CN1971649A - 定位通信一体化浮标 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水下目标的定位、通信的定位通信一体化浮标。它是由水声换能器(8)、铅鱼(9)、连接水声换能器(8)、铅鱼(9)的电子舱(6)、连接电子舱(6)的浮标连接杆(3)、短路器(7)、连接浮标连接杆(3)的扩频通信天线(1)、GPS天线(2)和航标灯(4)、浮体(5)组成。本发明系统性能可靠、操作简单、维修方便，能够通过无线电扩频通信链与母船基站进行信息交换，完成水声遥控指令的发射和接收、水声询问信号和应答信号的接收、处理，并且具有自定位、故障自检和回收方便等特点。

Description

定位通信一体化浮标

(一)技术领域

本发明涉及无线电通信技术、水声通信技术和水下目标定位技术领域，具体涉及一种定位通信一体化浮标的水声测量设备。

(二)背景技术

目前，采用几何原理的水声定位方法仍是水下目标导航定位技术的主流。在这些方法中，根据其基线长度不同，将水声定位系统分为3种类型：长基线定位系统(Long Base Line)、短基线定位系统(Short Base Line)和超短基线定位系统(Ultra Short Base Line)。其中，长基线定位系统(LBL)相对于短基线和超短基线定位系统有着对安装精度要求不高，不需要做大量的校准工作，在较大范围内可达到较高定位精度等优势，因此，长基线定位系统在定位系统中一直保持着主导地位的优势。

长基线定位系统(LBL)的基阵长度一般在几百米到几千米，需要在海底布设3个以上的基元，以一定的几何形状组成定位基线阵，工作船(或被测目标)一般位于基线阵之内，通过测量目标与基元之间的距离来确定目标的坐标。本浮标系统则是长基线定位系统的关键控制单元之一，既可以完成水声定位信号的接收，又可以作为母船和水下目标通信的中继。

国内现有的浮标系统，由于受壳体制造工艺、系统复杂性、换能器工艺、功放匹配效果、水声信号处理手段等因素的制约，普遍存在着功能单一、操作不方便、作用距离近以及浮标姿态不好等问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种性能可靠、操作简单、维修方便，能够和无线电基站配合完成水声遥控指令发射和接收、具有水声询问信号和应答信号接收及处理、自定位、故障自检及数据传输控制等多项功能的多功能定位通信一体化浮标系统。

本发明所采用的技术方案是：它是由水声换能器8、铅鱼9、连接水声换能器8、铅鱼9的电子舱6、连接电子舱6的浮标连接杆3、短路器7、连接浮标连接杆3的扩频通信天线1、GPS天线2和航标灯4、浮体5组成。

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的电子舱6包括分别固定在底板16上的水声信号声学板10、通信控制板11、扩频模块和GPS模块板12、电源板13、功放板14、电容板15和电池组52，水声换能器8的输出端连接声学板10的输入端，声学板10的输出端连接功放板14的输入端，电容板15的正负两极分别接到功放板14的正极和负极；

2、所述的水声信号处理声学板10包括晶振17、锁相环PLL18、宽带接收机19、单通道A/D变换器20、DSP处理器1、外部程序存储器FLASH1、外部程序存储器FLASH2、DSP处理器2、双通道D/A变换器25和低通滤波器26，宽带接收机19的前放53的输入端连接水声换能器8的输出端，宽带接收机19的输出端连接单通道A/D变换器20连接DSP处理器1，晶振17连接锁相环PLL18连接DSP处理器1，DSP处理器1与外部程序存储器FLASH1和DSP处理器2互连，DSP处理器2与外部程序存储器FLASH2和通信板11互连，DSP处理器2连接双通道D/A变换器25和低通滤波器26到功放板14，再由功放板14连接水声换能器8；

3、所述的通信控制板11由与声学板7互连的DSP处理器30，与DSP处理器30互连的可编程逻辑门器件FPGA31、晶振35、存储器E2PROM27、与可编程逻辑门器件FPGA31互连的程序存储器EPC2、GPS28、数据存储器FLASH1、FLASH2组成；

4、所述的扩频模块和GPS模块板12由扩频模块和GPS模块组成，分别通过馈线连接扩频天线1和GPS天线2；

5、所述的电源板13包括电源监测39、连接电源监测39的数字电源36、功放电源37、模拟电源38，数字电源36和功放电源37连接DC-DC变换器40，模拟电源38连接线形稳压器41，DC-DC变换器40连接功放 5v42、通信板 5v43、GPS 5v44、DSSS 6v46、DSSS 5v45，线形稳压器41连接声学板数字 5v48和声学板模拟5v47；

6、所述的功放板14通过高、低频两套功率放大和匹配网络与声学换能器8相连，声学板10的DA后级输出接到功放板14的低频发射电路的输入端；

7、所述的电容板15由一组电容并联而成，电容组的正负极通过96位接插件接到底板16上，进而与功放板14相连；

8、所述的浮标桶134位于电子舱6外面，上端通过水密螺丝与电子舱6固定；底端设置有水密接口和连接器136，连接器136连接铅鱼9；

9、所述的外部接口135分别位于电子舱6的上表面和浮标桶134的底端，短路器7与电子舱6上外部接口135相连。

本发明的扩频天线和GPS天线是浮标与母船相互通信和自定位的重要组件。它们分别位于浮标的顶端，固定在浮标连接杆上，馈线穿过浮标连接杆内部接到电子舱内的扩频电路板的扩频模块和GPS模块上。这样浮标既可以接收母船下传的无线电指令，也可以把接收的水声数据连同自身位置信息经扩频天线上传给母船。

本发明的航标灯固定在浮标连接杆上，受光控，能自动按一定频率闪烁，方便光线不好时浮标的回收。

本发明的浮标连接杆是连接天线和电子舱的中间部分。它上端连接扩频天线和GPS天线，下端通过法兰和水密圈与电子舱紧密相连，浮体固定其上，用以调节水中浮标的重心。

本发明的电子舱是整个浮标的数据处理和控制核心。舱内主要由水声信号声学处理板、通信控制板、扩频模块和GPS模块板、电源板、功放板、电容板和电池组组成。它们分别通过一对96管脚的接插件固定在底板上。电池组主要包括功放电源、数字电源、模拟电源，它们通过底板供电给电源板，电源板先将这些电源进行DC/DC再提供给各个用电单元。母船通过无线电发出指令时，扩频模块将接收到的指令通过底板传给通信控制板，通信控制板将解码过的指令传给声学板，声学板DA后级的输出连接到功放板的低频发射电路的输入端，就可以实现浮标的水声通信指令发射功能。水声换能器接收到的水声信号通过底板接到声学板的接收机的前放输入端，接收到的水声信号经声学板处理后，传送给通信控制板，通信控制板将声学数据和GPS数据打包，再经扩频模块将数据通过扩频天线发给母船，从而实现水声信号的接收和无线电通信的发送。电容板的正负两极分别接到功放板的正极和负极，以保证大功率发射时需要的电流。

本发明的浮标桶位于电子舱外面，上端通过水密圈和螺丝与电子舱固定，以保证电子舱水密；底端有水密接口和连接器，水密接口用于连接水声换能器的水密插头；连接器连接铅鱼，调节重心，以保证浮标在水中的姿态。

本发明的外部接口分别位于电子舱的上表面和浮标桶的底端。短路器与电子舱上表面接口相连，用于浮标的一级上电，还可以利用该接口对电池充电。浮标桶底端的接口用于连接水声换能器。

本发明的水声换能器由高频换能器和低频换能器组成，收发合置，可以接收和发射水声信号。高频换能器的正负极接功放板的高频发射/接收电路，低频换能器的正负极接功放板的低频发射电路。

本发明的有益效果是：

1.接收水下目标的询问声信号和海底应答器的多路应答信号，能够精确测得目标到浮标间的距离和目标经海底各应答器到浮标的距离，实现水声测距和定位功能；

2.能够向海底应答器发出水声通信指令，与应答器配合实现水声数据和指令信息交互传送，实现快速自校阵和水声通信功能；

3.能够完成浮标自定位功能，工作状态自检、故障检测和诊断功能；

4.将目标信息(包括应答器信息)和浮标位置信息(DGPS定位数据)捆绑在一起，通过无线电通讯链上传给指挥母船；

5.具有数据内记和夜视功能。

本发明能够完成水声遥控指令发射和接收、水声询问信号和应答信号接收及处理及数据内记、数据传输控制等多项功能，并具有自定位、故障自检和回收方便等特点。

(四)附图说明

图1是本发明定位通信一体化浮标的总体结构示意图；

图2是本发明浮标信号处理声学板功能结构框图；

图3是本发明浮标的通信控制板结构框图；

图4是本发明浮标的电源板结构框图；

图5是本发明浮标整体外观框图；

图6是本发明电子舱框图；

图7是浮标声学板数字信号处理器原理图；

图8为DSP2是声学板另一块处理器电路原理图；

图9为浮标声学板电路图；

图10为浮标通信控制板电路图(一)；

图11为浮标通信控制板电路图(二)。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明各个部分的构造和工作流程进行详细的说明：

结合图1，本发明是由水声换能器8、铅鱼9、连接水声换能器8、铅鱼9的电子舱6、连接电子舱6的浮标连接杆3、短路器7、连接浮标连接杆3的扩频通信天线1、GPS天线2和航标灯4、浮体5组成。

结合图2-6，水声信号处理声学板10由晶振17、锁相环PLL18、宽带接收机19、单通道A/D变换器20、DSP处理器1、外部程序存储器FLASH1、外部程序存储器FLASH2、DSP处理器2、双通道D/A变换器25、低通滤波器26组成。接收水声信号时，水声换能器8将接收的水声信号经底板16进入宽带接收机19的前放53输入端，滤波放大后送到单通道A/D变换器20前端，由单通道A/D变换器20将模拟信号转换成数字信号，以中断的方式送给DSP处理器1，由DSP处理器1完成各个通道的信号处理，将处理后的数据通过DMA的方式送到DSP处理器2，DSP处理器2将根据不同的工作模式，对DSP处理器21送上来的数据进行处理，将处理后数据打包通过DMA的方式送到通信控制板11或继续下传遥控指令。当通信控制板11将母船的命令通过DMA的方式送到DSP处理器2时，DSP处理器2根据通信协议作出相应的操作，产生的数字信号经双通道D/A变换器25转换成模拟信号，再经低通滤波器26，最终送给功放板14，经水声换能器8发出相应的声信号，从而实现浮标的发射功能。另外，DSP处理器1和DSP处理器2还分别负责外部程序存储器FLASH1和外部程序存储器FLASH2的管理，以实现自身的上电自举。

扩频模块和GPS模块板12通过螺丝和接插件固定其上，与底板16连接。扩频模块与扩频天线1连接，负责发送和接收数据。GPS模块与GPS天线2连接，用于浮标自定位。

浮标通信控制板11由DSP处理器30，可编程逻辑门器件FPGA31，晶振35，存储器E2PROM27，程序存储器EPC2，数据存储器FLASH1，FLASH2组成。接收GPS数据时，由FPGA31完成GPS28到DSP30的数据格式转换，以中断的方式送给DSP处理器30，由DSP30进行处理，接收和发送无线电命令时，也是由FPGA31完成DSSS28与DSP30之间的数据格式转换，以中断的方式送给DSP处理器30，由DSP处理器处理各种命令，调用相关GPS模块和DSSS模块，并以DMA加串口的方式将水声命令发送给声学板10。另外，DSP30还负责外部程序存储器E2PROM27的管理，以实现自身的上电自举，通过FPGA31将实验数据存入外部数据存储器FLASH1，FLASH2，以备实验后的数据分析，FPGA31控制EPC2，以实现FPGA31的上电程序自举。

浮标电源板13由数字电源36，功放电源37，模拟电源38，电源监测39，DC-DC变换器40，线形稳压器41，功放 5v42，通信控制板 5v43，GPS 5v44，DSSS 6v46，DSSS 5v45，声学板数字5v48，声学板模拟5v47组成。数字电源36和功放电源37通过DC-DC变换器产生功放 5v42供功放板使用，通信控制板 5v43供浮标通信控制板使用，GPS 5v44供GPS模块使用，DSSS 5v45和DSSS 6v46供DSSS模块使用，模拟电源38通过线形稳压器41产生声学板模拟 5v47和声学板数字 5v48供声学板使用，另外电源监测39用来监测三种电源的使用情况，当电压低于一定数值后会向通信控制板报警。

本发明工作频带宽，所以功放板14采用高低频分别匹配的原则，将整个工作带宽划分成两个频带(高频和低频)，通过高、低频两套功率放大和匹配网络与水声换能器8相连，以更好的改善负载阻抗特性，提高系统匹配效率，拓宽系统工作频带，实现较宽频带内的恒功率发射。

为了保证在发射水声信号时，电源能够提供足够大的功率，本实施例在电容板15上并联一组电容，用于存储大量电能，电容组的正负极通过96位接插件接到底板16上，进而与功放电源相连。

为了满足系统宽带接收和宽带发射的要求，水声换能器8由高频宽带换能器和低频宽带换能器组合而成，二者安装在同一个平台上，并通过电缆与功放板14相应的功率放大及匹配电路的输出端相连。当水声换能器8置于水或密度与水相近的液体介质中时，水声换能器8将功放板14传送过来的电信号转化成声信号，并通过介质向外辐射。

结合图7，图7是浮标声学板数字信号处理器原理图一。声学板的信号处理器有两块TMS320VC5509A串行连接组成，本图中DSP1是其中一块，完成数字滤波，包络检测等功能。电阻R121、R122、R123、R124、R125、R126和器件U8组成了DSP1与计算机通信的接口，可作为调试时使用。电容C73、C80组成了滤波电路，可滤除电源上的干扰噪声。电容C84-C92(9个)组成了滤波电路，可滤除3.3伏电源的干扰噪声。电容C93-C103(11个)组成了滤波电路，可滤除1.8伏电源的干扰噪声。电阻R152、R153、R154、R156连接DSP1中断管脚与3.3伏电源，起上拉电路作用，防止因外界原因产生抖动，使得程序发生中断。电阻R89，R144，R145分别连接DSP1的GPIO管脚，与143管脚(接地)共同起选择程序下载方式的作用。

结合图8，图8为DSP2是声学板另一块处理器电路原理图二，完成信号的检测，时延估计，驱动功放发射，以及与通信控制板通信等功能。CRY1是系统的晶振，为DSP1和DSP2提供工作时钟。电阻R40、R41、R59、R60、R61连接DSP1中断管脚与3.3伏电源，起上拉电路作用，防止因外界原因产生抖动，使得程序发生中断。电阻R177至R182(6个)连接DSP2与通信控制板信号处理器U1之间串口，实现通信功能。防止电流过大烧毁芯片。

结合图9，图9为浮标声学板电路图，图中A1、A2、A3、A4、A5为模拟接收机电路设计模块，接收机的电路设计均采用低噪声、低功耗、模块化设计思想。A1为低噪声放大器模块，由于水听器传输上来的信号为弱信号，对前级放大器的噪声指标要求很高，我们采用26分贝的放大量，输出端噪声约为30微伏左右。A2为下一级放大器模块，放大倍数可调。A3为带通滤波器模块，采用的是buttwordz滤波器，通带频率范围可调。A4为后级放大器模块，放大倍数可调。A5为光偶隔离模块，由于模拟接收机的低噪声要求，我们采用光偶隔离电路将数字电路和模拟电路隔离开，避免将数字噪声引入到模拟端。在A5模块之后信号进入AD变换器。C46为一个电解电容，作用是隔去前一级的直流电平。F6A为运算放大器，与电阻R81、R80共同组成一级放大电路。电阻R62与R63共同组成电阻分压器。AD、电阻R92、R97、电容C67共同组成AD(模数)变换器的工作电路，模拟信号经AD变换为数字信号，送入信号处理器DSP1进行处理。电容C57、C58、C68、C147的作用为滤除电源干扰。DA为数模转换器，将DSP2发送的数字信号转换为模拟信号，作为驱动功放的输入信号。A6为光偶隔离模块，因为功放模块在发射水声信号时要产生高电压，变压器，功放管会产生大的电、磁干扰。为了防止干扰数字电路的正常工作，采用光偶隔离电路将功放模块电路和数字电路隔离开。A7为功放模块，其中包括匹配电路，驱动电路、充电电容等，输出端连接水听器。

结合图10-11，图10为浮标通信控制板电路图(一)，其中U2是通信控制板上的可编程逻辑门器件(FPGA)，其作用与通信板信号处理芯片U1配合完成控制无线电台和GPS模块。图11为浮标通信控制板电路图(二)，U1是通信板信号处理芯片，与U2共同完成无线电台和GPS模块的控制功能，并且可以与声学板通信，将无线电传送的命令解码后传送给声学板信号处理器DSP1。电阻R1、R2、R3、R4、R5连接U1中断管脚与3.3伏电源，起上拉电路作用，防止因外界原因产生抖动，使得程序发生中断。电阻R8连接U1的CLKMD管脚，起选择程序下载方式的作用。电阻R6、R7分别连接U1的状态管脚READY和HOLD与3.3伏电源，起上拉电路作用，防止因外界原因产生抖动，影响程序的正常运行。

Claims (10)

1、一种定位通信一体化浮标，其特征是：它是由水声换能器(8)、铅鱼(9)、连接水声换能器(8)、铅鱼(9)的电子舱(6)、连接电子舱(6)的浮标连接杆(3)、短路器(7)、连接浮标连接杆(3)的扩频通信天线(1)、GPS天线(2)和航标灯(4)、浮体(5)组成。

2、根据权利要求1所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的电子舱(6)包括分别固定在底板(16)上的水声信号声学板(10)、通信控制板(11)、扩频模块和GPS模块板(12)、电源板(13)、功放板(14)、电容板(15)和电池组(52)，水声换能器(8)的输出端连接声学板(10)的输入端，声学板(10)的输出端连接功放板(14)的输入端，电容板(15)的正负两极分别接到功放板(14)的正极和负极。

3、根据权利要求2所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的水声信号处理声学板(10)包括晶振(17)、锁相环PLL(18)、宽带接收机(19)、单通道A/D变换器(20)、DSP处理器1(21)、外部程序存储器FLASH1(22)、外部程序存储器FLASH2(23)、DSP处理器2(24)、双通道D/A变换器(25)和低通滤波器(26)，宽带接收机(19)的前放(53)的输入端连接水声换能器(8)的输出端，宽带接收机(19)的输出端连接单通道A/D变换器(20)连接DSP处理器1(21)，晶振(17)连接锁相环PLL(18)连接DSP处理器1(21)，DSP处理器1(21)与外部程序存储器FLASH1(22)和DSP处理器2(24)互连，DSP处理器2(24)与外部程序存储器FLASH2(23)和通信板(11)互连，DSP处理器2(24)连接双通道D/A变换器(25)和低通滤波器(26)到功放板(14)，再由功放板(14)连接水声换能器(8)。

4、根据权利要求2所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的通信控制板(11)由与声学板(7)互连的DSP处理器(30)，与DSP处理器(30)互连的可编程逻辑门器件FPGA(31)、晶振(35)、存储器E2PROM(27)、与可编程逻辑门器件FPGA(31)互连的程序存储器EPC2(34)、GPS(28)、数据存储器FLASH1(32)、FLASH2(33)组成。

5、根据权利要求2所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的扩频模块和GPS模块板(12)由扩频模块和GPS模块组成，分别通过馈线连接扩频天线(1)和GPS天线(2)。

6、根据权利要求2所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的电源板(13)包括电源监测(39)、连接电源监测(39)的数字电源(36)、功放电源(37)、模拟电源(38)，数字电源(36)和功放电源(37)连接DC-DC变换器(40)，模拟电源(38)连接线形稳压器(41)，DC-DC变换器(40)连接功放5v(42)、通信板5v(43)、GPS 5v(44)、DSSS 6v(46)、DSSS 5v(45)，线形稳压器(41)连接声学板数字5v(48)和声学板模拟5v(47)。

7、根据权利要求2所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的功放板(14)通过高、低频两套功率放大和匹配网络与声学换能器(8)相连，声学板(10)的DA后级输出接到功放板(14)的低频发射电路的输入端。

8、根据权利要求2所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的电容板(15)由一组电容并联而成，电容组的正负极通过96位接插件接到底板(16)上，进而与功放板(14)相连。

9、根据权利要求1所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的浮标桶(134)位于电子舱(6)外面，上端通过水密螺丝与电子舱(6)固定；底端设置有水密接口和连接器(136)，连接器(136)连接铅鱼(9)。

10、根据权利要求1所述的定位通信一体化浮标，其特征是：所述的外部接口(135)分别位于电子舱(6)的上表面和浮标桶(134)的底端，短路器(7)与电子舱(6)上外部接口(135)相连。

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