CN114664071B - 基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统及遥控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统及遥控方法，包括：磁传感器；所述磁传感器获取基站发射的信号，将基站发射的信号发送给水下航行器的低频信息接收终端，低频信息接收终端将信号处理后发送给水下航行器的控制器，以实现对水下航行器的运行控制；水下航行器的控制器定期将自身运行情况反馈给低频信息接收终端，低频信息接收终端将反馈信号依次传输给功率放大器和换能器，最后由换能器上传给共用天线装置，共用天线装置将反馈信号通过卫星通信的方式发送给基站。通过岸基(舰载)指挥台在数千公里外发送控制指令来实现水下航行器的远程遥控通信，大大增强航行器的隐蔽性，提升其突防能力和攻击效能。

Description

基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统及遥控方法

技术领域

本发明涉及航行器无线遥控通信技术领域，特别是涉及基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统及遥控方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

由于水下航行器具有安全、智能、灵活性高、机动性强、探测范围广等优点，在海洋应用中价值潜力大。水下航行器主要配备声纳设备、激光设备或者视觉设备作为探测设备，基于激光扫描的水下成像设备主要应用于大的水下场景，基于水下视觉探测技术一般应用在海洋考古学、海洋地质学以及海洋生物学等较小范围内需要较高精度的场合，例如水下沉船打捞，海洋环境污染检测，海洋结构物状态检测，航行器回收，海洋生态科考与海洋探险等。

在主要的信息通信方面，通信系统对水下航行器的指挥控制和数据传输具有重要作用，目前主要采用短波、卫星、水声三种通信方式。

水声通信距离适中但通信可靠性不高，通信信道具有明显的多径干扰、多普勒频偏等特性，需要设计复杂的补偿算法。

短波、卫星通信距离较远，但要求航行器上浮至水面，这样会导致能量消耗，容易暴露自身目标。

航行器施放水中后，如何实现对航行器远程遥控操作是制约其水下效能发挥的关键问题。传统的远程通信方式，如北斗卫星通信，虽然传播距离远、通信速率快、可双向传输，但需要航行器悬浮水面才能通信，一般要求海况良好，不利于航行器的隐蔽性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统及遥控方法；通过岸基(舰载)指挥台在数千公里外发送控制指令来实现水下航行器的远程遥控通信，大大增强航行器的隐蔽性，提升其突防能力和攻击效能。

第一方面，本发明提供了基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统；

基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，包括：磁传感器；

所述磁传感器获取基站发射的信号，将基站发射的信号发送给水下航行器的低频信息接收终端，低频信息接收终端将信号处理后发送给水下航行器的控制器，以实现对水下航行器的运行控制；

水下航行器的控制器定期将自身运行情况反馈给低频信息接收终端，低频信息接收终端将反馈信号依次传输给功率放大器和换能器，最后由换能器上传给共用天线装置，共用天线装置将反馈信号通过卫星通信的方式发送给基站。

第二方面，本发明提供了基于磁传感器的水下航行器远程遥控方法；

基于磁传感器的水下航行器远程遥控方法，包括：

S201：基站将预先设定水下航行器下潜深度指令发送给水下航行器；

S202：水下航行器工作，启动声波发生器，将下潜到位信息经过功率放大器和换能器后，经共用天线装置发送给基站；

S203：判断基站是否发送新的下潜深度和新的方位信息给水下航行器；

如果是，则水下航行器按照指令工作，水下航行器的控制器控制声波发生器发送回告信息给基站；

如果否，则水下航行器自主工作，水下航行器按照设定周期上浮，控制器控制声波发生器工作向基站发送信息；进入S204；

S204：判断基站是否发送与卫星通信的指令，如果是，则水下航行器上浮至水面，实现水下航行器与卫星之间的通信；如果否，则水下航行器上浮至距离水面指定深度，升起共用天线装置，水下航行器通过共用天线装置发送声波信息与基站进行通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本申请的水下航行器具有隐蔽性好和通信方式更灵活的特点。

通过岸基(舰载)指挥台在数千公里外发送控制指令来实现水下航行器的远程遥控通信，大大增强航行器的隐蔽性，提升其突防能力和攻击效能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例一的航行器远程遥控结构图；

图2为实施例一的磁传感器原理框图；

图3为实施例一的航行遥控通信系统原理框图；

图4为实施例一的无线组成框图；

图5为实施例一的低噪声放大器LNA组成框图；

图6为实施例一的天线发射原理框图；

图7为实施例一的共用天线升降转向装置；

图8为实施例一的航行器通信系统控制流程图；

其中，1.承载横梁；2.升降装置；3.液压设备；4.升降电机；5.转向装置；6.绝缘电缆；7.升降锁销；8.承重台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。

海水对电磁波具有衰减作用，超/甚低频信号衰减30dB时可穿透158～5m的海水，信号频率越低可穿透海水越深，因此低频段电磁波不仅传播距离远，而且在海水中衰减小，有利于实现遥控信号的远程水下传输。本项目基于电磁波超/甚低频传播特性，结合几种水下接收天线特点，提出岸基(舰载)发射超/甚低频远程遥控信号，水下航行器采用小型化高灵敏度感应式磁传感器接收遥控信号的方法，设计一种水下航行器远程遥控通信系统，为航行器远程遥控技术的发展起到一定借鉴作用。

实施例一

本实施例提供了基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统；

如图1所示，基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，包括：磁传感器；

所述磁传感器获取基站发射的信号，将基站发射的信号发送给水下航行器的低频信息接收终端，低频信息接收终端将信号处理后发送给水下航行器的控制器，以实现对水下航行器的运行控制；

水下航行器的控制器定期将自身运行情况反馈给低频信息接收终端，低频信息接收终端将反馈信号依次传输给功率放大器和换能器，最后由换能器上传给共用天线装置，共用天线装置将反馈信号通过卫星通信的方式发送给基站。

进一步地，所述基站为岸上基站或者为舰载基站。

进一步地，基站发射的信号，通过卫星通信的方式发送给水下航行器的卫星信息接收终端，由卫星信息接收终端发送给水下航行器的控制器；卫星信息接收终端，包括：控制器，所述控制器，分别与电源、天线、GPRS天线、数据线和220V电源线连接。

进一步地，如图2所示，所述磁传感器从结构部件划分包括敏感元件、转换元件和辅助元件，由磁芯、感应线圈、低噪声放大模块、线圈骨架和耐压外壳组成。

示例性地，所述磁传感器，是三轴磁通门传感器或感应式磁场传感器。

进一步地，如图3所示，低频信息接收终端，包括：

模数转换器，所述模数转换器用于接收磁传感器输入的信息；

所述模数转换器将接收到的信息，存储到串口数据缓存区；

串口数据缓存区的数据通过调制解调计算后发送到水下航行器的控制器，以实现对水下航行器的运行控制；

水下航行器的控制器，定期将自身运行数据反馈给声波发生器，声波发生器将反馈数据存储到串口数据缓存区；

串口数据缓存区的反馈数据通过调制解调计算和数模转换后，发送给功率放大器，功率放大器将反馈数据通过换能器传输给共用天线装置。

进一步地，如图4所示，所述共用天线装置，包括：发射天线和接收天线；

其中，发射天线通过功率放大器分别与发射输入接口和发射功率控制电压输入接口连接；

其中，接收天线，通过低噪声放大器与接收输出接口连接；

其中，发射输入接口、发射功率控制电压输入接口和接收输出接口，均与连接电缆连接；

所述连接电缆通过电源转换单元与电源输入接口连接。

示例性地，共用天线装置的卫星天线包括：S波段(2491.75MHz±4.08MHz)接收天线和低噪声放大器(LNA)、发射功放和L波段(1615.68MHz±4.08MHz)发射天线，结构上集成在一起。天线模块框图如图4所示。

进一步地，如图5所示，所述低噪声放大器，包括依次连接的第一介质滤波器、第一低噪声放大单元、第二介质滤波器和第二低噪声放大单元；

所述第一低噪声放大单元和第二低噪声放大单元，均为低噪声放大器。

示例性地，低噪声放大器LNA的原理框图，如图5所示，其中虚线内为LNA模块。低噪声放大器LNA输入端与接收天线相接，首先经过发阻滤波器滤除发射信号及其他干扰信号，尤其是减小发射信号对接收通道的影响，然后进入第一级低噪声放大，这一级低噪声放大器要求噪声系数极低才能完成高灵敏接收指标。进入第二个滤波器是进一步滤除发射信号及其他干扰信号，使其对接收通道的影响几乎可以忽略，紧随其后的低噪放将接收信号继续放大，足以减小后级噪声的影响，最后输出到射频模块。

进一步地，如图6所示，所述发射输入接口依次连接温补电路、驱动电路、带通滤波器、功率放大器、发射天线；所述驱动电路和功率放大器均与电源开关连接。

功率放大器的任务是把调制信号进行功率放大，然后发射出去。由于调制信号是宽谱信号，对功率放大器的非线性要求很高，并且带外杂散也要求很严格。功率放大模块采用10W功放模块，带通滤波器采用介质滤波器对调制信号的边带进行滤除，提高功放的效率。功率放大模块工作频率是：1615.68±4.08MHz；模块增益是40dB，功率增益具备温补功能，能够保证功率稳定输出，模块为脉冲工作方式，且工作电源具备使能开关控制功能，其目的是降低整机功耗；内部的介质滤波器目的是减小前级引进的带外杂散信号。天线发射原理框图，如图6所示。

进一步地，如图7所示，所述共用天线装置安装在共用天线升降转向装置上；所述共用天线升降转向装置，包括：承重台8；

所述承重台的两侧分别设有承载横梁1；

两个承载横梁中间设有升降装置2，升降装置2底部固定在承重台8上；

升降装置2的下端与液压设备3连接，液压设备3与升降电机4连接；

升降电机通过绝缘电缆6与电源连接；

绝缘电缆6还与转向装置5连接，转向装置5安装在升降装置2的正下方；

承载横梁1的内侧设有升降锁销7；升降锁销7用于对升降装置的升降后的位置进行固定。

由于电磁波低频特性照射水下150米深度，为了航行器水下航行时的隐秘性，设计了一种共用天线装置，磁传感器、卫星收发设备和声波传输设备也在其中。该装置具备升降转向功能，以利于航行器在水下航行时与指挥台进行通信。在充分考虑装置研发要求的基础上，该升降转向装置主要由升降装置、转向装置、液压传动装置、承载梁组成及底座组成等几部分构成，见图7。

岸基(舰载)指挥台距离水下航行器几百公里以及上千公里，由于电磁波海水中远距离传播的衰减效应，采用高灵敏度感应式磁传感器接收，对并磁传感器信号进行检测处理后经变频功放送入换能器，再由共同天线装置发送指挥台。

水中环境不同于空中，海洋环境是复杂多变的，远距离电磁波水下传输考虑电磁波相位变化特性，以便航行器能准确将信息回告几千公里外的指挥台。

电磁波穿透海水产生的有源干扰模拟以及声波回波多路径效应问题处理。

进一步地，当水下航行器上浮至水面时，水下航行器通过共用天线装置接收卫星通信发送的控制指令，航行器获得初始或最新指令；

当水下航行器上浮至距离水面设定距离时，升起共用天线装置，基站水下向航行器发射不同频率的超低频电磁信号(电磁波频率低于300赫兹)，以传输不同速率的控制指令，安装在水下航行器磁传感器接收基站发来的控制指令，通过磁传感器完成转换送入低频信息接收终端，低频信息接收终端显示的同时送入水下航行器的控制器，从而完成对航行器航向、深度、静停、运动动作控制，经过设定时间间隔后，航行器声波发生器工作，通过功率放大器和换能器进入共用天线装置，然后馈送给基站，基站实现在数千公里外对水下不同深度的航行器远程遥控。

低频段通信系统直接传输较短的关键信息，控制航行器处于待命或工作状态，或发送航行器上浮命令从而与卫星进行双向通信。

磁传感器是指在磁场、压力、温度、光线等因素作用下引起敏感元件的磁性变化转换为电信号，以此来检测相应物理量的一种器件，常见的磁传感器主要包括探测线圈、磁通门磁强计等。

磁传感器应用于遥控信号接收的示意图，如图2所示，在航行器上采用两根磁传感器分别接收不同水平方向的磁场信号，以双通道同时接收再采用信号合成方式构成全向接收，通过天线共用器选择设定的通信频段，再由低频信息接收终端完成遥控信号的处理。磁传感器灵敏度是指其能感应到的最小磁场信号，可等效为传感器的本底噪声，这里给出磁传感器灵敏度与磁场强度单位的噪声谱，即为：

带磁芯的感应线圈在交变磁场中产生的感应电动势U可表示为:

N为绕线匝数，S为线圈截面积，H(t)为磁场强度。

当磁传感器绕线匝数增加时，感应线圈输出电压虽然增加，但线圈电阻的增大会导致热噪声增大。此外，增加绕线匝数分布电容增大，影响线圈电压的输出，因此为提高灵敏度，不仅须设计噪声性能优异的放大模块，也要注意感应线圈的参数权衡与优化。

水声接收信道具有严重的多径干扰和多普勒频偏等问题,OFDM可以有效克服多径干扰,但易受到多普勒频偏的影响,并且所需信噪比较高。非相干MFSK通信方式通信速率一般,多载波MFSK通信利用多载波特点将符号周期加长,采用循环前缀克服码间干扰影响，达到了通信速率和稳定性的折中，但系统设计较为复杂。

本项目利用电磁波低频段穿透海水特性，采用高灵敏度磁传感器接收低频电磁波照射海水引起的磁场变化后转化为电信号，通过AD转化后进行通信协议编码、MFSK计算后进行终端显示，并将数据传入控制器，从而实现远距离遥控信号的水下传输。当控制器接收远距离指挥台控制指令后，自主判决触发声波发生器，将含有时戳信息、深度信息、经纬度信息的声波信号经过串口、通信协议编码计算后，通过DA转换、功率放大器送入换能器，并由共用天线装置发送给基站，航行遥控通信系统原理框图见图3，具体通信过程如下：

1)通信连接建立

基站在发送数据前建立起和水下航行器的通信链路,检测水下航行器之间是否在正常的通信范围内,以及信道条件是否良好；

2)操作指令传输

基站把要控制水下航行器执行的操作指令发送给航行器；操作指令一般比较短；

3)任务数据装订

基站把执行任务相关的较长数据发送给水下航行器，和操作指令相比，任务数据装订发送的数据包比较长；

4)位置状态上报

水下航行器在控制器工作下不定期地把自己的状态信息发送给指挥台,指挥台以便其对它进行遥控；

5)指挥台参数设置

设置基站发射信号幅度和功率,在不同的通信距离和通信环境下,要全面考虑长指令和短指令的传输、控制信号的传输等情况,满足航行器遥控需求。此外,要考虑航行器的低功耗要求。

航行器通信系统控制流程图见图8，岸基指挥台预先设定航行器下潜深度，航行器工作，启动声波发生器，将下潜到位信息经过功率放大器和换能器后，经共用天线装置发送给指挥台；等待指挥台是否发送下潜深度和方位信息给航行器，是则航行器按照指令工作，控制器控制声波发生器发送回告信息给指挥台，否则航行器自主工作，经过一定时日不定期上浮询问指挥台，指挥台指令与卫星通信则上浮水面，否则上浮一定深度后升起共用天线装置发送声波信息与指挥台通信。

实施例二

本实施例提供了基于磁传感器的水下航行器远程遥控方法；

基于磁传感器的水下航行器远程遥控方法，包括：

S201：基站将预先设定水下航行器下潜深度指令发送给水下航行器；

S202：水下航行器工作，启动声波发生器，将下潜到位信息经过功率放大器和换能器后，经共用天线装置发送给基站；

S203：判断基站是否发送新的下潜深度和新的方位信息给水下航行器；

如果是，则水下航行器按照指令工作，水下航行器的控制器控制声波发生器发送回告信息给基站；

如果否，则水下航行器自主工作，水下航行器按照设定周期上浮，控制器控制声波发生器工作向基站发送信息；进入S204；

S204：水下航行器的控制器判断基站是否发送与卫星通信的指令，如果是，则水下航行器上浮至水面，实现水下航行器与卫星之间的通信；如果否，则水下航行器上浮至距离水面指定深度，升起共用天线装置，水下航行器通过共用天线装置发送声波信息与基站进行通信。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，是基于磁传感器的水下航行器远程遥控方法，其特征是，包括：磁传感器；

所述磁传感器获取基站发射的信号，将基站发射的信号发送给水下航行器的低频信息接收终端，低频信息接收终端将信号处理后发送给水下航行器的控制器，以实现对水下航行器的运行控制；基站发射的信号，通过卫星通信的方式发送给水下航行器的卫星信息接收终端，由卫星信息接收终端发送给水下航行器的控制器；

水下航行器的控制器定期将自身运行情况反馈给低频信息接收终端，低频信息接收终端将反馈信号依次传输给功率放大器和换能器，最后由换能器上传给共用天线装置，共用天线装置将反馈信号通过卫星通信的方式发送给基站；

所述低频信息接收终端，包括：

模数转换器，所述模数转换器用于接收磁传感器输入的信息；

所述模数转换器将接收到的信息，存储到串口数据缓存区；

串口数据缓存区的数据通过调制解调计算后发送到水下航行器的控制器，以实现对水下航行器的运行控制；

水下航行器的控制器，定期将自身运行数据反馈给声波发生器，声波发生器将反馈数据存储到串口数据缓存区；

串口数据缓存区的反馈数据通过调制解调计算和数模转换后，发送给功率放大器，功率放大器将反馈数据通过换能器传输给共用天线装置；

磁传感器的水下航行器远程遥控方法，包括：

（1）基站将预先设定水下航行器下潜深度指令发送给水下航行器；

（2）水下航行器工作，启动声波发生器，将下潜到位信息经过功率放大器和换能器后，经共用天线装置发送给基站；

（3）判断基站是否发送新的下潜深度和新的方位信息给水下航行器；

如果是，则水下航行器按照指令工作，水下航行器的控制器控制声波发生器发送回告信息给基站；

如果否，则水下航行器自主工作，水下航行器按照设定周期上浮，控制器控制声波发生器工作向基站发送信息；进入（4）；

（4）判断基站是否发送与卫星通信的指令，如果是，则水下航行器上浮至水面，实现水下航行器与卫星之间的通信；如果否，则水下航行器上浮至距离水面指定深度，升起共用天线装置，水下航行器通过共用天线装置发送声波信息与基站进行通信。

2.如权利要求1所述的基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，其特征是，卫星信息接收终端，包括：控制器，所述控制器，分别与电源、天线、GPRS 天线、数据线和 220 V 电源线连接。

3.如权利要求1所述的基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，其特征是，所述共用天线装置，包括：发射天线和接收天线；

其中，发射天线通过功率放大器分别与发射输入接口和发射功率控制电压输入接口连接；

其中，接收天线，通过低噪声放大器与接收输出接口连接；

其中，发射输入接口、发射功率控制电压输入接口和接收输出接口，均与连接电缆连接；

所述连接电缆通过电源转换单元与电源输入接口连接。

4.如权利要求3所述的基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，其特征是，所述低噪声放大器，包括依次连接的第一介质滤波器、第一低噪声放大单元、第二介质滤波器和第二低噪声放大单元；

所述第一低噪声放大单元和第二低噪声放大单元，均为低噪声放大器。

5.如权利要求3所述的基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，其特征是，所述发射输入接口依次连接温补电路、驱动电路、带通滤波器、功率放大器、发射天线；所述驱动电路和功率放大器均与电源开关连接。

6.如权利要求1所述的基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，其特征是，所述共用天线装置，安装在共用天线升降转向装置上；所述共用天线升降转向装置，包括：承重台；所述承重台的两侧分别设有承载横梁；两个承载横梁中间设有升降装置，升降装置底部固定在承重台上；升降装置的下端与液压设备连接，液压设备与升降电机连接；升降电机通过绝缘电缆与电源连接；绝缘电缆还与转向装置连接，转向装置安装在升降装置的正下方；承载横梁的内侧设有升降锁销；升降锁销用于对升降装置的升降后的位置进行固定。

7.如权利要求1所述的基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，其特征是，当水下航行器上浮至水面时，水下航行器通过共用天线装置接收卫星通信发送的控制指令，航行器获得初始或最新指令；

当水下航行器上浮至距离水面设定距离时，升起共用天线装置，基站水下向航行器发射不同频率的超低频电磁信号，以传输不同速率的控制指令，安装在水下航行器磁传感器接收基站发来的控制指令，通过磁传感器完成转换送入低频信息接收终端，低频信息接收终端显示的同时送入水下航行器的控制器，从而完成对航行器航向、深度、静停、运动动作控制，经过设定时间间隔后，航行器声波发生器工作，通过功率放大器和换能器进入共用天线装置，然后馈送给基站，基站实现在数千公里外对水下不同深度的航行器远程遥控。

8.如权利要求1所述的基于磁传感器的水下航行器远程遥控系统，其特征是，所述基站为岸上基站或者为舰载基站。

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