專利名稱：一種無線電與水聲組合遙控系統及遙控方法
技術領域：
本發明涉及一種遙控方法，更確切的說，是在復雜多變的水聲環境下實現高可靠遠程通信的水聲與無線電組合通信方法。
背景技術：
隨著科學技術的不斷進步，人類在海洋中尋找資源和開發資源的技術水平也不斷 提高。無人駕駛潛器(UUV)和水下機器人等水下裝備，在地球物理測量、海底地貌探測、科 學考察和礦產資源開發等領域發揮著極其重要的作用。水聲遙控系統作為水上控制平臺與 水下裝備之間進行信息交互的平臺，為水下裝備可靠、安全地執行任務提供了必要的保障， 因此構建高可靠的水聲遙控系統具有重大的價值和意義。本發明所適用的水聲遙控系統，不僅需要同時控制水下的多個目標節點，還需要 實現遠程實時遙控，這對它的可靠性和實時性都提出了高的要求。目前的水聲遙控技術所 采用的水聲通信方法主要有擴頻通信、Pattern時延差編碼通信、移頻鍵控(FSK)編碼通 信等。雖然擴頻通信具有抗干擾、抗多途強等特點，但水聲通信的可用頻帶有限，并且該方 式受多卜勒影響較嚴重；Pattern時延差編碼通信方式可以達到較高的通信速率，但這種 通信方式對多途干擾比較敏感，而且較難滿足水下多節點同時交互的需求；FSK是一種對 水聲信道的時間和頻率擴展都具有較強適應能力的通信方式，它采用不同的單頻信號來表 示數字信息，在接收端通過對各個單頻信號進行能量檢測與判決，來獲取傳輸信息，工程實 現也比較容易。

發明內容
本發明的目的在于提供一種實現水上控制平臺與水下通信節點之間的遠程實時 通信，穩健、可靠的無線電與水聲組合遙控系統。本發明的目的還在于提供一種無線電與水 聲組合遙控方法。本發明的目的是這樣實現的本發明的無線電與水聲組合遙控系統包含船載顯控平臺、無線電通信基站、水面 中繼站和水下應答器四類通信節點；船載顯控平臺是一個信息綜合平臺，由計算機和操作軟件組成，其功能是對系統 各個節點的狀態進行實時監控，同時他還提供了人機交互的接口，操作者可以通過該接口 對整個系統進行實時操控；無線電通信基站是一個數據接收與轉發裝置，用來實現船載顯控平臺與水面中 繼站之間的通信連接，它包含一個無線電臺和一個USB數據通信接口，分別通過USB數據總 線和無線電通信方式與上下兩層節點建立連接；水面中繼站是一個浮動的通信節點，同時也是一個協議轉換裝置，用來實現水上 和水下兩種通信機制的連接，它包含一個無線電臺、一個水聲發射裝置和一個水聲接收裝 置，分別通過無線電通信方式和水聲通信方式與上下兩層節點建立連接；
水下應答器是一個集水聲測量和水聲通信于一體的裝置，它包含一個水聲發射 裝置和一個水聲接收裝置，以水聲通信方式與上層節點建立連接，水下應答器的數量可以 根據需求自行設定。本發明的無線電與水聲組合遙控方法的具體實現過程可概括如下(1)船載顯控平臺產生遙控指令，并對該指令進行校驗編碼，然后將編碼后的數據 通過USB總線傳給無線電通信基站；(2)無線電通信基站將船載顯控平臺下發的遙控指令以無線電通信方式轉發給水 面中繼站； (3)水面中繼站將接收的無線電遙控指令經FSK編碼后，以水下聲波信號的形式 發給水下應答器節點；(4)水下應答器節點接收到水面中繼站下發的遙控指令后先執行該指令，然后將 執行結果反饋給水面中繼站；(5)水面中繼站接收到由水下應答器回復的確認信息后，將該信息以無線電通信 方式轉發給無線電通信基站；(6)無線電通信基站接收到由水面中繼站上傳的信息后，通過USB總線傳給船載 顯控平臺，并在平臺上顯示。本發明的特點主要體現在(1)將無線電通信機制與水聲通信機制組合在一起，創建了一種聲電一體化的混 合通信體制，水面中繼站作為這兩種通信機制的中繼節點，完成信號的聲電能量轉換；(2)水聲通信采用移頻鍵控(FSK)的編碼方式，并在相鄰的兩個碼元之間插入保 護時隙，在碼組內部設立了確認碼元和校驗碼元，以此來提高系統抗多途和混響的能力；(3) “詢問應答”與“自主查詢”相結合，為上行和下行的兩條通信鏈路設定不同的 編碼格式和相互獨立的通信信道，可以實現高可靠半雙工通信。為了實現水上控制平臺與水下通信節點之間的遠程實時通信，本發明創建了一種 無線電與水聲組合遙控系統，該系統包含水上和水下兩個分系統，水上系統由船載顯控平 臺、無線電通信基站和水面中繼站組成，以無線電通信方式實現數據的遠程實時傳輸；水下 系統由水面中繼站和水下應答器組成，以水聲通信方式實現水下多節點交互。


圖1是本發明的無線電與水聲組合遙控工作模式示意圖。圖2是本發明的無線電與水聲組合遙控系統結構框圖。圖3是水面中繼站與水下應答器組成的單點與多點交互示圖。圖4是水聲通信指令的編碼格式圖，其碼組格式為一串脈寬為τ，碼元間距為T的 CW脈沖。圖5是本發明的無線電與水聲組合遙控方法的數據傳輸的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述考慮到水聲通信機制的作用距離和通信速率相對受限，為了實現水上控制平臺與水下通信節點之間的遠程實時遙控，本發明將無線電通信機制與水聲通信機制組合在一 起，創建了一種無線電與水聲組合遙控系統。以下將參照附圖詳細描述根據本發明的無線 電與水聲組合遙控系統的具體實施例。首先參照圖1，示出了一種根據本發明的無線電與水聲組合遙控系統的示例性實 施例，它包含水上和水下兩個分系統，其中1為工作船、2為目標、3為水面中繼站、4為水下 通信節點。水上系統采用無線電通信機制，依據無線路由協議實現數據的遠程實時傳輸；水 下系統采用水聲通信機制，依據水聲通信網絡協議實現水下多節點交互；水面中繼站作為 這兩種通信機制的接口，完成通信數據的聲電轉換。圖2是系統結構框圖，其中方框表示裝 置單元或過程，可以通過硬件和/或軟件執行所有過程。硬件可以包括實現相應功能的硬 布線邏輯或可編程邏輯(例如，微處理器(MCU)、復雜指令集計算機(CISC)處理器、精簡指 令集計算機(RISC)處理器、大規模現場可編程邏輯門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件 (CPLD)等)。
在圖2中，船載顯控平臺200主要指PC，包括由PC處理器執行的操作系統202、操 作軟件203、人機接口 205、數據接口 201和顯示裝置204。船載顯控平臺200通過顯示裝 置204，更確切地說是PC顯示器，顯示整個系統所有節點的狀態信息，以便于操作者通過人 機接口 205對系統進行實時操控。人機接口 205是PC提供的輸入設備，包括鼠標、鍵盤、以 及由操作軟件203提供的控制面板。無線電通信基站206經由數據線210連接到數據接口 201。在本發明的實施例中，數據接口 201是PC的USB接口，操作軟件203提供了該接口的 驅動軟件和執行代碼。無線電通信基站206與PC或者數據接口 201之間的數據連接也可以 被實施為例如藍牙技術中的無線鏈路。無線電通信基站206經由空中接口或無線鏈路211 連接到無線網絡212中。無線網絡212是一個虛擬網絡，更確切地說，是本數據傳輸協議中 的無線路由協議。在操作系統202下，借助操作軟件203中的信息，例如，USB接口驅動軟件 和執行代碼，可以將無線電通信基站206實施為PC的一個“數據轉換設備”。操作系統202 經由USB接口 201向無線電通信基站206傳輸依照數據傳輸協議格式化了的數據，并且經 由反向路徑從無線電通信基站206中接收依照數據傳輸協議格式化了的數據。操作系統202進一步與USB驅動器209相連接。術語“驅動器”在此不僅可以被 理解為驅動器軟件，也可以被理解為執行驅動器軟件的處理器。這個處理器可以是與執行 操作系統202的處理器相同的處理器，或者，這個處理器可以是不同于執行操作系統202的 處理器的另一處理器。USB驅動器209與PC的USB接口 201相耦合，無線電通信基站206 經由數據線210也被耦合到PC的USB接口 201。無線電通信基站206經由空中接口或無 線鏈路211與無線網絡212相耦合，微處理器207提供了 USB驅動器209與無線電臺208 的接口，同時也提供了 USB數據傳輸協議與無線路由協議之間進行數據轉換的具體實施過 程，因此，無線電通信基站206在操作系統202下可以被實施為PC的“數據轉換設備”。在本發明的實施例中，水面中繼站214是一個浮動的通信節點，它提供了水上和 水下兩種通信網絡的接口，用來實現無線電通信機制與水聲通信機制的連接。對于水上部 分，水面中繼站214經由空中接口或無線鏈路213與無線網絡212相耦合。無線網絡212是 一個虛擬網絡，更確切地說，是數據傳輸協議中的無線路由協議，它提供了無線通信網中不 同節點相互鏈接的規范。通過無線路由協議，無線電通信基站206與水面中繼站214直接 耦合，進而可以將整個水上通信網絡歸約成船載顯控平臺200與水面中繼站214之間的耦合，可以依照無線路由協議來格式化在船載顯控平臺200和水面中繼站214之間傳輸的數 據。從圖2還可以看到，水面中繼站214和水下應答器222均包含一個水聲發射裝置和一 個水聲接收裝置，這兩個裝置是水下通信節點與水聲通信網221進行信息交互的接口。水 聲通信網221是一個虛擬網絡，更確切地說，是本實施例的水聲通信網絡協議，它對水聲通 信的碼元進行了定義，對水下多節點交互的方法進行了定義，為水下信息高可靠傳輸奠定 了基礎，以下將詳細介紹其內容。(1)水聲通信碼元定義 水聲通信采用移頻鍵控(FSK)的編碼方式。其碼組格式為一串脈寬為τ，碼元間 距為T的CW脈沖，如圖3所示。為了實現信息的高可靠傳輸，本通信協議為上行和下行的 兩條通信鏈路設定了不同的編碼格式，以下分別予以介紹。下行通信鏈路占用兩條固定的通信信道CCFl和CCF2，當脈沖載頻為CCFl時，代 表“0”碼，載頻為CCF2時，代表“1”碼。設脈寬為τ，碼元間距為T，T-τ為保護時隙，用 來減少多途與混響帶來的影響。一個下行指令碼由22個碼元組成，總長度為21Τ+τ。根據 指令碼所實現功能的不同，可以將其分成狀態控制碼和參數設置碼兩類。前者用來對水下 應答器基陣的工作狀態進行控制，它由目標序號、應答器地址、指令號、指令類型、指令確認 和校驗碼元組成；后者主要是對應答器基陣的工作參數進行設置，它由目標序號、應答器地 址、指令號、設置參數和校驗碼元組成。表1給出了狀態控制碼的碼元定義。第1位為目標序號，Β21 = 0時表示1號目 標，Β21 = 1時表示2號目標。接下來的6位(Β20 Β15)代表陣元節點(應答器)地址， 該地址在應答器上通過撥碼開關預置，是該節點的唯一編號。應答器地址采用6比特二進 制數表示，每個地址僅對單個目標節點生效，因此整個系統最多可支持64個節點，滿足系 統正常工作的需求。表1狀態控制碼碼元定義 第8 11位(Β14 Bll)為指令號，它包含了該指令的所有控制信息，為了提高 指令傳輸的可靠性，本通信協議對指令號進行了確認編碼，Β9 Β2即為相應的確認碼元。 BlO代表指令類型，BlO = 1表示該指令碼組為狀態控制碼，BlO = 0表示該指令碼組為參 數設置碼。Bl BO為校驗碼元，它的設置是通過對Β21 Β2的所有碼元進行奇偶校驗，然 后將得到的2比特校驗結果作為該校驗碼元的值。參數設置碼的碼元定義見表2。其目標序號、應答器地址、指令類型和校驗碼元的 設置同上。與狀態控制碼不同，參數設置碼的信息不僅包含于指令號中，還包含于設置參數 中。二者組合在一起完成遙控參數的設置。表2參數設置碼碼元定義 上行通信鏈路用來將水下應答器的測量結果以及對下行命令的回復信息實時反 饋給船載顯控平臺。需要上行的信息包括指令確認、測陣信息、深度信息、電池電量、漏水報 警等。本實施例采用不同的編碼格式和相互獨立的通信信道來實現信息的反饋，以下將分 別予以介紹。水下應答器每接收到一條下行指令，都將利用一條公共應答信道(CRF)和一條單 獨應答信道(IRF)對該指令進行確認。應答指令不含地址，只包含指令號和指令類型，碼組 長度為6bit，該指令碼的碼元定義見表3。表3應答指令碼碼元定義 其中，B5表示信道類型，B5 = 1代表CRF信道有效，否則表示IRF信道有效。如果 水下應答器正確接收并執行了下行指令，則上傳相應的指令號和指令類型，用來通知上級 已正確完成設置；如果應答器接到了錯誤指令，則上傳指令號1111，要求上級重發。與指令確認碼的編碼方式不同，應答器上報測陣信息、電池電量和深度信息時采 用QFSK編碼方式，該碼組一共占用4條公共通信信道CCMFO、CCMFl、CCMF2和CCMF3，其碼 元定義見表4。表4測陣與深度信息碼碼元定義 該信息碼組由CRF信道上的長脈沖作為引導碼元，后面跟隨一個10位FSK數據碼 組。前8位為數據碼元，采用QFSK編碼方式，后2位為校驗碼元，采用BFSK編碼方式。(2)時分多址(TDMA)與頻分多址(FDMA)本發明的實施例包含多個水下應答器節點，同一時刻，水面中繼站只能與單個水 下應答器進行通信，這就要求水面中繼站分時從各個水下應答器那里讀取數據，這種分時 讀取的方法可以表述為TDMA。本實施例采用TDMA與FDMA相結合的方法實現多點交互。所 述的FDMA是指為各個水下應答器節點配置相互獨立的水聲信道，它們占用不同的通信頻 段，在多點交互的過程中，各個通信鏈路互不干擾，可以保證信息的高可靠傳輸，信道的具 體分配如下兩條公共專用控制信道CCF1、CCF2。這兩條信道專用于傳送遙控指令，在簡單應 答方式下禁止用于詢問或應答信號。應答器對這兩條信道處于常開放狀態，以保證隨時監 聽下傳指令。兩條公共詢問信道CIF1和CIF2。該兩條信道用于應答方式下雙目標各自發送詢問信號。單目標工作時，只占用其中一條，可通過遙控指令更改工作頻點和帶寬。一條公共應答信道CRF。該信道用于指令應答，應答器用該信道和自身的單獨應 答信道完成指令確認。四條公共通信信道CCMF0、CCMFU CCMF2和CCMF3。該四條信道在遙控/自測陣 方式下用于上傳測陣結果。在簡單應答方式下可復用為單獨應答信道。 除CCF1、CCF2、CIF1、CIF2和CRF五條信道禁止復用外，其它信道均可作為單獨應 答信道IRF。通常情況下，各應答器的IRF互不重疊，僅當兩應答器間距超過兩倍水聲作用 距離時才允許共用同一條信道。每個應答器最多可同時占用兩條信道，單目標工作時可只 用一條IRF。圖5示出了系統數據傳輸流程。整個系統包括下行和上行兩條通信鏈路，對于下 行鏈路，其主要功能是將船載顯控平臺發出的命令和參數實時傳送給水下應答器；而上行 鏈路則需要將水下應答器的測量結果以及對下行命令的回復信息實時反饋給終端控制平 臺。兩條鏈路結合在一起組成一個閉合的通信環路，用來完成系統約定的“詢問應答”與“自 主查詢”。流程圖開始于起始點“開始” 501，并在過程502中完成初始化設置。在節點503 中判斷是否有控制命令輸入，該“控制命令”是由船載顯控平臺產生的遙控命令。當檢測到 控制命令，流程前進至過程504，船載顯控平臺對命令數據進行校驗編碼，并在過程505中 依據USB數據傳輸協議將數據傳給無線電通信基站。流程前進至過程506，無線電通信基站 依據無線路由協議將數據傳給水面中繼站。流程前進至過程507，水面中繼站將接收的無線 電遙控指令經FSK編碼后，以水下聲波信號的形式發給水下應答器節點。流程前進至過程 508，水下應答器節點接收到水面中繼站下發的遙控指令后先執行該指令，然后將執行結果 反饋給水面中繼站。流程前進至過程509，水面中繼站接收到由水下應答器回復的確認信息 后，將該信息以無線電通信方式轉發給無線電通信基站。流程前進至過程510，無線電通信 基站接收由水面中繼站上傳的信息，并通過USB總線將數據傳給船載顯控平臺，并在平臺 上顯示。最后流程在結束點511處結束。在本發明的實施例中，所有水下應答器定位為同一級(最低級)節點，水下應答器 只認指令的目標地址是否指向其自身，而不區分命令來源。上傳數據和指令確認不加目標 地址，就近向上級節點匯報。水下應答器在整個系統中的功能可以概括為“不認長官只認口 令，有問必答，令行禁止”。各節點路由對無線電通信基站和水面中繼站是透明的，而對水下應答器是全封閉 的。水面中繼站在整個系統中的功能相當于協議轉換裝置，而在水聲通信網絡中它又是一 個最高級別節點，從路由表可以檢索到一共有幾個應答器歸其管理，指令和數據來自哪里， 去向何方。
權利要求
一種無線電與水聲組合遙控系統，其特征在于包含船載顯控平臺、無線電通信基站、水面中繼站和水下應答器四類通信節點；船載顯控平臺由安裝有操作軟件的計算機組成，對無線電與水聲組合遙控系統各個節點的狀態進行實時監控，并提供人機交互的接口；無線電通信基站包含一個無線電臺和一個USB數據通信接口，分別通過USB數據總線和無線電通信方式與上下兩層節點建立連接，用來實現船載顯控平臺與水面中繼站之間的通信連接；水面中繼站包含一個無線電臺、一個水聲發射裝置和一個水聲接收裝置，分別通過無線電通信方式和水聲通信方式與上下兩層節點建立連接；是一個浮動的通信節點，同時也是一個協議轉換裝置，用來實現水上和水下兩種通信機制的連接；水下應答器包含一個水聲發射裝置和一個水聲接收裝置，以水聲通信方式與上層節點建立連接。
2.一種無線電與水聲組合遙控方法，其特征在于包括如下步驟(1)船載顯控平臺產生遙控指令，并對所述遙控指令進行校驗編碼，然后將編碼后的數 據通過USB總線傳給無線電通信基站；(2)無線電通信基站將船載顯控平臺下發的遙控指令以無線電通信方式轉發給水面中 繼站；(3)水面中繼站將接收的無線電遙控指令經FSK編碼后，以水下聲波信號的形式發給 水下應答器節點；(4)水下應答器節點接收到水面中繼站下發的遙控指令后先執行該遙控指令，然后將 執行結果反饋給水面中繼站；(5)水面中繼站接收到由水下應答器回復的確認信息后，將所述確認信息以無線電通 信方式轉發給無線電通信基站；(6)無線電通信基站接收到由水面中繼站上傳的確認信息后，通過USB總線傳給船載 顯控平臺，并在平臺上顯示。
3.根據權利要求2所述的無線電與水聲組合遙控方法，其特征在于水面中繼站與水下 應答器組成的一個單點與多點相交互的水聲通信網，采用時分多址與頻分多址相結合的通 信方法實現數據傳輸。
4.根據權利要求3所述的無線電與水聲組合遙控方法，其特征在于所述的頻分多址是 指為各個水下應答器節點配置相互獨立的水聲信道，它們占用不同的通信頻帶，在多點交 互的過程中，各個通信鏈路互不干擾。
5.根據權利要求2、3或4所述的無線電與水聲組合遙控方法，其特征在于所述水面中 繼站將接收的無線電遙控指令經FSK編碼后，以水下聲波信號的形式發給水下應答器節點 是指水聲通信采用移頻鍵控的編碼方式，并在相鄰的兩個碼元之間插入保護時隙，在碼組 內部設立確認碼元和校驗碼元。
全文摘要
本發明提供的是一種無線電與水聲組合遙控系統及遙控方法。包含船載顯控平臺、無線電通信基站、水面中繼站和水下應答器；船載顯控平臺由安裝有操作軟件的計算機組成；無線電通信基站包含一個無線電臺和一個USB數據通信接口；水面中繼站包含一個無線電臺、一個水聲發射裝置和一個水聲接收裝置；水下應答器包含一個水聲發射裝置和一個水聲接收裝置。本發明將無線電通信機制與水聲通信機制組合在一起，創建了一種聲電一體化的混合通信體制；水聲通信采用FSK的編碼方式，并在相鄰的兩個碼元之間插入保護時隙，在碼組內部設立了確認碼元和校驗碼元，提高系統抗多途和混響的能力；“詢問應答”與“自主查詢”相結合，可以實現高可靠半雙工通信。
文檔編號H04B13/02GK101848027SQ20101013363
公開日2010年9月29日 申請日期2010年6月19日 優先權日2010年6月19日
發明者付進, 張光普, 梁國龍, 王燕, 范展 申請人:哈爾濱工程大學