CN105629979B - 一种auv平台的远程状态跟踪与控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种AUV平台的远程状态跟踪与控制方法和系统，该系统由水声通信MODEM‑A、通信MODEM‑B与超短基线阵、卫星通信模块、卫星通信模块和显控平台构成。该方法联合利用水声通信测距与超短基线测向功能，实现AUV在运行过程中实时更新自己的位置信息。AUV水下航行过程中，启动AUV端通信MODEM‑A发射定位信号，水下基站端超短基线阵接收到定位信号并完成水平角及俯仰角的测定后将测向结果通过水下基站端水声通信MODEM‑B发送到AUV端。本发明中，超短基线阵安装在水下基站端的设计方法，即降低AUV平台端的安装负担，又降低了AUV端信号处理的复杂性。
Description
技术领域
本发明属于水声技术及通信技术领域，主要是一种AUV平台的远程状态跟踪与控制方法和系统。
背景技术
随着各种水下测量传感器技术和水下自主航行器技术的发展，AUV平台可携带传感器设备、多波束声纳设备、侧扫声纳设备来实现水文环境信息的测量、地形的勘测、数据记录等。715研究所开展了AUV平台水下接驳技术的研究工作，可实现AUV平台水下充电、数据交互等工作，这为AUV平台长时间水下执行任务奠定了基础。通常，AUV平台水下运行过程中的状态跟踪与控制通过水声通信MODEM实现，AUV端通信声纳将AUV平台端惯导数据传递给船基平台端，船基端通信声纳进行解码实现状态跟踪，然而，由于海洋环境的复杂性，AUV平台长时间水下航行时，惯导数据偏离严重，并不能实现精准地对AUV平台水下运动状态跟踪。另外，使用水声通信对AUV进行状态跟踪时，需要通过船只进行船基端通信声纳的反复收放，成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种AUV平台的远程状态跟踪与控制方法和系统，是一种联合利用卫星通信、水声通信与超短基线阵实现水下AUV平台的远程状态跟踪与控制技术，实现AUV平台的远程、全方位、高精度的跟踪与控制。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明所述的这种AUV平台的远程状态跟踪与控制系统，包括岸基显控中心端、水下基站浮标端、水下基站端、AUV平台端及水声通信与定位系统工作协议，其中，岸基显控中心端包括卫星通信模块及显控平台；水下基站浮标端包括浮标和卫星通信模块；水下基站端包括接驳站平台、接驳站控制中心、超短基线阵和MODEM-B；AUV平台端包括MODEM-A和AUV控制中心；水声通信与定位系统工作协议包括定位信号设计、远程状态跟踪与控制系统工作流程。
本发明所述的这种AUV平台的远程状态跟踪与控制方法，具体步骤为：实现AUV平台远程状态跟踪与控制工作时，由岸基显控中心端通过卫星通信模块对水下基站浮标端下达AUV状态问询命令，水下基站端通信声纳向AUV端发射问询信号，AUV端接收到问询信号后进行应答并在应答信号中携带AUV端的状态参数信息及定位用信号，利用AUV端发射的应答信号，水下基站端超短基线完成AUV方位测定，水下基站端通信声纳完成AUV与水下基站端距离测定并解析AUV端的状态参数信息，最后，水下基站端将结果汇总后发送给水下基站浮标端，由水下基站浮标端通过卫星通信模块将汇总结果发送至岸基端显控中心；实现AUV平台回站充电及数据交互工作时，岸基显控中心端通过卫星通信模块对水下基站浮标端下达AUV回站命令，水下基站浮标端通过水下基站端的通信声纳将AUV回站命令发送至AUV平台端，AUV平台收到回站命令后开启回站工作模式，此时，AUV平台端主动发射定位信号，由水下基站端超短基线模块完成AUV方位测定后将结果发送给AUV平台端和岸基端显控中心端，AUV平台端解析测向结果并完成距离测定，最后将距离与方位信息整理打包后传递给AUV控制中心，进而指导AUV平台修正运动轨迹、反复测定AUV平台与水下基站间相对距离与位置关系、AUV到达水下基站端并完成对接等过程。
本发明的有益效果为：本发明应用于AUV平台能够远程、全方位、高精度的实现AUV平台的轨迹跟踪与控制，同时可实现惯导数据提供的运动轨迹、超短基线与水声通信联合定位的运动轨迹同时监测。本发明应用于AUV平台，能够远程控制AUV平台在不出水情况下完成能源补给、数据导出等工作，从而降低了AUV平台反复收放的成本，提高了AUV平台应用的空间。
附图说明
图1是本发明的AUV平台远程状态跟踪与控制系统工作示意图；
图2是本发明的AUV平台端与水下基站端系统组成框图；
图3是本发明的水下基站端MOEDM-B向AUV平台端MODEM-A发送AUV状态问询命令时的信号格式；
图4是本发明的水下基站端MOEDM-B向AUV平台端MODEM-A发送AUV开启回站模式命令时的信号格式；
图5是本发明的在AUV平台状态跟踪与控制工作模式下，AUV平台端MOEDM-A向水下基站端MODEM-B发送AUV状态问询命令应答时的信号格式；
图6是本发明的在AUV平台回站充电与数据交互工作模式下，AUV平台端MOEDM-A向水下基站端MODEM-B发送的定位信号格式；
图7是本发明的在AUV平台回站充电与数据交互工作模式下，水下基站端MOEDM-B向AUV平台端MODEM-A发送定位结果及同步相关峰位置信息时的信号格式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
1 总体方案
图1为本发明的AUV平台远程状态跟踪与控制系统工作示意图，该系统联合利用超短基线测向方法、水下无线声通信测距方法及卫星通信的方法，主要包括岸基显控中心端、水下基站浮标端、水下基站端、AUV平台端及水声通信与定位系统工作协议。
本套系统设计有两种工作模式，一是AUV平台状态跟踪与控制；二是AUV平台回站充电与数据交互。
在AUV平台状态跟踪与控制工作模式下，其工作流程如下：
(1)岸基显控中心端显控平台通过卫星通信模块向水下基站浮标端卫星通信模块发送AUV状态问询命令；
(2)水下基站浮标端通过有缆通信将AUV状态问询命令转发至水下基站端接驳站控制中心；
(3)接驳站控制中心通过水下基站端MODEM-B将AUV状态问询命令发送给AUV平台端MODEM-A；
(4)MODEM-A完成命令解析后将结果转发给AUV控制中心；
(5)AUV控制中心根据解析命令，根据命令将AUV的状态信息打包后发送给MODEM-A；
(6)MODEM-A向水下基站端发送应答信号，应答信号包括AUV的状态信息、定位信号；
(7)水下基站端接收MODEM-A发送的应答信号，其超短基线阵利用定位信号进行AUV方向测定，其MODEM-B利用应答信号完成AUV距离测定并解析AUV的状态信息，最后将超短基线与水声通信联合的定位结果与解析的AUV状态信息打包为最终状态信息包转发至接驳站控制中心；
(8)接驳站控制中心将最终状态信息包通过有缆通信转发至水下基站浮标端；
(9)水下基站浮标端通过卫星通信将最终状态信息包发送至岸基端显示控制中心；
(10)岸基端显示控制中心对最终状态信息包进行拆包、解析，显示；
(11)反复进行(1)-(10)，实现AUV状态的远程监测与控制，实现AUV平台的运动轨迹持续跟踪。
在AUV平台回站充电与数据交互工作模式下，其工作流程如下：
(1)岸基显控中心端显控平台通过卫星通信模块向水下基站浮标端卫星通信模块发送AUV回站充电与数据交互命令；
(2)水下基站浮标端通过有缆通信将AUV回站充电与数据交互命令转发至水下基站端接驳站控制中心；
(3)接驳站控制中心通过水下基站端MODEM-B将AUV回站充电与数据交互命令发送给AUV平台端MODEM-A；
(4)MODEM-A完成命令解析后将结果转发给AUV控制中心；
(5)AUV控制中心根据解析命令，根据命令开启AUV回站充电与数据交互工作模式；
(6)AUV控制中心通过MODEM-A定时发送测向信号至水下接驳端MODEM-B和超短基线阵；
(7)超短基线利用MODEM-A发送的测向信号完成AUV方位的测定，并通过MODEM-B向MODEM-A发送水声应答信号，应答信号包括测定的AUV方位结果，通过有缆通信、卫星通信将定位结果发送至岸基端显示控制中心进行显示；
(8)MODEM-A解析方位结果并利用应答信号进行AUV与接驳站间距离测定，然后将自身测定的距离结果与解析的方位结果打包发送至AUV控制中心；
(9)AUV控制中心根据方位与距离结果调整自身的运动轨迹；
(10)AUV平台没有到达制定位置之前，反复进行(6)、(7)、(8)、(9)，时刻更新自身相对于水下基站的方位与距离，直到AUV与接驳站实现对接工作。
图2为AUV平台端与水下基站端系统组成框图。AUV平台端通信声纳MODEM-A由收发合置换能器和电子舱组成，其中，收发合置换能器安装在AUV平台背部，电子舱安装在AUV平台舱体内。水下基站端水声通信MODEM-B与超短基线定向系统设计为一个整体，与水下基站浮标端通过8芯水密电缆连接。水下基站端水声通信和超短基线定位系统的主要功能部件包括收发换能器、收发合置电路、超短基线基阵、信号调理板、信号处理板、发射机、电源板等。AUV平台端通信声纳的主要功能部件包括收发换能器、收发合置电路、信号调理板、信号处理板、发射机等。
2.超短基线与水声通信联合结构设计
本发明设计了一套超短基线与水声通信联合的定位结构，其中超短基线阵设计为锥形结构，一体硫化后通过9芯水密电缆将信号引入电子舱。
3 水声信号设计
根据本套系统的两种工作模式，对每一条工作命令的信号形式进行了设计。其中图3为水下基站端MOEDM-B向AUV平台端MODEM-A发送AUV状态问询命令时的信号格式；图4为水下基站端MOEDM-B向AUV平台端MODEM-A发送AUV开启回站模式命令时的信号格式；图5为在AUV平台状态跟踪与控制工作模式下，AUV平台端MOEDM-A向水下基站端MODEM-B发送AUV状态问询命令应答时的信号格式，信息部分包括AUV状态信息和定位信号；图6为在AUV平台回站充电与数据交互工作模式下，AUV平台端MOEDM-A向水下基站端MODEM-B发送的定位信号，接驳站端超短基线可以利用定位信号进行测向；图7为在AUV平台回站充电与数据交互工作模式下，水下基站端MOEDM-B向AUV平台端MODEM-A发送定位结果及同步相关峰位置信息时的信号格式。
4.超短基线阵信号复用设计
本发明在信号处理上复用超短基线阵通道信号，在进行AUV平台测向时，通过超短基线阵四个阵元所接收信号之间的时延差和基阵的位置关系来实现高精度测向，在进行数据通信时，联合利用超短基线阵四个通道与收发合置换能器通道，实现阵列时反技术的应用，提高通信稳定性。
综上所述，本发明的一种AUV平台的远程状态跟踪与控制方法和系统，应用于AUV平台能够远程、全方位、高精度的实现AUV平台的轨迹跟踪与控制，同时可实现惯导数据提供的运动轨迹、超短基线与水声通信联合定位的运动轨迹同时监测。本发明应用于AUV平台，能够远程控制AUV平台在水下完成能源补给、数据导出等工作，降低AUV平台反复收放的成本，提高了AUV平台应用的空间。
本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的实施结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种AUV平台的远程状态跟踪与控制方法，其特征在于：采用AUV平台的远程状态跟踪与控制系统，该系统包括岸基显控中心端、水下基站浮标端、水下基站端、AUV平台端及水声通信与定位系统工作协议，其中，岸基显控中心端，包括：卫星通信模块及显控平台；水下基站浮标端，包括：浮标和卫星通信模块；水下基站端，包括：接驳站平台、接驳站控制中心、超短基线阵和MODEM-B；AUV平台端，包括：MODEM-A和AUV控制中心；水声通信与定位系统工作协议，包括：定位信号设计、远程状态跟踪与控制系统工作流程；
实现AUV平台远程状态跟踪与控制工作时，包括以下步骤：
1)岸基显控中心端通过卫星通信模块对水下基站浮标端下达AUV状态问询命令；
2)水下基站浮标端通过水下基站端通信声纳向AUV平台端发射AUV状态问询信号；
3)AUV平台端接收到问询信号后进行应答并在应答信号中携带AUV平台端的状态参数信息及定位用信号；
4)水下基站端超短基线阵利用AUV平台端发射的应答信号，完成AUV方位测定；水下基站端通信声纳完成AUV与水下基站端距离测定并解析AUV平台端的状态参数信息；水下基站端将定位结果汇总后发送给水下基站浮标端，由水下基站浮标端通过卫星通信模块将汇总后的定位总结果发送至岸基显控中心端；
实现AUV平台回站充电及数据交互工作时，包括以下步骤：
1)岸基显控中心端通过卫星通信模块对水下基站浮标端下达AUV回站命令；
2)水下基站浮标端通过水下基站端的通信声纳将AUV回站命令发送至AUV平台端；
3)AUV平台端收到AUV回站命令后开启回站工作模式；
4)在步骤3)回站工作模式下，AUV平台端主动发射定位信号，水下基站端超短基线阵完成AUV方位测定后将结果发送给AUV平台端和岸基显控中心端；
5)AUV平台端解析接收到的水下基站端对AUV方位测定结果并完成AUV与水下基站端距离测定，最后将AUV与水下基站端距离与AUV相对于水下基站端方位信息整理打包后传递给AUV控制中心，进而指导AUV平台修正运动轨迹；
6)反复测定AUV平台与水下基站端的相对距离与位置关系、导引AUV实时调整运动轨迹，直到AUV到达水下基站端并完成对接过程。
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