本發(fā)明涉及海洋探測(cè)和數(shù)據(jù)采集相關(guān)領(lǐng)域，具體為一種海床基定位授時(shí)與數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，海洋資源的開發(fā)和環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)于高精度的海底定位和數(shù)據(jù)采集提出了更高的要求。傳統(tǒng)的海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常依賴于浮標(biāo)或水下滑翔機(jī)來(lái)收集數(shù)據(jù)，并在一定時(shí)間間隔內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。然而，這些方法在深海環(huán)境中受限于通信距離、傳輸效率和定位精度，無(wú)法滿足高精度和高可靠性的需求。

2、目前，現(xiàn)有技術(shù)中還缺乏一種能夠在海床基上長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的定位授時(shí)與數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具備高精度的定位功能、準(zhǔn)確的授時(shí)能力，以及可靠的數(shù)據(jù)回收機(jī)制，以滿足深海復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種海床基定位授時(shí)與數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)及方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種海床基平臺(tái)、定位模塊、授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)回收模塊、電源管理模塊和控制模塊，所述海床基平臺(tái)：安裝在海床上，用于承載定位模塊、授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)回收模塊、電源管理模塊和控制模塊，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

3、所述定位模塊利用超短基線或長(zhǎng)基線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海床基平臺(tái)的高精度定位；

4、所述授時(shí)模塊內(nèi)置高精度原子鐘或同步授時(shí)裝置，確保系統(tǒng)內(nèi)各模塊的時(shí)間同步；

5、所述數(shù)據(jù)采集模塊包括多種傳感器，用于采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)；

6、所述數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存；

7、所述數(shù)據(jù)回收模塊通過(guò)聲學(xué)通信或光學(xué)通信技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿娼邮昭b置，或通過(guò)浮標(biāo)系統(tǒng)定期將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨渡希?/p>

8、所述電源管理模塊采用深海長(zhǎng)壽命電池或可再生能源供電系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行；

9、所述控制模塊用于管理和協(xié)調(diào)定位模塊、授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)回收模塊、電源管理模塊的運(yùn)行，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和壓縮。

10、優(yōu)選的，所述定位模塊根據(jù)實(shí)際需求選擇超短基線或長(zhǎng)基線技術(shù)，或者將兩者結(jié)合使用，其中定位模塊具體工作步驟如下：

11、步驟1、系統(tǒng)初始化：定位模塊啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確認(rèn)各組件正常工作；

12、步驟2、信號(hào)發(fā)射與接收：船載換能器的超短基線或海底基站的長(zhǎng)基線發(fā)出聲波信號(hào)，水下定位器接收到信號(hào)并進(jìn)行響應(yīng)；

13、步驟3、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算：信號(hào)處理單元接收傳回的聲波數(shù)據(jù)，利用時(shí)間差、相位差測(cè)量參數(shù)，計(jì)算出海床基平臺(tái)的精確位置；

14、步驟4、位置更新與存儲(chǔ)：定位模塊定期更新海床基平臺(tái)的位置信息，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，以便后續(xù)使用。

15、優(yōu)選的，所述授時(shí)模塊具體包括以下部分：高精度原子鐘：作為授時(shí)模塊的時(shí)間基準(zhǔn)，高精度原子鐘能夠提供極為穩(wěn)定和準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)；同步授時(shí)裝置：用于將原子鐘的時(shí)間信號(hào)分發(fā)到系統(tǒng)的各個(gè)模塊，確保所有設(shè)備使用相同的時(shí)間基準(zhǔn)，同步授時(shí)裝置包括時(shí)間分配網(wǎng)絡(luò)，具體為ptp精確時(shí)間協(xié)議、gps接收器，即在水面部分使用，以及時(shí)間轉(zhuǎn)換器；時(shí)間校準(zhǔn)裝置：用于定期校準(zhǔn)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，特別是在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或經(jīng)歷極端環(huán)境變化后，校準(zhǔn)裝置通過(guò)外部信號(hào)源或基于已知時(shí)間事件對(duì)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行重新調(diào)整。

16、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集模塊具體由以下部分組成：

17、多種傳感器：根據(jù)任務(wù)需求，數(shù)據(jù)采集模塊配備多種傳感器，以測(cè)量不同的海洋環(huán)境參數(shù)；

18、數(shù)據(jù)處理單元：負(fù)責(zé)接收、處理和存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理單元配備數(shù)據(jù)過(guò)濾和初步分析功能，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸或回收過(guò)程中提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；

19、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元：用于本地存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，確保在數(shù)據(jù)回收之前不會(huì)丟失，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元包括高容量、抗壓、防腐的存儲(chǔ)設(shè)備；

20、數(shù)據(jù)傳輸單元：將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線方式傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控站。

21、優(yōu)選的，所述多傳感器具體包含溫度傳感器、鹽度傳感器、壓力傳感器、溶解氧傳感器和聲速剖面儀，其中溫度傳感器用于測(cè)量海水的溫度；鹽度傳感器測(cè)量海水中的鹽度；壓力傳感器用于測(cè)量海水的壓力，壓力數(shù)據(jù)用于推算海水的深度和水柱的總重力作用；溶解氧傳感器測(cè)量海水中溶解的氧氣濃度；聲速剖面儀用于測(cè)量海水中聲速剖面。

22、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)回收模塊包括以下組件：

23、聲學(xué)通信裝置：利用水聲通信技術(shù)，通過(guò)聲波在水中傳播的特性，將數(shù)據(jù)從海底傳輸?shù)剿婊蛑虚g接收設(shè)備；

24、光學(xué)通信裝置：采用激光或led光源，通過(guò)光纖或自由空間光通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行高速傳輸至水面或中間接收設(shè)備；

25、浮標(biāo)系統(tǒng)：在海面上部署的浮標(biāo)，內(nèi)置通信設(shè)備，能夠定期或?qū)崟r(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨渡系慕邮照荆?/p>

26、數(shù)據(jù)緩沖與處理單元：在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、壓縮、加密處理，以提高傳輸效率和安全性；

27、電源管理系統(tǒng)：提供數(shù)據(jù)回收模塊所需的電力，確保其能夠在無(wú)人值守的環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

28、優(yōu)選的，所述控制模塊具體包括以下內(nèi)容：

29、a：控制模塊的組成：控制模塊由以下幾個(gè)組件構(gòu)成：

30、中央處理單元：作為控制模塊的大腦，負(fù)責(zé)執(zhí)行所有控制指令和數(shù)據(jù)處理任務(wù)；

31、控制算法與軟件：包含各種控制算法、狀態(tài)監(jiān)控軟件和任務(wù)調(diào)度程序，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能模塊的智能化管理；

32、接口控制器：管理與數(shù)據(jù)采集模塊、授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)回收模塊的通信，確保指令和數(shù)據(jù)在各模塊之間的傳遞；

33、數(shù)據(jù)處理與壓縮單元：用于對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，包括數(shù)據(jù)過(guò)濾、格式轉(zhuǎn)換和壓縮，以便節(jié)省存儲(chǔ)空間和提高傳輸效率；

34、電源管理單元：優(yōu)化系統(tǒng)的功耗分配，確保在能量有限的海洋環(huán)境中，系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；

35、b：控制模塊的功能與作用：控制模塊根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)和時(shí)間表，協(xié)調(diào)各模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉，避免資源沖突和任務(wù)延誤；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各模塊的運(yùn)行狀態(tài)，包括電源、電壓、溫度參數(shù)，并根據(jù)反饋調(diào)整工作模式；控制模塊在數(shù)據(jù)傳輸前對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和傳輸效率；

36、c：控制算法與軟件設(shè)計(jì)：

37、狀態(tài)機(jī)控制：控制模塊根據(jù)不同的任務(wù)階段和外部條件，切換系統(tǒng)狀態(tài)，如數(shù)據(jù)采集狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)；

38、自適應(yīng)控制算法：根據(jù)環(huán)境變化，具體包括溫度、壓力、電源電壓變化，控制模塊自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能；

39、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：在高實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用場(chǎng)景下，控制模塊運(yùn)行在rtos上，以保證各任務(wù)的及時(shí)調(diào)度和執(zhí)行。

40、優(yōu)選的，一種海床基定位授時(shí)與數(shù)據(jù)回收方法，包括以下步驟：

41、步驟s1、系統(tǒng)部署

42、1.1海床基平臺(tái)的部署：在正式部署系統(tǒng)之前，需要對(duì)目標(biāo)海域進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)和環(huán)境調(diào)查，選擇一個(gè)合適的海床位置，這個(gè)位置應(yīng)具有穩(wěn)定的地質(zhì)條件，避免因海流、海浪或地震引起設(shè)備的位移或損壞；將海床基平臺(tái)及定位模塊、授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)回收模塊、電源管理模塊和控制模塊部署在預(yù)定的海床位置，并將各個(gè)模塊正確連接到海床基平臺(tái)，形成一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

43、1.2設(shè)備檢查：在部署完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，確保所有模塊正常工作，通信線路暢通，并且電源模塊具有足夠的電力儲(chǔ)備；

44、步驟s2、定位與授時(shí)

45、2.1定位模塊啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)定位模塊，利用gps、超短基線或長(zhǎng)基線技術(shù)獲取系統(tǒng)的精確位置，根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的定位數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地理精度；

46、2.2授時(shí)模塊同步：?jiǎn)?dòng)授時(shí)模塊，利用高精度時(shí)間源對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步；

47、步驟s3、數(shù)據(jù)采集

48、3.1采樣頻率設(shè)定：根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的需求和環(huán)境特征，預(yù)先設(shè)定采樣頻率；

49、3.2數(shù)據(jù)采集模塊啟動(dòng)：根據(jù)設(shè)定的采樣頻率，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)激活部署在海床基平臺(tái)上的各類傳感器，采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)；采集到的數(shù)據(jù)會(huì)被立即傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中進(jìn)行存儲(chǔ)；

50、3.3數(shù)據(jù)初步處理：在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之前，控制模塊對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和壓縮，具體包括數(shù)據(jù)的過(guò)濾、格式轉(zhuǎn)換，以及壓縮；

51、步驟s4、數(shù)據(jù)回收

52、4.1定期數(shù)據(jù)回收：根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和任務(wù)需求，定期啟動(dòng)數(shù)據(jù)回收模塊；

53、4.2數(shù)據(jù)傳輸：系統(tǒng)通過(guò)聲學(xué)通信將數(shù)據(jù)從海床基平臺(tái)傳輸?shù)剿娼邮昭b置；在需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，系統(tǒng)通過(guò)水下光纖或自由空間光通信將數(shù)據(jù)快速傳輸至接收裝置；系統(tǒng)通過(guò)浮標(biāo)系統(tǒng)定期將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨渡希?/p>

54、4.3數(shù)據(jù)安全：數(shù)據(jù)回收模塊會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸，并使用冗余備份策略；

55、步驟s5、系統(tǒng)維護(hù)

56、5.1定期檢修：制定定期的系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃，確保定位模塊、授時(shí)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、數(shù)據(jù)回收模塊、電源管理模塊和控制模塊部的正常運(yùn)行；

57、5.2能源補(bǔ)充：在維護(hù)期間，定期更換或充電電源模塊

58、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)將海床基平臺(tái)穩(wěn)固地部署在預(yù)定海床位置，并結(jié)合先進(jìn)的定位與授時(shí)模塊，確保系統(tǒng)的地理位置和時(shí)間基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。這種設(shè)計(jì)有效地避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)因位置漂移或時(shí)間不同步導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問(wèn)題，大大提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性；本發(fā)明采用了多種傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊，能夠按照預(yù)設(shè)的采樣頻率進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)采集。結(jié)合數(shù)據(jù)處理與壓縮技術(shù)，系統(tǒng)能夠在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，最大限度地減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸所需的帶寬和能量。這不僅提升了數(shù)據(jù)采集的效率，還為長(zhǎng)時(shí)間、低功耗運(yùn)行提供了保障；本發(fā)明的數(shù)據(jù)回收模塊支持多種通信方式，包括聲學(xué)通信、光學(xué)通信以及通過(guò)浮標(biāo)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和數(shù)據(jù)傳輸需求，系統(tǒng)能夠靈活選擇最適合的通信方式。這種多樣化的通信手段保證了數(shù)據(jù)回收的高效性和安全性，特別是在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，能夠應(yīng)對(duì)各種可能的通信挑戰(zhàn)；本發(fā)明通過(guò)先進(jìn)的能量管理系統(tǒng)和模塊化設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)可以在無(wú)人值守的情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。定期的系統(tǒng)維護(hù)計(jì)劃，包括電源模塊的更換或充電，以及系統(tǒng)的自動(dòng)故障檢測(cè)與應(yīng)急處理功能，確保系統(tǒng)能夠在惡劣的海洋環(huán)境中持續(xù)工作，減少了對(duì)人力資源的依賴。