二、主要改进点及解决的技术问题
1. 最主要/关键的技术问题
本发明主要解决小深度水下通信的长延时和低容量问题。由于陆地上使用的电磁波通信在水中衰减大，目前常用的水下远距离通信方式为水声通信。声波在水中的传播速度1500米每秒，信道容量小于1Mbps,不足以支撑水下视频数据的实时传输。本发明拟采用水下蓝绿光通信技术，实现水面与水下实时高速通信。通信距离超过30米，信道容量大于10Mbps。
2. 次要问题（如有多个，依次列出）
本发明还可以解决水下移动航行器/潜航员的实时通信问题。位于水面的跟随移动通信中继站可自动实时跟随水下光通信节点，以为水下光通信节点在水下移动时提供与水面通信中继站高容量、实时性的可靠通信链路。
三、技术效果（详细阐述）
本发明可以达到以下技术效果：
1、水面跟随无人平台与水下光通信节点之间高速实时的光通信；
2、水面跟随无人平台可以自主跟随水下光通信节点，使得两个通信点始终在大容量光通信的距离范围内；
3、水面跟随无人平台具备环境感知能力，可以根据环境状况，自主决策跟随路线。水面与水下节点偏离过大时，水面跟随无人平台将对水下光通信节点进行预警，并为水下光通信节点规划合适通障路线；
4、水面跟随无人平台和水下光通信节点间通过全双工光通信设备完成实时双向通信；
水面无人跟随平台还具备与岸基设备通信的能力，可以实时与岸基监控站进行交互。
四、具体实施方案以及附图（重点部分，详细阐述）
【系统方案】
本发明涉及一种水面水下光通信网络系统，主要包括水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点。
所述水面无人自主跟随移动通信平台主要包括[1]载体、[2]无线电通信设备和[3]光学无线通信设备和[4]光通信收发镜头组成。水面无人自主跟随移动通信平台可以实现如下功能：
1、水面跟随无人平台可以自主跟随水下光通信节点；
2、水面跟随无人平台具备环境感知功能、自主决策跟随路线功能、对水下光通信节点的偏离预警功能和为水下光通信节点规划路线功能；
3、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
4、水面无人跟随平台还具备与岸基设备通信的能力，可以实时与岸基监控站进行交互。
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中导航系统包含地面全球导航定位设备和惯性导航设备。水面平台通过搭载的光学无线通信设备和光通信收发镜头与水下光通信节点实时交互位置信息，水面平台根据水下光通信节点的位置信息来确定载体的运动期望位置，并将期望位置传送至控制系统，由载体的控制系统根据载体的导航系统数据、姿态数据和速度方位信息来生成运动控制信号，以驱动载体的推进系统工作，使得水面平台载体保持对水下光通信节点的自主跟随。
功能2的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中环境感知传感器可以对周围环境的风速、障碍物和水域边缘进行监测感知，载体控制系统根据以上感知数据和水下光通信节点的位置信息，实时规划可行路线。载体控制系统实时监测水面平台和水下节点的距离，在趋于偏离通信距离、趋于碰撞障碍物和趋于碰撞水域边缘时，对水下光通信节点进行预警，并根据障碍物、水域边缘环境特性，制定水面平台与水下节点整体系统的运行路径，对障碍物或水域边缘进行通障、避碰路径规划。
功能3的实现：水面跟随无人平台和水下光通信节点间通过所包含的[3][4][5][6]组成的光学无线通信系统进行通信，由功能1、2实现水面和水下两个节点始终处于光学无线通信的高速距离范围，并且两个节点保持整体的协调运动来保证大容量光学无线通信的充足条件。
功能4的实现：水面无人自主跟随移动通信平台所包含的[2]无线电通信设备为通用无线电通信设备，可以与岸基对应的无线电通信基站做数据交互，满足水面跟随无人平台和水下光通信节点系统同岸基进行实时大容量数据的交互。
所述水下光通信节点主要包括[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备、[7]内嵌式气囊浮子和[8]水下无线光学通信终端组成；所述[8]水下无线光学通信终端由姿态传感器、惯导系统、主控系统、电源、显示组件和水密外壳组成。
水下光学通信节点可以实现如下功能：
1、水下光通信节点对水面跟随无人平台实时共享位置信息；
2、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水下光通信节点所包含的[8]水下无线光学通信终端内置有姿态传感器和惯导系统，可以在水下实时获取水下光通信节点的位置和姿态数据，并通过由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备对水面跟随无人平台进行位置和姿态数据共享。
功能2的实现：根据上述功能1的实现，水面跟随无人平台可以实时与水下光通信节点保持大容量光通信距离范围，同时水下光通信节点所包含的[7]内嵌式气囊浮子可以使得[5]光通信收发镜头始终朝向水面，以上方案实现了大容量光学无线通信在水面水下的实时传输。
【实施方案】
对于本发明所述的一种自主跟随式水面水下光通信网络系统，具体的实施方式如下：
（1）对本发明所述的水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点进行无线电通信测试、光通信测试和导航系统校准。
（2）将水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点分别放置于水面和水下载体，所述水下载体包括但不限于潜水员、水下机器人、水下观测站和水下作业机器人等。
（3）启动水面无人自主跟随移动通信平台，水下载体开启[8]水下无线光学通信终端和由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备，此时光学无线通信设备工作，水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点间所有通讯信息由[6]光学无线通信设备←→[5]光通信收发镜头←→[4]光通信收发镜头←→[3]光学无线通信设备进行传输。
（4）水下载体自由运动，由水下载体运动引起的[8]水下无线光学通信终端位置移动数据由[8]水下无线光学通信终端内置的姿态传感器和惯导系统感知和计算，位置数据通过光学无线通信设备进行传输。
（5）水面无人自主跟随移动通信平台通过光学无线通信设备接受水下光通信节点的位置数据，并实时跟随。
【系统方案】
本发明涉及一种水面水下光通信网络系统，主要包括水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点。
所述水面无人自主跟随移动通信平台主要包括[1]载体、[2]无线电通信设备和[3]光学无线通信设备和[4]光通信收发镜头组成。水面无人自主跟随移动通信平台可以实现如下功能：
1、水面跟随无人平台可以自主跟随水下光通信节点；
2、水面跟随无人平台具备环境感知功能、自主决策跟随路线功能、对水下光通信节点的偏离预警功能和为水下光通信节点规划路线功能；
3、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
4、水面无人跟随平台还具备与岸基设备通信的能力，可以实时与岸基监控站进行交互。
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中导航系统包含地面全球导航定位设备和惯性导航设备。水面平台通过搭载的光学无线通信设备和光通信收发镜头与水下光通信节点实时交互位置信息，水面平台根据水下光通信节点的位置信息来确定载体的运动期望位置，并将期望位置传送至控制系统，由载体的控制系统根据载体的导航系统数据、姿态数据和速度方位信息来生成运动控制信号，以驱动载体的推进系统工作，使得水面平台载体保持对水下光通信节点的自主跟随。
功能2的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中环境感知传感器可以对周围环境的风速、障碍物和水域边缘进行监测感知，载体控制系统根据以上感知数据和水下光通信节点的位置信息，实时规划可行路线。载体控制系统实时监测水面平台和水下节点的距离，在趋于偏离通信距离、趋于碰撞障碍物和趋于碰撞水域边缘时，对水下光通信节点进行预警，并根据障碍物、水域边缘环境特性，制定水面平台与水下节点整体系统的运行路径，对障碍物或水域边缘进行通障、避碰路径规划。
功能3的实现：水面跟随无人平台和水下光通信节点间通过所包含的[3][4][5][6]组成的光学无线通信系统进行通信，由功能1、2实现水面和水下两个节点始终处于光学无线通信的高速距离范围，并且两个节点保持整体的协调运动来保证大容量光学无线通信的充足条件。
功能4的实现：水面无人自主跟随移动通信平台所包含的[2]无线电通信设备为通用无线电通信设备，可以与岸基对应的无线电通信基站做数据交互，满足水面跟随无人平台和水下光通信节点系统同岸基进行实时大容量数据的交互。
所述水下光通信节点主要包括[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备、[7]内嵌式气囊浮子和[8]水下无线光学通信终端组成；所述[8]水下无线光学通信终端由姿态传感器、惯导系统、主控系统、电源、显示组件和水密外壳组成。
水下光学通信节点可以实现如下功能：
1、水下光通信节点对水面跟随无人平台实时共享位置信息；
2、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水下光通信节点所包含的[8]水下无线光学通信终端内置有姿态传感器和惯导系统，可以在水下实时获取水下光通信节点的位置和姿态数据，并通过由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备对水面跟随无人平台进行位置和姿态数据共享。
功能2的实现：根据上述功能1的实现，水面跟随无人平台可以实时与水下光通信节点保持大容量光通信距离范围，同时水下光通信节点所包含的[7]内嵌式气囊浮子可以使得[5]光通信收发镜头始终朝向水面，以上方案实现了大容量光学无线通信在水面水下的实时传输。
【实施方案】
对于本发明所述的一种自主跟随式水面水下光通信网络系统，具体的实施方式如下：
（1）对本发明所述的水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点进行无线电通信测试、光通信测试和导航系统校准。
（2）将水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点分别放置于水面和水下载体，所述水下载体包括但不限于潜水员、水下机器人、水下观测站和水下作业机器人等。
（3）启动水面无人自主跟随移动通信平台，水下载体开启[8]水下无线光学通信终端和由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备，此时光学无线通信设备工作，水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点间所有通讯信息由[6]光学无线通信设备←→[5]光通信收发镜头←→[4]光通信收发镜头←→[3]光学无线通信设备进行传输。
（4）水下载体自由运动，由水下载体运动引起的[8]水下无线光学通信终端位置移动数据由[8]水下无线光学通信终端内置的姿态传感器和惯导系统感知和计算，位置数据通过光学无线通信设备进行传输。
（5）水面无人自主跟随移动通信平台通过光学无线通信设备接受水下光通信节点的位置数据，并实时跟随。
五、其他拓展方案
1、本发明中功能的实现，特别要使用到光学通信、惯性导航和自主避障技术功能；所述水面无人自主跟随移动通信平台可以是无人船等航行设备，也可以是具有驱动能力的水面浮体设备。
2、本发明可以但不限于潜水员位置监控，水下娱乐直播，水下航行器跟踪，水下通信中继，长期多点水下海洋观测等水下大容量数据交互场景。
六、发明的创新点及有益效果
1、水面自主跟随
2、水面水下实时大容量通信
3、水面自主规划和对水下预警
1. 最主要/关键的技术问题
本发明主要解决小深度水下通信的长延时和低容量问题。由于陆地上使用的电磁波通信在水中衰减大，目前常用的水下远距离通信方式为水声通信。声波在水中的传播速度1500米每秒，信道容量小于1Mbps,不足以支撑水下视频数据的实时传输。本发明拟采用水下蓝绿光通信技术，实现水面与水下实时高速通信。通信距离超过30米，信道容量大于10Mbps。
2. 次要问题（如有多个，依次列出）
本发明还可以解决水下移动航行器/潜航员的实时通信问题。位于水面的跟随移动通信中继站可自动实时跟随水下光通信节点，以为水下光通信节点在水下移动时提供与水面通信中继站高容量、实时性的可靠通信链路。
三、技术效果（详细阐述）
本发明可以达到以下技术效果：
1、水面跟随无人平台与水下光通信节点之间高速实时的光通信；
2、水面跟随无人平台可以自主跟随水下光通信节点，使得两个通信点始终在大容量光通信的距离范围内；
3、水面跟随无人平台具备环境感知能力，可以根据环境状况，自主决策跟随路线。水面与水下节点偏离过大时，水面跟随无人平台将对水下光通信节点进行预警，并为水下光通信节点规划合适通障路线；
4、水面跟随无人平台和水下光通信节点间通过全双工光通信设备完成实时双向通信；
水面无人跟随平台还具备与岸基设备通信的能力，可以实时与岸基监控站进行交互。
四、具体实施方案以及附图（重点部分，详细阐述）
【系统方案】
本发明涉及一种水面水下光通信网络系统，主要包括水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点。
所述水面无人自主跟随移动通信平台主要包括[1]载体、[2]无线电通信设备和[3]光学无线通信设备和[4]光通信收发镜头组成。水面无人自主跟随移动通信平台可以实现如下功能：
1、水面跟随无人平台可以自主跟随水下光通信节点；
2、水面跟随无人平台具备环境感知功能、自主决策跟随路线功能、对水下光通信节点的偏离预警功能和为水下光通信节点规划路线功能；
3、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
4、水面无人跟随平台还具备与岸基设备通信的能力，可以实时与岸基监控站进行交互。
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中导航系统包含地面全球导航定位设备和惯性导航设备。水面平台通过搭载的光学无线通信设备和光通信收发镜头与水下光通信节点实时交互位置信息，水面平台根据水下光通信节点的位置信息来确定载体的运动期望位置，并将期望位置传送至控制系统，由载体的控制系统根据载体的导航系统数据、姿态数据和速度方位信息来生成运动控制信号，以驱动载体的推进系统工作，使得水面平台载体保持对水下光通信节点的自主跟随。
功能2的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中环境感知传感器可以对周围环境的风速、障碍物和水域边缘进行监测感知，载体控制系统根据以上感知数据和水下光通信节点的位置信息，实时规划可行路线。载体控制系统实时监测水面平台和水下节点的距离，在趋于偏离通信距离、趋于碰撞障碍物和趋于碰撞水域边缘时，对水下光通信节点进行预警，并根据障碍物、水域边缘环境特性，制定水面平台与水下节点整体系统的运行路径，对障碍物或水域边缘进行通障、避碰路径规划。
功能3的实现：水面跟随无人平台和水下光通信节点间通过所包含的[3][4][5][6]组成的光学无线通信系统进行通信，由功能1、2实现水面和水下两个节点始终处于光学无线通信的高速距离范围，并且两个节点保持整体的协调运动来保证大容量光学无线通信的充足条件。
功能4的实现：水面无人自主跟随移动通信平台所包含的[2]无线电通信设备为通用无线电通信设备，可以与岸基对应的无线电通信基站做数据交互，满足水面跟随无人平台和水下光通信节点系统同岸基进行实时大容量数据的交互。
所述水下光通信节点主要包括[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备、[7]内嵌式气囊浮子和[8]水下无线光学通信终端组成；所述[8]水下无线光学通信终端由姿态传感器、惯导系统、主控系统、电源、显示组件和水密外壳组成。
水下光学通信节点可以实现如下功能：
1、水下光通信节点对水面跟随无人平台实时共享位置信息；
2、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水下光通信节点所包含的[8]水下无线光学通信终端内置有姿态传感器和惯导系统，可以在水下实时获取水下光通信节点的位置和姿态数据，并通过由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备对水面跟随无人平台进行位置和姿态数据共享。
功能2的实现：根据上述功能1的实现，水面跟随无人平台可以实时与水下光通信节点保持大容量光通信距离范围，同时水下光通信节点所包含的[7]内嵌式气囊浮子可以使得[5]光通信收发镜头始终朝向水面，以上方案实现了大容量光学无线通信在水面水下的实时传输。
【实施方案】
对于本发明所述的一种自主跟随式水面水下光通信网络系统，具体的实施方式如下：
（1）对本发明所述的水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点进行无线电通信测试、光通信测试和导航系统校准。
（2）将水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点分别放置于水面和水下载体，所述水下载体包括但不限于潜水员、水下机器人、水下观测站和水下作业机器人等。
（3）启动水面无人自主跟随移动通信平台，水下载体开启[8]水下无线光学通信终端和由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备，此时光学无线通信设备工作，水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点间所有通讯信息由[6]光学无线通信设备←→[5]光通信收发镜头←→[4]光通信收发镜头←→[3]光学无线通信设备进行传输。
（4）水下载体自由运动，由水下载体运动引起的[8]水下无线光学通信终端位置移动数据由[8]水下无线光学通信终端内置的姿态传感器和惯导系统感知和计算，位置数据通过光学无线通信设备进行传输。
（5）水面无人自主跟随移动通信平台通过光学无线通信设备接受水下光通信节点的位置数据，并实时跟随。
【系统方案】
本发明涉及一种水面水下光通信网络系统，主要包括水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点。
所述水面无人自主跟随移动通信平台主要包括[1]载体、[2]无线电通信设备和[3]光学无线通信设备和[4]光通信收发镜头组成。水面无人自主跟随移动通信平台可以实现如下功能：
1、水面跟随无人平台可以自主跟随水下光通信节点；
2、水面跟随无人平台具备环境感知功能、自主决策跟随路线功能、对水下光通信节点的偏离预警功能和为水下光通信节点规划路线功能；
3、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
4、水面无人跟随平台还具备与岸基设备通信的能力，可以实时与岸基监控站进行交互。
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中导航系统包含地面全球导航定位设备和惯性导航设备。水面平台通过搭载的光学无线通信设备和光通信收发镜头与水下光通信节点实时交互位置信息，水面平台根据水下光通信节点的位置信息来确定载体的运动期望位置，并将期望位置传送至控制系统，由载体的控制系统根据载体的导航系统数据、姿态数据和速度方位信息来生成运动控制信号，以驱动载体的推进系统工作，使得水面平台载体保持对水下光通信节点的自主跟随。
功能2的实现：水面无人自主跟随移动通信平台的载体包括水面浮体、电源、推进系统、导航系统、姿态传感器、环境感知传感器和控制系统组成，其中环境感知传感器可以对周围环境的风速、障碍物和水域边缘进行监测感知，载体控制系统根据以上感知数据和水下光通信节点的位置信息，实时规划可行路线。载体控制系统实时监测水面平台和水下节点的距离，在趋于偏离通信距离、趋于碰撞障碍物和趋于碰撞水域边缘时，对水下光通信节点进行预警，并根据障碍物、水域边缘环境特性，制定水面平台与水下节点整体系统的运行路径，对障碍物或水域边缘进行通障、避碰路径规划。
功能3的实现：水面跟随无人平台和水下光通信节点间通过所包含的[3][4][5][6]组成的光学无线通信系统进行通信，由功能1、2实现水面和水下两个节点始终处于光学无线通信的高速距离范围，并且两个节点保持整体的协调运动来保证大容量光学无线通信的充足条件。
功能4的实现：水面无人自主跟随移动通信平台所包含的[2]无线电通信设备为通用无线电通信设备，可以与岸基对应的无线电通信基站做数据交互，满足水面跟随无人平台和水下光通信节点系统同岸基进行实时大容量数据的交互。
所述水下光通信节点主要包括[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备、[7]内嵌式气囊浮子和[8]水下无线光学通信终端组成；所述[8]水下无线光学通信终端由姿态传感器、惯导系统、主控系统、电源、显示组件和水密外壳组成。
水下光学通信节点可以实现如下功能：
1、水下光通信节点对水面跟随无人平台实时共享位置信息；
2、水面跟随无人平台和水下光通信节点间实时双向大容量通信功能；
上述功能的实现方案如下：
功能1的实现：水下光通信节点所包含的[8]水下无线光学通信终端内置有姿态传感器和惯导系统，可以在水下实时获取水下光通信节点的位置和姿态数据，并通过由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备对水面跟随无人平台进行位置和姿态数据共享。
功能2的实现：根据上述功能1的实现，水面跟随无人平台可以实时与水下光通信节点保持大容量光通信距离范围，同时水下光通信节点所包含的[7]内嵌式气囊浮子可以使得[5]光通信收发镜头始终朝向水面，以上方案实现了大容量光学无线通信在水面水下的实时传输。
【实施方案】
对于本发明所述的一种自主跟随式水面水下光通信网络系统，具体的实施方式如下：
（1）对本发明所述的水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点进行无线电通信测试、光通信测试和导航系统校准。
（2）将水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点分别放置于水面和水下载体，所述水下载体包括但不限于潜水员、水下机器人、水下观测站和水下作业机器人等。
（3）启动水面无人自主跟随移动通信平台，水下载体开启[8]水下无线光学通信终端和由[5]光通信收发镜头、[6]光学无线通信设备和[7]内嵌式气囊浮子组成的光通信设备，此时光学无线通信设备工作，水面无人自主跟随移动通信平台和水下光通信节点间所有通讯信息由[6]光学无线通信设备←→[5]光通信收发镜头←→[4]光通信收发镜头←→[3]光学无线通信设备进行传输。
（4）水下载体自由运动，由水下载体运动引起的[8]水下无线光学通信终端位置移动数据由[8]水下无线光学通信终端内置的姿态传感器和惯导系统感知和计算，位置数据通过光学无线通信设备进行传输。
（5）水面无人自主跟随移动通信平台通过光学无线通信设备接受水下光通信节点的位置数据，并实时跟随。
五、其他拓展方案
1、本发明中功能的实现，特别要使用到光学通信、惯性导航和自主避障技术功能；所述水面无人自主跟随移动通信平台可以是无人船等航行设备，也可以是具有驱动能力的水面浮体设备。
2、本发明可以但不限于潜水员位置监控，水下娱乐直播，水下航行器跟踪，水下通信中继，长期多点水下海洋观测等水下大容量数据交互场景。
六、发明的创新点及有益效果
1、水面自主跟随
2、水面水下实时大容量通信
3、水面自主规划和对水下预警
