CN107508649A - 一种基于北斗的水下激光授时系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于北斗的水下激光授时系统及方法,基于北斗的水下激光授时系统包括无人机移动基站,接收北斗卫星发射的导航信号和授时信息t,根据所述导航信息进行导航,移动至水下授时接收装置的上方;根据所述授时时间t获取精准时间,生成包括精准时间的激光信号,并发射至水下授时接收装置;水下授时接收装置,接收激光信号,解析获得无人机移动基站的标准时间,还检测出其所在位置的深度信息h2,结合该水域的折射率n,对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和折射率n进行数据处理,生成传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。相对现有技术,本发明能减小信号传输所造成的传输时延,增强抗干扰能力,提高水下授时的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及水下授时技术领域,特别涉及一种基于北斗的水下激光授时系统及方法。
背景技术
水下定位导航技术在海洋监测、海洋勘探、水下考古、水下施工、水下安保及军事国防等领域有非常重要的应用价值,而精确的时间基准对于水下应用系统而言都是非常重要的,在水下通信网络中,它是系统同步的基础;精确、统一的时间系统已成为现代科学的一个重要组成部分。
高频的电磁波信号在海水中衰减迅速,无法远距离传播,因此传统的无线电授时在水下难以正常工作。
目前采取较多的是水下声波授时。这种方式一般要求采用若干己知精确时间、位置的基站(简称:服务器),通过与需要时间校准的水下授时装置(简称:用户)进行水声信息交互,实现对用户时钟误差的测量,进而实现授时功能,但声通信延迟较大,在浅水区域存在复杂的时变和空变特征,带宽很难超过50kHz,利用多载波调制技术,能达到1~20kbit/s,然而多数情况下通信速率在1kbit/s附近。难以满足包括潜水员、自动潜航器;等水下活动单位间的信息交换,以及水下监测节点、传感网络与水面及陆上中转平台的数据交换需求。
现有技术中的水下授时技术中,水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、传输的时延大等缺陷,抗干扰能力弱,易受海水温度和盐度影响等特点;从而导致水下授时的误差大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于北斗的水下激光授时系统及方法,所要解决的技术问题是:水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、传输的时延大等缺陷,抗干扰能力弱,易受海水温度和盐度影响等特点;从而导致水下授时的误差大。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种基于北斗的水下激光授时系统,包括无人机移动基站和水下授时接收装置;
无人机移动基站,用于接收北斗卫星发射的导航信号和授时信息t,根据所述导航信息进行导航,移动至水下授时接收装置的上方;根据所述授时时间t获取精准时间,生成包括精准时间的激光信号,并发射至水下授时接收装置;
水下授时接收装置,用于接收激光信号,解析获得无人机移动基站的标准时间,还用于检测出其所在位置的深度信息h2,结合该水域的折射率n,对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和折射率n进行数据处理,生成传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
本发明的有益效果是:通过北斗卫星、无人机移动基站和水下授时接收装置协调运作,通过水下授时接收装置对传输时延的计算,将传输时延与授时信息t相加构成授时时间T,能减小信号传输所造成的传输时延,增强抗干扰能力,提高水下授时的精准度。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
进一步,所述无人机移动基站包括无人机本体、气压计、导航接收机、激光发射机和第一控制器,所述气压计和导航接收机均固定置于所述无人机本体上,所述激光发射机置于所述无人机本体的下端;所述第一控制器置于所述无人机本体内,所述气压计和导航接收机、激光发射机均与所述第一控制器通过线路连接;
所述气压计用于检测无人机本体所处位置的气压,根据对应气压换算成高度信息h1传输至第一控制器;
所述导航接收机用于接收北斗卫星发射的导航信号和授时信息t,将接收到的导航信号和授时信息t均传输至第一控制器;
所述第一控制器,用于根据导航信号对无人机本体进行导航,无人机本体移动至水下授时接收装置的上方;还用于将高度信息h1和授时信息t传输至激光发射机;
所述激光发射机用于将其激光发射头对准水下授时接收装置,生成激光发射角度信息θ,将高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ经编码、调制和电光转换生成激光信号,将激光信号发射至水下授时接收装置。
采用上述进一步方案的有益效果是:气压计能通过气压检测得出无人机本体所在高度,以及激光发射机生成的角度信息θ,从而实现将高度信息h1、授时信息t和角度信息θ通过蓝绿光信号传输至水下授时接收装置,蓝绿光信号可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、传输的时延大等缺陷,其信息承载能力强,可以组建大容量无线通信链路;在水介质的传输速率可达千兆,使得水下大信息容量数据的快速传输,具有抗电磁干扰能力强,不受海水温度和盐度影响。
进一步,所述激光发射机内设置有编码器和调制器,所述编码器用于将高度信息h1、授时信息t和激光角度信息θ进行差错控制编码;所述调制器用于将差错控制编码后的高度信息h1、授时信息t和激光角度信息θ进行脉冲调制。
采用上述进一步方案的有益效果是:激光发射机将高度信息h1、授时信息t和角度信息θ进行差错控制编码以及脉冲调制转换成蓝绿光信号,能提升信号传输效率和精度;同时将蓝绿光信号通过透镜以光束的形式发射至水下授时接收装置,光束能克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、传输的时延大等缺陷,其信息承载能力强,可以组建大容量无线通信链路;在水介质的传输速率可达千兆,使得水下大信息容量数据的快速传输,具有抗电磁干扰能力强,不受海水温度和盐度影响。
进一步,所述水下授时接收装置包括水下载体、深度测量仪、激光接收机和第二控制器,所述深度测量仪和激光接收机均置于所述水下载体上,所述深度测量仪和激光接收机连接,所述激光接收机与所述第二控制器连接;
所述深度测量仪用于检测水下载体所处位置的压强,根据对应压强换算成深度信息h2传输至激光接收机;
所述激光接收机用于接收激光发射机发射的激光信号,将激光信号转换成电信号,对电信号进行解调和解码还原得高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ,将高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n传输至第二控制器;
所述第二控制器用于将高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
采用上述进一步方案的有益效果是:深度测量仪能检测出深度信息h2,激光接收机能对高度信息h1、角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得出授时时间T,数据处理效率高,能降低传输时延。
进一步,所述激光接收机包括光检测电路、光电转换电路、信号转换电路和解码电路,所述光检测电路、光电转换电路、信号转换电路和解码电路依次连接;
所述光检测电路用于接收激光信号,将激光信号传输至光电转换电路;
所述光电转换电路用于将激光信号转换为与其具有相同频率、波形的电信号,并将电信号传输至信号转换电路;
所述信号转换电路用于对电信号进行转换,将模拟信号转换为规整的数字信号,并将数字信号传输至解码电路;
所述解码电路用于对转换后得到的数字信号进行解码,进行解调和解码还原得高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ。
采用上述进一步方案的有益效果是:通过光检测电路、光电转换电路、信号转换电路和解码电路协调运作,能实现对蓝绿光信号接收,并依次进行信号转换和解码,为数据处理电路提供精准数据,提升数据处理精度,数据处理效率高,能降低传输时延。
进一步,所述光电转换电路和信号转换电路之间依次串联有电流电压转换电路和低噪声放大电路,所述信号转换电路与解码电路之间依次串联有滤波电路和主放大电路;
所述电流电压转换电路用于将电流载体的电信号转换成电压载体的电信号,并将电信号传输至低噪声放大电路;
所述低噪声放大电路用于将电信号进行消噪放大,将消噪放大后的电信号传输至信号转换电路;
所述滤波电路用于对所述信号转换电路的数字信号进行滤波,将滤波后的电信号传输至主放大电路;
所述主放大电路是放大倍数可调的电路,将滤波后的电信号放大至适合后级电路处理的信号,并将其传输至解码电路。
采用上述进一步方案的有益效果是:通过电流电压转换电路、低噪声放大电路、主放大电路、滤波电路协调运作,能实现对蓝绿光信号接收,并依次进行信号转换、消噪放大和滤波,为数据处理电路提供精准数据,提升数据处理精度,数据处理效率高,能降低传输时延。
进一步,还包括数据处理电路,所述数据处理电路与解码电路连接;所述数据处理电路用于对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
采用上述进一步方案的有益效果是:数据处理电路能提升数据处理精度,数据处理效率高,能降低传输时延。
进一步,所述数据处理电路包括数据处理模型;所述数据处理模型对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理时:
当激光发射角度信息θ=0°时,利用高度信息h1和光速c计算得空气信道的时延τ1,以及利用深度信息h2和光速c计算得水下信道的时延τ2,再将空气信道的时延τ1和水下信道的时延τ2相加得传输时延τ;
当激光发射角度信息θ大于或等于0,且激光发射角度信息θ小于等于60°时,利用激光发射角度信息θ和高度信息h1计算得激光信号在空气信道中的传输距离l1,再利用激光信号在空气信道中的传输距离l1与c进行计算得空气信道的时延τ1;利用激光发射角度信息θ和折射率n计算得激光信号在水中的折射角,根据折射角ε和深度信息h2计算激光信号在水下信道中传输的距离l2;再折射率n和光速c计算得光在水下速度v,根据激光信号在水下信道中传输的距离l2和光在水下速度v求得水下信道的时延τ2,再将空气信道的时延τ1和水下信道的时延τ2相加得传输时延τ。
采用上述进一步方案的有益效果是:数据处理电路的数据处理模型结构简单,数据处理效率和精度高,能降低传输时延。
采用上述进一步方案的有益效果是:所述激光信号为蓝绿激光。
采用上述进一步方案的有益效果是:利用蓝绿激光能够穿透水下300米左右的深度,通信速率可达100Mbit/s量级,能有效减少信号损耗,提高信号传输效率。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下:一种基于北斗的水下激光授时方法,包括以下步骤:
步骤S1.无人机移动基站接收北斗卫星发射的导航信号和授时信息t,根据所述导航信息进行导航,移动至水下授时接收装置的上方;根据所述授时时间t获取精准时间,生成包括精准时间的激光信号,并发射至水下授时接收装置;
步骤S2.水下授时接收装置接收激光信号,解析获得无人机移动基站的标准时间,还检测出其所在位置的深度信息h2,结合该水域的折射率n,对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和折射率n进行数据处理,生成传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
本发明的有益效果是:通过北斗卫星、无人机移动基站和水下授时接收装置协调运作,通过水下授时接收装置对传输时延的计算,将传输时延与授时信息t相加构成授时时间T,能减小信号传输所造成的传输时延,增强抗干扰能力,提高水下授时的精准度。
附图说明
图1为本发明一种基于北斗的水下激光授时系统的实施示意图;
图2为本发明无人机移动基站的主视图;
图3为本发明水下授时接收装置的模块框图;
图4为本发明高度信息h1、深度信息h2、角度信息θ、信号在空气信道中的传输距离l1和信号在水下信道中传输的距离l2的示意图;
图5为本发明一种基于北斗的水下激光授时方法的流程图。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、北斗卫星;
2、无人机移动基站,210、无人机本体,220、气压计,230、导航接收机,240、激光发射机;
3、水下授时接收装置,310、水下载体,320、深度测量仪,330、激光接收机,331、光检测电路,332、光电转换电路,333、信号转换电路,334、解码电路、335、电流电压转换电路,336、低噪声放大电路,337、主放大电路,338、滤波电路,339、数据处理电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
如图1所示,一种基于北斗的水下激光授时系统,包括无人机移动基站2和水下授时接收装置3;
无人机移动基站2,用于接收北斗卫星1发射的导航信号和授时信息t,根据所述导航信息进行导航,移动至水下授时接收装置3的上方;根据所述授时时间t获取精准时间,生成包括精准时间的激光信号,并发射至水下授时接收装置3;
水下授时接收装置3,用于接收激光信号,解析获得无人机移动基站2的标准时间,还用于检测出其所在位置的深度信息h2,结合该水域的折射率n,对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和折射率n进行数据处理,生成传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
上述实施例中,通过北斗卫星1、无人机移动基站2和水下授时接收装置3协调运作,通过水下授时接收装置3对传输时延的计算,将传输时延与授时信息t相加构成授时时间T,能减小信号传输所造成的传输时延,增强抗干扰能力,提高水下授时的精准度。
可以作为本发明的一个实施例,如图2所示,所述无人机移动基站2包括无人机本体210、气压计220、导航接收机230、激光发射机240和第一控制器250,所述气压计220和导航接收机230均固定置于所述无人机本体210上,所述激光发射机240置于所述无人机本体210的下端;所述第一控制器250置于所述无人机本体210内,所述气压计220和导航接收机230、激光发射机240均与所述第一控制器250通过线路连接;
所述气压计220用于检测无人机本体210所处位置的气压,根据对应气压换算成高度信息h1传输至第一控制器250;
所述导航接收机230用于接收北斗卫星1发射的导航信号和授时信息t,将接收到的导航信号和授时信息t均传输至第一控制器250;
所述第一控制器250,用于根据导航信号对无人机本体210进行导航,无人机本体210移动至水下授时接收装置3的上方;还用于将高度信息h1和授时信息t传输至激光发射机240;
所述激光发射机240用于将其激光发射头对准水下授时接收装置3,生成激光发射角度信息θ,将高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ经编码、调制和电光转换生成激光信号,将激光信号发射至水下授时接收装置3。
上述实施例中,气压计220能通过气压检测得出无人机本体210所在高度,以及激光发射机240生成的角度信息θ,从而实现将高度信息h1、授时信息t和角度信息θ通过蓝绿光信号传输至水下授时接收装置3,蓝绿光信号可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、传输的时延大等缺陷,其信息承载能力强,可以组建大容量无线通信链路;在水介质的传输速率可达千兆,使得水下大信息容量数据的快速传输,具有抗电磁干扰能力强,不受海水温度和盐度影响。
可以作为本发明的一个实施例,所述激光发射机240内设置有编码器和调制器,所述编码器用于将高度信息h1、授时信息t和激光角度信息θ进行差错控制编码;所述调制器用于将差错控制编码后的高度信息h1、授时信息t和激光角度信息θ进行脉冲调制。
上述实施例中,激光发射机240将高度信息h1、授时信息t和角度信息θ进行差错控制编码以及脉冲调制转换成蓝绿光信号,能提升信号传输效率和精度;同时将蓝绿光信号通过透镜以光束的形式发射至水下授时接收装置3,光束能克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、传输的时延大等缺陷,其信息承载能力强,可以组建大容量无线通信链路;在水介质的传输速率可达千兆,使得水下大信息容量数据的快速传输,具有抗电磁干扰能力强,不受海水温度和盐度影响。
可以作为本发明的一个实施例,如图1所示,所述水下授时接收装置3包括水下载体310、深度测量仪320、激光接收机330和第二控制器340,所述深度测量仪320和激光接收机330均置于所述水下载体310上,所述深度测量仪320和激光接收机330连接,所述激光接收机330与所述第二控制器340连接;
所述深度测量仪320用于检测水下载体310所处位置的压强,根据对应压强换算成深度信息h2传输至激光接收机330;
所述激光接收机330用于接收激光发射机240发射的激光信号,将激光信号转换成电信号,对电信号进行解调和解码还原得高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ,将高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n传输至第二控制器340;
所述第二控制器340用于将高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
上述实施例中,深度测量仪320能检测出深度信息h2,激光接收机330能对高度信息h1、角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得出授时时间T,数据处理效率高,能降低传输时延。
可以作为本发明的一个实施例,如图3所示,所述激光接收机330包括光检测电路331、光电转换电路332、信号转换电路333和解码电路334,所述光检测电路331、光电转换电路332、信号转换电路333和解码电路334依次连接;
所述光检测电路331用于接收激光信号,将激光信号传输至光电转换电路332;
所述光电转换电路332用于将激光信号转换为与其具有相同频率、波形的电信号,并将电信号传输至信号转换电路333;
所述信号转换电路333用于对电信号进行转换,将模拟信号转换为规整的数字信号,并将数字信号传输至解码电路334;
所述解码电路334用于对转换后得到的数字信号进行解码,进行解调和解码还原得高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ。
上述实施例中,通过光检测电路331、光电转换电路332、信号转换电路333和解码电路334协调运作,能实现对蓝绿光信号接收,并依次进行信号转换和解码,为数据处理电路339提供精准数据,提升数据处理精度,数据处理效率高,能降低传输时延。
可以作为本发明的一个实施例,如图3所示,所述光电转换电路332和信号转换电路333之间依次串联有电流电压转换电路335和低噪声放大电路336,所述信号转换电路333与解码电路334之间依次串联有滤波电路338和主放大电路337;
所述电流电压转换电路335用于将电流载体的电信号转换成电压载体的电信号,并将电信号传输至低噪声放大电路336;
所述低噪声放大电路336用于将电信号进行消噪放大,将消噪放大后的电信号传输至信号转换电路333;
所述滤波电路338用于对所述信号转换电路333的数字信号进行滤波,将滤波后的电信号传输至主放大电路337;
所述主放大电路337是放大倍数可调的电路,将滤波后的电信号放大至适合后级电路处理的信号,并将其传输至解码电路334。
上述实施例中,通过电流电压转换电路335、低噪声放大电路336、主放大电路337、滤波电路338协调运作,能实现对蓝绿光信号接收,并依次进行信号转换、消噪放大和滤波,为数据处理电路339提供精准数据,提升数据处理精度,数据处理效率高,能降低传输时延。
可以作为本发明的一个实施例,如图3所示,还包括数据处理电路339,所述数据处理电路339与解码电路334连接;所述数据处理电路339用于对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
上述实施例中,数据处理电路339能提升数据处理精度,数据处理效率高,能降低传输时延。
可以作为本发明的一个实施例,如图4所示,所述数据处理电路339包括数据处理模型;所述数据处理模型对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理时:
当激光发射角度信息θ=0°时,利用高度信息h1和光速c计算得空气信道的时延τ1,以及利用深度信息h2和光速c计算得水下信道的时延τ2,再将空气信道的时延τ1和水下信道的时延τ2相加得传输时延τ;
当激光发射角度信息θ大于或等于0,且激光发射角度信息θ小于等于60°时,利用激光发射角度信息θ和高度信息h1计算得激光信号在空气信道中的传输距离l1,再利用激光信号在空气信道中的传输距离l1与c进行计算得空气信道的时延τ1;利用激光发射角度信息θ和折射率n计算得激光信号在水中的折射角,根据折射角ε和深度信息h2计算激光信号在水下信道中传输的距离l2;再折射率n和光速c计算得光在水下速度v,根据激光信号在水下信道中传输的距离l2和光在水下速度v求得水下信道的时延τ2,再将空气信道的时延τ1和水下信道的时延τ2相加得传输时延τ。
所述数据处理电路339的数据处理的模型为:
当θ=0°时;
τ1=h1/c,v=c/n,τ2=h2/v;
传输时延:τ=τ1+τ2;
当0°<<θ<<60°时;
τ1=l1/c,τ2=l2/v,v=c/n,l1=h1/cosθ;
sinε=sinθ/n,ε=sin-1(sinθ/n),l2=h2/cosε;
传输时延:τ=τ1+τ2;
其中,h1为高度信息,h2为深度信息,c为光速,n为该水域的折射率,θ为角度信息,l1为信号在空气信道中的传输距离,l2为信号在水下信道中传输的距离,τ1为空气信道的时延,τ2为水下信道的时延,τ为传输时延。
上述实施例中,数据处理电路339的数据处理模型结构简单,数据处理效率和精度高,能降低传输时延。
可以作为本发明的一个实施例,所述激光信号为蓝绿激光。
上述实施例中,利用蓝绿激光能够穿透水下300米左右的深度,通信速率可达100Mbit/s量级,能有效减少信号损耗,提高信号传输效率。
实施例2:
如图5所示,一种基于北斗的水下激光授时方法,包括以下步骤:
步骤S1.无人机移动基站2接收北斗卫星1发射的导航信号和授时信息t,根据所述导航信息进行导航,移动至水下授时接收装置3的上方;根据所述授时时间t获取精准时间,生成包括精准时间的激光信号,并发射至水下授时接收装置3;
步骤S2.水下授时接收装置3接收激光信号,解析获得无人机移动基站2的标准时间,还检测出其所在位置的深度信息h2,结合该水域的折射率n,对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和折射率n进行数据处理,生成传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
上述实施例中,通过北斗卫星1、无人机移动基站2和水下授时接收装置3协调运作,通过水下授时接收装置3对传输时延的计算,将传输时延与授时信息t相加构成授时时间T,能减小信号传输所造成的传输时延,增强抗干扰能力,提高水下授时的精准度。
可以作为本发明的一个实施例,所述步骤S3具体包括以下步骤:
步骤S31.深度测量仪320检测水下载体310所处位置的压强,根据对应压强换算成深度信息h2传输至激光接收机330;
步骤S32.激光接收机330接收无人机移动基站2传输的高度信息h1、授时信息t和角度信息θ,将高度信息h1、角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
上述实施例中,深度测量仪320能检测出深度信息h2,激光接收机330能对高度信息h1、角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得出授时时间T,数据处理效率高,能降低传输时延。
可以作为本发明的一个实施例,如图4所示,所述步骤S32中将高度信息h1、角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理的具体包括以下步骤:
当θ=0°时;
τ1=h1/c,v=c/n,τ2=h2/v;
传输时延:τ=τ1+τ2;
当0°<<θ<<60°时;
τ1=l1/c,τ2=l2/v,v=c/n,l1=h1/cosθ;
sinε=sinθ/n,ε=sin-1(sinθ/n),l2=h2/cosε;
传输时延:τ=τ1+τ2;
其中,h1为高度信息,h2为深度信息,c为光速,n为该水域的折射率,θ为角度信息,l1为信号在空气信道中的传输距离,l2为信号在水下信道中传输的距离,τ1为空气信道的时延,τ2为水下信道的时延,τ为传输时延。
上述实施例中,数据处理电路339的数据处理模型结构简单,数据处理效率和精度高,能降低传输时延。
本发明的北斗导航系统不仅具有全球、全天候、连续实时的精密三维导航与定位能力,而且具有世界上认可的时间系统,特别是近几年来,北斗定位技术得到迅速发展,应用领域日益广泛。同时蓝绿激光通信技术可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、传输的时延大等缺陷,其信息承载能力强,可以组建大容量无线通信链路;在水介质的传输速率可达千兆,使得水下大信息容量数据的快速传输成为可能;同时光学通信具有抗电磁干扰能力强,不受海水温度和盐度影响等特点。
本发明主要针对目前利用水声通信进行水下授时导航的缺陷,提供了一种基于北斗的水下激光授时系统及方法,它的意义在于结合了北斗陆地高精度授时的技术和水下激光通信的优势,填补我国在水下授时和水下工程测量领域的一些不足,实现水下的微秒级授时,海面精确跟踪、水下设备高精度定位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:包括无人机移动基站(2)和水下授时接收装置(3);
无人机移动基站(2),用于接收北斗卫星(1)发射的导航信号和授时信息t,根据所述导航信息进行导航,移动至水下授时接收装置(3)的上方;根据所述授时时间t获取精准时间,生成包括精准时间的激光信号,并发射至水下授时接收装置(3);
水下授时接收装置(3),用于接收激光信号,解析获得无人机移动基站(2)的标准时间,还用于检测出其所在位置的深度信息h2,结合该水域的折射率n,对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和折射率n进行数据处理,生成传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
2.根据权利要求1所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:所述无人机移动基站(2)包括无人机本体(210)、气压计(220)、导航接收机(230)、激光发射机(240)和第一控制器(250),所述气压计(220)和导航接收机(230)均固定置于所述无人机本体(210)上,,所述激光发射机(240)置于所述无人机本体(210)的下端;所述第一控制器(250)置于所述无人机本体(210)内,所述气压计(220)和导航接收机(230)、激光发射机(240)均与所述第一控制器(250)通过线路连接;
所述气压计(220)用于检测无人机本体(210)所处位置的气压,根据对应气压换算成高度信息h1传输至第一控制器(250);
所述导航接收机(230)用于接收北斗卫星(1)发射的导航信号和授时信息t,将接收到的导航信号和授时信息t均传输至第一控制器(250);
所述第一控制器(250),用于根据导航信号对无人机本体(210)进行导航,无人机本体(210)移动至水下授时接收装置(3)的上方;还用于将高度信息h1和授时信息t传输至激光发射机(240);
所述激光发射机(240)用于将其激光发射头对准水下授时接收装置(3),生成激光发射角度信息θ,将高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ经编码、调制和电光转换生成激光信号,将激光信号发射至水下授时接收装置(3)。
3.根据权利要求2所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:所述激光发射机(240)内设置有编码器和调制器,所述编码器用于将高度信息h1、授时信息t和激光角度信息θ进行差错控制编码;所述调制器用于将差错控制编码后的高度信息h1、授时信息t和激光角度信息θ进行脉冲调制。
4.根据权利要求1至3任一项所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:所述水下授时接收装置(3)包括水下载体(310)、深度测量仪(320)、激光接收机(330)和第二控制器(340),所述深度测量仪(320)和激光接收机(330)均置于所述水下载体(310)上,所述深度测量仪(320)和激光接收机(330)连接,所述激光接收机(330)与所述第二控制器(340)连接;
所述深度测量仪(320)用于检测水下载体(310)所处位置的压强,根据对应压强换算成深度信息h2传输至激光接收机(330);
所述激光接收机(330)用于接收激光发射机(240)发射的激光信号,将激光信号转换成电信号,对电信号进行解调和解码还原得高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ,将高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n传输至第二控制器(340);
所述第二控制器(340)用于将高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
5.根据权利要求4所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:所述激光接收机(330)包括光检测电路(331)、光电转换电路(332)、信号转换电路(333)和解码电路(334),所述光检测电路(331)、光电转换电路(332)、信号转换电路(333)和解码电路(334)依次连接;
所述光检测电路(331)用于接收激光信号,将激光信号传输至光电转换电路(332);
所述光电转换电路(332)用于将激光信号转换为与其具有相同频率、波形的电信号,并将电信号传输至信号转换电路(333);
所述信号转换电路(333)用于对电信号进行转换,将模拟信号转换为规整的数字信号,并将数字信号传输至解码电路(334);
所述解码电路(334)用于对转换后得到的数字信号进行解码,进行解调和解码还原得高度信息h1、授时信息t和激光发射角度信息θ。
6.根据权利要求5所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:所述光电转换电路(332)和信号转换电路(333)之间依次串联有电流电压转换电路(335)和低噪声放大电路(336),所述信号转换电路(333)与解码电路(334)之间依次串联有滤波电路(338)和主放大电路(337);
所述电流电压转换电路(335)用于将电流载体的电信号转换成电压载体的电信号,并将电信号传输至低噪声放大电路(336);
所述低噪声放大电路(336)用于将电信号进行消噪放大,将消噪放大后的电信号传输至信号转换电路(333);
所述滤波电路(338)用于对所述信号转换电路(333)的数字信号进行滤波,将滤波后的电信号传输至主放大电路(337);
所述主放大电路(337)是放大倍数可调的电路,将滤波后的电信号放大至适合后级电路处理的信号,并将其传输至解码电路(334)。
7.根据权利要求5或6所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:还包括数据处理电路(339),所述数据处理电路(339)与解码电路(334)连接;所述数据处理电路(339)用于对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理,得传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
8.根据权利要求7所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:所述数据处理电路(339)包括数据处理模型;所述数据处理模型对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和该水域的折射率n进行数据处理时:
当激光发射角度信息θ=0°时,利用高度信息h1和光速c计算得空气信道的时延τ1,以及利用深度信息h2和光速c计算得水下信道的时延τ2,再将空气信道的时延τ1和水下信道的时延τ2相加得传输时延τ;
当激光发射角度信息θ大于或等于0,且激光发射角度信息θ小于等于60°时,利用激光发射角度信息θ和高度信息h1计算得激光信号在空气信道中的传输距离l1,再利用激光信号在空气信道中的传输距离l1与c进行计算得空气信道的时延τ1;利用激光发射角度信息θ和折射率n计算得激光信号在水中的折射角,根据折射角ε和深度信息h2计算激光信号在水下信道中传输的距离l2;再折射率n和光速c计算得光在水下速度v,根据激光信号在水下信道中传输的距离l2和光在水下速度v求得水下信道的时延τ2,再将空气信道的时延τ1和水下信道的时延τ2相加得传输时延τ。
9.根据权利要求8所述一种基于北斗的水下激光授时系统,其特征在于:所述激光信号为蓝绿激光。
10.一种基于北斗的水下激光授时方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1.无人机移动基站(2)接收北斗卫星(1)发射的导航信号和授时信息t,根据所述导航信息进行导航,移动至水下授时接收装置(3)的上方;根据所述授时时间t获取精准时间,生成包括精准时间的激光信号,并发射至水下授时接收装置(3);
步骤S2.水下授时接收装置(3),用于接收激光信号,解析获得无人机移动基站(2)的标准时间,还用于检测出其所在位置的深度信息h2,结合该水域的折射率n,对高度信息h1、激光发射角度信息θ、深度信息h2和折射率n进行数据处理,生成传输时延τ,结合授时信息t和传输时延τ得授时时间T。
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