CN104215986A - 一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统 - Google Patents
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Abstract
一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，通信/定位系统由通信终端系统、铱星卫星链路、全球定位系统定位模块、射频天线、和岸站数据中心组成；通信终端系统包括水下滑翔器的移动通信回收端电路，铱星卫星链路，所述铱星卫星链路以铱星网络卫星为传输中继媒介，通过数据接口与水下滑翔器外部设备连接，铱星卫星链路采用Direct IP传输方式建立，铱星卫星链路通过数据传输终端和绑定静态IP地址的岸站数据中心之间的通信，并借助于铱星卫星链路通信网络和铱星运营商的网络平台，完成双向数据通信功能：本发明公开了一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统。
Description
技术领域
本发明公开了一种通信与定位方法，具体涉及一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统。
背景技术
海事作业的特殊环境对通信的可靠、快速反应能力和保密具有较高的要求，海上通信一直是进行海洋开发的瓶颈之一。由于在海洋上建设和维护基站设施成本巨大，现有的公用移动通信网络如GSM、GPRS、CDMA等常规通信手段难以使用；而甚高频频段的无线通信方式覆盖范围有限，无法实现超视距的无缝覆盖网络。目前海洋船-岸和船-船之间的通信主要依靠短波、超短波电台，以及卫星通信设备。短波通信虽然通信距离较远，但抗干扰能力差、误码率高、数据接收率低，且功耗高。
水下滑翔器即Sea glider，作为一种新型水下探测设备，通过内部配重的调节，可在海洋轻松上浮和下潜，并在水下不间断工作数月之久，是目前最先进的海洋科考、勘探的考察工具之一。由于水下滑翔器任务工作周期长，且海上环境极其复杂，需要可靠的通信和精确的定位将采集到的观测数据和相关位置信息汇聚传输到岸站控制中心。因此，本发明采用卫星通信进行终端与岸站之间的联系，目前卫星通信可分为同步卫星和低轨移动卫星，前者以Inmarsat卫星通信为代表，具有可靠性高、数据接收率达95％以上，但功耗和通信费用较高的特点；后者以铱星卫星通信为代表，具有终端便携性好、功耗低等特点。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种通信与定位方法和系统，具体涉及一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，用以实现水下滑翔器浮出洋面后的实时定位以及水下滑翔器与岸站之间的通信功能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统及方法，通信/定位系统由通信终端系统、铱星卫星链路通信模块、全球定位系统(GPS)定位模块、射频天线、和岸站数据中心组成；通信终端系统包括移动通信回收端电路，铱星卫星链路是由铱星公司创建，旨在建立一条能够进行铱星卫星通信的链路，所述链路以铱星网络卫星为传输中继媒介，通过数据接口与水下滑翔器等外部设备连接，铱星卫星链路采用Direct IP传输方式建立，铱星卫星链路通过数据传输终端和绑定静态IP地址的岸站数据中心之间的通信，并借助于铱星卫星链路通信网络和 铱星运营商的网络平台，完成双向数据通信功能：铱星数传终端和绑定IP地址的岸站控制中心之间的相互通信；水下滑翔器的移动通信回收端亦通过Direct IP传输方式和岸站数据中心进行联系，通过铱星通信网络实时获知水下滑翔器的位置信息。
移动通信回收端通信终端系统：移动回收端以岸站为中继与水下滑翔器进行通信，移动回收端与岸站之间的通信流程与水下滑翔器与岸站之间的通信流程类似。移动回收端回收水下滑翔器的回收流程为：回收端上电，实时显示自身位置；回收端向岸站数据中心发送想要回收的水下滑翔器的编号；岸站数据中心不断将该水下滑翔器的位置通过铱星链路发送到移动回收端中；移动回收端逐步靠近要回收的水下滑翔器，并可依据回收过程中的现场情况将具体的回收控制指令借由岸站作为传输中继，发送至需要回收的水下滑翔器，对其进行回收。
岸站数据中心由GSS网关与上位机系统构成，上位机通过Direct IP传输方式与GSS网关进行信息交互，实现数据的接收和存储，以及实现对终端即水下滑翔器海上远程控制。
通信终端系统、铱星卫星链路、移动回收端和岸站数据中心组成水下滑翔器海上远程铱星双向通信系统，具有保密报文通信和授时等功能。
使用高效、低功耗的GPS定位模块获取水下滑翔器浮出水面后的实时位置信息，通过对采集到的位置信息进行解析，并进行相关算法的优化处理，最终得到更精确的位置信息。
采用铱星/GPS双模天线，可同时接收铱星和GPS卫星信号；天线外层做水密处理，使用防水胶包裹并经硫化处理；通过水密射频线缆和特别设计的水密接插件与水下滑翔器舱体连接；水密射频线缆外层使用碳纤维管包覆，碳纤维管同时用于支撑天线。
铱星通信模块以铱星网络卫星为传输中继媒介，通过串口与外部设备连接，提供透明的数据接口。铱星传输模块亦可以采用电子邮件方式、Direct IP方式或端对端方式(两个铱星数传终端之间)实现突发短数据通信传输。考虑到通信成本方面的因素，本设计方案采用Direct IP传输方式，铱星数传终端和绑定静态IP地址的岸站控制中心之间借助于铱星通信网络和铱星运营商的网络平台，完成双向数据通信功能。移动回收端亦能与岸站进行双向数据通信，获取水下滑翔器的位置信息等，实时监控其位置，方便出海回收。
采用单GPS模块定位，不工作时进行通信模块休眠。对采集到的位置数据进行一定的处理优化。
本发明系统设计包括终端电路、铱星通信模块、全球定位系统(GPS)定位模块、射频天线等多个部分，具有保密报文通信、报警、定位和授时等功能。在水下时间段，滑翔器利用惯性导航系统记录其水下航行轨迹；在水上时间段，使用GPS作为定位数 据源并通过铱星网络卫星与岸站数据中心进行数据交互。水下滑翔器浮出洋面后，一方面将水下采集的各种感知数据及其当前GPS实时定位信息通过铱星通信卫星发送至岸站数据中心；另一方面将其GPS实时定位信息交由惯性导航系统以便其对于位置偏差进行校正。本发明通信可靠性高、定位精度好、总体功耗低，可满足水下滑翔器实际使用需求。
有益效果：大大降低了功耗，使得滑翔器的使用寿命大大增加。增加了终端与岸站之间通信的可靠性，减小了天线的体积，降低了重量，满足水密耐压要求。
附图说明
表1是天线的电气技术规范参数
图1是定位通信系统结构图
图2是定位通信终端框图
图3是定位通信终端系统工作流程图
图4是定位通信终端紧急状态处理流程
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
1、一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，通信终端系统设计包括终端电路、铱星通信模块、GPS定位模块、射频天线等多个部分。图1中，整个通信系统由通信终端系统、铱星卫星链路和岸站数据中心三部分组成。终端电路结构框图如图2，由嵌入式系统构成，受海洋环境和资源的限制，在体积、功耗和成本等方面都有较高要求。在微控制器的选型上，既要保证芯片资源满足应用需求，又要兼顾低功耗。发明的通信终端系统采用嵌入式微控制器，根据水下滑翔器工作周期长等特点，可选择具备低功耗和低电压特性、并保持高度的集成性能的微处理器，如基于ARM COTEX-M3内核的微处理器。系统中，微控制器通过串口与铱星通信模块和北斗定位模块以及主控机相连。
整体的系统终端工作流程如图3所示。终端电路上电后打开GPS定位模块和铱星通信模块的电源，之后通信终端系统和主控机(水下滑翔器上的传感器和控制设备)之间进行通信，终端系统将主控机传送过来的数据加上由GPS定位模块采集来的经纬度信息按照约定的数据帧通过铱星发送出去。如果终端接收到睡眠信号，则将GPS定位模块和铱星通信模块断电，并令终端电路进入停机状态以节省能量。通信终端系统若接收到来自岸站数据中心的数据则将其交由主控机，主控机将根据岸站的指令做出响应。
2、通信终端系统向岸站发送数据流程：
(1)通信终端系统接收来自主控机的指令和各类传感器数据；
(2)通过铱星通信模块的Direct IP传输模式按照约定好的数据帧格式将数据发送到铱星卫星链路，数据通过链路到达铱星服务器；
(3)铱星服务器将数据推送到之前绑定的静态IP中；
(4)岸站对接收到的卫星下行数据进行解码，提取出用户数据。
岸站向通信终端系统发送数据流程
(1)岸站向铱星服务器发送需要转发到水下滑翔器的数据；
(2)铱星服务器通过铱星卫星链路将数据转发到该铱星通信模块的通信终端系统中；
(3)通信终端系统定时接收服务器信息，并将接收到的数据传输给主控机；
(4)主控机接收到了来自岸站的数据，从而进行一定的调整。
由此，完成双向数据通信功能。
3、当水下滑翔器出现故障或处于紧急状态时，将触发报警，系统进入紧急工作状态，其工作处理如图4所示。当主控机触发报警功能，将向通信终端系统发出报警指令，通过铱星通信模块向岸站数据中心发出报警信息等待救援，报警信息中内含系统实时采集到的位置信息。
4、水下滑翔器工作完成或任务过程中出现故障触发报警进入紧急状态后，均需要对水下滑翔器进行回收。在出海回收过程中，可能接收不到陆地上的通信信号，可利用移动回收端与水下滑翔器上的通信系统进行通信，对其发出动作控制指令。移动回收端的结构原理与水下滑翔器上的定位通信终端相同，可参考图2所示的通信终端框图。移动回收端以岸站为中继与水下滑翔器进行通信，移动回收端与岸站之间的通信流程与水下滑翔器与岸站之间的通信流程类似。移动回收端回收水下滑翔器的回收流程为：
(1)回收端上电，实时显示自身位置；
(2)回收端向岸站数据中心发送想要回收的水下滑翔器的编号；
(3)岸站数据中心不断将该水下滑翔器的位置通过铱星链路发送到移动回收端中；
(4)移动回收端逐步靠近要回收的水下滑翔器，并可依据回收过程中的现场情况将具体的回收控制指令借由岸站作为传输中继，发送至需要回收的水下滑翔器，对其进行回收。
5、本发明使用高效、低功耗的GPS定位模块获取水下滑翔器浮出水面后的实时位置信息，通过对采集到的位置信息进行解析，并将位置信息进行平滑滤波然后进行卡尔曼滤波，最终得到更精确的位置信息。其具体流程如下：
(1)GPS定位模块上电开始工作；
(2)GPS搜星，得到定位信息；
(3)将定位信息交给终端电路的微控制器；
(4)微控制器解析定位信息，对其进行十个数据一组取平均值；
(5)将平均值进行卡尔曼滤波，得到最终的位置信息。
6、本发明据水下滑翔器的工作特点，用于通信和定位的铱星和GPS天线对尺寸、重量、水密和耐压等方面也有严苛要求。为此，设计了铱星/GPS双模天线，以减小天线自身的尺寸和重量从而降低其对于功耗和水下航行的影响；天线外层水密处理：天线外层整体用环氧树脂及防水胶包裹和硫化处理，通过水密射频线缆和特别设计的水密接插件与水下滑翔器舱体连接，以满足其对于水密和耐压方面的需求；同时水密射频线缆外层使用碳纤维管包覆起到支撑天线的作用。铱星/GPS双模天线主要电气技术规范参数如表1所列。
Claims (6)
1.一种水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，其特征是通信/定位系统由通信终端系统、铱星卫星链路、全球定位系统定位模块、射频天线、和岸站数据中心组成；通信终端系统包括水下滑翔器的移动通信回收端电路，铱星卫星链路，所述铱星卫星链路以铱星网络卫星为传输中继媒介，通过数据接口与水下滑翔器外部设备连接，铱星卫星链路采用Direct IP传输方式建立，铱星卫星链路通过数据传输终端和绑定静态IP地址的岸站数据中心之间的通信，并借助于铱星卫星链路通信网络和铱星运营商的网络平台，完成双向数据通信功能：铱星卫星链路通过数据传输终端和绑定IP地址的岸站控制中心之间的相互通信；水下滑翔器的移动通信回收端亦通过Direct IP传输方式和岸站数据中心进行联系，通过铱星通信网络实时获知水下滑翔器的位置信息。
2.根据权利要求1所述的水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，其特征是所述移动回收端电路以岸站为中继与水下滑翔器进行通信，移动回收端电路与岸站之间的通信流程与水下滑翔器与岸站之间的通信流程类同；移动回收端回收水下滑翔器的回收流程为：回收端上电，实时显示自身位置；回收端向岸站数据中心发送想要回收的水下滑翔器的编号；岸站数据中心不断将该水下滑翔器的位置通过铱星链路发送到移动回收端中；移动回收端逐步靠近要回收的水下滑翔器，并可依据回收过程中的现场情况将具体的回收控制指令借由岸站作为传输中继，发送至需要回收的水下滑翔器，对其进行回收。
3.根据权利要求1所述的水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，其特征是岸站数据中心由GSS网关与上位机系统构成，上位机通过Direct IP传输方式与GSS网关进行信息交互，实现数据的接收和存储，以及实现对终端即水下滑翔器海上远程控制。
4.根据权利要求1所述的水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，其特征是采用铱星/GPS双模天线，同时接收铱星和GPS卫星信号；天线外层做水密处理，使用防水胶包裹并经硫化处理；通过水密射频线缆和特别设计的水密接插件与水下滑翔器舱体连接；水密射频线缆外层使用碳纤维管包覆，碳纤维管同时用于支撑天线。
5.根据权利要求1所述的水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，其特征是铱星通信模块以铱星网络卫星为传输中继媒介，通过串口与外部设备连接，提供透明的数据接口。铱星传输模块亦可以采用电子邮件方式、Direct IP方式或端对端方式即两个铱星数传终端之间实现突发短数据通信传输。
6.根据权利要求1所述的水下滑翔器海上远程铱星双向通信/定位系统，其特征是采用单GPS模块定位，不工作时进行通信模块休眠；对采集到的位置数据进行一定的处理优化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141217 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |