一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统及方法

技术特征：
1.一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：包括信标节点组网单元、蓝绿光通信设备(2)和水面监测单元(3)；所述信标节点组网单元包括分布于水下工作区域内的n个信标节点，相邻两个信标节点间通过网络连接，其中，n为大于3的整数；所述水面监测单元(3)与信标节点组网单元通过网络互联通信；所述蓝绿光通信设备(2)用于搭载在水下运动平台(4)上，并在信标节点组网单元覆盖的区域内运动；蓝绿光通信设备(2)包括水密封壳体(21)以及封装在水密封壳体(21)内部的蓝绿光通信与测距一体化单元(22)、定位单元(23)、授时单元(24)；所述蓝绿光通信与测距一体化单元(22)用于发出蓝绿光信号并接收经所有信标节点反射回的测距光信号，根据测距光信号计算、比较水下运动平台(4)与所有信标节点的距离，使其与距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；所述定位单元(23)用于对水下运动平台(4)与所有信标节点之间的距离进行完好性监测并筛选出可用的测距结果，以及计算出水下运动平台(4)的位置信息；所述授时单元(24)用于根据水面监测单元(3)与水下运动平台(4)的时间差，对水下运动平台(4)的时钟进行精准授时。2.根据权利要求1所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：所述n个信标节点呈n边形分布。3.根据权利要求2所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：所述水面监测单元(3)为水面电脑监测系统或岸基监控中心平台。4.根据权利要求1至3任一所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统，其特征在于：所述水面监测单元(3)与任一信标节点通过网络连接实现互联。5.一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将n个信标节点分布于水下目标区域内组成信标节点组网单元，其中，n为大于3的整数；步骤2、相邻两个信标节点之间通过网络连接，同时，其中任一信标节点与水面监测单元(3)通过网络连接，实现信标节点组网单元与水面监测单元(3)之间的信息互享和传输；步骤3、水下运动平台(4)在水下运动时，通过其上的蓝绿光通信与测距一体化单元(22)发出蓝绿光信号并接收所有信标节点返回的测距光信号，根据测距光信号计算、比较水下运动平台(4)与所有信标节点的距离，使蓝绿光通信与测距一体化单元(22)与距离最近的信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路；步骤4、在大地坐标系下，设n个信标节点的位置坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)
…
(x
n
，y
n
，z
n
)，水下运动平台(4)的实时位置(x，y，z)与n个信标节点的距离分别为r1、r2、r3…
r
n
；蓝绿光通信与测距一体化单元(22)发出蓝绿光信号与经n个信标节点反射的测距光信号时间差分别为δt1、δt2、δt3…
δt
n
，通过以下方程组计算出水下运动平台(4)的实时位置(x，y，z)：
式中：v为蓝绿光信号在水下的实际运动速率；步骤5、水下运动平台(4)的实时位置坐标信息通过步骤3建立好的水下无线蓝绿光通信链路传输给信标节点，然后通过步骤2已经建立的网络连接传输到水面监测单元(3)，实现对水下运动平台(4)运动坐标信息的实时定位和运动轨迹的精确掌控；步骤6、水面监测单元(3)通过步骤2建立的网络连接与步骤3的水下无线蓝绿光通信链路，对水下运动平台(4)进行授时；步骤7、在满足水下时间基准ntp协议的条件下，水面监测单元(3)与水下运动平台(4)分别向对方发送授时信号，并接收对方发送的授时信号；步骤8、测量水面监测单元(3)发送授时信号的时间t1以及水面监测单元(3)接收到授时信号的时间t2，并记录时间间隔t
2-t1；同时，测量水下运动平台(4)发送授时信号的时间t3以及水下运动平台(4)接收到授时信号的时间t4，并记录时间间隔t
4-t3；步骤9、根据步骤8的两个时间间隔t
4-t3、t
2-t1，通过公式δt＝[(t
2-t1) (t
4-t3)]/2计算水面监测单元(3)与水下运动平台(4)的时间差δt，并根据时间差对水下运动平台(4)的时钟进行精准授时。6.根据权利要求5所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于：还包括步骤10、重复步骤7至步骤9多次。7.根据权利要求6所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于：步骤1中，所述n个信标节点呈n边形分布。8.根据权利要求5至7任一所述基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时方法，其特征在于：步骤2中，所述水面监测单元(3)为水面电脑监测系统或岸基监控中心平台。

技术总结
本发明提供一种基于蓝绿光的水下实时通信、定位与授时系统及方法，解决现有采用无线电波或电磁波或声波进行水下通信、定位、授时服务均不同程度存在很多无法解决的缺陷和技术问题。系统包括信标节点组网单元、蓝绿光通信设备和水面监测单元；信标节点组网单元包括分布于水下工作区域内的多个信标节点，相邻两个信标节点间通过网络连接；水面监测单元与信标节点组网单元通过网络互联通信；蓝绿光通信设备搭载在水下运动平台上，包括水密封壳体、封装在水密封壳体内且与距离最近信标节点建立水下无线蓝绿光通信链路的蓝绿光通信与测距一体化单元、计算出水下运动平台位置信息的定位单元、对水下运动平台时钟进行精准授时的授时单元。授时单元。


技术研发人员：常畅 谢小平 汪伟 李鹏 王宇飞 郑运强 聂文超 刘欢 韩笑天
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/7/21