CN113098544B - 一种海域多模通信装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海域多模通信装置及应用，采用协作式模块组合结构，组合第一天通模块、第二天通模块、水声通信模块、北斗卫星通信模块、以及有线通信模块，并设计基于此的应用，天通一号卫星采用TDD技术和FDD技术的双模块通信，并使用北斗RDSS短报文通信作为应急通信手段，同时针对水下，兼具RS232/RS485、光纤通信和水声通信与其他水下需要通信的模块或者设备进行通信，通过多种通信方式的协作运用，能够实现水下通信、水上通信的全面覆盖，能够有效提高海域通信的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种海域多模通信装置及应用，属于海域区域网络通信技术领域。
背景技术
中国拥有的海洋国土面积近300万平方公里，拥有丰富的海洋资源，海洋石油、天然气等资源的探索和开发离不开海域通信。
目前海域对外通信的主要方式就是卫星通信。北斗一号、二号、三号系统，在导航上具备RNSS高精度定位和RDSS有源定位，在通信上具有短报文通信的能力，但单次短报文通信内容长度有限制，发送频率也有限制，只适合数据量较小时应急使用，并不适用于数据量较大的通信。
基于S频段的天通一号卫星01星拥有109个国土点波束和2个海域波束。目前卫星运行良好，但由于只有2个海域波束，TDD通信制式下海域通信较为困难；而在水下，海水具有导电特性，电磁波在海洋中传输衰减非常大，传输距离有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种海域多模通信装置，采用协作式模块组合结构，获得模块之间的协同作用，能够有效提高海域通信的工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种海域多模通信装置，包括主控制模块、以及分别与主控制模块相连接的第一天通模块、第二天通模块、水声通信模块；第一天通模块、第二天通模块分别用于实现海面以上区域的通信，水声通信模块用于实现海面以下区域的通信，且第一天通模块工作于时分双工模式，以及第二天通模块工作于频分双工模式，以及第一天通模块与第二天通模块在同一时间内择一工作；
其中，第一天通模块包括第一基带处理模块、第一射频收发模块、上行带通滤波器、下行带通滤波器、第一功率放大器、第一低噪声放大器、低通滤波器、射频开关；第一基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第一基带处理模块通过双向通信方式连接第一射频收发模块，第一射频收发模块对应上行链路依次连接上行带通滤波器、第一功率放大器、低通滤波器，第一射频收发模块对应下行链路依次连接下行带通滤波器、第一低噪声放大器，低通滤波器、第一低噪声放大器分别对接射频开关，经射频开关实现第一天通模块对外的上下行通信；
第二天通模块包括第二基带处理模块、第二射频收发模块、第二上行滤波器、第二下行滤波器、第二功率放大器、第二低噪声放大器、第二双工器；第二基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第二基带处理模块通过双向通信方式连接第二射频收发模块，第二射频收发模块对应上行链路依次连接第二上行滤波器、第二功率放大器，第二射频收发模块对应下行链路依次连接第二下行滤波器、第二低噪声放大器，第二功率放大器、第二低噪声放大器分别对接第二双工器，经第二双工器实现第二天通模块对外的上下行通信。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括与所述主控制模块相连接、并用于实现海面以上区域通信的北斗卫星通信模块，北斗卫星通信模块包括第三基带处理模块、L上变频模块、第三ADC模块、S下变频模块、第三上行滤波器、第三下行滤波器、第三功率放大器、第三低噪声放大器、第三双工器，第三基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，第三基带处理模块对应短报文上行链路依次连接L上变频模块、第三上行滤波器、第三功率放大器，第三基带处理模块对应短报文下行链路依次连接第三ADC模块、S下变频模块、第三下行滤波器、第三低噪声放大器，第三功率放大器、第三低噪声放大器分别对接第三双工器，经第三双工器实现北斗卫星通信模块对外的上下行通信。
作为本发明的一种优选技术方案：所述北斗卫星通信模块还包括定位ADC模块、定位下变频模块、定位下行滤波器、定位低噪声放大器，所述第三基带处理模块对应定位下行链路依次连接定位ADC模块、定位下变频模块、定位下行滤波器、定位低噪声放大器，经定位低噪声放大器实现北斗卫星通信模块对外的定位信息下行通信。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括与所述主控制模块相连接、并用于实现海面以下区域通信的有线通信模块。
作为本发明的一种优选技术方案：所述有线通信模块包括分别与所述主控制模块相连接的RS485模块、RS232模块、光模块中的任意一种或多种。
作为本发明的一种优选技术方案：所述水声通信模块包括第四基带处理模块、第四射频收发模块、第四上行滤波器、第四下行滤波器、第四功率放大器、第四低噪声放大器、射频前端处理模块、外接收发模块，第四基带处理模块与所述主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第四基带处理模块通过双向通信方式连接第四射频收发模块，第四射频收发模块对应上行链路依次连接第四上行滤波器、第四功率放大器，第四射频收发模块对应下行链路依次连接第四下行滤波器、第四低噪声放大器、射频前端处理模块，第四低噪声放大器、射频前端处理模块分别对接外接收发模块，经外接收发模块实现水声通信模块对外的短报文上下行通信。
作为本发明的一种优选技术方案：所述外接收发模块为收发转换模块或第四双工器。
作为本发明的一种优选技术方案：所述主控制模块与各模块之间实现双向通信所基于的指定类型接口包括串口、USB接口、Sim卡接口、语音接口中的任意一种。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种基于海域多模通信装置的应用，通过模块之间的协同作用，实现多种通信技术的组合应用，能够有效提高海域通信的工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于海域多模通信装置的应用，用于实现数据仓平台向岸基的数据传输，其中基于数据仓平台与海域多模通信装置中主控制模块之间的有线通讯连接，包括如下步骤：
步骤A. 控制海域多模通信装置上升置于海域水面，同时由数据仓平台对海域多模通信装置进行上电，然后进入步骤B；
步骤B. 控制海域多模通信装置中各模块分别按预设工作模式进行工作，并按预设数据传输协议上传至数据仓平台，然后进入步骤C；
步骤C. 由数据仓平台向海域多模通信装置发起向岸基目标建链指令，海域多模通信装置收到该指令后，即向岸基目标发起通信建链，同时向数据仓平台返回建链结果，并进入步骤D；
步骤D. 数据仓平台向海域多模通信装置发送需要传输的数据，由海域多模通信装置针对所接收数据向岸基目标进行转发，直至该数据全部发送完毕，然后进入步骤E；
步骤E. 数据仓平台向海域多模通信装置发送拆链指令，实现海域多模通信装置与岸基目标之间通信链的拆链，并控制数据仓平台对海域多模通信装置进行断电。
本发明所述一种海域多模通信装置及应用，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明所设计一种海域多模通信装置，采用协作式模块组合结构，组合第一天通模块、第二天通模块、水声通信模块、北斗卫星通信模块、以及有线通信模块，并设计基于此的应用，采用TDD技术和FDD技术的双模块通信，并使用北斗RDSS短报文通信作为应急通信手段，同时针对水下，兼具RS232/RS485、光纤通信和水声通信与其他水下需要通信的模块或者设备进行通信，通过多种通信方式的协作运用，能够实现水下通信、水上通信的全面覆盖，能够有效提高海域通信的工作效率。
（2）本发明所设计一种海域多模通信装置及应用，在天通只有01星的条件下，打通点波束和海域波束下均能通信，同时将北斗通信与天通通信进行了融合，天通通信弥补了北斗短报文通信容量小时延大的短板，北斗通信弥补天通通信对星失败时无法通信的短板，确保用户能够在任何时候任何地点都能及时有效的进行数据通信，同时在水下，也融合了串口通信、光通信和水声通信。串口通信数据稳定但距离短，光通信必须有光缆的条件下进行，水声通信可在无线状态，但不稳定，受环境影响较大。
附图说明
图1是本发明所设计海域多模通信装置的模块示意图；
图2是本发明所设计执行TDD技术的第一天通模块；
图3是本发明所设计执行FDD技术的第二天通模块；
图4是本发明所设计中所应用的北斗卫星通信模块；
图5是本发明所设计中所应用的水声通信模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种海域多模通信装置，实际应用当中，如图1所示，具体设计包括主控制模块、以及分别与主控制模块相连接的第一天通模块、第二天通模块、水声通信模块；第一天通模块、第二天通模块分别用于实现海面以上区域的通信，水声通信模块用于实现海面以下区域的通信，且第一天通模块工作于时分双工模式，以及第二天通模块工作于频分双工模式，以及第一天通模块与第二天通模块在同一时间内择一工作。
其中，如图2所示，第一天通模块包括第一基带处理模块、第一射频收发模块、上行带通滤波器、下行带通滤波器、第一功率放大器、第一低噪声放大器、低通滤波器、射频开关；第一基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第一基带处理模块通过双向通信方式连接第一射频收发模块，第一射频收发模块对应上行链路依次连接上行带通滤波器、第一功率放大器、低通滤波器，第一射频收发模块对应下行链路依次连接下行带通滤波器、第一低噪声放大器，低通滤波器、第一低噪声放大器分别对接射频开关，经射频开关实现第一天通模块对外的上下行通信；
如图3所示，第二天通模块包括第二基带处理模块、第二射频收发模块、第二上行滤波器、第二下行滤波器、第二功率放大器、第二低噪声放大器、第二双工器；第二基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第二基带处理模块通过双向通信方式连接第二射频收发模块，第二射频收发模块对应上行链路依次连接第二上行滤波器、第二功率放大器，第二射频收发模块对应下行链路依次连接第二下行滤波器、第二低噪声放大器，第二功率放大器、第二低噪声放大器分别对接第二双工器，经第二双工器实现第二天通模块对外的上下行通信，实际应用当中，第二天通模块具有很强的抗干扰能力和抗多普勒偏移效应。
实际应用中，进一步设计加入与所述主控制模块相连接、并用于实现海面以上区域通信的北斗卫星通信模块，如图4所示，具体设计北斗卫星通信模块包括第三基带处理模块、L上变频模块、第三ADC模块、S下变频模块、第三上行滤波器、第三下行滤波器、第三功率放大器、第三低噪声放大器、第三双工器，第三基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，第三基带处理模块对应短报文上行链路依次连接L上变频模块、第三上行滤波器、第三功率放大器，第三基带处理模块对应短报文下行链路依次连接第三ADC模块、S下变频模块、第三下行滤波器、第三低噪声放大器，第三功率放大器、第三低噪声放大器分别对接第三双工器，经第三双工器实现北斗卫星通信模块对外的上下行通信。
针对用于水下通信所应用的水声通信模块，实际应用当中，如图5所示，具体设计水声通信模块包括第四基带处理模块、第四射频收发模块、第四上行滤波器、第四下行滤波器、第四功率放大器、第四低噪声放大器、射频前端处理模块、外接收发模块，第四基带处理模块与所述主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第四基带处理模块通过双向通信方式连接第四射频收发模块，第四射频收发模块对应上行链路依次连接第四上行滤波器、第四功率放大器，第四射频收发模块对应下行链路依次连接第四下行滤波器、第四低噪声放大器、射频前端处理模块，第四低噪声放大器、射频前端处理模块分别对接外接收发模块，经外接收发模块实现水声通信模块对外的短报文上下行通信；其中，外接收发模块具体实际应用收发转换模块或第四双工器。
除了保障北斗卫星通信模块的基本工作，实际应用中，进一步针对北斗卫星通信模块设计还包括定位ADC模块、定位下变频模块、定位下行滤波器、定位低噪声放大器，所述第三基带处理模块对应定位下行链路依次连接定位ADC模块、定位下变频模块、定位下行滤波器、定位低噪声放大器，经定位低噪声放大器实现北斗卫星通信模块对外的定位信息下行通信。
基于上述水声通信模块应用实现的水下通信架构，本发明针对水下通信，进一步设计加入与所述主控制模块相连接、并用于实现海面以下区域通信的有线通信模块，实际执行中，针对有线通信模块，具体应用RS485模块、RS232模块、光模块中的任意一种或多种，分别与主控制模块相连接，实现多种通信协议下的有线通信。
在实际的产品生产应用中，针对主控制模块与各模块之间用于实现双向通信所基于的指定类型接口，具体应用串口、USB接口、Sim卡接口、语音接口中的任意一种。
基于上述所设计海域多模通信装置的结构，本发明进一步设计了基于此装置的应用，用于实现数据仓平台向岸基的数据传输，其中基于数据仓平台与海域多模通信装置中主控制模块之间的有线通讯连接，实际应用当中，具体执行如下步骤A至步骤E。
步骤A. 控制海域多模通信装置上升置于海域水面，同时由数据仓平台对海域多模通信装置进行上电，然后进入步骤B。
步骤B. 控制海域多模通信装置中各模块分别按预设工作模式进行工作，并按预设数据传输协议上传至数据仓平台，然后进入步骤C。
步骤C. 由数据仓平台向海域多模通信装置发起向岸基目标建链指令，海域多模通信装置收到该指令后，即向岸基目标发起通信建链，同时向数据仓平台返回建链结果，并进入步骤D。
步骤D. 数据仓平台向海域多模通信装置发送需要传输的数据，由海域多模通信装置针对所接收数据向岸基目标进行转发，直至该数据全部发送完毕，然后进入步骤E。
步骤E. 数据仓平台向海域多模通信装置发送拆链指令，实现海域多模通信装置与岸基目标之间通信链的拆链，并控制数据仓平台对海域多模通信装置进行断电。
本发明所设计海域多模通信装置在实际应用当中，海域多模通信装置，可提供串口、光纤接口和水声通信作为数据采集来源，在与之相通信的控制平台的选择下，使用第一天通模块、第二天通模块或者北斗卫星通信模块将数据由海域发送到岸基。
控制平台与海域多模通信装置之间采用串口、光纤接口和水声通信，软件接口协议所涉及的软件接口协议帧结构：
消息头8字节，消息尾1字节，净荷变长。
第1字节，帧头为1个字节，固定为‘$’,即0x24；
第2-5字节，消息ID，指示消息类型，4个字节，为4个字符；
第6字节，序列号，0-255，循环递增，发送方自动分配，用于接收方参考包序；
第7-8字节，净荷长度，是指净荷内容的长度，大端填充；
第9-n字节，净荷内容，根据具体报文定义；
第n+1字节，校验码，一个字节，为净荷部分的和的低字节。
默认采用大端（网络字节序）表示。
本发明设计所设计海域多模通信装置，采用协作式模块组合结构，组合第一天通模块、第二天通模块、水声通信模块、北斗卫星通信模块、以及有线通信模块，并设计基于此的应用，采用TDD技术和FDD技术的双模块通信，并使用北斗RDSS短报文通信作为应急通信手段，同时针对水下，兼具RS232/RS485、光纤通信和水声通信与其他水下需要通信的模块或者设备进行通信，通过多种通信方式的协作运用，能够实现水下通信、水上通信的全面覆盖，能够有效提高海域通信的工作效率。
在具体实际应用当中，在天通只有01星的条件下，打通点波束和海域波束下均能通信，海域波束下，当使用第一天通模块通信较为困难时，可切换到第二天通模块进行工作，获得更强的抗干扰能力和抗多普勒偏移效应；同时将北斗通信与天通通信进行了融合，天通通信弥补了北斗短报文通信容量小时延大的短板，北斗通信弥补天通通信对星失败时无法通信的短板，确保用户能够在任何时候任何地点都能及时有效的进行数据通信，同时在水下，也融合了串口通信、光通信和水声通信。串口通信数据稳定但距离短，光通信必须有光缆的条件下进行，水声通信可在无线状态，但不稳定，受环境影响较大。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：海域多模通信装置用于实现海域环境的通信，包括主控制模块、以及分别与主控制模块相连接的第一天通模块、第二天通模块、水声通信模块；第一天通模块、第二天通模块分别用于实现海面以上区域的通信，水声通信模块用于实现海面以下区域的通信，且第一天通模块工作于时分双工模式，以及第二天通模块工作于频分双工模式，以及第一天通模块与第二天通模块在同一时间内择一工作；
其中，第一天通模块包括第一基带处理模块、第一射频收发模块、上行带通滤波器、下行带通滤波器、第一功率放大器、第一低噪声放大器、低通滤波器、射频开关；第一基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第一基带处理模块通过双向通信方式连接第一射频收发模块，第一射频收发模块对应上行链路依次连接上行带通滤波器、第一功率放大器、低通滤波器，第一射频收发模块对应下行链路依次连接下行带通滤波器、第一低噪声放大器，低通滤波器、第一低噪声放大器分别对接射频开关，经射频开关实现第一天通模块对外的上下行通信；
第二天通模块包括第二基带处理模块、第二射频收发模块、第二上行滤波器、第二下行滤波器、第二功率放大器、第二低噪声放大器、第二双工器；第二基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第二基带处理模块通过双向通信方式连接第二射频收发模块，第二射频收发模块对应上行链路依次连接第二上行滤波器、第二功率放大器，第二射频收发模块对应下行链路依次连接第二下行滤波器、第二低噪声放大器，第二功率放大器、第二低噪声放大器分别对接第二双工器，经第二双工器实现第二天通模块对外的上下行通信；
通信方法用于实现数据仓平台向岸基的数据传输，基于数据仓平台与海域多模通信装置中主控制模块之间的有线通讯连接，包括如下步骤：
步骤A. 控制海域多模通信装置上升置于海域水面，同时由数据仓平台对海域多模通信装置进行上电，然后进入步骤B；
步骤B. 控制海域多模通信装置中的主控制模块、第一天通模块、第二天通模块、水声通信模块、北斗卫星通信模块、有线通信模块分别按预设工作模式进行工作，并按预设数据传输协议上传至数据仓平台，然后进入步骤C；
步骤C. 由数据仓平台向海域多模通信装置发起向岸基目标建链指令，海域多模通信装置收到该指令后，即向岸基目标发起通信建链，同时向数据仓平台返回建链结果，并进入步骤D；
步骤D. 数据仓平台向海域多模通信装置发送需要传输的数据，由海域多模通信装置针对所接收数据向岸基目标进行转发，直至该数据全部发送完毕，然后进入步骤E；
步骤E. 数据仓平台向海域多模通信装置发送拆链指令，实现海域多模通信装置与岸基目标之间通信链的拆链，并控制数据仓平台对海域多模通信装置进行断电。
2.根据权利要求1所述一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：所述海域多模通信装置还包括与所述主控制模块相连接、并用于实现海面以上区域通信的北斗卫星通信模块，北斗卫星通信模块包括第三基带处理模块、L上变频模块、第三ADC模块、S下变频模块、第三上行滤波器、第三下行滤波器、第三功率放大器、第三低噪声放大器、第三双工器，第三基带处理模块与主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，第三基带处理模块对应短报文上行链路依次连接L上变频模块、第三上行滤波器、第三功率放大器，第三基带处理模块对应短报文下行链路依次连接第三ADC模块、S下变频模块、第三下行滤波器、第三低噪声放大器，第三功率放大器、第三低噪声放大器分别对接第三双工器，经第三双工器实现北斗卫星通信模块对外的上下行通信。
3.根据权利要求2所述一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：所述北斗卫星通信模块还包括定位ADC模块、定位下变频模块、定位下行滤波器、定位低噪声放大器，所述第三基带处理模块对应定位下行链路依次连接定位ADC模块、定位下变频模块、定位下行滤波器、定位低噪声放大器，经定位低噪声放大器实现北斗卫星通信模块对外的定位信息下行通信。
4.根据权利要求2所述一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：所述海域多模通信装置还包括与所述主控制模块相连接、并用于实现海面以下区域通信的有线通信模块。
5.根据权利要求4所述一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：所述有线通信模块包括分别与所述主控制模块相连接的RS485模块、RS232模块、光模块中的任意一种或多种。
6.根据权利要求4所述一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：所述水声通信模块包括第四基带处理模块、第四射频收发模块、第四上行滤波器、第四下行滤波器、第四功率放大器、第四低噪声放大器、射频前端处理模块、外接收发模块，第四基带处理模块与所述主控制模块之间通过指定类型接口实现双向通信，同时第四基带处理模块通过双向通信方式连接第四射频收发模块，第四射频收发模块对应上行链路依次连接第四上行滤波器、第四功率放大器，第四射频收发模块对应下行链路依次连接第四下行滤波器、第四低噪声放大器、射频前端处理模块，第四低噪声放大器、射频前端处理模块分别对接外接收发模块，经外接收发模块实现水声通信模块对外的短报文上下行通信。
7.根据权利要求6所述一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：所述外接收发模块为收发转换模块或第四双工器。
8.根据权利要求6所述一种海域多模通信装置的通信方法，其特征在于：所述主控制模块与各模块之间实现双向通信所基于的指定类型接口包括串口、USB接口、Sim卡接口、语音接口中的任意一种。
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