一种智能实时通讯潜标及通讯方法
技术领域
本发明涉及一种海洋观测用潜标，具体的说是涉及一种智能实时通讯潜标及通讯方法。
背景技术
潜标可实现全海深海洋环境的定点、长期、连续、多层次、多要素同步观测，并具有隐蔽性好、不易被破坏等优点，是开展海洋环境长期连续观测最有效的手段。随着海洋环境安全保障、海洋资源开发利用、海洋生态环境保护、海洋气候气象预报与防灾减灾等对实时海洋长期连续观测数据的需求快速增加，然而目前海洋动力环境长期观测尚以自容观测为主，获取数据时效性较低，因此，实现潜标观测数据的实时/准实时化的需求极为迫切。
近些年来，随着国内外在该领域的不断发展，实时/准实时潜标观测系统按通信方式的不同逐渐形成如下几大类型：
①浮子式实时/准实时潜标观测系统：其特征为卫星通信浮子总是位于海面，与通信卫星保持通信状态，下端与水下的主浮体相连。在此基础上，该类型潜标也相继衍生出改进版，如潜标系统配有多台卫星通信浮子，主控单元控制释放卫星通信浮子至海面进行实时卫星数据传输，一旦卫星通信浮子信号传输发生故障，主控单元控制水下切割信号缆将失灵的浮标抛弃，再释放另一个通信浮标，实现观测数据的接力传输。
②升降式实时/准实时潜标系统：其特作为利用水下绞车实现卫星通信浮子的上下运动，在设定通信时间，水下绞车将浮子释放浮出水面，进行数据传输，而在其它时间，水下绞盘带动浮子下沉至海面以下，避免海面强天气过程或船只活动对其损坏。加拿大ODIMBrooke Ocean公司生产的SeaCycler观测系统和美国SeaBird公司前身WET Labs公司研制的Thetis观测系统均属于这类潜标系统。
③定时卫星通信潜标：其特征为主浮体上架装多个弹射抛弃式卫星通信浮标，按设定时序定时释放至海面，通过卫星进行数据回传。
上述几类卫星通信潜标均具有各自的优势，然而也在一定程度上存在各自的缺陷，如浮子式卫星通信潜标通信浮子长期位于海面，极易遭到破坏；自升降式卫星通信潜标机械结构复杂，可靠性较低；定时卫星通信潜标可架装通信浮子数量有限，通信频率较低等，这些缺陷使得上述几类实时/准实时潜标在实现深远海定点连续观测数据的长期稳定卫星通信方面均存在一定的不足。因此，本发明提供一种智能实时通讯潜标及通讯方法，实现实时通讯链路与定时通讯链路双链路设计，保障潜标观测数据的准实时通讯。
发明内容
为了提高潜标观测数据的时效性，保证数据获取的可靠性和稳定性，本发明提供一种智能实时通讯潜标及通讯方法，实现实时通讯链路与定时通讯链路双链路设计，保障潜标观测数据的准实时通讯。岸基站的中央总控将根据实时海面卫星通信浮标的通信状况进行智能调度，在判断实时链路长期无法联通时，则控制释放主浮体I内的多个定时卫星通信浮标顺序释放，让本发明的通讯潜标完成实时链路失联后的数据回传工作，在实时链路接通时则自动转换到实时通信状态，通过实时链路补发之前的缺失的数据，从而实现潜标数据稳定、可靠的准实时传输。
一种智能实时通讯潜标，所述通讯潜标包括海面实时通讯浮标、2组感应耦合温盐链、重力锚、感应耦合通讯缆和通过所述感应耦合通讯缆依次连接的子浮体、主浮体I、主浮体II、感应耦合深海海流与温盐测量单元和并联释放器，所述海面实时通讯浮标位于海面以上通过RS485总线或感应耦合通讯缆与子浮体连接，所述重力锚设置在所述通讯潜标底部与并联释放器连接，海面实时通讯浮标由卫星通讯天线、卫星通讯数据处理及存储模块、供电电池、浮体和主框架组成；子浮体上安装有温盐深传感器和第一数据与控制电子仓；主浮体I上安装有第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪、多个定时卫星通讯浮标、定时释放装置和第二数据与控制电子仓；主浮体II上安装有第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪和第三数据与控制电子仓；感应耦合温盐链由多台间隔一定距离夹持到感应耦合通讯缆上的感应耦合温盐深传感器、感应耦合温深传感器和感应耦合温度传感器组成，2组感应耦合温盐链分别设置在子浮体与主浮体I和主浮体I与主浮体II之间，所述第一数据与控制电子仓、第二数据与控制电子仓和第三数据与控制电子仓均具有收集和储存数据功能且彼此间通过感应耦合通讯缆进行数据传递，所述第二数据与控制电子仓通过数据传输缆与多个定时卫星通讯浮标分别连接实现数据传输与控制，所述通讯潜标以实时通讯链路优先，通讯潜标所采集的数据通过感应耦合通讯缆传输至海面实时通讯浮标，进而通过通讯卫星传输至岸基站，当岸基站检测到实时通讯链路中断或有误时，智能切换主浮体I动作进行定时通讯。
进一步地，所述子浮体位于水面以下50-60米位置处，所述第一数据与控制电子仓储存通讯潜标观测仪器设备的观测数据，将数据通过感应耦合通讯缆或RS485传输缆传输至海面实时通讯浮标。
进一步地，所述主浮体I位于水面以下500-600米位置处，所述第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪通过数据传输缆与所述第二数据与控制电子仓连接，所述定时释放装置与多个所述定时浮标分别通讯连接，所述第一数据与控制电子仓和感应耦合通讯链上的各类传感器通过感应耦合通讯缆与第二数据与控制电子仓连接实现信息和指令互传。
进一步地，所述主浮体II位于水面以下1500-1600米位置处，所述第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪通过数据通讯缆与所述第三数据与控制电子仓连接，第三数据与控制电子仓通过感应耦合通讯缆与第二数据与控制电子仓连接实现信息和指令互传。
进一步地，所述感应耦合深海海流与温盐测量单元由海流计和感应耦合温盐深仪组成，位于水面以下2000米以深位置处，根据通讯潜标观测需求可在不同深度处设置多组所述感应耦合深海海流与温盐测量的单元，所观测数据通过感应耦合通讯缆传输至第三数据与控制电子仓。
进一步地，所述感应耦合温盐链位于水面以下50-1500米位置处，所述感应耦合温盐链上挂载的感应耦合温盐深传感器、感应耦合温深传感器和感应耦合温度传感器通过感应耦合通讯缆接收所述第二数据与控制电子仓指令进行工作和数据传输。
进一步地，所述感应耦合温盐链、第一上打和下打声学多普勒流速剖面仪、第二上打和下打声学多普勒流速剖面仪和深海海流与温盐测量单元共同实现全水深温度、盐度和流速剖面的测量，所述感应耦合温盐链实现1500米以浅的温度和盐度剖面测量，所述深海海流与温盐测量单元实现2000米以深的深海温度、盐度剖面和流速剖面的测量，第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪实现1000米以浅的流速剖面的测量，第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪实现1000-2000米的流速剖面的测量。
一种智能实时通讯潜标的通讯方法，所述通讯方法如下：
步骤1、设定的观测时刻到达，第二数据与控制电子仓通过感应耦合通讯缆向潜标观测系统上的感应耦合温盐深传感器和感应耦合深海海流与温盐测量单元发送观测指令，第二数据与控制电子仓通过数据通讯缆向第一上打和下打声学多普勒流速剖面仪发送观测指令，第二数据与控制电子仓通过感应耦合方式对第三数据与控制电子仓发送观测指令，第三数据与控制电子仓通过数据通讯缆对第二上打和下打声学多普勒流速剖面仪发送观测指令，待所有仪器观测数据采集完成后，通过感应耦合通讯缆和数据通讯缆将所观测数据汇集至第二数据与控制电子仓，进行数据压缩、加密工作，形成剖面传感器数据及系统工作状态信息，同时第二数据与控制电子仓判断与海面实时卫星通讯浮标及岸站通讯状态是否正常，若通讯状态信息正常，进入步骤2进行实时通讯链路，若通讯状态异常或中断，进入步骤3进行定时通讯链路；
步骤2、实时通讯链路进行数据采集与传输，具体包括以下步骤：
步骤2.1、第二数据与控制电子仓采用采集间隙分包发送的方式将所汇集的潜标观测数据信息转发至第一数据与控制电子仓；
步骤2.2、所述第一数据与控制电子仓将采集到的数据以中继方式通过RS485总线或感应耦合通讯缆发给海面实时通讯浮标；
步骤2.3、海面实时通讯浮标将接收到的感应耦合温盐链上的所有温盐观测数据、第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪、第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪和深海海流及温盐测量单元采集的观测数据及系统工作状态信息按照设定频率，通过通讯卫星传回至岸基站；
步骤3、定时通讯链路进行数据采集与传输，具体包括以下步骤：
步骤3.1实时通讯状态异常或中断后，第二数据与控制电子仓采用有缆直传的方式将感应耦合温盐链上的所有温盐观测数据、第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪、第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪和深海海流及温盐测量单元采集的观测数据及系统工作状态信息转发至定时卫星通讯浮标；
步骤3.2、第二数据与控制电子仓根据实时通讯中断的时间，智能判断定时通讯浮标释放间隔，通过控制定时释放装置释放定时卫星通讯浮标，定时卫星通讯浮标上浮至海表，到达水面放后以短消息方式将数据通过通讯卫星逐条发给岸基站，以实现水下观测数据的定时回传；
步骤3.3卫星传输完成后，定时通讯浮标自毁系统触发，销毁内存数据及相关记录，保证数据的安全性；
步骤3.4第二数据与控制电子仓检测到实时通讯状态信息恢复正常时，进入步骤2进行实时通讯链路进行数据采集与传输。
有益效果：本发明提供一种智能实时通讯潜标及通讯方法，实现实时通讯链路与定时通讯链路双链路设计，保障潜标观测数据的准实时通讯。岸基站的中央总控将根据实时海面卫星通信浮标的通信状况进行智能调度，在判断实时链路长期无法联通时，则控制释放主浮体I内的多个定时卫星通信浮标，让本发明的通讯潜标完成实时链路失联后的数据回传工作，在实时链路接通时则自动转换到实时通信状态，通过实时链路补发之前的缺失的数据，从而实现潜标数据的准实时传输，极大提高了通讯数据的可靠性和稳定性。
附图说明
图1、本发明智能实时通讯潜标结构图；
图2、本发明海面实时通讯浮标结构示意图；
图3、本发明子浮体结构示意图；
图4、本发明主浮体I结构示意图；
图5、本发明主浮体II结构示意图。
图中：1、海面实时通讯浮标，2、子浮体，3、感应耦合温盐链，4、主浮体I，5、主浮体II，6、感应耦合通讯缆，7、感应耦合深海海流与温盐测量的单元，8、并联释放器，9、重力锚，10、浮体，11、主框架，12、供电电池，13、卫星通讯天线，14、卫星通讯数据处理及存储模块，15、温盐深传感器，16、第一数据与控制电子仓，17、第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪声学多普勒流速剖面仪，18、定时卫星通讯浮标，19、第二数据与控制电子仓，20、第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪，21、第三数据与控制电子仓。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
潜标可实现全海深海洋环境的定点、长期、连续、多层次、多要素同步观测，并具有隐蔽性好、不易被破坏等优点，是开展海洋环境长期连续观测最有效的手段。随着海洋环境安全保障、海洋资源开发利用、海洋生态环境保护、海洋气候气象预报与防灾减灾等对实时海洋长期连续观测数据的需求快速增加，然而目前海洋动力环境长期观测尚以自容观测为主，获取数据时效性较低，因此，实现潜标观测数据的实时/准实时化的需求极为迫切。然而，潜标长期位于复杂海洋环境中，面临频繁的台风、强锋面对流过程等严酷的自然条件和频繁的渔业活动和船只往来等人为活动等多种复杂因素，对实时潜标的可靠性和稳定性提出了艰巨的挑战。针对当前国内外已有实时潜标样机可靠性和稳定性方面的不足，本发明将海面的实时通讯和水下的准实时通讯双链路相结合，实现链条智能互补，以提高实时/准实时数据获取的可靠性和稳定性。智能实时潜标正常工作时通过海面实时通讯浮标传输至岸站，在海面实时通讯浮标通讯失败时，通过智能判断切换至定时通讯链路，使潜标观测数据回传至岸站，当实时卫星通讯恢复后补发观测数据，极大的提高了潜标数据传输的可靠性，下面结合附图对本发明进一步的阐述。
一种智能实时通讯潜标，所述通讯潜标包括海面实时通讯浮标1、2组感应耦合温盐链3、重力锚9、感应耦合通讯缆6和通过所述感应耦合通讯缆6依次连接的子浮体2、主浮体I4、主浮体II5、感应耦合深海海流与温盐测量的单元7和并联释放器8，所述海面实时通讯浮标1位于海面以上通过RS485总线或感应耦合通讯缆6与子浮体2连接，所述重力锚9设置在所述通讯潜标底部与并联释放器8连接，海面实时通讯浮标1由卫星通讯天线13、卫星通讯数据处理及存储模块14、供电电池12、浮体10和主框架11组成；子浮体2上安装有温盐深传感器15和第一数据与控制电子仓16；主浮体I4上安装有第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪17、多个定时卫星通讯浮标18、定时释放装置和第二数据与控制电子仓19；主浮体II5上安装有第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪20和第三数据与控制电子仓21；感应耦合温盐链3由多台间隔一定距离夹持到感应耦合通讯缆上的感应耦合温盐深传感器、感应耦合温深传感器和感应耦合温度传感器组成，2组感应耦合温盐链3分别设置在子浮体2与主浮体I4和主浮体I4与主浮体II5之间，所述第一数据与控制电子仓16、第二数据与控制电子仓19和第三数据与控制电子仓21均具有收集和储存数据功能且彼此间通过感应耦合通讯缆进行数据传递，所述第二数据与控制电子仓19通过数据传输缆与多个定时卫星通讯浮标18分别连接实现数据传输与控制，所述通讯潜标以实时通讯链路优先，通讯潜标所采集的数据通过感应耦合通讯缆传输至海面实时通讯浮标1，进而通过通讯卫星传输至岸基站，当岸基站检测到实时通讯链路中断或有误时，智能切换主浮体I动作进行定时通讯。
优选的，每一组感应耦合温盐链分别设置3个感应耦合温盐深传感器、3个感应耦合温深传感器和3个感应耦合温度传感器。
所述子浮体2位于水面以下50-60米位置处，所述第一数据与控制电子仓16储存通讯潜标观测仪器设备的观测数据，将数据通过感应耦合通讯缆6传输至海面实时通讯浮标。
所述主浮体I4位于水面以下500-600米位置处，所述第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪17通过数据传输缆与所述第二数据与控制电子仓连接19，所述定时释放装置与多个所述定时浮标18分别通讯连接，所述感应耦合温盐深传感器和第一数据与控制电子仓通过感应耦合通讯缆与第二数据与控制电子仓连接实现信息和指令互传。在位工作过程中，当每个观测时刻的数据收集完成后，可经过感应耦合通讯缆6将数据传输至子浮体2进而再传输至海面的实时通讯浮标1，以及通过数据传输缆将数据传输至定时通讯浮标18。此后，经过智能判断，实时通讯链路工作正常，则以实时链路优先，将数据通过感应耦合缆传输至海面实时通讯浮标，进而通过卫星传输至岸基站。若实时链路发生故障中断，则控制舱再将数据传输至定时通讯浮标之后，按照设定算法控制定时通讯浮标释放，定时通讯浮标在自身浮力作用下上浮至海面，将观测数据发送回岸站。
所述主浮体II5位于水面以下1500-1600米位置处，所述第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪20通过数据通讯缆与所述第三数据与控制电子仓21连接，第二数据与控制电子仓19通过感应耦合通讯缆6与第三数据与控制电子仓21连接实现信息和指令互传，所述第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪与第三数据与控制电子仓通过数据传输缆连接。
所述感应耦合深海海流与温盐测量的单元7由海流计和感应耦合温盐深仪组成，因深层海洋动力环境垂向梯度变化较上层较小，深层海流和温盐的观测对垂向分辨率要求较小，因此深海海流与温盐测量单元由配备感应耦合模块的海流计和感应耦合温盐深仪组成，位于水面以下2000米以深位置处，根据通讯潜标观测需求可在不同深度处设置多组所述感应耦合深海海流与温盐测量的单元7，所观测数据通过感应耦合通讯缆传输至第三数据与控制电子仓21。
所述感应耦合温盐链3、第一上打和下打声学多普勒流速剖面仪17、第二上打和下打声学多普勒流速剖面仪20和深海海流与温盐测量单元7共同实现全水深温度、盐度和流速剖面的测量，所述感应耦合温盐链3实现1500米以浅的温度和盐度剖面测量，所述深海海流与温盐测量单元7实现2000米以深的深海温度、盐度剖面和流速剖面的测量，第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪17实现1000米以浅的流速剖面的测量，第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪20实现1000-2000米的流速剖面的测量。
所述感应耦合温盐链3位于水面以下50米至1500米位置，由主浮体I4分割为两段，由多台感应耦合温盐深传感器、感应耦合温深传感器及感应耦合温度传感器间隔一定距离夹持到感应耦合通讯缆6组成，可获取上层和中层海洋的高分辨率温盐剖面数据，感应耦合温盐链上挂载的感应耦合温盐深传感器、感应耦合温深传感器和感应耦合温度传感器通过感应耦合通讯缆接收主浮体I4中的控制舱的指令进行工作和数据传输，第二数据与控制电子仓通过感应耦合通讯缆对其数据进行收集传输。
一种智能实时通讯潜标的通讯方法，所述通讯方法如下：
步骤1、设定的观测时刻到达，第二数据与控制电子仓19通过感应耦合通讯缆6向潜标观测系统上的感应耦合温盐深传感器和感应耦合深海海流与温盐测量单元发送观测指令，第二数据与控制电子仓通过数据通讯缆向第一上打和下打声学多普勒流速剖面仪发送观测指令，第二数据与控制电子仓通过感应耦合方式对第三数据与控制电子仓发送观测指令，第三数据与控制电子仓通过数据通讯缆对第二上打和下打声学多普勒流速剖面仪发送观测指令，待所有仪器观测数据采集完成后，通过感应耦合通讯缆和数据通讯缆将所观测数据汇集至第二数据与控制电子仓，进行数据压缩、加密工作，形成剖面传感器数据及系统工作状态信息，同时第二数据与控制电子仓判断与海面实时卫星通讯浮标及岸站通讯状态是否正常，若通讯状态信息正常，进入步骤2进行实时通讯链路，若通讯状态异常或中断，进入步骤3进行定时通讯链路；
步骤2、实时通讯链路进行数据采集与传输，具体包括以下步骤：
步骤2.1、第二数据与控制电子仓采用采集间隙分包发送的方式将所汇集的潜标观测数据信息转发至第一数据与控制电子仓；
步骤2.2、所述第一数据与控制电子仓将采集到的数据以中继方式通过RS485总线或感应耦合通讯缆发给海面实时通讯浮标；
步骤2.3、海面实时通讯浮标将接收到的感应耦合温盐链上的所有温盐观测数据、第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪、第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪和深海海流及温盐测量单元采集的观测数据及系统工作状态信息按照设定频率，通过通讯卫星传回至岸基站；
步骤3、定时通讯链路进行数据采集与传输，具体包括以下步骤：
步骤3.1实时通讯状态异常或中断后，第二数据与控制电子仓采用有缆直传的方式将感应耦合温盐链上的所有温盐观测数据、第一上打和下打的声学多普勒流速剖面仪、第二上打和下打的声学多普勒流速剖面仪和深海海流及温盐测量单元采集的观测数据及系统工作状态信息转发至定时卫星通讯浮标；
步骤3.2、第二数据与控制电子仓根据实时通讯中断的时间，智能判断定时通讯浮标释放间隔，通过控制定时释放装置释放定时卫星通讯浮标，定时卫星通讯浮标上浮至海表，到达水面放后以短消息方式将数据通过通讯卫星逐条发给岸基站，以实现水下观测数据的定时回传；
步骤3.3卫星传输完成后，定时通讯浮标自毁系统触发，销毁内存数据及相关记录，保证数据的安全性；
步骤3.4第二数据与控制电子仓检测到实时通讯状态信息恢复正常时，进入步骤2进行实时通讯链路进行数据采集与传输。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
