CN103326952B - 一种卫星数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
一种卫星数据采集系统，包括卫星数据采集载荷和地面数据采集终端；卫星数据采集载荷包括多普勒分集接收模块、载荷发送模块、接入控制模块和拥塞控制模块；本发明系统在接入方式上采用S-aloha和预约两种用户接入方式，使得系统的接入方式比较灵活，既能满足少量短报文特征的数据收集，又能满足连续数据收集；本发明还采用拥塞控制方式，在高动态信号接收上采用多普勒分集接收。该系统能够实现大容量卫星数据采集系统，能够在大两用户下实现拥塞控制，能够在大动态下完成数据接收。本发明可以用于卫星数据采集系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星数据采集系统。
背景技术
近年来，随着社会经济、技术的发展，物联网的发展，数据采集需求在范围和及时性上都有巨大的需求，针对基于卫星的数据采集系统的研究也越来越多。国际上已经有了Orbcomm系统、Argos系统、Aprize系统，国内仅有少量搭载卫星数据采集载荷，尚没有成熟的大容量卫星数据采集系统。Orbcomm部署了低轨卫星星座，建设了全球服务系统，主要是用于商业服务。Orbcomm系统是专门针对双向短数据、信息传输的商业化低轨卫星星座，轨道高度825km，单星重量43Kg，直径42英寸，高度为6英寸。Orbcomm系统是一个广域、分组交换、双向短数据通信系统，主要由三部分组成：空间部分（低轨道卫星）、地面部分（包括网关控制中心，网关地面站和设在美国的网络控制中心）和用户终端。Argos系统是一个典型的利用卫星通信对远端传感器进行数据采集，并对数据平台进行定位的卫星数据采集系统，该系统没有专用的卫星，星上载荷搭载在美国的POES、日本的ADEOS-II、欧空局的METOP等卫星上。使用Argos系统的用户可以快速、准确地获取位于远端的传感器采集的数据，还可以获取发射平台的物理位置信息。Aprize系统由多颗低轨道通信卫星组成的卫星星座构成。目前Aprize系统已成功发射6颗低轨道卫星进入预定轨道工作。预计再发射42颗卫星来进一步增加数据传输容量，提高系统冗余以及实现全球覆盖。上述这些现有系统存在着一些问题，譬如容量小、覆盖性不够、在大量中断接入时的拥塞控制机制有缺陷、应对大动态接收也有一定的局限性，导致了系统的运行使用效率变低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星数据采集系统，解决大量用户接入系统的问题，同时解决了在数据采集终端和卫星数据采集载荷之间有相对较大运动速度时的大动态接收问题。
本发明的技术方案是：一种卫星数据采集系统，包括卫星数据采集载荷和地面数据采集终端；卫星数据采集载荷包括多普勒分集接收模块、载荷发送模块、接入控制模块和拥塞控制模块；
多普勒分集接收模块将整个卫星数据采集系统的接收频带划分为多个子带，当地面数据采集终端和卫星数据采集载荷之间有相对运动时，多普勒分集接收模块对地面数据采集终端发送给卫星数据采集载荷的上行信号进行解调，即在每个子带上独立解调对应的上行信号；多普勒分集接收模块将解调后得到的数据送往接入控制模块和拥塞控制模块；
接入控制模块对地面数据采集系统发送的上行信号中的数据包进行接入控制；在S-aloha接入方式下，接入控制模块对接收的经多普勒分集接收模块所解调得到的数据进行合法性校验，校验正确后将校验正确信息以确认包的形式通过载荷发送模块发送给地面终端；在预约接入方式下，接入控制模块对地面数据采集终端发来的预约信道资源申请包进行合法性校验，校验正确后为地面数据采集终端进行信道分配，获得信道资源信息，并将信道资源信息经载荷发送模块发送给地面数据采集终端；
拥塞控制模块实时监测并判断地面数据采集终端发送的数据包是否发生拥塞；当判断发生拥塞时，启用拥塞控制机制，根据卫星在该区域的过顶时间计算卫星数据采集系统所能容纳的地面数据采集终端数量，并结合当前的地面数据采集终端数量，计算得到地面数据采集终端的调度信息，将获得的调度信息发送给地面数据采集终端，地面数据采集终端按照调度信息向卫星数据采集载荷发送上行信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）系统采用S-aloha和预约相结合的接入方式，使得系统的接入方式比较灵活，既能满足少量短报文特征的数据收集，又能满足连续数据收集。
（2）系统中采用短报文的方式实现数据通信，增大了系统容量。
（3）系统中采用拥塞控制来完成大量数据采集终端发送数据时的拥塞问题。
（4）系统中信号接收采用多普勒分集接收，很好的解决了大动态下的信号接收问题，同时提高了频谱利用效率。
附图说明
图1为本发明的系统组成图；
图2为本发明拥塞控制示意图；
图3为本发明多通道接收结构示意图。
具体实施方式
本系统的由接入控制模块，拥塞控制模块和多普勒分集接收模块组成，组成图如图1所示。
本发明的接入方式中，用户上行通道主要分为普通和专用通道两类逻辑信道，系统根据当前运行状况动态划分两类信道。用户上行通道一般情况下作为普通信道使用，地面数据采集终端通过竞争占用信道资源，采用S-Aloha方式接入系统。由于环境等要素变化，地面数据采集终端需要短时间内上传大量数据时，为了提高数据传输的可靠性和及时性，可以通过预约方式申请专用信道，系统将空闲上行信道作为专用信道分配给地面数据采集终端，完成数据传送后地面数据采集终端释放该信道，该信道再次成为普通信道，通过这种信道分配方式保证系统传输效率和资源利用率。系统中数据通道总数为1000路。
系统采用S-Aloha方式实现数据传输，在系统的运行过程中可能会出现某一区域内的地面数据采集终端在某一段时间内集中向卫星发送数据的情况，在这种情况下可能会引起大量数据冲突，从而出现大量接收数据异常的情况，为避免出现某一区域内地面数据采集终端在某一时间段内集中发送数据的情况，需要采取相应的拥塞控制机制保证该区域内的地面数据采集终端在该时间段内分散进行数据发送，系统中采取拥塞控制方式解决拥塞问题。
拥塞控制是指当拥塞控制模块检测到系统出现拥塞时，由拥塞控制模块根据当前卫星的覆盖区域和该区域内地面数据采集终端的具体数量实施拥塞控制。
卫星数据采集系统用户上行链路在大多普勒频偏的情况下接收端接收到的频率将远远偏离发送端的发送频率。为了解决这种情况下的接收问题，本发明提出多通道接收方法，主要思想是采用子带划分的方式将整个接收频带划分为细小的子带，在每个子带上对信号进行独立解调。
本发明实施过程如下：
●接入控制流程
S-aloha方式的接入流程为：
（1）地面数据采集终端向载荷发送数据包，启动定时器；
（2）载荷的多普勒分集接收模块对数据包进行解调后，将数据包转交给接入控制模块；
（3）接入控制模块检查数据包的合法性，若数据包合法则向地面数据采集终端发送确认包，确认包由载荷发送模块进行发送；如果检查结果为不合法，则直接丢弃。
（4）若地面数据采集终端在定时器超时前接收到了确认包，则发送完成；若超时，则重新进行步骤（1）。
预约接入方式的接入流程为：
（1）地面数据采集终端向载荷发送预约信道资源申请包，启动定时器；
（2）载荷的多普勒分集接收模块对预约信道资源申请包进行解调后，将预约信道资源申请包转交给接入控制模块；
（3）接入控制模块检查预约信道资源申请包的合法性，若预约信道资源申请包合法，并且在信道资源满足的情况时，根据信道资源申请字段对信道资源申请的大小为地面数据采集终端分配信道资源，获得信道资源信息，并将信道资源信息经载荷发送模块发送给地面数据采集终端；如果检查结果为不合法或者系统信道资源不满足要求，则直接丢弃。
（4）若地面数据采集终端在定时器超时前接收到了信道资源信息，则预约申请完成；若超时，则重新进行步骤（1）。
（5）若信道申请成功，地面数据采集终端将在预约的信道上进行数据发送。
●拥塞控制流程
拥塞控制流程如图2所示。
载荷拥塞控制模块实时监测系统中的拥塞情况，当发生拥塞时，启用拥塞控制机制。拥塞控制的具体，实时过程为：
（1）载荷根据检测到的拥塞区域计算出卫星在该区域的过顶时间T，并根据链路规划情况，如卫星数据采集系统提供X个数据速率为R的通道，每个地面数据采集终端发送数据的量为Q，计算出单位时间内的能够承担的最大并行发送数据的地面数据采集终端量N=XR/Q。结合该区域内覆盖的地面数据采集终端总量M可计算出过顶时间内在该区域能提供的数据接收最大次数为C=M/N＊T，载荷对覆盖区域内的地面数据采集终端按照C次全部覆盖生成每次进行数据传输的地面数据采集终端调度信息，将获得的调度信息发送给地面数据采集终端；
（2）地面数据采集终端根据接收到的调度信息确定自己的发送时刻，并向卫星数据采集载荷发送上行信号，避免了大量地面数据采集终端集中在某一时刻同时发送数据的情况，解决拥塞问题。
●多普勒分集接收
大的相对运动造成接收端信号的中心频率严重偏离发送端信号的中心频率，地面数据采集终端发送的信号会随机落在某段频率区间上，多普勒分集接收模块将整个接收频带划分为较小的子带，在每个子带上进行独立解调，以覆盖整个接收频带。多普勒分集接收模块采用了多通道接收的方法，解调过程如图3所示。多通道接收是将整个工作频率划分为小的接收子带，接收信号由A/D进入基带后首先进行通道化处理，及将信号搬移到各个子带的中心频率上，用通道滤波器过滤出本自带的信号，然后对其进行解调。接收端对整个频带进行了子带划分，所以发送地面数据采集终端发送的信号必然落在接收端的某个子带中，从而将其捕获。使用这种多通道信道化接收的方法可以很好的解决大多普勒接收问题。
本发明中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种卫星数据采集系统，其特征在于：包括卫星数据采集载荷和地面数据采集终端；卫星数据采集载荷包括多普勒分集接收模块、载荷发送模块、接入控制模块和拥塞控制模块；
多普勒分集接收模块将整个卫星数据采集系统的接收频带划分为多个子带，当地面数据采集终端和卫星数据采集载荷之间有相对运动时，多普勒分集接收模块对地面数据采集终端发送给卫星数据采集载荷的上行信号进行解调，即在每个子带上独立解调对应的上行信号；多普勒分集接收模块将解调后得到的数据送往接入控制模块和拥塞控制模块；
接入控制模块对地面数据采集系统发送的上行信号中的数据包进行接入控制；在S-aloha接入方式下，接入控制模块对接收的经多普勒分集接收模块所解调得到的数据进行合法性校验，校验正确后将校验正确信息以确认包的形式通过载荷发送模块发送给地面终端；在预约接入方式下，接入控制模块对地面数据采集终端发来的预约信道资源申请包进行合法性校验，校验正确后为地面数据采集终端进行信道分配，获得信道资源信息，并将信道资源信息经载荷发送模块发送给地面数据采集终端；
拥塞控制模块实时监测并判断地面数据采集终端发送的数据包是否发生拥塞；当判断发生拥塞时，启用拥塞控制机制，根据卫星在拥塞区域的过顶时间计算卫星数据采集系统所能容纳的地面数据采集终端数量，并结合当前的地面数据采集终端数量，计算得到地面数据采集终端的调度信息，将获得的调度信息发送给地面数据采集终端，地面数据采集终端按照调度信息向卫星数据采集载荷发送上行信号。
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