CN113329363B - 一种应用于深海海底观测的无线拓展系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，包括设置于处于深海的固定观测节点的深海先进锚系装置和多个自容式深海潜标装置，移动岸基与海底主基站之间通过主干海缆连接，海底主基站、深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置分别设置有对应的水声通信机以形成互联的水声WI‑FI网络，其中，自主水下机器人用于通过获取移动观测数据并反馈至海底主基站，深海先进锚系装置用于获取固定观测节点的观测数据反馈至海底主基站；自容式深海潜标装置用于获取固定观测节点的观测数据反馈至海底主基站；海底主基站用于汇聚所有观测数据并通过海底有缆观测网或高强度光电复合海光缆上传至移动岸基，以解决传统有缆海底观测系统观测范围受限、不能灵活部署，以及主干有缆网、无线固定网和无线移动网不能有机结合、无法实现实时动态跟踪观测的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于水下信息网络技术领域，具体涉及一种应用于深海海底观测的无线拓展系统。
背景技术
海底科学观测网是继地面与海面观测、空中遥测遥感之后，人类建立的第三种地球科学观测平台，可实现对海底地壳深部、海底界面到海水水体及海面的大范围、全天候、综合性、长期、连续、实时的高分辨率和高精度的观测，为海洋学多学科发展以及海洋安全、海洋能源与资源开发、海洋灾害预警预报、海洋环境监测与保护、海洋工程试验、海洋科普教育等国家海洋战略需求提供强有力的支撑。
传统有缆海底观测系统主要依靠海底敷设的海光缆以及海缆上搭载的观测单元。由于海光缆的敷设长度以及搭载观测单元的观测半径有限，导致传统海底观测网的观测范围受限、不能灵活部署，传统海底观测网的网络拓扑结构多维链状或者环状，其优点是系统稳定、维护相对简易。但由于没有和水下航行器组成的移动观测网相结合，无法充分发挥水下航行器机动、灵活的特点开展大尺度观测，从而针对目标海域的突发事件迅速响应和精细化高密度观测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，以解决传统有缆海底观测系统观测范围受限、不能灵活部署，以及主干有缆网、无线固定网和无线移动网不能有机结合、无法实现实时动态跟踪观测的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，无线拓展系统包括移动岸基、海底主基站、深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置，深海先进锚系装置和多个自容式深海潜标装置设置于处于深海的固定观测节点，移动岸基与海底主基站之间通过主干海缆连接，海底主基站、深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置分别设置有对应的水声通信机以形成互联的水声WI-FI网络，其中，
自主水下机器人用于通过获取移动观测数据并反馈至海底主基站
深海先进锚系装置用于获取固定观测节点的观测数据反馈至海底主基站；
自容式深海潜标装置用于获取固定观测节点的观测数据反馈至海底主基站；
海底主基站用于汇聚所有观测数据并通过海底有缆观测网或高强度光电复合海光缆上传至移动岸基。
作为本发明的进一步改进，移动岸基包括依次连接的第一超短基线定位系统、岸基终端、光交换模块、海缆终端设备和岸基高压电源。
作为本发明的进一步改进，海底主基站包括光电分离腔、综合控制腔、高压电源腔、电池包腔、第二超短基线定位系统、第一EM缆、第一水声通信机和第一浮球组，综合控制腔分别与光电分离腔、电池包腔、高压电源腔和第一EM缆连接，高压电源腔还分别跟第二超短基线定位系统和第一EM缆连接，第一EM缆、第一水声通信机和第一浮球组依次连接。
作为本发明的进一步改进，深海先进锚系装置包括第三超短基线定位系统、海床基、第一沉重底块、第二EM缆、第一仪器包、第二水声通信机和第二浮球组，第三超短基线定位系统、海床基、第二EM缆、第一仪器包、第二水声通信机和第二浮球组依次连接，第一沉重底块和海床基连接。
作为本发明的进一步改进，自主水下机器人包括依次连接的第三水声通信机、AUV和第四超短基线定位系统。
作为本发明的进一步改进，自容式深海潜标装置包括第二沉重底块、声学释放器、第五超短基线定位系统、第四水声通信机、第二仪器包和第三浮球组，第三浮球组分别与第二仪器包和第五超短基线定位系统连接，第四水声通信机分别与第二仪器包、声学释放器和第五超短基线定位系统连接，声学释放器与第二沉重底块连接。
作为本发明的进一步改进，无线拓展系统还设置有利用水密缆与海底主基站连接的接驳坞，接驳坞用于自主水下机器人的无线充电、接驳和驻留。
作为本发明的进一步改进，无线拓展系统的工作流程包括：
在目标海域进行无线拓展系统的布放，待海底主基站、多个固定观测节点和移动观测节点布放完毕后进行系统运行状态监测，如遇故障，转入系统回收维修状态，如果状态正常，则启动岸基电源并唤醒固定和/或移动观测节点；
进行海底观测信息的观测、采集、回传、处理，在移动岸基的工控机上进行运行状态显示可视化；
待整个系统稳定工作后，切换为海底主基站的电池部分进行供电，移动岸基切断连接并撤离试验海域；
完成预定试验目标后，移动岸基返回试验海域，进行海底主基站和接驳坞的回收，以及启动固定观测节点的声学释放器。
作为本发明的进一步改进，自容式深海潜标装置包括温盐记录仪、溶解氧传感器、甲烷传感器和单体海流计中的一个或多个。
作为本发明的进一步改进，深海先进锚系装置包括温盐记录仪、溶解氧传感器、甲烷传感器和单体海流计中的一个或多个。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其在组网方式方面，通过基于移动岸基的深海海底观测网无线拓展系统通过先进的水声通信与无线组网技术，将潜标等固定观测站和AUV等移动观测站联成网络并接入主干网，实现主干有缆网、无线固定网和无线移动网的融合。这样，发挥无人移动观测网机动灵活、可控、可自主组网的优势，既可以在固定观测节点之间进行常态化的连续移动观测，实现海底科学观测网观测空间上的连续，也可以针对突发海洋动态过程(如台风、赤潮等)动态响应，动态组网对局部海域进行加密观测，有力地拓展了观测网观测范围，提升了其对动态海洋过程快速响应的观测能力。
本发明的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其在系统架构方面，无线拓展系统可以直接连到海底有缆观测网，也可以通过海缆连到水面平台(可以是油气工作平台，生活平台，有人或无人舰船)，以海上平台等载体的“移动岸基”可突破现有的岸基机房模式，实现全海域机动部署，可服务于深远海开发和保护。
附图说明
图1为本发明技术方案的应用于深海海底观测的无线拓展系统的结构示意图；
图2为本发明技术方案的深海海底观测网无线拓展系统工作流程的示意图；
图3为本发明技术方案的深海海底观测网无线拓展系统数据交互的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
本发明所涉及的技术术语解释如下：
移动岸基：以海上移动平台为载体的岸基，其中，海上移动平台包括油气开发工作平台、有人或无人舰船。
海床基：一种新型海底主基站，可为水声通信设备、固定和移动节点、提供电能，同时对所有节点的信息进行汇总和深度处理融合及存储转发。
深海先进锚系装置：一种基于海床基实时供电和通信的深海锚系观测系统，自下向上依次为：沉底重块、海床基、EM缆、仪器包、常规系留缆绳、浮球组。该系统由EM缆进行供电和通信。可配置温盐深传感器、单点海流计、甲烷传感器、溶解氧传感器等4种海洋观测传感器，实现深海环境参数的观测，采集得到的数据经智能前端处理后通过有线传输至海床基。
自主水下机器人：一种工作于水下具有智能行为的作业机器人。自主水下机器人主要由自动驾驶、导航定位、自诊断和故障处理、测量设备和能源等组成，具有活动范围大、机动灵活隐蔽性好的特点，而且结构简单、尺寸小、造价低，被广泛应用于军事和民用领域。
自容式深海潜标装置：一种基于自身携带电池包的深海锚系观测系统，自下而上包括：沉底重块、并联声学释放器、仪器包、浮球组。每套可搭载温盐深传感器、单点海流计共2种传感器类型；传感器数据可通过智能前端处理和融合后由水声通信机远程无线传输至主基站。
超短基线定位系统：一种水下定位技术，被普遍应用于海洋石油勘探开发、海洋打捞等海洋生产开发方面，主要用于确定ROV、AUV、潜水员、水下其他载体的水下精确位置。
EM缆：Ecomaterial电缆，环保电缆。
AUV：Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下潜器。
在一个实施例中，提供了一种应用于深海海底观测的无线拓展系统。图1为本发明技术方案的应用于深海海底观测的无线拓展系统的结构示意图。如图1所示，该无线拓展系统包括移动岸基、海底主基站、基于海床基的深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置，其中，移动岸基与海底主基站之间通过主干海缆连接，海底主基站、基于海床基的深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置分别设置有对应的水声通信机，以形成海底主基站、基于海床基的深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置之间互联的水声WI-FI网络，自容式深海潜标装置用于在固定位置进行观测数据并通过水声WI-FI网络将观测数据反馈至海底主基站，自主水下机器人用于移动观测并将观测数据反馈至海底主基站，基于海床基的深海先进锚系装置用于移动观测并将观测数据反馈至海底主基站，基于海床基的深海先进锚系装置搭载了温盐深传感器、单点海流计、甲烷传感器、溶解氧传感器等4种海洋观测传感器，实现深海环境参数的观测，采集得到的数据经智能前端处理后通过有线传输至海床基。自容式深海潜标装置搭载了温盐深传感器、单点海流计等2种传感器，传感器数据可通过智能前端处理和融合后由水声通信机远程无线传输至主基站。
观测节点之间通过水声无线网络完成信息交互和控制指令传输，观测数据全部汇聚到海底主基站。海底主基站可以直接连到海底有缆观测网，也可以通过高强度光电复合海光缆连接到海上的移动岸基。
具体地，移动岸基包括依次连接的第一超短基线定位系统、岸基终端、光交换模块、海缆终端设备和岸基高压电源；其中，第一超短基线定位系统用于水下观测节点回传定位信息的接收与解析，岸基高压电源用于通过主干光电复合海缆内部导电线缆向海底主基站传输-3kV高压直流电能；
海底主基站包括光电分离腔、综合控制腔、高压电源腔、电池包腔、第二超短基线定位系统、第一EM缆、第一水声通信机和第一浮球组，其中，综合控制腔分别与光电分离腔、电池包腔、高压电源腔和第一EM缆连接，高压电源腔还分别跟第二超短基线定位系统和第一EM缆连接，第一EM缆、第一水声通信机和第一浮球组依次连接；其中，光电分离腔用于主干海缆的光电复合信号分离。其中导电线缆连接至高压电源腔，提供海底主基站所需的电能；光纤部分则连接至综合控制腔，提供信息传输通路。综合控制腔用于实现中压转低压电能变换，对接入设备供配电管理，对整个海底主基站的运行状态和环境参数进行监测，接入设备信息的收集、存储与转发。综合控制腔的电信号经过光交换模块转变为光信号，通过主干海缆将信息传输至岸基上位机终端，同时上位机通过相同的通信路径将指令发送给海底主基站。高压电源腔用于将主干海缆传输的-3kV高压转换为375V中压，为海底主基站供电。电池包腔用于海底主基站提供应急电源。当海况恶劣、岸基平台离开的情况下，由应急电池包给主基站提供电能，保证综合控制腔内基本的监控与数据存储电路正常工作。第二超短基线定位系统用于响应移动岸基上第一套超短基线定位系统的定位请求，返回海底主基站的定位测距信息。
基于海床基的深海先进锚系装置包括第三超短基线定位系统、海床基、第一沉重底块、第二EM缆、第一仪器包、第二水声通信机和第二浮球组，其中，第三超短基线定位系统、海床基、第二EM缆、第一仪器包、第二水声通信机和第二浮球组依次连接，第一沉重底块和海床基连接；其中，第三超短基线定位系统用于响应移动岸基上第一套超短基线定位系统的定位请求，返回深海先进锚系装置的定位测距信息。第一仪器包用于搭载温盐深传感器、单点海流计、甲烷传感器、溶解氧传感器等4种海洋观测传感器，实现深海环境参数的观测。
自主水下机器人(AUV)包括依次连接的第三水声通信机、AUV和第四超短基线定位系统；其中，AUV用于扮演水下移动观测节点的角色，发挥其水下航行器机动、灵活的特点开展水下大尺度观测，第四超短基线定位系统用于响应移动岸基上第一套超短基线定位系统的定位请求，返回AUV定位测距信息。
自容式深海潜标装置包括第二沉重底块、声学释放器、第五超短基线定位系统、第四水声通信机、第二仪器包和第三浮球组，其中，第三浮球组分别与第二仪器包和第五超短基线定位系统连接，第四水声通信机分别与第二仪器包、声学释放器和第五超短基线定位系统连接，声学释放器与第二沉重底块连接。其中，声学释放器用于自容式深海潜标装置的水下回收，第五超短基线定位系统用于响应移动岸基上第一套超短基线定位系统的定位请求，返回自容式深海潜标装置的定位测距信息。第二仪器包用于温盐深传感器、单点海流计等4种海洋观测传感器，实现深海环境参数的观测。
优选的，该系统还设置有利用水密缆与海底主基站连接的接驳坞，接驳坞用于自主水下机器人的无线充电、接驳和驻留。
图2为本发明技术方案的深海海底观测网无线拓展系统工作流程的示意图。如图2所示，其工作流程主要分为系统安装、观测信息采集回传、在线支持、回收四个阶段。在系统安装阶段，首先在目标海域进行深海布放系统，待海底主基站、多个固定观测节点和移动观测节点布放完毕后，检测进行系统运行状态监测，如遇故障，转入系统回收维修状态，如果状态正常，则启动岸基电源并唤醒固定/移动观测节点，展开开始海底观测信息的观测、采集、回传、处理等工作，最终并在移动岸基的工控机上进行最后的运行状态显示可视化。待系统稳定工作后，系统切换为海底主基站的电池部分进行供电，移动岸基切断连接并撤离试验海域，系统开始长周期应用演示。完成预定试验目标后，移动岸基返回试验海域，启动系统回收任务，包括回收海底主基站、接驳坞、启动固定观测节点的声学释放器等。如在观测实施期间遇到及其恶劣的天气情况，移动岸基将暂时离开，转移至安全海域。在移动岸基与海底主基站解脱连接的状态下，数据将存储在海底主基站，待设备回收时，一并将数据回传至移动岸基。
图3为本发明技术方案的深海海底观测网无线拓展系统数据交互的示意图。如图3所示，自容式深海潜标装置包括温盐记录仪(CTD SBE37)、溶解氧传感器(SBE63)、甲烷传感器(METS)和单体海流计(RCM)，或者基于海床基的深海先进锚系装置包括温盐记录仪(CTDSBE37)、溶解氧传感器(SBE63)、甲烷传感器(METS)和单体海流计(RCM)，在自容式深海潜标装置或基于海床基的深海先进锚系装置所对应的观测节点上设置节点主控板和水声通信机，在传输数据前使用LZ78算法将水下观测节点采集的数据进行无损压缩，不破坏原始数据。优选的，四种传感器使用RS232或RS485接口进行数据传输，节点主控板通过以太网口将压缩后的数据包输出到水声通信模块，数据通过水声无线信道到达海底主基站后，主基站仅对数据包进行备份存储和转发，而不对数据本身进行任何操作。数据由海底主基站(主海底主基站)经光电复合缆传输到岸基平台的上位机，岸基平台有更高的计算能力与存储空间，可将数据的解压缩模块与格式化处理模块都在这一平台。
本发明技术方案的深海海底观测网无线拓展系统，在深远海油气资源的开发中，对于传统缆系无法延伸的区域，通过基于水面平台连接水下主基站，布放由固定与移动相结合的无线观测节点，实现水下信息的获取与传输，监控水下状态信息。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其特征在于，所述无线拓展系统包括移动岸基、海底主基站、深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置，深海先进锚系装置和多个自容式深海潜标装置设置于处于深海的固定观测节点，移动岸基与海底主基站之间通过主干海缆连接，海底主基站、深海先进锚系装置、自主水下机器人和多个自容式深海潜标装置分别设置有对应的水声通信机以形成互联的水声WI-FI网络，以实现固定观测节点之间的连续移动观测；其中，
自主水下机器人用于通过获取移动观测数据并反馈至海底主基站；
深海先进锚系装置用于获取固定观测节点的观测数据反馈至海底主基站；
自容式深海潜标装置用于获取固定观测节点的观测数据反馈至海底主基站；
海底主基站用于汇聚所有观测数据并通过海底有缆观测网或高强度光电复合海光缆上传至移动岸基；
其中，所述移动岸基包括第一超短基线定位系统，所述海底主基站包括第二超短基线定位系统，第一超短基线定位系统用于水下观测节点回传定位信息的接收与解析，第二超短基线定位系统用于响应移动岸基上第一超短基线定位系统的定位请求，返回海底主基站的定位测距信息；
在目标海域进行无线拓展系统的布放，待海底主基站、多个固定观测节点和移动观测节点布放完毕后进行系统运行状态监测，如遇故障，转入系统回收维修状态，如果状态正常，则启动岸基电源并唤醒固定和/或移动观测节点；
进行海底观测信息的观测、采集、回传、处理，在移动岸基的工控机上进行运行状态显示可视化；
待整个系统稳定工作后，切换为海底主基站的电池部分进行供电，移动岸基切断连接并撤离试验海域；
完成预定试验目标后，移动岸基返回试验海域，进行海底主基站和接驳坞的回收，以及启动固定观测节点的声学释放器。
2.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述移动岸基包括依次连接的第一超短基线定位系统、岸基终端、光交换模块、海缆终端设备和岸基高压电源。
3.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述海底主基站包括光电分离腔、综合控制腔、高压电源腔、电池包腔、第二超短基线定位系统、第一EM缆、第一水声通信机和第一浮球组，所述综合控制腔分别与光电分离腔、电池包腔、高压电源腔和第一EM缆连接，所述高压电源腔还分别跟第二超短基线定位系统和第一EM缆连接，所述第一EM缆、第一水声通信机和第一浮球组依次连接。
4.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述深海先进锚系装置包括第三超短基线定位系统、海床基、第一沉重底块、第二EM缆、第一仪器包、第二水声通信机和第二浮球组，所述第三超短基线定位系统、海床基、第二EM缆、第一仪器包、第二水声通信机和第二浮球组依次连接，所述第一沉重底块和海床基连接。
5.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述自主水下机器人包括依次连接的第三水声通信机、AUV和第四超短基线定位系统。
6.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述自容式深海潜标装置包括第二沉重底块、声学释放器、第五超短基线定位系统、第四水声通信机、第二仪器包和第三浮球组，所述第三浮球组分别与第二仪器包和第五超短基线定位系统连接，所述第四水声通信机分别与第二仪器包、声学释放器和第五超短基线定位系统连接，声学释放器与第二沉重底块连接。
7.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述无线拓展系统还设置有利用水密缆与海底主基站连接的接驳坞，所述接驳坞用于自主水下机器人的无线充电、接驳和驻留。
8.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述自容式深海潜标装置包括温盐记录仪、溶解氧传感器、甲烷传感器和单体海流计中的一个或多个。
9.根据权利要求1所述的一种应用于深海海底观测的无线拓展系统，其中，所述深海先进锚系装置包括温盐记录仪、溶解氧传感器、甲烷传感器和单体海流计中的一个或多个。
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