CN111970064A - 一种多节点潜标网络水声通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多节点潜标网络水声通信系统及方法，该系统包括一个中继路由潜标和分散围绕在该中继路由潜标周围的多个潜标节点，其特征在于，所述中继路由潜标和潜标节点均包括底座、防水步进电机、转动轴、平面转盘、电子罗盘和水声modem，所述防水步进电机安装于所述底座上，所述防水步进电机通过转动轴连接平面转盘，所述电子罗盘和水声modem位于平面转盘上，所述水声modem通过支撑杆安装于平面转盘上，且与平面转盘呈一定夹角；所述水声modem上安装有圆柱形换能器。本发明所公开的通信系统及方法能够保证水声通信的可靠性和精确性，并且能保证信号的顺利接收。

Description

一种多节点潜标网络水声通信系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋声学领域，特别涉及一种多节点潜标网络水声通信系统及方法。

背景技术

海洋水下环境信息监测一直是海洋环境探测技术的一个重要的研究领域。由于海洋水下环境的特殊性和复杂性，在探测数据的感知、汇总、回传等环节均存在较大的困难，对整个水下环境监测系统各方面技术指标具有很高的要求。

从发展趋势上看，目前海洋水下环境监测系统主要以海洋水下传感器潜标网络为主要趋势，并伴随着传感器技术、水声通信技术、智能化组网、多传感器融合及平台稳定性等领域的技术革新。大力发展多传感器潜标网络及水声通信关键技术成为发展海洋水下环境信息监测技术最重要的途径。虽然目前在水下传感器潜标网络上不乏科学研究，但大多局限于理论层面，真正涉及到具体部署的案例很少，因此在该领域的海洋工程经验欠缺。

目前水声通信机(水声modem)通常采用圆柱形换能器，这种换能器具有一定发送指向性，如图1所示，圆柱形换能器16的有效信号发送区域为换能器头所指向的圆锥形空间，空间边缘与换能器径向夹角为30°到35°。因此，只有接收换能器处在圆锥形空间区域内，才能比较可靠的实现水声通信信号的远程接收。

常见的水声modem部署方式为潜标与浮标之间直接通信，潜标上的水声modem垂直向上安装，浮标上的水声modem垂直向下安装，浮标所在位置与潜标所在位置接近，此时由于双方互在对方的水声信号发送有效区域内，因此均可实现收发合置。

近年来，随着海底潜标组网技术的发展，各种大范围潜标探测网络通常包括多个中继节点和多层信息融合过程，需要通过中继路由潜标1、潜标节点2、浮标17和岸站18的远程水声通信的方式实现，如图2所示。但受目前的圆柱形换能器指向性的制约，传统的水声modem的安装部署方式无法确保发送换能器的有效发送区域覆盖接收换能器。

根据水声modem的传统部署方式，为了实现与浮标间通信，水声modem上的圆柱形换能器头通常为垂直向上安装，潜标节点的有效发送区域为以发送换能器为顶点的倒圆锥空间，这种方式虽然可以实现潜标节点与浮标的水声通信，却难满足多节点潜标水下组网的需求。由于潜标节点和中继路由节点均处于海底的同一平面，接收端必然无法处在该倒圆锥空间之内，这势必会对节点间水声通信的质量产生影响，造成通信可靠性降低，数据丢帧，甚至造成无法通信的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多节点潜标网络水声通信系统及方法，能够规避因圆柱形换能器传统部署方式引起的通信质量降低的风险，确保潜标网络水声通信正常进行。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多节点潜标网络水声通信系统，包括一个中继路由潜标和分散围绕在该中继路由潜标周围的多个潜标节点，所述中继路由潜标和潜标节点均包括底座、防水步进电机、转动轴、平面转盘、电子罗盘和水声modem，所述防水步进电机安装于所述底座上，所述防水步进电机通过转动轴连接平面转盘，所述电子罗盘和水声modem位于平面转盘上，所述水声modem通过支撑杆安装于平面转盘上，且与平面转盘呈一定夹角；所述水声modem上安装有圆柱形换能器。

上述方案中，所述电子罗盘与水声modem在平面转盘上的投影方向一致。

上述方案中，所述水声modem上的圆柱形换能器与平面转盘之间呈45°夹角。

上述方案中，所述潜标节点上的圆柱形换能器为收发合置换能器。

上述方案中，所述中继路由潜标上的圆柱形换能器为收发合置换能器或收发分置换能器。

进一步的技术方案中，所述收发分置换能器包括发送换能器和接收换能器，所述发送换能器位于中继路由潜标上的水声modem上，所述中继路由潜标的底座上还设置发送端固定框，所述接收换能器位于悬浮在水声modem上方的浮体上，且所述接收换能器方向垂直向下，所述浮体上还设置有接收端固定框，所述发送端固定框和接收端固定框之间通过绳缆连接。

一种多节点潜标网络水声通信方法，采用上述的一种多节点潜标网络水声通信系统，包括如下过程：

(1)当某个潜标节点需要向中继路由潜标发送信号时，首先潜标节点上的工控机需要获取中继路由潜标的方向，即目标方向，然后潜标节点上的电子罗盘按照一定频率采集自身的当前方向并上传至工控机，工控机根据自身的水声modem的当前方向和中继路由潜标的目标方向，计算出两者的夹角；然后计算旋转角度和方向，最后执行转向动作；

(2)当中继路由潜标需要接收某个潜标节点的信号或需要向某个潜标节点发送信号时，同样需要先获取该潜标节点的目标方向，然后采集自身的当前方向，工控机根据自身的当前方向和潜标节点的目标方向，计算出两者的夹角；然后计算旋转角度和方向，最后执行转向动作。

上述方案中，防水步进电机的旋转范围在[0，360)度的之内，做往复转动。

上述方案中，在时间同步的条件下，将潜标节点的发送动作和中继路由潜标的接收动作按照时间节点内置在潜标节点和中继路由潜标中，当潜标节点到达发送时间节点后，需要做好水声信号发送准备，此时，依照时间节点，中继路由潜标同样需要做出接收响应，将自身的水声modem转至潜标节点的目标方向，当中继路由潜标完成接收响应后，作为发送端的潜标节点再进行发送动作，当下一个接收时间节点到来，中继路由潜标再按照上述过程完成下一次接收响应，循环往复完成接收数据的任务。

上述方案中，当潜标节点个数多，中继路由潜标难以完成时间同步下的循环接收时，中继路由潜标上的圆柱形换能器为收发分置换能器，由发送换能器完成向任意方向上潜标节点发送信号，由接收换能器负责接收潜标节点发送的水声信号。

通过上述技术方案，本发明提供的多节点潜标网络水声通信系统将潜标节点和中继路由潜标均设置了防水步进电机，可跟随目标方向自动调节换能器的旋转角度的，使信号的发送端和接收端正对，可以保证在垂直方向上水声信号有效发送区域能够覆盖接收目标，在水平方向上发射方向与目标方向一致，从而保证了水声通信的可靠性和精确性。

本发明提供的多节点潜标网络水声通信方法采用时间同步的方式，定点发送与接收信号，同时，中继路由潜标也可以采用收发分置的方式进行信号的接收与发送，满足了在时间无法满足同步要求时，信号的顺利接收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为圆柱形换能器指向性示意图；

图2为大范围潜标探测组网；

图3为中继路由组网示意图(俯视)；

图4为节点用圆柱形换能器水声modem优化部署装置；

图5为圆柱形换能器水声modem优化部署装置垂直方向收发示意图；

图6为水声modem优化部署装置水平方向转向流程；

图7为收发分置数据接收部署示意图；

图8为本发明实施例一的4节点潜标网络水声通信系统示意图；

图9为本发明实施例二的4节点潜标网络水声通信系统示意图。

图中，1、中继路由潜标；2、潜标节点；3、水声modem；4、支撑杆；5、电子罗盘；6、平面转盘；7、转动轴；8、防水步进电机；9、底座；10、发送换能器；11、接收换能器；12、浮体；13、发送端固定框；14、接收端固定框；15、绳缆；16、圆柱形换能器；17、浮标；18、岸站。

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。

本发明提供了一种多节点潜标网络水声通信系统，如图3所示，包括一个中继路由潜标1和多个潜标节点2。为保持通信距离以及保持探测区域范围形状为规则形状，以中继路由潜标1为中心，潜标节点2分散围绕在中继路由潜标1的周围。

潜标节点2与中继路由潜标1之间的距离处于水声modem3的有效通信距离之内。要完成双向水声通信，必须保证潜标节点2处于中继路由潜标1的水声信号有效发送区域内；反之，中继路由潜标1也处于潜标节点2的水声信号有效发送区域内。

本发明分类优化部署分别从系统优化部署方式、系统优化运行方式两方面进行描述。

一、系统优化部署方式：

为确保中继路由组网内部单个潜标节点2与中继路由潜标1互相处于对方的水声通信有效发送区域内，本发明在中继路由潜标1和潜标节点2上均设计了一种优化部署装置，具体如下：

该装置由包含1个含有圆柱形换能器16的水声modem3，1根支撑杆4，1个电子罗盘5，1个平面转盘6，1个转动轴7，1台防水步进电机8和1个底座9组成。

如图4所示，带有圆柱形换能器16的水声modem3倾斜安装于平面转盘6上。平面转盘6平面与整个优化部署装置底面以及海底平面平行。支撑杆4与平面转盘6刚性连接，通过支撑杆4和其他相应固定装置使水声modem3与平面转盘6刚性连接。在垂直方向上，水声modem3的圆柱体沿轴向与转盘所在平面呈约45°夹角。且可随平面转盘6的旋转而旋转。电子罗盘5水平安装在平面转盘6上，其方向与水声modem3轴向在平面转盘6上的投影方向一致。电子罗盘5与平面转盘6为固定刚性连接，并可随平面转盘6旋转而旋转。其校准后指向的方向与水声modem3轴向在平面转盘6上的投影方向一致。平面转盘6下方与转动轴7连接，可随转动轴7的旋转而转动。转动轴7与防水步进电机8的轴连接，可随电机旋转而旋转。防水步进电机8与转动轴7之间，转动轴7与平面转盘6之间均为刚性连接。防水步进电机8固定在底座9内部，底座9是整个优化部署装置的重心所在位置，保证整个优化部署装置稳定放置在海床，确保整个优化部署装置不会随海流发生移位和倾倒。此外，底座9还可承载整个优化部署装置的重量，不会因支撑力不足而使整个优化部署装置解体。同时，底座9可用于固定潜标节点2或中继路由潜标1的电池舱和设备舱等部件。

a.在垂直方向上的优化

如图5所示，在垂直方向上，发送换能器10采用优化部署装置，接收换能器11采用同样的优化部署装置和悬浮垂直向下两种方式。由于优化部署装置采用斜45°角发射，其有效发送区域可以覆盖两个接收换能器11，此时，两个接收换能器11均处于发送换能器10有效发送区域内，可正常实现水声信号的接收。由此可见，优化部署装置在垂直方向上确保了水声通信收发顺利完成，相较于垂直向上的发送换能器10安装方式，在垂直方向上的通信可靠性更高。

b.在水平方向上的优化

潜标节点2用圆柱形换能器16水声modem3优化部署装置，所在潜标节点2或中继路由潜标1设有工控机，电子罗盘5可测量自身的方向、俯仰角和翻滚角三个指标，然后通过电信号将自身方向传给工控机。由于电子罗盘5方向与水声modem3轴向在平面转盘6上的投影方向一致，因此该方向即为水声modem3的发射方向的水平投影。

当目标方向确定后，可通过工控机控制防水步进电机8旋转，带动平面转盘6旋转，从而带动水声modem3进行旋转从而调节圆柱形换能器16的发射方向与目标方向一致，从而起到优化水声modem3通信的目的。水声modem3优化部署装置水平方向上的转向流程如图6所示。

根据图6所述流程，在该优化部署装置完成转向动作前，需要先进行夹角的计算，包括如下过程：

(1)当某个潜标节点2需要向中继路由潜标1发送信号时，首先潜标节点2上的工控机需要获取中继路由潜标1的方向，即目标方向，然后潜标节点2上的电子罗盘5按照一定频率采集自身的当前方向并上传至工控机，工控机根据自身的水声modem3的当前方向和中继路由潜标1的目标方向，计算出两者的夹角；然后计算旋转角度和方向，最后执行转向动作；

(2)当中继路由潜标1需要接收某个潜标节点2的信号或需要向某个潜标节点2发送信号时，同样需要先获取该潜标节点2的目标方向，然后采集自身的当前方向，工控机根据自身的当前方向和潜标节点2的目标方向，计算出两者的夹角；然后计算旋转角度和方向，最后执行转向动作。

由于硬件部署上的限制，防水步进电机8不能按顺时针或逆时针方向一直转动，所以要将其转动范围固定在[0，360)度的之内，做往复转动。本发明的方位坐标采用地平坐标，以正北为0度，按顺时针方向方位角增加，最大可达359.9度。因此，在转向之前需要根据水声modem3当前方向和目标方向的关系确定最终的转向角度和方向，然后再按照最终的转向参数执行转向动作。

通过上述水平方向和垂直方向的立体优化，确保水平面内发射方向与目标方向一致，垂直面内水声信号有效发送区域能够覆盖接收目标，从而保证了水声通信的可靠性和精确性。

二、系统优化运行方式

根据图3的中继路由组网示意图可知，多节点潜标水声通信网络由若干潜标节点2和1个中继路由潜标1组成。且每一个潜标节点2均可实现与中继路由潜标1的水声数据的收发。

A、发送优化运行方式(发送响应)

在系统布放之前，会首先确定系统中每一个潜标节点2的编号，然后确定系统中的每一个潜标节点2以及中继路由潜标1的布放经纬度。潜标节点2的编号跟其经纬度是一一对应的关系，且可预置入设备硬件。对于不同编号的潜标节点2该经纬度是固定的，一经布放在同一使用周期内不再变化。因此对于每一个潜标节点2必然可以计算出一个唯一的目标方向，且可预置入设备硬件。对中继路由潜标1，其布放经纬度同样是固定不变的，由布放前预置的该多节点潜标网络的节点编号与位置，同样可以计算出每个节点编号对应的唯一目标方向。

作为发送端，当1个潜标节点2布放到位后，其会首先通过电子罗盘5获取水声modem3当前方向，再通过预置自身布放经纬度和中继路由潜标1布放经纬度计算目标方向。然后通过图6的水平方向转向流程驱动防水步进电机8执行转向动作，将水声modem3转至目标方向。对潜标节点2而言，由于布放后其自身与其通信的中继路由潜标1位置不再变化，且只有一个通信目标，因此该潜标节点2的水声modem3方向将长期保持不变。如果出现因外界原因造成的自身偏转或移位，需要通过水平方向转向流程重新进行方向校准。

对于中继路由潜标1，由于其要与多个潜标节点2分别进行通信，因此需要在通信前自主完成换能器转向。在布放之前，系统会将自身布放经纬度和组网内全部潜标节点2的布放经纬度预置到工控机中。当中继路由潜标1布放完毕开始工作后，会根据数据发送要求，通过水平方向转向流程将水声modem3方向转向本次发射对应的潜标节点2。设备会首先确认本次水声通信的目标节点号，并根据该节点号查询该节点的经纬度获取目标方向，再通过电子罗盘5获取水声modem3当前方向，然后通过水平方向转向流程驱动步进电机执行转向动作，将水声modem3转至目标方向，最后发送水声信号。

B、接收优化运行方式(接收响应)

对于潜标节点2作为接收端，由于其布放位置已经固定，且经过优化部署后，水声modem3换能器的方向正对中继路由潜标1，因此只要中继路由潜标1通过水平转向流程将水声modem3方向调节至潜标节点2方向，则可实现双方换能器水平方向正对。在垂直方向，由于双方均采用斜45°安装，潜标节点2显然位于中继路由潜标1的水声通信有效发送区域内，双方可实现可靠性收发。

对于中继路由潜标1作为接收端，由于其需与多组潜标节点2进行通信，水声modem3换能器头需要随时根据目标方向进行自主转向优化，如果当潜标节点2发送的水声信号传来时，换能器头的方向与发射端方向不一致，甚至背对，即使接收端处在发射端的有效发射区域内同样会对通信接收造成风险，使水声通信可靠性降低。

针对上述中继路由潜标1作为接收端的风险，本发明提出2种解决方案：

第一种：建立时间同步下的循环通信机制实现数据接收。即以时间线作为多节点潜标网络工作的依据，在时间同步的条件下，将收发动作按照时间节点内置在潜标节点2和中继路由潜标1中。当潜标节点2到达发送时间节点后，需要做好水声信号发送准备，此时，依照时间节点，中继路由潜标1同样需要做出接收响应。中继路由潜标1首先确认本次水声通信作为发送端的潜标节点2号，并根据该节点号查询该节点的经纬度获取发送端目标方向，再通过电子罗盘5获取自身水声modem3当前方向，然后通过水平方向转向流程驱动步进电机执行转向动作，将水声modem3转至目标方向。当中继路由潜标1完成接收响应后，作为发送端的潜标节点2再进行发送动作，此时两者在水平方向实现正对，在垂直方向实现斜45°正对，可满足信号接收的可靠性。当下一个接收时间节点到来，中继路由潜标1再按照上述过程完成下一次接收响应，循环往复完成接收数据的任务。

第二种：通过收发分置方式实现数据接收。根据中继路由潜标1的具体工作内容，如果该多节点潜标网络所包含节点个数较多，则很难完成时间同步下的循环接收，需要设置收发分置结构。即设置专门的发送换能器10和接收换能器11将水声信号发送任务和水声信号接收任务分别由两台水声modem3完成。其中负责信号发送的水声modem3的部署装置与前述优化部署装置相同，可完成任意方向上潜标节点2的水声信号发送的优化；负责信号接收的水声modem3则采用悬浮浮体12方式部署，其圆柱形换能器16沿海底垂线向下方向安装。如图7所示。

中继路由潜标1由发送端和接收端两部分组成，其中发送端包含水声modem3优化部署装置，带有圆柱形发送换能器10，此外还包含1个发送端固定框13；悬浮浮体12接收端包含浮体12以及在上面垂直向下固定的圆柱形接收换能器11，此外还包含1个接收端固定框14。发送端和接收端两者通过绳缆15进行连接，接收换能器11接收到的信号同样通过绳缆15传回中继路由潜标1进行处理。绳缆15两端通过发送端固定框13和接收端固定框14进行连接固定。当潜标节点2发送水声信号时，中继路由潜标1的圆柱形发送换能器10可处于任意方向，此时水声信号通过接收换能器11接收。

在水平方向上，接收换能器11垂直于海底安装，能够最大程度的利用圆柱形换能器16径向无指向性限制的优点，接收范围包含整个360°范围内所有潜标节点2；在垂直方向上，接收换能器11向下安装，与各潜标节点2优化部署装置中换能器向上斜45°安装相对应，能够更好的接收各潜标节点2发送来的信号，可完成任意方向上的潜标节点2的水声信号接收的优化。

实施例1

该实施例中的系统采用时间同步下的循环通信机制实现数据收发。系统由1个中继路由潜标1和4个潜标节点2组成。4个潜标节点2负责向中继路由潜标1发送水声信号，并接收潜标节点2发来的水声信号；中继路由潜标1负责接收4个潜标节点2发来的水声信号，并根据系统的需要向特定潜标节点2发送水声信号。即中继路由潜标1和潜标节点2是1对多的关系，每一个节点中均包含水声modem3圆柱形换能器16优化部署装置。每台潜标节点2上的水声modem3上的换能器均为收发合置换能器，既需要发送水声信号，又需要接收水声信号；中继路由潜标1采用收发合置换能器，该换能器既作为水声信号发送设备，同时可根据时间同步下的循环机制作为水声信号的接收设备。系统布局如图8所示。

1个中继路由潜标1和4个潜标节点2均按照预定位置进行布放，其布放经纬度已经预置到中继路由潜标1和每一台潜标节点2工控机中。设备布放后，其真实所在经纬度虽然不可能完全与预定位置一致，但也不会出现太大偏差。

每1个潜标节点2座底后，会根据自身预置的经纬度坐标和中继路由潜标1的经纬度坐标计算目标方向，然后通过自身搭载的电子罗盘5获取自身当前方向，通过目标方向和自身当前方向计算偏转角度，再结合自身当前位置确定旋转方向，最后结合上述条件确定转向参数并通过防水步进电机8执行转向动作，将水声modem3方向调整到指向中继路由潜标1的方向，如图8所示。图8中4个潜标节点2均调整为正对中继路由潜标1的状态。潜标节点2每隔24小时需要自主调整一次方向，确保与中继路由潜标1正对。

中继路由潜标1与4个潜标节点2时间同步，按照每小时1次的频率循环接收各潜标节点2发送来的数据。以15分钟为间隔，每个整点、15分、30分和45分，中继路由潜标1需要根据时间节点做出接收响应。中继路由潜标1首先根据时间节点判断即将接收的水声信号来自的潜标节点2号，再根据此节点号查询该潜标节点2的经纬度坐标，进而确定目标方向然后通过自身搭载的电子罗盘5获取自身当前方向，再通过上述水平方向优化部署转向流程做出转向响应。在此过程中，为保证中继路由潜标1转向响应有充足时间完成，负责发送水声信号的潜标节点2会在上述时间节点后延迟1分钟做出发射动作。

中继路由潜标1会按照小时为单位循环执行水声modem3优化部署装置水平方向转向流程，配合各潜标节点2完成水声信号接收任务。同时，在其他时段中继路由潜标1还会自主根据工况需要选择发送目标并执行转向流程，完成数据发送任务。

实施例2

该实施例中的系统采用收发分置方式实现数据收发。系统由1个中继路由潜标1和4个潜标节点2组成。4个潜标节点2负责向中继路由潜标1发送水声信号，并接收潜标节点2发来的水声信号；中继路由潜标1负责接收4个潜标节点2发来的水声信号，并根据系统的需要向特定潜标节点2发送水声信号。即中继路由潜标1和潜标节点2是1对多的关系，每一个潜标节点2中均包含水声modem3圆柱形换能器16优化部署装置；中继路由潜标1除了包含圆柱形换能器16优化部署装置作为发送端外，还包含带有浮体12，接收换能器11和接收端固定框14的浮体12部分作为接收端。每台潜标节点2上的水声modem3上的换能器均为收发合置换能器，既需要发送水声信号，又需要接收水声信号；中继路由潜标1采用收发分置方式，通过自身部署的水声modem3圆柱形换能器16优化部署装置发送水声信号，通过自身部署的悬浮浮体12部分接收水声信号。系统布局如图9所示。

图9中，中继路由潜标1由优化部署装置发射部分和浮体12接收部分组成，其底座9和4个潜标节点2均按照预定位置进行布放，其布放经纬度已经预置到中继路由潜标1和每一台潜标节点2工控机中。设备布放后，其真实所在经纬度虽然不可能完全与预定位置一致，但也不会出现太大偏差。浮体12部分通过绳缆15固定在中继路由潜标1基座位置。

每1个潜标节点2座底后，会根据自身预置的经纬度坐标和中继路由潜标1的经纬度坐标计算目标方向，然后通过自身搭载的电子罗盘5获取自身当前方向，通过目标方向和自身当前方向计算偏转角度，再结合自身当前位置确定旋转方向，最后结合上述条件确定转向参数并通过防水步进电机8执行转向动作，将水声modem3方向调整到指向中继路由潜标1的方向。图9中4个潜标节点2均调整为正对中继路由潜标1的状态。潜标节点2每隔24小时需要自主调整一次方向，确保与中继路由潜标1正对。对各潜标节点2，其数据发送目标为悬浮浮体12上安装的接收换能器11，因此其发送目标编号为悬浮浮体12上的接收换能器11编号。

中继路由潜标1采用收发分置方式工作，底座9包含优化部署装置负责水声信号的发送；悬浮浮体12部分负责水声信号的接收。工作时，优化部署装置会自主根据工况需要选择发送目标并执行转向流程，完成数据发送任务；悬浮浮体12中安装的接收换能器11方向垂直向下，能接收包含其下方360°平面内的全部潜标节点2发送的数据，无需自主进行姿态优化调节。

根据上述实施例1中的中继路由潜标1和潜标节点2的座底结构及其系留方式，实施例2中中继路由潜标1的座底悬浮式结构，潜标节点2的座底结构及其系留方式，不难设计整个系统的布放回收方案，可较容易的实现该系统的优化部署。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多节点潜标网络水声通信系统，包括一个中继路由潜标和分散围绕在该中继路由潜标周围的多个潜标节点，其特征在于，所述中继路由潜标和潜标节点均包括底座、防水步进电机、转动轴、平面转盘、电子罗盘和水声modem，所述防水步进电机安装于所述底座上，所述防水步进电机通过转动轴连接平面转盘，所述电子罗盘和水声modem位于平面转盘上，所述水声modem通过支撑杆安装于平面转盘上，且与平面转盘呈一定夹角；所述水声modem上安装有圆柱形换能器。

2.根据权利要求1所述的一种多节点潜标网络水声通信系统，其特征在于，所述电子罗盘与水声modem在平面转盘上的投影方向一致。

3.根据权利要求1所述的一种多节点潜标网络水声通信系统，其特征在于，所述水声modem上的圆柱形换能器与平面转盘之间呈45°夹角。

4.根据权利要求1所述的一种多节点潜标网络水声通信系统，其特征在于，所述潜标节点上的圆柱形换能器为收发合置换能器。

5.根据权利要求1所述的一种多节点潜标网络水声通信系统，其特征在于，所述中继路由潜标上的圆柱形换能器为收发合置换能器或收发分置换能器。

6.根据权利要求5所述的一种多节点潜标网络水声通信系统，其特征在于，所述收发分置换能器包括发送换能器和接收换能器，所述发送换能器位于中继路由潜标上的水声modem上，所述中继路由潜标的底座上还设置发送端固定框，所述接收换能器位于悬浮在水声modem上方的浮体上，且所述接收换能器方向垂直向下，所述浮体上还设置有接收端固定框，所述发送端固定框和接收端固定框之间通过绳缆连接。

7.一种多节点潜标网络水声通信方法，采用如权利要求1所述的一种多节点潜标网络水声通信系统，其特征在于，包括如下过程：

(1)当某个潜标节点需要向中继路由潜标发送信号时，首先潜标节点上的工控机需要获取中继路由潜标的方向，即目标方向，然后潜标节点上的电子罗盘按照一定频率采集自身的当前方向并上传至工控机，工控机根据自身的水声modem的当前方向和中继路由潜标的目标方向，计算出两者的夹角；然后计算旋转角度和方向，最后执行转向动作；

(2)当中继路由潜标需要接收某个潜标节点的信号或需要向某个潜标节点发送信号时，同样需要先获取该潜标节点的目标方向，然后采集自身的当前方向，工控机根据自身的当前方向和潜标节点的目标方向，计算出两者的夹角；然后计算旋转角度和方向，最后执行转向动作。

8.根据权利要求7所述的一种多节点潜标网络水声通信方法，其特征在于，防水步进电机的旋转范围在[0，360)度的之内，做往复转动。

9.根据权利要求7所述的一种多节点潜标网络水声通信方法，其特征在于，在时间同步的条件下，将潜标节点的发送动作和中继路由潜标的接收动作按照时间节点内置在潜标节点和中继路由潜标中，当潜标节点到达发送时间节点后，需要做好水声信号发送准备，此时，依照时间节点，中继路由潜标同样需要做出接收响应，将自身的水声modem转至潜标节点的目标方向，当中继路由潜标完成接收响应后，作为发送端的潜标节点再进行发送动作，当下一个接收时间节点到来，中继路由潜标再按照上述过程完成下一次接收响应，循环往复完成接收数据的任务。

10.根据权利要求7所述的一种多节点潜标网络水声通信方法，其特征在于，当潜标节点个数多，中继路由潜标难以完成时间同步下的循环接收时，中继路由潜标上的圆柱形换能器为收发分置换能器，由发送换能器完成向任意方向上潜标节点发送信号，由接收换能器负责接收潜标节点发送的水声信号。

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