CN114545467A - 一种跨域联合救生定位装置及救生方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程装备产业，特别涉及一种跨域联合救生定位装置及救生方法，包括：电子舱，一端设置为接收装置，另一端设置有防护罩；防护罩的一端安装有折叠气囊，内侧设置有气囊针、高压气室和天线系统，侧面上设置有海水开关和系留点，系留点上设置有系留线；天线系统和海水开关电连接到电子舱；所述高压气室上设置有单向阀。本发明该救生定位装置当漂浮于水面时，能按照约定时间发送自身北斗定位信息；当该信标处于水下状态时，在水声搜救器材呼唤下能水声应答，完成对信标的水下定位和身份识别。该装置集成了北斗定位、AIS定位、水声定位三种定位方式，可以安装于飞机上，舰船上，失事后可以替代现有无线电信标和声信标。

Description

一种跨域联合救生定位装置及救生方法

技术领域

本发明属于海洋工程装备产业，具体为水下应急减灾和消防设备领域，特别涉及一种跨域联合救生定位装置及救生方法。

背景技术

北斗救生信标和无线电救生信标可以在中远距离上发起遇险报警和遇险位置报告，但由于受到频率传输特性限制，只能在水面上使用，当海上遇险目标沉入水下后，北斗定位信号和无线电定位信号都会丢失，导致无法在水上对目标搜寻，只能转入水下搜寻程序。

现阶段飞机、舰船会携带黑匣子，其上安装了声信标，某些飞行人员也会随身携带一部声信标，一旦沉入水下，会发出37.5KHZ信标音，但由于受体积限制，实际测试表明，探测搜索效率低下，探测半径太小，通常此类声信标的覆盖范围不超过1公里，如果落入深水区，则在海洋表层几乎无法探测，且性能较好的产品大多数受制于国外，对应搜索设备也同样受制于国外。经过多年经过关于现有声信标解剖分析：现有声信标发射换能器采用径向震动，把震动传导到声信标铝合金外壳上，外壳带动海水产生声学震动。由于声信标为满足装机适应性要求，采用左右两个圆形卡箍进行紧固安装，导致发声部分受到紧固约束，不利于自由震动，降低了发声效率。该声信标入水即开始工作，每秒发射一次信号，在搜救力量进行搜索之前浪费能源，不利于长久高声源级下工作。由于该产品是民用产品，意味着国际上很多势力具有相关探测设备。不利于失事飞机保密。由于该声信标工作频率较高，从水声学声传播角度而言，声波传播距离较近，且由于工作频率太高，与之波长匹配的接收换能器尺寸很小，导致搜索设备水声接收换能器制作困难。原有的声信标探测装置必须经过三角交叉才能定位，不能一次性完成测距测向，影响搜索效率。

针对这些问题，有必要研究一种多功能的搜救定位信标，将卫星、无线电和水声方式有机结合，在一个装备形态下，实现数据交互，满足不同场景下的救生定位需求。

发明内容

为解决背景技术中提到的缺陷，本发明展示了一种跨域联合救生定位装置及救生方法。

为实现上述目的，现提供技术方案如下：

一种跨域联合救生定位装置，包括：电子舱，一端设置为接收装置，另一端设置有防护罩；

防护罩的一端安装有折叠气囊，内侧设置有气囊针、高压气室和天线系统，侧面上设置有海水开关和系留点，系留点上设置有系留线；

天线系统和海水开关电连接到电子舱；

所述高压气室上设置有单向阀。

进一步的，所述接收装置为MEMS接收装置，外侧设置有透声网状框架。

进一步的，所述网状框架外径与电子舱外径相同。

进一步的，所述电子舱的外周设置有径向振动压电陶瓷环。

进一步的，所述天线系统包括AIS天线、AIS馈线、北斗天线和北斗馈线。

进一步的，所述系留线为高强度纤维细线，系留线一端系留在定位装置上，另一端系在被定位物体上，高强度纤维细线被水溶性材料约束。

进一步的，一种跨域联合救生定位装置的救生方法，包括：步骤一、救生定位装置通过高强度纤维细线系留于被定位物体上；

步骤二、当被定位物体落水后，水溶性约束材料溶解，救生定位装置被释放到水中；

步骤三、当海水开关入水后又出水，则判断为水面模式，启动无线电定位通讯模式；当海水开关经过一定时间的延时判断，一直处于海水触发状态，则工作于水声应答通讯模式；

步骤四、水下应答通讯模式下，当单向阀外部的材料遇水后快速溶解，阀门在预应力弹簧作用下打开，电子舱内部压缩气体被充到气囊内，气囊给救生定位装置提供一定的浮力，同时无线电天线展开,当救生定位装置入水达到一定的深度，气囊被压缩碰到一个尖锐针头而破裂，使得救生定位装置水声传播时不受气体的屏蔽遮挡。

本发明的有益效果：

本发明该信标救生定位装置当漂浮于水面时，能按照约定时间发送自身北斗定位信息；当该信标处于水下状态时，在水声搜救器材呼唤下能水声应答，完成对信标的水下定位和身份识别。

该装置集成了北斗定位、AIS定位、水声定位三种定位方式，可以安装于飞机上，舰船上，失事后可以替代现有黑匣子信标，安装于救生艇上，可以替代救生电台和AIS装置；可以飞行员携带，船员携带，海上可回收试验仪器设备携带，完成一定目标的自动定位。

气囊采用圆锥状，采用现有声呐浮标浮囊成熟的技术，采用在定位信标内部折叠安装布局，内部集成通讯天线，AIS天线采用软天线，在气囊充气膨胀的过程带动下展开，同时AIS天线带动北斗天线从定位线标壳体圆筒内升出，实现两个天线在物理空间上的串联布局，最大限度优化空间，达到空间结构复合利用的目的。

附图说明

图1为一种跨域联合救生定位装置的气囊折叠状态的示意图；

图2为一种跨域联合救生定位装置的气囊展开后的状态示意图。

其中：1、电子舱；2、接收装置；3、防护罩；31、AIS馈线；32、北斗馈线；33、北斗天线；34、AIS天线；35、高压气室；36、单向阀；37、海水开关；38、系留点；39、折叠气囊；4、气囊针；5、牵引稳定器。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明技术方案，下面结合附图对本发明技术方案进行详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种跨域联合救生定位装置，包括：电子舱1，一端设置为接收装置2，另一端设置有防护罩3；下文所述信标即为本申请的跨域联合救生定位装置。所述接收装置2为MEMS接收装置2，外侧设置有透声网状框架。所述网状框架外径与电子舱1外径相同。所述电子舱1的外周设置有径向振动压电陶瓷环。

防护罩3的一端安装有折叠气囊39，内侧设置有气囊针4、高压气室35和天线系统，侧面上设置有海水开关37和系留点38，系留点38上设置有系留线；天线系统和海水开关37电连接到电子舱1；所述高压气室35上设置有单向阀36。所述天线系统包括AIS天线34、AIS馈线31、北斗天线33和北斗馈线32。

所述系留线为高强度纤维细线，系留线一端系留在救生定位装置上，另一端系在被定位物体上。

总体结构。该装置采用圆柱形浮标结构设计，具有一定的正浮力。北斗通讯天线部分位于该装置的上端。水声通讯部分位于该装置的下端。在该装置的上端内部设计有折叠气囊39，该装置电子舱1内部采用承压结构设计，内部预装惰性压缩气体。该舱与气囊之间的连接有一个单向阀36门，当该阀门外部的材料遇水后快速溶解，阀门在预应力弹簧作用下打开，电子舱1内部压缩气体被充到气囊内，气囊给定位信标提供一定的浮力，同时无线电天线展开，气囊展开后有牵引稳定器5进行气囊的牵引。

即使是气囊破裂，由于单向阀36门控制，海水也不能进入电子舱1。当该装置如果入水达到一定的深度，气囊被压缩碰到一个尖锐针头。而破裂，使得定位信标水声传播时不受气体的屏蔽遮挡。当该装置到达一定深度，此时北斗的定位和通信都已经无法完成，水下定位信标处于待工作状态，而水声传输需要通过壳体的震动完成，气囊的气体会影响壳体震动发生，因此需要刺破气囊。

该装置水线处缠绕高强度纤维细线，即系留线，如凯夫拉纤维，该线一端系留于定位信标上，一端系留于被定位物体上。该线采用水溶性材料作为平时的固定约束材料，当该材料遇水后迅速溶解，高强度凯夫拉线不受约束，随着定位装置在水面的晃动而展开。为了平时能固定高强度细线，不让其发生运动导致缠绕，而入水后能释放细线，故选择使用水溶性绑扎带等约束材料。

同样利用水溶性材料制作该定位信标的固定装置，该固定装置外表防水设计，内表面遇水则快速溶解，使得该定位信标从固定装置中快速脱落，工作于水声模式或者北斗定位模式。以被定位物体为人员为例，将浮标装在一个水溶性材料的口袋中(约束固定)，这个口袋可能在人身上任何位置，平时的时候，如果有少量水意外倒在外表面上，利用防水材料保证口袋不会溶解；当人员落水后，内表面全面浸水，浮标受压充气，如果口袋的位置此时在水下，想让浮标顺利浮出水面，则需要口袋溶解释放浮标，为了防止浮标漂走，需要有高强度的绳索固定于人身上。

两种模式的转换设计，采用海水触发开关。当海水开关37入水后又出水，则判断为水面模式，启动无线电定位通讯模式。当海水开关37经过一定时间的延时判断，一直处于海水触发状态，则工作于水声应答通讯模式。

内部信号源以及功率放大部分采用集成设计，根据工作状态的判断，选择不同的输出端。

内部电路实行无线电软件化设计。采用同一个处理器芯片设计，采用嵌入式设计，在该处理器的控制下实现无线通讯和水声应答通讯，无线通讯包含两部分，一是北斗短报文通讯，二是AIS定位信号发送，使得携带有AIS装置的船舶也能参与搜索定位。

水声接收部分采用微型化低功耗的MEMS电路，发射部分采用径向震动压电环，把有关硬件不耐压的部分集成于该径向震动压电陶瓷环内，达到空间集约化利用，使得设备小型化。

电源部分采用定制锂电池电池，主要目的是在满足用电需求的前提下，更好的实现空间利用，从而达到整个定位信标装置的小型化。

在气囊安装位置下端集成一个充气室，充气室分成两部分，一部分空间充油，实现该充气室通过一个单向阀36门相连，定位信标在工作前该单向阀36门关闭，单向阀36门上有一个水溶性材料结构材料，对一个预先压缩弹簧进行约束，当水溶性材料溶解后，压缩弹簧释放，带动单向阀36芯动作打开，使得充气室的压缩气体进入气囊，气囊在压缩气体带动下展开，在展开的同时带动有关天线展开。该悬挂天线一是折叠体积小，二是展开后能大大提高北斗天线33对空指向性，提高通讯可靠性。

定位信标的无线电天线馈线通过水密结构贯穿充气室，与电子舱1电路连接。

当定位信标处于水面漂浮状态时，定位信标入水端上涂抹的水溶性材料快速溶解，按照一定方向缠绕的凯夫拉纤维线解脱，连接固定定位信标和需要定位的目标，定位信标处于水面自动漂浮状态。

穿戴装备工作机制

穿戴装备工作机制设计具体包括设备式装备水溶性分离时机、脱离方式、漂浮方式工作机制设计等。

穿戴设备的固定采用水溶性材料，采用铸造或者3D打印等方式制作，该穿戴设备的固定装置外表面采用防水处理，接触水后并不发生溶解，以应对可能存在的自然环境影响，如下雨天气淋雨后，不能导致固定装置材料溶解，但是当该信标装置落入水中后，固定装置的内表面没有采取防水处理，接触海水后在内表面发生溶解现象，使得固定装置由内到外发生快速水解，当该固定装置结构体发生水溶解后，剩余残骸强度不足以固定定位信标时，定位信标将从穿戴物如救生衣或者救生背心上脱离。

脱离后信标表面固定连接救生目标与定位信标之间的凯夫拉线的固定涂层也会溶解，使得凯夫拉线逐渐在救生目标的拖拽下，从定位信标外筒壁上释放。该凯夫拉线可以截取一段作为救生目标的应急需求，如作为野外生存钓鱼的鱼线，套取野生动物的套索使用等。

当定位信标从固定装置上脱离后，大量接触海水，定位信标上有一个双向透水口，海水进入该口后，内部的水溶性定位销发生溶解，使得内部弹簧驱动的阀门杆可以在弹簧力的驱动下动作，该阀门杆工作后，使得充气室内的压缩气体通过单向阀36门进入折叠气囊39，折叠气囊39膨胀后获得浮力，同时带动有关天线展开，该浮力将支持整个定位信标稳定漂浮于水面。

抗干扰手段

受控主动水声通讯控制信号编码方式、标准化信息格式、抗干扰设计。

军用声呐的发射信号常见的有连续波和调频波，两种波形各有优点，连续波对于提高测速精度有较为明显的优势，调频波对于抗混响具有明显的优势。在水下作战中为了提高水中兵器的命中概率，大家比较追求对搜索目标的定位精度，如反潜直升机为了提高鱼雷的命中概率，近距离精确定位，多采用连续波工作。定位信标的目的是为了实现定位，不关注其速度要素，为了实现稳定的应答水声通讯，水声通讯发射信号采用调频波，为实现较好的水声发射波形，实现节能和编码加密的需求。在调频发射脉冲宽度内施加一定的控制，按照一定的时序安排相应的发射窗口。简单说通讯密钥信息携带在频率，脉冲宽度，脉冲宽度内的窗口数量、窗口之间的间隔时序关系四个方面。

基于机器学习的遇险目标定位

当定位信标处于水面工作时，根据内部的三轴加速度传感器，一次积分获取速度，二次积分获取位移量，根据上述速度和位移信息的获取，定位信标可以进行自我学习。当通过一定的学习后，定位信标将不会严格根据约定的时间间隔发送定位信息，定位信标将会根据自身获取的信息来进行一定的判断学习，当判断为自身处于浪尖时且自身姿态较好，对空指向性较好时再向外发送定位信息，充分利用浪尖高度提高信息发送距离和成功率。在定位信标处于波谷或者姿态不正时将不发送定位信息，节约能源。

定位导航和交互

无线电搜寻手段无法保证当装备受到主动和被动干扰时能有效的被测量或主动位置报告，水声信号搜索作为另外一种方式可作为中远距离定位搜寻的方法。

海上搜救的前提是定位海上灾难发生地，而搜救也需要实时航路规划自动导航，以最快的速度达到事发地GPS、“北斗”卫星通信导航系统为代表的全球卫星导航系统为现代海上应急救援指挥控制行动提供了现代化的通信导航定位技术和手段。以我国自行研制的“北斗”卫星通信导航系统为例，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠导航、定位、授时服务，并具有短报文通信能力.目前其定位精度优于20m，授时精度优于lOOns，可对飞机、船舶、人员等目标实现类似千GPS的无源定位、导航和跟踪功能，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务，军用民用目的兼具。

同时，还要进行数据支撑下的卫星定位信息、无线电定位信息与水下定位信息的交互方式、交互协议、以及搜救规划研究。

当定位信标落水被触发后，定位信标开始启动工作。

当定位信标海水触发开关一直处于被触发状态，则判断定位信标处于水下，则不会启动AIS和北斗定位功能，此时启动MEMS水声接收电路，处于水声应答通讯等待状态。

当定位信标海水开关37两个电极处于接通和非接通之间频繁切换或者两个海水开关37电极一直处于非接通状态，当检测到海水开关37处于非触发时，说明定位信标处于稳定漂浮状态，没有被海浪覆盖，此时优先发送北斗定位信息；当接收到周边AIS信号时，则发送自身AIS信号。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明的任何形式的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下利用上述揭示的方法和内容对本发明做出的许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。

Claims (7)

1.一种跨域联合救生定位装置，其特征在于，包括：电子舱(1)，一端设置为接收装置(2)，另一端设置有防护罩(3)；

防护罩(3)的一端安装有折叠气囊(39)，内侧设置有气囊针(4)、高压气室(35)和天线系统，侧面上设置有海水开关(37)和系留点(38)，系留点(38)上设置有系留线；

天线系统和海水开关(37)电连接到电子舱(1)；

所述高压气室(35)上设置有单向阀(36)。

2.根据权利要求1所述的一种跨域联合救生定位装置，其特征在于：所述接收装置(2)为MEMS接收装置，外侧设置有透声网状框架。

3.根据权利要求2所述的一种跨域联合救生定位装置，其特征在于：所述网状框架的外径与电子舱(1)的外径相同。

4.根据权利要求2所述的一种跨域联合救生定位装置，其特征在于：所述电子舱(1)的外周设置有径向振动压电陶瓷环。

5.根据权利要求4所述的一种跨域联合救生定位装置，其特征在于：所述天线系统包括AIS天线(34)、AIS馈线(31)、北斗天线(33)和北斗馈线(32)。

6.根据权利要求1所述的一种跨域联合救生定位装置，其特征在于：所述系留线为高强度纤维细线，系留线一端系留在定位装置上，另一端系在被定位物体上，高强度纤维细线被水溶性材料约束。

7.一种救生方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-6任意一项所述的一种跨域联合救生定位装置，包括：步骤一、救生定位装置通过高强度纤维细线系留于被定位物体上；

步骤二、当被定位物体落水后，水溶性约束材料溶解，救生定位装置被释放到水中；

步骤三、当海水开关(37)入水后又出水，则判断为水面模式，启动无线电定位通讯模式；当海水开关(37)经过一定时间的延时判断，一直处于海水触发状态，则工作于水声应答通讯模式；

步骤四、水下应答通讯模式下，当单向阀(36)外部的材料遇水后快速溶解，阀门在预应力弹簧作用下打开，电子舱(1)内部压缩气体被充到气囊内，气囊给救生定位装置提供一定的浮力，同时无线电天线展开,当救生定位装置入水达到一定的深度，气囊被压缩碰到一个尖锐针头而破裂，使得救生定位装置水声传播时不受气体的屏蔽遮挡。

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