CN112911512A - 水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法 - Google Patents

水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法 Download PDF

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CN112911512A CN202110128717.4A CN202110128717A CN112911512A CN 112911512 A CN112911512 A CN 112911512A CN 202110128717 A CN202110128717 A CN 202110128717A CN 112911512 A CN112911512 A CN 112911512A
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Abstract

本发明提供一种水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法，水声定位及通讯系统包括水上服务器、多个水面定位基站以及若干水下终端，水上服务器和多个水面定位基站通过无线网络通信，水面定位基站和水下终端通过水声通信方式通信，以实现水下终端之间的即时通讯，以及对水下终端进行定位和导航，从而解决潜水或水下作业时的沟通不顺畅的问题，使得潜水人员或水下作业人员之间互通，水下人员与水上之间的互通；水上对水下人员状况的监控和保护，对水下人员所处环境的监控，水上对水下人员的调度，使得其功能较多，适应水下的多种需求。

Description

水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法
技术领域
本发明涉及潜水通信技术领域，特别涉及一种水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法。
背景技术
当人们在潜水或水下作业时，无法使用语言进行沟通，只能使用手势进行沟通，但是手势交流信息存在局限性：其一，交流双方相隔距离不能太远，否则无法看清对方的手势；其二，水下沟通的手势必须经过专门的训练才可以掌握，否则无法进行交流；其三，在突发紧急情况时，手势交流存在障碍，造成无法有效沟通。而陆地上广泛使用的电磁波无线通信在水中具有很大的衰减，使得通过其在水中通信是很难实现沟通的，这就造成水下电波通讯或者光通讯很难用于水下沟通。
以CN109743097A为例，该专利公开了一种基于浮标基的便携式水下电话通信系统及方法，其通过将电话通信终端的耳机等设备集成到潜水员的防水面罩中，以及在水下电话终端的主机上设置固定装置，可实现便携式水下电话终端与潜水员装备的有效集成，该方案将耳机等设备集成入面罩中，该专利的载体必须是面罩，其种类单一，另外，其只能传输语音，使得传输数据类型单一。以CN109756277A为例，该专利公开了一种预存语音式潜水员指令通信系统及通信方法，其通过采用预存语音指令的输入输出方式。该专利仅能发送预设的信息，且不能对潜水或水下作业的人员进行定位。另外，上述两个专利的功能单一，不能适应水下的多种需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法，可以解决潜水或水下作业时的沟通不顺畅，无法人员定位以及功能单一等问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种水声定位及通讯系统，包括水上服务器、多个水面定位基站以及若干水下终端，所述水上服务器和多个水面定位基站通过无线网络通信，所述水面定位基站和水下终端通过水声通信方式通信，以实现所述水下终端之间的即时通讯，以及对所述水下终端进行定位和导航。
可选的，所述水下终端用于输入输出数字信号，接收和发送超声波信号；还用于进行数字信号和超声波信号之间的转换；
所述水面定位基站用于对所述水下终端进行测距和定位，并将所述测距的结果和定位发送给所述水上服务器；还用于进行超声波信号和无线网络信号之间的转换；
所述水上服务器用于向所述水面定位基站发送对所述水下终端进行测距和/或定位的要求，并根据所述水面定位基站上报的距离，计算出所述水下终端的位置；以及
其中，所述水下终端与水上服务器通过所述水面定位基站进行传输数据。
进一步的，所述水面定位基站包括主控模块、超声波信号调制解调模块、超声波信号发生及接收模块、无线网络和GPS定位模块；
所述水面定位基站将所述水下终端的数据转发给所述水上服务器时：所述超声波信号发生及接收模块用于接收所述水下终端发送的超声波信号，所述超声波信号调制解调模块用于将所述超声波信号转换成无线网络信号，并通过所述无线网络将所述无线网络信号发送给所述水上服务器；
所述水面定位基站将所述水上服务器的数据转发给所述水下终端时：所述水面定位基站通过所述无线网络接收所述水上服务器的数据，所述超声波信号调制解调模块用于将所述数据调制成超声波信号，所述超声波信号发生及接收模块接收用于将所述超声波信号发送给水下终端；以及
所述水上服务器向所述水面定位基站发出定位和/或测距请求时，所述水面定位基站通过所述无线网络接收所述定位请求，并将所述定位请求发送给主控模块，所述GPS定位模块用于对所述水面定位基站进行定位，所述主控模块用于根据所述定位和/或测距请求，测量所述水下终端和水面定位基站之间的测距，并将所述距离和/或接收到的所述水下终端的定位时间戳上报给所述水上服务器。
可选的，所述水下终端包括水声发射器、水声接收器和输入输出设备，所述水声发射器和水声接收器分别与所述输入设备电连接；
所述水声发射器用于将所述数字信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送给所述水面定位基站；
所述水声接收器用于从所述水面定位基站接收超声波信号，并将所述超声波信号转换为数字信号；以及
所述输入输出设备用于输入或输出数字信号，并将所述数字信号发送给所述水声发射器，以及接收所述水声接收器转换后的数字信号。
进一步的，所述输入输出设备包括信息显示设备、音频模块和键盘输入设备中的任一项或几项。
可选的，还包括水上终端，所述水上终端与水上服务器通信连接，并通过所述水上服务器得到所述水下终端发送的数据。
可选的，所述数字信号为图像、文字或语音。
另一方面，本发明还提供了水声通讯方法，采用上述所述的水声定位及通讯系统，包括以下步骤：
提供至少一个水下终端；
一个所述水下终端发出第一数据信号，所述第一数据信号为超声波信号；以及
若干个所述水下终端或水上服务器接收所述第一数据信号，并回应第二数据信号，所述水下终端接收所述第二数据信号，从而实现所述水下终端之间或者所述水下终端与水上服务器之间的互相通讯。
可选的，两个所述水下终端之间直接通讯包括：
一个所述水下终端通过公共广播信道向另一个所述水下终端发送连接请求；
另一个所述水下终端向一个所述水下终端分配通讯信道；
一个所述水下终端发出第一数据信号；
另一个所述水下终端接收所述第一数字信号，并以第二数字信号回应；以及
一个所述水下终端接收所述第二数字信号，从而实现两个所述水下终端之间直接通讯。
可选的，两个水下终端之间间接通讯包括：
一个所述水下终端通过公共广播信道向一个所述水面定位基站发送连接请求；
一个所述水面定位基站向一个所述水下终端分配通讯信道；
一个所述水下终端将需要发出的第一数字信号转换为第一超声波信号；
一个所述水面定位基站接收所述第一超声波信号，将所述第一超声波信号转换为第一无线网络信号，并将所述第一无线网络信号发送给水上服务器，所述水上服务器将所述第一无线网络信号发送给另一个所述水面定位基站，另一个所述水面定位基站将所述第一无线网络信号还原成第一超声波信号，并将所述第一超声波信号发送给另一个所述水下终端，另一个所述水下终端将所述第一超声波信号还原成第一数字信号，并以第二数字信号回应，另一个所述水下终端将所述第二数字信号转换为第二超声波信号；
另一个所述水面定位基站接收所述第二超声波信号，并将所述第二超声波信号转换为第二无线网络信号，并将所述第二无线网络信号发送给水上服务器，所述水上服务器将所述第二无线网络信号发送给一个所述水面定位基站，一个所述水面定位基站将所述第二无线网络信号还原成第二超声波信号，并将所述第二超声波信号发送给一个所述水下终端；以及
一个所述水下终端将接收到的所述第二超声波信号转换成第二数字信号。
可选的，一个水下终端和一个水上终端之间通讯包括：
所述水下终端通过公共广播信道向水面定位基站发送连接请求；
所述水面定位基站向所述水下终端分配通讯信道；
所述水下终端将需要发出的第一数字信号转换为第一超声波信号；
所述水面定位基站接收所述第一超声波信号，将所述第一超声波信号转换为第一无线网络信号，并将所述第一无线网络信号发送给水上服务器，所述水上服务器将所述第一无线网络信号发送给水上终端；
所述水上终端对第一无线网络信号作出回应，并得到该回应反馈给水上服务器，所述水上服务器将该回应还原成第二无线网络信号，所述水上服务器将所述第二无线网络信号发送给水面定位基站，所述水面定位基站将所述第二无线网络信号还原成第二超声波信号，并将所述第二超声波信号发送给所述水下终端；以及
所述水下终端将接收到的第二超声波信号转换为第二数字信号。
进一步的，每个所述水下终端在通讯过程中具有以下动作：
对所述水下终端进行初始化处理；
侦测超声波信号和用户操作，
若侦测到所述超声波信号，则所述水下终端的水声接收器接收超声波信号，并将所述水声接收器转换为数字信号，输入输出设备播放所述数字信号，
若侦听到所述用户操作，则所述水下终端的水声发射器将需要发出的所述数字信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送出去；以及
判断侦听是否结束，
若未结束，则返回步骤侦测超声波信号和用户操作，
若结束则此次通讯结束。
进一步的，所述水面定位基站在通讯过程中具有以下动作：
每个所述水面定位基站与水上服务器之间建立无线网络连接；
所述水面定位基站的GPS定位模块对所述水面定位基站进行定位以实现对所述水下终端的定位，并将所述水下终端的位置上报给所述水上服务器；
对所述水面定位基站进行初始化处理；
侦测超声波信号和无线网络信号，
若侦测到超声波信号，则所述水下终端的超声波信号发生及接收模块接收所述超声波信号，所述超声波信号调制解调模块将所述超声波信号所述超声波信号还原成无线网络信号，通过所述无线网络将所述无线网络信号发送给所述水上服务器，之后返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤，
若侦测到无线网络信号，则所述水面定位基站通过所述无线网络接收所述无线网络信号，所述超声波信号调制解调模块将所述无线网络信号调制成超声波信号，并将所述超声波信号发送给水下终端，之后返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤；以及
判断侦听是否结束，
若结束则此次通讯结束，
若未结束，则返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤。
再一方面，本发明还提供一种水下终端定位方法，基于水声定位TDOA算法，且采用如权利要求1～7中任一项所述的水声定位及通讯系统，包括以下步骤：
所述水下终端周期性的发送超声波信号，所述超声波信号为超声波定位信号帧；
多个所述水面定位基站接收所述超声波信号，并记录接收到的各所述超声波信号的时间戳；以及
所述水上服务器根据多个所述水面定位基站记录的所述时间戳计算所述水下终端的位置，以完成当次定位。
可选的，需要各水面定位基站之间同步时钟的水下终端的定位方法包括：
通过各所述水面定位基站之间的无线网络连接实现各所述水面定位基站之间同步时钟；
所述水下终端周期性的向各所述水面定位基站发送超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站接收所述超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站将接收到的所述超声波定位信号帧的时间戳发送给所述水上服务器；以及
所述水上服务器根据各所述水面定位基站发送的时间戳计算出所述水下终端的位置，从而完成当次定位。
可选的，不需要各水面定位基站之间同步时钟的水下终端的定位方法包括：
所述水下终端周期性的向各所述水面定位基站发送超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站接收所述超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站将接收到的所述超声波定位信号帧的时间戳发送给所述水上服务器；以及
所述水上服务器记录接收到的各所述超声波定位信号帧的时间戳，并根据各所述水面定位基站发送的时间戳计算出所述水下终端的位置，从而完成当次定位。
第四方面，本发明还提供一种水下终端组队的操作方法，其特征在于，包括：
采用上述所述的水下终端定位方法对组队的各所述水下终端进行定位；
广播组队的各所述水下终端的位置；以及
判断是否结束，若结束，则此次组队结束，
若未结束，则确认是否有水下终端离队，若没有水下终端离队，则直接返回对各所述水下终端进行定位的步骤，
若有水下终端离队，则采用上述所述的水声通讯方法预警离队的所述水下终端，并向离队的所述水下终端提供其他所述水下终端的位置，并导航指示其归队，在其归队后返回对组队的各所述水下终端进行定位的步骤中。
第五方面，本发明还提供一种水下终端地理围栏操作方法，包括：
采用上述所述的水下终端定位方法对在地理围栏范围中各水下终端进行定位；以及
所述水上服务器判断是否存在所述水下终端超出所述地理围栏范围，
若是，则采用上述所述的水声通讯方法对超出所述地理围栏范围的水下终端进行预警，同时提供导航指示其返回地理围栏范围中，并在其返回后结束导航，
若否，则返回对在所述地理围栏范围中各水下终端进行定位步骤中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法，水声定位及通讯系统包括水上服务器、多个水面定位基站以及若干水下终端，所述水上服务器和多个水面定位基站通过无线网络通信，所述水面定位基站和水下终端通过水声通信方式通信，以实现所述水下终端之间的即时通讯，以及对所述水下终端进行定位和导航，从而解决潜水或水下作业时的沟通不顺畅的问题，使得潜水人员或水下作业人员(即水下人员)之间互通，水下人员与水上之间的互通；水上对水下人员状况的监控和保护，对水下人员所处环境的监控，水上对水下人员的调度，使得其功能较多，适应水下的多种需求。另外，所述数字信号为图像、文字或语音，使得传输数据类型多。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种水声定位及通讯系统的简单示意图；
图2为本发明一实施例的一种水声定位及通讯系统的详细示意图；
图3a-3c为本发明一实施例的数据通讯流程图；
图4a-4b为本发明一实施例的至少两个水下终端300之间的通讯流程示意图；
图5a-5b为本发明一实施例的水下终端300的定位流程示意图；
图6为本发明一实施例的至少两个水下终端300组队的流程示意图；
图7为本发明一实施例的水下终端300地理围栏操作流程示意图。
附图标记说明：
100-水上服务器；
200-水面定位基站；
300-水下终端；
400-水上终端。
具体实施方式
以下将对本发明的一种水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
水声定位TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)算法：根据数学关系，到已知两个点(两个水面定位基站)的距离差为常数，也就是说，水下终端发送信号到两个水面定位基站的时间差为常数，这就使得水下终端的位置一定处于以这两个点为焦点的双曲线上。那么也就是说，若有四个已知点(四个水面定位基站)，将会有四条双曲线(即一个水面定位基站会有一条双曲线)，而四条双曲线相交的一点就是水下终端的位置。
TDOA的具体算法：1)假设测得定位标签到第n个水面定位基站接收到水下终端所发出的超声波信号的时刻为ti(i＝1，2，3，4……n)，且假设水下终端到第n个水面定位基站的距离为ri(i＝1，2，3，4……n)；
2)在各水面定位基站之间完全同步时钟的情况下，得到定位标签相对于多组水面定位基站(例如1#水面定位基站、2#水面定位基站、3#水面定位基站和4#水面定位基站这四个水面定位基站组成的四组水面定位基站，且假设1#水面定位基站和2#水面定位基站为第一组水面定位基站，2#水面定位基站和3#水面定位基站为第二组水面定位基站，3#水面定位基站和4#水面定位基站为第三组水面定位基站，1#水面定位基站和4#水面定位基站为第四组水面定位基站)的距离差分别di12、di23、di34、di14，且分别具体为：
di12＝r1-r2＝(t1-t2)*c；
di23＝r2-r3＝(t2-t3)*c；
di34＝r3-r4＝(t3-t4)*c；
di14＝r1-r4＝(t1-t4)*c；
其中，i≥4，且i为正整数。
再利用扩展卡尔曼算法EKF，可以计算出水下终端的坐标，EKF算法可以融合水下终端的水压传感器、加速度等传感器数据优化结果。
3)假设海面上布置有n个水面定位基站，同时利用TDOA算法得到的多个测量值可以构成关于水下终端位置的双曲线方式组，求解此方程组即可得到水下终端的坐标如下：
Figure BDA0002924812280000101
Figure BDA0002924812280000102
Figure BDA0002924812280000103
Figure BDA0002924812280000104
其中，1#水面定位基站的位置为(x1，y1，z1)，2#水面定位基站的位置为(x2，y2，z2)，3#水面定位基站的位置为(x3，y3，z3)，4#水面定位基站的位置为(x4，y4，z4)，i≥4，且i为正整数。
声波在水下传输的信号衰减较小，可以传输的距离较远，使用范围可以从几百米延伸至几十公里，因此，声波是水中信息传输的主要载体。而水声通讯工作原理：首先，水声发射机将文字、语音、图像等数字信息在超声波基频上进行调制，以转换成电信号；然后，水声发射机的换能器将电信号转换成超声波信号，超声波信号在水中传递到水声接收机的接收换能器，并将超声波信号还原成电信号；然后，经过水声接收机的解调器将电信号还原成数字信号，再进行校验纠错；最后，将数字信号还原成文字、语音、图像等数字信息。
水下超声波测距原理：超声波信号在水中的传播速度约为1500m/s，根据测量两个点之间超声波传播的时间，可以算出两个点之间的距离。
图1为本实施例的一种水声定位及通讯系统的简单示意图。图2为本实施例的一种水声定位及通讯系统的详细示意图。如图1和图2所示，本实施例提供了一种水声定位及通讯系统。所述水声定位及通讯系统用于实现潜水人员或水下作业人员(即水下人员)的水下通讯、水下定位以及水下导航，具体的，可以实现潜水人员或水下作业人员(即水下人员)之间互通，水下人员与水上之间的互通；水上对水下人员状况的监控和保护，对水下人员所处环境的监控，水上对水下人员的调度；以及对水下人员的定位，使得其功能繁多。
所述水声定位及通讯系统包括水上服务器100、多个水面定位基站200以及若干水下终端300，所述水上服务器100和多个水面定位基站200通过无线网络通信，所述水面定位基站和水下终端通过水声通信方式通信，具体的，多个所述水面定位基站200接入4G网络、5G网络或WIFI等无线网络，可以将若干所述水下终端300的数据转换为无线网络信号并发送给所述水上服务器100，还可以将所述水上服务器100的数据转换为超声波信号并发送给若干所述水下终端300，使得水上终端和水下服务器可以即时通讯，以及对水下终端进行定位和导航。
所述水上服务器100用于通过所述水面定位基站与所述水下终端传输数据；还用于向所述水面定位基站200发送对所述水下终端300进行测距和/或定位的要求，并根据所述水面定位基站200上报的距离，计算出所述水下终端300的位置，从而对所述水下终端300可以进行定位、监控和跟踪。所述水上服务器100设置在陆地上。
所述水面定位基站200用于接收或发送无线网络信号和超声波信号，具体的，所述水面定位基站200用于接收所述水上服务器100发送的数据，该数据为无线网络信号，并将所述数据转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送给所述水下终端300；还用于接收所述水下终端300发送的数据，所述数据为超声波信号，将所述超声波信号转换为无线网络信号，并将所述无线网络信号上报给所述水上服务器100。多个所述水面定位基站200可以通过超声波扫描信号所述水下终端300发出的超声波定位信号帧，以对所述水下终端300进行测距和定位。所述水面定位基站200设置在水面上，使得其距离水下终端300较近，且使得水面定位基站200之间的信号传播均在水中进行。
所述水面定位基站200包括主控模块、超声波信号调制解调模块、超声波信号发生及接收模块、无线网络和GPS定位模块。所述水面定位基站200将所述水下终端300的数据转发给水上服务器100时：所述超声波信号发生及接收模块用于接收所述水下终端300发送的超声波信号，所述超声波信号调制解调模块用于将所述超声波信号还原成无线网络信号，并通过所述无线网络将所述无线网络信号发送给水上服务器100。所述水面定位基站200将所述水上服务器100的数据转发给所述水下终端300时：所述水面定位基站200通过所述无线网络接收所述水上服务器的数据，所述超声波信号调制解调模块用于将所述数据调制成超声波信号，所述超声波信号发生及接收模块接收用于将所述超声波信号发送给水下终端300。在水上服务器100向所述水面定位基站200发出定位和/或测距请求时：所述水面定位基站200通过所述无线网络接收所述定位和/或测距请求，并将所述定位请求发送给主控模块，所述GPS定位模块用于对所述水面定位基站200进行定位，以实现对所述水下终端300进行定位，确认以水下终端300的定位为参照的坐标系，并且利用GPS的时钟对水面定位基站200的时钟进行精确同步；所述水下终端300发出一个定位数据包，只要被所述水面定位基站200接收到就可以完成一次定位，所述水下终端300可以周期性发送定位数据包，水面定位基站200和水上服务器100实时监控水下终端300的位置。所述主控模块用于根据所述定位请求，测量所述水下终端300和水面定位基站200之间的测距和/或接收到的所述水下终端的定位时间戳，并将所述距离上报给所述水上服务器100。
所述水下终端300用于输入输出数字信号，接收和发送超声波信号；还用于进行数字信号和超声波信号之间的转换。具体的，所述水下终端300用于输入图像、文字或语音等数字信号，将所述数字信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送给水面定位基站200；还用于接收所述水面定位基站200发出的超声波信号，并将其转换为图像、文字或语音等数字信号，并将所述图像、文字或语音等数字信号输出。所述水下终端300的形态包括潜水面罩、水下传感器、穿戴在潜水或水下作业的使用者身上的穿戴式装置、水下骨传导器、水下机器人等，使得其载体种类繁多。所述图像、文字或语音等数字信号使得传输数据类型多。
所述水下终端300包括水声发射器、水声接收器和输入输出设备，所述水声发射器和水声接收器分别与所述输入设备电连接。所述水声发射器用于将图像、文字或语音等数字信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送给水面定位基站200；所述水声接收器用于从所述水面定位基站200接收超声波信号，并将所述超声波信号转换为图像、文字或语音等数字信号；所述输入输出设备用于输入或输出图像、文字或语音等数字信号，并将所述数字信号发送给所述水声发射器，以及接收所述水声接收器转换后的图像、文字或语音等数字信号。
所述输入输出设备可以包括信息显示设备、音频模块和键盘输入设备中的任一项或几项，以显示组队成员的信息，以在成员落单时即使提醒和报警，并示出导航，以及可以向组队成员或则其他队员求助。所述信息显示设备例如是带摄像头的显示屏幕或者带摄像头的智能眼镜，使得其可以拍摄图片和/或显示图像，以通过图像来进行通讯，例如潜水面罩、穿戴式装置(例如手机类)、水下机器人等；所述音频模块用于接收语音并传输语音信号，以通过语音来进行通讯，例如骨传导耳机、穿戴式装置、水下机器人等；所述键盘输入设备用于输入文字，以通过文字来进行通讯，例如穿戴式装置、水下机器人等。
可选的，所述输入输出设备可以包括保障设备，所述保障设备包括若干所述传感器，以在图像、文字或语音等数字信号无法传送时实现水上和水下的通讯，例如潜水面罩、骨传导耳机、穿戴式装置、水下机器人等。
所述水声定位及通讯系统还包括水上终端400，所述水上终端与水上服务器通信连接，并通过所述水上服务器得到所述水下终端发送的图像、文字或语音等数字信号，以监控所述水下终端或携带所述水下终端的使用者所处的工况，并对携带所述水下终端的使用者状况进行监控和保护。
本实施例还提供了一种水声通讯方法，包括以下步骤：
步骤S11：提供至少两个水下终端300；
步骤S12：一个所述水下终端300发出第一数据信号，所述第一数据信号为超声波信号；
步骤S13：若干个所述水下终端300或水上服务器400接收所述第一数据信号，并回应第二数据信号，一个所述水下终端300接收所述第二数据信号，从而实现至少两个所述水下终端300的互相通讯。
以下结合1-4b对所述水声通讯方法进行详细说明。
图3a为本实施例的水下终端300之间直接数据通讯的流程图。如图3a所示，以两个所述水下终端300(水下终端A和水下终端B)为例，在所述A和水下终端B之间互相通讯时，首先，所述水下终端A通过公共广播信道向所述水下终端B发送连接请求；接着，所述水下终端B向所述水下终端A分配通讯信道；接着，所述水下终端A发出文字、语音、图像等第一数字信号(即第一数据信号)；接着，所述水下终端B接收所述第一数字信号，并以第二数字信号回应；接着，所述水下终端A接收所述第二数字信号，如此往返若干次可以实现水下终端之间直接数据通讯。
图3b为本实施例的水下终端之间的间接数据通讯的流程图。如图3b所示，以两个水下终端300(水下终端A和水下终端B)为例，此时，水面定位基站也是两个，其分别为水面定位基站A和水面定位基站B，所述水面定位基站A接收和发送超声波信号给水下终端A，即所述水下终端A与所述水面定位基站A对应，同样的，水下终端B与水面定位基站B对应。在水下终端A和水下终端B之间互相通讯时，首先，所述水下终端A通过公共广播信道向所述水面定位基站A发送连接请求；接着，所述水下终端B向所述水下终端A分配通讯信道；接着，所述水下终端A将需要发出的文字、语音、图像等第一数字信号转换为第一超声波信号；接着，所述水面定位基站A接收所述第一超声波信号，并将所述第一超声波信号转换为第一无线网络信号，并将所述第一无线网络信号发送给水上服务器100，所述水上服务器100将所述第一无线网络信号发送给水面定位基站B，所述水面定位基站B将所述第一无线网络信号还原成第一超声波信号，并将所述第一超声波信号发送给水下终端B，所述水下终端B将所述第一超声波信号还原成图像、文字或语音等第一数字信号，并以对第二数字信号回应，所述水下终端B将所述第二数字信号转换为第二超声波信号；接着，所述水面定位基站B接收所述第二超声波信号，并将所述第二超声波信号转换为第二无线网络信号，并将所述第二无线网络信号发送给水上服务器100，所述水上服务器100将所述第二无线网络信号发送给水面定位基站A，所述水面定位基站A将所述第二无线网络信号还原成第二超声波信号，并将所述第二超声波信号发送给水下终端A；接着，所述水下终端A将接收到的所述第二超声波信号转换成第二数字信号，如此往返若干次可以实现水下终端之间的间接数据通讯。
图3c为本实施例的水下终端与水上终端之间的通讯流程图。如图3c所示，以一个水下终端A和一个水上终端A为例，在水下终端A和水上终端A之间互相通讯时，首先，所述水下终端A通过公共广播信道向所述水面定位基站A发送连接请求；接着，所述水面定位基站A向所述水下终端A分配通讯信道；接着，所述水下终端A将需要发出的文字、语音、图像等第一数字信号转换为第一超声波信号；接着，所述水面定位基站A接收所述第一超声波信号，将所述第一超声波信号转换为第一无线网络信号，并将所述第一无线网络信号发送给水上服务器100，所述水上服务器100将所述第一无线网络信号发送给水上终端A；所述水上终端A对第一无线网络信号作出回应，并得到该回应反馈给水上服务器100，所述水上服务器100将该回应还原成第二无线网络信号，所述水上服务器100将所述第二无线网络信号发送给水面定位基站A，所述水面定位基站A将所述第二无线网络信号还原成第二超声波信号，并将所述第二超声波信号发送给水下终端A；接着，所述水下终端A将接收到的第二超声波信号转换为第二数字信号，如此往返若干次可以实现水下终端与水上终端之间的数据通讯。
图4a为本实施例的每个水下终端的通讯流程示意图。如图4a所示，在所述水下终端与其他水下终端之间，或者在所述水下终端与水上终端之间的通讯时，所述水下终端300具有以下动作：首先，对所述水下终端进行初始化处理，具体的对水声发射器、水声接收器、输入输出设备进行初始化处理。接着，侦测超声波信号和用户操作，若侦测到所述超声波信号，则所述水声接收器接收超声波信号，并将所述水声接收器转换为图像、文字或语音等数字信号，所述输入输出设备播放所述数字信号；若侦听到所述用户操作，则所述水声发射器将需要发出的所述数字信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送出去。接着，判断侦听是否结束，若未结束，则返回步骤侦测超声波信号和用户操作；若结束则此次通讯结束。
图4b为本实施例的每个水下终端通讯时水面定位基站的流程示意图。如图4b所示，在所述水下终端与其他水下终端之间，或者在所述水下终端与水上终端之间的通讯时，所述水面定位基站200具有以下动作：首先，每个所述水面定位基站200与水上服务器100之间建立无线网络连接。接着，GPS定位模块对所述水面定位基站200进行定位，以实现对所述水下终端进行定位，并将所述水下终端的位置上报给所述水上服务器100。接着，对所述水面定位基站200进行初始化处理，具体的，对所述超声波信号调制解调模块、超声波信号发生及接收模块进行初始化处理，同时，所述水上服务器100开启侦听。接着，侦测超声波信号和无线网络信号，若侦测到超声波信号，则所述超声波信号发生及接收模块接收所述超声波信号，所述超声波信号调制解调模块将所述超声波信号所述超声波信号还原成无线网络信号，则所述水面定位基站通过所述无线网络将所述无线网络信号发送给所述水上服务器100，之后返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤；若侦测到无线网络信号，通过所述无线网络接收所述无线网络信号，所述超声波信号调制解调模块将所述无线网络信号调制成超声波信号，并将所述超声波信号发送给水下终端300，之后返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤。接着，判断侦听是否结束，若结束则此次通讯结束，若未结束，则返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤。
本实施例还提供一种水下终端定位方法，基于水声定位TDOA算法，包括以下步骤：
步骤S21：所述水下终端周期性的发送超声波信号，所述超声波信号为超声波定位信号帧；
步骤S22：多个所述水面定位基站接收所述超声波信号，并记录接收到的各所述超声波信号的时间戳；
步骤S23：所述水上服务器根据多个所述水面定位基站记录的所述时间戳计算所述水下终端的位置，以完成当次定位。
以下结合5a-7对所述水声通讯方法进行详细说明。
对所述水下终端定位方法例如是采用水声定位TDOA算法进行定位。由于所述水下终端300周期性的向所述水面定位基站200发送超声波定位信号帧，即使在数字信号(数据)的通讯过程中，所述超声波定位信号帧也是穿插在所述数字信号中发送给所述水面定位基站200的。TDOA算法进行定位时，可以利用多个所述水面定位基站200之间的无线网络连接进行精确的同步时钟，也可以不利用水面定位基站200之间的同步时钟，每个所述水面定位基站200在收到超声波定位信号帧后，利用固定时长的处理时间计算出所述水下终端300的位置，然后将该位置发送给服务器。由于各个水面定位基站200之间距离差异导致的时间差异相对于声波的传播时间是可以忽略的，使得发送无线电波信号的时间差异也是可以忽略的，因此，可以用最终信号到达服务器的时间戳来计算时间差，从而实现了对所述水下终端300的定位。
图5a为本实施例的需要各水面定位基站之间同步时钟的水下终端的定位流程示意图。如图5a所示，需要各水面定位基站200之间同步时钟的水下终端300的定位方法包括：首先，通过各所述水面定位基站200之间的无线网络连接实现各所述水面定位基站200之间同步时钟；接着，所述水下终端300周期性的向各所述水面定位基站200发送超声波定位信号帧；接着，各所述水面定位基站200接收所述超声波定位信号帧；接着，各所述水面定位基站200将接收到的所述超声波定位信号帧的时间戳发送给所述水上服务器100；接着，所述水上服务器100根据各所述水面定位基站200发送的时间戳计算出所述水下终端300的位置，从而完成此次定位。
图5b为本实施例的不需要各水面定位基站之间同步时钟的水下终端的定位流程示意图。如图5b所示，不需要各水面定位基站200之间同步时钟的水下终端300的定位方法包括：首先，所述水下终端300周期性的向各所述水面定位基站200发送超声波定位信号帧；接着，各所述水面定位基站200接收所述超声波定位信号帧；接着，各所述水面定位基站200将接收到的所述超声波定位信号帧的时间戳发送给所述水上服务器100；接着，所述水上服务器100记录接收到的各所述超声波定位信号帧的时间戳，并根据各所述水面定位基站200发送的时间戳计算出所述水下终端300的位置，从而完成此次定位。
在人们在潜水或水下作业时，如果单个成员脱离群体一定位置时，由于无法得到群体的位置，很容易造成人员落单，为了避免成员的脱单，本实施例还提供了一种水下终端组队的操作方法。图6为本实施例的至少两个水下终端组队的流程示意图。如图6所示，所述各水下终端300组队的操作方法包括：首先，对组队的各所述水下终端300进行定位。接着，广播组队的各所述水下终端300的位置。接着，判断是否结束，若结束，则此次组队结束；若未结束，则确认是否有水下终端离队，若没有水下终端离队，则直接返回对各所述水下终端进行定位的步骤，若有水下终端离队，则预警离队的所述水下终端，并向离队的所述水下终端提供其他所述水下终端的位置，根据离队的水下终端与其他的水下终端之间的位置关系，提供导航指示其归队，并在离队的所述水下终端归队后返回对各所述水下终端进行定位的步骤。上述方法在单个队员离队时，水上服务器可以对该离队的水下终端发出预警，并给出导航指示，以使得其可以返回团队位置。
图7为本实施例的水下终端地理围栏操作流程示意图。如图7所示，本实施例还提供了一种水下终端地理围栏操作方法，包括：首先，对在地理围栏范围中各所述水下终端300进行定位。接着，所述水上服务器100判断是否存在所述水下终端300超出所述地理围栏范围，若是，对超出所述地理围栏范围的水下终端300进行预警，同时根据所述水下终端300与所述地理围栏之间的位置关系，提供导航指示其返回地理围栏范围中，并在其返回后结束导航；若否，则返回对在地理围栏范围中各水下终端300进行定位步骤中。
综上所述，本发明提供一种水声定位及通讯系统，定位、通讯、组队及地理围栏方法，水声定位及通讯系统包括水上服务器、多个水面定位基站以及若干水下终端，所述水上服务器和多个水面定位基站通过无线网络通信，所述水面定位基站和水下终端通过水声通信方式通信，以实现所述水下终端之间的即时通讯，以及对所述水下终端进行定位和导航，从而解决潜水或水下作业时的沟通不顺畅的问题，使得潜水人员或水下作业人员(即水下人员)之间互通，水下人员与水上之间的互通；水上对水下人员状况的监控和保护，对水下人员所处环境的监控，水上对水下人员的调度，使得其功能较多，适应水下的多种需求。另外，所述数字信号为图像、文字或语音，使得传输数据类型多。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (18)

1.一种水声定位及通讯系统，其特征在于，包括水上服务器、多个水面定位基站以及若干水下终端，所述水上服务器和多个水面定位基站通过无线网络通信，所述水面定位基站和水下终端通过水声通信方式通信，以实现所述水下终端之间的即时通讯，以及对所述水下终端进行定位和导航。
2.如权利要求1所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，
所述水下终端用于输入输出数字信号，接收和发送超声波信号；还用于进行数字信号和超声波信号之间的转换；
所述水面定位基站用于对所述水下终端进行测距和定位，并将所述测距的结果和定位发送给所述水上服务器；还用于进行超声波信号和无线网络信号之间的转换；
所述水上服务器用于向所述水面定位基站发送对所述水下终端进行测距和/或定位的要求，并根据所述水面定位基站上报的距离，计算出所述水下终端的位置；以及
其中，所述水下终端与水上服务器通过所述水面定位基站进行传输数据。
3.如权利要求2所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，所述水面定位基站包括主控模块、超声波信号调制解调模块、超声波信号发生及接收模块、无线网络和GPS定位模块；
所述水面定位基站将所述水下终端的数据转发给所述水上服务器时：所述超声波信号发生及接收模块用于接收所述水下终端发送的超声波信号，所述超声波信号调制解调模块用于将所述超声波信号转换成无线网络信号，并通过所述无线网络将所述无线网络信号发送给所述水上服务器；
所述水面定位基站将所述水上服务器的数据转发给所述水下终端时：所述水面定位基站通过所述无线网络接收所述水上服务器的数据，所述超声波信号调制解调模块用于将所述数据调制成超声波信号，所述超声波信号发生及接收模块接收用于将所述超声波信号发送给水下终端；以及
所述水上服务器向所述水面定位基站发出定位和/或测距请求时，所述水面定位基站通过所述无线网络接收所述定位请求，并将所述定位请求发送给主控模块，所述GPS定位模块用于对所述水面定位基站进行定位，所述主控模块用于根据所述定位和/或测距请求，测量所述水下终端和水面定位基站之间的测距，并将所述距离和/或接收到的所述水下终端的定位时间戳上报给所述水上服务器。
4.如权利要求1所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，所述水下终端包括水声发射器、水声接收器和输入输出设备，所述水声发射器和水声接收器分别与所述输入设备电连接；
所述水声发射器用于将所述数字信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送给所述水面定位基站；
所述水声接收器用于从所述水面定位基站接收超声波信号，并将所述超声波信号转换为数字信号；以及
所述输入输出设备用于输入或输出数字信号，并将所述数字信号发送给所述水声发射器，以及接收所述水声接收器转换后的数字信号。
5.如权利要求4所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，所述输入输出设备包括信息显示设备、音频模块和键盘输入设备中的任一项或几项。
6.如权利要求1所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，还包括水上终端，所述水上终端与水上服务器通信连接，并通过所述水上服务器得到所述水下终端发送的数据。
7.如权利要求1所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，所述数字信号为图像、文字或语音。
8.一种水声通讯方法，采用如权利要求1～7中任一项所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，包括以下步骤：
提供至少一个水下终端；
一个所述水下终端发出第一数据信号，所述第一数据信号为超声波信号；以及
若干个所述水下终端或水上服务器接收所述第一数据信号，并回应第二数据信号，所述水下终端接收所述第二数据信号，从而实现所述水下终端之间或者所述水下终端与水上服务器之间的互相通讯。
9.如权利要求8所述的水声通讯方法，其特征在于，两个所述水下终端之间直接通讯包括：
一个所述水下终端通过公共广播信道向另一个所述水下终端发送连接请求；
另一个所述水下终端向一个所述水下终端分配通讯信道；
一个所述水下终端发出第一数据信号；
另一个所述水下终端接收所述第一数字信号，并以第二数字信号回应；以及
一个所述水下终端接收所述第二数字信号，从而实现两个所述水下终端之间直接通讯。
10.如权利要求8所述的水声通讯方法，其特征在于，两个水下终端之间间接通讯包括：
一个所述水下终端通过公共广播信道向一个所述水面定位基站发送连接请求；
一个所述水面定位基站向一个所述水下终端分配通讯信道；
一个所述水下终端将需要发出的第一数字信号转换为第一超声波信号；
一个所述水面定位基站接收所述第一超声波信号，将所述第一超声波信号转换为第一无线网络信号，并将所述第一无线网络信号发送给水上服务器，所述水上服务器将所述第一无线网络信号发送给另一个所述水面定位基站，另一个所述水面定位基站将所述第一无线网络信号还原成第一超声波信号，并将所述第一超声波信号发送给另一个所述水下终端，另一个所述水下终端将所述第一超声波信号还原成第一数字信号，并以第二数字信号回应，另一个所述水下终端将所述第二数字信号转换为第二超声波信号；
另一个所述水面定位基站接收所述第二超声波信号，并将所述第二超声波信号转换为第二无线网络信号，并将所述第二无线网络信号发送给水上服务器，所述水上服务器将所述第二无线网络信号发送给一个所述水面定位基站，一个所述水面定位基站将所述第二无线网络信号还原成第二超声波信号，并将所述第二超声波信号发送给一个所述水下终端；以及
一个所述水下终端将接收到的所述第二超声波信号转换成第二数字信号。
11.如权利要求8所述的水声通讯方法，其特征在于，一个水下终端和一个水上终端之间通讯包括：
所述水下终端通过公共广播信道向水面定位基站发送连接请求；
所述水面定位基站向所述水下终端分配通讯信道；
所述水下终端将需要发出的第一数字信号转换为第一超声波信号；
所述水面定位基站接收所述第一超声波信号，将所述第一超声波信号转换为第一无线网络信号，并将所述第一无线网络信号发送给水上服务器，所述水上服务器将所述第一无线网络信号发送给水上终端；
所述水上终端对第一无线网络信号作出回应，并得到该回应反馈给水上服务器，所述水上服务器将该回应还原成第二无线网络信号，所述水上服务器将所述第二无线网络信号发送给水面定位基站，所述水面定位基站将所述第二无线网络信号还原成第二超声波信号，并将所述第二超声波信号发送给所述水下终端；以及
所述水下终端将接收到的第二超声波信号转换为第二数字信号。
12.如权利要求8～11中任一项所述的水声通讯方法，其特征在于，每个所述水下终端在通讯过程中具有以下动作：
对所述水下终端进行初始化处理；
侦测超声波信号和用户操作，
若侦测到所述超声波信号，则所述水下终端的水声接收器接收超声波信号，并将所述水声接收器转换为数字信号，输入输出设备播放所述数字信号，
若侦听到所述用户操作，则所述水下终端的水声发射器将需要发出的所述数字信号转换为超声波信号，并将所述超声波信号发送出去；以及
判断侦听是否结束，
若未结束，则返回步骤侦测超声波信号和用户操作，
若结束则此次通讯结束。
13.如权利要求8～11中任一项所述的水声通讯方法，其特征在于，所述水面定位基站在通讯过程中具有以下动作：
每个所述水面定位基站与水上服务器之间建立无线网络连接；
所述水面定位基站的GPS定位模块对所述水面定位基站进行定位以实现对所述水下终端的定位，并将所述水下终端的位置上报给所述水上服务器；
对所述水面定位基站进行初始化处理；
侦测超声波信号和无线网络信号，
若侦测到超声波信号，则所述水下终端的超声波信号发生及接收模块接收所述超声波信号，所述超声波信号调制解调模块将所述超声波信号所述超声波信号还原成无线网络信号，通过所述无线网络将所述无线网络信号发送给所述水上服务器，之后返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤，
若侦测到无线网络信号，则所述水面定位基站通过所述无线网络接收所述无线网络信号，所述超声波信号调制解调模块将所述无线网络信号调制成超声波信号，并将所述超声波信号发送给水下终端，之后返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤；以及
判断侦听是否结束，
若结束则此次通讯结束，
若未结束，则返回执行侦测超声波信号和无线网络信号步骤。
14.一种水下终端定位方法，基于水声定位TDOA算法，且采用如权利要求1～7中任一项所述的水声定位及通讯系统，其特征在于，包括以下步骤：
所述水下终端周期性的发送超声波信号，所述超声波信号为超声波定位信号帧；
多个所述水面定位基站接收所述超声波信号，并记录接收到的各所述超声波信号的时间戳；以及
所述水上服务器根据多个所述水面定位基站记录的所述时间戳计算所述水下终端的位置，以完成当次定位。
15.如权利要求14所述的水下终端定位方法，其特征在于，需要各水面定位基站之间同步时钟的水下终端的定位方法包括：
通过各所述水面定位基站之间的无线网络连接实现各所述水面定位基站之间同步时钟；
所述水下终端周期性的向各所述水面定位基站发送超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站接收所述超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站将接收到的所述超声波定位信号帧的时间戳发送给所述水上服务器；以及
所述水上服务器根据各所述水面定位基站发送的时间戳计算出所述水下终端的位置，从而完成当次定位。
16.如权利要求14所述的水下终端定位方法，其特征在于，不需要各水面定位基站之间同步时钟的水下终端的定位方法包括：
所述水下终端周期性的向各所述水面定位基站发送超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站接收所述超声波定位信号帧；
各所述水面定位基站将接收到的所述超声波定位信号帧的时间戳发送给所述水上服务器；以及
所述水上服务器记录接收到的各所述超声波定位信号帧的时间戳，并根据各所述水面定位基站发送的时间戳计算出所述水下终端的位置，从而完成当次定位。
17.一种水下终端组队的操作方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求14～16中任一项所述的水下终端定位方法对组队的各所述水下终端进行定位；
广播组队的各所述水下终端的位置；以及
判断是否结束，若结束，则此次组队结束，
若未结束，则确认是否有水下终端离队，若没有水下终端离队，则直接返回对各所述水下终端进行定位的步骤，
若有水下终端离队，则采用如权利要求8～13中任一项所述的水声通讯方法预警离队的所述水下终端，并向离队的所述水下终端提供其他所述水下终端的位置，并导航指示其归队，在其归队后返回对组队的各所述水下终端进行定位的步骤中。
18.一种水下终端地理围栏操作方法，其特征在于，包括：
采用如权利要求14～16中任一项所述的水下终端定位方法对在地理围栏范围中各水下终端进行定位；以及
所述水上服务器判断是否存在所述水下终端超出所述地理围栏范围，
若是，则采用如权利要求8～13中任一项所述的水声通讯方法对超出所述地理围栏范围的水下终端进行预警，同时提供导航指示其返回地理围栏范围中，并在其返回后结束导航，
若否，则返回对在所述地理围栏范围中各水下终端进行定位步骤中。
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