CN115033553B - 一种基于cs架构的水下滑翔机海上试验数据库 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库，解决海洋环境数据库与水下滑翔机指控软件耦合过强的问题。本发明包括数据库计算机与指控计算机，二者分别部署了海洋环境数据库软件和水下滑翔机指控软件，并通过网络交换机连入局域网进行通信。海洋环境数据库软件将计算得到的数据保存在数据库计算机的FTP服务器上，水下滑翔机指控软件中集成FTP客户端，可通过局域网直接从FTP服务器下载数据。传输的数据包括：海底深度数据、海底底质数据、区域探测效能数据、路径规划数据。指控人员按需获取不同的数据以辅助决策。

Description

一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库

技术领域

本发明属于水下航行器控制技术领域，具体涉及一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库。

背景技术

水下滑翔机是一种新型自主水下航行器，以自身重力和浮力差作为驱动力，在水平舵的作用下，完成“锯齿状”滑翔运动。因其使用重浮力差作为驱动力，相较于普通的水下航行器能耗更低。特别适用于大尺度海域探测，长距离抵近攻击、长续航海底驻留监视等任务。

水下滑翔机执行任务时，海洋环境对其影响极大，轻则影响任务执行成功率，重则危害航行器运行安全，有必要设计一种辅助指控人员决策、保障水下航行器安全航行的专用海洋环境数据库。

目前大多数水下滑翔机指控软件，都将海洋环境数据库直接作为自身软件的某一模块直接嵌入到软件中。这种架构对于海洋数据的格式要求较高，一旦数据格式发生变化，往往需要重构解析程序以适应新的数据格式。

此外，某些数据需要在原始数据的基础上经过特定算法计算得出，例如区域探测效能、声呐探测效能、最优探测路径。一旦算法有所改动，则需要重构指控软件的算法模块。多数算法需要特定的运算库，有些运算库适应性较差，极端情况下需要对整个运算库重新开发。目前的水下滑翔机指控软件耦合性过强、重构难、开发效率低。

因此，有必要提出一种低耦合性、可靠的海上试验数据库支持方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库。

技术方案

一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库，其特征在于包括指控计算机与数据库计算机，分别运行水下滑翔机指控软件和海洋环境数据库软件；指控计算机和数据库计算机在物理层通过以太网相连组成局域网；指控计算机连接卫星通信设备、数传电台设备、4G通信设备，通过无线通信指控水下滑翔机；水下滑翔机指控软件作为客户端、海洋环境数据库软件作为服务器，二者在软件层面采样C/S架构进行通信；海洋环境数据库软件负责提供水下滑翔机在海上试验所需的环境数据，所有数据计算完成后保存在本地的FTP服务器上；水下滑翔机指控软件负责接收水下滑翔机经由卫星设备发送回的数据，解析完成后显示并保存，同时负责指控水下滑翔机；水下滑翔机指控软件根据需要在服务器上取走环境数据；二者软件在应用层通过FTP协议传输文件。

本发明进一步的技术方案：所述的所述水下滑翔机指控软件安装在指控计算机上，具备以下功能：

远程监控功能：水下滑翔机将自身传感器状态按照预先约定的通信协议组织字节流，并通过卫星设备远程发送给与指控计算机相连的通信设备内；水下滑翔机指控软件读取数据，并按照预先预定的协议解析出水下滑翔机的各个传感器的状态，保存并且显示在界面上；水下滑翔机传感器状态信息包括：姿态传感器、GPS传感器、BMS传感器、舱内温度传感器、CTD传感器、深度传感器、高度计、测距传感器；

指令下发功能：水下滑翔机指控软件可对各个传感器通断电，可设置水下滑翔机浮力、质心调节机构位置、水平舵偏转角度、推进器旋转方向以及推力；可下达定向任务、轨迹跟踪任务、定深推进任务、海底驻留任务、探测任务；所有控制和任务指控将根据协议下组织数据流；数据流通过QSerialPort类实例化对象中的void write(QByteArray)方法写入串口；通信设备从串口中读数据，随后下发至水下滑翔机；

海洋数据导入功能：水下滑翔机指控软件内集成入FTP客户端，采用标准FTP协议与FTP服务器通信。导入数据前预先设置FTP服务器IP地址以及端口，之后使用TCP/IP协议连接FTP服务器，根据标准FTP协议指令完成文件传输，即从FTP服务器上下载所需数据，并保存在./DATA/FTP_Clint文件目录下。

本发明进一步的技术方案：所述的水下滑翔机指控软件使用Qt Creator5.12.0IDE开发，采用跨平台MinGW 7.3.0 64bit for C++编译器，调试器采用GUN gdb8.1for MinGW 7.3.0 64bit。

本发明进一步的技术方案：所述的海洋环境数据库软件安装在数据库计算机上，具备以下数据库：

海洋深度数据库：海洋深度数据由真实海洋数据插值而来，分辨率达到2分；

海底底质数据库：海底底质数据库包括11种典型海底底质，包括：石头、沙砾、粗砂、细砂、极细砂、粗粉砂、砂-粉砂-黏土、细粉砂、粉砂质黏土、黏土、粉砂中国周边底质数据库分辨率达到2分；

海洋水文数据库：海洋水文数据包含一整年12个月的温度、盐度数据，覆盖经纬度范围为105°E至160°W、0°N至64°N，分辨率达到15分。

本发明进一步的技术方案：所述的海洋深度数据库软件具有以下功能：

声场分析功能：海洋环境数据库软件可计算某点的声场数据，首先根据经纬度确定需要计算的目标点；随后根据某月的水文数据，即深度和盐度数据、不同海底地质对声波不同的反射率、海底深度数据计算声速剖面。计算所需的声场模型包括射线、抛物方程，可根据环境与应用场景自动调用或手动选择合适的模型；声场模型频率范围覆盖10Hz～50kHz，分析距离可支持至500公里，计算开角范围可覆盖±90°，支持会聚区预报；

计算单点声纳探测效能功能：计算前需要配置己方声纳平台参数、配置敌方声纳的目标强度和辐射声源级参数、配置背景噪声参数以及计算参数；配置参数成功后开始计算，可计算出当前方位声纳的信号余量分布图、传播损失整体分布图、该点附近的探测概率图、当前方位射线模型声场计算得到的声线轨迹图、当前方位形成会聚区的声线。以上均可以文件形式导出；

计算区域探测效能功能：计算前需要配置己方声纳平台参数、配置敌方声纳的目标强度和辐射声源级参数、配置背景噪声参数以及计算参数，计算参数包含：最大频点数、起始方位、区域变长、栅格精度、声场分析距离、方位数、声场模形；配置参数成功后开始计算，可计算出计算结果图显示的是以当前点位为中心，上下左右各扩展s千米所形成区域的整体探测概率；结果支持导出为txt文本文件；

探测最优/航程最短路径规划功能：在得到区域效能评估结果后可进行航路规划；首先选择航路点起点、终点，上述两点可直接输入也可以通过鼠标在海图中点击设置；其次设置探测最优/路程最短路径规划权重，当权重为0时为纯路径规划，纯路径规划是在约束条件下进行路径长度最短的规划；当权重为1时为纯探测最优路径规划，探测最优路劲规划将优先考虑探测敌方目标进行路劲规矩。路径规划结束后，保存为txt文本文件。

有益效果

本发明提供一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库，包括指控计算机与数据库计算机，分别运行水下滑翔机指控软件和海洋环境数据库软件；海洋环境数据库软件安装在数据库计算机上，提供原始数据支持和算法运算的数据支持；水下滑翔机指控软件运行在指控计算机上，只负责对水下滑翔机的指控工作，需要数据时直接从数据库软件获取。二者软件在应用层通过FTP协议传输文件。解决了海洋环境数据库与水下滑翔机指控软件耦合过强的问题，提供了一种低耦合性、可靠的海上试验数据库。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明方法的数据库计算机与指控计算机分离的硬件连接方法；

图2为本发明方法的水下滑翔机海上试验数据库软件架构；

图3为本发明方法的传输数据辅助决策水下滑翔机执行任务关系图。

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，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面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。

一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库，整个系统硬件连接图见图1，涉及到两台计算机，二者分别运行水下滑翔机指控软件和海洋环境数据库软件，以下分别称为指控计算机与数据库计算机。指控计算机和数据库计算机在物理层通过以太网相连组成局域网。指控计算机连接卫星通信设备、数传电台设备、4G通信设备，通过无线通信指控水下滑翔机。

水下滑翔机指控计算机与海洋环境数据库计算机可部署在随船方舱内、岸基远程监控室等地。海洋环境数据库计算机连接网线，网线接入网络交换机。水下滑翔机指控计算机连接网线，网线同样接入网络交换机，二者构成局域网进行通信。计算机与显示器相连，按实际需求每台计算机可连接一到两台显示器。水下滑翔机指控计算机通过UBS传RS232串口线，连接北斗、铱星、天通远距离卫星通信设备，以及4G和数传电台的中近程通信设备，支持多种通信通道与水下滑翔机无线通信。

软件架构包括水下滑翔机指控软件和海洋环境数据库软件，水下滑翔机指控软件内部集成FTP客户端，海洋环境数据库软件内部集成FTP服务器，二者通过FTP协议传输文件。软件架构见图2。

水下滑翔机指控软件使用Qt Creator 5.12.0IDE开发，采用跨平台MinGW 7.3.064 bit for C++编译器，调试器采用GUN gdb 8.1for MinGW 7.3.0 64bit。

水下滑翔机执行任务的包括：定向任务、定深直航任务、探测目标任务、海底驻留任务、航迹跟踪任务、抵近侦察任务。不同的任务需要不同环境数据以支持。

水下滑翔机指控软件安装在指控计算机上，具备以下功能：

远程监控功能：水下滑翔机将自身传感器状态按照预先约定的通信协议组织字节流，并通过卫星设备远程发送给与指控计算机相连的通信设备内。水下滑翔机指控软件读取数据，并按照预先预定的协议解析出水下滑翔机的各个传感器的状态，保存并且显示在界面上。水下滑翔机传感器状态信息包括：姿态传感器、GPS传感器、BMS传感器、舱内温度传感器、CTD传感器、深度传感器、高度计、测距传感器等传感器信息。

指令下发功能：水下滑翔机指控软件可对各个传感器通断电，可设置水下滑翔机浮力、质心调节机构位置、水平舵偏转角度、推进器旋转方向以及推力。此外，可下达定向任务、轨迹跟踪任务、定深推进任务、海底驻留任务、探测任务。所有控制和任务指控将根据协议下组织数据流。数据流通过QSerialPort类实例化对象中的void write(QByteArray)方法写入串口。通信设备从串口中读数据，随后下发至水下滑翔机。

海洋数据导入功能：水下滑翔机指控软件内集成入FTP客户端，采用标准FTP协议与FTP服务器通信。导入数据前预先设置FTP服务器IP地址以及端口，之后使用TCP/IP协议连接FTP服务器，根据标准FTP协议指令完成文件传输，即从FTP服务器上下载所需数据，并保存在./DATA/FTP_Clint文件目录下。

海洋环境数据库软件安装在数据库计算机上，具备以下数据库：

海洋深度数据库：海洋深度数据由真实海洋数据插值而来，分辨率达到2分。

海底底质数据库：海底底质数据库包括11种典型海底底质，包括：石头、沙砾、粗砂、细砂、极细砂、粗粉砂、砂-粉砂-黏土、细粉砂、粉砂质黏土、黏土、粉砂中国周边底质数据库分辨率达到2分。

海洋水文数据库：海洋水文数据包含一整年12个月的温度、盐度数据，覆盖经纬度范围为105°E至160°W、0°N至64°N，分辨率达到15分。

海洋深度数据库软件具有以下功能：

声场分析功能：海洋环境数据库软件可计算某点的声场数据。首先根据经纬度确定需要计算的目标点。随后根据某月的水文数据，即深度和盐度数据、不同海底地质对声波不同的反射率、海底深度数据计算声速剖面。计算所需的声场模型包括射线、抛物方程，可根据环境与应用场景自动调用或手动选择合适的模型。声场模型频率范围覆盖10Hz～50kHz，分析距离可支持至500公里，计算开角范围可覆盖±90°，支持会聚区预报。

计算单点声纳探测效能功能：计算前需要配置己方声纳平台参数、配置敌方声纳的目标强度和辐射声源级参数、配置背景噪声参数以及计算参数。配置参数成功后开始计算，可计算出当前方位声纳的信号余量分布图、传播损失整体分布图、该点附近的探测概率图、当前方位射线模型声场计算得到的声线轨迹图、当前方位形成会聚区的声线。以上均可以文件形式导出。

计算区域探测效能功能：计算前需要配置己方声纳平台参数、配置敌方声纳的目标强度和辐射声源级参数、配置背景噪声参数以及计算参数，计算参数包含：最大频点数、起始方位、区域变长、栅格精度、声场分析距离、方位数、声场模形。配置参数成功后开始计算，可计算出计算结果图显示的是以当前点位为中心，上下左右各扩展s千米(s为计算参数配置中的区域边长)所形成区域的整体探测概率。结果支持导出为txt文本文件。

探测最优/航程最短路径规划功能：在得到区域效能评估结果后可进行航路规划。首先选择航路点起点、终点，上述两点可直接输入也可以通过鼠标在海图中点击设置；其次设置探测最优/路程最短路径规划权重，当权重为0时为纯路径规划，纯路径规划是在约束条件下进行路径长度最短的规划；当权重为1时为纯探测最优路径规划，探测最优路劲规划将优先考虑探测敌方目标进行路劲规矩。路径规划结束后，保存为txt文本文件。

上述所有文件都将保存在数据库计算机的FTP服务器上，供运行在指控计算机的水下滑翔机指控软件中集成的FTP客户端随时浏览下载。

水下滑翔机的指控软件通过FTP协议读取保存在数据库计算机的FTP服务器上的数据，具体传输的数据类型和格式如下所示：

(1)海底深度数据

海底深度数据以txt文本文件保存，前N行记录数据文件内容，后续以矩阵形式记录海底深度栅格数据。

表1海底深度数据格式

水平栅格数量	垂直栅格数量	水平栅格精度	垂直栅格精度
				数据类型：int	数据类型：int	数据类型：double	数据类型：double
最小经度	最大经度	最小纬度	最大纬度
				数据类型：double	数据类型：double	数据类型：double	数据类型：double

(2)海底底质数据

海底地质数据以txt文本格式保存，首行为网格水平序号、网格垂直序号、地质代号，数据逐行记录。具体数据保存格式和底质代号如下表所示：

表2海底底质数据格式

表3底质代号

底质代号	名称
		111	石头
112	砂砾
		113	粗砂
114	细砂
		115	极细砂
116	粗粉砂
		117	砂-粉砂-黏土
118	细粉砂
		119	粉砂质黏土
120	黏土
		121	粉砂

(3)区域探测效能数据

区域效能伪彩图，将探测概率(0-1)映射为伪彩图，颜色越暖，区域探测概率越大；颜色越冷，区域探测概率越小。图的范围覆盖整个选定区域。

区域探测效能表格，以深度、水平网格序号、垂直网格序号、方位、距离、探测概率作为表头，记录整个选定区域的探测概率。具体的数据格式如下：

表4区域探测概率数据格式

(4)路径规划数据

路劲规划数据保存为txt表格为方便水下滑翔机指控软件解析，前N行的内容为路径规划起点经度、路径规划起点纬度、路径规划终点经度、路径规划终点纬度、最优探测/最短路程权重、规划航路点。后续依次记录多个规划航路点的经度纬度。

4.传输数据辅助指控水下滑翔机过程

海洋环境数据库软件按照上述数据格式生成上述的各种类型的数据文件，将数据文件保存在FTP服务器上。水下滑翔机指控软件从服务器上拿到数据后进行解析，导入软件中。不同任务针对海洋环境数据有不同要求，以下详细说明。

水下滑翔机执行航迹跟踪任务时，跟踪一系列提前规划好的轨迹点，需要从数据库计算机上获取路径规划数据，并依据最优探测/最短航程权重决定路线。

水下滑翔机执行探测目标任务时，为节省时间，应尽量沿着探测概率高，探测范围大的区域前进。因此西药从数据库计算机获取区域探测效能数据文件，依据区域探测效能数据决定航行轨迹。

水下滑翔机执行抵近侦察任务时，需考虑区域内不同点的探测概率。抵近侦察是应尽可能沿着探测概率低的区域前进，以防止地方发现，即隐蔽航行。因此需要从数据库计算机提取某区域的探测效率数据文件，依据区域探测效能数据决定航行轨迹。

水下滑翔机执行海底驻留任务时，需考虑海底驻留点的海底底质。过软的海底底质可能时的水下滑翔机海底驻留后陷入海底；过硬的底质在着陆时可能损坏自身结构，甚至造成内部传感器故障。因此需提前从数据计算机提取海底地质数据文件，依据海底地质考虑海底驻留点。

除了上述任务以外，水下滑翔机执行其他任务，如定向任务、定深推进任务时，为防止触底保证安全，海底深度将作为硬约束，也需要从数据库计算机上获取海底深度数据。

传输数据辅助决策水下滑翔机执行任务关系见图3。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库，其特征在于包括指控计算机与数据库计算机，分别运行水下滑翔机指控软件和海洋环境数据库软件；指控计算机和数据库计算机在物理层通过以太网相连组成局域网；指控计算机连接卫星通信设备、数传电台设备、4G通信设备，通过无线通信指控水下滑翔机；水下滑翔机指控软件作为客户端、海洋环境数据库软件作为服务器，二者在软件层面采用C/S架构进行通信；海洋环境数据库软件负责提供水下滑翔机在海上试验所需的环境数据，所有数据计算完成后保存在本地的FTP服务器上；水下滑翔机指控软件负责接收水下滑翔机经由卫星设备发送回的数据，解析完成后显示并保存，同时负责指控水下滑翔机；水下滑翔机指控软件根据需要在服务器上取走环境数据；二者软件在应用层通过FTP协议传输文件；

所述的水下滑翔机指控软件安装在指控计算机上，具备以下功能：

远程监控功能：水下滑翔机将自身传感器状态按照预先约定的通信协议组织字节流，并通过卫星设备远程发送给与指控计算机相连的通信设备内；水下滑翔机指控软件读取数据，并按照预先的协议解析出水下滑翔机的各个传感器的状态，保存并且显示在界面上；水下滑翔机传感器状态信息包括：姿态传感器、GPS传感器、BMS传感器、舱内温度传感器、CTD传感器、深度传感器、高度计、测距传感器；

指令下发功能：水下滑翔机指控软件可对各个传感器通断电，可设置水下滑翔机浮力、质心调节机构位置、水平舵偏转角度、推进器旋转方向以及推力；可下达定向任务、轨迹跟踪任务、定深推进任务、海底驻留任务、探测任务；所有控制和任务指控将根据协议下组织数据流；数据流通过QSerialPort类实例化对象中的void write(QByteArray)方法写入串口；通信设备从串口中读数据，随后下发至水下滑翔机；

海洋数据导入功能：水下滑翔机指控软件内集成入FTP客户端，采用标准FTP协议与FTP服务器通信；导入数据前预先设置FTP服务器IP地址以及端口，之后使用TCP/IP协议连接FTP服务器，根据标准FTP协议指令完成文件传输，即从FTP服务器上下载所需数据，并保存在./DATA/FTP_Clint 文件目录下；

所述的海洋环境数据库软件具有以下功能：

声场分析功能：海洋环境数据库软件可计算某点的声场数据，首先根据经纬度确定需要计算的目标点；随后根据某月的水文数据，即深度和盐度数据、不同海底地质对声波不同的反射率、海底深度数据计算声速剖面；计算所需的声场模型包括射线、抛物方程，可根据环境与应用场景自动调用或手动选择合适的模型；声场模型频率范围覆盖10Hz~50kHz，分析距离可支持至500公里，计算开角范围可覆盖±90°，支持会聚区预报；

计算单点声纳探测效能功能：计算前需要配置己方声纳平台参数、配置敌方声纳的目标强度和辐射声源级参数、配置背景噪声参数以及计算参数；配置参数成功后开始计算，可计算出当前方位声纳的信号余量分布图、传播损失整体分布图、该点附近的探测概率图、当前方位射线模型声场计算得到的声线轨迹图、当前方位形成会聚区的声线；以上均可以文件形式导出；

计算区域探测效能功能：计算前需要配置己方声纳平台参数、配置敌方声纳的目标强度和辐射声源级参数、配置背景噪声参数以及计算参数，计算参数包含：最大频点数、起始方位、区域变长、栅格精度、声场分析距离、方位数、声场模形；配置参数成功后开始计算，可计算出计算结果图显示的是以当前点位为中心，上下左右各扩展s千米所形成区域的整体探测概率；结果支持导出为txt文本文件；

探测最优/航程最短路径规划功能：在得到区域效能评估结果后可进行航路规划；首先选择航路点起点、终点，上述两点可直接输入也可以通过鼠标在海图中点击设置；其次设置探测最优/路程最短路径规划权重，当权重为0时为纯路径规划，纯路径规划是在约束条件下进行路径长度最短的规划；当权重为1时为纯探测最优路径规划，探测最优路劲规划将优先考虑探测敌方目标进行路劲规矩；路径规划结束后，保存为txt文本文件。

2.根据权利要求1所述的一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库，其特征在于所述的水下滑翔机指控软件使用Qt Creator 5.12.0 IDE开发，采用跨平台MinGW 7.3.064 bit for C++ 编译器，调试器采用 GUN gdb 8.1 for MinGW 7.3.0 64 bit。

3.根据权利要求1所述的一种基于CS架构的水下滑翔机海上试验数据库，其特征在于所述的海洋环境数据库软件安装在数据库计算机上，具备以下数据库：

海洋深度数据库：海洋深度数据由真实海洋数据插值而来，分辨率达到2分；

海底底质数据库：海底底质数据库包括11种典型海底底质，包括：石头、沙砾、粗砂、细砂、极细砂、粗粉砂、砂-粉砂-黏土、细粉砂、粉砂质黏土、黏土、粉砂中国周边底质数据库分辨率达到2分；

海洋水文数据库：海洋水文数据包含一整年12个月的温度、盐度数据，覆盖经纬度范围为105°E至160°W、0°N至64°N，分辨率达到15分。