CN110379946B - 一种面向海底大地坐标基准的水下动力站 - Google Patents

一种面向海底大地坐标基准的水下动力站 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向海底大地坐标基准的水下动力站，涉及深海设备开发设计技术领域，包括座体，还包括油浸锂电池模块、电源控制模块和声学通信模块；所述油浸锂电池模块包括电池芯体、外壳和绝缘油；所述电池芯体设置在内腔充满绝缘油的电池箱中，并利用压力补偿器对电池箱进行压力补偿。本发明的有益效果是，该系统一方面携带耐压高容量电池，能够显著提升海底基准的续航时间，另一方面可利用ROV为其进行海底原位充电维护，避免了海底基准点上浮维护和再次布放与标校带来的海上作业风险和误差风险，可显著提高海底大地坐标基准的长期服务能力，降低海底大地坐标基准的运行维护作业风险和作业成本。

Description

一种面向海底大地坐标基准的水下动力站
技术领域
本发明涉及深海设备开发设计技术领域，特别是一种面向海底大地坐标基准的水下动力站。
背景技术
《中国海洋发展报告(2013)》指出：“未来20年，中国大洋工作将立足资源，超越资源，以拓展国家战略发展空间，增加国家战略资源储备，推动深海科技达到世界领先水准，确立中国在大洋事务中的强国地位为战略目标”。然而，可见的是这一战略在实施中遇到了内在技术、外在环境的严峻挑战，即资源、事件、目标等信息发生的准确位置的快速乃至实时获取的能力不足的挑战，水下控制网成为解决这一困境的最直接和有效的手段，而海底大地基准点建设与维护是构建水下控制网的基础和参考。
上世纪80年代，美国Scripps海洋研究所提出海底大地控制网建设构想，因网络系统研发和建设费用高、技术难度大，目前仅日本、韩国和美国等少数国家有能力开展海底控制网的布设、施测和应用研究工作。日本和韩国布设海底控制网主要用于沿岸地震的监测，多布设在地震断裂带附近水域。在布网方案方面，日本采用了陆地大地测量的布网原则，即首先布设I等控制网点，在此基础上加密形成II等和III等控制网，但在如何适应海底环境、声学测距特点和满足定位精度要求的网点选址、网络结构和形状设计等方面国际上少有文献；在海底大地控制网的建设方面，世界各国多采用GNSS与声学定位技术相结合的海底大地基准测量方法，其中日本采用了海面平台+GNSS+SBL+海底Beacon+海底电缆综合观测技术，韩国采用了GNSS与水声定位(LBL+SBL)相结合的测量技术，美国的海底网络因只用于水下导航和监测，海底控制网测量采用了GNSS定位技术，以上定位技术对于解决单个海底基准点的建设是有效的，但对于区域海底基准网建设则显得费时费力，不利于海底大地基准网的长期运行和维护。
基于声学信标的海底定位平台是海底大地基准网的重要组成部分之一。随着海洋科学研究、海洋环境保护、海洋灾害预防应急、海洋权益维护等领域的快速发展，对海洋环境观测和调查技术的要求越来越高。海底大地基准多信标定位平台具有长期连续、不受海况和天气影响、无需利用GPS进行校准、服务时间长的技术优势。
20世纪末以来，世界各国纷纷开始进行海底网络的建设，例如美国的长期生态系统观测计划LEO-15、日本的ARENA和DONET系统等。而海底大地基准定位平台的设计研制是一个系统工程，研究适应于不同海域环境和作业条件的装备，提高装备应用的稳定性和可靠性并形成高效的系统定位标校模式，是我国海底大地基准定位装备结构设计和用的发展方向。
发明内容
本发明的目的是能够为以声学信标为主体的海底大地坐标基准提供长期电力能源供给服务，设计了一种面向海底大地坐标基准的水下动力站。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种面向海底大地坐标基准的水下动力站，包括座体，还包括油浸锂电池模块、电源控制模块和声学通信模块；所述油浸锂电池模块包括电池芯体、外壳和绝缘油；所述电池芯体设置在内腔充满绝缘油的电池箱中，并利用压力补偿器对电池箱进行压力补偿；所述电源控制模块包括上位机、下位机、传感器和电池组，所述上位机由带有大容量存储器的单板计算机构成，通过通信转换模块与湿插拔通信接口相连，实现面向水下机器人的原位数据传输，并通过串口与下位机相连；所述下位机通过传感器开关控制与电压电流监测模块连接至传感器，并对传感器测量数据进行监测，所述下位机若发现传感器数据错误，则通过重置传感器进行自恢复；所述下位机通过电压电流监测模块盒湿插拔接口连接至电池组，并通过监测对电池组能源消耗情况进行监测；所述声学通信模块包括换能器、宽带接收机、宽带发射机、收发转换开关、信号处理单元和主控单元；所述换能器实现电声和声电转换，所述宽带接收机实现信号调理和信号采集，所述宽带发射机主要由匹配电路、功率放大电路和驱动电路组成，实现大功率信号输出；所述信号处理单元实现定位信号高精度时延估计和指定形式发射信号输出，信号处理单元预留1pps秒脉冲信号接口和GPS位置时间信息接口，可用于实现同步接收和位置绑定；所述主控单元包括计算机和主控软件，用于实现系统控制、参数设置输入和时延估计结果输出。
进一步的，所述电池芯体固定在电池箱内，电池箱的上盖与箱体通过螺栓紧固，内部为密闭空间；所述电池芯体包括正极、负极和隔膜卷绕；所述电池芯体呈椭圆状；所述电池芯体的正极和负极上分别涂油正极材料和负极材料，并分别连接有正极导针和负极导针，并且正极导针和负极导针伸出外壳。
进一步的，所述电池箱的外侧设有密封组件，所述密封组件包括橡胶塞块和密封盖，所述橡胶塞块挤压在穿过孔内；所述密封盖上设有正极导针和负极导针的穿出孔，在穿出孔上设置有第一密封台阶，在第一密封台阶处通过光固化胶使正极导针和负极导针与密封盖之间密封；在第一密封台阶的外侧设置有第二密封台阶，在第二密封台阶出通过热固化胶填充密封。
进一步的，所述水下动力站设计成综合性海底测量平台，所述水下动力站搭载流速剖面仪、数字水听器阵列、重力仪、磁力仪、地震监测仪、海洋生物监测设备；所述水下动力站通过统一的供电系统和控制系统对搭载的设备进行供电、操作控制和测量数据汇总。
本发明的有益效果是：能够为以声学信标为主体的海底大地坐标基准提供长期电力能源供给服务。其中，油浸锂电池模块可为海底大地坐标基准系统储存续航时间在2年以上的电能；电源控制模块用于对电池模块进行状态监测与运行控制；声学通信模块可将电源控制模块的数据转换为声学信号发送至海面并接收海面的控制指令；水下原位插拔组件能够与水下远程遥控机器人ROV进行海底原位对接，实现电池模块的原位充电；该系统一方面携带耐压高容量电池，能够显著提升海底基准的续航时间，另一方面可利用ROV为其进行海底原位充电维护，避免了海底基准点上浮维护和再次布放与标校带来的海上作业风险和误差风险，该系统的运行状况可通过电源控制模块进行信息采集，并利用声学通信模块将信息发送至海面船舶，实现海面与海底的远程测控，可显著提高海底大地坐标基准的长期服务能力，降低海底大地坐标基准的运行维护作业风险和作业成本。
附图说明
图1是本申请水下动力站的结构示意图；
图2是本申请电源控制模块的流程示意图；
图3是本申请声学通信模块的流程示意图；
图4是本申请水下动力站的扩展示意图。
以上各图中，1、座体；2、油浸锂电池模块；3、电源控制模块；4、声学通信模块。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
一种面向海底大地坐标基准的水下动力站，如图1至图4所示，包括座体1，还包括油浸锂电池模块2、电源控制模块3和声学通信模块4。
油浸锂电池模块2包括电池芯体、外壳和绝缘油；电池芯体设置在内腔充满绝缘油的电池箱中，并利用压力补偿器对电池箱进行压力补偿。电池芯体固定在电池箱内，电池箱的上盖与箱体通过螺栓紧固，内部为密闭空间；电池芯体包括正极、负极和隔膜卷绕；电池芯体呈椭圆状；电池芯体的正极和负极上分别涂油正极材料和负极材料，并分别连接有正极导针和负极导针，并且正极导针和负极导针伸出外壳。电池箱的外侧设有密封组件，密封组件包括橡胶塞块和密封盖，橡胶塞块挤压在穿过孔内；密封盖上设有正极导针和负极导针的穿出孔，在穿出孔上设置有第一密封台阶，在第一密封台阶处通过光固化胶使正极导针和负极导针与密封盖之间密封；在第一密封台阶的外侧设置有第二密封台阶，在第二密封台阶出通过热固化胶填充密封。
参考图2，电源控制模块3包括上位机、下位机、传感器和电池组，上位机由带有大容量存储器的单板计算机构成，通过通信转换模块与湿插拔通信接口相连，实现面向水下机器人的原位数据传输，并通过串口与下位机相连；下位机通过传感器开关控制与电压电流监测模块连接至传感器，并对传感器测量数据进行监测，下位机若发现传感器数据错误，则通过重置传感器进行自恢复；下位机通过电压电流监测模块盒湿插拔接口连接至电池组，并通过监测对电池组能源消耗情况进行监测；
参考图3，声学通信模块4包括换能器、宽带接收机、宽带发射机、收发转换开关、信号处理单元和主控单元；换能器实现电声和声电转换，宽带接收机实现信号调理和信号采集，宽带发射机主要由匹配电路、功率放大电路和驱动电路组成，实现大功率信号输出；信号处理单元实现定位信号高精度时延估计和指定形式发射信号输出，信号处理单元预留1pps秒脉冲信号接口和GPS位置时间信息接口，可用于实现同步接收和位置绑定；主控单元包括计算机和主控软件，用于实现系统控制、参数设置输入和时延估计结果输出。
参考图4，水下动力站设计成综合性海底测量平台，水下动力站搭载流速剖面仪、数字水听器阵列、重力仪、磁力仪、地震监测仪、海洋生物监测设备；水下动力站通过统一的供电系统和控制系统对搭载的设备进行供电、操作控制和测量数据汇总。
以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种面向海底大地坐标基准的水下动力站，包括座体(1)，其特征在于，还包括油浸锂电池模块(2)、电源控制模块(3)和声学通信模块(4)；
所述油浸锂电池模块(2)包括电池芯体、外壳和绝缘油；所述电池芯体设置在内腔充满绝缘油的电池箱中，并利用压力补偿器对电池箱进行压力补偿；
所述电源控制模块(3)包括上位机、下位机和传感器，所述上位机由带有大容量存储器的单板计算机构成，通过通信转换模块与湿插拔通信接口相连，实现面向水下机器人的原位数据传输，并通过串口与下位机相连；所述下位机通过传感器开关控制与电压电流监测模块连接至传感器，并对传感器测量数据进行监测，所述下位机若发现传感器数据错误，则通过重置传感器进行自恢复；所述下位机通过电压电流监测模块盒湿插拔接口连接至油浸锂电池模块(2)，并通过监测对油浸锂电池模块(2)能源消耗情况进行监测；
所述声学通信模块(4)包括换能器、宽带接收机、宽带发射机、收发转换开关、信号处理单元和主控单元；所述换能器实现电声和声电转换，所述宽带接收机实现信号调理和信号采集，所述宽带发射机主要由匹配电路、功率放大电路和驱动电路组成，实现大功率信号输出；所述信号处理单元实现定位信号高精度时延估计和指定形式发射信号输出，信号处理单元预留1pps秒脉冲信号接口和GPS位置时间信息接口，可用于实现同步接收和位置绑定；所述主控单元包括计算机和主控软件，用于实现系统控制、参数设置输入和时延估计结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种面向海底大地坐标基准的水下动力站，其特征在于，所述电池芯体固定在电池箱内，电池箱的上盖与箱体通过螺栓紧固，内部为密闭空间；所述电池芯体包括正极、负极和隔膜卷绕；所述电池芯体呈椭圆状；所述电池芯体的正极和负极上分别涂油正极材料和负极材料，并分别连接有正极导针和负极导针，并且正极导针和负极导针伸出外壳。
3.根据权利要求1所述的一种面向海底大地坐标基准的水下动力站，其特征在于，所述电池箱的外侧设有密封组件，所述密封组件包括橡胶塞块和密封盖，所述橡胶塞块挤压在穿过孔内；所述密封盖上设有正极导针和负极导针的穿出孔，在穿出孔上设置有第一密封台阶，在第一密封台阶处通过光固化胶使正极导针和负极导针与密封盖之间密封；在第一密封台阶的外侧设置有第二密封台阶，在第二密封台阶出通过热固化胶填充密封。
4.根据权利要求1所述的一种面向海底大地坐标基准的水下动力站，其特征在于，所述水下动力站设计成综合性海底测量平台，所述水下动力站搭载流速剖面仪、数字水听器阵列、重力仪、磁力仪、地震监测仪、海洋生物监测设备；所述水下动力站通过统一的供电系统和控制系统对搭载的设备进行供电、操作控制和测量数据汇总。
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