CN107843241A - 一种无人机载投掷式浮标 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机载投掷式浮标，投掷式浮标由无人机携带投放于目标海域海面上，通过无线网络与地面的监测中心服务器进行通信连接；投掷式浮标包括探头和本体，探头位于海面下，本体位于海面上，探头和本体通过信号传输线相连接；当投掷式浮标收到监测中心服务器的采集指令，探头和本体相互分离，探头下潜至海面下1000m处，探测该点的海水温度；探头将数据通过信号传输线传送给本体。本发明对采集数据进行FSK调制和解调，实现了水下探头和水面本体的长距离传输信道数据通信，克服了传输信道波形畸变大和海洋环境的不利条件，实现了多点同步、长期实时获取深层水下海水剖面温度信息。

Description

一种无人机载投掷式浮标
技术领域
本发明涉及海洋探测技术领域，特别涉及一种无人机载投掷式浮标。
背景技术
高密度、实时、原位、长期海洋观测系统是满足人类对海洋探索的发展趋势和必然要求。二十一世纪是海洋的世纪。在2006年，美国将“全球海洋观测系统的建立”作为科技国策；在亚洲，日本率先在1978年建立海底地震检测站，他们用线缆将四个沉入海底的地震仪连接起来，这应该就是以后其建立的多个海底观测站的雏形。中国是海洋大国，但非海洋强国，特别在海洋仪器装备方面。海洋仪器装备落后的现状已无法满足我国海洋国防安全、海上经济安全、海洋资源开发等的需要，制约了我国向更深更远海洋进军的步伐。因此，必须加快我国海洋关键技术装备体系建设和海洋关键技术装备的研制，整体提升我国海洋技术装备水平。
发明内容
(一)解决的技术问题
为了解决上述问题，本发明提供了一种无人机载投掷式浮标，对采集数据进行FSK调制和解调，实现了水下探头和水面本体的长距离传输信道数据通信，实现了多点同步、长期实时获取深层水下海水剖面温度信息。
(二)技术方案
一种无人机载投掷式浮标，所述投掷式浮标由无人机携带投放于目标海域海面上，通过无线网络与地面的监测中心服务器进行通信连接；所述投掷式浮标包括探头和本体，所述探头位于海面下，所述本体位于海面上，所述探头和所述本体通过信号传输线相连接；当所述投掷式浮标收到所述监测中心服务器的采集指令，所述探头和所述本体相互分离，所述探头下潜至海面下1000m处，探测该点的海水温度；所述探头将数据通过所述信号传输线传送给所述本体；
所述探头包括数据采集单元、数据处理单元和调制发射单元，所述数据采集单元采集海水温度，输出模拟电压信号，送入所述数据处理单元的A/D转换通道进行模数转换，输出数字信号经所述调制发射单元调制成频率信号；所述本体包括解调接收单元、通信控制单元、GPS定位单元和无线传输单元，所述解调接收单元接收所述探头经所述信号传输线发送的频率信号并进行解调为所述数字信号，所述GPS定位单元接收GPS定位卫星发送的导航电文并提取出时间、经纬度等定位信息，所述通信控制单元将所述数字信号标注GPS定位信息通过所述无线传输单元送入所述无线网络。
进一步的，所述信号传输线采用1000m长，0.1mm线径的聚氨酯漆包线。
进一步的，所述数据采集单元为温度传感器，所述温度传感器选用NTC热敏电阻。
进一步的，所述数据处理单元和所述通信控制单元均选用单片机MSP430F449。
进一步的，所述调制发射单元和所述解调接收单元具有相同的电路结构，包括调制解调器、高频变压器、石英晶振、第一电阻和第一～第四电容，其中所述调制解调器选用可编程异步频移键控调制解调芯片MSM7512B，所述第四电容为电解电容。
进一步的，所述GPS定位单元包括GPS传感器、天线、第五～第七电容和第二～第八电阻，其中所述GPS传感器选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。
进一步的，所述无线传输单元选用ZigBee模块JN5139。
进一步的，所述投掷式浮标还包括供电单元，所述供电单元为锂电池。
作为优选，所述供电单元为太阳能发电面板，所述太阳能发电面板位于所述本体外部。
(三)有益效果
本发明提供了一种无人机载投掷式浮标，对采集数据进行FSK调制和解调，实现了水下探头和水面本体的长距离传输信道数据通信，克服了传输信道波形畸变大和海洋环境的不利条件，实现了多点同步、长期实时获取深层水下海水剖面温度信息，其系统结构简单，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，传输稳定和可靠，可扩展性强，易实现，可以推广应用到其它抛弃式测量系统的通信中。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种无人机载投掷式浮标的结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种无人机载投掷式浮标的系统框图。
图3为本发明所涉及的一种无人机载投掷式浮标的调制解调接收单元电路原理图。
图4为本发明所涉及的一种无人机载投掷式浮标的GPS定位单元电路原理图。
图5为本发明所涉及的一种无人机载投掷式浮标的无线传输单元电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。
结合图1和图2，一种无人机载投掷式浮标，投掷式浮标1由无人机携带投放于目标海域海面3上，通过无线网络2与地面的监测中心服务器进行通信连接；投掷式浮标1包括探头11和本体12，探头11位于海面3下，本体12位于海面3上，探头11和本体12通过信号传输线13相连接；当投掷式浮标1收到监测中心服务器的采集指令，探头11和本体12相互分离，探头11下潜至海面3下1000m处，探测该点的海水温度；探头11将数据通过信号传输线13传送给本体12；
探头11包括数据采集单元、数据处理单元和调制发射单元，数据采集单元采集海水温度，输出模拟电压信号，送入数据处理单元的A/D转换通道进行模数转换，输出数字信号经调制发射单元调制成频率信号；本体12包括解调接收单元、通信控制单元、GPS定位单元和无线传输单元，解调接收单元接收探头11经信号传输线13发送的频率信号并进行解调为数字信号，GPS定位单元接收GPS定位卫星发送的导航电文并提取出时间、经纬度等定位信息，通信控制单元将数字信号标注GPS定位信息通过无线传输单元送入无线网络2。
投掷式浮标1由无人机携带，抵达目标海域后投放，通过降落伞放慢下降速度，当触及海面3时降落伞自动脱落。当投掷式浮标1接收到地面监测中心服务器的采集指令后，投掷式浮标1将探头11释放到海面3下1000m左右测量海水剖面温度。数据采集单元为温度传感器，温度传感器选用NTC热敏电阻。NTC热敏电阻使用灵敏度高，响应速度快。
NTC热敏电阻采集海水温度，输出为模拟电压信号，需送入数字处理单元的A/D转换通道进行模数转换处理。数据处理单元选用单片机MSP430F449，其低工作电压：1.8～3.6V。三种模式超低功耗：活动模式280uA；待机模式1.1uA；掉电模式仅0.1uA。有5种节电模式，从待机到唤醒的响应时间不超过6us。16位精简指令结构，150ns指令周期。内部集成12位8通道A/D转换器，带有3个捕获/比较器结构的16位定时器，串行通信可软件选择UART/SPI两种模式。内部60KB Flash存储器和2KB RAM。
探头11在测量温度的同时将测量数据传输给投掷式浮标1的本体12。探头11与本体12的数据通信为有线传输，传输信道处于复杂的海洋环境中，传输性能的好坏直接影响到测量结果的有效性和完整性。信号传输线13采用1000m长，0.1mm线径的聚氨酯漆包线。由于线径很细，传输导线的直流电阻很大，线间电容和等效电感的数值也很大，并且随着线轴展开，传输信号的波形畸变较大，使数据在传输过程中产生严重衰竭和形变。除了传输介质自身对信号传输的不利影响外，海洋环境噪声的影响也是不容忽视的。海洋环境噪声对于信号的干扰是很明显的，噪声的组成复杂，与海域的地理位置、探头11的深度、周围船只等都有关系。因此对传输信号进行调制处理，采用FSK调制，可以克服传输距离长、信道参数快速时变等不利条件导致的信号衰减、形变，保障数据传输的可靠性。采集数据经MSP430F449处理后，送给调制发射单元进行FSK调制和有线传输。海面上的投掷式浮标1本体12通过信号传输线13接收探头11传送的频率信号并进行解调。调制发射单元和解调接收单元具有相同的电路结构，如图3所示，包括调制解调器U1、高频变压器T1、石英晶振X1、电阻R1和电容C1～C4，其中调制解调器U1选用可编程异步频移键控调制解调芯片MSM7512B，第四电容为电解电容C4。MSM7512B具有体积小、功耗低、温度适应范围广、外围元件少、有较宽的电压工作范围等特点，使用和调试也很方便。MSM7512B符合ITU2TV.23规则，半双工工作方式，1200b/s，具有75b/s的反向传输信道，3～5V电源工作范围，低功耗：工作模式25mW；节能模式100uW，内置混合阻容回路、模拟回路环自检功能和3.58MHz晶体振荡回路，数字输入/输出接口与TTL电平兼容。1200b/s的传输速率可以满足探头11和本体12之间的数据传输要求；3V的工作电压与数据采集单元相同，简化了电源电路；低功耗特性适用于系统的工作环境；TTL电平方便与单片机MSP430F449接口。MSM7512B的引脚MOD1和MOD2为工作方式选择端，可选择四种工作方式：方式一MOD1＝0、MOD2＝0为FSK发送模式；方式二MOD1＝0、MOD2为FSK接收和75bps发送模式；方式三MOD1＝1、MOD2＝0为模拟环路返回测试模式；方式四MOD1＝1、MOD2＝1为掉电模式，本系统工作在方式二模式下。
MSM7512B支持TTL电平，可与MSP430F449直接相连。MSM7512B的数据接收端RD脚和数据发送端XD脚与MSP430F449的USART接口相连，实现与MSP430F449之间的数据通信。由MSP430F449的I/O口输出控制电平控制MSM7512B的工作方式选择、载波检测、信号使能以及环路自检功能。X1和X2脚之间内置了1MΩ的反馈电阻，同时对地分别接了一个近似10pF的电容，3.58MHz的石英晶振X1可直接与其相连。接收端A1和发送端A2通过2.2uF的电容C1和C2与信号传输线相连，电容起到通交隔直流的作用。与电源相连的VDD端通过去耦电容C3和C4接地，消除交流分量。
如图4所示，GPS定位单元包括GPS传感器U2、天线E1、电容C5～C7和电阻R2～R8，其中GPS传感器U2选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。SiRF Star III GPS芯片组具有灵敏度高，低信号下快速TTFF(首次定位时间)，20通道全视野跟踪，跟踪速度精度为0.1m/s，支持NMEA0183和SiRF二进位协议，通过串口固定输出NMEA0183规定的数据信息。通信控制单元接收其中的推荐定位信息，获得时间、经纬度等信息。
通信控制单元将解调接收单元解调的数字信号标记GPS定位信息，通过无线网络2上传给地面的监测中心服务器。通信控制单元也选用单片机MSP430F449。无线传输单元选用ZigBee模块JN5139。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，其特点是低成本、近距离、低复杂度、自组织、低功耗和低数据速率，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。传输范围一般介于10～3km，指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离可以更远，满足海洋环境组件局域网进行数据传输的要求。JN5139模块是业界第一款与IEEE802.15.4兼容的低功耗、低成本无线控制模块。JN5139模块的串口和MSP430F449的串口都是TTL接口，因此可直接相连，如图5所示，只需连接TXD0和RXD0两根信号线即可实现两者的数据传输通信。地面的监测中心服务器接收无线网络2中的数据，监测人员可在服务器端进行海量数据存储、曲线拟合和打印显示等。
投掷式浮标1还包括供电单元，供电单元为锂电池。由于投掷式浮标1所处环境的特殊性，作为技术方案的优选，供电单元为太阳能发电面板，太阳能发电面板位于本体12外部。投掷式浮标1本体12的外部被太阳能发电面板包裹，可以更充分高效的利用太阳光能转化为电能进行存储并给系统各单元提供工作电压。
在实际海洋环境监测过程中，可将多个投掷式浮标1投放于目标海域的多个监测点，多点同步采集大面积海域次表层和深层海水温度剖面要素数据，实现高密度、实时、原位、长期对海洋环境进行监测。
本发明提供了一种无人机载投掷式浮标，对采集数据进行FSK调制和解调，实现了水下探头和水面本体的长距离传输信道数据通信，克服了传输信道波形畸变大和海洋环境的不利条件，实现了多点同步、长期实时获取深层水下海水剖面温度信息，其系统结构简单，成本低廉，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，传输稳定和可靠，可扩展性强，易实现，可以推广应用到其它抛弃式测量系统的通信中。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述投掷式浮标由无人机携带投放于目标海域海面上，通过无线网络与地面的监测中心服务器进行通信连接；所述投掷式浮标包括探头和本体，所述探头位于海面下，所述本体位于海面上，所述探头和所述本体通过信号传输线相连接；当所述投掷式浮标收到所述监测中心服务器的采集指令，所述探头和所述本体相互分离，所述探头下潜至海面下1000m处，探测该点的海水温度；所述探头将数据通过所述信号传输线传送给所述本体；
所述探头包括数据采集单元、数据处理单元和调制发射单元，所述数据采集单元采集海水温度，输出模拟电压信号，送入所述数据处理单元的A/D转换通道进行模数转换，输出数字信号经所述调制发射单元调制成频率信号；所述本体包括解调接收单元、通信控制单元、GPS定位单元和无线传输单元，所述解调接收单元接收所述探头经所述信号传输线发送的频率信号并进行解调为所述数字信号，所述GPS定位单元接收GPS定位卫星发送的导航电文并提取出时间、经纬度等定位信息，所述通信控制单元将所述数字信号标注GPS定位信息通过所述无线传输单元送入所述无线网络。
2.根据权利要求1所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述信号传输线采用1000m长，0.1mm线径的聚氨酯漆包线。
3.根据权利要求1所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述数据采集单元为温度传感器，所述温度传感器选用NTC热敏电阻。
4.根据权利要求1所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述数据处理单元和所述通信控制单元均选用单片机MSP430F449。
5.根据权利要求1所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述调制发射单元和所述解调接收单元具有相同的电路结构，包括调制解调器、高频变压器、石英晶振、第一电阻和第一～第四电容，其中所述调制解调器选用可编程异步频移键控调制解调芯片MSM7512B，所述第四电容为电解电容。
6.根据权利要求1所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述GPS定位单元包括GPS传感器、天线、第五～第七电容和第二～第八电阻，其中所述GPS传感器选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。
7.根据权利要求1所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述无线传输单元选用ZigBee模块JN5139。
8.根据权利要求1所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述投掷式浮标还包括供电单元，所述供电单元为锂电池。
9.根据权利要求8所述的一种无人机载投掷式浮标，其特征在于：所述供电单元为太阳能发电面板，所述太阳能发电面板位于所述本体外部。
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