CN105793725A - 水下跟踪系统 - Google Patents

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Abstract

方法包括从第一浮动单元(M1)发送(901)第一超声ping信号。第一超声ping信号在水下设备(D1、D2、D3)中被接收。在从接收第一超声ping信号开始的预定延迟之后，水下设备发送(905)来自水下设备的第二超声ping信号。第二超声ping信号在第一浮动单元中被接收。第一浮动单元确定从第一浮动单元发送第一超声ping信号的时间与接收第二超声ping信号的时间之间的时间差，并且基于时间差，通过向水下设备发送(910)顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供位置信息和/或其它信息，使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示所提供的信息。

Description

水下跟踪系统
技术领域
本发明涉及无线通信，并且更具体地涉及定位系统。
背景技术
背景技术的以下描述可以包括在本发明之前不为相关领域所知的但由本发明提供的洞察、发现、理解或公开内容、或与公开内容一起的关联。本发明的一些此类贡献可以在以下被专门指出，而本发明的其它此类贡献将从它们的上下文中变得明显。
水肺潜水(Scubadiving)是一种形式的水下潜水，其中潜水员使用自给(self-contained)水下呼吸装置在水下呼吸。伙伴和团队潜水程序旨在确保在水下陷入困难的水肺潜水员有可以提供帮助的具有类似装备的人在场。潜水员可以利用手势信号、光信号和绳子信号传送基本和紧急信息，并且更复杂的消息可以被写在防水石板上。基于卫星的定位系统(诸如全球定位系统GPS)使得能够确定地球表面上的准确位置。但是，GPS信号在水下不传播。
声纳是指利用声音传播来导航、与水表面上或之下的物体通信或检测水表面上或之下的物体的技术。在声纳系统中使用的声频从非常低(次声)到极高(超声)而不同。超声是具有比人类听觉范围的上限高的频率的声压波。超声设备利用从20kHz到几千兆赫兹的频率操作。
发明内容
以下给出了本发明的简化总结，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。该总结不是本发明的广泛概述。它并不旨在识别本发明的关键/重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式给出本发明的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的序言。
本发明的各个方面包括如在独立权利要求中所定义的方法、装置和计算机程序产品。本发明另外的实施例在从属权利要求中公开。
本发明的方面涉及一种方法，包括从第一浮动单元发送第一超声ping信号；在水下设备中接收第一超声ping信号；在从水下设备中接收到第一超声ping信号开始的预定延迟之后，从水下设备发送第二超声ping信号；在第一浮动单元接收第二超声ping信号；确定从第一浮动单元发送第一超声ping信号的时间与在第一浮动单元中接收第二超声ping信号的时间之间的时间差；基于时间差，通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供位置信息和/或其它信息，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示所提供的信息。
本发明另外的方面涉及定位系统，包括水下设备，水下设备包括配置为接收和发送超声信号的超声收发器；至少一个浮动单元，配置为在水面上漂浮；其中第一浮动单元包括配置为发送第一水下超声ping信号的超声发射器；其中水下设备包括配置为接收第一水下超声ping信号，并且在从第一水下超声ping信号的接收开始的预定延迟之后，发送第二水下超声ping信号的超声收发器；其中第一浮动单元包括配置为接收第二水下超声ping信号的超声接收器；其中系统包括配置为确定从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差的处理器；其中系统被配置为基于时间差通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供位置信息和/或其它信息，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示所提供的信息。
本发明再一方面涉及包括配置为接收和发送超声信号的超声收发器的水下设备；其中超声收发器被配置为接收来自包括超声发射器的第一浮动单元的第一水下超声ping信号；在从第一水下超声ping信号的接收开始的预定延迟之后，发送第二水下超声ping信号到包括配置为接收第二水下超声ping信号的超声接收器的第一浮动单元；以及基于从超声发送器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差，从第一浮动单元接收作为顺序的水下超声ping信号的位置信息和/或其它信息，使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示要被接收的信息。
本发明再一方面涉及包括配置为在水面上漂浮的第一浮动单元的表面单元；其中第一浮动单元包括配置为发送第一水下超声ping信号的超声发射器；其中第一浮动单元包括超声接收器，其配置为接收在从第一水下超声ping信号的接收开始的预定延迟之后由水下设备发送的第二水下超声ping信号；其中表面单元包括处理器，其配置为确定从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差；其中表面单元被配置为通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供位置信息和/或其它信息，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示所提供的信息。
虽然本发明的各个方面、实施例和特征被独立地阐述，但是应该理解，本发明的各个方面、实施例和特征的所有组合是可能的并且在如要求保护的本发明的范围之内。
附图说明
下面，将参考附图通过优选的实施例更加详细地描述本发明，其中：
图1说明了根据示例性实施例的潜水员跟踪系统；
图2和3说明了根据示例性实施例的超声通信协议；
图4说明了根据示例性实施例的潜水员设备；
图5说明了根据示例性实施例的潜水员设备的手控制台；
图6说明了根据示例性实施例在PC显示器上显示潜水员的位置和状态；
图7是说明示例性硬件系统的框图。
图8说明了根据示例性实施例的主浮标和从浮标的放置；
图9示出了说明根据本发明实施例的示例性消息传送事件的消息传送图。
具体实施方式
获知潜水员确切的水下位置的特征可以增加潜水员的安全性、帮助训练不同类型和水平的潜水员、并且提高潜水员在水下工作时的效率。
图1示出了示例性实施例，其中在海上提供了四个浮标M1、S1、S2、S3(可见)。这些浮标可以利用导线分别连接到在海底部的锚A1、A2、A3、A4。浮标中的一个是主浮标M1并且其它的是从浮标S1、S2、S3。每个浮标的位置通过连接到例如浮标的顶部的GPS设备是已知的。主浮标M1具有用于在水中每整秒(例如(例如，以大约一秒的预定时间间隔))发送声信号(例如大约5毫秒的超声ping)的声纳。同时，主浮标M1被配置为将指示超声ping已被发送的时间标记的消息信号发送到从浮标S1、S2、S3。可以通过利用无线电信号(诸如GSM、UMTS、LTE/LTE-A)、红外通信、固定线缆或无线连接或可用于指示测量的开始时间(零点)的任何其它通信技术(诸如嵌入式解决方案射频(RF)模块)来发送消息信号。例如，XBee和XBee-PRO802.15.4OEMRF模块是向设备提供无线端点连接的嵌入式解决方案。这些模块使用用于快速点对多点或点对点网络的IEEE802.15.4网络协议。
但是，实施例不限于以上作为示例给出的系统，而是本领域技术人员可以将解决方案应用到具备必要属性的其它通信系统。例如，不同网络元件之间的连接可以利用互联网协议(IP)连接来实现。
根据示例性实施例，一组潜水员中的每个潜水员D1、D2、D2具有能够接收由主浮标M1发送的声纳ping的设备(例如具有麦克风的设备)。潜水员中的每个具有专用的时间窗口，在此期间，用于潜水员的ping预期到达。时间窗口在潜水之前被分配；例如，使得第一潜水员D1具有窗口1w(例如第1秒、4秒、7秒、10秒、...)，第二潜水员D2具有窗口2w(例如第2秒、5秒、8秒、11秒、...)，第三潜水员D3具有窗口3w(例如第3秒、6秒、9秒、12秒、...)(参见图2)。当ping被潜水员的设备接收到时，潜水员的设备以其自己的ping对该ping进行回复(在回声消散的预定延迟之后，其中ping可能是大约5毫秒的超声信号)。由潜水员的设备发送的所述ping被浮标M1、S1、S2、S3、S4中的每个接收。来自第一潜水员的ping的接收时间和浮标的位置被用来计算第一潜水员到主浮标M1的相对位置。潜水员的位置可以通过利用关于浮标接收来自潜水员的ping的时间的三角测量来计算。这可以在各自的时间窗口对每个潜水员进行重复。
因此，根据示例性实施例的超声通信协议在图2中说明。例如，主浮标可以发送(tx)ping，其中该ping被每个潜水员(潜水员D1、D2、D3)接收(rx)，但是只有潜水员D1在第一时间窗口中对该ping进行回复。
根据示例性实施例，从大约40kHz到大约70kHz(例如大约60kHz)的超声频率被用于超声信号。但是，示例性实施例并不限于这些频率，而是任何合适的频率可以被利用。例如，待使用的频率可以被选择，以便避免自然干扰源(例如，避免破坏波、雨滴等的声音的频率)和/或人类干扰源(例如，避免船、艇的声音的频率)、尤其从频率相关的散射和衰减的角度考虑声音在水中的行进、和/或避免可能干扰海洋动物的频率(例如，避免由许多海豚使用的100kHz至150kHz的频率)。
根据示例性实施例，潜水员的计算位置在相同的通信窗口期间被传送回给潜水员。在预定计算时间之后(图3中的CPU)主浮标可以发送四个更多的ping(即，位置信息ping)。在位置信息ping之间的时间延迟指示潜水员相对于所述主浮标在x、y和z方向上的位置(参见图3)。即，脉冲A和B之间的时间对应于x方向上相对于主浮标的位置，脉冲B和C之间的时间对应于y方向上相对于主浮标的位置，并且脉冲C和D之间的时间对应于z方向上相对于主浮标的位置。在另一种示例性实施例中，水下设备的绝对位置(即地理坐标(或其部分)，例如，纬度、经度和/或深度)被传送到水下设备，使得位置信息ping之间的时间延迟指示位置。
因此，示例性实施例涉及用于水下导航系统的方法和装置。示例性布置包括具有导航设备的潜水员以及多个浮标，其中一个充当主浮标M1。导航设备将超声音频信号发送到浮标用于三角测量的目的，并且主浮标可以利用顺序的ping以笛卡尔(或球形)坐标的形式将位置信息发送回给潜水员。
在示例性实施例中，潜水员的设备(也称为潜水员设备)D1、D2、D3将超声音频信号发送到浮标M1、S1、S2、S3用于三角测量的目的。主浮标M1利用顺序的ping以笛卡尔(或球形)坐标的形式将位置信息发送回给潜水员。
在示例性实施例中，潜水员设备将超声音频信号发送到浮标，其中浮标(通过三角测量)计算潜水员设备的位置。主浮标利用顺序的ping以笛卡尔(或地理/球形)坐标的形式将位置信息发送回给潜水员设备(以及发送给该组中的其它潜水员设备)，使得由主浮标发送的脉冲(即顺序的ping)之间的延迟指示x、y和z值(或纬度、经度和可选的深度)。因此，每个潜水员设备接收关于所述潜水员设备的位置的信息。
在示例性实施例中，位置信息作为连续的超声ping从主浮标发送。示例性实施例提供了用于将位置信息从浮标传送到潜水员设备的高级通信协议。
示例性实施例使得能够将一组最多大约10个潜水员的绝对水下x、y和z位置实时地提供给每个潜水员和在表面上的船员。示例性系统包括三个或更多个浮动浮标，其中每个装备有GPS能力、射频通信能力和检测声纳脉冲的能力。浮标中的至少一个是也能够发送声纳脉冲用于测量和水下通信的主浮标。潜水员具备能够接收和发送声纳脉冲的设备。
在示例性实施例中，潜水员深度测量的精确度可以例如通过向潜水员主单元添加一个或多个商购可得的压力传感器来提高。
示例性实施例公开了一种将一组最多大约10个潜水员的绝对水下x、y和z位置实时地提供给每个潜水员和海表面上的船员的无线定位系统。示例性系统包括在表面水上的装备和由潜水员在水下使用的潜水员设备。水表面上的装备可以包括PC系统(例如在潜水船上)、充电器(例如在潜水船上)、浮标(漂浮在水上)，浮标可以包括两个部件：1)电子模块M1(主)或S1、S2、S3(从)，和2)包括带有链的锚和带有信号标志(其可以用“M1”或“S1”、“S2”、...、“Sn”来标记)的杆的浮标主体。潜水员设备可以包括两个部件：1)包括线缆的潜水员主单元401(将被放置在潜水员的背部并且附接到压缩空气罐中)，和2)手控制台402(将被放置在潜水员的臂中)(参见图4和5)。潜水员主单元401可以包括弹簧以例如在压缩空气罐403之间附接潜水员主单元401。
示例性系统可以例如被一组潜水员或者被提供潜水游览或潜水作业服务的公司利用。由于潜水中涉及的最常见的风险是失去自己的潜水搭档(“伙伴”)或其它团队成员，每个潜水员会从实时地知道其自己的包括深度的位置以及其它潜水员的包括深度的位置中受益。通过了解该信息，潜水员能够避免恐慌、在紧急情况下较快地得到帮助、对特殊感兴趣的位置做标签以及跟踪实际的潜水路线。
示例性系统可以例如被积极的(半专业的)潜水员利用，即，想在大约20-80米的深度并且甚至利用专用设备下降到大约100-150米的深度潜水的有经验的潜水员。这些潜水员通常寻找遇难船、感兴趣的地质构造或各种鱼类。示例性系统可以例如被SAR(搜索和救援)和/或海军(即，受益于有可能计划并获得预先计划的潜水路线的反馈的当局)利用。专业培训可能包括公海条件、大潜水区域和一次的长持久性潜水过程。利用特殊抗磁装备的水雷摧毁是其中该系统可以被利用的情况的示例。
在示例性实施例中，不同潜水员组之间的距离是至少大约200米(以避免系统中的组间干扰)。在示例性实施例中，最大潜水深度是从大约100米至大约150米。
示例性实施例使得能够实时地显示水下潜水员的确切位置、引导潜水员返回到潜水船或起始点、标记感兴趣的位置、以及指示潜水员的潜水搭档位于哪里。
示例性实施例能够将一组最多大约10个潜水员的绝对水下x、y和z位置实时地提供给潜水员中的每个和海表面上的船员。示例性实施例使得能够增加潜水的安全水平，并且它可以与现有的安全程序/技术一起被利用。
另一种示例性实施例提供了(经由表面单元)到互网络的连接，因此使得有可能，例如，通过利用web浏览器在计算机上实时地查看和跟踪潜水员的实际潜水路线。
示例性潜水员跟踪系统可以包括在潜水员的手控制台的屏幕上显示的实时的x、y和z位置。潜水员位置的水下位置精确度可以是例如大约水平方向上±1米和垂直方向上±1米。潜水员的手控制台的显示可以包括潜水员自身的位置和/或(配对的)伙伴潜水员的位置；具有由潜水员标记的可能的感兴趣的标记点的潜水员自身的实际潜水轨迹；组中其它潜水员中的每个的位置；主浮标和从浮标的位置、显示器的自动亮度控制、用于向其它组成员和向PC系统消息传送的“报警”、“注意”和/或“确定”按钮(即，潜水员设备被配置为识别潜水员的动作，例如，潜水员按下按钮以便发送“报警”、“注意”和/或“ok”信号)。PC系统可以实时地显示每个潜水员的位置和状态(参见图6)。状态可以被显示为三维表示；或者它可以被显示为二维表示，其中潜水员的垂直位置可以被给定为与潜水员相关的数值(例如，作为以米为单位的深度和/或到主浮标的距离)。
另外的示例性实施例提供了将目标GPS坐标(例如遇难船位置)反馈到主浮标的存储器中的可能性。一旦每个浮标处于水中，主浮标就能够指示相对于浮标的目标位置(或者作为绝对位置)。
再一示例性实施例提供了将每个潜水员在整个潜水过程(或其一部分)期间的实际潜水路线从主浮标传递到外部存储器(例如，USB存储棒或存储卡)中用于以后在(例如在家里或办公室的)计算机上查看和分析的可能性。
在示例性实施例中，可以通过从主浮标向水下设备发送特定于位置信息的ping信号序列来将其它的位置信息(诸如配对的伙伴潜水员的位置、潜水员的潜水轨迹信息、组中其它潜水员的位置、第一浮动单元的位置、显示的第二浮动单元的位置、和/或感兴趣的目标的位置)传送到水下设备，其中使得ping信号序列中的信号之间的时间差指示位置信息(绝对或相对位置)。
示例性实施例可以提供PC系统到互联网的连接；利用web浏览器在计算机上实时地查看和跟踪潜水员的实际潜水路线的可能性；将各个潜水员的实际潜水路线存储到存储器中，用于以后在家里/办公室的计算机上查看的可能性；将潜水员的实际潜水路线存储在云服务上的可能性；和/或通过使用开源(共享)软件(通过云服务)共享和绘制潜水员自己的海底地形图的可能性。
在示例性实施例中，潜水员主单元401可以在没有手控制台402的情况下被使用。利用这种设备，只有水面上的潜水主管和/或船员能够在PC系统的屏幕上查看每个潜水员的定位。这种类型的解决方案(例如，在娱乐性的游客潜水旅游中)是有用的。
图7是说明示例性硬件系统的主要块的框图。充电器单元可以被配置为负责给设备的电池充电。它也可以使主动系统部件能够设置到时间基础。例如，当“考虑使用(takeintouse)”被按下时，每个主动单元要被放置在充电器中。根据充电器中的槽编号，潜水员设备被给予潜水员ID号“潜水员1”，“潜水员2”等。
当系统被建立时，电子模块M1(主)或两个或更多个从模块S1、S2、S3将被放置在水上的各自的浮标主体中的适当位置中。潜水员设备D1、D2、D3可以被配置为处于待机状态，直到它们在水中。当潜水员设备处于水中时，潜水员设备可以被配置为进到“开启”状态。潜水员设备被配置为接收来自电子模块(即来自主浮标)的信号(脉冲串I)。潜水员设备被配置为等待，直到已过去预定义的时间延迟(诸如50毫秒)，并且然后发送超声脉冲串(脉冲串到“向上”)，并且电子模块被配置为接收由潜水员设备发送的超声脉冲串。在从电子模块发送脉冲串I和在三个(或更多个)浮标中接收(由潜水员设备发送的)脉冲串之间的延迟被用于计算距离信息。因此，该系统能够计算潜水员(即，潜水员设备)在那一时刻离三个浮标有多远，并且将关于所计算的位置的信息提供给潜水员设备。距离信息然后可以作为点(point)(例如，作为点(dot))被显示在潜水员的手控制台的屏幕上。潜水员通过不同的时隙彼此进行区分。该系统能够在同一区域处理的潜水员的最大数量可以包括，例如，大约10个潜水员。
每个潜水员设备的时间窗口可以是例如1秒，使得对于一组10个潜水员设备中的每个潜水员设备的位置信息以10秒的间隔(即，每10秒)进行更新。如果被跟踪的物体的数目较高，则要被定位的每个设备的更新间隔会更长(例如，如果有100个物体要被定位，则每个物体的更新间隔会是100秒)。每个设备的时间窗口不限定于1秒，而是它可以是任何合适的长度。时间窗口可以是可调节的，并且它在潜水过程之前被预先确定。
通过附接到电子模块M1和两个或更多个电子模块S1、S2、S3的GPS接收器已知三个(或更多个)浮标的实际位置。因此，即使当浮标位置例如被风改变几米时，也能够对该改变进行补偿。PC系统可以被配置为例如大约每秒记录(即，潜水员设备D1、D2、D3和电子模块M1、S1、S2、S3的)每个主动部件的位置。实时状态和/或所记录的信息可以经由通信链路进行共享。
潜水员设备也可以包括压力传感器，以便基于从压力传感器获取的信息计算潜水员的深度。系统的时隙允许从潜水员设备和向潜水员设备共享信息。例如，潜水员设备可以接收x、y和z坐标信息并且将那个信息作为“我在这里”的点显示在潜水员的手控制台上。
如果潜水员设备被配置为测量其自己的深度，则它可以首先发送ping来指示位置，并且然后潜水员设备可以发送第二个ping来指示其深度；因此，潜水员设备发送两个ping，使得这两个ping之间的时间差(根据预定通信协议)指示如由潜水员设备的压力传感器测量的深度。添加了合适的延迟(例如50毫秒)以处理回声。主浮标将潜水员位置发送到每个潜水员设备。
该系统也可以能够向每个潜水员示出浮标位于哪里。利用潜水员设备，潜水员也能够看到他/她的“伙伴”在哪里。时隙结构也可以能够提供“注意”、“SOS”、“一切ok”等信号。
超声被在水下使用以执行距离测量和通过声波脉冲将测量信息转送给所涉及的各方。测量和测量信息的通信会受到回声的影响。固体物体会产生回声。回声有可能由水的主体内的温度或盐度的快速变化所定义的边界来生成。因此，示例性实施例使用与足够的延迟组合的隔离脉冲来让回声(在测量和通信两者中)消散。
示例性系统使得能够将一组潜水员(例如高达10个潜水员)的绝对位置实时地(例如在大约10秒的间隔)提供给该组中的每个潜水员和表面上的船员。该系统包括三个或更多个浮标，每个浮标装备有GPS、射频通信和检测声纳脉冲的能力。浮标中的一个是也能够发送声纳脉冲用于测量和水下通信的主浮标。潜水员具备能够接收和发送声纳脉冲的装备。
水下通信在时隙中工作，即，它是时间同步的。在用于某个潜水员的测量和通信序列中，主浮标通过发送单个声纳脉冲和通过经由无线电同时向从浮标发送开始信号(或通过其它合适的方法)来启动序列。那一事件标志着针对那个特定间隔的时间零点。潜水员的仪器(即，潜水员设备)又监测由主浮标(即，由主浮标的电子模块)发送的信号，而无需知道发送的确切时间。当潜水员设备接收到声纳脉冲时，它首先暂停预定时间段(例如，50毫秒)，以让可能的回声消散，并且然后将发送针对浮标中的每个的单声纳脉冲(双脉冲可以用来传达额外信息)。浮标中的每个标记由潜水员设备发送的声纳脉冲的到达时间，并且从浮标(即，从浮标的电子模块)使用无线电通信链路来将关于由潜水员设备发送的声纳脉冲的到达时间的信息传递给主浮标。主浮标通过利用几何原理基于浮标的已知位置和测量的到达时间计算潜水员(即潜水员设备)的三维位置。主浮标然后将所考虑(inquestion)的潜水员设备的三维位置发送给潜水员中的每个，使得该三维位置被编码在声纳脉冲之间的时间延迟中。所描述的测量和传递结果的序列可以在大约一秒的时间跨度内发生。下一个序列覆盖下一个潜水员，以此类推。
图8说明了浮标的示例性放置。“M1”表示主浮标并且“S1”和“S2”表示从浮标(但是示例性实施例不限于只使用三个浮标，而是在系统中可以存在四个或更多个浮标)。图8说明了其中角度S1-M1-S2是90度的情况(但是示例性实施例不限于只使用90度的角度，而是角度可以是任意度数)。坐标可以被旋转，例如使得x-轴指向东并且y-轴指向北和/或反之亦然。在图8中，参数A表示主浮标M1与从浮标S1之间的距离(例如100米)，参数B表示主浮标M1与从浮标S2之间的距离(例如80米)，其中
v＝声音在水中的速度＝1500米/秒，
TM＝从在(xyz)处的潜水员到主浮标M的响应的到达时间(减去第一延迟，例如50毫秒)，
TS1＝从在(xyz)处的潜水员到从浮标S1的响应的到达时间(减去第一延迟，例如50毫秒)，
TS2＝从在(xyz)处的潜水员到从浮标S2的响应的到达时间(减去第一延迟，例如50毫秒)。
因此，可以形成以下等式：
因此，关于潜水员位置(xyz)：
示例性潜水员跟踪系统包括具有适当的附加件(add-on)、线缆和接口的PC系统(膝上型PC或平板计算机)；用于给浮标和潜水员主单元的电池充电以及用于同步和配对潜水员主单元的充电器；包括具有链的锚和具有信号标志(例如，相应地用M1、S1、S2标记)的杆的浮标(至少1个主浮标和2个从浮标)；以及包括主单元(包括电池和线缆)和手控制台的潜水员设备。也可以提供用于系统的使用和维护的说明书。
虽然已将装置描述为一个实体，但是不同的模块和存储器可以以一个或多个物理或逻辑实体来实现。装置通常可以包括连接到存储器和装置的各种接口的处理器、控制器、控制单元等。通常，处理器是中央处理单元，但是处理器可以是附加的操作处理器。处理器可以包括计算机处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或已以执行实施例的一个或多个功能的形式被编程的其它硬件组件。
存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器，并且通常存储内容、数据等。例如，存储器可以存储诸如(例如，用于电子模块、PC系统和/或用于潜水员设备的)软件应用或操作系统的计算机程序代码、信息、数据、内容等，用于处理器执行与根据实施例的装置的操作相关联的步骤。存储器可以是例如随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、或其它固定数据存储器或存储设备。此外，存储器或者它的部分可以是可拆卸地连接到装置的可移除存储器。
本文所描述的技术可以通过各种手段来实现，使得实现利用实施例描述的对应实体的一个或多个功能的装置不仅包括现有技术单元，而且包括用于实现利用实施例描述的对应装置的一个或多个功能的单元，并且它可以包括用于每个单独的功能的单独的单元，或者单元可以被配置为执行两个或更多个功能。例如，这些技术可以以硬件(一个或多个装置)、固件(一个或多个装置)、软件(一个或多个模块)或其组合来实现。对于固件或软件，实现可以通过执行本文所描述的功能的模块(例如，过程、函数等)。软件代码可以存储在任何合适的处理器/计算机可读数据存储介质(一个或多个)或存储器单元(一个或多个)或制造物品(一个或多个)中并且被一个或多个处理器/计算机执行。数据存储介质或存储器单元可以在处理器/计算机内实现或在处理器/计算机的外部实现，在这种情况下，它可以经由如本领域中已知的各种方法通信地耦合到处理器/计算机。
图9的信令图说明了所需的信令。在图9的示例中，装置M1(其可以包括例如包括超声收发器的第一浮动单元)可以在条目901中将超声ping信号发送到装置D1、D2、D3(其可以包括水下设备，例如，包括超声收发器的潜水员设备D1、D2、D3)。在条目902中，响应于发送超声ping信号901，装置M1被配置为向装置S1、S2(其可以包括例如包括超声接收器的第二浮动单元)发送无线电信号来指示当超声ping901被发送时的时间标记。在条目903中，无线电信号902在装置S1、S2中被接收。在条目904中，超声ping信号901在潜水员设备D1、D2、D3中被接收。在条目904中，响应于接收到超声ping信号901，潜水员设备D1、D2、D3被配置为等待预定时间段(例如大约50毫秒)，直到由信号901造成的回声消散。然后，在条目905中，潜水员设备D1、D2、D3被配置为发送超声ping信号905(每个潜水员设备在其相应的时隙中)。在条目906中，超声ping信号905在装置M1、S1、S2中被接收。在条目907中，响应于接收到超声ping信号905，装置S1、S2被配置为将消息信号907(例如，无线电信号或红外信号或任何其它合适的消息)发送到装置M1，以指示当超声ping905在装置S1、S2中被接收时的时间标记。在条目908中，消息信号907在装置M1中被接收。在条目909中，装置M1可以被配置为，基于从装置M1发送超声ping信号901的时间与在浮动单元M1、S1、S2中接收超声ping信号905的时间之间的时间差，计算潜水员设备D1、D2、D3的位置。在条目910中，装置M1可以被配置为，通过从装置M1向潜水员设备D1、D2、D3发送顺序的超声ping信号来将潜水员设备D1、D2、D3的计算位置提供给潜水员设备D1、D2、D3，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示潜水员设备D1、D2、D3相对于装置M1、S1和/或S2的位置(或潜水员设备的绝对位置)(和/或其它信息)。潜水员设备中的每个利用其自己的专用时间窗口用于ping信号的接收/发送。顺序的水下超声ping信号之间的时间差除了所提供的信息(如在图2中所指示的)之外还包括预定延迟(例如50毫秒)。
在示例性实施例中，解决方案可以使用涉及传输少量信息的任意类型的水下信令/通信。信息可以包括状态信息和/或位置信息或任意其它期望的信息。
示例性实施例不限于使用三个或更多个浮标(即浮动单元)。相反，例如，如果目的是为了确定浮动单元与水下设备之间的距离，则系统可以包括例如仅仅一个浮标(浮动单元，M1)。两个浮动单元(M1、S1)可以用于确定水下设备的二维位置。三个浮动单元(M1、S1、S2)可以用于确定水下设备的三维位置。示例性实施例不限于使用一个浮标作为主浮标；而是多于一个的浮动单元可以充当主浮标。
在示例性实施例中，预定超声请求信号序列可以被从第一潜水员设备发送，其中预定超声请求信号序列可以响应于识别第一潜水员的动作(诸如第一潜水员按下第一潜水员设备上的报警按钮、ok按钮和/或注意按钮)被发送。然后可以在一个或多个第二潜水员设备中从第一潜水员设备接收到预定超声请求信号序列。关于接收到的请求信号序列显示的信息可以被显示在第二潜水员设备的屏幕上。
在示例性实施例中，预定超声响应信号序列可以被从第二潜水员设备发送，其中预定超声响应信号序列可以响应于识别第二潜水员的动作(诸如第二潜水员按下第二潜水员设备上的报警按钮、注意按钮和/或ok按钮)被发送。然后可以在第一潜水员设备中从第二潜水员设备接收到预定超声响应信号序列。关于接收到的响应信号序列的信息可以被显示在第一潜水员设备的屏幕上。
因此，在示例性实施例中，水下设备被配置为发送待被至少一个另外的水下设备接收的预定超声信号序列，其中预定超声请求信号序列响应于识别第一潜水员的动作(诸如第一潜水员按下水下设备上的报警按钮、ok按钮和/或注意按钮)被发送。水下设备可以被配置为从至少一个另外的水下设备接收预定超声信号序列，其中预定超声信号序列响应于另外的水下设备识别第二潜水员的动作(诸如第二潜水员按下该另外的水下设备上的报警按钮、注意按钮和/或ok按钮)被发送。水下设备可以被配置为在水下设备的屏幕上显示关于接收到的预定超声信号序列的信息。
在示例性实施例中，信号序列特定于潜水员设备，使得其中信号序列被发送的时间窗口指示发送信号序列的潜水员设备，和/或信号序列特定于潜水员的所述动作，使得信号序列中的信号之间的时间差指示动作。
因此，示例性实施例也使得能够经由超声进行潜水员设备之间的直接水下通信。直接通信可以包括预定消息传送，诸如紧急信号(报警)、或“ok”信号。例如，潜水教员可以引起注意/请求消息的发送，其中其它潜水员将通过引起ok或报警(响应)消息的发送来进行响应。潜水员设备可以被配置为基于序列的特性(例如，在序列中有多少信号以及序列中的每个信号之间的时间差是什么)和/或基于其中信号序列被发送的时间窗口识别哪个潜水员设备发送信号序列。例如，在其中潜水员设备和表面单元之间的超声通信的可能性例如被岛屿阻塞的情况下，潜水员设备之间的直接超声通信是有用的。每个潜水员设备利用其自己的专用时间窗口用于信号的传输。
以上在图1至9中描述的步骤/点、信令消息和相关功能没有绝对的时间次序，并且步骤/点中的一些可以被同时执行或者以与给出的次序不同的次序执行。其它功能也可以在步骤/点之间或在步骤/点之内执行并且其它信令消息可以在所说明的消息之间发送。步骤/点中的一些或步骤/点的部分也可以被省略或由对应的步骤/点或者步骤/点的部分取代。装置操作说明了可以以一个或多个物理或逻辑实体实现的过程。信令消息仅仅是示例性的，并且甚至可以包括用于发送相同信息的多个单独的消息。此外，消息也可以包含其它信息。
在示例性实施例中，该解决方案不限于跟踪潜水员/潜水员设备。相反，示例性实施例可以被用于跟踪/定位任意其它水下物体/水下设备(诸如具备示例性水下设备的机械物体)/与其通信，。
对于本领域技术人员将显然，随着技术的进步，本发明概念可以以各种方式来实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (37)

1.一种用于水下通信的方法，该方法包括
其中从第一浮动单元发送第一超声ping信号；
在水下设备中接收第一超声ping信号；
在从水下设备中接收第一超声ping信号开始的预定延迟之后，从水下设备发送第二超声ping信号；
在第一浮动单元中接收第二超声ping信号；
确定从第一浮动单元发送第一超声ping信号的时间与在第一浮动单元中接收第二超声ping信号的时间之间的时间差；
基于时间差，通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供位置信息和/或其它信息，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示所提供的信息。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括
在一个或多个第二浮动单元中接收第二超声ping信号；
基于浮动单元的位置和从第一浮动单元发送第一超声ping信号的时间与在第一浮动单元和所述一个或多个第二浮动单元中接收第二超声ping信号的时间之间的时间差，计算水下设备的位置。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述方法包括通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供水下设备的计算位置，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示水下设备相对于浮动单元中的至少一个浮动单元的位置。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述方法包括计算水下设备相对于第一浮动单元和/或相对于至少一个第二浮动单元的位置。
5.如权利要求2、3或4所述的方法，其中所述方法包括通过全球定位系统GPS和水下设备的计算位置确定水下设备的绝对位置。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述方法包括通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供水下设备的绝对位置，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示水下设备的绝对位置。
7.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中以预定时间间隔从第一浮动单元发送第一超声ping信号。
8.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中一组水下设备中的每个特定的水下设备被分配专用的时间窗口，在专用的时间窗口期间，用于所述特定的水下设备的超声ping信号预期到达。
9.如前面权利要求2-8中任何一项所述的方法，其中水下设备的位置是通过三角测量方法计算的。
10.如前面权利要求2-9中任何一项所述的方法，其中水下设备的位置被以笛卡尔坐标或球面坐标的形式传送到水下设备。
11.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中水下设备所位于的深度是基于对应的水下设备的压力传感器值计算的。
12.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中使用从大约40kHz至大约70kHz的超声频率，其中所述超声频率优选地是大约60kHz。
13.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中所述方法包括在水下设备的屏幕上和/或表面单元的屏幕上显示位置，使得
潜水员自己的位置被显示；
配对的伙伴潜水员的位置被显示；
潜水员的潜水轨迹被显示；
具有标记的感兴趣的点的潜水轨迹被显示；
所述组中的其它潜水员的位置被显示；
第一浮动单元的位置被显示；
第二浮动单元的位置被显示；和/或
感兴趣的目标的位置被显示。
14.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中所述方法包括将水下设备的位置或潜水路线存储在存储器中。
15.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中从第一超声ping信号的接收开始的预定延迟包括固定延迟。
16.如前面权利要求2-15中任何一项所述的方法，其中浮动单元包括用于在无线电频率上彼此通信的无线电通信设备。
17.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中顺序的水下超声ping信号之间的时间差除了所提供的信息之外还包括预定延迟。
18.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中水下设备包括配置为被附接到要被定位的潜水员的潜水员设备。
19.如前面权利要求中任何一项所述的方法，其中水下设备包括潜水员设备，所述方法包括
从第一潜水员设备发送预定超声请求信号序列；及
在至少一个第二潜水员设备中接收来自第一潜水员设备的预定超声请求信号序列；
其中所述预定超声请求信号序列响应于识别诸如第一潜水员按下第一潜水员设备上的报警按钮、ok按钮和/或注意按钮的第一潜水员的动作被发送。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述方法包括
从第二潜水员设备发送预定超声响应信号序列；及
在第一潜水员设备中接收来自第二潜水员设备的预定超声响应信号序列；
其中预定超声响应信号序列响应于识别诸如第二潜水员按下第二潜水员设备上的报警按钮、注意按钮和/或ok按钮的第二潜水员的动作被发送。
21.如权利要求19或20所述的方法，其中所述方法包括
在第二潜水员设备的屏幕上显示关于接收到的请求信号序列的信息；和/或
在第一潜水员设备的屏幕上显示关于接收到的响应信号序列的信息。
22.如权利要求19、20或21所述的方法，其中
信号序列特定于潜水员设备，使得其中信号序列被发送的时间窗口指示发送信号序列的潜水员设备；和/或
信号序列特定于潜水员的所述动作，使得信号序列中的信号之间的时间差指示所述动作。
23.一种用于水下通信的定位系统，所述系统包括
水下设备，包括配置为接收和发送超声信号的超声收发器；
至少一个浮动单元，所述至少一个浮动单元配置为在水表面上漂浮；
其中其中，
第一浮动单元包括配置为发送第一水下超声ping信号的超声发射器；
水下设备包括超声收发器，所述超声收发器配置为
-接收第一水下超声ping信号，及
-在从第一水下超声ping信号的接收开始的预定延迟之后，发送第二水下超声ping信号；
其中第一浮动单元包括配置为接收第二水下超声ping信号的超声接收器；
其中系统包括处理器，所述处理器配置为确定从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差；
其中系统被配置为通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来基于时间差向水下设备提供位置信息和/或其它信息，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示所提供的信息。
24.如权利要求23所述的定位系统，所述系统包括
两个或更多个浮动单元，所述两个或更多个浮动单元配置为在水表面上漂浮，每个浮动单元包括用于在无线电频率上彼此通信的无线电通信设备；
其中第一浮动单元和一个或多个第二浮动单元各包括配置为接收第二水下超声ping信号的超声接收器；
其中系统包括处理器，所述处理器配置为基于浮动单元的位置和从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差计算水下设备的位置。
25.如权利要求23或24所述的定位系统，其中它被配置为执行权利要求3至22的方法步骤中的任何一项。
26.一种用于定位系统的水下设备，所述水下设备包括配置为接收和发送超声信号的超声收发器；其中所述超声收发器被配置为的
从包括超声发射器的第一浮动单元接收第一水下超声ping信号；
在从第一水下超声ping信号的接收开始的预定延迟之后，将第二水下超声ping信号发送到包括配置为接收第二水下超声ping信号的超声接收器的第一浮动单元；及
基于从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差，从第一浮动单元接收作为顺序的水下超声ping信号的位置信息和/或其它信息，使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示要被接收的信息。
27.如权利要求26所述的水下设备，其中超声收发器被配置为
在从接收第一水下超声ping信号开始的预定延迟之后，将第二水下超声ping信号发送到第一浮动单元和一个或多个第二浮动单元，所述第一浮动单元和所述一个或多个第二浮动单元各包括配置为接收第二水下超声ping信号的超声接收器；及
从第一浮动单元接收作为顺序的水下超声ping信号的水下设备的计算位置，使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示水下设备相对于浮动单元中的至少一个浮动单元的位置，其中水下设备的位置是基于浮动单元的位置和从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差计算的。
28.如权利要求26或27所述的水下设备，其中水下设备包括配置为被附接到要被定位的潜水员的潜水员设备。
29.如权利要求28所述的水下设备，其中它被配置为在水下设备的屏幕上显示位置，使得
潜水员自己的位置被显示；
配对的伙伴潜水员的位置被显示；
潜水员的潜水轨迹被显示；
具有标记的感兴趣的点的潜水轨迹被显示；
组中的其它潜水员的位置被显示；
第一浮动单元的位置被显示；
第二浮动单元的位置被显示；和/或
感兴趣的目标的位置被显示。
30.如权利要求28或29所述的水下设备，其中它包括
用于水下设备的屏幕的亮度控制的单元和/或用于响应于潜水员的动作，向其它组成员和/或向表面单元发送报警、注意和/或ok信号的单元。
31.如权利要求26至30中任何一项所述的水下设备，其中它包括能被充电器再充电的电池。
32.如权利要求26至31中任何一项所述的水下设备，其中它被配置为发送要被在至少一个另外的水下设备中接收的预定超声信号序列，其中所述预定超声请求信号序列响应于识别诸如第一潜水员按下水下设备上的报警按钮、ok按钮和/或注意按钮的第一潜水员的动作被发送。
33.如权利要求26至32中任何一项所述的水下设备，其中它被配置为从至少一个另外的水下设备接收预定超声信号序列，其中所述预定超声信号序列响应于识别诸如第二潜水员按下另外的水下设备上的报警按钮、注意按钮和/或ok按钮的第二潜水员的动作被发送。
34.如权利要求33所述的水下设备，其中它被配置为在水下设备的屏幕上显示关于接收到的预定超声信号序列的信息。
35.如权利要求32、33或34所述的水下设备，其中
信号序列特定于潜水员设备，使得其中信号序列被发送的时间窗口指示发送信号序列的潜水员设备；和/或
信号序列特定于潜水员的所述动作，使得信号序列中的信号之间的时间差指示所述动作。
36.一种用于定位系统的表面单元，所述表面单元包括配置为在水表面上漂浮的第一浮动单元；其中
其中第一浮动单元包括配置为发送第一水下超声ping信号的超声发射器；
其中第一浮动单元包括超声接收器，所述超声接收器配置为接收在从接收第一水下超声ping信号开始的预定延迟之后由水下设备发送的第二水下超声ping信号；
其中表面单元包括处理器，所述处理器配置为确定从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差；
其中表面单元被配置为通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供位置信息和/或其它信息，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示所提供的信息。
37.如权利要求36所述的表面单元，所述表面单元包括
配置为在水表面上漂浮的两个或更多个浮动单元，每个浮动单元包括用于在无线电频率上彼此通信的无线电通信设备；
其中第一浮动单元和一个或多个第二浮动单元各包括超声接收器，所述超声接收器配置为接收在从接收第一水下超声ping信号开始的预定延迟之后由水下设备发送的第二水下超声ping信号；
其中表面单元包括处理器，所述处理器配置为基于浮动单元的位置和从超声发射器发送第一水下超声ping信号的时间与在超声接收器中接收第二水下超声ping信号的时间之间的时间差计算水下设备的位置；
其中表面单元被配置为通过从第一浮动单元向水下设备发送顺序的水下超声ping信号来向水下设备提供水下设备的计算位置，其中使得顺序的水下超声ping信号之间的时间差指示水下设备相对于浮动单元中的至少一个浮动单元的位置。
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