制单元(79);根据漏水情况和位置，潜水器核心控制单元将采取紧急应对措施;

所述潜水器电机控制单元(61)与潜水器尾推进器电机(62)相连，控制潜水器尾推进器(53)的转速，从而控制智能潜水器(2)的运动轨迹;

所述潜水器电机控制单元(61)与潜水器核心控制单元(79)迸行串口通讯;

所述潜水器深度计(63)、潜水器高度计(64)、潜水器陀螺仪(65)、潜水器罗盘(66)的数据均由核心控制单元(79)采集，作为智能潜水器(2)的运动控制系统的状态反馈信号;

所述潜水器电池(67)通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用温差发电方式;潜水器电池(67)为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由潜水器电源管理单元(68)管理;

所述潜水器电源管理单元(68)与潜水器核心控制单元(79)间采取串口通讯;

所述潜水器用户接口(69)是潜水器核心控制单元(79)提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC;

所述潜水器数据存储单元(70)是用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，潜水器核心控制单元(79)可对其进行读写操作;

所述潜水器水泵(71)设置于潜水器电子舱(48)内部，用于接收潜水器核心控制单元(79)控制信号，并将运行结果反馈给潜水器核心控制单元(79);潜水器水泵(71)的两端分别与潜水器水袋(50)和舱外海水相连，通过调节潜水器水袋存水量调节智能潜水器(2)的重力，从而调节智能潜水器(2)的上浮或下沉;

所述潜水器姿态控制单元(72)由潜水器纵向调节电机(73)和潜水器横向调节电机(74)的驱动;

所述潜水器第二通讯换能器(75)与潜水器水声通讯单元(76)连接，再与潜水器核心控制单元(79)进行串口通讯;

所述潜水器第二通讯换能器(75)用于声电及电声转换;

所述潜水器水声通讯单元(76)用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与潜水器核心控制单元(44)通讯;

所述潜水器第二定位换能器(43)与潜水器水声定位单元(42)连接，再与潜水器核心控制单元(79)进行串口通讯;

所述潜水器第二定位换能器(78)用于声电及电声转换;

所述潜水器水声定位单元(77)用于发送阶段的信号形成及接收阶段的信号放大、滤波、采集、数字信号处理及与潜水器核心控制单元(79)通讯;

所述潜水器核心控制单元(44)由嵌入式系统构成，用于与潜水器无线通讯单元、潜水器卫星定位单元、潜水器卫星通讯单元、潜水器电机控制单元、潜水器电源管理单元、潜水器水声通讯单元以及潜水器水声定位单元进行通讯、运行主控程序和执行应急程序。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述智能浮标系统采取"卫星定位-惯性导航"组合定位，具体为，智能浮标系统浮上水面时接收卫星系统发出的的卫星定位信号(4)，沉入水下时依靠惯性导航定位。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述智能潜水器系统采取"卫星定位-水声定位-惯性导航”组合定位，具体为：智能潜水器系统浮上水面时接收卫星系统发出的卫星定位信号，潜入水下时依靠“水声定位-惯性导航”组合定位，即接收智能浮标系统发出的水声定位信号(8)，计算智能浮标系统坐标下智能潜水器系统的位置坐标，并将水声定位的数据与惯性导航的数据进行数据融合，从而提高定位精度。

8.根据权利要求7所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述水声定位具体为：通过测量水声定位信号的传播时间差计算智能潜水器系统与智能浮标系统间的斜距离，然后根据智能浮标系统中的坐标和对应的斜距离推算智能潜水器系统的位置坐标。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述智能浮标系统和智能潜水器系统之间采用的控制指令、反馈信号及小数据量调查结果采取水声通讯信号(7)、无线通讯信号(8)和卫星通讯信号(6)，具体为：

实现潜入水下时，智能浮标系统和智能潜水器系统间采取水声通讯信号(7);

浮上水面时，智能浮标系统和智能潜水器系统间采取无线通讯信号(8);

信息最终汇集至担任中枢节点的智能浮标系统，并通过卫星通讯信号(6)与陆地数据终端系统(3)交换数据。

Images