CN110266399A - 一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法，使用的控制通信链路中传输的电磁波信号频率为中低频频率，频率范围为30kHz～3MHz。其可以实现数据高速传输提供足够的带宽。所使用的发射端天线为水平磁偶极子天线/环天线。其物理尺寸由空中移动平台大小以及载重能力决定。本发明为保证数据传输的可靠性，在不同水平传输距离时，水下平台的最大接收深度也是需要变化的，具体深度变化要由发射功率以及数据传输的编码方式决定。

Description

一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法

技术领域

本发明属于海洋工程、海洋环境监测、水下无线电数据传输技术领域，涉及一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法，通过中低频电磁波跨海水-空气界面的传播特性实现数据传输。

背景技术

水下平台是进行海洋调查、地质勘探、国民生产以及保障国家安全不可或缺的一类装备，其包括潜标、水下无人航行器(AUV、UUV)、海洋资源勘探装备以及潜艇等水下作战平台等等。水下平台在工作过程中，涉及与其它设备进行数据传输，例如水下多个平台之间可依赖线缆或者声学技术实现数据交换。但随着海空天一体化需求的不断增加和相关技术的发展，跨介质实现空中移动平台对水下平台的信息传输变得日益重要。但是由于海洋环境复杂多变，尤其是海水和空气介质的性质完全不同，导致目前仍没有有效的方法彻底解决该问题。

在专利文献的检索中，关于空气中的平台对水下平台进行无线数据传输的方法，共检索到六个专利。其中涉及水声通信，检索到两个美国专利：US 6,859,419 B1，Laser-based acousto-optic uplink communications technique和US8,842,498 B2，Underwater acoustic array,communication and location system。关于水下光波通信，检索到两个专利：US 6,437,890B1，Laser communications link和CN 105,356,946 A，一种基于空中平台的空中-水下数据传输系统。关于水面通讯中继浮标，检索到两个中国专利：CN 103,552,676 B一种浮标式潜艇潜望和数据传输装置和CN103,112,550 A，一种深海通信中继浮标。根据专利和文献的分析及现有技术的使用，对水下平台进行无线数据传输的方法主要有以下几种：

第一种：水声通信方法。这种方法是通过将要传递的信息搭载到用声纳发射的声波信号上，再通过水声信道(海洋)，把水声信号由控制中心传往水下平台端。其优点是数据传输距离远、可靠性高、技术成熟、应用广泛。但其也有很多缺点：水声信道传输带宽有限、传输时延长、传输速率低，而且其传输速率随着距离的增大而降低。同时，水声信号受海洋环境噪声以及浅海多途效应的影响也很大。此外，更为重要的是，声波不能有效地跨越海水-空气界面进行传播，因此空中平台和水下平台之间无法利用声波直接进行数据传输。

第二种：光波通信方法。这种方法是利用海水中某几个频段的光波衰减小，如波长在450～550纳米波段的蓝绿激光，通过类似于大气中的透光窗口，使得信息能够跨越海水—空气界面在海水中实现高速、大数据量数据传输。光学系统最大的局限是极易受到海水中悬浮物质的影响，在能见度很低的浑浊海水中，利用光波进行数据传输时，传播距离通常限制在几米的范围内。同时，使用光波作为数据传输的载体对发射和接收系统的姿态要求极高，通常收发天线必须在对准的情况下才能实现数据的有效传输。因此，很难将这种光波数据传输技术应用到空中移动平台和水下平台之间的数据传输上。

第三种：水面通讯中继浮标传输方法。浮标可由水下平台释放或者空中平台投放至海面，浮标水下部分采用水声手段和水下平台实现数据传输，暴露在空气中的浮标天线通过无线电信号和空中或者海面平台进行数据传输。在浮标体内实现水声信号和无线电信号的转化。浮标利用这种中继的手段实现水下平台和空中平台之间的信息传递。例如飞机、水面舰艇和陆基平台通过30～3000兆赫兹的甚高频至特高频无线电磁波对声纳浮标进行控制并由对方传递信息至水下。水面通讯中继浮标传输方法的缺点是使用的载波频率高，它们只能作短距离的视线无线电传输。更重要的是，浮标需要水下平台释放或空中平台投放，操作难度较大，加之浮体位于海面之上，易被航行的舰船或作业渔船干扰和捕获，从而大大降低了其可靠性、隐蔽性和安全性。

以上分析表明，现有的各种涉及海洋信息数据传输的方式都无法有效应用到空中移动平台与水下平台之间的数据传输上。现有的技术不是数据传输性能差，难以直接跨海洋界面，就是部署不灵活、隐蔽性不高，使用时对水下平台自身的安全产生威胁。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法，针对空中移动平台和水下平台之间的数据传输问题。该方法基于中低频电磁波在空气-海水组成的分层介质中的传播模式，利用侧面波衰减小以及电磁波跨介质传播的特性，提供了一种直接跨越海水界面实现空中移动平台和水下平台之间数据无线传输的方式。

技术方案

本发明的思想是利用中低频电磁波作为信息传播的媒介，取代传统的水声、光波或者是水面通讯中继传输手段来实现空中移动平台与水下平台之间的跨界面数据传输。

由于海水的电导率很高，电磁波在海水中直接传播时会产生巨大的衰减，同时这种衰减的幅度与频率正相关。但是当电磁波在海水-空气组成的分层介质中传播时，其在海面附近空气中会形成侧面波路径，这相较于直接在海水中传播时的衰减大大降低。由于本发明应用环境中接收端位于海水中，发射端位于空气中的空中平台上，所以发射端的电磁波倚靠海面侧面波路径在空气中实现远距离传播，而海水的吸收衰减只是表现在水下接收的这段距离上，具体的衰减量依赖于水下平台的深度。此种传播模式有效地降低了整个传输过程的衰减。在此种传播模式下，水下平台接收点处的电磁场强度可以由水下平台大致深度、两平台之间的水平距离、发射端天线的参数以及空中移动平台的高度近似计算得出。将这些参数与常规传播常数代入由Maxwell方程组推导得出的跨海水-空气界面电磁场分量下述表达式中进行仿真计算，即可得到海水中接收点处的电磁场强度：

其中E、H为电场和磁场分量，z为接收点深度，ρ为收发点之间的水平距离，φ为发射天线的立体角，u0为关于空气中的传播常数γ0和积分变量λ的函数，u1为关于空气中的传播常数γ1和积分变量λ的函数。

一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法，其特征在于：数据传输采用的信号为频率范围在30kHz～3MHz范围内的电磁波信号，发送天线采用两个交叉垂直放置的水平磁偶极子天线，接收天线为水平磁偶极子天线；两个数据传输终端分别置于空中移动平台和水下平台。

所述接收天线采用垂直放置的多匝环天线。

有益效果

本发明提出的一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法，使用的控制通信链路中传输的电磁波信号频率为中低频频率，频率范围为30kHz～3MHz。其可以实现数据高速传输提供足够的带宽。所使用的发射端天线为水平磁偶极子天线/环天线。其物理尺寸由空中移动平台大小以及载重能力决定。本发明为保证数据传输的可靠性，在不同水平传输距离时，水下平台的最大接收深度也是需要变化的，具体深度变化要由发射功率以及数据传输的编码方式决定。

本发明提出的利用中低频电磁波实现空中平台与水下平台之间无线数据传输的方法，与现有技术与发明相比，具有以下有益的效果：

实现了空中移动平台和水下平台之间的无线数据传输，相比于有线传输方式和现有其他无线传输方式来说，本发明中的相关设备直接安装在空中发射和水下接收平台上，能够免受海洋生物以及海面船只的干扰与损坏，并且更加适应恶劣的海洋环境，保证了其工作的高可靠性。其次，本发明中的无线数据传输方法所需要使用的接收设备位于海水中，海面不存在其他设备，提升了数据传输的隐蔽性。同时，利用电磁波这种非声手段实现海洋数据跨界面传输，不易被现有广泛使用的声纳设备所发现，提高了数据传输的安全性。

附图说明

图1：常规水声通信、光学通信、水面通讯中继浮标数据传输以及有线数据传输实现与水下平台数据传输的方法。

图2：基于中低频电磁波实现空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法。

图3：空中平台发射端环形天线/水平磁偶极子天线的电路以及放置示意图

图4：仿真得到空中平台高度1000m、发射频率30kHz时水下磁场强度分布图

图5：仿真得到空中平台高度1000m、水下平台深度5m、水平距离600m时水下电磁场分量随频率变化。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的思想是利用海水穿透能力较强的中低频电磁波，通过衰减较小的海面侧面波的传播模式，来实现空中移动平台和水下平台之间的无线数据传输。以此来弥补传统的水声通信、光波通信和水面通讯中继浮标传输方法等无线数据传输方法以及有线数据传输手段在该应用领域的能力缺陷和短板。

本实施例中，数据传输采用的信号为频率范围在30kHz～3MHz范围内的电磁波信号，发送天线采用两个交叉垂直放置的水平磁偶极子天线，接收天线为水平磁偶极子天线；两个数据传输终端分别置于空中移动平台和水下平台。

在空中平台高度1000m、发射频率30kHz时，仿真得到水下磁场强度分布图。

在空中平台高度1000m、水下平台深度5m、水平距离600m时，仿真得到水下电磁场分量随频率变化。

由于海水的电导率很高，电磁波在海水中直接传播时会产生巨大的衰减，同时这种衰减的幅度与频率正相关。但是当电磁波在海水-空气组成的分层介质中传播时，其在海面附近空气中会形成侧面波路径，这相较于直接在海水中传播时的衰减大大降低。由于本发明应用环境中接收端位于海水中，发射端位于空气中的空中平台上，所以发射端的电磁波倚靠海面侧面波路径在空气中实现远距离传播，而海水的吸收衰减只是表现在水下接收的这段距离上，具体的衰减量依赖于水下平台的深度。此种传播模式有效地降低了整个传输过程的衰减。

这种发明思想可以结合附图1、附图2加以说明。为了比较本发明与现有应用或方法的区别与联系，其中附图1表示现有实现空中移动平台和水下平台之间数据传输的四种可能方法，附图2展现了本发明方法。在本发明方法中数据传输无需通过布设电缆、借助传统的水声换能器和水声信道或是利用光波或通过释放中继的电磁波浮标进行传递，而是利用空中平台上直接将要传输信号以中低频电磁波的形式发射出去，倚靠海水的表面侧面波进行较远距离传输，然后跨海水-空气界面传递到水下平台。通过这一方式实现数据的远距离、跨介质隐蔽传输。

数据传输所使用的接收端天线由水平磁偶极子天线或者与其相似的垂直放置的多匝环天线组成。由于水平磁偶极子天线在水平方向具有一定的指向性，虽然其主瓣方向较大，水下平台接收端未落入主瓣的概率较低，但是为了提升数据传输系统的可靠性，本发明选用两个交叉垂直放置的水平磁偶极子天线作为发射天线，具体形式可以见附图2，以保证上述情况不会发生。

根据公式(1)仿真计算得出不同情况下水下接收端处的场强以佐证本发明的可行性。其中附图4是相同环境参数下，固定发射频率、相同尺寸的发射天线的条件下，水下电磁场强度随接收深度和水平距离的变化而变化的图像。由图中可以看出在接收端电磁场强度一定的条件下，当空中移动平台与水下平台相距较远时水下平台部署得较浅；反之则可以更深。

附图5描述了固定收发位置以及相同环境参数的情况下，接收点随着空中移动平台发射天线的发射频率变化，场强的变化曲线。从而佐证了在本发明所要解决的问题环境中，相同条件下接收点场强最大所对应的最佳发射频率均处于中低频范围内。

该无线数据传输手段针对现有技术中存在的无法直接实现跨海空界面的无线传输或跨界面传输作用距离近、传输速率低等技术问题，使用中低频电磁波作为信息传播的载体，实现了数据的跨界面无线传输，同时也提高了数据传输的距离与速率。

本发明的一些可能应用的方式如下：水下无人航行器的控制及精确定位、海洋资源勘探装备的控制，大范围内潜标系统的释放以及潜射导弹工作参数的回传等等。

Claims (2)

1.一种空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法，其特征在于：数据传输采用的信号为频率范围在30kHz～3MHz范围内的电磁波信号，发送天线采用两个交叉垂直放置的水平磁偶极子天线，接收天线为水平磁偶极子天线；两个数据传输终端分别置于空中移动平台和水下平台。

2.根据权利要求1所述空中移动平台与水下平台之间的数据传输方法，其特征在于：所述接收天线采用垂直放置的多匝环天线。