CN216252766U - 一种基于电磁波通信的海底原位观测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于电磁波通信的海底原位观测系统，包括：原位观测装置，原位观测装置上安装有一水下耐压天线；通信信标，通信信标通过水下耐压天线以电磁波与原位观测装置无线连接，并与原位观测装置进行数据交换；通信卫星，通信卫星与通信信标无线连接，并与通信信标进行数据交换。本实用新型的优点和积极效果在于，该系统利用电磁波通信方式，解决了现有海底原位观测装置存在的实时性差或可靠性差的问题。

Description

一种基于电磁波通信的海底原位观测系统

技术领域

本实用新型属于海洋观测技术领域，尤其涉及一种基于电磁波通信的海底原位观测系统。

背景技术

目前，越来越多的设备被投放于水下进行长期观测，比如潜标、海底原位观测装置等。其中海底原位观测装置是一种重要的海洋观测设备，能持续定点观测海底边界层的动力、水文等诸多要素。

根据数据获取手段的不同，可以将海底原位观测装置分为自容式和非自容式。自容式装置会将采集到的数据存入内部存储器，待采集完成后利用声学释放器回收整体装置，然后从内部存储器中人工下载数据；非自容式装置一般采用有缆或无线方式将数据传输给通信浮球，浮球通过释放机构脱离观测装置上升至海面，然后经过卫星将数据传回地面接收站。

海底原位观测装置大多为自容式，需要先期布放，经过一段时间的数据采集后，回收装置并读取数据，但数据实效性不足。

为了满足实时性，一些海底原位观测装置通过线缆将通信浮标释放到海面进行数据传输，但线缆、浮标会受到海流、风浪等环境影响，容易遭到破坏，而且浮标释放装置结构复杂，可靠性难以保证。

更加安全可靠的手段是采用无线传输方式将采集数据在水下传输至浮球，浮球被释放后上升至海面，再经卫星回传至地面站。目前普遍采用的水下通信方式的是声、光通信。声通信是传输距离远，但存在速率低、时延长、通信能耗大等问题。光通信最大的优势是容量大，然而光波受水下悬浮颗粒和浮游生物的散射影响较大，精准对接难度大。

实用新型内容

针对相关技术中存在的不足之处，本实用新型提供了一种基于电磁波通信的海底原位观测系统，以至少解决现有海底原位观测装置存在的实时性差或可靠性差的问题。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于电磁波通信的海底原位观测系统，包括：原位观测装置，原位观测装置上安装有一水下耐压天线；通信信标，通信信标通过水下耐压天线以电磁波与原位观测装置无线连接，并与原位观测装置进行数据交换；通信卫星，通信卫星与通信信标无线连接，并与通信信标进行数据交换。

作为优选，通信信标进一步包括固定基座与上浮单元，固定基座与上浮单元之间通过熔断机构连接，通信信标通过接收原位观测装置的熔断指令对熔断机构进行熔断以断开固定基座与上浮单元之间的连接。

作为优选，上浮单元包括一球舱，球舱中安装有水下通信单元和卫星通信单元，通信信标通过水下通信单元与原位观测装置无线连接，并通过卫星通信单元与通信卫星无线连接。

作为优选，球舱中还安装有卫星定位单元，通信信标还通过卫星定位单元获取定位数据。

作为优选，球舱中还安装有信标时钟单元，信标时钟单元通过信标控制器与卫星定位单元电性连接。

作为优选，通信信标具有至少一个。

作为优选，原位观测装置中安装有观测通信单元，并与水下耐压天线电性连接，原位观测装置通过观测通信单元以广播通信方式与通信信标进行电磁波通信。

作为优选，原位观测装置通过观测通信单元以点对点通信方式与通信信标进行电磁波通信。

作为优选，原位观测装置中安装有观测时钟单元，观测时钟单元通过观测控制器与观测通信单元电性连接。

作为优选，通信信标部署于原位观测装置的电磁波有效通信距离内。

相比于水下声、光通信，电磁波通信无须精确对准，系统结构简单，利于安装与维护；抗噪声能力强，不受水中浑浊物、生物附着物以及水压梯度的影响；支持一对多的广播通信方式。

本实用新型提供了一种基于电磁波通信的海底原位观测系统：该系统利用电磁波通信方式，将传感器测量的数据通过无线广播方式传输至通信信标，通信信标利用熔断机构脱离原位观测装置上浮至海面，到达海面后通过卫星链路将数据回传至地面站，完成水下信息传输任务。与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于，以通信信标作为原位观测数据的中转平台，实时性好、可靠性高、环境适应能力强；采用水下电磁波通信技术，结构简单、成本低、能耗小、抗干扰能力强，安装部署方式灵活；具有广播和点对点通信方式，满足原位观测装置的多样化的通信需求，数据传输效率高、稳定性好；通信信标利用通信卫星回传数据，安全可靠，获取数据的成功率高。

附图说明

图1为本实用新型的应用状态示意图；

图2为本实用新型的原位观测装置的结构示意图；

图3为本实用新型的通信信标的结构示意图；

以上各图中：

1、原位观测装置；

11、水下耐压天线；12、耐压舱；121、观测通信单元；122、传感器；123、观测存储器；124、观测电池；125、观测时钟单元；126、观测控制器；

2、通信信标；

20、上浮单元；21、球舱；22、熔断机构；23、固定基座；211、水下通信单元；212、卫星通信单元；213、卫星定位单元；214、信标时钟单元；215、信标控制器；216、信标电池；217、信标存储器；

3、通信卫星；

31、地面站。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-3所示，本申请实施例提供的一种基于电磁波通信的海底原位观测系统包括一个原位观测装置1、至少一个通信信标2和一个通信卫星3，具体的，通信信标2与原位观测装置1通过电磁波无线连接，通信信标2部署于原位观测装置1的电磁波有效通信距离内。通信卫星3与通信信标2无线连接。

原位观测装置1由耐压舱12、水下耐压天线11组成，水下耐压天线11是水下通信的关键器件，用于电磁波信号的收发，通信信标2通过水下耐压天线11以电磁波与原位观测装置1无线连接，并与原位观测装置1进行数据交换；耐压舱12由观测通信单元121、传感器122、观测存储器123、观测电池124、观测时钟单元125、观测控制器126组成，可作为长期观测及数据存储平台，利用水下电磁波与通信信标2建立无线连接。具体的，观测通信单元121、传感器122、观测存储器123、观测电池124、观测时钟单元125均电性连接于观测控制器126，水下耐压天线11电性连接于观测通信单元121。在具体实施中，

通信信标2由固定基座23与上浮单元20组成，两者之间由熔断机构22相连，熔断后上浮单元20可利用自身浮力脱离固定基座23，上浮单元20作为通信信标2的主要部分，包括熔断机构22和玻璃材质的球舱21，球舱21中安装有水下通信单元211、卫星通信单元212、卫星定位单元213、信标时钟单元214、信标控制器215、信标电池216、信标存储器217，具备水下、卫星通信和数据存储等功能，用于观测数据“中转”。具体的，水下通信单元211、卫星通信单元212、卫星定位单元213、信标时钟单元214、信标电池216、信标存储器217均电性连接于信标控制器215；具体的，水下通信单元211中集成了用于信标通信的水下耐压天线。

通信卫星3还包括部署在地面上的地面站31。

在具体实施中，将原位观测装置1和通信信标2通过船舶布放至指定区域的海底，此时通信信标2均处于待机状态；然后原位观测装置1的观测控制器126按照预先设定好的时间间隔进行原位测量，并将测得的数据保存在观测存储器123中。

在具体实施中，原位观测装置通过观测通信单元以点对点通信方式或广播通信方式与通信信标进行电磁波通信。到达设定时刻后，原位观测装置1通过水下耐压天线11以电磁波广播方式唤醒所有通信信标2，信标控制器215进入运行态并根据原位观测装置1的时间戳进行校时，具体的，第一个通信信标2向原位观测装置1上报最新的状态信息，原位观测装置1根据校时是否准确、电量是否充足、存储器工作是否正常等情况进行评估，确认第一个通信信标2是否满足任务要求，如不满足则通知第二个通信信标2上报状态信息，以此类推。一旦确定，原位观测装置1通过电磁波点对点通信方式向被选定的通信信标2发送数据，该通信信标2接收完数据并校验无误后开始熔断，随后信标上浮单元20脱离固定基座23升至海面；浮在海面之上的上浮单元20通过卫星定位单元213打开卫星定位开始搜索信号，可选的，通过北斗、GPS等定位卫星进行定位。一旦定位成功立刻将卫星时钟信息记录下来，以便为后期的观测数据时间校准工作提供依据，接着开启卫星通信功能，将数据通过通信卫星3经地面站31回传，经过数据处理后提供给用户使用。未释放的通信信标2将按照上述工作流程依次完成水下数据传输的任务。

与基于声、光的通信相比，基于电磁波的通信方式更加简单，也更加灵活。只需在原位观测装置1上安装水下耐压天线11，通信信标2在电磁波有效通信距离内环绕部署于天线周围，既无须精确对准，也不受生物附着影响，传输速率与通信能耗均可满足原位观测装置1长期水下数据传输的需要。水下数据传输方式包括广播与点对点两种，其中广播通信方式使用简单、覆盖角度大，所发送的信息可以被所有信标共享使用，不需要对信息地址进行过滤，用于通信信标2唤醒、校时信息发布，可以在保证通信质量的前提下节省成本，提高效率；点对点通信方式实时性好、传输稳定性高，所发送的信息中携带目标地址及源地址，用于数据传输、状态上报，可根据任务安排进行针对性的通信，提高数据传输成功率，减少重传次数。

以上，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电磁波通信的海底原位观测系统，其特征在于，包括：

原位观测装置，所述原位观测装置上安装有一水下耐压天线；

通信信标，所述通信信标通过所述水下耐压天线以电磁波与所述原位观测装置无线连接，并与所述原位观测装置进行数据交换；

通信卫星，所述通信卫星与所述通信信标无线连接，并与所述通信信标进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述通信信标进一步包括固定基座与上浮单元，所述固定基座与所述上浮单元之间通过熔断机构连接，所述通信信标通过接收所述原位观测装置的熔断指令对所述熔断机构进行熔断以断开所述固定基座与所述上浮单元之间的连接。

3.根据权利要求2所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述上浮单元包括一球舱，所述球舱中安装有水下通信单元和卫星通信单元，所述通信信标通过所述水下通信单元与所述原位观测装置无线连接，并通过所述卫星通信单元与所述通信卫星无线连接。

4.根据权利要求3所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述球舱中还安装有卫星定位单元，所述通信信标还通过所述卫星定位单元获取定位数据。

5.根据权利要求4所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述球舱中还安装有信标时钟单元，所述信标时钟单元通过信标控制器与所述卫星定位单元电性连接。

6.根据权利要求1-4任一项所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述通信信标具有至少一个。

7.根据权利要求6所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述原位观测装置中安装有观测通信单元，并与所述水下耐压天线电性连接，所述原位观测装置通过所述观测通信单元以广播通信方式与所述通信信标进行电磁波通信。

8.根据权利要求7所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述原位观测装置通过所述观测通信单元以点对点通信方式与所述通信信标进行电磁波通信。

9.根据权利要求7、8中任一项所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述原位观测装置中安装有观测时钟单元，所述观测时钟单元通过观测控制器与所述观测通信单元电性连接。

10.根据权利要求1所述的海底原位观测系统，其特征在于，所述通信信标部署于所述原位观测装置的电磁波有效通信距离内。

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