专利名称：一种用于水下通信节点的定向发射方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水声通信领域，更具体地 说，本发明涉及一种用于水下通信节点的定向发射方法和装置。
背景技术：
由于电磁波在水中衰减很大，目前中远距离的水下无线通信主要采用水声通信技木。随着海洋战略地位日益重要，海洋环境数据采集、水下目标探测等应用中越来越多的采用了多节点水声通信网络。在这样的系统中，多个节点间可以互为数据传输中继和备份，提高了通信距离和可靠性。然而，目前水下通信网络面临两个突出的问题第一，水声通信节点的能源受限。水下节点一般依赖电池工作，除非特别接近海面的节点能够利用太阳能充电之外，没有低成本的能源补充途径。受体积、成本等因素限制，电池容量也不可能无限大，这使得水声通信节点有效工作寿命受限，此外，本领域技术人知道，水声通信节点的能源主要消耗在发射时向外辐射能量，而接收及信号处理消耗能量相对很小。第二，水声通信网络的容量受限。水声信道是共享信道，当某两个节点通信时，所发射的声信号对一定距离内的其它节点造成干扰。水声信道的带宽非常有限，因此节点间采用频分复用方式工作效率不高。相对于光速，水中声速很低，节点间精确同步困难，采用时分复用工作方式也不容易。组网时多个节点共享信道，使网络整体通信容量难以提高。现有技术中水下通信节点布放时通常采用锚定或吊放的方式，虽然也可以采用支架固定在海底采用定向发射的技术来減少能量消耗提升通信容量，但是由于采用支架固定节点成本很高因而很少采用。同时对于采用锚定或吊放方式布放的水下通信节点，其方向受水流影响而变化，存在不确定性，因此，现有技术中针对这类水下通信节点发射信号时ー般在垂直方向采用窄的开角，而水平方向则采用全向发射。但是采用这种方式有两大缺点，一是发射节点能源利用率低，ニ是会造成节点间干扰，使得带宽受限的通信系统的容量受到限制。
发明内容
本发明的目的在干，为克服现有技术的采用锚定或吊放方式布放的水下通信节点在发射信号时水平方向采用全向发射所导致水声通信节点的能量效率低且水声网络通信容量小的问题，本发明在不用改变节点通用的锚定或吊放方式布放的条件下实现了节点在发射信号时定向发射，从而提供一种用于水下通信节点的定向发射方法和装置。采用本发明的定向发射技术可以将辐射声能量限制在一个较小的水平角度内，避免全向发射所帯来能量的浪费，提高水声通信节点的能量效率；同时减小全向发射所导致的对网络中其它节点的干扰，实现信道的空分复用，从而提高网络整体通信容量；即本发明提供ー种用于水下通信节点的定向发射方法和装置。针对本发明的目的，本发明提供一种用于水下通信节点的定向发射方法，该方法用于采用锚定或吊放方式布放的水下通信节点通信信号的定向发射，包含确定目标节点方位的步骤，发射节点根据其自身的位置信息及目标节点的位置信息，确定目标节点相对于所述发射节点的方位；选择当前指向所述目标节点方位的定向换能器进行发射的步骤，所述发射节点根据确定的目标节点方位和自身方向信息，选择设置于其上的某ー合适的定向换能器向所述目标节点发射信号。其中，位置信息是指海平面上某一点的地理坐标，由经纬度表示；方位与方向均为角度概念，目标节点方位是从发射节点与地理北极的射线起，顺时针方向至发射节点至目 标节点射线的水平夹角；发射节点的方向为从发射节点与地理北极的射线起，顺时针方向至发射节点上一设定參考直线的水平夹角。根据发射节点和目标节点的位置，可以通过几何方法目标节点相对于发射节点的方位；然后根据定向换能器的安装角度和发射节点自身的方向，可知当前发射节点上哪个定向换能器覆盖目标节点所在方位，从而选择该定向换能器发射通信信号。上述技术方案中，所述目标节点的位置信息在布放时人工设定或在通信过程中测量得到；所述发射节点自身方向通过罗盘传感器測量并计算得到。针对以上方法，本发明提供一种用于水下通信的定向发射装置，该装置实现采用锚定或吊放方式布放的水下通信系统的发射节点信号的定向发射，包含用于存储发射节点位置和目标节点位置信息的存储单元，用于接受終端信号的接收单元，用于处理所述接收信号的信号处理单元，用于对发射信号进行放大的功放単元，其特征在于，所述的装置还包含布放在所述发射节点上的若干个定向换能器，用于所述发射节点定向地向目标节点发射信号；设置于所述发射节点上的罗盘传感器，该罗盘传感器用于测量所述发射节点自身的方向；目标方位计算单元，该单元依据所述发射节点自身的位置信息和所述发射节点和所述目标节点的位置信息，计算得到所述目标相对于所述发射节点的方位；和发射换能器切換器/双エ器，用于依据所述目标相方位和发射节点自身方向，从所述若干个定向换能器选择某一个合适的定向换能器向所述目标节点发射信号。上述技术方案中，所述定向换能器可设置于水声通信节点壳体外围，或者由透声材料制做的壳体内部。所述罗盘传感器可设置于水声通信节点壳体外部节点垂直中心线延长线上，或者由非铁磁性材料制作的壳体内部节点垂直中心线上。本发明的优点是(I)采用定向发射技术，使发射能量集中，提高水声通信节点的能量效率，可以使能量集中，避免浪费；(2)减小水声节点间通信时对网络中其它节点的干扰，实现信道的空分复用，提高水声网络的通信容量。
图I是水声通信节点的吊放或锚定的示意图2是现有水声通信网络节点的水平指向性示意图；图3是本发明实施例中水声通信节点的组成及原理的框图。图4是本发明目标节点方位与发射节点方向计算与測量示意图；图5是采用本发明的水声通信网络节点的水平指向性示意具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明作进ー步的描述。为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案在水声通信节点上安装N个(N > I)发射波束开角为360° /N的定向发射换能器(或换能器阵列)，共同覆盖水平360°范围。同时，在节点上安装罗盘传感器，在毎次通信 发射前测量节点自身的方向，并计算通信目标节点的方位，然后选择覆盖相应方位的发射换能器进行发射。具体步骤如下(I)根据预先存诸的或測量得到的发射节点以及目标节点的位置坐标计算出目标节点方位角，即发射节点至地理北极射线顺时针至发射节点至目标节点射线的夹角；(2)利用罗盘传感器测量发射节点的方向，即从发射节点与地理北极的射线起，顺时针方向至发射节点上一设定參考直线的水平夹角；(3)根据发射节点自身方向，以及其上各定向换能器的安装角度计算各定向换能器声辐射面中心法线指向与目标节点方位角的差值；(4)选择使该角度差值绝对值最小(即指向目标节点方位)的那个定向换能器发射通信信号。在步骤(I)中，各节点的位置坐标可以在布放时人工设定，也可以在通信过程中測量得到。所述步骤I)中目标节点方位角可通过几何方法计算得到，ー种具体方法如下设发射节点坐标(纬度，经度)为(lat。，long。)，目标节点坐标为(Iat1, Iong1),坐标单位均为度，北纬为正，南纬为负，东经为正，西经为负，将地球近似为理想球形，则目标节点方位角为Θ = {atan2 [sin (Iong1-Iong0) cos (Iat1),cos (Iat0) sin (Iat1) -sin (Iat0) cos (Iat1) cos (Iong1-Iong0)]+360} % 360 (I)式中atan2为四象限反正切函数，返回值区间为(-180°，+180° )，通过+360°和％取余计算使方位角转换至(0° ,360° )区间。图I为水声通信节点的布放示意图。在图中，节点A为锚定方式，节点本身为正浮力，通过锚链固定在水中。节点B为吊放方式，节点本身为负浮力，通过缆绳吊放在水面浮标下。两种情况下，节点本身的方向都受水流的影响而变化。图2是现有水声通信网络及节点水平指向性示意图。A、B、C、D为4个水声通信节点。由于各节点发射指向性为水平全向，当节点A向节点B发送数据时，其发射信号也会到达节点D处，对节点C与节点D之间的通信形成干扰。图3是本发明水声通信节点原理框图。图中发射节点设计为正六棱柱体，水平截面为正六边形，定向换能器#1至#6(#1至#6六个换能器在节点外围依据编号采用顺指针排序)为水平发射开角60°的定向发射换能器，均匀安装在发射节点外国。罗盘传感器安装在中心位置，其指北方向与发射换能器#I声辐射面法线一致，取发射换能器#I声辐射面法线方向为发射节点自身的方向。当数据终端设备要向其它节点发送数据时，目标方位计算单元根据当罗盘传感器信息及目标节点与本节点的坐标计算出当前目标节点相对于本节点的方位，并控制发送换能器切换器将覆盖该方位的发射换能器与功放连接进行发射。图4是本发明目标节点方位与发射节点方向计算与測量示意图。A为发射节点，B为目标节点。节点A根据两节点的坐标和式(I)计算出B节点的方位角Θ。根据罗盘传感器读数Q1和各定向换能器的安装角度关系，可计算出各换能器(图中仅画出定向换能器#I和#5)当前的指向QiQ = I, 2，…，6)，以及其与目标节点方位角的差值绝对值
Θ-Θ」。在本例中，θ5与Θ的差值绝对值最小，因此选择定向换能器#5发射通信信号。图5是采用本发明的水声通信网络及节点指向性示意图。A、B、C、D为4个水声通信节点。各节点装有6个间隔60°且水平发射开角为60°的定向换能器。当节点A要与·节点B通信时，根据两节点的坐标计算节点B所在方位，然后再根据罗盘数据选择当前覆盖该方位的换能器进行发射。由于节点D位于节点A发射波束之外，节点C与节点D的通信不会受到干扰，即相对于原全向发射时的情形，水声信道得到了复用。如果节点采用N个定向发射换能器，每个发射换能器的水平开角为(360/N) °，则在保持接收节点处信噪比相同的情况下，定向发射所需的功率近似为全向发射时的1/N。在本实施例中，N = 6，节点定向发射时的功率可以降为1/6，如果采用相同容量的电池，则节点有效工作时间变为原来的6倍。同吋，由于发射波束开角降为全向发射时的1/6，对网络中其它节点造成干扰的概率也降低了 6倍。N的取值越大，带来的好处越明显，但是对于目标节点方位和发射节点自身方向的測量精度和稳定性要求也越高，采用更多的定向换能器也会带来成本的上升，因此实际系统应折衷考虑N的取值。需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
权利要求
1.一种用于水下通信节点的定向发射方法，该方法用于实现采用锚定或吊放方式布放的水下通信节点通信信号的定向发射，包含 确定目标节点方位的步骤，发射节点根据其自身的位置信息及目标节点的位置信息，确定目标节点相对于所述发射节点的方位； 选择当前指向所述目标节点方位的定向换能器进行定向发射的步骤，所述发射节点根据确定的目标节点方位及自身方向信息，选择设置于其上的某ー合适的定向换能器向所述目标节点定向发射信号； 其中，所述位置信息用基于经纬度的地理坐标表示；所述目标节点方位是从所述发射节点与地理北极的射线起，顺时针方向至目标节点射线的水平夹角；所述发射节点的方向是从发射节点与地理北极的射线起，顺时针方向至发射节点上一设定參考直线的水平夹角。
2.根据权利要求I所述的用于水下通信节点的定向发射方法，其特征在于，所述位置信息在布放时人工设定或在通信过程中測量得到。
3.根据权利要求I所述的用于水下通信节点的定向发射方法，其特征在于，所述目标节点方位根据发射节点与目标节点的经纬度坐标采用几何方法得到。
4.根据权利要求I所述的用于水下通信节点的定向发射方法，其特征在于，所述发射节点自身方向利用安装在发射节点上的罗盘传感器测量并计算得到。
5.根据权利要求I所述的用于水下通信节点的定向发射方法，其特征在于，所述选择某一合适的定向换能器进行发射的步骤进一歩包含如下步骤 根据发射节点自身方向，以及其上各定向换能器的安装角度计算各定向换能器声福射面中心法线指向与所述目标节点方位角的差值，选择使该差值绝对值最小的那个定向换能器向所述目标节点发射通信信号。
6.一种用于水下通信节点的定向发射装置，该装置用于实现采用锚定或吊放方式布放的水下发射节点向水下目标节点定向发射通信信号，包含用于存储发射节点位置和目标节点位置信息的存储单元，用于接受終端信号的接收单元，用于处理所述接收信号的信号处理单元和用于发射信号放大的功放単元，其特征在于，所述的装置还包含 设置于发射节点上的若干个定向换能器，用于向目标节点定向地发射信号； 设置于发射节点上的罗盘传感器，用于测量发射节点的方向信息； 目标方位计算单元，该单元依据所述发射节点自身的位置信息和所述发射节点和所述目标节点的位置信息，计算得到所述目标相对于所述发射节点的方位；和 发射换能器切換器/双エ器，用于依据所述目标相方位和发射节点自身方向，从所述若干个定向换能器选择某一个合适的定向换能器向所述目标节点发射信号。
7.根据权利要求6所述的用于水下通信节点的定向发射装置，其特征在于，所述定向换能器可均匀或不均匀的设置于水声通信节点壳体外围，所述定向换能器声辐射面向外，共同覆盖水平360°范围。
8.根据权利要求6所述的用于水下通信节点的定向发射装置，其特征在于，所述发射节点可包含由透声材料制作的外壳，所述定向换能器可设置于透声壳体内部，所述定向换能器声辐射面向外，共同覆盖水平360°范围。
9.根据权利要求6所述的用于水下通信节点的定向发射装置，其特征在于，所述罗盘传感器可设置于发射节点垂直中心线的延长线上，位于节点主体结构的顶部或底部。
10.根据权利要求6所述的用于水下通信节点的定向发射装置，其特征在于，所述发射节点可包含由非铁磁性材料制作的外壳，所述罗盘传感器可设置于该外壳壳体内部节点垂直中心线上。
全文摘要
本发明提供一种用于水下通信节点的定向发射装置及方法，该方法用于锚定或吊放方式布放的水下通信节点通信信号的定向发射，包含确定目标节点方位的步骤，发射节点根据其自身的位置信息及目标节点的位置信息，确定目标节点的方位；选择当前指向所述目标节点方位的定向换能器进行发射的步骤，所述发射节点根据确定的目标节点方位和自身当前方向信息，选择设置于其上的某一合适的定向换能器向所述目标节点发射信号。本发明还提供一种装置，该装置通过在水声节点上安装定向发射换能器以及罗盘传感器，在发射通信信号前计算目标节点的方位，并测量节点自身的方向，然后选择当前覆盖相应目标节点方位的定向换能器进行发射。
文档编号H04B7/06GK102843174SQ20111016740
公开日2012年12月26日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者王永丰, 刘云涛, 张秋生 申请人:中国科学院声学研究所