本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种潜标无线实时通信系统及方法，应用于海洋观测潜标数据的实时回传。
背景技术：
海洋观测潜标主要用于在在深海海域获取长周期海洋科学数据，包括水下温度、盐度、深度、流速流向等信息。海洋观测潜标通常布放于水下几百米、几千米甚至上万米的深度，用于观测不同深度的海洋科学数据。常规的电磁波、光通信由于在水下衰减严重，无法实现在水下长距离的信息传输，因此潜标的观测数据无法使用传统的无线电等进行实时传输。传统的海洋观测潜标数据获取主要通过回收潜标后读取观测设备记录的数据获得，出海回收潜标成本高、工作量大，数据获取周期长、延迟高。
现有的潜标无线实时通信系统主要采用有缆的方式，即通过通信电缆将潜标观测数据上传到水面浮标，再通过水面浮标上安装的卫星通信模块将数据传回到地面实验室。该方案采用的水下通信电缆成本高，布放过程较为复杂，长期工作遇到恶劣海况后可靠性较差，而且当观测潜标深度达到几千米甚至上万米时，这些缺点会凸显的更加严重，使得该方案在实际应用中较为困难。水声通信是目前已知的水下长距离无线通信的唯一有效手段。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有的潜标有缆实时通信系统中水下长距离通信电缆成本高、布放困难、可靠性差等缺点，提出了一种潜标无线实时通信系统，利用水声通信技术实现了水下潜标与水面浮标之间的无线通信，先将潜标观测数据通过水声通信传输到水面浮标，浮标再通过卫星通信模块将数据传回到地面实验室。本系统由于潜标和浮标之间没通信电缆连接，布放方式简单，可靠性高，可应用于各种深度的海洋观测潜标实时数据传输。
为了实现上述目的，本发明提出了一种潜标无线实时通信系统，包括多个水下潜标和一个水面浮标；所述水下潜标包括多个海洋观测设备和潜标水声通信机；所述海洋观测设备用于实现海洋科学数据的观测和记录，所述潜标水声通信机用于将观测数据发送给水面浮标；所述水面浮标包括浮标本体和设置在浮标本体上的浮标水声通信机和卫星通信模块，所述浮标水声通信机通过多基元水声换能器阵接收水下潜标发送的观测数据；再将该数据通过卫星通信模块发回到数据采集服务器。
作为上述系统的一种改进，所述海洋观测设备包括声学多普勒流速剖面仪、温盐深仪和单点海流计，所述海洋观测设备通过电缆与潜标水声通信机连接；所述潜标水声通信机使用外部电池舱并联的方式供电，所述电池舱为高容量锂电池，供电电压为24v。
作为上述系统的一种改进，所述水面浮标还包括24v锂电池，为浮标水声通信机供电；所述浮标水声通信机将24v电压转换为合适的电压为卫星通信模块供电，所述卫星通信模块与浮标水声通信机通过rs232串口连接，所述卫星通信模块通过同轴电缆与卫星通信天线和gps天线相连接。
作为上述系统的一种改进，所述潜标水声通信机与浮标水声通信机进行数据传输时，当水面浮标和水下潜标进行握手命令的传输时采用mfsk；当进行大量潜标观测数据的传输时采用qpsk，当qpsk无法完成数据传输时，使用mfsk进行数据传输。
作为上述系统的一种改进，所述浮标本体为波浪滑翔机、自沉浮式浮标或自主式水下航行器。
基于上述系统，本发明提出了一种潜标无线实时通信方法，所述方法包括：
步骤1)当潜标水声通信机收到海洋观测设备发送的潜标观测数据后开始进入工作状态，向浮标水声通信机发送水声唤醒信号以及rts消息，本消息中包含潜标电池电压状态；
步骤2)浮标水声通信机收到唤醒信号后，根据当前信噪比设定合理的接收机增益和发射幅度，并向潜标水声通信机发送cts应答；潜标水声通信机收到cts应答后，根据应答消息中包含的发射幅度大小使用qpsk发送潜标观测数据；
步骤3)浮标水声通信机收到潜标观测数据后进行解码校验，然后向潜标水声通信机发送ack消息，此消息中包含校验结果，如果没有误码，进入步骤5)，否则，进入步骤4)；
步骤4)潜标水声通信机将误码帧数据用qpsk重发，浮标水声通信机收到重发数据并进行解码校验，向潜标水声通信机发送ack消息，如果还有误码，则潜标水声通信机将误码帧数据用mfsk重新调制发射；
步骤5)浮标水声通信机先将潜标状态信息、浮标状态信息、校验结果等通过卫星通信模块发送至数据采集服务器，然后再将本次收到的潜标观测数据通过卫星通信模块发送至数据采集服务器，传输完成后浮标水声通信机进入休眠状态。
作为上述方法的一种改进，所述潜标水声通信机完成一次数据发送后记录本次工作日志，关电进入休眠状态。
作为上述方法的一种改进，如果潜标水声通信机超时未收到浮标水声通信机的cts消息或ack消息，则潜标通信机关电，等待5分钟后重新进行与浮标水声通信机进行握手通信，如果重启超过3次仍未通信成功，则放弃本次数据传输，潜标水声通信机进入休眠状态；如有浮标水声通信机超时未收到数据，则浮标水声通信机直接进入休眠状态，等待潜标水声通信机再次发送唤醒信号。
作为上述方法的一种改进，在所述步骤2)还包括：所述浮标水声通信机收到唤醒信号后未收到rts命令或消息错误，则认为是误唤醒，浮标重新进入休眠状态；所述步骤5)还包括：如果卫星通信模块发送数据失败，则保存本次发送失败的数据包后进入休眠状态；在下一次卫星通信模块发送数据成功后，则读取是否有发送失败的数据包，如果有则通过卫星通信模块发送该数据包，如果没有则直接进入休眠状态。
作为上述方法的一种改进，在所述步骤1)之前还包括测试的步骤：测试模式通过甲板测试单元启动；用甲板测试单元向潜标水声通信机发送水声唤醒信号和启动测试命令，潜标水声通信机在收到测试命令后向浮标水声通信机发送唤醒信号及rts消息，测试模式下卫星通信模块上传的数据为在潜标水声通信机中存放的测试数据。
本发明的优势在于：
1、本发明的潜标无线实时通信系统可实现海洋潜标观测数据的实时回传，将以往需要通过回收潜标后才能获取到的海洋观测数据由录像回放变为了实时播放；
2、本发明的系统可实现全潜标观测设备的实时回传，对海洋科学研究、海洋环境和气候的预测、海洋环境安全保障等有着重要意义；
3、本发明的系统由于潜标和浮标之间没有通信电缆连接，具有布放方式简单、可靠性高等优点；由于海上作业时天气和海况等因素的不可控性，简单的布放方式对于在海上布放作业有很大意义；
4、本发明的系统可应用于海洋、湖泊、河流内各种观测潜标数据的实时回传，布放后可在无人值守长时间工作一年到几年，延长了潜标的维护周期，可大大降低出船维护潜标的成本；
5、本发明的系统已于2017年12月在西太平洋海域布放10套，对西太平洋潜标观测网进行了实时化升级，实时数据回传稳定，显著提升了我国对西太平洋海域水文状况的实时监测能力，并将有效提高我国对该海域海洋环境关键参数信息的预报水平。
附图说明
图1为本发明的通信系统的水下潜标的结构示意图；
图2为本发明的通信系统的水面浮标的结构示意图；
图3为本发明的通信系统的工作流程图；
图4为本发明的通信系统的水下潜标的工作流程图；
图5为本发明的通信系统的水面浮标的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的说明。
系统总体结构
潜标无线实时通信系统主要包括水下潜标和水面浮标两个部分。水下潜标主要由水声通信机和海洋观测设备组成，其中海洋观测设备主要有声学多普勒流速剖面仪(adcp)、温盐深仪(ctd)、单点海流计等，水下潜标主要实现海洋科学数据的观测和记录，同时通过电缆将数据发送给安装在潜标上的水声通信机，水声通信机通过水声通信将数据发送给水面浮标。水面浮标主要由水声通信机和卫星通信模块组成，由水声通信机接收水下潜标发来的水声通信数据，再将该数据通过卫星通信模块发回到地面实验室。
水下潜标系统
水下潜标的主要结构如图1所示，水声通信机有两路独立的rs-232数据接口，通过水密电缆连接可接收两台海洋观测设备的数据，在图1中连接了两台adcp，adcp内部自带电池，无需外部供电。水声通信机使用外部电池舱并联的方式供电，电池舱内配备了高容量锂电池，供电电压为24v，水声通信机的休眠功耗约为10mw，高速模式下的水声通信能耗比为0.005j/bit，低速模式下为0.09j/bit，可根据不同数据量、工作时长等应用需求增加或减少电池舱的配置。水声通信机可在水下长期工作，通常可连续工作一年到几年。
水面浮标结构
水面浮标系统如图2所示，主要包括水声通信机、多基元水声换能器阵(图中以4基元为例)、卫星通信模块(包含gps模块)、卫星通信天线、gps天线、24v锂电池。由于水声通信机要接收潜标发来的大量水声通信数据，所以使用多基元换能器阵通过空间分集来提升接收性能。24v锂电池为水声通信机供电，水声通信机内部可将24v转为合适的电压输出给卫星通信模块供电，卫星通信模块与水声通信机通过rs232串口连接，卫星通信模块通过同轴电缆与卫星通信天线和gps天线相连接。
工作流程
水声通信协议
水声通信机有两种水声通信调制方式，分别为相干通信qpsk和非相干通信mfsk。qpsk通信速率较高，可达6000bps，但在水声信道条件恶劣时可靠性会降低；mfsk可靠性较高，但其通信速率较低，约为300bps。结合这两种调制方式的优缺点，qpsk主要用于大量潜标观测数据的传输，结合浮标上的多基元水声换能器阵接收机，可实现较好的数据传输性能；mfsk主要用于浮标和潜标之间握手命令的传输，这些命令数据量较小但对可靠性的要求很高，因此使用高可靠性的mfsk，另外当水声信道条件恶劣qpsk无法完成数据传输时，也可使用mfsk进行数据传输。
潜标无线实时通信系统每次工作的主要流程如图3所示。为节省电量，在空闲时期潜标和浮标水声通信机均处于休眠状态，当潜标水声通信机通过串口收到潜标观测数据后开始进入工作状态，向浮标发送水声唤醒信号以及requesttosend(rts)消息(本消息中包含潜标电池电压等状态)，浮标收到唤醒信号后，根据当前信噪比设定合理的接收机增益和发射幅度，并向潜标发送cleartosend(cts)应答，潜标收到应答后，根据应答消息中包含的发射幅度大小开始用qpsk发送潜标观测数据，浮标收到数据并进行解码校验，然后向潜标发送acknowledgement(ack)消息，此消息中包含校验结果，如有误码，潜标将误码帧数据用qpsk重发，浮标收到重发数据并进行解码校验，向潜标发送ack消息，如果仍有误码，则潜标将误码帧数据再用mfsk重新调制发射，浮标收到数据并进行解码校验，然后潜标将进入休眠状态，浮标先将浮标状态(包含gps信息、电池电压等)、潜标状态、校验结果等通过卫星通信发回，然后再将本次收到的潜标观测数据通过卫星通信传回，传输完成后浮标进入休眠状态。以上水声通信潜标观测数据传输过程中如某次校验通过无误码，则直接跳过后面的重发过程进入卫星数据上传状态。
潜标工作流程
潜标水声通信机的主要工作流程如图4所示，在空闲时潜标处于休眠状态，只有值班电路工作，当通过rs232串口接收潜标观测数据后，进入数据上传状态，潜标通信机首先向浮标通信机发射水声唤醒信号和rts消息(包括电池电压、温度等状态)，然后等待浮标cts响应，收到浮标响应消息后，根据消息中指定的发射幅度用qpsk发送潜标观测数据，发送完成后，等待浮标ack校验结果消息，如果校验无误码，则潜标通信机关电进入休眠状态，如有误码，则将有误码的帧重新用qpsk调制发送，发送完成后等待浮标ack校验结果消息，如果校验无误码，则潜标通信机关电进入休眠状态，如有误码，则改用mfsk将有误码的帧重新调制发送，发送完成后潜标通信机记录本次工作日志，关电进入休眠状态，本次通信完成。
在以上过程中，如有一次超时未收到浮标cts或者ack消息，则潜标通信机关电，等待5分钟后重新进行握手通信，如重启超过3次仍未通信成功，则放弃本次数据传输，潜标进入休眠状态。
浮标工作流程
浮标水声通信机的主要工作流程如图5所示，在空闲状态时浮标处于休眠状态，只有值班电路处于工作状态监测是否收到水声唤醒信号，收到唤醒信号后，通信机上电进入接收rts状态，如未收到rts命令或消息错误，则认为是误唤醒，浮标重新进入休眠状态，如rts消息正确，则根据当前信噪比设置合理的接收机增益和发射幅度，并向潜标发送cts响应消息，其中包含当前应使用的发射幅度，然后接收qpsk数据并进行解码校验，向潜标发送校验结果ack消息，如无误码则直接进入卫星通信状态，如有误码则再次接收潜标重发的qpsk数据进行解码校验，向潜标发送校验结果ack消息，如无误码则进入卫星通信状态，如果仍有误码，则接收潜标重新发来的mfsk数据并进行解码校验，再进入卫星通信状态，先通过卫星通信将潜标、浮标状态(其中包含电池电压、温度、浮标gps位置等信息)消息发回，然后将潜标观测数据包通过卫星发回。在海况较差时卫星通信可能会失败，如果卫星发送数据失败，则保存本次卫星传输失败的数据包后进入休眠状态。如果卫星通信发送成功，则读取是否有旧的失败数据包，如果有则通过卫星发送旧的失败数据包，如果没有旧的失败数据包则直接进入休眠状态。
在以上通信过程中如有某次水声通信数据超时未收到，则浮标直接进入休眠状态，等待潜标再次发送唤醒信号，重新进行握手通信。
布放测试模式
为方便海上布放作业，潜标无线实时通信系统具有布放后测试模式，无须等待潜标观测设备完成一次通信进行数据回传来验证系统布放后的工作状态。测试模式可通过甲板测试单元启动。用甲板测试单元向潜标发送水声唤醒信号和启动测试命令，潜标在收到测试命令后向浮标发送唤醒信号及rts消息，此后进入与正常工作模式相同的数据上传流程。测试模式下上传的数据为事先在潜标通信机中存放的测试数据。
浮标状态定时回传
如果浮标通信机在在较长时间内(此时长可根据应用需求设置)始终没有收到潜标的唤醒信号进行潜标观测数据传输，为监测系统状态，浮标会将自身唤醒，通过卫星模块回传一条自身状态消息，包括电池电压、温度、浮标gps位置等信息。
全潜标无线实时通信
通常一套海洋观测潜标包括多套不同的海洋观测设备，通过缆绳连接，布放在不同深度，用重力锚固定在海底。通过在不同深度的观测设备上安装潜标水声通信机，每台水声通信机可支持两套海洋观测设备，多台潜标水声通信机共用一个水面浮标，将全潜标上所有观测设备的数据分时将数据通过水声通信传输到水面浮标，浮标再将数据通过卫星通信模块发回到地面实验室，实现全潜标观测数据的无线实时传输。
水面浮标改进
水面浮标由水声通信机、卫星通信模块、gps、卫星通信天线、电池舱、玻璃浮球等组成，布放后长时间漂浮在水面上，为防止其随海浪漂流与潜标距离太远，通过一跟缆绳与潜标连接。当洋流和海浪较大时，由于水下浮标的拖拽，水面浮标可能会被连接的缆绳拖下水面，由于卫星信号无法穿透海水，造成数据回传失败。另外水面浮标长时间漂浮在水面，隐蔽性较差，容易被过往船只发现，或者被渔网和船只拖拽，造成浮标损坏或丢失。
针对以上缺点，本系统的改进方案为将水面浮标替换为波浪滑翔机、自沉浮式浮标、自主式水下航行器(auv)等设备，通过在这些设备上搭载水声通信机和卫星通信模块等，实现与水下潜标通信机的水声通信及卫星数据回传。波浪滑翔机由太阳能和波浪能功能，能够在海洋上长时间航行，无须通过缆绳与潜标连接，不会被拖拽下水面，可以保证卫星通信的畅通。自沉浮式浮标可通过控制自身浮力实现上浮和下沉，在有卫星数据上传时浮出水面进行卫星通信，空闲时间沉入水下，可保证隐蔽性，防止被船只和渔网拖拽。auv可在海洋中自主航行，实现上浮下沉等动作，即可保证隐蔽性，又可保证在需要卫星通信传输数据时浮出水面。另外波浪滑翔机和auv可通过在海洋中自主航行，实现一套水面设备对相邻海域多套潜标数据的实时回传。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，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当中。