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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): 1-13 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): 1-13 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. 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. 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; TN914.3

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、工作原理及其工作模式, 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 transceiver module

    图  8  SKTD23型感应耦合通讯传感器

    Figure  8.  SKTD23 inductive coupling communication sensor

    图  9  UACM-M型多体制水声通信机

    Figure  9.  UACM-M multi-mode underwater acoustic communication system

    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

    图  18  浮标通信系统海上布放作业

    Figure  18.  Offshore deployment operation of buoy communication system

    表  1  数据包接收统计结果

    Table  1.   Statistics results of data packet reception

    组别北斗
    接收帧数
    天通
    接收帧数
    无线数传
    接收帧数
    感应耦合
    接收帧数
    水声
    接收帧数
    1100100
    2100100
    3100100
    4100100
    5100100
    6100100
    下载: 导出CSV

    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
    发送帧数
    水声
    发送帧数
    北斗
    发送帧数
    天通
    发送帧数
    无线数传
    发送帧数
    1100100
    2100100
    3100100
    4100100
    5100100
    6100100
    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

    组别浮标发送帧数感应耦合发送帧数感应耦合禁用次数水声发送帧数水声禁用次数
    1100100000
    21005050500
    3100100000
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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

    组别北斗发送帧数北斗禁用次数天通发送帧数天通禁用次数无线数传发送帧数无线数传禁用次数控制中心接收帧数
    110000000100
    2901010000100
    390100100100100
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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
    帧数
    感应耦合
    注入次数
    感应耦合
    禁用次数
    感应耦合
    重传次数
    北斗注入
    帧数
    北斗禁用
    次数
    北斗重传
    次数
    控制中心
    接收帧数
    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
    次数
    天通发送
    次数
    无线数传
    发送次数
    水声发送
    次数
    感应耦合
    发送次数
    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 the number of transmitted data packets sent in uplink communication

    组别 潜标电子舱
    发送帧数
    浮标感应耦合
    发送帧数
    浮标水声通信
    发送帧数
    浮标北斗
    发送帧数
    浮标天通
    发送帧数
    浮标无线数传
    发送帧数
    控制中心
    接收帧数
    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.   Statistics result of the number of received data packets in downlink communication

    序号 控制中心
    发送帧数
    浮标北斗
    接收帧数
    浮标天通
    接收帧数
    浮标无线数传
    接收帧数
    浮标感应耦合
    接收帧数
    浮标水声通信
    接收帧数
    潜标电子舱
    接收帧数
    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

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