CN105807298A - 全海深海洋装备的定位与通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，安装在全海深海洋装备上，具有这样的特征，包括：光敏开关电路，感知光的照度并发出电平；倾角传感器，感知全海深海洋装备的倾角变化；北斗定位与通信模块，与北斗导航卫星通信；以及控制单元，控制光敏开关电路、倾角传感器、北斗定位与通信模块运行，其中，控制单元采集光敏开关电路和倾角传感器的信号，来判断全海深海洋装备所处的工作状态；无线通信模块实现对控制单元参数的配置与修改；以及通过磁力开关以非接触方式实现整个系统的上电启动与关断；此外，采用能量均衡意识定位信息发送机制来自动调整该装置的短报文信息发送的频度，以减少电池能耗。

Description

全海深海洋装备的定位与通信装置及方法

技术领域

本发明涉及为全海深海洋装备提供定位与通信功能的技术，特别涉及一种用于将全海深海洋装备的地理位置信息通过北斗卫星提供给母船或者控制中心的全海深海洋装备的定位与通信装置及方法。

背景技术

伴随着我国海洋强国战略的发展，11000米级的全海深海洋装备，如全海深着陆器、全海深无人潜水器和全海深载人潜水器，能够进行全海深的海底观测，是探索地球奥秘、生物起源、海洋资源开发的利器，备受国内外瞩目。全海深海洋装备对各组成部分及其功能提出了更高的要求，其中及时获知浮出海面的全海深海洋装备的地理位置信息，以便母船上工作人员及时完成对全海深海洋装备的回收和检修，尤为重要。目前，海洋装备通常采用GPS和铱星设备用于将所处位置信息发送给母船或控制中心。由于铱星及其服务商均是国外的，保密安全性差、价格高，而且运行服务费高，不利于实现定制化需求；另外，我国自主研发的北斗卫星导航系统具有满足全球定位和短报文通信功能。因此，从经济性、安全保密性和可定制化角度，GPS和铱星组合方式逐渐不适合于我国海洋装备快速发展的需求，而基于北斗卫星导航系统的海洋定位与通信装置已是大势所趋，逐渐取代GPS和铱星的组合方式。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种独立、准确、低功耗、低成本、高可靠性的全海深海洋装备的定位与通信装置及方法。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，安装在全海深海洋装备上，具有这样的特征，包括：光敏开关电路，感知光的照度并发出电平；倾角传感器，感知全海深海洋装备的倾角变化；北斗定位与通信模块，与北斗导航卫星通信；控制单元，控制光敏开关电路、倾角传感器、北斗定位与通信模块运行；以及电源，与控制单元连接，为光敏开关电路、倾角传感器、北斗定位与通信模块、控制单元，其中，控制单元采集光敏开关电路和倾角传感器的信号，来判断全海深海洋装备所处的工作状态。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的特征：其中，当全海深海洋装备下潜水下时，光敏开关电路输出的电平和倾角传感器输出的信号发生变化，控制单元关断北斗定位与通信模块工作；当全海深海洋装备浮出海面时，光敏开关电路输出的电平和倾角传感器的信号再次发生变化，控制单元唤醒同时启动北斗定位与通信模块工作，控制北斗定位与通信模块获取全海深海洋装备的位置信息，并通过北斗导航卫星将获取的位置信息发送。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的特征：其中，光敏开关电路，具有：光敏传感器，感知光的照度。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的特征，包括：无线通信模块，安装在外壳内部，与控制单元连接，对单片机参数进行配置，其中，电源为无线通信模块供电。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的特征，包括：水密接插件充电接口，设置在外壳的外表面，与电源相连接，供电源充电。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的特征：其中，电源通过非接触的磁力开关进行整个系统的上电启动与关断。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的特征：其中，电源为可充电锂电池。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的，包括：外壳，为玻璃球体，装载光敏传感器、倾角传感器、北斗定位与通信模块、无线通信模块、磁力开关、电源、控制单元。

本发明提供的全海深海洋装备的定位与通信装置，还具有这样的特征：其中，采用能量均衡意识定位信息发送机制来发送短报文，根据全海深海洋装备位置的变化情况、当前电池剩余能量及母船与全海深海洋装备之间的距离来自动调整该装置的短报文信息发送的频度。

本发明还提供的全海深海洋装备的定位与通信安装方法，安装在全海深海洋装备上，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采用磁力开关开启电源，控制单元上电工作；

步骤二：通过无线通信模块进行系统参数的配置；

步骤三：启动北斗定位与通信模块工作，并与母船或控制中心建立通信链接，核实经纬度信息无误后方可执行下潜任务；

步骤四：判断光敏开关电路是否输出高电平；

步骤五：等待光敏开关电路输出低电平；

步骤六：判断光敏开关电路是否输出低电平；

步骤七：判断倾角传感器测得的倾角是否低于设定值；

步骤八：当通过对光敏开关电路和倾角传感器的检测判断出全海深海洋装备已潜入水下后，控制单元进入低采样频率的低功耗模式，并发出信号来关断北斗定位与通信模块和无线通信模块；

步骤九：判断光敏开关电路是否输出高电平；

步骤十：判断倾角传感器测得的倾角是否大于设定值；

步骤十一：当控制单元检测出全海深海洋装备浮出水面时，此时唤醒控制单元；

步骤十二：启动北斗定位与通信模块建立通信连接；

步骤十三：控制单元接收位置信息；

步骤十四：判断位置信息是否有效；以及

步骤十五：将获取的位置信息通过RDSS模式的短报文发送至母船和控制中心。

发明作用与效果

根据本实施例所涉及全海深海洋装备的定位与通信装置及方法，该装置为独立子系统，由可充电锂电池单独供电，不与所依附的全海深海洋装备存在任何电气上的连接，避免对全海深海洋装备产生干扰，同时也避免了全海深海洋装备主系统发生电源故障时影响本系统的工作；该装置为简单可靠系统，通过光敏传感器和倾角传感器的检测，由低功耗单片机来对检测信号进行分析和判断，就能准确地确定全海深海洋装备是否潜入水下还是浮出海面，而且光敏传感器和倾角传感器具有功耗低、结构简单、价格低廉等优点；在全海深海洋装备处于水下时北斗定位与通信模块不工作且低功耗单片机也处于低功耗状态，有效地减少电池能耗，可以满足全海深海洋装备的长时间下潜、上浮和海下作业需求；采用能量均衡意识定位信息发送机制来发送短报文，自动调整该装置的短报文信息发送的频度，保证在电池耗尽前母船能够成功找到全海深海洋装备。

附图说明

图1是本发明在实施例中的全海深海洋装备的定位与通信装置的结构示意图；以及

图2是本发明在实施例中的全海深海洋装备的定位与通信方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明所涉及的全海深海洋装备的定位与通信装置作详细的描述。

图1是本发明在实施例中的全海深海洋装备的定位与通信装置的结构示意图。

如图1所示，一种全海深海洋装备的定位与通信装置，安装在全海深海洋装备上，与北斗导航卫星通信，其特征在于，包括：外壳1、光敏开关电路2、倾角传感器3、北斗定位与通信模块4、无线通信模块5、电源6、水密接插件充电接口7、控制单元8和磁力开关9。

外壳1为玻璃球体，通过紧固件固定在全海深海洋装备的上顶部，保证玻璃罩部分能够率先浮出海面。

光敏开关电路2安装在壳体1的内部，感知光的照度并发出高电平和低电平，具有：光敏传感器2-1。

光敏传感器2-1安装在外壳1的内顶部，利用玻璃球体的透光特性感知光的照度。光敏传感器2-1采用光敏三极管，该光敏三极管和运算放大器及电阻等组成光敏开关电路2，即有光照时输出高电平，无光照时输出低电平。

倾角传感器3安装在外壳内部，感知全海深海洋装备的倾角变化。当装置处于海面时，由于海浪作用，会引起设备在海面摇晃，进而使倾角传感器3检测的纵倾角和横倾角会在一定范围内不停的发生变化。

北斗定位与通信模块4安装在外壳内部，通过北斗天线4-1与北斗导航卫星通信。北斗天线4-1安装在外壳1的内顶部。北斗定位与通信模块4采用可实现RDSS双向定位、短报文通信，以及RNSS/GPS定位和授时功能的双模模块。

无线通信模块5安装在外壳1内部，对控制单元8的参数进行配置。。无线通信模块5实现控制单元8与玻璃球体外的计算机进行无线通信，从而实现对控制装置参数的无线配置，也减少了接插件的插拔次数。

电源6采用可充电锂电池，设置在外壳1内部，为光敏开关电路2、倾角传感器3、北斗定位与通信模块4、无线通信模块5和控制单元8供电。电源6使用非接触的磁力开关9，由玻璃球体之外的磁块控制磁力开关9的吸合与断开，从而实现非接触方式控制整个系统的上电启动与关断，减少了水密接插件的插拔次数。

由于磁力开关9和无线通信模块5两者都可以不通过接插件实现对本装置的开关和参数配置，极大地减少了接插件的插拔损耗，提高了整个装置的寿命和安全性，非常适用于全海深作业的海洋装备。

水密接插件充电接口7设置在外壳1的外表面，与电源6相连接。可充电锂电池6通过耐水下11000米级的水密接插件充电接口7完成电池模块的充电。

控制单元8采用低功耗单片机，安装在外壳内部，控制北斗定位与通信模块4、无线通信模块5运行。

控制单元8采集光敏传感器2-1和倾角传感器3的信号，来判断全海深海洋装备所处的工作状态。

控制单元8检测这两个传感器信号的优先级顺序依次为光敏传感器2-1的信号和倾角传感器3的信号，即光敏传感器2-1的优先级最高。

全海深海洋装备是否浮出海面的判断顺序具体为：控制单元8检测光敏开关电路2输出的电平信号，若检测到高电平则为全海深海洋装备浮于海面，而无需再判断倾角传感器3的值，就可以启动北斗定位与通信模块4；当检测到低电平时，考虑到存在黑天或阴雨天，光敏传感器2-1没起作用，不能确定是否处于海面或水下，控制单元8需要利用检测到的倾角传感器3的值来进一步判断全海深海洋装备是否浮于海面。若从角度变化判断出设备已处于海面，则启动北斗定位与通信模块4。同理，全海深海洋装备是否处于水下的判断顺序为：先判断光敏开关的状态，若单片机检测到光敏开关电路2从高电平转换为低电平，则可判断全海深海洋装备已处于水下，关闭北斗定位与通信模块4；若光敏开关电路2始终为低电平，则需进一步通过倾角传感器3来判断全海深海洋装备是否处于水下，由于全海深海洋装备在水下时角度传感器3的角度变化通常远小于海面时的角度变化，当角度变化明显减小，且光敏传开关电路2始终为低电平，则可关闭北斗定位与通信模块4。控制单元8通过对光敏传感器2-1和倾角传感器3检测结果的判断，来启动或关闭北斗定位与通信模块4。

当检测出全海深海洋装备浮出海面时，控制单元8从低功耗状态转到正常工作模式，并启动处于关闭的北斗定位与通信模块4，通过RNSS/GPS模式进行定位，RDSS模式将定位信息以短报文信息传输到母船或控制中心，从而使控制中心监控人员获知全海深海洋装备浮出海面及其位置信息。

采用光敏传感器2-1和倾角传感器3的组合来判断全海深海洋装备是否在海面和水下的好处是，这两种传感器不但简单、实用、可靠、低功耗，而且成本低、重量轻，易于实现。

为了保证全海深海洋装备浮出海面后其位置信息能够被母船或控制中心及时、可靠获知，母船或控制中心在接收到全海深海洋装备浮出海面的位置信息后，也要通过RDSS模式的短报文进行应答。由于本装置采用可充电锂电池6供电，且作业时不可充电，因此降低能耗、延长整个装置的工作时间尤为重要。本装置中RDSS报文信息发送的能耗最大，提出采用能量均衡意识定位信息发送机制，其基本方法是根据全海深海洋装备位置的变化情况、当前可充电锂电池6剩余能量及母船与全海深海洋装备之间的距离来自动调整该装置的短报文信息发送的频度，其中该装置向母船或控制中心发送的每个短报文信息不仅包括定位信息，还包括可充电锂电池6剩余能量信息和当前频度等信息，具体为：当全海深海洋装备浮出水面时北斗定位与通信模块4工作，本装置与母船双方通信无误确认2次后，本装置进入能量均衡意识定位信息发送工作模式：首先，判断位置信息是否需要发送，判断的依据是位置信息与上一次定位信息偏差是否大于100米，如果大于100米则认为全海深海洋装备移动较大，此次获得的位置信息是需要发送的；否则，认为全海深海洋装备移动距离可忽略，此次获得的位置信息无需发送，即上一次检测到的位置信息可作为定位的有效信息，不必重新发送，节省了能耗；然后，根据可充电锂电池6剩余能量的大小通过内置于控制单元8的软件程序调整RDSS发送的间隔，即当可充电锂电池6剩余能耗较大时，需要发送的位置信息可以立即发送；否则，当可充电锂电池6剩余能量低于总量的50％时，将增大RDSS发送的定位信息的间隔，其中定位信息采取缓冲模式，新的数据会覆盖先前没有发送出去的数据，且可充电锂电池6剩余能量越小发送时间间隔越大，也就是当可充电锂电池6剩余能量低于某阈值时，母船和指挥中心将根据母船与全海深海洋装备的距离、母船的航速和天气情况，通过母船和指挥中心向该装置发送更改频度设置信息请求，在线修订短报文信息发送的频度来进一步减少可充电锂电池6能量消耗，以保证在可充电锂电池6电源耗尽前母船能够成功找到全海深海洋装备。

图2是本发明在实施例中的全海深海洋装备的定位与通信方法的流程图。

如图2所示，全海深海洋装备的定位与通信方法具有以下步骤：

步骤一：采用磁力开关开启电源，控制单元8上电工作，进入步骤二。

步骤二：通过无线通信模块5进行系统参数的配置，进入步骤三。

步骤三：启动北斗定位与通信模块4工作，并与母船或控制中心建立通信链接，核实经纬度信息无误后方可执行下潜任务，进入步骤四。

步骤四：判断光敏开关电路2是否输出高电平，若输出高电平，进入步骤五；若未输出高电平，进入步骤七。

步骤五：等待光敏开关电路2输出低电平，进入步骤六。

步骤六：判断光敏开关电路2是否输出低电平，若输出低电平，进入步骤八；若未输出低电平，返回步骤五。

步骤七：判断倾角传感器3测得的倾角是否低于设定值，若低于设定值，进入步骤八；若未低于设定值，返回步骤四。

步骤八：当通过对光敏开关电路2和倾角传感器3的检测判断出全海深海洋装备已潜入水下后，控制单元8进入低采样频率的低功耗模式，并发出信号来关断北斗定位与通信模块4和无线通信模块5，进入步骤九。

步骤九：判断光敏开关电路2是否输出高电平，若输出高电平，进入步骤十一；若未输出高电平，进入步骤十。

步骤十：判断倾角传感器3测得的倾角是否大于设定值，若大于设定值，进入步骤十一；若未大于设定值，返回步骤九。

步骤十一：当控制单元8检测出全海深海洋装备浮出水面时，此时唤醒控制单元8，进入步骤十二。

步骤十二：启动北斗定位与通信模块4建立通信连接，进入步骤十三。

步骤十三：控制单元8接收位置信息，进入步骤十四。

步骤十四：判断位置信息是否有效，若有效进入步骤十五；若无效，返回步骤十三。

步骤十五：将获取的位置信息采用能量均衡意识定位信息发送机制以RDSS模式的短报文发送至母船和控制中心。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及全海深海洋装备的定位与通信及方法，该装置为独立子系统，由可充电锂电池单独供电，不与所依附的全海深海洋装备存在任何电气上的连接，避免对全海深海洋装备产生干扰，同时也避免了全海深海洋装备主系统发生电源故障时影响本系统的工作；该装置为简单可靠系统，通过光敏传感器和倾角传感器的检测，由低功耗单片机来对检测信号进行分析和判断，就能准确地确定全海深海洋装备是否潜入水下还是浮出海面，而且光敏传感器和倾角传感器具有功耗低、结构简单、价格低廉等优点；在全海深海洋装备处于水下时北斗定位与通信模块不工作且低功耗单片机也处于低功耗状态，有效地减少电池能耗，可以满足全海深海洋装备的长时间下潜、上浮和海下作业需求；采用能量均衡意识定位信息发送机制来发送短报文，自动调整该装置的短报文信息发送的频度，保证在电池耗尽前母船能够成功找到全海深海洋装备。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全海深海洋装备的定位与通信装置，安装在全海深海洋装备上，与北斗导航卫星通信，其特征在于，包括：

光敏开关电路，感知光的照度并发出电平；

倾角传感器，感知所述全海深海洋装备的倾角变化；

北斗定位与通信模块，与所述北斗导航卫星通信；

控制单元，控制所述光敏开关电路、所述倾角传感器与所述北斗定位运行，以及

电源，与所述控制单元连接，为所述光敏开关电路、所述倾角传感器、所述北斗定位与通信模块、所述控制单元供电，

其中，所述控制单元采集所述光敏开关电路和倾角传感器的信号，来判断所述全海深海洋装备所处的工作状态。

2.根据权利要求1所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于：

其中，当所述全海深海洋装备下潜水下时，所述光敏开关电路输出的所述电平和所述倾角传感器输出的信号发生变化，所述控制单元关断所述北斗定位与通信模块工作；当所述全海深海洋装备浮出海面时，所述光敏开关电路输出的所述电平和所述倾角传感器的所述信号再次发生变化，所述控制单元唤醒同时启动所述北斗定位与通信模块工作，控制所述北斗定位与通信模块获取所述全海深海洋装备的位置信息，并通过所述北斗导航卫星将获取的所述位置信息发送。

3.根据权利要求1所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于：

其中，所述光敏开关电路，具有：

光敏传感器，感知光的照度。

4.根据权利要求1所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于，还包括：

无线通信模块，安装在所述外壳内部，与所述控制单元连接，对所述单片机参数进行配置，

其中，所述电源为所述无线通信模块供电。

5.根据权利要求1所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于，还包括：

水密接插件充电接口，设置在所述外壳的外表面，与所述电源相连接，供所述电源充电。

6.根据权利要求4所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于：

其中，所述电源通过非接触的磁力开关实现整个系统的上电启动与关断。

7.根据权利要求1所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于：

其中，所述电源为可充电锂电池。

8.根据权利要求6所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于，还包括：

外壳，为玻璃球体，装载所述光敏传感器、所述倾角传感器、所述北斗定位与通信模块、所述无线通信模块、所述磁力开关、所述电源、所述控制单元。

9.根据权利要求1所述的全海深海洋装备的定位与通信装置，其特征在于：

其中，采用能量均衡意识定位信息发送机制来发送所述短报文，根据所述全海深海洋装备位置的变化情况、当前电池剩余能量及所述母船与所述全海深海洋装备之间的距离来自动调整该装置的短报文信息发送的频度。

10.一种全海深海洋装备的定位与通信方法，安装在全海深海洋装备上，与北斗导航卫星通信，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采用磁力开关开启电源，控制单元上电工作；

步骤二：通过无线通信模块进行系统参数的配置；

步骤三：启动北斗定位与通信模块工作，并与母船或控制中心建立通信链接，核实经纬度信息无误后方可执行下潜任务；

步骤四：判断光敏开关电路是否输出高电平；

步骤五：等待所述光敏开关电路输出低电平；

步骤六：判断所述光敏开关电路是否输出低电平；

步骤七：判断倾角传感器测得的倾角是否低于设定值；

步骤八：当通过对所述光敏开关电路和所述倾角传感器的检测判断出所述全海深海洋装备已潜入水下后，所述控制单元进入低采样频率的低功耗模式，并发出信号来关断所述北斗定位与通信模块和所述无线通信模块；

步骤九：判断所述光敏开关电路是否输出高电平；

步骤十：判断所述倾角传感器测得的倾角是否大于设定值；

步骤十一：当所述控制单元检测出所述全海深海洋装备浮出水面时，此时唤醒所述控制单元；

步骤十二：启动所述北斗定位与通信模块建立通信连接；

步骤十三：所述控制单元接收位置信息；

步骤十四：判断位置信息是否有效；以及

步骤十五：将获取的位置信息通过RDSS模式的短报文发送至母船和控制中心。