CN108715210A - 定位浮标以及布置定位浮标阵列的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种定位浮标以及布置定位浮标阵列的方法。其中，定位浮标包括：壳体(3)，导航装置(2)，柔性容器(9)，泵机构(11)，电源(8)，其中导航装置(2)包括：卫星导航电路(21)，和惯导装置(22)。通过在定位浮标中配置惯导装置(22),使得本申请公开的定位浮标能够在水下进行定位，且无需进行长时间的标校，能够大量布放，大大降低了成本，本申请公开定位浮标除具备海面导航功能，还能够在水下集群，提供足够精度的定位保障，增加了敌方破坏的难度，大大提高了生存能力。

Description

定位浮标以及布置定位浮标阵列的方法

技术领域

本申请涉及导航定位领域，具体而言，涉及一种定位浮标以及布置定位浮标阵列的方法。

背景技术

传统水声导航首先要在水下布设应答器基阵，根据航行体与应答器间的声学信号传播确定航行器相对应答器的位置。换能器(或换能器阵)声源(信标或应答器)发出的脉冲被一个或多个设在水下载体的声学传感器接收，收到的脉冲信号经过处理和按预定的数学模型进行计算就可以得到声源的位置。

传统的固定基站声学导航系统精度高，且不存在累计误差，但是其缺点是需提前布设应答基阵，不适合远洋航行和突发水下任务等应用场合，设备成本较高，维护困难。

此外，现有技术中的定位浮标接收卫星导航信号获取自身的位置，并且通过声学信号传播通信。但是由于其一直漂浮于水面，毫无隐蔽可言，容易受敌破坏、干扰和欺骗，同时战损补充非常困难，任务保障不能依赖，所以声学导航多用于商用及民用任务。

针对传统固定基站声学导航系统成本高且维护困难，以及传统的定位浮标无隐蔽性且易受破坏的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种定位浮标以及布置定位浮标阵列的方法，在现有定位浮标的基础上，设置有控制定位浮标浮沉的机构以及惯导装置，使得定位浮标能够潜入水中并且在潜水的状态下继续实现定位浮标的功能。从而解决了现有技术中存在的传统固定基站声学导航系统成本高且维护困难，以及传统的定位浮标无隐蔽性且易受破坏的问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种定位浮标，包括：壳体、导航装置以及声学信标。导航装置和声学信标设置于壳体内，导航装置用于获取定位浮标的位置信息。声学信标用于发射与位置信息相关的声学信号。定位浮标还包括：柔性容器，设置于壳体外侧；泵机构，设置于壳体内并与柔性容器连接，用于向柔性容器提供流体或从柔性容器抽吸流体，控制定位浮标的上浮与下沉。其中导航装置包括：卫星导航电路，用于接收卫星导航信号，并且根据卫星导航信号提供定位浮标的位置信息；以及惯导装置，用于在定位浮标沉入水下时，提供定位浮标的位置信息。

可选地，还包括电源，设置于壳体内，配置用于向泵机构、声学信标和导航装置提供电能。

可选地，定位浮标壳体内配置有电路板，并且其中电路板上设置有与泵机构、声学信标、卫星导航电路和惯导装置通信连接的控制器。

可选地，定位浮标的泵机构包括减速电机和柱塞泵。减速电机与柱塞泵连接并与控制器通信连接，驱动柱塞泵做往复运动。

可选地，柱塞泵配置用于向柔性容器提供气体以及从柔性容器抽吸气体。

可选地，定位浮标还包括设置于壳体内的气泵，气泵与柔性容器联通，配置用于向柔性容器提供气体，并且控制器与气泵通信连接，配置用于在定位浮标浮出水面时，控制气泵向柔性容器提供气体。

可选地，柱塞泵配置用于将液体注入柔性容器以及从柔性容器抽吸液体。

可选地，定位浮标壳体内安装有与控制器通信连接的压力传感器，压力传感器设置于与柔性容器联通的流路，感测柔性容器内的压力值。

可选地，声学信标为能够用于发射及接收声学信号的双向声学信标。

可选地，柔性容器外部配置有保护罩，用于保护柔性容器。

可选地，定位浮标的壳体外侧还配置有温度传感器。

可选地，控制器配置为能够执行以下操作：在定位浮标浮出水面后的第一预定时间，控制泵机构使定位浮标下沉；以及在定位浮标潜入水中之后的第二预定时间，控制泵机构使定位浮标浮出水面。

根据本公开的另一个方面，提供了一种布置定位浮标阵列的方法。该方法包括布置定位浮标，其中定位浮标包括：壳体、导航装置以及声学信标。其中导航装置和声学信标设置于壳体内，导航装置用于获取定位浮标的位置信息，声学信标为双向声学信标，用于发射以及接收与位置信息相关的声学信号。

定位浮标还包括：柔性容器，设置于壳体外侧；泵机构，设置于壳体内并与柔性容器连接，用于向柔性容器提供流体以及从柔性容器抽吸流体，控制定位浮标的上浮与下沉。

导航装置包括：卫星导航电路，用于接收卫星导航信号，并且根据卫星导航信号提供定位浮标的位置信息；以及惯导装置，用于在定位浮标沉入水下时，提供定位浮标的位置信息。

其中，定位浮标配置为基于通过以下至少一种方式确定的位置信息进行定位：通过卫星导航电路接收卫星导航信号确定的位置信息；通过惯导装置的惯性导航确定的位置信息；以及通过声学信标接收其他定位浮标的声学信标发射的声学信号确定的位置信息。

在本发明实施例中，通过惯导装置的使用，使得本申请公开的定位浮标能够在水下进行定位，使得本申请公开的定位浮标能够在水下进行定位，且无需进行长时间的标校，能够大量布放，大大降低了成本，本申请公开定位浮标除具备海面导航功能，还能够在水下集群，提供足够精度的定位保障，增加了敌方破坏的难度，大大提高了生存能力，进而解决了传统水声导航需提前布设应答基阵，成本高，维护困难，易受破坏的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本公开具体实施方式所述的导航定位浮标结构图；

图2示出了根据本公开具体实施方式所述的导航定位浮标系统框图；

图3示出了根据本公开具体实施方式所述的导航定位浮标的不同状态的示意图。

图4示出了根据本公开具体实施方式所述的导航定位浮标阵列示意图。

附图标记

1温度传感器；2导航装置；21卫星导航电路；22惯导装置；

3壳体；4声学信标；5电路板；6气泵；7压力传感器；

8电源；9柔性容器；10保护罩；11泵机构；

51控制器；111减速电机；112柱塞泵

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明专利申请具体实施方式所述的导航信标结构图；以及图2示出了根据本发明专利申请具体实施方式所述的导航信标系统框图。

参考图1和图2所示，实施例1提供了一种定位浮标，包括壳体3、导航装置2以及声学信标4。其中导航装置2和声学信标4设置于壳体3内，导航装置2用于获取定位浮标的位置信息，声学信标4用于发射与位置信息相关的声学信号。

定位浮标还包括：柔性容器9，设置于壳体3外侧；泵机构11，设置于壳体3内并与柔性容器9连接，用于向柔性容器9提供流体或从柔性容器9抽吸流体，控制定位浮标的上浮与下沉。

其中导航装置2包括：卫星导航电路21，用于接收卫星导航信号，并且根据卫星导航信号确定定位浮标的位置信息；以及惯导装置22，用于根据惯性导航确定定位浮标的位置信息。

传统测量型浮标通常只能浮于水面上通过卫星导航电路进行定位，由于长时间漂浮于水面上，因此容易被发现，毫无隐蔽可言，容易受敌破坏、干扰和欺骗，同时战损补充非常困难，任务保障不能依赖。为了解决该技术问题，根据本实施例的定位浮标的导航装置2不仅包括卫星导航电路21，还包括惯导装置22。此外，本实施例的定位浮标并且还包括用于控制浮标上浮和下沉的泵机构11。

从而，参考图3所示，本实施例的定位浮标既可以在浮于水面时利用卫星导航电路21接收卫星导航信号进行定位(参见状态1和状态5)，也可以沉入水下并在水下利用惯导装置22的惯性导航实现定位(参见状态2至状态4)。具体的，当浮标浮于水面时，通过卫星导航电路21通信，卫星导航电路21接收卫星导航信号，并根据卫星导航信号实现定位，并且可以利用声学信标4提供定位浮标的位置信息(参见状态1和状态5)。此外，定位浮标还可以下潜从而沉入水下。当浮标位于水下时，通过惯导装置22的惯性导航继续测量定位浮标的位置，并且利用声学信标4提供定位浮标的位置信息(参见状态2至状态4)。

从而，根据本实施例的定位浮标不仅可以通过浮于水面接收卫星导航信号的方式来实现自身的定位，也可以通过沉入水中依靠惯导装置进行导航定位的方式实现吱声的定位。由于定位浮标能够沉入水中完成定位，从而隐蔽性强，不易遭到破坏和干扰，克服了现有技术中存在的定位浮标容易被破会和干扰的问题。

作为柔性容器9的实例，柔性容器9可以是气囊或者液囊，当然也可以是其他形式的柔性容器，只要其体积能够随着充入流体或者抽出流体而发生变化，从而控制定位浮标的下沉与上浮即可。

可选地，定位浮标还包括还包括电源8，设置于壳体3内，配置用于向泵机构11、导航装置2以及声学信标4提供电能。

可选地，参考图1和图2所示，壳体3内还配置有电路板5，并且其中电路板5上设置有与泵机构11、声学信标4、卫星导航电路21和惯导装置22通信连接的控制器51。从而定位浮标内的各个部件可以在控制器51的控制下有序进行，并且可以根据用户的具体需要对定位浮标的各个部件的操作进行控制。从而增强了定位浮标使用的便利性。

可选地，泵机构11包括减速电机111和柱塞泵112，其中减速电机111与柱塞泵112连接并与控制器51通信连接，驱动柱塞泵112做往复运动。从而可以通过控制器51来驱动柱塞泵112的运动，并且进一步的控制定位浮标的上浮与下沉。当然，作为泵机构11的具体实例，也可以采用其他的结构，只要能够将流体冲入柔性容器或者将流体从柔性容器吸出即可。

此外，可选地，柱塞泵112配置用于向柔性容器9提供气体以及从柔性容器9抽吸气体。即柱塞泵112是一个气泵，用于将气体注入柔性容器9以及从柔性容器9抽出气体。从而当将气体冲入柔性容器9时，柔性容器9膨胀，从使得定位浮标上浮。从柔性容器9抽出气体时，柔性容器9收缩，从而使得定位浮标下沉。通过这种方式，可以控制定位浮标的升降沉浮。

此外，可选地，柱塞泵112配置用于将液体注入柔性容器9以及从柔性容器9抽吸液体。即柱塞泵112可以是一个液压泵，用于将液体注入柔性容器9中也可以将液体从柔性容器9抽出。液体例如可以是油，当然也可以是其他液体。当将油注入柔性容器9时，柔性容器9膨胀，从而使得定位浮标上浮；当将油从柔性容器9抽出时，柔性容器9收缩，使得定位浮标下沉。从而通过这种方式，可以控制定位浮标的升降沉浮。

此外，可选地，还包括设置于壳体3内的气泵6，气泵6与柔性容器9联通，配置用于向柔性容器9提供气体。并且控制器51与气泵6通信连接，配置用于在定位浮标浮出水面时，控制气泵6向柔性容器9提供气体。从而使得定位浮标在浮出水面后可以在水面上保持稳定，从而更好地用于提供定位信息。

可选地，壳体3内安装有与控制器51通信连接的压力传感器7，压力传感器7设置于与柔性容器9联通的流路，感测柔性容器9内的压力值。从而，压力传感器7可以将测得的压力值传递给控制器51，而控制器51可以根据测得的压力值控制减速电机111和柱塞泵112向柔性容器9注入流体或者从柔性容器9抽出流体。从而通过这种方式，保持了柔性容器9的压力的稳定。有利于保持定位浮标的状态稳定以及寿命延长。

可选地，声学信标4为能够用于发射及接收声学信号的双向声学信标4。从而，参考图4所示，由于定位浮标中的声学信标4为双向声学信标，因此其不仅可以向其他设备提供关于位置信息的声学信号，并且在其潜入水中时，也可以从其他定位浮标处接收关于位置信息的声学信号。从而在定位浮标潜入水中时，可以利用其他定位浮标发出的位置信息修正自己的定位，从而有利于实现定位浮标阵列的布置。更好地保证定位浮标定位的准确性。

可选地，定位浮标的柔性容器9外部配置有保护罩10，用于保护柔性容器9，减小柔性容器9在复杂海洋环境下的损耗程度。

可选地，定位浮标的壳体3上配置有温度传感器1，温度传感器1用来测定水温，以获得不同深度的海水温度。

可选地，控制器51配置为能够执行以下操作：在定位浮标浮出水面后的第一预定时间，控制泵机构11使定位浮标下沉；以及在定位浮标潜入水中之后的第二预定时间，控制泵机构11使定位浮标浮出水面。通常，惯导装置都会存在一定误差，随着时间的累计，这种误差也会逐渐累计。从而当定位浮标下潜超过一定时间后，由于惯导装置的累计误差，会使得定位浮标本身的定位失准，从而不能为其他水上或水下的交通工具提供准确的位置。因此，根据本实施例的定位浮标，其控制器51配置为在浮出水面后的第一预定时间后控制泵机构11使定位浮标下沉，利用惯导装置22进行定位，从而避免定位浮标被发现。并且在定位浮标下沉一段时间后，控制泵机构11使定位浮标浮出水面，从而利用卫星导航电路21接收卫星导航信号进行定位，从而修正惯导装置22进行定位的误差。如此循环操作，可以保证定位浮标一直保持准确的定位，同时又能避免其被发现和破坏。

此外，参考图1至图4所示，根据实施例的另一个方面，提供了一种布置定位浮标阵列的方法。该方法包括布置定位浮标，其中定位浮标包括：壳体3、导航装置2以及声学信标4。其中导航装置2和声学信标4设置于壳体3内，导航装置2用于获取定位浮标的位置信息，声学信标4为双向声学信标，用于发射以及接收与位置信息相关的声学信号。

定位浮标还包括：柔性容器9，设置于壳体3外侧；泵机构11，设置于壳体3内并与柔性容器9连接，用于向柔性容器9提供流体以及从柔性容器9抽吸流体，控制定位浮标的上浮与下沉。

导航装置2包括：卫星导航电路21，用于接收卫星导航信号，并且根据卫星导航信号提供定位浮标的位置信息；以及惯导装置22，用于在定位浮标沉入水下时，提供定位浮标的位置信息。

其中，定位浮标配置为基于通过以下至少一种方式确定的位置信息进行定位：通过卫星导航电路21接收卫星导航信号确定的位置信息；通过惯导装置22的惯性导航确定的位置信息；以及通过声学信标4接收其他定位浮标的声学信标4发射的声学信号确定的位置信息。

参考图4所示，本实施例提供了一种用于布置定位浮标阵列的方法。参考前面，所布置的定位浮标阵列中的多个定位浮标不仅能够浮于水面，还可以潜入水中，在浮于水面时，定位浮标利用卫星导航电路21接收卫星导航信号从而实现对浮标的定位。在定位浮标潜入水下时，利用惯导装置的惯性导航进行定位。

但是，如果仅仅布置一个定位浮标，仍然容易出现不能稳定地提供准确定位的问题。为了解决这个问题，本实施例提供了一种布置定位浮标阵列的方法。该方法包括布置多个根据本实施例所述的定位浮标，其中定位浮标中的声学信标4为双向声学信标。从而各个定位浮标不仅可以发送关于位置信息的声学信号，也可以从其他定位浮标接收关于其他定位浮标的位置信息的声学信号。从而利用多个定位浮标，可以彼此修正自己的位置。

并且，参考图4所示，多个定位浮标可以交替地浮上水面。这样浮上水面的定位浮标通过卫星导航电路21接收的卫星导航信号确定位置，并利用声学信标4将准确的位置信息向其他潜入水中的定位浮标发送。从而其他潜入水中的定位浮标可以利用所接收的准确的位置信息对自己的位置进行修正。从而，实现了定位浮标持久而稳定地提供准确的位置信息。

由于本实施例的定位浮标可以长时间在水下进行定位操作，因此隐蔽性好，不易被发现。从而，本发明定位浮标解决了传统测量型浮标只能浮于水面工作，隐蔽性差，容易被发现和被破坏的问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种定位浮标，包括：壳体(3)、导航装置(2)以及声学信标(4)，其中所述导航装置(2)和所述声学信标(4)设置于所述壳体(3)内，所述导航装置(2)用于获取所述定位浮标的位置信息，所述声学信标(4)用于发射与所述位置信息相关的声学信号，其特征在于，还包括

柔性容器(9)，设置于所述壳体(3)外侧；

泵机构(11)，设置于所述壳体(3)内并与所述柔性容器(9)连接，用于向所述柔性容器(9)提供流体以及从所述柔性容器(9)抽吸流体，控制所述定位浮标的上浮与下沉，其中

所述导航装置(2)包括：

卫星导航电路(21)，用于接收卫星导航信号，并且根据所述卫星导航信号确定所述定位浮标的位置信息；以及

惯导装置(22)，用于根据惯性导航确定所述定位浮标的位置信息。

2.根据权利要求1所述的定位浮标，其特征在于，还包括电源(8)，设置于所述壳体(3)内，配置用于向所述泵机构(11)、所述导航装置(2)以及所述声学信标(4)提供电能。

3.根据权利要求1所述的定位浮标，其特征在于，

所述壳体(3)内还配置有电路板(5)，并且其中所述电路板(5)上设置有与所述泵机构(11)、所述声学信标(4)、所述卫星导航电路(21)和所述惯导装置(22)通信连接的控制器(51)。

4.根据权利要求3所述的定位浮标，其特征在于，

所述泵机构(11)包括减速电机(111)和柱塞泵(112)，其中所述减速电机(111)与所述柱塞泵(112)连接并与所述控制器(51)通信连接，驱动所述柱塞泵(112)做往复运动。

5.根据权利要求4所述的定位浮标，其特征在于，

所述柱塞泵(112)配置用于向所述柔性容器(9)提供气体以及从所述柔性容器(9)抽吸气体。

6.根据权利要求5所述的定位浮标，其特征在于，

还包括设置于所述壳体(3)内的气泵(6)，所述气泵(6)与所述柔性容器(9)联通，配置用于向所述柔性容器(9)提供气体，并且所述控制器(51)与所述气泵(6)通信连接，配置用于在所述定位浮标浮出水面时，控制所述气泵(6)向所述柔性容器(9)提供气体。

7.根据权利要求4所述的定位浮标，其特征在于，

所述柱塞泵(112)配置用于将液体注入所述柔性容器(9)以及从所述柔性容器(9)抽吸液体。

8.根据权利要求1所述的定位浮标，其特征在于，所述声学信标(4)为能够用于发射及接收声学信号的双向声学信标(4)。

9.如权利要求3所述的定位浮标，其特征在于，所述控制器(51)配置为能够执行以下操作：

在所述定位浮标浮出水面后的第一预定时间，控制所述泵机构(11)使所述定位浮标下沉；以及

在所述定位浮标潜入水中之后的第二预定时间，控制所述泵机构(11)使所述定位浮标浮出水面。

10.一种布置定位浮标阵列的方法，包括布置多个定位浮标，其中所述定位浮标包括：壳体(3)、导航装置(2)以及声学信标(4)，其中所述导航装置(2)和所述声学信标(4)设置于所述壳体(3)内，所述导航装置(2)用于获取所述定位浮标的位置信息，所述声学信标(4)为双向声学信标，用于发射以及接收与位置信息相关的声学信号，其特征在于，

定位浮标还包括：柔性容器(9)，设置于所述壳体(3)外侧；泵机构(11)，设置于所述壳体(3)内并与所述柔性容器(9)连接，用于向所述柔性容器(9)提供流体以及从所述柔性容器(9)抽吸流体，控制所述定位浮标的上浮与下沉，并且

所述导航装置(2)包括：卫星导航电路(21)，用于接收卫星导航信号，并且根据所述卫星导航信号提供所述定位浮标的位置信息；以及惯导装置(22)，用于根据惯性导航确定所述定位浮标的位置信息，其中，所述定位浮标配置为基于通过以下至少一种方式确定的位置信息进行定位：

通过所述卫星导航电路(21)接收卫星导航信号确定的位置信息；

通过所述惯导装置(22)的惯性导航确定的位置信息；以及

通过所述声学信标(4)接收其他定位浮标的声学信标(4)发射的声学信号确定的位置信息。