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基于多源通信链路的跨域中继浮标通信系统设计

李广胜 冯杰 白峻 李亚岚

李广胜, 冯杰, 白峻, 等. 基于多源通信链路的跨域中继浮标通信系统设计[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(6): 1044-1056 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0069
引用本文: 李广胜, 冯杰, 白峻, 等. 基于多源通信链路的跨域中继浮标通信系统设计[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(6): 1044-1056 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0069
LI Guangsheng, FENG Jie, BAI Jun, LI Yalan. Design of Cross-Domain Relay Buoy Communication System Based on Multi-Source Communication Links[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(6): 1044-1056. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0069
Citation: LI Guangsheng, FENG Jie, BAI Jun, LI Yalan. Design of Cross-Domain Relay Buoy Communication System Based on Multi-Source Communication Links[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(6): 1044-1056. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0069

基于多源通信链路的跨域中继浮标通信系统设计

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0069
基金项目: 国家重点研发计划资助(2022YFF1400500; 2024629020101).
详细信息
    作者简介:

    李广胜(1985-), 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为水下通信定位与导航技术、嵌入式系统设计

  • 中图分类号: TJ630; U663

Design of Cross-Domain Relay Buoy Communication System Based on Multi-Source Communication Links

  • 摘要: 针对现有深海潜标通信方式存在的通信模式有限、可靠性低、扩展性弱及功耗高等问题, 提出一种基于多源通信链路的跨域中继浮标通信系统设计方法。首先, 介绍了浮标通信系统的组成、工作原理及工作模式, 并阐述了具备多源通信手段和高扩展性的系统硬件设计方案; 其次, 提出一种最优通信链路选择策略, 该策略能够根据各通信链路实时状态完成最优通信链路的动态选择, 从而提升系统通信可靠性和稳定性, 同时, 引入了数据重发机制, 以有效应对通信中断、数据丢包等通信异常情况, 进而确保系统通信准确性与完整性; 最后, 对系统电源管理与功耗优化进行设计, 并提出了一种低功耗控制策略, 以实现系统电源精细化控制与低功耗运行。试验结果表明, 文中所提浮标通信系统设计方法有效可行, 可解决深海潜标通信问题, 实现远距离实时数据传输, 为水下探测装备信息传输提供技术支撑。

     

  • 图  1  锚系潜标跨域中继浮标通信系统示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the cross-domain relay buoy communication system for moored buoy

    图  2  浮标通信系统架构示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of buoy communication system architecture

    图  3  浮标通信系统硬件架构示意图

    Figure  3.  Hardware architecture diagram of the buoy communication system

    图  4  主控制模块

    Figure  4.  Main control module

    图  5  SNR-ZD027型北斗三号短报文数传终端

    Figure  5.  SNR-ZD027 Beidou No.3 short message data transmission terminal

    图  6  WXJ-ECVTS-100型智能卫星数据传输终端

    Figure  6.  WXJ-ECVTS-100 intelligent satellite data transmission terminal

    图  7  SV6500PRO型无线透明传输收发模块

    Figure  7.  SV6500PRO wireless transparent transmission transmitter and receiver module

    图  8  SKTD23型感应耦合通信传感器

    Figure  8.  SKTD23 inductive coupling communication sensor

    图  9  UACM-M型水声通信机

    Figure  9.  UACM-M underwater acoustic communication transceiver

    图  10  接口扩展示意图

    Figure  10.  Schematic diagram of interface expansion

    图  11  接口扩展模块

    Figure  11.  Interface Expansion Module

    图  12  电源树

    Figure  12.  Power tree

    图  13  主控制软件工作流程

    Figure  13.  Workflow of main control software

    图  14  最优通信链路选择工作流程

    Figure  14.  Workflow of the optimal communication link selection

    图  15  通信协议帧结构示意图

    Figure  15.  Schematic diagram of communication protocol frame structure

    图  16  数据重发机制工作流程

    Figure  16.  Workflow of data resend mechanism

    图  17  试验平台

    Figure  17.  Test platform

    表  1  数据包接收统计结果

    Table  1.   Statistics results of data packet reception

    组别 北斗
    接收数
    天通
    接收数
    无线数传
    接收数
    感应耦合
    接收数
    水声
    接收数
    1 100 100
    2 100 100
    3 100 100
    4 100 100
    5 100 100
    6 100 100
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    表  2  数据包发送统计结果

    Table  2.   Statistics result of data packet transmission

    组别 感应耦合
    发送数
    水声
    发送数
    北斗
    发送数
    天通
    发送数
    无线数传
    发送数
    1 100 100
    2 100 100
    3 100 100
    4 100 100
    5 100 100
    6 100 100
    下载: 导出CSV

    表  3  水下通信链路数据包发送统计结果

    Table  3.   Statistics results of the number of data packets transmitted by underwater communication links

    组别 浮标发送
    数/帧
    感应耦合
    发送数/帧
    感应耦合
    禁用数/次
    水声发送
    数/帧
    水声禁用
    数/次
    1 100 100 0 0 0
    2 100 50 50 50 0
    3 100 100 0 0 0
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    表  4  水上通信链路数据包发送统计结果

    Table  4.   Statistics results of the number of data packets transmitted by air wireless communication links

    组别 北斗发送
    数/帧
    北斗禁用
    数/次
    天通发送
    数/帧
    天通禁用
    数/次
    无线数传
    发送数/帧
    无线数传
    禁用数/次
    控制中心
    接收数/帧
    1 100 0 0 0 0 0 100
    2 90 10 10 0 0 0 100
    3 90 10 0 100 10 0 100
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    表  5  数据包重传统计结果

    Table  5.   Statistics results of the number of data packet transmitted

    组别 浮标接收
    数/帧
    感应耦合
    注入数/次
    感应耦合
    禁用数/次
    感应耦合
    重传数/次
    北斗注入
    数/次
    北斗禁用
    数/次
    北斗重传
    数/次
    控制中心
    接收数/帧
    1 20 5 5 13 0 0 0 20
    2 20 0 0 0 5 5 11 20
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    表  6  功耗测试对比结果

    Table  6.   Comparison results of power consumption test

    功耗管控
    方案
    北斗发送
    数/次
    天通发送
    数/次
    无线数传
    发送数/次
    水声发送
    数/次
    感应耦合
    发送数/次
    综合功耗
    /(W·h)
    对照组 100 100 100 100 100 56.1
    测试组 100 100 100 100 100 22.8
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    表  7  上行通信数据包发送情况统计结果

    Table  7.   Statistics results of uplink communication data packet transmission

    组别 潜标电子舱
    发送数
    浮标感应耦合
    发送数
    浮标水声通信
    发送数
    浮标北斗
    发送数
    浮标天通
    发送数
    浮标无线数传
    发送数
    控制中心
    接收数
    1 60 60 0 69 0 0 58
    2 60 63 1 66 2 0 60
    3 60 60 0 60 0 0 60
    4 60 58 81 53
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    表  8  下行通信数据包接收情况统计结果

    Table  8.   Statistical results of downlink communication data packet reception

    组别 控制中心
    发送数
    浮标北斗
    接收数
    浮标天通
    接收数
    浮标无线数传
    接收数
    浮标感应耦合
    接收数
    浮标水声通信
    接收数
    潜标电子舱
    接收数
    1 24 24 0 0 24 0 24
    2 26 25 1 26 0 26
    3 20 17 17 17
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-20
  • 修回日期:  2025-07-02
  • 录用日期:  2025-07-03
  • 网络出版日期:  2025-11-13
图(17) / 表(8)

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