CN103501202B - 基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统，它包括船载基站、中继站、近处水声浮标阵及远处水声浮标阵；所述近处水声浮标阵通过无线网络与所述船载基站连接形成无线局域网；所述远处水声浮标阵通过无线网络与所述中继站连接形成无线局域网，所述中继站通过一微波传输系统与所述船载基站连接形成微波传输网。还涉及方法，本发明的通信系统及方法，其网络节点扩展方便，可以根据实际需要增加浮标的数量，同时，借助微波传输系统实现船载基站与浮标的远距离通信，可多区域同时跟踪；此外，设备维护方便，通信可靠性高，可以保证系统对水下目标的实时跟踪。

Description

基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统及方法

技术领域

本发明涉及水下目标定位跟踪技术和无线电通信技术领域，特别涉及一种基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统及通信方法。

背景技术

水下目标定位跟踪技术被广泛应用于各种水下目标的定位和跟踪，以及水声对抗领域。现有的水下目标定位跟踪通信系统，由一个基站加若干个浮标组成简单的无线通信网，使用自己内部的通信协议，而不是通用的TCP/IP通信协议，网络节点少，扩展不方便，导致定位跟踪的水下目标有限。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统及方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统，它包括船载基站、中继站、近处水声浮标阵及远处水声浮标阵；

所述近处水声浮标阵通过无线网络与所述船载基站连接形成无线局域网；

所述远处水声浮标阵通过无线网络与所述中继站连接形成无线局域网，所述中继站通过一微波传输系统与所述船载基站连接形成微波传输网。

优选的，所述近处水声浮标阵/远处水声浮标阵由至少四个浮标组成。

优选的，所述近处水声浮标阵与所述船载基站之间通过无线网桥连接，所述远处水声浮标阵与所述中继站之间通过无线网桥连接，所述无线网桥上的通信接口为网口。

优选的，所述无线局域网执行WLAN空中接口标准IEEE802.11b标准，所述微波传输网执行WLAN空中接口标准IEEE802.16标准。

一种基于无线网络的水下目标定位跟踪通信方法，包括以下步骤：

处于同一网段的浮标与船载基站/中继站建立无线网络连接，处于不同网段的中继站与船载基站通过微波传输系统建立微波传输网络连接；

船载基站根据IP地址与对应的浮标进行通信，向对应的浮标下发帧命令；

浮标接收所述帧命令，根据帧命令中“帧类型和补码”判断该帧命令的用途，然后执行所述帧命令；

浮标根据IP地址向所述船载基站回传反馈信息。

进一步的，所述船载基站根据IP地址与对应的浮标进行通信，向对应的浮标下发帧命令具体包括步骤：

判断当前帧命令中的IP地址与船载基站是否处于同一个网段内；

若是，则判断为船载基站与对应的浮标可以直接通信，不需要经过中继站，船载基站直接将帧命令发送至同一网段内对应的浮标；

若不是，则判断为船载基站需要通过中继站才能与对应的浮标通信，船载基站先将帧命令发送至对应网段中的中继站，中继站再将该帧命令转发至同一网段内对应的浮标。

进一步的，所述浮标向所述船载基站回传反馈信息具体包括步骤：

判断当前反馈信息中的IP地址与浮标是否处于同一个网段内；

若是，则判断为浮标与对应的船载基站直接通信，不需要经过中继站，浮标直接将反馈信息发送至同一网段内的船载基站；

若不是，则判断为浮标需要通过中继站才能与对应的船载基站通信，浮标先将反馈信息发送至同一网段中的中继站，中继站再将该反馈信息转发至对应网段内的船载基站。

进一步的，所述船载基站以分时的方式和各个浮标通信，时隙由船载基站进行分配，每次船载基站只与其中一个浮标进行通信。

本发明的有益效果是：其一、本发明的通信系统及方法，由浮标、中继站和船载基站组成一个多元的无线网络， 其网络节点扩展方便，可以根据实际需要增加浮标的数量，这样定位和跟踪的水下目标的范围就可以显著增加，实现大范围多个水下目标的跟踪；其二、无线网络通过微波传输系统可以允许浮标与船载基站距离很远，即借助微波传输系统实现船载基站与浮标的远距离通信，可多区域同时跟踪；其三、该通信系统及方法除了实现船载基站与浮标的通信，还实现了船载基站对浮标的遥控，船载基站对整个水下目标定位跟踪系统的工作状态可以进行控制，同时可以顺利从浮标上得到探测数据回传至基站。此外，设备维护方便，通信可靠性高，可以保证系统对水下目标的实时跟踪。

附图说明

图1是本发明系统实施例的系统框图

图2是本发明系统实施例的通信原理图；

图3是本发明方法的流程图；

图4是浮标接收帧命令判定帧类型的流程图；

图5是应用本发明方法进行水下航行器定位跟踪的效果图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便更清楚、直观地理解本发明的发明实质。

参照图1至图2所示，本实施例提供了一种基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统，它包括船载基站10、中继站30、近处水声浮标阵及远处水声浮标阵；每个近处水声浮标阵/远处水声浮标阵由至少四个浮标20组成。所述近处水声浮标阵通过无线网络与所述船载基站10连接形成无线局域网；所述远处水声浮标阵通过无线网络与所述中继站30连接形成无线局域网，所述中继站30通过一微波传输系统40与所述船载基站10连接形成微波传输网。

具体的，该系统是基于TCP/IP通信协议实现通信的，近处水声浮标阵与所述船载基站10之间通过无线网桥连接，所述远处水声浮标阵与所述中继站30之间通过无线网桥连接，无论是无线网桥，还是微波传输系统40，其提供的通信接口均为网口。本系统中，船载基站10和中继站30相当于服务器，浮标20相当于客户端。通信分为上行和下行，船载基站10至浮标20的通信为下行，浮标20至船载基站10的通信为上行，上下行通信采用一样的数据帧结构。

船载基站10和浮标20组成一个无线局域网，中继站30和浮标20组成的若干个无线局域网，以及微波传输系统40、船载基站10和中继站30构成的微波传输网。无线局域网执行WLAN空中接口标准IEEE802.11b标准，并对信号功率进行放大，所述微波传输网执行WLAN空中接口标准IEEE802.16标准。

上述无线局域网以中继站30或者船载基站10为中心进行组网。微波传输系统40以分布式方式组网，可以满足全工作区域内的通信覆盖，系统内各节点是对等的，每个节点与周围节点形成多条链路，并且可以选择其中一条链路来传输本节点或其他节点的信息。微波传输系统40相邻节点均可进行业务交换，每个业务也可通过其它节点路由到达目地站点。船载基站10和所有中继站30的通信采用上述微波传输系统40进行。在该通信中，微波传输系统40提供网口供中继站30和船载基站10接入，微波传输系统40自带有路由器，采用AODV按需路由方式进行数据传输，中继站30和船载基站10可以处于不同的IP网段，经过一级中继后浮标20与基站的通信距离可以达到40公里。

船载基站10、中继站30和浮标20上装有GPS定位装置，它们之间的距离可以通过GPS来确定。船载基站10、中继站30和浮标20上配备无线网桥和天线，它们之间可以进行无线网络通信，经过功率放大后它们之间的有效通信距离可以达到8千米。因此，对于通信距离小于8千米的浮标20，即为近处水声浮标20阵中的浮标20，船载基站10可以直接和该浮标20进行通信。对于通信距离超过8千米的浮标20，即为远处水声浮标20阵中的浮标20，船载基站10与该浮标20的通信则必须经过中继站30，借助微波传输系统40实现。

参照图3所示，本实施例提供了一种基于无线网络的水下目标定位跟踪通信方法，该通信方法基于TCP/IP协议实现，分为上行和下行通信，船载基站至浮标的通信称为下行通信，浮标至船载基站的通信称为上行通信。船载基站和浮标既可以直接进行通信，也可以经过中继站进行通信，以哪种途径进行通信由通信距离和组网方式决定。在浮标布放前，根据通信距离和组网方式提前设定好船载基站、中继站和浮标的IP地址，这样系统就可以根据IP地址确定通信的路由，船载基站、浮标和各个中继站都有唯一的IP地址。浮标与船载基站距离较近时，可直接进行通信，通信的方式为浮标无线电通信，此时船载基站作为服务器，浮标作为客户端，浮标与船载基站处于同一个网段内，实现船载基站与浮标一对多的通信。浮标与船载基站距离较远时，通过中继站进行通信，通信的方式为浮标与中继站的无线电通信，船载基站与中继站的微波通信，此时中继站与船载基站都为服务器，浮标为客户端，浮标与船载基站处于不同的网段，而是与中继站在一个网段，实现船载基站与浮标的跨网段无线通信。这里的微波通信借助一套微波传输系统进行，经过一级中继后的有效通信距离可以达到40千米，微波传输系统可以很方便地接入网口，中继站与船载基站可以处于不同的网段。

该通信方法包括以下步骤：

S10、处于同一网段的浮标与船载基站/中继站建立连接，处于不同网段的中继站与船载基站通过微波传输系统建立连接；

该步骤中，位于同一网段浮标与船载基站可以直接进行通信，位于不同网段的浮标和船载基站则需要通过中继站才能进行通信。

S20、船载基站根据IP地址与对应的浮标进行通信，向对应的浮标下发帧命令，即下行通信；该步骤具体包括：

首先，判断当前帧命令中的IP地址与船载基站是否处于同一个网段内；

若是，则判断为船载基站与对应的浮标可以直接通信，不需要经过中继站，然后，船载基站直接将帧命令发送至同一网段内对应的浮标；

若不是，则判断为船载基站需要通过中继站才能与对应的浮标通信，然后，船载基站先将帧命令发送至对应网段中的中继站，中继站再将该帧命令转发至同一网段内对应的浮标。

S30、浮标接收所述帧命令，根据帧命令中“帧类型和补码”判断该帧命令的用途，然后执行所述帧命令。例如图4：浮标收到一帧命令时，根据接收帧的“帧类型和补码”，对照帧类型定义，确定命令的用途，如“帧类型和补码”为十六进制数FE01H时，表示该命令是要进行系统初始化，浮标执行“系统初始化”的命令。

S40、浮标根据IP地址向所述船载基站回传反馈信息，该反馈信息可以包含数据也可以不包含数据。即上行通信，该步骤和下行通信类似，具体包括：

首先，判断当前反馈信息中的IP地址与浮标是否处于同一个网段内；

若是，则判断为浮标与对应的船载基站直接通信，不需要经过中继站，然后，浮标直接将反馈信息发送至同一网段内的船载基站；

若不是，则判断为浮标需要通过中继站才能与对应的船载基站通信，然后，浮标先将反馈信息发送至同一网段中的中继站，中继站再将该反馈信息转发至对应网段内的船载基站。

由于本通信方法是一个多用户通信方法，每个局域网以中继站或者船载基站为中心，众多节点组成一个星型网络，通信方式为一对多的通信，如果不采取措施各信道之间会产生干扰，因此上述无线局域网的通信就涉及到一个多址接入的问题。目前常用的多址接入方式有频分多址、时分多址和码分多址三种方式。本通信方法采用时分多址的方式实现基站与浮标一对多的通信。时分多址就是船载基站和所有的浮标使用相同的频段和扩频码，船载基站以分时的方式和各个浮标通信，时隙由基站进行分配，每次船载基站只与其中一个浮标进行通信。

在本水下目标定位跟踪通信中，船载基站可以对浮标的工作状态进行遥控，浮标在收到船载基站的遥控命令后可以更改浮标的工作状态以及各种参数。在该通信模式中，船载基站既是显控端又是通信服务器，浮标为受控端和客户端。为了确保水下目标定位跟踪的无线网络通信系统各通信节点通信的有效性和可靠性，系统需要对收发端数据帧结构的内容提前进行约定，约定的内容包括用于识别的帧头、地址段、该帧的用途和所包含的数据，水下目标定位跟踪系统通信数据帧结构如表1所示：

表1 水下目标定位跟踪系统通信数据帧结构

段名	帧头	地址段	帧类型及补码	数据长度	数据段
						内容	D22D	IP地址	IDIDC	MDL	DATE
长度（字）	2	2	1	1	N

表1中水下目标定位跟踪的无线网络通信系统的通信数据帧结构，由帧头、地址段、帧类型及补码、数据长度、数据段构成。帧头是一个特殊的起始字D22D（十六进制，其中2D为D2的补码），长度为一个字（一个字为两个字节，大小为16bit）。船载基站根据浮标的IP地址和浮标进行通信，每一个浮标都有唯一的IP地址，浮标的IP地址事先进行分配。分配的原则为：与船载基站处在同一个无线局域网的浮标，其IP地址与船载基站的IP地址处在同一个网段内；同样，浮标如果处在由某个中继站组成的无线局域网内，则浮标的IP地址与该中继站的IP地址处在同一个网段内；每个局域网网段不一样，即船载基站、各个中继站处于不同网段。因此，需不需要经过中继站，经过哪一个中继站从浮标的IP地址可以判断出。“帧类型及补码”用来确定该帧的用途，“帧类型及补码”和命令是一一对应关系，不同的“帧类型及补码”对应着不同的命令，水下目标定位跟踪的无线网络通信系统，其通信协议的主要命令为：

系统初始化：帧类型及补码Frame Type =“FE01H”(FE为01的补码，下同)。该命令主要完成以下功能：命令浮标从值班状态转换到工作状态，浮标向船载基站回传GPS坐标值，测试浮标是否能与船载基站进行正常通信。

设置帧同步及工作模式：帧类型及补码Frame Type =“FD02H”。该命令是向所有的节点传送系统的同步周期、同步时刻等系统同步所必需的信息，以及通知浮标是否内记、是否锁存原始数据。

轮询：帧类型及补码Frame Type =“FC03H”。船载基站按照各节点是否还有待传数据，对每个浮标进行询问，如果还有待传数据则命令各个节点向船载基站回传水声数据。浮标每次回传一个周期数据，若还有待传数据或船载基站未正确接收该帧数据，则船载基站在对所有浮标轮询一遍且距本同步周期结束还有一定时间时，再次询问此浮标。

浮标自检：帧类型及补码Frame Type =“FB04H”。该命令通知浮标进行外设的自检，主要包括浮标声学板工作状态、GPS导航模式、通信板FLASH当前页指针及偏移量、电池状态及漏水报警等。浮标把检测结果以实时声学数据形式送至通信板，通信板提取声学板背景噪声和时延估计结果，与其它自检结果一起传给船载基站。

设置声学参数：帧类型及补码Frame Type =“FA05H”。该命令将设置浮标声学板的部分声学参数。

内记数据回传：帧类型及补码Frame Type =“F906H”。船载基站通过该命令读取浮标内记在FLASH中的声学及GPS导航数据。

待机：帧类型及补码Frame Type =“F807H”。该命令的功能是通知浮标收到这条命令进入值班状态。浮标进入值班状态后，模拟板和声学板的电源都关闭，只有浮标通信板的电源不关闭。一旦浮标在待机的5秒时间内接收到了船载基站发送的进入工作状态命令，浮标各个模块都开始重新上电初始化。

回传原始数据：帧类型及补码Frame Type =“F708H”。浮标通信板收到该指令后，传给声学板，声学板从FPGA读出锁存数据的起始地址，根据主控计算机下传的帧序号及帧长度计算相对地址，进而得到绝对地址，由FPGA读出相应数据，然后回传数据。

清除浮标内记数据：帧类型及补码Frame Type =“F609H”。清除浮标通信板FLASH内记存储的数据，使其重新初始化，以便写入新的数据。

查询同步状态：帧类型及补码Frame Type= “F50AH”。船载基站通过该命令来查询浮标是否已经进入同步状态，以及查询电池的状态。

下传差分数据：帧类型及补码Frame Type=“F40BH”。船载基站通过该命令向浮标发送船载基站的DGPS差分信息，浮标仅仅把收到的差分数据发送到DGPS接收机的差分数据接口，不向船载基站发送数据。

清除浮标FLASH数据：帧类型及补码Frame Type=“F30CH”。清除浮标声学板FLASH中已存的原始波形数据。

查询浮标FLASH数据是否已清除完毕：帧类型及补码Frame Type=“F20DH”。查询各个浮标声学板FLASH中的数据是否已经清除完毕。一般用于通过设置帧同步命令使声学板锁存原始数据之前发。

停止锁存原始数据并停止内记：帧类型及补码Frame Type=“F10EH”。该命令可使设置帧同步命令中的声学板FLASH中原始数据的锁存和通信板FLASH中数据的内记停止下来。

图5是使用该通信方法实现水下目标定位跟踪的效果图，该图是船载基站显控软件给出的其中一个水下航行器的轨迹图，该图中浮标数量为10个，跟踪范围为3km×12km，可以同时定位跟踪至少5个水下航行器。经过海上试验表明，把该通信方法应用于水下目标定位跟踪系统是可行的，并且有三点有益效果：一是网络节点扩展方便，可以根据实际需要增加浮标的数量，这样定位和跟踪的水下目标的范围就可以显著增加；二是浮标可以远离基站，借助微波传输系统实现基站与浮标的远距离通信，可多区域同时跟踪；三是基站对浮标便于控制，设备维护方便，通信可靠性高，可以保证系统对水下目标的实时跟踪。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于水下目标定位跟踪的无线网络通信系统，其特征在于：它包括船载基站、中继站、近处水声浮标阵及远处水声浮标阵；

所述近处水声浮标阵通过无线网络与所述船载基站连接形成无线局域网；

所述远处水声浮标阵通过无线网络与所述中继站连接形成无线局域网，所述中继站通过一微波传输系统与所述船载基站连接形成微波传输网；

所述无线局域网执行WLAN空中接口标准IEEE802．11 b标准，所述微波传输网执行WLAN空中接口标准IEEE802．16标准；

所述船载基站、中继站和浮标上装有GPS定位装置，所述船载基站、中继站和浮标彼此之间的距离通过所述GPS定位装置确定；

所述近处水声浮标阵／远处水声浮标阵由至少四个浮标组成；

所述近处水声浮标阵与所述船载基站之间通过无线网桥连接，所述远处水声浮标阵与所述中继站之间通过无线网桥连接，所述无线网桥上的通信接口为网口。

2.一种基于无线网络的水下目标定位跟踪通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

处于同一网段的浮标与船载基站／中继站建立无线网络连接，处于不同网段的中继站与船载基站通过微波传输系统建立微波传输网络连接；

船载基站根据IP地址与对应的浮标进行通信，向对应的浮标下发帧命令：

浮标接收所述帧命令，根据帧命令中“帧类型和补码”判断该帧命令的用途，然后执行所述帧命令；

浮标根据IP地址向所述船载基站回传反馈信息；

所述船载基站根据IP地址与对应的浮标进行通信，向对应的浮标下发帧命令具体包括步骤：

判断当前帧命令中的IP地址与船载基站是否处于同一个网段内；

若是，则判断为船载基站与对应的浮标可以直接通信，不需要经过中继站，船载基站直接将帧命令发送至同一网段内对应的浮标；

若不是，则判断为船载基站需要通过中继站才能与对应的浮标通信，船载基站先将帧命令发送至对应网段中的中继站，中继站再将该帧命令转发至同一网段内对应的浮标；

所述浮标向所述船载基站回传反馈信息具体包括步骤：

判断当前反馈信息中的IP地址与浮标是否处于同一个网段内；

若是，则判断为浮标与对应的船载基站直接通信，不需要经过中继站，

浮标直接将反馈信息发送至同一网段内的船载基站；

若不是，则判断为浮标需要通过中继站才能与对应的船载基站通信，浮标先将反馈信息发送至同一网段中的中继站，中继站再将该反馈信息转发至对应网段内的船载基站；

所述船载基站以分时的方式和各个浮标通信，时隙由船载基站进行分配，每次船载基站只与其中一个浮标进行通信。