CN109444867B - 一种水下定位及通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下定位及通信系统和方法。该系统包括在水下铺设的水下光纤通信网，以及在水下光纤通信网上设置的多个通信基站，通信基站包括基站声探传感器和基站激光通信接口，在水中游体的下方设置有游体声探传感器和游体激光通信接口，当游体接近其中一个通信基站时，先通过游体声探传感器发出声探信号，基站声探传感器接收声探信号并向游体声探传感器进行回应，引导水中游体进一步准确到达临近通信基站的预定位置，然后游体激光通信接口与基站激光通信接口进行激光通信，实现水中游体与水下光纤通信网的信息交互。该系统为水中游体提供了实时、可靠和大容量的通信手段。

Description

一种水下定位及通信系统和方法

技术领域

本发明涉及水下通信领域，尤其涉及一种水下定位及通信系统和方法。

背景技术

在内陆湖泊、河流和近海海域中，根据科考工作的需要，通常需要对水中游体进行长时间、连续性观测，而观测采集的数据又希望能够及时有效的传输出来，以有利于实时对水中游体的活动情况进行分析研究。这里水中游体包括水面航行船只、水下科考船、水中游鱼、水中珍稀生物、蛙人、深潜器、潜水器等。

现有技术中，对于水中游体的探测跟踪受限于水中通信稳定性、通信带宽等因素制约，难以进行实时的、可靠的和大容量的通信传输，成为制约水下通信的瓶颈。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种水下定位及通信系统和方法，解决现有技术中对水中游体的定位和通信缺乏实时、可靠和大容量的通信技术手段的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种水下定位及通信系统，包括在水下铺设的水下光纤通信网，以及在所述水下光纤通信网上的设置的多个通信基站，所述通信基站包括基站声探传感器和基站激光通信接口，在水中游体上设置有游体声探传感器和游体激光通信接口；当所述水中游体接近其中一个所述通信基站时，所述水中游体通过所述游体声探传感器与所述通信基站的所述基站声探传感器之间的声探信号交互，引导所述水中游体进一步准确到达临近所述通信基站的预定位置；然后所述游体激光通信接口与所述基站激光通信接口进行激光通信，并接入所述水下光纤通信网，实现所述水中游体与所述水下光纤通信网的信息交互。

在本发明水下定位及通信系统另一实施例中，所述声探信号交互包括所述水中游体先通过所述游体声探传感器发出声探信号，所述通信基站的基站声探传感器接收所述声探信号并向所述游体声探传感器进行回应。

在本发明水下定位及通信系统另一实施例中，所述声探信号交互包括所述通信基站先通过所述基站声探传感器发出声探信号，所述水中游体的游体探传感器接收所述声探信号并向所述基站声探传感器进行回应。

在本发明水下定位及通信系统另一实施例中，所述水中游体设置有惯导定位装置，通过所述惯导定位装置进行概略定位，并与所述水中游体中存储的所述水下光纤通信网及所述通信基站的分布信息进行比对，从而控制所述水中游体接近所述通信基站。

在本发明水下定位及通信系统另一实施例中，当通过所述概略定位确定所述水中游体未接近所述通信基站时，所述游体声探传感器不发出声探信号；当通过所述概略定位确定接近所述水下光纤通信网中的一个通信基站时并有通信需求时，所述游体声探传感器则发出声探信号用于探测所述通信基站。

在本发明水下定位及通信系统另一实施例中，所述游体声探传感器为发声方向可控且可实现声波通信的游体定向声控传感器。

本发明还提供了一种水下定位及通信方法，基于前述的水下定位及通信系统进行工作，包括步骤：水中引导，当水中游体接近水下铺设的水下光纤通信网的一个通信基站时，所述水中游体通过所述游体声探传感器与所述通信基站的所述基站声探传感器之间的声探信号交互，引导所述水中游体进一步准确到达临近所述通信基站的预定位置；水中通信，然后所述游体利用设置的游体激光通信接口与所述基站的基站激光通信接口进行激光通信，并接入所述水下光纤通信网，实现所述水中游体与所述水下光纤通信网的信息交互。

在本发明水下定位及通信方法另一实施例中，在所述水中引导步骤之前还包括概略定位，在所述水中游体上设置有惯导定位装置，通过所述惯导定位装置进行概略定位，并与水中游体中存储的所述水下光纤通信网及所述通信基站的分布信息进行比对，从而控制水中游体接近所述通信基站。

在本发明水下定位及通信方法另一实施例中，当通过所述概略定位确定所述水中游体未接近所述通信基站时，所述游体声探传感器不发出声探信号；当通过所述概略定位确定接近所述水下光纤通信网中的一个通信基站时并有通信需求时，所述游体声探传感器则发出声探信号用于探测所述通信基站。

在本发明水下定位及通信方法另一实施例中，所述水中引导步骤中还包括调控所述游体声探传感器的发声方向，和/或调控所述基站声探传感器的发声方向，从而实现精准的声纳通信。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种水下定位及通信系统和方法，该系统包括在水下铺设的水下光纤通信网，以及在水下光纤通信网上设置的多个通信基站，通信基站包括基站声探传感器和基站激光通信接口，在水中游体的下方设置有游体声探传感器和游体激光通信接口，当游体接近其中一个通信基站时，先通过游体声探传感器发出声探信号，基站声探传感器接收声探信号并向游体声探传感器进行回应，引导水中游体进一步准确到达临近通信基站的预定位置，然后游体激光通信接口与基站激光通信接口进行激光通信，实现水中游体与水下光纤通信网的信息交互。该系统为水中游体提供了实时、可靠和大容量的通信手段。

附图说明

图1是根据本发明水下定位及通信系统一实施例的组成示意图；

图2是根据本发明水下定位及通信系统一实施例中的定位通信流程图；

图3是根据本发明水下定位及通信方法一实施例中流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明水下定位及通信系统一实施例的组成示意图。在图1中，该水下定位及通信系统实施例包括在水下铺设的水下光纤通信网1，以及在所述水下光纤通信网上的设置的多个通信基站2，所述通信基站2包括基站声探传感器和基站激光通信接口，在水中游体3的下方设置有游体声探传感器和游体激光通信接口，当所述水中游体3接近其中一个所述通信基站2时，所述水中游体3通过所述游体声探传感器与所述通信基站的所述基站声探传感器之间的声探信号交互，引导所述水中游体3进一步准确到达临近所述通信基站2的预定位置，然后所述游体激光通信接口与所述基站激光通信接口进行激光通信，并接入所述水下光纤通信网，实现所述水中游体与所述水下光纤通信网的信息交互。

优选的，所述声探信号交互包括所述水中游体先通过所述游体声探传感器发出声探信号，所述通信基站的基站声探传感器接收所述声探信号并向所述游体声探传感器进行回应。

优选的，所述声探信号交互包括所述通信基站先通过所述基站声探传感器发出声探信号，所述水中游体的游体探传感器接收所述声探信号并向所述基站声探传感器进行回应。

可以看出水中游体与所述通信基站之间的声探信号交互，可以分为水中游体主动发出和被动发出两种模式，这两种模式可以分别用于不同的应用场景，例如当水中游体的功耗受限时，以被动接收通信基站先发出声探信号模式为主，又例如当水中游体需要尽快尽早找到通信基站时，则以主动向通信基站先发出声探信号模式为主。优选的，在声探信号交互过程中对声探信号的功率可以进行调控或者是固定功率，也可以对声探信号进行定向播发或者是全向播发。由图1可以看出，在水下布设的有光纤通信网，就是通过光缆铺设的水下通信网，光纤通信具有通信容量大、传输性能稳定的优势，这里优选为在水下的骨干通信网。并且可以看出，该光纤通信网主要是由纵横交错的光缆组成，这里光缆之间的距离优选为1km-10km，并且在光缆的交汇处设置有一个通信基站，该通信基站是用于为水中游体通信接入光纤通信网而设置的。

优选的，该光纤通信网固定铺设在水底，这种方式可以不会对在各个水层的水中游体的游动造成影响。优选的，该光纤通信网悬浮铺设在不同的水层，例如悬浮在水面、或者悬浮在水层的中部，这种方式可以从上下两个水层面对水中游体进行探测，同等条件下，探测的精度要比在水底铺设光缆的探测精度高，因为基站声探传感器可以全向探测，而在水底时则只能向上半球面探测，但是应该避免大型航水器可能造成的损坏，对光缆的外层保护强度有较高要求，因此采用的是高强度外层保护光缆。优选的，当光纤通信网布设在中间水层时，所述通信基站可以位于光纤通信网的上方或者下方，或者在光纤通信网的上方和下方同时布设。而当光纤通信网布设在水底时，所述通信基站设置在光纤通信网的上方即可。

优选的，为了实现对通信基站的供电，在光纤通信网的光缆同时布设有供电电缆，用于向通信基站供电。为了实现通信基站与水中游体的通信互联，这里使用了两种通信接入方式，一种水下声音通信，另一中是激光通信。这里的水下声音通信可以通过声纳设备来实现，或者说这里的声探传感器具有声纳的功能，但是声音通信的容量有限，在本实施例主要是用于对水中游体进行引导定位或者是询问识别。优选的，所述通信基站的基站声探传感器接收到所述游体声探传感器发出的所述声探信号后，还对该声探信号进行分析识别，当确认是入网登记的水中游体时，才向所述游体声探传感器进行回应。优选的，当所述基站声探传感器分析识别所述声探信号为非法信号时，则通过该光纤通信网进行远程告警，提醒监控端有非法游体进入该水域。优选的，当游体声探传感器没有收到基站声探传感器的回应后，可以发出第二次声探信号，如果也没有回应，可以认为是该通信基站出现故障，则该水中游体可以离开该通信基站而前往相邻的另一个基站。

为了实现水中游体和水下光纤通信网的入网对接，优选的，所述水中游体设置有惯导定位装置，通过所述惯导定位装置进行概略定位，并且所述水中游体还存储有所述水下光纤通信网及所述通信基站的分布信息，当通过所述概略定位确定所述水中游体未接近所述通信基站时，或者不在通信基站的探测范围内时，所述游体声探传感器不发出声探信号，这样有利于节省能耗；当通过所述概略定位确定接近所述水下光纤通信网中的一个通信基站时并有通信需求时，所述游体声探传感器则发出声探信号用于探测所述通信基站。这种方式适用于具有自主探测和调整游行方位的水中游体。

优选的，当水中游体接近一个通信基站时，也可能出现偏航而导致接近另一个通信基站，或者同时可以收到来自两个通信基站的回应，此时水中游体可以根据就收的回应信号的强弱不同来选择其中回应信号较强的一个通信基站接近。优选的，水中游体在接近通信基站的过程中可以是连续发出声探信号进行接近，也可以是为了节省功率定时间隔发出声探信号进行接近。优选的，水中游体在接近通信基站的过程中可以将声音探测引导与概略定位相结合，由此增强接近的准确性。

优选的，当水中游体为水中珍稀保护生物时，通常是悬吊有游体声探传感器，此时不安装惯导定位装置，而是采取游体声探传感器定时发出声探信号的方式向附近的通信基站进行探测，该通信基站收到后采取同时使用基站声探传感器和基站激光通信接口与该种类型的水中游体进行通信互联，因为这种水中游体不具有人为可控性，应使得通信的连续性和即时性更强。优选的，针对于这种水中游体，还可以在通信基站上设置生物仿生装置，用以发出与该生物相关的声音信号，用以引导该水中生物接近该通信基站。

结合图2，还进一步说明了该定位通信的流程，包括步骤S1概略定位，这里主要是使用水中游体自带的定位装置以及内置的水下光纤通信网分布信息，水中游体以此概略判定所在位置与附近的通信基站的临近关系，包括距离和方位，当需要通信时，可以自控调整航向方向和距离。当水中游体进入到临近的通信基站探测范围后，通过步骤S2引导定位，可以主动向通信基站发出声探信号，当通信基站接收并回应后，该水中游体可以进一步根据回应的声音信号来靠近该通信基站，通过这种声音探测的方式更加精准的引导水中游体抵近通信基站。

当水中游体到达通信基站的上方或下方后，则通过步骤S3激光通信，调整水中游体的位置、摆向、高度等参数，使得水中游体的游体激光通信接口与基站的基站激光通信接口在适宜对接的空间范围内，然后实现激光通信对接，并且激光通信也具有容量大、保密性强的优点。

由于激光通信需要收发双方具有较高的对准特性，为了增强水下激光通信对准概率，优选的，游体激光通信接口和基站激光通信接口均具有较大的开口口径，并且游体激光通信接口和基站激光通信接口上均设置多个激光光束，当这两个接口上的任意两个激光光束对准后即可进行进行激光通信。

优选的，所述通信基站的所述基站声探传感器主动侦测所述水中游体的运动声波，并根据来自所述水下光纤通信网的控制指令，主动向所述水中游体发出声波询问信号，对所述水中游体进行身份识别或者监控跟踪。

优选的，所述通信基站设置有红外热传感探测仪，通过接收红外信号对水中游体进行监控探测。

优选的，所述通信基站设置有光学成像探测器(如摄像机、照相机等)，通过光学成像探测器对水中游体进行监控探测。

进一步优选的，为了增强所述通信基站的感应探测能力，在同一个基站上向四周延伸布设多个基站声探传感器，形成基站声探传感器矩阵，由此可以进一步增强通信基站的声探感知能力，有利于更加精准的对水中游体的方位进行准确探测识别。

优选的，所述水中游体的游体声探传感器也有多个，分别设置在所述水中游体的不同部位，例如在水中游体首尾两端、中部两侧分别设置有游体声探传感器。通过在水中游体上设置多个游体声探传感器有利于水中游体快速准确的探测水中的通信基站，而不需要调整水中游体的姿态，特别是在水中游体体积较大时具有明显优势。

优选的，所述水中游体在向通信基站接近的过程中，水中游体与通信基站交互的声探信号和回应信号的功率可以根据二者之间的距离远近而自适应调控，由此可以节省功耗以及提高探测的准确度。

优选的，所述水中游体还设置有游体电缆接口或游体光缆接口，所述通信基站对应还设置有基站电缆接口或基站光缆接口，当所述水中游体准确到达临近所述通信基站的预定位置后，所述游体电缆接口或游体光缆接口中伸出电缆或光缆到达所述基站电缆接口或基站光缆接口，由此建立电缆连接或光缆连接，即有线通信方式。这种方式为水中游体和通信基站之间还增加了有线通信方式，进一步增强了通信的可靠性。

优选的，所述游体声探传感器为发声方向可控且可实现声波通信的游体定向声控传感器。该游体定向声控传感器的发声功率也可以进行调控。

优选的，所述游体定向声控传感器的可控角度范围为球面全角度，当对所述通信基站进行探测时，以所述游体定向声控传感器下方的下半球弧线扫描方式工作，最大输出声波声源级200dB，接收声音信号的灵敏度为-190dB，最远探测距离30km～50km。

优选的，所述基站声探传感器为发声方向可控且可实现声波通信的基站定向声控传感器。基站定向声控传感器的发声功率也可以进行调控。

优选的，所述基站定向声控传感器的可控角度范围为球面全角度，当对所述水中游体进行探测时，以所述基站定向声控传感器上方的上半球弧线扫描方式工作，最大输出声波声源级200dB，接收声音信号的灵敏度为-190dB，最远探测距离30km～50km。

优选的，所述游体激光通信接口包括游体激光收发器和游体视轴对准器，所述基站激光通信接口包括基站激光收发器和基站视轴对准器，所述游体视轴对准器与所述基站视轴对准器位于对正捕获区域时，所述游体激光收发器与所述基站激光收发器即可进行激光通信。优选的，该对正捕获区域为：范围大小为35mrad°，偏差小于2°，优选的，激光通信容量为200Mbps。

优选的，当所述游体视轴对准器与所述基站视轴对准器不在所述对正捕获的区域时，则由所述游体声探传感器与所述基站声探传感器之间进行声波通信。优选的，声波通信容量为1kbps。

基于同一构思，本发明还提供了一种水下定位及通信方法实施例。如图3所示，该方法实施例基于上述水下定位及通信系统，包括步骤S101，水中引导，当水中游体接近水下铺设的水下光纤通信网的一个通信基站时，所述水中游体通过所述游体声探传感器与所述通信基站的所述基站声探传感器之间的声探信号交互，引导所述水中游体进一步准确到达临近所述通信基站的预定位置；以及步骤S102，水中通信，然后所述游体利用设置的游体激光通信接口与所述基站的基站激光通信接口进行激光通信，并接入所述水下光纤通信网，实现所述水中游体与所述水下光纤通信网的信息交互。

优选的，在上述水中引导步骤S101中，所述声探信号交互过程包括所述水中游体先通过所述游体声探传感器发出声探信号，所述通信基站的基站声探传感器接收所述声探信号并向所述游体声探传感器进行回应。

进一步优选的，所述声探信号交互过程包括所述通信基站先通过所述基站声探传感器发出声探信号，所述水中游体的游体探传感器接收所述声探信号并向所述基站声探传感器进行回应。

优选的，在所述水中引导步骤S101之前还包括概略定位，在所述水中游体上设置有惯导定位装置，通过所述惯导定位装置进行概略定位，并与水中游体中存储的所述水下光纤通信网及所述通信基站的分布信息进行比对，从而控制水中游体进一步接近所述通信基站。

优选的，当通过所述概略定位确定所述水中游体未接近所述通信基站时，所述游体声探传感器不发出声探信号；当通过所述概略定位确定接近所述水下光纤通信网中的一个通信基站时并有通信需求时，所述游体声探传感器则发出声探信号用于探测所述通信基站。

优选的，所述水中通信还包括所述水中游体通过设置的游体电缆接口或游体光缆接口，与所述通信基站对应设置的基站电缆接口或基站光缆接口，建立电缆连接或光缆连接实现有线通信。

优选的，所述水中引导步骤中还包括调控所述游体声探传感器的发声方向，和/或调控所述基站声探传感器的发声方向，从而实现精准的声纳通信。

由于该水下定位及通信方法实施例与前述水下定位及通信系统实施例基于同一构思，还可以进一步参考前述内容，这里不再赘述。

由此可见，本发明公开了一种水下定位及通信系统和方法，该系统包括在水下铺设的水下光纤通信网，以及在水下光纤通信网上设置的多个通信基站，通信基站包括基站声探传感器和基站激光通信接口，在水中游体的下方设置有游体声探传感器和游体激光通信接口，当游体接近其中一个通信基站时，先通过游体声探传感器发出声探信号，基站声探传感器接收声探信号并向游体声探传感器进行回应，引导水中游体进一步准确到达临近通信基站的预定位置，然后游体激光通信接口与基站激光通信接口进行激光通信，实现水中游体与水下光纤通信网的信息交互。该系统为水中游体提供了实时、可靠和大容量的通信手段。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种水下定位及通信系统，其特征在于，包括在水下铺设的水下光纤通信网，所述光纤通信网固定铺设在水底或者所述光纤通信网悬浮铺设在不同的水层，以及在所述水下光纤通信网上的设置的多个通信基站，所述通信基站包括基站声探传感器和基站激光通信接口，在水中游体上设置有游体声探传感器和游体激光通信接口；所述水下光纤通信网由纵横交错的光缆组成，并且在光缆的交汇处设置有一个所述通信基站，所述通信基站用于为水中游体通信接入光纤通信网而设置；

当所述水中游体接近其中一个所述通信基站时，所述水中游体通过所述游体声探传感器与所述通信基站的所述基站声探传感器之间的声探信号交互，引导所述水中游体进一步准确到达临近所述通信基站的预定位置；然后所述游体激光通信接口与所述基站激光通信接口进行激光通信，并接入所述水下光纤通信网，实现所述水中游体与所述水下光纤通信网的信息交互。

2.根据权利要求1所述的水下定位及通信系统，其特征在于，所述声探信号交互包括所述水中游体先通过所述游体声探传感器发出声探信号，所述通信基站的基站声探传感器接收所述声探信号并向所述游体声探传感器进行回应。

3.根据权利要求1所述的水下定位及通信系统，其特征在于，所述声探信号交互包括所述通信基站先通过所述基站声探传感器发出声探信号，所述水中游体的游体探传感器接收所述声探信号并向所述基站声探传感器进行回应。

4.根据权利要求2或3所述的水下定位及通信系统，其特征在于，所述水中游体设置有惯导定位装置，通过所述惯导定位装置进行概略定位，并与所述水中游体中存储的所述水下光纤通信网及所述通信基站的分布信息进行比对，从而控制所述水中游体接近所述通信基站。

5.根据权利要求4所述的水下定位及通信系统，其特征在于，当通过所述概略定位确定所述水中游体未接近所述通信基站时，所述游体声探传感器不发出声探信号；当通过所述概略定位确定接近所述水下光纤通信网中的一个通信基站时并有通信需求时，所述游体声探传感器则发出声探信号用于探测所述通信基站。

6.根据权利要求5所述的水下定位及通信系统，其特征在于，所述游体声探传感器为发声方向可控且可实现声波通信的游体定向声控传感器。

7.一种水下定位及通信方法，基于权利要求1所述的水下定位及通信系统进行工作，其特征在于，包括步骤：

水中引导，当水中游体接近水下铺设的水下光纤通信网的一个通信基站时，所述水中游体通过所述游体声探传感器与所述通信基站的所述基站声探传感器之间的声探信号交互，引导所述水中游体进一步准确到达临近所述通信基站的预定位置；所述水下光纤通信网由纵横交错的光缆组成，并且在光缆的交汇处设置有一个所述通信基站，所述通信基站用于为水中游体通信接入光纤通信网而设置，所述光纤通信网固定铺设在水底或者所述光纤通信网悬浮铺设在不同的水层；

水中通信，然后所述游体利用设置的游体激光通信接口与所述基站的基站激光通信接口进行激光通信，并接入所述水下光纤通信网，实现所述水中游体与所述水下光纤通信网的信息交互。

8.根据权利要求7所述的水下定位及通信方法，其特征在于，在所述水中引导步骤之前还包括概略定位，在所述水中游体上设置有惯导定位装置，通过所述惯导定位装置进行概略定位，并与水中游体中存储的所述水下光纤通信网及所述通信基站的分布信息进行比对，从而控制水中游体接近所述通信基站。

9.根据权利要求8所述的水下定位及通信方法，其特征在于，当通过所述概略定位确定所述水中游体未接近所述通信基站时，所述游体声探传感器不发出声探信号；当通过所述概略定位确定接近所述水下光纤通信网中的一个通信基站时并有通信需求时，所述游体声探传感器则发出声探信号用于探测所述通信基站。

10.根据权利要求9所述的水下定位及通信方法，其特征在于，所述水中引导步骤中还包括调控所述游体声探传感器的发声方向，和/或调控所述基站声探传感器的发声方向，从而实现精准的声纳通信。

Images