CN114785424A - 一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统及方法，解决现有采用无线电波或电磁波或声波进行水下通信、定位、授时服务均不同程度存在很多无法解决的缺陷和技术问题。系统包括信标节点组网单元、蓝绿光通信设备和水面监测单元；信标节点组网单元包括分布于水下工作区域内的多个信标节点，相邻两个信标节点间通过网络连接；水面监测单元与信标节点组网单元通过网络互联通信；蓝绿光通信设备搭载在水下运动平台上，包括水密封壳体、封装在水密封壳体内且与距离最近信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路的蓝绿光通信与测距一体化单元、计算出水下运动平台位置信息的定位单元、对水下运动平台时钟进行精准授时的授时单元。

Description

一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统及方法

技术领域

本发明属于水下运动目标的通信与探测领域，具体涉及一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统及基于该系统的实时通信、定位与授时方法。

背景技术

目前北斗/GPS通信、定位、导航、授时技术日趋成熟，陆基、空基工作平台主要采用卫星进行通信、定位、导航、授时服务，即通过导航卫星以无线电波作为载体以发送导航定位信号或转发标准时间信号的一种方式。但是当目标处于水下时，无线电波信号不仅容易被截获，而且在水中迅速衰减，无法远距离传播，因此通过北斗/GPS定位、导航、授时的方式在水下基本失效。

应用于水下的电磁波是利用甚低频(3-30KHz)和超低频(30-3000Hz)，并主要应用在军事对潜通信系统中。但是由于电磁波在水中的衰减特别严重，而且电磁波的波长越短，频率越高，海水对其衰减越大。目前最为成熟、使用最广泛的水下通信定位导航技术——水下声学通信，是以声波为载体进行信息传输，其突出优点是传输距离远。针对不同的传输距离，可采用不同的声波频段。短距离通信采用50KHz以上的声波频段，中等距离通信采用20-50KHz的声波频段，远距离(达几十公里)通信采用低于10KHz的声波频段。由于声波具有较低的载频频率，所以水下声学通信的带宽较小。即使通信距离只有几米，水下声学通信的速率也很难达到10Mbps。而且，声波在水中的传播速度为1500m/s，远小于光速，因此会导致信息传输延迟大，无法完成水下理想精度的定位、导航服务。另外，多径效应引起的水声信道传输时延较长，多普勒效应也会引起不同频率的信号干扰，均会降低水下声学通信系统的性能和定位、导航、授时精度。

综上所述，采用无线电波或电磁波或声波进行水下通信、定位、授时服务均不同程度的存在很多无法解决的缺陷和问题。另外，虽然水下声学导航、定位系统的应用相对较成熟，但是大多系统独立运行，随着北斗系统的应用规模逐步扩大，面向“空-天-地-海一体化”应用的水下定位、导航、授时服务的多元化需求也逐渐加强，声学通信、导航、定位、授时服务的弊端也日渐显著。

发明内容

为了解决现有采用无线电波或电磁波或声波进行水下通信、定位、授时服务均不同程度的存在很多无法解决的缺陷和技术问题，本发明提供了一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特殊之处在于：包括信标节点组网单元、蓝绿光通信设备和水面监测单元；

所述信标节点组网单元包括分布于水下工作区域内的n个信标节点，相邻两个信标节点间通过网络连接，其中，n为大于3的整数；

所述水面监测单元与信标节点组网单元通过网络互联通信；

所述蓝绿光通信设备用于搭载在水下运动平台上，并在信标节点组网单元覆盖的区域内运动；蓝绿光通信设备包括水密封壳体以及封装在水密封壳体内部的蓝绿光通信与测距一体化单元、定位单元、授时单元；

所述蓝绿光通信与测距一体化单元用于发出蓝绿光信号并接收经所有信标节点反射回的测距光信号，根据测距光信号计算、比较水下运动平台与所有信标节点的距离，使其与距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；

所述定位单元用于对水下运动平台与所有信标节点之间的距离进行完好性监测并筛选出可用的测距结果，以及计算出水下运动平台的位置信息；

所述授时单元用于根据水面监测单元与水下运动平台的时间差，对水下运动平台的时钟进行精准授时。

进一步地，所述n个信标节点呈n边形分布。

进一步地，所述水面监测单元为水面电脑监测系统或岸基监控中心平台。

进一步地，所述水面监测单元与任一信标节点通过网络连接实现互联。

同时，本发明还提供了一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、将n个信标节点分布于水下目标区域内组成信标节点组网单元，其中，n为大于3的整数；

步骤2、相邻两个信标节点之间通过网络连接，同时，其中任一信标节点与水面监测单元通过网络连接，实现信标节点组网单元与水面监测单元之间的信息互享和传输；

步骤3、水下运动平台在水下运动时，通过其上的蓝绿光通信与测距一体化单元发出蓝绿光信号并接收所有信标节点返回的测距光信号，根据测距光信号计算、比较水下运动平台与所有信标节点的距离，使蓝绿光通信与测距一体化单元与距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；

步骤4、在大地坐标系下，设n个信标节点的位置坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)…(x_n，y_n，z_n)，水下运动平台的实时位置(x，y，z)与n个信标节点的距离分别为r₁、r₂、r₃…r_n；蓝绿光通信与测距一体化单元发出蓝绿光信号与经n个信标节点反射的测距光信号时间差分别为ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃…ΔT_n，通过以下方程组计算出水下运动平台的实时位置(x，y，z)：

式中：v为蓝绿光信号在水下的实际运动速率；

步骤5、水下运动平台的实时位置坐标信息通过步骤3建立好的水下无线蓝绿光通信链路传输给信标节点，然后通过步骤2已经建立的网络连接传输到水面监测单元，实现对水下运动平台运动坐标信息的实时定位和运动轨迹的精确掌控；

步骤6、水面监测单元通过步骤2建立的网络连接与步骤3的水下无线蓝绿光通信链路，对水下运动平台进行授时；

步骤7、在满足水下时间基准NTP协议的条件下，水面监测单元与水下运动平台分别向对方发送授时信号，并接收对方发送的授时信号；

步骤8、测量水面监测单元发送授时信号的时间t₁以及水面监测单元接收到授时信号的时间t₂，并记录时间间隔t₂-t₁；

同时，测量水下运动平台发送授时信号的时间t₃以及水下运动平台接收到授时信号的时间t₄，并记录时间间隔t₄-t₃；

步骤9、根据步骤8的两个时间间隔t₄-t₃、t₂-t₁，通过公式Δt＝[(t₂-t₁)+(t₄-t₃)]/2计算水面监测单元与水下运动平台的时间差Δt，并根据时间差对水下运动平台的时钟进行精准授时。

进一步地，还包括步骤10、重复步骤7至步骤9多次。

进一步地，步骤1中，所述n个信标节点呈n边形分布。

进一步地，步骤2中，所述水面监测单元为水面电脑监测系统或岸基监控中心平台。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明通信、定位与授时系统以蓝绿光波作为信息载体和传播信号，满足快速发展的多种水下运动平台在水下介质中以无线的方式实现大容量数据高速通信传输、精确定位与授时功能；并且具备监测完整性、尺寸体积小、系统功耗低、定位和授时精度高以及水下长时间工作的特点。

2.本发明蓝绿光信号在水下传输的速度可以达到10⁸m/s量级,相比于当前水下主要的传输方式—声音信号的传输速度仅为1500m/s，信息速度传输快，延迟小，从而为水下运动平台具备更加精确的授时和定位精度创造了条件。另外，本发明无线蓝绿光通信在水下的通信速率可以达到Mbps甚至Gbps量级，相比现有水下声信号的通信速率只有kbps量级，大幅提高了通信速率量级。

3.本发明通信、定位与授时系统采用了“有线+无线”、“固定+移动”的手段，对于位置固定的水下信标节点组网单元覆盖区域，水下运动平台在移动的过程中，依靠“有线+无线”方式建立的通信网络，可以保障实时持续稳定的水下实时通信、定位与授时服务。

4.本发明通信、定位与授时系统中搭载在水下运动平台的蓝绿光通信设备具有通信测距一体化的功能，不仅可以通过自主测距的方式与最近的信标节点自适应对接建立无线光通信链路；也可以利用无线蓝绿光通信链路传输水下运动平台的位置信息和时间信息。

5.本发明通信、定位与授时系统能够依据实际环境参数进行误差纠错和补偿，根据水下环境进行自适应修正。

6.本发明通信、定位与授时系统具有水上/水下时空基准统一，双向传递能力，能够实现水上与水下的双向相互时空基准传递服务。

7.本发明通信、定位与授时系统及方法，从根本上避免了水声通信实用性不足、导航定位授时功能精度低下的难题，提高了水下运动平台水下作业效率。

附图说明

图1为本发明基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统实施例的应用场景示意图；

图2为本发明基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统实施例的结构示意图；

图3为本发明基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法的流程图；

图4为本发明实施例中水下运动平台的结构示意图；

图5为本发明实施例中蓝绿光通信与测距一体化单元的工作原理示意图；

图6为本发明实施例中定位单元的工作原理示意图；

图7为本发明实施例中授时单元的工作原理示意图；

其中，附图标记如下：

11-信标节点Ⅰ，12-信标节点Ⅱ，13-信标节点Ⅲ，14-信标节点Ⅳ；

2-蓝绿光通信设备，21-水密封壳体，22-蓝绿光通信与测距一体化单元，23-定位单元，24-授时单元；

3-水面监测单元；

4-水下运动平台。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

蓝绿光波段(450nm-550nm)在水下光衰减最小，该区间是海水的“透光窗口”，水下无线蓝绿光通信具有信息承载能力强、信道容量大、传输速度快、以及保密性、抗干扰性强等优势。因此，为了克服现有无线电波、电磁波和水下声波通讯所存在的问题，本发明利用水下无线蓝绿激光通信技术实现了水下高精度定位、授时功能。

如图1和图2所示，本发明一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，包括信标节点组网单元、蓝绿光通信设备2和水面监测单元3。

信标节点组网单元分布于水下目标区域范围之内，由n个信标节点组成，信标节点的数量n＞3，并且相邻两个信标节点通过网络联接实现信息互享。本实施例信标节点为4个，分别表示为信标节点Ⅰ11、信标节点Ⅱ12、信标节点Ⅲ13、信标节点Ⅳ14，4个信标节点按照四边形分布于水下目标区域内，使信标节点形成四边形阵型。信标节点用于接收搭载在水下运动平台4上蓝绿光通信设备2发出的蓝绿光信号，并将应答蓝绿光信号传输反馈到水面监测单元3。

水面监测单元3与任一信标节点采用有线连接，实现有线网络联接；水面监测单元3为水面电脑监测系统或岸基监控中心平台。

蓝绿光通信设备2搭载在水下运动平台4上，水下运动平台4位于信标节点组网单元蓝绿光信号覆盖的区域内；蓝绿光通信设备2用于发出蓝绿光信号并接收距离最近信标节点发射的蓝绿光信号，从而形成水下无线蓝绿光通信链路。

如图2所示，蓝绿光通信设备2包括搭载在水下运动平台4上的水密封壳体21以及封装在水密封壳体21内的蓝绿光通信与测距一体化单元22、定位单元23、授时单元24；

如图5所示，蓝绿光通信与测距一体化单元22的内部工作原理为：发出蓝绿光信号并接收经所有信标节点反射回的测距光信号，然后经过光电转化、时钟恢复，根据测距光信号计算、比较水下运动平台4与所有信标节点的距离，使蓝绿光通信与测距一体化单元22与距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；

如图6所示，定位单元23的内部工作原理为：对水下运动平台4与所有信标节点之间的距离(测距结果)，进行观测量完好性监测并筛选出可用的测距结果(可用观测量)，定位计算出水下运动平台4的位置信息，获得定位结果；

如图7所示，授时单元24的内部工作原理为：水上/水下平台(水上为水面监测单元3，水下为水下运动平台4)通过通信链路多次双向授时交互，根据水面监测单元3与水下运动平台4的时间差，实现水上/水下两平台之间的精确时间差修正与控制，进而实现对水下运动平台4的时钟进行精准授时。

本实施例系统中，信标节点通过有线网络互联形成信标节点组网单元，并且与水面监测单元3有线连接，将实时监测到的水下运动平台4的坐标位置信息及状态信息传递到水面监测单元3，同时也可以实现水面监测单元3的时间基准信息传递到水下各个信标节点和水下运动平台4；信标节点组网单元的每个信标节点标定其绝对大地坐标，并同时定期对各信标节点位置信息进行精度校准；信标节点组网单元及蓝绿光通信设备2不仅作为通信系统而且还具有蓝绿光光学测距功能，即蓝绿光通信设备2具备通信测距一体化功能。

本实施例系统还可以通过声光组合相结合的方式，主从模式自主切换实现距离适应性更强的水下通信、定位和授时功能。水下运动平台4包括但不限于UUV、AUV、ROV、水下蛙人、水下滑翔机、水下探测器、无人潜水器、载人潜水器等。

本实施例系统还具有根据实际水下环境参数自主获取和自主误差纠错能力，具体的为：携带信息的光信号在水下传输时，容易受到水下光信道的影响，包括吸收、散射和湍流等因素。水面监测单元能依据实际环境参数进行误差纠错和补偿，获得更加精准的空间基准和时间基准信息。该系统实现的水下光通信速率可以达到Mbps量级，通信距离可以达到百米量级，水下定位精度可达到cm量级，授时精度可达到ns量级。

如图3所示，本实施例基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统的通信、定位与授时方法，包括以下步骤：

步骤1、将4个信标节点分布于水下目标内组成信标节点组网单元，并提前确定其绝对大地坐标；

步骤2、相邻两个信标节点之间通过有线连接，同时，其中任一信标节点与水面监测单元3也通过有线连接，从而实现信标节点与水面监测单元3之间的信息互享和传输；

步骤3、水下运动平台下水，航行到信标节点组网单元蓝绿光信号覆盖区域，水下运动平台4在水下运动时，通过其上的蓝绿光通信与测距一体化单元22发出蓝绿光信号并接收所有信标节点反射回的测距光信号，根据测距光信号计算、比较水下运动平台与所有信标节点的直线距离大小，并通过内部算法，确定该直线距离最小的信标节点，使蓝绿光通信与测距一体化单元22与该距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；

步骤4、在大地坐标系下，信标节点的位置坐标表示为(x_i，y_i，z_i)，水下运动平台4的实时位置与信标节点的距离表示为r_i；设所有信标节点中任意四个信标节点的位置坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)，水下运动平台4的实时位置(x，y，z)与该四个信标节点的距离分别为r₁、r₂、r₃、r₄，并记录蓝绿光通信与测距一体化单元22发出蓝绿光信号与经四个信标节点反射回测距光信号的时间差，分别表示为ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃、ΔT₄，通过以下方程组计算出水下运动平台4的实时位置坐标信息(x，y，z)：

式中：v为蓝绿光信号在水下的实际运动速率；

步骤5、水下运动平台4的实时位置坐标信息通过步骤3已经建立好的水下无线蓝绿光通信链路传输给相应信标节点，然后通过步骤2的有线网络联接传输到水面监测单元3，实现对水下运动平台4运动坐标信息的实时监测和运动轨迹的精确掌握；

步骤6、水面监测单元3可以通过步骤2的有线互联网络和步骤3的水下无线蓝绿光通信链路对水下运动平台4进行精确授时，自上而下逐层传递时间基准，进而实现整个系统网络架构的时间同步；

步骤7、搭载在水下运动平台的蓝绿光通信设备2与最近的信标节点建立无线光通信链路之后，在满足水下时间基准NTP协议的条件下，水面监测单元3与水下运动平台4通过系统链路分别向对方发送授时信号，并接收对方发送的授时信号；

步骤8、测量水面监测单元3发送授时信号的时间t₁以及水面监测单元3接收到授时信号的时间t₂，并记录时间间隔t₂-t₁；

同时，测量水下运动平台发送授时信号的时间t₃以及水下运动平台接收到授时信号的时间t₄，并记录时间间隔t₄-t₃；

步骤9、根据步骤8记录的两个时间间隔t₄-t₃、t₂-t₁，通过公式Δt＝[(t₂-t₁)+(t₄-t₃)]/2计算水面监测单元3与水下运动平台4的时间差Δt，并根据时间差对水下运动平台4的时钟进行精准授时；

步骤10、影响水下NTP协议精度的主要因素是网络延迟的随机性而引起的时间延迟计算不准确，为了抑制由于网络延迟随机性而影响系统的授时精度。在授时过程中，采用水面监测单元3与水下运动平台4之间多次的双向信息授时交互，即重复步骤7至步骤9多次，来获得准确的网络延时和水上/水下平台之间的时间差。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (8)

1.一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：包括信标节点组网单元、蓝绿光通信设备(2)和水面监测单元(3)；

所述信标节点组网单元包括分布于水下工作区域内的n个信标节点，相邻两个信标节点间通过网络连接，其中，n为大于3的整数；

所述水面监测单元(3)与信标节点组网单元通过网络互联通信；

所述蓝绿光通信设备(2)用于搭载在水下运动平台(4)上，并在信标节点组网单元覆盖的区域内运动；蓝绿光通信设备(2)包括水密封壳体(21)以及封装在水密封壳体(21)内部的蓝绿光通信与测距一体化单元(22)、定位单元(23)、授时单元(24)；

所述蓝绿光通信与测距一体化单元(22)用于发出蓝绿光信号并接收经所有信标节点反射回的测距光信号，根据测距光信号计算、比较水下运动平台(4)与所有信标节点的距离，使其与距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；

所述定位单元(23)用于对水下运动平台(4)与所有信标节点之间的距离进行完好性监测并筛选出可用的测距结果，以及计算出水下运动平台(4)的位置信息；

所述授时单元(24)用于根据水面监测单元(3)与水下运动平台(4)的时间差，对水下运动平台(4)的时钟进行精准授时。

2.根据权利要求1所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：所述n个信标节点呈n边形分布。

3.根据权利要求2所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：所述水面监测单元(3)为水面电脑监测系统或岸基监控中心平台。

4.根据权利要求1至3任一所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：所述水面监测单元(3)与任一信标节点通过网络连接实现互联。

5.一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将n个信标节点分布于水下目标区域内组成信标节点组网单元，其中，n为大于3的整数；

步骤2、相邻两个信标节点之间通过网络连接，同时，其中任一信标节点与水面监测单元(3)通过网络连接，实现信标节点组网单元与水面监测单元(3)之间的信息互享和传输；

步骤3、水下运动平台(4)在水下运动时，通过其上的蓝绿光通信与测距一体化单元(22)发出蓝绿光信号并接收所有信标节点返回的测距光信号，根据测距光信号计算、比较水下运动平台(4)与所有信标节点的距离，使蓝绿光通信与测距一体化单元(22)与距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；

步骤4、在大地坐标系下，设n个信标节点的位置坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)…(x_n，y_n，z_n)，水下运动平台(4)的实时位置(x，y，z)与n个信标节点的距离分别为r₁、r₂、r₃…r_n；蓝绿光通信与测距一体化单元(22)发出蓝绿光信号与经n个信标节点反射的测距光信号时间差分别为ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃…ΔT_n，通过以下方程组计算出水下运动平台(4)的实时位置(x，y，z)：

式中：v为蓝绿光信号在水下的实际运动速率；

步骤5、水下运动平台(4)的实时位置坐标信息通过步骤3建立好的水下无线蓝绿光通信链路传输给信标节点，然后通过步骤2已经建立的网络连接传输到水面监测单元(3)，实现对水下运动平台(4)运动坐标信息的实时定位和运动轨迹的精确掌控；

步骤6、水面监测单元(3)通过步骤2建立的网络连接与步骤3的水下无线蓝绿光通信链路，对水下运动平台(4)进行授时；

步骤7、在满足水下时间基准NTP协议的条件下，水面监测单元(3)与水下运动平台(4)分别向对方发送授时信号，并接收对方发送的授时信号；

步骤8、测量水面监测单元(3)发送授时信号的时间t₁以及水面监测单元(3)接收到授时信号的时间t₂，并记录时间间隔t₂-t₁；

同时，测量水下运动平台(4)发送授时信号的时间t₃以及水下运动平台(4)接收到授时信号的时间t₄，并记录时间间隔t₄-t₃；

步骤9、根据步骤8的两个时间间隔t₄-t₃、t₂-t₁，通过公式Δt＝[(t₂-t₁)+(t₄-t₃)]/2计算水面监测单元(3)与水下运动平台(4)的时间差Δt，并根据时间差对水下运动平台(4)的时钟进行精准授时。

6.根据权利要求5所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于：还包括步骤10、重复步骤7至步骤9多次。

7.根据权利要求6所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于：步骤1中，所述n个信标节点呈n边形分布。

8.根据权利要求5至7任一所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于：步骤2中，所述水面监测单元(3)为水面电脑监测系统或岸基监控中心平台。

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