一种基于北斗卫星导航系统的无缆报警浮标的制作方法

本实用新型属于水声通信浮标技术领域，更具体地，涉及一种基于北斗卫星导航系统的无缆报警浮标。

背景技术：

潜艇在单独执行任务时，经常要与外界隔绝较长时间，在应急情况下需要与岸上沟通，就必须上浮以便把天线伸出水面，从而增加了暴露自身位置的风险；为此，可采用由潜艇释放水声通信浮标作为潜艇与无线电网络之间的通信联络节点的方法以规避所述风险。

现有浮标所依靠的定位系统主要有gps、“北斗”和argos等，而其数据传输则依赖于岸基无线通讯和卫星通讯，卫星通讯系统有argos、铱星、全球星和“北斗”等，其中北斗卫星导航系统作为我国独立研制开发的系统，有如下特点：该系统兼具定位与通信功能，通信时间间隔可以很短，因为北斗卫星是地球同步卫星，同时其终端可兼容其它定位系统；采用短报文模式通讯，传输速度快、实时性强、掉线率低，并能及时反馈接收信息，保证数据传输成功率；自主研发，数据传输不经其它服务器，保密性强。但是，由于水下压力很大，特征是在深海中的压力更大，现有的浮标装置将北斗对接机构安装于浮标内，往往因为较大水压导致其损坏，无法实现报警，因此，十分有必要开展基于北斗卫星导航系统的深海报警浮标研究工作。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供一种基于北斗卫星导航系统的无缆报警浮标，其通过钛合金耐压筒体及强度较高、透波性强、塑性好、耐疲劳的航空有机玻璃制备的非金属头罩共同构成浮标耐压壳体，并通过北斗对接机构获取浮标当前的定位信息，并将定位信息经由北斗卫星导航系统发送给后方救援中心，并接收后方救援中心的命令完成相应动作，报警响应快，定位精度高。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于北斗卫星导航系统的无缆报警浮标，包括：

钛合金耐压筒体及设于其顶部的非金属头罩，所述钛合金耐压筒体为圆柱状中空结构，非金属头罩为半球形中空结构，二者水密连接共同构成浮标耐压壳体；

所述浮标耐压壳体内设有多层安装架构，该多层安装架构包括中心柱状支撑杆和垂直于该柱状支撑杆的多层横隔板，多层横隔板将所述钛合金耐压筒体内部分隔为不同的腔体空间，用于安放元器件或设备；

所述柱状支撑杆顶部设有北斗对接机构，该北斗对接机构包括北斗定位发信模块，所述北斗定位发信模块包括北斗定位单元和北斗发信单元，用以获取浮标当前的定位信息，并将定位信息经由北斗卫星导航系统发送给后方救援中心，并接收后方救援中心的命令完成相应动作。

进一步地，所述北斗对接机构包括与所述北斗定位发信模块互联的北斗天线模块。

进一步地，所述北斗对接机构包括主控处理模块、与该主控处理模块互联的数据通信模块，所述数据通信模块包括磁隔离型rs通信单元和esd静电保护双向二极管。

进一步地，所述北斗对接机构包括触水检测模块，包括触水触点和触水检测电路，所述触水触点由外部接口引出，所述触水检测电路通过触水触点的导通或断开状态变化判定浮标是否触水。

进一步地，所述北斗对接机构包括：

自检模块，用以对浮标电路各模块进行自检；

自毁模块，采用继电器及升压电路，用以在浮标电路完成任务后，擦除掉存储的数据信息、破坏相关存储器件。

进一步地，所述北斗对接机构包括数据存储模块，其采用flash存储芯片，用以存储各种数据信息。

进一步地，所述北斗对接机构包括电源管理模块，该电源管理模块包括隔离保护电路、供电转.v电路、供电转v电路以及供电转v电路。

进一步地，所述柱状支撑杆底部设有浮标电池，该浮标电池通过螺栓与所述钛合金耐压筒体底板固定连接。

进一步地，所述钛合金耐压筒体底部设有水密连接件，其一端与所述浮标电池实现电连接，另一端与穿过钛合金耐压筒体的底板并向外延伸。

进一步地，所述钛合金耐压筒体和非金属头罩的对接面为多级台阶状结构，该多级台阶上分别设有o型密封圈，实现钛合金耐压筒体与非金属头罩的密封连接。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本实用新型的无缆报警浮标，通过钛合金耐压筒体及强度较高、透波性强、塑性好、耐疲劳的航空有机玻璃制备的非金属头罩共同构成浮标耐压壳体，并通过北斗对接机构获取浮标当前的定位信息，并将定位信息经由北斗卫星导航系统发送给后方救援中心，并接收后方救援中心的命令完成相应动作，报警响应快，定位精度高。

2.本实用新型的无缆报警浮标，北斗定位发信到达设定时长或接收到指挥中心发送的自毁指令后，通过两种手段实现报警信息自毁，其一是擦除数据信息，其二是采用大电压烧毁芯片，保证信息不可恢复，具体较高的安全等级。

3.本实用新型的无缆报警浮标，提高北斗天线的接收发射角和灵敏度，在大倾角下通信成功率高，保证救生浮标可靠定位发信。

4.本实用新型的无缆报警浮标，北斗对接模块处于空气中时，应处于关机状态；北斗对接模块固定在艇上时，处于rs485数据接收模式；被释放后，在海水中漂浮时，遇水开关感应浮标触水后，北斗对接模块自动切换为北斗模式。

5.本实用新型的无缆报警浮标，具备自检测功能，出航前，可启动北斗对接模块自检功能，并有相应的自检结果提示功能。固定在艇上时，控制主机可通过rs485发送检测指令，接收到指令后北斗对接模块进行状态检测，并通过rs485回传检测结果。

6.本实用新型的无缆报警浮标，耐压筒体采用钛合金材料并进行微弧氧化等防腐、防生物附着处理。头罩采用强度较高、透波性强、塑性好、耐疲劳的航空有机玻璃，在保证耐压强度的情况下兼顾了良好的北斗透波性能。

7.本实用新型的无缆报警浮标，通过潜艇导航信息及浮标自身定位信息两种位置信息报警，保证报警示位信息可靠准确。

8.本实用新型的无缆报警浮标，浮标的稳性好，经浮稳态优化满足五级海况以上卫星短报文通信。提高北斗天线的接收发射角和灵敏度，在大倾角下通信成功率高，保证救生浮标可靠定位发信。

9.本实用新型的无缆报警浮标，采用高能量密度锂氟化碳电池供电，体积小，重量轻，能量密度高。

10.本实用新型的无缆报警浮标，采用水密接插件实现在艇上的供电及数据传输，浮标释放时水密接插件自动脱离。

附图说明

图1为本实用新型实施例基于北斗卫星导航系统的无缆报警浮标结构示意图；

图2为本实用新型实施例北斗对接机构组成示意图；

图3为本实用新型实施例北斗对接机构工作原理示意图；

图4为本实用新型实施例基于北斗卫星导航系统的无缆报警浮标工作原理示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-钛合金耐压筒体、2-非金属头罩、3-o型密封圈、4-多层安装架构、5-北斗对接机构、6-浮标电池、7-水密连接件；

501-主控处理模块、502-数据通信模块、503-电源管理模块、504-触水检测模块、505-自检模块、506-自毁模块、507-北斗定位发信模块、508-北斗收发天线、509-数据存储模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型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。

如图1所示，本实用新型实施例提出一种基于北斗卫星导航系统的无缆报警浮标，其包括钛合金耐压筒体1、非金属头罩2、o型密封圈3、多层安装架构4、北斗对接机构5、浮标电池6以及水密连接件7。其中，钛合金耐压筒体1优选为圆柱状中空结构，非金属头罩2优选为半球形中空结构，二者对接面优选设计为多级台阶状结构，如图1所示。在该多级台阶上分别设有o型密封圈3，实现钛合金耐压筒体1与非金属头罩2的密封连接，共同构成浮标耐压壳体。多层安装架构4优选包括中心柱状支撑杆和垂直于该柱状支撑杆的多层横隔板，多层横隔板将钛合金耐压筒体1内部分隔为不同的腔体空间，用于安放浮标其他元器件或设备。柱状支撑杆底部设有浮标电池6，该浮标电池6通过螺栓与钛合金耐压筒体1底板固定连接，用于在应急情况下为无缆报警浮标供电。柱状支撑杆顶部设有北斗对接机构5，用于实现无缆报警浮标与北斗卫星导航系统的即时通信。此外，钛合金耐压筒体1底部设有水密连接件7，其一端与所述浮标电池6实现电连接，另一端与穿过钛合金耐压筒体1的底板并向外延伸，用于与浮标释放装置实现水密插接，实现无缆报警浮标的存储或释放。

进一步地，如图1所示，无缆报警浮标的耐压壳体结构参考jb4732及潜水系统和潜水器入级与建造规范设计，综合考虑外形尺寸、浮力、浮心、稳性、干舷高度、耐波性等因素，对浮标结构进行了计算和优化。浮标耐压壳体包括钛合金耐压筒体1和非金属头罩2两部分。非金属头罩2采用强度较高、透波性强、塑性好、耐疲劳的航空有机玻璃；钛合金耐压筒体1采用(tc11)材料并进行微弧氧化等防腐、防生物附着处理。此外，浮标耐压结构参考中国船级社潜水系统和潜水器入级与建造规范及相关设计经验，钛合金耐压筒体1的底端面采用厚平盖降低重心，底部锁紧结构辅助加强，圆柱筒体采用薄壁加肋骨的形式，满足强度和刚度要求。综合考虑导流外形、浮力、浮心、稳性、干舷高度等方面的使用要求，应用有限元进行轻量化优化。

如图2所示，北斗对接机构5在高海况海上恶劣环境下，能够实现简单、可靠的定位，并可长时间将自身定位数据通过卫星发送给后端救援中心，确认完成通信任务后，浮标可自动实现电路自毁。北斗对接机构5包括主控处理模块501、与该主控处理模块501互联的数据通信模块502和北斗定位发信模块507,以及与所述北斗定位发信模块507互联的北斗天线模块508。其中，所述主控处理模块501用以对浮标电路各模块进行统一调度和管理，控制电源管理模块实现浮标电路模式转换，控制数据通信模块实现与潜艇的数据通信等。所述北斗定位发信模块507用以获取浮标当前的定位信息，并将平台状态数据和北斗定位信息经由北斗发送给后方救援中心，而后接收后方救援中心的命令完成相应动作。北斗天线模块508用以实现能量转化，当其用作发射时，将传输线上的电能转化为电磁能发射给卫星，当其用作接收时，将卫星传回的电磁能转换为电能传输给浮标电路。数据通信模块502用以实现浮标电路同潜艇的数据通信，通过该模块，平台将自身获取的位置信息、状态信息等数据传送给浮标电路，并获取浮标电路返回的“传送成功”或“传送失败”信息。同时，平台可向浮标电路发送各种控制命令等。

进一步地，北斗对接机构5还设有触水检测模块504、自检模块505、自毁模块506以及数据存储模块509，且触水检测模块504、自检模块505、自毁模块506以及数据存储模块509分别与所述主控处理模块501连接。触水检测模块504用以检测浮标是否入水，浮标未入水时，触水检测模块504不工作，浮标工作在数据通信模式下，收集平台的状态信息，平台为浮标提供电源。当浮标入水后，触水检测模块504检测到短路信号，完成信号触发，浮标转换为北斗定位和发信模式，发出求救信号，此时，由浮标内部浮标电池6为电路供电。数据存储模块509用以存储各种数据信息，包括平台传送的数据、浮标入水后的北斗定位信息等。自毁模块506用以在浮标电路完成任务后，擦除掉存储的数据信息、破坏相关存储器件，同时，北斗定位通信模块也将被自毁。自检模块505用以对浮标电路各模块进行自检，当检测到异常时，浮标电路将异常信息传送给潜艇，通知平台人员进行处理。

此外，北斗对接机构5还设有电源管理模块503，该电源管理模块503用以根据浮标工作模式，实时控制各模块的开启和关闭，不同模式下只开启与之功能相关的模块，从而实时控制电路耗电量，降低功耗。

本实用新型的北斗对接机构5采用海上低干舷大摆角救生浮标电路，运用北斗定位发信技术、高可靠性天线技术，可实现高海况恶劣环境下的北斗定位发信报警、报警后信息自毁等功能，满足海上平台失事后的报警需求。

具体而言，如图3所示，主控处理模块501采用低功耗的arm处理芯片，其对整个电路进行统一调度控制，为其他模块提供通信接口，接收各个模块的数据，同时发送命令管理各个模块正常工作。其通过电源管理模块503根据工作流程开启和关闭北斗定位发信模块；同时通过数据接口定时地接收数据通信模块502传送的潜艇状态信息，并交由数据存储模块509储存；浮标电路自毁时，其通过自毁模块505，对数据存储模块509、北斗定位发信模块507供电模块施加大电压，烧毁存有数据的相应模块。

触水检测模块504包括触水触点和触水检测电路，触水触点由外部接口引出，浮标入水后，触水触点之间由断开状态转换为导通状态，触水检测电路检测到该状态变化，从而判定浮标触水。

北斗定位发信模块507包括北斗定位单元和北斗发信单元，北斗定位单元采用北斗二代无源定位方式，定位精度高、功耗低，北斗发信模块支持频点bd1s/l，发射功率≥40w。

北斗天线模块508主要功能是发射和接收l/s/b1频点的北斗信号。微带天线作为一维小型化天线，有轮廓低、重量轻、易共性等固有优点。考虑到浮标的体积、尺寸影响，浮标电路中采用微带天线作为北斗收发天线。该天线具有多频点共口径复合、圆极化、高增益等特点。采用性能优良的微波基板，以及“金字塔”式的微带贴片天线层叠结构，保证了产品性能指标的一致性和可靠性。

数据通信模块502包括磁隔离型rs422通信单元和esd静电保护双向二极管，磁隔离型rs422通信单元采用磁隔离技术，在功耗、体积、集成度、速度等各方面都优于光电耦合。而且能满足电源以及其它高隔离度环境下的隔离要求，非常适合在各种工业上的应用。

数据存储模块509采用flash存储芯片，为避免数据长期频繁刷新对flash存储芯片的损坏，采取循环存储flash芯片不同区域的策略，充分利用flash芯片每块区域，同时保证每次存储的数据都有相应备份。

自毁模块506采用继电器及升压电路，通过大电压烧毁相关有敏感数据的芯片。

电源管理模块503包括隔离保护电路、供电转3.3v模块、供电转5v模块(带控制)、供电转12v模块(带控制)。隔离保护电路监测触水检测电路输出信号，根据浮标触水与否来切换浮标电路的供电输入，当浮标未触水时，隔离保护电路选择潜艇电源输入作为浮标电路供电输入，当浮标触水后，隔离保护电路选择电池输入作为浮标电路供电输入，由于电池选用一次性不可充电电池，潜艇输入电源作为供电电源时，隔离保护电路将电池输入与潜艇电源输入机械隔离，防止漏电流长时间对电池造成损坏。供电转5v模块和供电转12v模块通过配套电路经由中央处理模块控制可实现电源输出的开启和关闭，从而控制不同模式下各种模块的启动和停止，达到降低功耗的目的。

如图4所示，本实用新型的无缆报警浮标工作原理如下：

(1)搭载平台状态信息更新状态

浮标安装到位后，浮标电路通过水密连接件7和搭载平台主控系统电缆相连，主控系统电缆由供电线路和rs485通信线路组成。此时，浮标电路由搭载平台提供供电电源。

搭载平台主控系统每隔1分钟(可软件设置，既保证状态更新实时，又不致刷新过多使浮标电路寿命降低)通过rs485接口将搭载平台状态信息传送给浮标电路，接收到信息后，浮标电路将状态信息写入自身存储系统，并发送“已写入”状态信息通知搭载平台主控系统。如果主控系统在60s(可软件设置)内未收到“已写入”应答，则搭载平台主控系统将发出报警。

(2)北斗定位及发信状态

搭载平台失事后，主控系统控制释放装置将浮标释放入水，此时，浮标电路触水开关导通，电源管理模块503将电源输入转换为浮标电池6供电，并启动北斗定位发信模块507，立即建立与北斗卫星的通信通道(搜星)，获取北斗定位位置信息，并将此与搭载平台失事前状态信息等编辑成短报文形式(rdss服务)通过北斗卫星上行通信链路，按一定间隔发送频率发送至后方指挥中心。

(3)电路自毁

后方指挥中心获取浮标传送的失事报警信息短报文后，浮标电路有两种自毁方式。第一种是指挥中心向浮标发送“自毁”指令，浮标电路完成自毁；一种是设置浮标报警时间门限，一旦门限到达，浮标自动完成自毁。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。