与水下航行器的通讯的制作方法

与水下航行器的通讯的制作方法
【专利摘要】一种与水下航行器通讯的方法，该水下航行器包括推动该作业车通过水的推动系统。对一系列数据集进行编码并将编码后的数据以一系列信号猝发的形式传输至水下航行器。该推动系统通过一系列从漂移周期分离的推力脉冲控制，如此该推力系统可以在推力脉冲期间以相对高的速度操作，在漂移周期期间以相对低的(或者零)速度操作。对该漂移周期进行计时以使每个信号猝发在漂移周期期间而不是推力脉冲期间到达水下航行器。该方法可以由单个水下航行器执行也可以由多个水下航行器执行。该编码数据信号以一系列信号猝发的形式同时传播至水下航行器。
【专利说明】与水下航行器的通讯

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种与一个或者多个与水下航行器通讯的方法、一种操作一个或者多 个水下航行器的方法、及执行这些方法的装置。

【背景技术】
[0002] US5119341描述了现有的与水下航行器通讯的方法及装置。多个浮标根据全球定 位系统（Global Positioning System，GPS)导航卫星确定他们的位置并发射包含该位置的 声音水下数据信息。水下航行器接收该信息并根据该信息确定它的位置。扩频编码（Spread spectrum encoding)用于使所有的浮标用一个信标载波频率。可替换地，可以给每个浮标 分配单独的本地唯一信标载波频率。


【发明内容】

[0003] 本发明的第一方面提供了一种与水下航行器通讯的方法，该水下航行器包括推动 该作业车通过水的推动系统，该方法包括：
[0004] a.对一系列数据集进行编码以产生一系列编码数据信号；
[0005] b.以一系列信号猝发的形式传输该编码数据信号至水下航行器；
[0006] c.以由漂移周期分离的一系列推力脉冲控制该推动系统，以使推动系统在推力脉 冲期间以相对高的速率操作，在漂移周期以相对低的速度（例如〇)操作；
[0007] d.对推动系统的漂移周期计时，以使每个信号猝发在漂移周期而不是推力脉冲期 间到达水下航行器；及
[0008] e.在水下航行器处解码该信号猝发来获得该系列数据集。
[0009] 本发明的另一方面提供一种水下通讯系统，包括：
[0010] 传输器，被程序化来执行权利要求1的a及b步骤；及
[0011] 一个或者多个水下航行器，每个作业车包括推动作业车通过水的推动系统及程序 化的控制及处理系统来执行权利要求1中的C、d、及e步骤。
[0012] 该方法可以由一个水下航行器执行，也可以优选地由多个水下航行器执行，其中 该编码信号以一系列信号猝发的形式被同时传播至水下航行器，该编码信号来自一个公共 传输器。
[0013] 数据只能通过一个传输器传输至水下航行器，然而，更优选地，该编码数据信号由 第一传输器在第一位置以一系列信号猝发的形式传输至水下航行器，该方法包括：
[0014] a.对第二系列数据集进行编码以产生第二系列编码数据信号；
[0015] b.由第二传输器在远离第一位置的第二位置处以第二系列信号猝发的形式传输 第二系列编码数据信号至水下航行器；
[0016] c.对推动系统的漂移周期计时，以使第二系列信号猝发中的每个信号猝发在漂移 周期期间而不是推力脉冲期间到达水下航行器；及
[0017] d.在水下航行器处解码第二系列信号猝发来获得该第二系列数据集。
[0018] 一般，该第一及第二系列信号猝发基本上同时开始。
[0019] 优选地，该水下航行器包括具有导管的环形外壳，且在推力脉冲期间及漂移周期 期间水流过导管并产生浮力。
[0020] 本发明的另一方面提供一种操作水下航行器的方法，该水下航行器包括具有导管 的环形外壳及推动该作业车通过水的推动系统，该方法包括：
[0021] a.以由漂移周期分离的一系列推力脉冲控制该推动系统，以使该推动系统在推力 脉冲期间以相对高的速率操作，在漂移周期以相对低的速度（例如〇)操作，其中在推力脉 冲期间及漂移周期水流过导管并产生浮力；
[0022] b.在水下航行器处接收一系列信号猝发；
[0023] c.对推动系统的漂移周期计时，以使每个信号猝发在漂移周期期间而不是推力脉 冲期间到达水下航行器；及
[0024] d.解码在水下航行器处接收的信号猝发以获得一系列用他们编码的数据集。
[0025] 该方法可以由一个水下航行器执行，也可以由多个水下航行器执行。
[0026] 本发明的另一方面提供一种水下航行器，包括具有导管的环形外壳；推动作业车 通过水的推动系统；及控制及处理系统，对其编程以通过本发明上述的另一方面所述的方 法控制该水下航行器。一般，该环形外壳包括定义了该外壳的外部轮廓的外层及设置了导 管的内层。该内层及外层在在外壳的前缘及后缘相交。
[0027] -般，该控制及处理系统至少部分封装在内层及外层之间的壳体内。
[0028] -般，该作业车还包括接收该信号脉冲的天线，其中，该天线与该内层及外层齐平 或者封装在该内层与外层之间。
[0029] -般，该控制及处理系统包括时钟，可以设置该时钟以提供时钟信号，该时钟信号 能够使该控制及处理系统为该漂移周期计时，如此，可以使每个信号猝发在漂移周期期间 而不是推力脉冲期间到达水下航行器。
[0030] 本发明的另一方面提供了一种操作多个水下航行器来接收被传播至多个水下航 行器的系列数据集的方法，每个水下航行器包括推动该作业车通过水的推动系统，对每个 作业车来说，该方法包括 ：
[0031] a.以由漂移周期分离的一系列推力脉冲操作该推动系统，以使该推动系统在推力 脉冲期间以相对高的速率操作，在漂移周期以相对低的速度（例如〇)操作；
[0032] b.在水下航行器处接收一系列信号猝发；
[0033] c.对推动系统的漂移周期计时，以使每个信号猝发在漂移周期期间而不是推力脉 冲期间到达水下航行器；及
[0034] d.解码在水下航行器处接收的信号猝发以获得一系列用他们编码的数据。
[0035] 本发明的另一方面提供多个水下航行器，每个水下航行器包括推动作业车通过水 的推动系统，及控制及处理系统，该控制及处理系统被编程以通过上一段所述的方法控制 该水下航行器。
[0036] 以下注释可以应用于本发明的所有方面。
[0037] 该信号猝发可以包括声音信号猝发或者可以包括电磁信号猝发。一般，该（或每 个）水下航行器包括接收信号脉冲的接收器，该信号接收器可以是声音或者电磁天线。
[0038] 在提供多个水下航行器的方面，水下航行器的推动系统可以基本上被同时操作， 以使所有水下航行器的漂移周期基本上同时开始及结束。可替换地，该推动系统被异步操 作，以使该多个作业车中的至少第一个作业车的漂移周期与多个作业车中的至少第二个作 业车的漂移周期在不同的时间开始及/或结束。
[0039] 在任务的开始处漂移周期是固定的且针对该任务一直保持不变。可替换的，该方 法进一步包括为该（或者每个）水下航行器测量参数，并相应的改变漂移周期的计时。
[0040] 各漂移周期的计时的被不同步地改变，以使该多个作业车中的至少第一个作业车 的漂移周期的变化不同于多个作业车中的至少第二个作业车的漂移周期变化。
[0041] 在一个实施例中，该方法进一步包括估计信号猝发到达该（或者每个）作业车的 时间，并相应地改变漂移周期的计时，其中，所估计的到达时间的延迟引起漂移周期的开始 及/或结束时间的延迟。例如，可以通过测量前一个循环中的脉冲序列到达的时间相对于 该脉冲序列的已知的传输时间来估计该到达时间。
[0042] 在一个实施例中，该方法进一步包括测量该（或者每个）作业车与其他作业车的 接近度，并相应的改变所述漂移周期的计时，其中，增加接近度引起漂移周期的长度增加。
[0043] 在一个实施例中，该方法进一步包括测量该（或者每个）作业车的移动方向，并相 应的改变漂移周期的计时。例如，远离该信号猝发的传输器会使漂移周期的开始/结束时 间延迟。
[0044] 该方法进一步包括测量该（或者每个）作业车的速度，并相应的改变漂移周期的 计时，例如增加速度会使漂移周期的长度增加。
[0045] 在一个实施例中，所述推力脉冲的平均持续时间少于该（或者每个）作业车的静 态周期的平均持续时间，例如少于该（或者每个）作业车的静态周期的平均持续时间的 50%，在另外一个实施例中，该推力脉冲的平均持续时间大于该（或者每个）作业车的静态 周期的平均持续时间。
[0046] 该推力系统在漂移周期期间可能产生少量的推力，但是优选地，该（或者每个）推 动系统在静态周期期间产生基本上为零的推力。
[0047] -般，该系列信号粹发由具有传输时钟的传输器传输，该传输时钟用于确定该系 列信号猝发的计时。优选地，该方法进一步包括同步该（或者每个）作业车上的接收时钟 及该传输时钟；且使用该接收时钟确定漂移周期的计时。
[0048] 每个数据集由单项数据或者多项数据组成。在优选的实施例中，每个数据集包括 数据的传输器的位置坐标。该数据可以以多种方式编码，但是最优选地，是通过脉冲位置调 制进行编码。这样，在一优选的实施例中，该数据用于通过下面的方法确定该（或者每个） 水下航行器的位置：
[0049] a.确定三个或者更多传输器的位置；
[0050] b.从每个传输器传输至少四个脉冲（该四个脉冲一起构成一个如本发明的第一 方面提到的"信号猝发"），其中，每个脉冲与前一个脉冲之间的时间差正比于各个传输器的 位置坐标；
[0051] c.在水下航行器处接收该脉冲；
[0052] d.通过测量他们之间的延迟在水下航行器处对该脉冲进行编码，如此确定该传输 器的坐标；
[0053] e.确定每个传输器相对于该水下航行器的范围；及
[0054] f.根据步骤d中确定坐标及步骤e中确定的范围（例如多边法）确定水下航行器 的位置。

【专利附图】

【附图说明】
[0055] 现在将参照附图描述本发明的实施例，图中：
[0056] 图1所示为一种水下通讯系统；
[0057] 图2所示为一种对位置序列进行编码的方法；
[0058] 图3所示为一勘测空间；
[0059] 图4所示为一脉冲序列，其中X轴为时间标度，Y轴为频率标度；
[0060] 图5所示为具有独立频带的三列同步的脉冲序列；
[0061] 图6所示为具有不同频带的脉冲的单一脉冲序列；
[0062] 图7所示为对所接收的信号进行编码以确定浮标位置的方法；
[0063] 图8所示为所接收的信号及从所接收的信号派生的互相关数据；
[0064] 图9所示为具有采样点的模拟信号；
[0065] 图10所示为根据浮标的位置及范围确定水下航行器的位置的方法；
[0066] 图11所示为其中一个水下航行器的详细结构；
[0067] 图12a为该水下航行器的主要功能元件的方块图；
[0068] 图12b为省略推动单元的水下航行器的后视图；
[0069] 图12c为省略推动单元的水下航行器的另一视图；
[0070] 图12d为从水下航行器的尾部上方剖开剖视图以显示天线；
[0071] 图13所示为三个浮标及三个水下航行器；
[0072] 图14所示为同步冲刺及漂移方法的时序图；
[0073] 图15为同步冲刺及漂移方法的时序图。

【具体实施方式】
[0074] 图1所示为水下通讯系统。三个传输器浮标la-c在水面上展开。每个浮标具有 全球定位系统（Global Positioning System, GPS)天线2、处理器3及声学天线（acoustic antenna) 4〇
[0075] 该GPS天线2从GPS卫星11及位于水面舰艇上的差分GPS (differential GPS， DGPS)参考站12接收GPS数据信号10。该处理器3处理GPS数据信号10以通过已知的方 式确定浮标1的位置。
[0076] 图2为处理器3所执行的方法的各步骤的示意图。首先确定浮标la-c在GPS坐 标（纬度、经度及高度）中的位置并存储为位置数据20。该位置数据20在步骤21被变换 为具有原点22(还是根据GPS坐标设置）的局部坐标系以生成网格位置23。这个过程在图 3中进行了描述，图3显示了原点22及具有在原点22处垂直相交的X、Y及Z轴的立方体。 在立方体中的任意位置都可以通过三个相对于原点22的网格坐标X、y及ζ来确定。
[0077] 对处理器3进行编程以使声学传输器4传输线性调频脉冲位置调制声学脉冲序列 (chirp pulse position modulated acoustic pulse train) 25,其对图 4 所不的浮标 I 的 xyz位置进行编码.
[0078] 该网格位置数据23在步骤26依据参考线性调频数据（chirp data) 27及测网属 性数据（survey grid property data) 28被编码为脉冲序列25。该参考线性调频数据27 为每个浮标定义了开始频率F1、结束频率F2、及单调函数，该单调函数定义了线性调频频 率如何相对于时间从Fl变化至F2 (例如，该频率可能以固定的速率在Fl及F2之间变化）。 该测网属性数据28定义了以米为单位的立方体24的大小（例如4096m乘以4096m乘以 4096)，要求分辨率（例如0. 25m)及脉冲序列中的相邻脉冲之间的最大时间（例如0. Is)。
[0079] 图4所示的脉冲序列25包括四个由低到高的频率线性调频30-33及一个由高到 低的频率线性调频34。该由低到高的频率线性调频30-33以固定的频率从在脉冲起始位置 的第一低频率开始增加至在脉冲末端的第二高频率F2。该由低到高的频率线性调频30-33 分别在时间t x，、ty、及tz开始。该由高到低的频率线性调频34的频率以固定速率从在脉冲 起始位置处的第一高频率开始降低至在脉冲末端的低高频率。该线性调频30及34用于触 发该脉冲序列。
[0080] 图4中的脉冲序列中的线性调频具有以一固定速率变化的频率。在可替换的脉冲 序列（图未示）中，相反的，该线性调频具有可以以一固定速率变化的周期。
[0081] 在步骤26,根据公式Δ? = co-ordinate (x,y,z) X (k)，每个声学脉冲与前一个声 学脉冲之间的时间差（Δ?):被编码为分别直接正比于浮标Ia-C的位置的坐标（X，y，z)，在公 式Δ?= co-ordinate (x，y,z) X (k)中，其中k为正比系数，在本实施方式中，该系数的值为 4096/U lm/s，换言之：
[0082] t〇-tx = X 坐标（单位为米）X (0· 1/4096)
[0083] tx_ty = Y 坐标（单位为米）X (0· 1/4096)
[0084] ty-tz = Z 坐标（单位为米）X (0· 1/4096)。
[0085] 如图5所示，源自浮标la-c的线性调频为频分复用。在本实施例中，该第一浮标 Ia从Fla传输至F2a，该第二浮标Ib从Flb传输至F2b，该第三浮标Ic从Flc传输至F2c。 该线性调频占用了不相邻且不重叠的频带，如此则Fla〈F2a〈Flb〈F2b〈Flc〈F2c。该三个脉 冲序列通过下面描述的互相关的过程根据他们的频率在水下航行器处进行解耦和。举例来 说,频率Fla大约10kHz，频率F2c大约为15kHz。
[0086] 可选地，如图6所示，源自每个浮标的每个线性调频也占用了不同频带。在本实施 例中，源自浮标Ia的线性调频占用了四个不相邻且不重叠的频带，其中，FlaO〈F2aO〈Flax〈 F2ax〈Flay〈F2ay〈FlaZ〈F2aZ。源自其他两个作业车的线性调频也类似地分布在他们各自的 频带内。通过互相关的方法，各个线性调频根据他们的频率在水下航行器处进行解复用。这 个过程也会在接收端引起脉冲压缩，这提高了脉冲到达接收端时的分辨率。
[0087] 在另外一个实施例中，该脉冲序列及/或各个线性调频可以被码分复用（例如，在 上线性调频（up chirps)和下线性调频（down chirps)之间被混合，或者被以一些其他方 式编码，可能通过频率跳变编码），然后根据他们的编码在水下航行器处被解复用。
[0088] 水下航行器40a及40b中的每个都包括用于接收声学脉冲30-34的声学天线44， 及处理器45。该处理器45测量脉冲30-33之间的延迟，如此即可确定浮标la-c的X，Y，Z 坐标。其实现过程如图7所示。
[0089] 首先，所接收的声音信号数据在步骤50被接收及存储。图8所示为举例说明在41 处接收信号数据。接下来，该数据在步骤51被与参考线性调频数据27互相关以产生互相 关信号数据52。该水下航行器40及浮标1具有同步的时钟，如此该水下航行器知道浮标 传输该第一脉冲的时间。在步骤53,给该互相关信号施加一个时间变化增益，在施加后，该 增益相对于时间稳定增加。一但在步骤55中在互相关信号52中检测到第一峰值，则增益 值56即在步骤57被记录并施加于该互相关信号数据52的之后部分。该时间变化增益说 明了如果水下航行器远离浮标，则所接收的信号比靠近浮标1的水下航行器所接收的信号 会减弱并被延长的时间延迟。图8中的曲线图42a-c所示为增益被以上述方式施加后三个 浮标la-c的互相关数据。
[0090] 在步骤58中，通过侦测该信号超过一预定阈值的时间来确定信号42a_c中的每 个的四个峰值。图8显示了信号分别沿着阈值43的42a_c的峰值60a-c、61a-c、62a_c、& 63a_c。如图所示，所有这些峰值都具有大致相等振幅。
[0091] 接下来，该互相关的数据在步骤59被篡改以产生子采样峰值数据70。该篡改的过 程如图9所示。信号71所示为由该水下航行器的传感器及放大器产生的相似的输入数据。 模数转换器在多个点（如图9所示的圆点）处采样信号71。峰值72处的振幅由峰值的每 个边上的采样数据值之间的插值计算。
[0092] 返回至图7,在步骤75通过去除回音（例如如图8所示的回音76)及去除峰值的 振幅相对于前一峰值，或者相对于一些平均峰值或者相对于振幅值的预设的范围太高的峰 值来过滤及处理该子采样峰值数据70。
[0093] 步骤75的另一个输出为射线传播时间77,该传播时间77给出了相对于已知时间 的第一峰值60a_c的接收时间，浮标la-c在该已知时间传输第一脉冲。该步骤75的另外 一个输出为一组被过滤的子采样峰值数据，该子采样峰值数据在步骤78根据网格属性数 据28被编码以确定该浮标的位置79。换言之，被过滤的子采样峰值数据按照以下方式编 码：
[0094] t〇-tx X (4096/0. I) = X 坐标（单位为米）
[0095] tx_ty X (4096/0. I) = Y 坐标（单位为米）
[0096] ty-tz X (4096/0. I) = Z 坐标（单位为米）。
[0097] 图10所示为被水下航行器40a_c如何使用数据77及79确定它的位置。在步骤 80,射线跟踪算法根据射线传输时间77、所存储的一组声速剖面数据82、及在水下航行器 上的压力感应器测量的水下航行器的深度83来确定径向距离81。该射线跟踪算法80说明 由于压力随着深度增加声波不会以直线从浮标传输至水下航行器。
[0098] 现在，该水下航行器具有径向距离81及三个浮标la-c中的每个浮标的位置79。 该数据在步骤84由三边测量算法分析以计算水下航行器的位置86。三边测量算法的输入 为水下航行器的速度87(如通过用于解释来自装置（如加速计）的数据的船载算法（on board algorithms)测量及/或根据前一位置的测量来计算）。这说明水下航行器可能曾 在接收第一脉冲及最后一个脉冲之间移动，所以算法84的输出86为接收到最后一个脉冲 时水下航行器的位置。
[0099] 由于延迟M与X、Y、Z坐标值的正比关系，脉冲之间的延迟Δ?的测量中的任何错 误仅仅被转换为X、Y、Z坐标的中的小错误，因此，如果信噪比逐渐降低，则预估的位置的准 确性也逐渐降低。
[0100] 脉冲位置调制的使用也为编码及解码提供了低的计算开销。
[0101] 由于线性调频脉冲的高带宽，线性调频脉冲的使用提供了高的处理增益（处理增 益正比于信号周期乘以带宽）。
[0102] 尽管为了简化的目的，图1中只显示了两个水下航行器40a及40b，但是，可以提 供大量的这样的水下航行器（可能为100或者更多），例如，为了准确地在海床的一广阔 的区域上分布呈网格的地震感应器。为了对声学传输进行编码而使用的脉冲位置调制保 证了已知浮标1输出的脉冲之间的相对大的时间差△〖，该相对大的时间差为任何初始脉 冲的延迟版本提供了时间（由于多路效应）以使其减的足够弱从而不会对当前的脉冲产 生影响。这样，与其他连续传输每个码的编码方法（如频移键控）相比，降低了码间串扰 (inter-symbol interference)的可能性。通过这种编码方法，在不显著地减少通讯渠道的 数据率的情况下，也不会增加码传输之间的时间。
[0103] 其中一个水下航行器40a的详细结构如图11所示。该水下航行器包括具有导 管101的环形外壳100及推动水下航行器穿过水的推动系统，该推动系统包括一对推进器 105,该一对推进器105被封装在导管105内并位于导管101的中心轴的相对的边上的。该 外壳100具有定义了导管外部轮廓的外层IOOa及定义了导管101的内层100b。该内层和 外层在外壳100的前缘及后缘相交。当在与导管的中心轴成直角的横截面处看时，该外层 IOOa及内层IOOb为圆形。每个推进器105安装在推力马达107上且在罩105b内。每个推 力马达107被枢转地安装，如此推进器/发动机单元可以被独立的上下旋转（相对于图11 所示的方向）以改变推力相对于导管的中心轴的角度。其中一个推进单元的罩及推进器在 图1中没有示出，但是它与已经示出的罩l〇5b及推进器105是一致的。
[0104] 图12a所示为水下航行器的主要功能元件的方块图。声学天线44(也未在图1中 示出）接收声音信号脉冲，该声音信号脉冲由单元l〇6a调节并进行了模数转换，并随着来 自时间参考单兀106d的时钟信号及来自加速器106e的加速信号输入处理器45 (如图1所 示）。为了方便描述，图1所示的天线44突出于水下航行器的外壳，但是天线44最好为如图 12b-12d所示与外壳100保形（conformal with)。该外壳100具有在其一端的端口及右舷 鼻109a及109b，在其另一端的较低的尾部109b，及位于天线44安装的地方的较高的尾部。 图12b为省略推进单元的水下航行器的后视图，图12b为天线4的剖视图。如图12b及12d 所示，天线44与外层IOOa及内层IOOb齐平，且如图12d所示，天线44后面的边被折弯以 形成弯曲的后缘以与外层IOOa及内层IOOb提供的水翼部一致。外层IOOa与内层IOOb没 有覆盖天线44,所以声音信号没有被加强。信号线44a连接天线44与电子元件106a、45、 106d、及106e，这些电子元件全部封装在内层IOOa及外层IOOb之间的外壳100中。
[0105] 处理器45如上操作以确定水下航行器的位置。该处理器45对信号猝发进行编码 以获取一系列用他们编码的数据集并确定水下航行器的位置。该处理器45也通过驱动马 达108控制推进器的推力的角度。该处理器45还控制推力马达的操作并被程序化以执行 如下面将要参考图13-15描述的冲刺（sprint)及漂移控制过程。
[0106] 图13所示为3个水下航行器40a-C，图14所示为操作水下航行器40a- C的同步 冲刺及漂移方法的时序图。如上所述，浮标la-c对一系列数据集（每个数据集包括在已知 时间点处的浮标的X、Y、Z坐标），每个数据集分别被编码为如上所述的脉冲序列25。然后 这些脉冲序列被传播至水下航行器，每个脉冲序列由图4所示的传输时钟脉冲110初始化， 该传输时钟脉冲110由浮标上的传输时钟产生。该循环规律地每7秒重复一次（第二个传 输时钟脉冲111如图14所示）。如果浮标的位置在循环之间变化，则下一个循环的脉冲序 列也会变化，否则，脉冲序列不会变化。图14显示了三个分别被浮标la-c传播的脉冲序列 TX1-3。
[0107] 水下航行器40a_c上的接收时钟106d与浮标la-c上的传输时钟同步，因此他们 产生的接收时钟脉冲（图未示）正好与TX时钟脉冲110, 111等同时。
[0108] 水下航行器40a在不同时间从不同的浮标接收脉冲序列TX1-3,且这些脉冲序列 TX1-3以三个接收脉冲序列120a-120c显示。第一脉冲序列的开始与最后一个脉冲序列的 结束之间的时间通过接收脉冲包络（pulse envelope)的作业车IRX描述。
[0109] 水下航行器40b也同样在不同时间接收脉冲序列，这些脉冲序列以三个接收脉冲 序列121a-121c显示。第一脉冲序列的开始与最后一个脉冲序列的结束之间的时间通过接 收脉冲包络（pulse envelope)的作业车2RX描述。
[0110] 水下航行器40c也同样在不同时间接收脉冲序列，这些脉冲序列以三个接收脉冲 序列122a-122c显示。第一脉冲序列的开始与最后一个脉冲序列的结束之间的时间通过接 收脉冲包络（pulse envelope)的作业车3RX描述。
[0111] 水下航行器的推力马达107通过他们各自的处理器45以一系列由漂移周期126 分离的推力脉冲125的形式进行同步操作。推进器105在推力脉冲期间以相对高的速率旋 转并在漂移周期126期间以相对低的速度旋转。每个漂移周期具有5秒的固定长度（从时 钟脉冲110开始或者在时钟脉冲110之后不久），且每个推力脉冲具有2秒的固定长度。然 后该循环有规律地且无限地重复，下一个循环的时钟脉冲如图14所示。
[0112] 如图14所示，水下航行器40a_c的漂移周期被相对于水下航行器上的接收时钟脉 冲计时以保证每个脉冲序列在漂移周期期间而不是推力脉冲期间到达水下航行器，在推力 脉冲期间任何脉冲序列都没有到达。
[0113] 水下航行器的环形外壳使水在推力脉冲期间及漂移脉冲期间流过导管101并产 生浮力。高的浮力拖住了水下航行器的比率从而有助于维持水下航行器在漂移周期期间的 对地速度（speed over ground)。
[0114] 在图14的例子中，水下航行器的推动系统基本上被同时操作，如此所有水下航行 器的漂移周期基本上在同一时间开始及结束。推力脉冲125的持续时间比每个水下航行器 的静态周期126的持续时间短（在本实施例中，推力脉冲125的持续时间为漂移周期126 的 40% )。
[0115] 如图15所示的另外一个实施例，水下航行器的漂移周期的计时为独立地且不同 步地变化。
[0116] 水下航行器40a为最接近浮标la-c的，所以它首先接收声音信号。他的漂移周期 126a在第一脉冲序列120a开始之前开始计时，在最后一个脉冲序列120c结束之后完成计 时。
[0117] 下一个最接近水下航行器为40b，它的漂移周期126b在第一脉冲序列121a开始之 ill开始计时，在最后个脉冲序列121c结束之后完成计时。
[0118] 最远的水下航行器为40c，它的漂移周期126c在第一脉冲序列122a开始之前开始 计时，在最后个脉冲序列122c结束之后完成计时。
[0119] 图15所示的不同步的方法的优点在于与图14相比，漂移周期的长度减少，所以在 这个例子中，漂移周期126a_c的长度稍微短于冲刺周期125a_c的长度（总共大约为7秒 的循环）。
[0120] 漂移周期126a_c的计时可以以多种方式变化。
[0121] 首先，可以通过估计来自每个浮标的脉冲序列的到达时间进行变化，并相应地改 变漂移周期计时，然后，估计在漂移周期126a_c的开始及/或结束时间引起延迟的到达时 间。到达时间可以例如通过测量及记录每个浮标在前一循环中的脉冲序列的到达时间（相 对于当前的循环）进行预估。可选地，可以调整该预估以适应在最后一个循环后水下航行 器的移动引起的任何预期的改变，例如如果水下航行器向浮标移动，则漂移周期在下一个 循环中提前，如果水下航行器远离该浮标，则漂移周期在下一个循环中滞后。可选地，该预 估可以根据水下航行器的移动的方向及速度进行调整，例如如果水下航行器快速的向浮标 移动，则该漂移周期比水下航行器慢速向浮标移动时提前的更多。
[0122] 该计时也可以通过测量每个水下作业处与其他水下航行器的接近度进行变化，相 应的改变漂移周期的计时-增加接近度以增加漂移周期的长度。这可以保证水下航行器不 产生干扰靠近的相邻的水下航行器的噪音。
[0123] 尽管上面参考了一个或者多个优选实施例对本发明做了描述，需要说明的是所做 的各种变化或者修改都不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围。
【权利要求】
1. 一种与水下航行器通讯的方法，该水下航行器包括推动该作业车通过水的推动系 统，该方法包括： a. 对一系列数据集进行编码以产生一系列编码数据信号； b. 以一系列信号猝发的形式传输该编码数据信号至水下航行器； c. 以由漂移周期分离的一系列推力脉冲操作该推动系统，以使推动系统在推力脉冲期 间以相对高的速率操作，在漂移周期以相对低的速度（例如〇)操作； d. 对推动系统的漂移周期计时，以使每个信号猝发在漂移周期而不是推力脉冲期间到 达水下航行器；及 e. 在水下航行器处解码该信号猝发来获得该系列数据集。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该作业车包括具有导管的环形外壳，且在 推力脉冲期间及漂移周期水流过导管并产生浮力。
3. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，该编码数据信号被第一传输 器在第一位置以一系列信号猝发的形式传输至该水下航行器，且进一步包括： a. 对第二系列数据集进行编码以产生第二系列编码数据信号； b. 由第二传输器在远离第一位置的第二位置处以第二系列信号猝发的形式传输第二 系列编码数据信号至水下航行器； c. 对推动系统的漂移周期计时，以使第二系列信号猝发中的每个信号猝发在漂移周期 期间而不是推力脉冲期间到达水下航行器；及 d. 在水下航行器处解码第二系列信号猝发来获得该第二系列数据集。
4. 一种操作水下航行器的方法，该水下航行器包括具有导管的环形外壳及推动该作业 车通过水的推动系统，该方法包括： a. 以由漂移周期分离的一系列推力脉冲操作该推动系统，以使该推动系统在推力脉冲 期间以相对高的速率操作，在漂移周期以相对低的速度（例如〇)操作，其中在推力脉冲期 间及漂移周期水流过导管并产生浮力； b. 在水下航行器处接收一系列信号猝发； c. 对推动系统的漂移周期计时，以使每个信号猝发在漂移周期期间而不是推力脉冲期 间到达水下航行器；及 d. 解码在水下航行器处接收的信号猝发以获得一系列用他们编码的数据集。
5. -种操作多个水下航行器的方法，每个水下航行器包括具有导管的环形外壳及推动 该作业车通过水的推动系统，该方法包括通过权利要求4的方法操作每个水下航行器的方 法。
6. -种与多个水下航行器通讯的方法，该方法包括通过权利要求1所述的方法与每个 作业车通讯的方法，其中，所述编码的数据信号被同时以系列信号猝发的形式传播至水下 航行器。
7. -种操作多个水下航行器来接收被传播至多个水下航行器的系列数据集的方法，每 个水下航行器包括推动该作业车通过水的推动系统，对每个作业车来说，该方法包括： a. 以由漂移周期分离的一系列推力脉冲操作该推动系统，以使该推动系统在推力脉冲 期间以相对高的速率操作，在漂移周期以相对低的速度（例如〇)操作； b. 在水下航行器处接收一系列信号猝发； C.对推动系统的漂移周期计时，以使每个信号猝发在漂移周期期间而不是推力脉冲期 间到达水下航行器；及 d.解码在水下航行器处接收的信号猝发以获得一系列用他们编码的数据。
8. 根据权利要求5、6、或者7所述的方法，其特征在于，该作业车的推动系统基本上被 同时操作以使所有作业车的漂移周期基本上在同一时间开始及结束。
9. 根据权利要求5、6、或者7所述的方法，其特征在于，该作业车的推动系统被异步操 作，以使该多个作业车中的至少第一个作业车的漂移周期与多个作业车中的至少第二个作 业车的漂移周期在不同的时间开始及/或结束。
10. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括测量（或 者每个）作业车的参数；并相应地改变漂移周期的计时。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，各漂移周期的计时的被不同步地改变， 以使该多个作业车中的至少第一个作业车的漂移周期的变化不同于多个作业车中的至少 第二个作业车的漂移周期变化。
12. 根据前面任意一项权利要求该的方法，其特征在于，进一步包括估计信号猝发到达 该（或者每个）作业车的时间，并相应地改变漂移周期的计时，其中，所估计的到达时间的 延迟引起漂移周期的开始及/或结束时间的延迟。
13. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括测量该（或者每 个）作业车与其他作业车的接近度，并相应的改变所述漂移周期的计时，其中，增加接近度 引起漂移周期的长度增加。
14. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括测量该（或者每 个）作业车的移动方向，并相应的改变漂移周期的计时。
15. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，进一步包括测量该（或者每 个）作业车的速度，并相应的改变漂移周期的计时。
16. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述推力脉冲的平均持续时 间比该（或者每个）作业车的静态周期的平均持续时间短。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述推力脉冲的平均持续时间少于该 (或者每个）作业车的静态周期的平均持续时间的50%。
18. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，该（或者每个）推动系统在 静态周期期间产生基本上为零的推力。
19. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述（或者每个）推动系统 包括一个或者多个旋转的推进器。
20. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，该（或者每个）水下航行器 从具有传输时钟的传输器接收该系列的信号猝发，该传输时钟用于确定该系列信号猝发的 计时，及该方法进一步包括同步该（或者每个）作业车上的接收时钟及该传输时钟；且使用 该接收时钟确定漂移周期的计时。
21. 根据前面任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，该信号猝发为声音信号猝 发。
22. -种水下通讯系统，包括： 传输器，被程序化来执行权利要求1的a及b步骤；及 一个或者多个水下航行器，每个作业车包括推动作业车通过水的推动系统及程序化的 控制及处理系统来执行权利要求1中的C、d、及e步骤。
23. -种水下航行器，包括具有导管的环形外壳；推动作业车通过水的推动系统；及控 制及处理系统，对其编程以通过权利要求4所述的方法操作该水下航行器。
24. 如权利要求23所述的作业车，其特征在于，该环形外壳包括定义了该外壳的外部 轮廓的外层及设置了导管的内层，其中，该控制及处理系统至少部分封装在内层与外层之 间的外壳内。
25. 如权利要求24所述的作业车，其特征在于，该作业车还包括接收该信号脉冲的天 线，其中，该天线具有外部表面，该天线的外部表面与该内层及外层齐平或者封装在该内层 与外层之间。
26. 多个水下航行器，每个水下航行器包括推动作业车通过水的推动系统，及控制及处 理系统，该控制及处理系统被编程以控制作业车执行权利要求7中所述的步骤a到d。
【文档编号】H04B11/00GK104245500SQ201380008282
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年2月28日 优先权日:2012年3月2日
【发明者】哈里·乔治·丹尼斯·戈斯林 申请人:行走科学集团有限公司