无线电遥控水声监测浮标

　　1 引言

　　目前, 世界各国都很关注对浮标的开发利用。美国国家海洋和大气局太平洋航海环境实验室研制的温度自动获取浮标系统(ATLAS)被布放于太平洋赤道附近, 提供洋流、季风和温度等信息, 用以监控厄尔尼诺现象[1]。国际海洋界近年来发展起来的Argo浮标组成覆盖全球的海洋实时观测系统用于测量从水下2000米到海表面的温、盐、深剖面数据[2]。国内, 杭州应用声学研究所(第七一五所)研制的被动定向声呐浮标系统用于飞机探测水下目标, 能够接收水下目标辐射的声信号, 确定水下目标方位[3]。

　　本文介绍的无线电遥控水声监测浮标主要应用于分布式定位导航系统, 用于对AUV等水下目标的运动轨迹和航行参数进行测量。分布式定位导航系统应用长基线水声定位技术, 利用浮标阵通过合作信标方式实现对目标水平方位的测量; 在海底布放潜标节点, 浮标阵与潜标配合工作, 通过询问应答方式测量目标深度, 实现对水下合作目标的三维运动轨迹测量; 浮标作为试验船与海底潜标的中继, 采用无线电与水声实现组合遥控, 突破了水声作用距离的局限, 扩大了对海底潜标的管理范围。该浮标系统在工程上已经得到实现, 并且经过了海试验证。

　　2 浮标系统工作原理

　　无线电遥控水声监测浮标对水下目标定位采用同步工作方式, 安装在水下目标上的合作声源周期性地发射脉冲信号( 合作信标方式), 浮标阵接收信号, 进行信号检测和时延估计, 将时延差信息和浮标位置信息(GPS 定位数据) 捆绑在一起, 通过无线电通讯链上传给试验船的船载基站, 利用球面交汇法[4]实现目标的水平方位的测量。在海底布放潜标节点, 浮标阵与潜标配合工作。水下目标发送测距询问信号并接收潜标的应答信号, 浮标拾取询问和应答信号计算出时延差, 利用球面交汇法可实现水下目标深度坐标的测量。因为测量区域较远, 试验船通过浮标完成对潜标的工况控制和参数设置。工作状态如图1。

　　3 通信协议设计

　　浮标所涉及的通信方式包含无线电通信和水声通信两种: 试验船的基站与浮标间通过无线电进行通信, 浮标与潜标之间通过水声进行通信。

　　把基站称为一级节点, 浮标称为二级节点, 潜标称为三级节点, 那么, 这三个级别的阵元节点便构成了一个简单的星形拓扑网络, 网络结构如图所示。网络中包含了水声、无线电、有线三种信息传输模式。

　　3.1 无线电通信协议

　　由基站和多个浮标节点组成的无线电网络, 在综合考虑硬件成本、系统通信能力、协议的复杂程度等因素下, 选择时分多址(TDMA)协议。基站和所有的浮标的无线电台使用相同的频段和扩频码,以分时的方式和各个浮标通信。不同的节点利用网络地址进行区分, 采用同步轮询工作方式。即在同步周期内由基站轮流询问所有浮标节点, 有数据传输要求的浮标节点在被点名后传输数据, 其他节点等待。