一种水下长波通信中继站的信息转发控制方法和系统

本发明属于水下通信领域，特别涉及一种水下长波通信中继站的信息转发控制方法和系统。

背景技术：

长波通信/超长波通信能穿透10-30米深的海水对水下目标实现数千甚至上万公里的远距离/超远距离的通信，此外长波通信/超长波通信传播过程稳定抗干扰性强、可靠性高。但是长波通信/超长波通信需要千兆以上的大功率发射机和几百上千米的超长天线，无缆水下机器人auv的体积和功耗要求很难应用长波通信和超长波通信。综上所述要想通过长波/超长波实现对auv的远距离/超远距离的通信需要一种新的方法。

技术实现要素：

为满足技术背景中的需求，本发明提供一种水下长波通信中继站的信息转发控制方法和系统。

本发明的技术方案：

一种水下长波通信中继站的信息转发控制系统，主要由岸站1、水下中继站2和auv端通信单元3组成；

所述岸站1为auv的远程控制中心，通过长波实现超远距离通信所述水下中继站2；所述水下中继站2负责auv和岸站1间的信息转发；所述auv端通信单元3负责auv和水下中继站2间的通信，包括水声通信和直连通信两种通信方式；

所述岸站1主要由发射机a4、天线5和控制平台6组成；所述控制平台6、发射机a4和天线5通过导线依次串联；

所述水下中继站2主要由桅式天线7、发射机b8、密封舱9、锂电池电源10、收发合置电路11、滤波放大电路12、调制电路13、解调电路14、水声换能器a15、控制系统电路16、水下直连母口17、数字阀门18、气罐19、过孔钢板20、支撑架21和主气管22组成；

所述控制系统电路16通过导线分别与锂电池电源10、调制电路13和解调电路14直接相连；水声换能器a15、水下直连母口17和数字阀门18使用导线和防水胶通过密封舱9顶部或底部与控制系统电路16相连，其中水下直连母口17用于连接的导线为母口导线32；所述调制电路13、发射机b8、收发合置电路11通过导线依次相连；所述解调电路14、滤波放大电路12、收发合置电路11通过导线依次相连；所述收发合置电路11和桅式天线7通过导线直接相连；所述水下直连公口23和水声换能器b24分别通过导线与auv系统相连，其中水下直连公口23用于连接的导线为公口导线37；

所述水下直连母口17主要由push-push机械结构26、防水硬壳27、橡胶圈a28、分气管29、气管合置器30、导线接触片a31和母口导线32组成；气管合置器30与主气管22相连，气管合置器30通过分气管29与防水硬壳27相连；防水硬壳27上缘设有橡胶圈a28，其内壁固定有push-push机械结构26，其一侧面设有导线接触片a31；导线接触片a31与母口导线32相连；所述水下直连公口23主要由防水顶盖33、橡胶圈b34、导线接触片b35、气嘴36和公口导线37组成；防水顶盖33的上表面设有两个气嘴36，防水顶盖33下表面与导线接触片b35相连，导线接触片b35进一步与公口导线37连接；防水顶盖33的下表面安装有橡胶圈b34；

所述水下直连母口17通过主气管22与数字阀门18相连，所述数字阀门18与气罐19直接相连；所述水下直连母口17通过母口导线32穿过密封舱9顶部与控制系统电路16相连；所述桅式天线7通过导线穿过密封舱9底部与收发合置电路11相连；所述水声换能器a15和数字阀门18分别通过导线穿过密封舱9底部与控制系统电路16相连；

所述气罐19内部压缩的气体依次通过主气管22、气管合置器30和分气管29到达水下直连母口17，用于排除水下直连母口17内部海水形成气穴保证水下直连母口17和水下直连公口23连接时不发生短路；

所述锂电池电源10、收发合置电路11、滤波放大电路12、调制电路13、解调电路14和控制系统电路16放置于密封舱9内部；所述密封舱9固定在过孔钢板20的上两层钢板之间，以第二层钢板作为承重支撑架；所述水声换能器a15固定在第二层钢板底部；所述水下直连母口17镶嵌在第一层钢板内；所述气罐19固定在第三层钢板上；所述支撑架21由四根中空钢管和四根防水角铁组成，四根中空钢管支撑固定过孔钢板20的三层钢板，四根防水角铁呈外八结构稳定支撑整个水下中继站2；

所述auv端通信单元3主要由水下直连公口23和水声换能器b24组成。

所述桅式天线7固定安装在过孔钢板20第三层钢板上；桅式天线7呈桅式结构，长度为几百米，两端通过多根纤绳25牵引；所述纤绳25一端与桅式天线7连接，另一端与过孔钢板20第二层钢板连接，用于将长波信号转为电信号。

所述过孔钢板20由三层钢板组成，每块钢板有均匀的过孔，在水下中继站2布置过程中减少海水的阻力；同时作为密封舱9、水声换能器a15、水下直连母口17和气罐19的固定架；为了使水下中继站2更加稳固，在第三层钢板上压上重物使得水下中继站2中心下移。

所述水声换能器a15和水声换能器b24用于电信号和声信号之间的转换；所述滤波放大电路12用于桅式天线7输入的电信号，消除长波或者声波传输过程中的环境噪声和多途传播干扰同时增强电信号；所述调制电路13用于将数字信号调制成电信号，所述解调电路14用于将电信号解调成数字信号；所述控制系统电路16负责水下中继站2的信息收发处理和其他逻辑业务；所述数字阀门18是气罐19的控制开关，由控制系统电路16控制开关工作。

所述push-push机械结构26与sd卡的卡槽结构相同，首次触发时会锁死，再次触发时会复位。

所述防水顶盖33呈倒“凹”型结构，由一个顶部硬片和两片垂直硬片形成一体，其中一片垂直硬片存在豁口，在水下直连公口23插入水下直连母口17时嵌合push-push机械结构26的突出部件，触发push-push机械结构26。

所述气嘴36只能单向导通，气体或者海水只能自下而上通过，自上而下的海水无法通过。

一种水下长波通信中继站的信息转发控制方法，该信息转发控制方法基于水下长波通信中继站的信息转发控制系统实现；

岸站1对auv实现超远距离通信控制流程如下：

(1)工作人员的指令通过控制平台6下达并转换为数字信号，数字信号经过发射机a4转换成电信号，电信号通过天线5转换成长波信号向外发送；

(2)发出的长波信号在地球表面和电离层之间传播；桅式天线7接收到长波信号，将长波信号转换为电信号；电信号依次经过收发合置电路11和滤波放大电路12，滤波放大电路12对电信号进行过滤环境噪声和去除多途传播干扰同时增强电信号；处理之后的电信号经过解调电路14转换成数字信号，数字信号输入控制系统电路16解析出任务指令实行相应业务操作；控制系统电路16将指令转换成数字信号经过水声换能器a15或水下直连母口17向auv转发；

(3)auv通过auv端通信单元3接收并转换成数字信号，实现岸站1对auv的通信。

水下中继站2使用水声通信与auv通信控制流程如下：

控制系统电路16将指令转换成数字信号，数字信号经过水声换能器a15转换成水声信号向外发送；水声换能器b24接收水声信号转换成数字信号发送到auv系统。

水下中继站2使用直连通信与auv通信控制流程如下：

(1)auv运动到水下中继站2附近将水下直连公口23竖直插入水下直连母口17；插入时，水下直连公口23的豁口垂直硬片嵌合并带动push-push机械结构26的突出部件，首次触发push-push机械结构26，使push-push机械结构26锁死；此时橡胶圈a28和橡胶圈b34受力紧密贴合，同时导线接触片a31和导线接触片b35紧密贴合；水下直连公口23和水下直连母口17形成一个密闭空间，空间内充满海水；

(2)控制系统电路16通过导线控制数字阀门18开启，气罐19内部的高压空气依次通过主气管22、气管合置器30和分气管29到达水下直连母口17内部将所述密闭空间的海水压出，海水和高压空气自下向上通过气嘴36将海水压出；短暂时间后控制系统电路16通过导线控制数字阀门18关闭，海水由于重力自上而下压向气嘴36，气嘴36自上而下无法通过，此时水下直连公口23和水下直连母口17的密闭空间充满空气没有海水，保证后续直连通信时不会发生短路；

(3)控制系统电路16将任务转换成数字信息，数字信号通过水下直连母口17和水下直连公口23向auv系统通信；

(4)完成通信后auv控制水下直连公口23向下用力，再次触发push-push机械结构26，push-push机械结构26复位，水下直连母口17和水下直连公口23断开连接。

本方法和系统的有益效益：本方法和系统提供一种水下中继站，联合利用长波通信、水声通信/直连通信实现岸站超远距离通信auv，无需布置卫星、无线ap、通信船等中继设备和复杂通信转换手段。水下中继站还提供直连高速通信手段和远程水声通信手段，设计可水下插拔通信接口实现高速的通信要求，节约了通信时间和auv能耗。

附图说明

图1为系统架构图；

图2a为水下中继站结构图，b为主视图，c为俯视图，d为左视图；

图3为气罐相关部分局部放大图；

图4a为水下直连母口结构图，b为主视图，c为俯视图，d为左视图；

图5a为水下直连公口结构图，b为主视图，c为俯视图，d为左视图；

图中：1岸站；2水下中继站；3auv端通信单元；4发射机a；5天线；6控制平台；7桅式天线；8发射机b；9密封舱；10锂电池电源；11收发合置电路；12滤波放大电路；13调制电路；14解调电路；15水声换能器a；16控制系统电路；17水下直连母口；18数字阀门；19气罐；20过孔钢板；21支撑架；22主气管；23水下直连公口；24水声换能器b；25纤绳；26push-push机械结构；27防水硬壳；28橡胶圈a；29分气管；30气管合置器；31导线接触片a；母口导线32；33防水顶盖；34橡胶圈b；35导线接触片b；36气嘴；37公口导线。

具体实施方式

以下结合技术方案和说明书附图，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种水下长波通信中继站的信息转发控制方法和系统架构连接如图1所示，所述控制平台6、发射机4a和天线5通过导线依次串联；所述控制系统电路16通过导线分别与锂电池电源10、水声换能器15a、调制电路13和解调电路14直接相连；水声换能器15a、水下直连母口17和数字阀门18使用导线和防水胶通过密封舱9顶部或者底部与控制系统电路16相连，其中水下直连母口17用于连接的导线为母口导线32；所述调制电路13、发射机8b、收发合置电路11通过依次相连；所述解调电路14、滤波放大电路12、收发合置电路11通过导线依次相连；所述收发合置电路11和桅式天线7通过导线直接相连；所述水下直连公口23和水声换能器24b分别通过导线与auv系统相连，其中水下直连公口23用于连接的导线为公口导线37。

水下中继站2结构连接如图2a所示，所述水下直连母口17通过主气管22与数字阀门18相连，所述数字阀门18与气罐19直接相连；所述水下直连母口17通过母口导线32穿过密封舱9顶部与控制系统电路16相连；所述桅式天线7通过导线穿过密封舱9底部与收发合置电路11相连；所述水声换能器15a和数字阀门18分别通过导线穿过密封舱9底部与控制系统电路16相连；

所述锂电池电源10、收发合置电路11、滤波放大电路12、调制电路13、解调电路14和控制系统电路16放置于密封舱9内部；所述密封舱9固定在过孔钢板20第一二层钢板之间，以第二层钢板作为承重支撑架；所述水声换能器15a固定在过孔钢板20第二层底部；所述水下直连母口17镶嵌在过孔钢板20第一层；所述气罐19固定在过孔钢板20第三层；所述支撑架21由四根中空钢管和四根防水角铁组成，四根中空钢管支撑固定过孔钢板20的三层钢板，四根防水角铁呈外八结构稳定支撑整个水下中继站2；

系统工作中，auv端通信单元3搭载到auv上，由auv系统提供电能，同时auv系统通过auv端通信单元3向外界进行通信。水下中继站2通过支撑架21布置在auv工作海域的海底，桅式天线7在纤绳25和过孔钢板20的作用下稳定固定在过孔钢板20的第三层钢板上。岸站1在距离auv工作海域超远处。

岸站1对auv实现超远距离通信控制流程如下：

工作人员的指令通过控制平台6下达并转换为数字信号，数字信号经过发射机4a转换成电信号，电信号通过天线5转换成长波信号向外发送。

发出的长波信号在地球表面和电离层之间传播，距离可达数千至上万公里，而且可以穿透几十米的海水。桅式天线7接收到长波信号，将长波信号转换为电信号。电信号依次经过收发合置电路11和滤波放大电路12，滤波放大电路12对电信号进行过滤环境噪声和去除多途传播干扰同时增强电信号。处理之后的电信号经过解调电路14转换成数字信号，数字信号输入控制系统电路16解析出任务指令实行相应业务操作。控制系统电路16将指令转换成数字信号经过水声换能器15a或者水下直连母口17向auv转发。

auv通过auv端通信单元3接收并转换成数字信号，实现岸站1对auv的通信。

水下中继站2使用水声通信与auv通信控制流程如下：控制系统电路16将指令转换成数字信号，数字信号经过水声换能器15a转换成水声信号向外发送。水声换能器24b接收水声信号转换成数字信号发送到auv系统。

水下中继站2使用直连通信与auv通信控制流程如下：auv运动到水下中继站2附近将水下直连公口23竖直插入水下直连母口17。插入时，水下直连公口23的豁口垂直硬片嵌合并带动push-push机械结构26的突出部件，首次触发push-push机械结构26，使push-push机械结构26锁死。此时橡胶圈28a和橡胶圈34b受力紧密贴合，同时导线接触片31a和导线接触片35b紧密贴合。水下直连公口23和水下直连母口17形成一个密闭空间，空间内充满海水。控制系统电路16通过导线控制数字阀门18开启，气罐19内部的高压空气依次通过主气管22、气管合置器30和分气管29到达水下直连母口17内部将所述密闭空间的海水压出，海水和高压空气自下向上通过气嘴36将海水压出。短暂时间后控制系统电路16通过导线控制数字阀门18关闭，海水由于重力自上而下压向气嘴36，气嘴36自上而下无法通过，此时水下直连公口23和水下直连母口17的密闭空间充满空气没有海水，保证后续直连通信时不会发生短路。完成上述连接之后，控制系统电路16将任务转换成数字信息，数字信号通过水下直连母口17和水下直连公口23向auv系统通信。此方式相对水声通信效率更高，功耗更低。完成通信后auv控制水下直连公口23向下用力，再次触发push-push机械结构26，push-push机械结构26复位，水下直连母口17和水下直连公口23断开连接。