一种用于水下航行器的多模式无线通信系统及通信方法

技术领域

本发明属于水下航行器通信技术领域，具体涉及一种用于水下航行器的多模式无线通信系统及通信方法。

背景技术

传统的水下航行器在工作过程中，一般会根据任务需要，选择使用光纤或者电缆实现水下航行器与控制平台间的实时通信，但电缆材质较重，成本较高，无法满足远距离航行的需求；而光纤由于其材质的特性，容易受到外力而发生断线，从而导致水下航行器的失控。

通过在水下航行器中加装无线通信及定位模块可以在保证通信信道的完整和有效的同时增加航行器的回收安全性。水下航行器在航行过程中，可根据需要上浮至水面，通过无线电或卫星通信与控制平台建立通信信道，接收控制指令并转送探测和状态信息至控制平台，实现信息的双向实时传输；当航行器任务结束后，控制平台可通过接收航行器定位天线发送的自身经纬度定位航行器的位置信息，以便更快的回收航行器，保证产品的安全。

多种通信模式协同工作可以极大的提高航行器信息的传输效率和通信质量，也可使航行器的功能更为多样化，但通信天线的数量增多势必会导致航行器流线的破坏，从而影响航行器的航行性能，而多个独立的天线不仅会增加系统体积和重量，也会由于刚性不够在航行过程中造成设备损坏等现象，不利于航行器的水下作业工作，同时，天线与天线间也会存在互相干扰的情况，如同频干扰、邻频干扰和互调干扰等，当干扰到一定程度时，就会影响航行器与控制平台间的正常通信。

发明内容

本发明的目的在于解决现有水下航行器无法同时使用多种无线通信方式实现对航行器的控制、定位和数据收集，以及采用多种通信模式协同工作所存在的系统体积和重量大、结构刚性不够、容易破坏水下航行器外形流线且天线之间存在干扰的问题，而提供一种用于水下航行器的多模式无线通信系统及通信方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种用于水下航行器的多模式无线通信系统，其特殊之处在于，包括主机和一体化复合天线单元，主机与一体化复合天线单元通过射频线缆连接；

主机包括壳体，以及位于壳体中的电源管理模块、北斗模块、无线数传通信模块、WIFI模块、接口模块和MCU(Microcontroller Unit)模块；所述壳体上还设置与一体化复合天线单元连接的通信接口；所述北斗模块包括RNSS定位模块和RDSS短报文通信模块；

一体化复合天线单元由可接收RNSS导航系统信号、RDSS通信系统信号、WIFI信号以及无线通信信号的天线构成，包括天线本体、底座、金属台、透波天线防护罩、WIFI天线、无线数传天线、RNSS天线、RDS天线以及RDL天线；其中，天线本体呈“I”型，天线本体上端面设置所述金属台，金属台上设置所述RNSS天线、RDS天线以及RDL天线，天线本体中部设置WIFI天线和无线数传天线，天线本体下端设置底座，底座上开设有对外接口；透波天线防护罩套装在天线本体外侧，用于耐压和防水；WIFI天线、无线数传天线与北斗天线(RNSS天线、RDS天线以及RDL天线)采用上下排布的结构布局，减少了数传、WIFI信号对北斗的影响，提高了不同天线之间的隔离度，同时，金属台的设置可有效消除北斗贴片天线之间的互耦效应。

所述RNSS定位模块用于实现北斗RNSS信号数据处理、解算以及北斗定位的导航信息的转送；

所述RDSS短报文通信模块用于实现北斗S信号处理、计算，获取北斗短报文信息并将用户输入的北斗短报文进行组帧转送；

所述无线数传通信模块用于实现无线数传信号处理，并完成无线数据转送；

所述WIFI模块用于实现无线网络信号处理，多模式无线通信系统通过WIFI模块接入WIFI无线网络，实现网络控制与管理；

所述MCU模块用于进行用户制定协议转换、北斗RNSS信号数据处理、控制北斗短报文通信、收发数据的处理、通信系统自检及自检记录保存，并对电源模块和系统进行控制以实现相应的休眠设置，从而达到待机低功耗状态；

所述电源管理模块用于实现电源滤波及各级电压转换，给各个模块进行供电；

所述接口模块用于实现通信装置供电输入以及与水下航行器间的通信。

进一步地，所述RNSS天线用于实现北斗B1频点信号的接收；

所述RDL天线和RDS天线用于实现北斗短报文信息的接收和发送；

无线数传天线用于实现433MHz频段无线数传信号的接收和发送；相应的，无线数传通信模块为433M无线数传通信模块；

WIFI天线用于实现2.4GWIFI信号的接收和发送。

进一步地，所述主机壳体采用铝合金材质，并进行本色导电氧化处理；

主机整机重量不大于0.32kg，峰值功耗为10W；

所述接口为5个MCX型接口；

所述一体化复合天线单元的对外接口为1个MCX-JW3射频连接器，与上述5个MCX型接口进行对插连接；射频线缆一端为5个独立MCX连接线，另一端使用MCX-JW3射频连接器将5根连接器信号合并在一起，便于安装。

进一步地，为了减小一体化复合天线单元的体积，所述433M无线数传天线和2.4GWIFI天线分居天线本体的中部两侧；

其中，433M无线数传天线采用微带螺旋结构，微带螺旋结构具有多方面的宽频带特性，无论是方向特性、阻抗特性还是极化特性都是宽带的，而且体积小、重量轻、频带宽、圆极化特性好。

WIFI天线采用弹簧阵子结构，弹簧阵子结构天线尺寸小、易安装，天线驻波比性能好，具有很好的防振动能力。

综合考虑两种天线应用场景和性能，选择433M无线数传天线为微带螺旋结构，WIFI天线为弹簧阵子结构。

所述RDS天线、RDL天线以及RNSS天线自上而下依次设置在金属台上。

进一步地，考虑多模式无线通信系统的使用场景及环境，所述透波天线防护罩采用聚醚醚酮，该材质透光透波性能较好；

所述天线本体采用聚甲基丙烯甲酯，该材质具有高强度的耐压性能，可满足2.2MPa的耐压；

所述金属台采用不锈钢材质；金属台也可采用其他具有良好导电性能的金属材质，综合考虑应用环境，为了避免水蒸气或盐雾等情况造成设备性能的下降，在此采用不锈钢材质。

进一步地，采用扩频技术以及通信管理的方法降低或避免各个天线间的邻频干扰，确保无线信号的正常传输。扩频技术是比较通用的抗干扰途径之一，应用广泛，通信管理是由通信主机内置软件实现，可管理不同无线通信模块的工作顺序，如：在WIFI模块工作时关闭北斗定位模块，从而降低多天线间的干扰。

采用上述多模式无线通信系统的通信方法，其特殊之处在于，包括以下步骤:

1)给多模式无线通信系统上电；

2)采用多模式无线通信系统内置软件对RNSS定位模块、RDSS短报文通信模块、无线数传通信模块、WIFI模块进行初始化配置；

3)初始化配置完成，多模式无线通信系统各模块正常工作，具体为：

RNSS定位模块开始接收并转送北斗卫星信号；

RDSS短报文通信模块向指定的卡号发送定位信息及短报文；

WIFI模块采用UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)传输方式开始与外部通信节点进行数据交换；

无线数传通信模块通过无线数传天线与外部进行数据互传。

同时，还提供了一种水下航行器，其特殊之处在于，采用上述多模式无线通信系统。

本发明的优点是：

本发明采用一体化多模式集成设计技术，通过无线数传方式实现远距离数据通信，通过WIFI方式实现近距离高速通信，通过北斗通信方式进行应急短报文通信及航行器自身定位，同时采用扩频技术及通信管理方式降低或避免复合天线之间的邻频干扰或互调干扰等，在满足多模式稳定无线通信的需求的基础上，减小了多模式通信装置的自身体积和重量并提高了航行器外置天线结构刚度，不仅保证了航行器的航行性能，也使其更易安装和使用，具有一定的通用性，有助于不同水下航行器的无线通信作业和定位回收任务需求，提高水下航行器机动性和灵活性。

附图说明

图1为水下航行器用多模式无线通信装置组成框图；

图2为多模式无线通信主机组成原理示意图；

图3为多模式无线通信一体化复合天线单元仿真模型示意图；

图4为水下航行器用多模式通信装置一体化复合天线单元尺寸示意图，其中，a为主视图，b为俯视图。

附图标号为：

1-天线本体，2-底座，3-金属台，4-透波天线防护罩，5-对外接口，6-WIFI天线，7-无线数传天线，8-RNSS天线，9-RDS天线，10-RDL天线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图1所示，水下航行器用多模式无线通信系统包括主机和一体化复合天线单元，主机由各个无线通信及定位模块构成，一体化复合天线则由可接收RNSS导航系统信号、RDSS通信系统信号、WIFI信号以及433M无线通信信号的天线构成，通过射频线缆与主机连接。水下航行器用多模式通信装置可实现北斗短报文通信、北斗RNSS高精度定位、WIFI数据传输以及433M无线通信数据处理。

主机的作用是将天线收到的外部指令或数据信息进行相关处理，转送至水下航行器的通信及管理模块，或者通过北斗RDSS短报文通信模块或433M无线数传通信模块将收到的水下航行器的相关航行数据通过无线信道发出。主机包括壳体，以及集成在壳体中的电源管理模块、RNSS定位模块、RDSS短报文通信模块、433M无线数传通信模块、WIFI模块、接口模块和MCU(Microcontroller Unit)模块，壳体上还设置有与一体化复合天线单元连接的通信接口，该通信接口为5个MCX型接口。其中，RDSS短报文模块实现对北斗S信号处理、计算，获取北斗短报文信息并将用户输入的北斗短报文进行组帧转送；RNSS定位模块实现对RNSS信号处理、解算并输出北斗定位的导航信息；433M无线数传通信模块实现对无线数传信号处理，能够完成无线数据传送；WIFI模块实现无线网络信号处理，通过该模块多模式通信系统可以很方便地接入WIFI无线网络，从而实现网络控制与管理；MCU模块实现用户制定协议转换、北斗RNSS数据处理、控制北斗短报文通信、433M无线数传数据的处理、系统自检及自检记录保存；电源管理模块实现电源滤波及各级电压转换，为各个模块进行供电；接口模块用于实现通信系统供电输入以及与水下航行器间的通信，比如：RS232接口通信、以太网通信。主机外壳采用铝合金结构，整体进行本色导电氧化处理，整机重量不大于0.32kg，峰值功耗约为10W左右，其与一体化复合天线之间采用5个MCX型接口，同时内部MCU模块可对电源和系统进行控制以实现相应的休眠设置，从而达到待机低功耗状态。多模式无线通信主机组成原理示意图如图2所示。

一体化复合天线包括天线本体、底座、金属台、透波天线防护罩、2.4GWIFI天线、433M无线数传天线、RNSS天线、RDS天线以及RDL天线；其中，天线本体呈“I”型，天线本体上端面设置金属台，金属台上自上而下依次设置RDS天线、RDL天线和RNSS天线，天线本体中部两侧分别设置WIFI天线和433M无线数传天线，天线本体下端设置底座，底座上开设有对外接口，对外接口为1个MCX-JW3射频连接器，与上述5个MCX型接口进行对插连接；透波天线防护罩套装在天线本体外侧。RNSS天线实现北斗B1频点的接收及发送；RDL天线和RDS天线采用微带天线实现北斗定位信息和北斗短报文信息的发送；2.4GWIFI天线采用弹簧阵子实现2.4GWIFI信号的接收和发送；433M无线数传天线采用微带螺旋结构实现无线数传信号的接收和发送。考虑无线通信装置的使用场景及环境，采用防水和耐压设计，天线防护罩使用透光透波性能较好的聚醚醚酮材料，天线本体使用聚甲基丙烯甲酯材料，均具有高强度的耐压性能，可满足2.2MPa的耐压。复合天线仿真模型示意图如图3所示，具体尺寸参见图4中的a和b。

在复合天线内部中心采用金属台结构，有效的消除了北斗贴片天线之间的互耦效应,综合考虑应用环境，为了避免水蒸气或盐雾等情况造成设备性能的下降，在此金属台采用不锈钢材质；WIFI天线、433M无线数传天线与北斗天线(RNSS天线、RDS天线以及RDL天线)采用上下排布的结构布局，减少了数传、WIFI信号以及北斗信号间的相互影响，提高了不同天线之间的隔离度。同时，采用扩频技术以及通信管理的方法降低或避免复合天线间的邻频干扰等，确保无线信号的正常传输。

采用上述多模式无线通信系统的通信方法，包括以下步骤:

1)给多模式无线通信系统上电；

2)采用多模式无线通信系统内置软件对RNSS定位模块、RDSS短报文通信模块、433M无线数传通信模块、WIFI模块进行初始化配置；

3)初始化配置完成，多模式无线通信系统各模块正常工作，具体为：

RNSS定位模块开始接收并转送北斗定位信息；

RDSS短报文通信模块向指定的卡号发送定位信息或短报文；

WIFI模块采用UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)传输方式开始与外部通信节点进行数据交换；

433M无线数传通信模块通过433M无线数传天线与外部进行数据互传。

采用本发明多模式无线通信装置，可实现北斗短报文通信、北斗RNSS高精度定位、WIFI数据传输以及433M无线通信数据处理。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。