CN111431578B - 基于ais的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法。该方法包括如下步骤：临近空间飞艇接收船舶发出的AIS报文，获取船舶的经纬度坐标；将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标；临近空间飞艇根据极坐标确定并调整信号发射终端的发射功率和波束方向；临近空间飞艇实时接收船舶发出的AIS报文，根据船舶的经纬度坐标及其对应的极坐标的变化，对信号发射终端的发射功率和波束方向进行实时自动调整。本发明的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法能够对临近空间飞艇的发射功率和波束角度进行实时调整，以在保证通信质量的情况下，降低临近空间飞艇的功耗，缓解临近空间飞艇的能源压力。

Description

基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法
技术领域
本发明涉及海上通信技术领域，具体涉及一种基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法。
背景技术
临近空间指的是距地面20～100公里的空域，临近空间飞艇是一种利用飞行器自身的浮力来克服重力，从而在临近空间进行长期作业的一类临近空间飞行器；目前，临近空间飞艇主要用于通信中继、对地监控和防空警戒。
由于，临近空间飞艇相比于通信卫星，具有通信传播距离短、可视时间长、传播损耗少和传播延时小等优点；相比于岸基通信站，具有覆盖范围大、作用距离远、机动灵活、以及可根据任务需要灵活部署等优点；为此，临近空间飞艇经常作为中继通信平台，与岸基通信站配合使用，以为海上船舶提供通信服务。
临近空间飞艇在作为中继通信平台使用时，为了确保到达海上船舶的信号质量满足通信质量要求，现有的临近空间飞艇以发射功率最大值的方式发射通信信号；然而，临近空间飞艇的动力由太阳能电力系统提供，能量获取手段和能力有限，临近空间飞艇的能源有限，当临近空间飞艇采用发射功率最大值的方式发射通信信号，会造成能源浪费，加重临近空间飞艇的能源压力。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，能够对临近空间飞艇的发射功率和波束角度进行实时调整，以在保证通信质量的情况下，降低临近空间飞艇的功耗。
为此，本发明公开了一种基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，所述方法包括如下内容：
临近空间飞艇接收船舶发出的AIS报文，获取船舶的经纬度坐标；
将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标；
临近空间飞艇根据极坐标确定并调整信号发射终端的发射功率和波束方向；
临近空间飞艇实时接收船舶发出的AIS报文，根据船舶的经纬度坐标及其对应的极坐标的变化，对信号发射终端的发射功率和波束方向进行实时自动调整。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，AIS报文包括船舶的GNSS定位信息。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，临近空间飞艇利用AIS接收机接收船舶发出的AIS报文，利用信号发射终端发射通信信号；
船舶利用AIS发射机发出AIS报文，利用信号接收终端接收通信信号。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，AIS接收机采用全向接收机；
信号发射终端采用定向发射终端；
信号接收终端采用全向接收终端。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标，包括如下内容：
建立极坐标系：以临近空间飞艇在海平面的垂直投影点作为极坐标系的坐标原点建立极坐标系；
进行坐标转换：基于建立的极坐标系，将船舶的经纬度坐标转换为极坐标。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，建立极坐标系包括：采用O-A表示极坐标系，临近空间飞艇在海平面的垂直投影点为极坐标系的坐标原点O，极轴OA与纬线平行并指向地球自转方向，角度以逆时针方向为正。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，船舶的经纬度坐标通过式1和式2转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标；
Figure BDA0002401215210000021
Figure BDA0002401215210000022
其中，(x0,y0)表示临近空间飞艇在海平面的垂直投影点的经纬度坐标，(x,y)表示船舶的经纬度坐标，r表示地球同一经度上纬度值相差一度的两点间的距离值，(ρ,θ)表示船舶的极坐标。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，信号发射终端的发射功率通过式3计算；
Figure BDA0002401215210000031
其中，G表示信号发射终端的发射功率，G0表示发射功率预定值，h表示临近空间飞艇与其在海平面的垂直投影点的高度差。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，信号发射终端的波束方向的方位角和俯仰角通过式4和式5计算；
α＝θ(4)
β＝arctg(ρ/h) (5)
其中，α表示波束方向的方位角，β表示波束方向的俯仰角。
进一步地，在上述基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法中，所述方法还包括：预先制备并存储船舶的极坐标与临近空间飞艇的信号发射终端的发射功率及波束方向的相关关系表。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法通过利用AIS接收机实时接收船舶的AIS报文以获取船舶的实时位置，根据船舶的实时位置对临近空间飞艇的发射功率和波束角度进行实时调整，能确保临近空间飞艇与船舶间的通信链路适应信道状态的变化，在保证船舶的信号质量满足通信质量要求的情况下，避免传输能力的冗余和浪费，有效地提高信息传输的效能，降低临近空间飞艇的功耗，缓解临近空间飞艇的能源压力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法的流程图；
图2为本发明一实施例的临近空间飞艇与船舶的相对位置关系示意图；
图3为本发明实施例1的临近空间飞艇的发射功率与船舶的位置的相对关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
如附图1所示，本发明一实施例提供了一种基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，该方法包括如下步骤：
临近空间飞艇接收船舶发出的AIS报文，获取船舶的经纬度坐标；
将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标；
临近空间飞艇根据极坐标确定并调整信号发射终端的发射功率和波束方向；
临近空间飞艇实时接收船舶发出的AIS报文，根据船舶的经纬度坐标及其对应的极坐标的变化，对信号发射终端的发射功率和波束方向进行实时自动调整。
以下对本发明一实施例提供的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法进行具体说明；
本发明一实施例中，为了保证临近空间飞艇根据接收到的船舶发出的AIS报文，能够获取船舶的经纬度坐标，船舶发出的AIS报文包含船舶的GNSS定位信息。
进一步地，本发明一实施例中，临近空间飞艇利用AIS接收机接收船舶发出的AIS报文，利用信号发射终端发射通信信号，AIS接收机与信号发射终端相互连接并安装在临近空间飞艇内；船舶利用AIS发射机发出AIS报文，利用信号接收终端接收通信信号，AIS发射机和信号接收终端相互连接并安装在船舶内。
具体地，AIS接收机接收并解析船舶的AIS发射机发出的AIS报文，以获取船舶的经纬度坐标信息，而后将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标，根据船舶的极坐标计算确定信号发射终端的发射功率和波束方向，信号发射终端根据计算确定的发射功率和波束方向调整自身的发射功率和波束方向，基于调整后的发射功率和波束方向向船舶发送通信信号。
可选的，为了便于临近空间飞艇与船舶的信息传递，本发明一实施例中，AIS接收机采用全向接收机，信号发射终端采用定向发射终端，信号接收终端采用全向接收终端。
可选的，本发明一实施例中，船舶的AIS发射机发出的AIS信号采用国家标准GB/T20068-2017，发射间隔设置为1分钟。
本发明一实施例中，将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标，可以包括如下内容：
建立极坐标系：以临近空间飞艇在海平面的垂直投影点作为极坐标系的坐标原点建立极坐标系；
进行坐标转换：基于建立的极坐标系，将船舶的经纬度坐标转换为极坐标。
具体地，如附图2所示，采用O-A表示极坐标系，临近空间飞艇在海平面的垂直投影点为极坐标系的坐标原点O，极轴OA与纬线平行并指向地球自转方向，角度以逆时针方向为正。
基于上述建立的极坐标系，可以通过式1和式2将船舶的经纬度坐标转换为极坐标；
Figure BDA0002401215210000051
Figure BDA0002401215210000052
式中，(x0,y0)表示临近空间飞艇在海平面的垂直投影点的经纬度坐标，(x,y)表示船舶的经纬度坐标，r表示地球同一经度上纬度值相差一度的两点间的距离值，(ρ,θ)表示船舶的极坐标；
其中，临近空间飞艇在海平面的垂直投影点的经纬度坐标在进行临近空间飞艇部署时标定。
进一步地，基于设定的极坐标系和船舶在设定的极坐标系下的极坐标值，可以通过式3、式4和式5计算确定临近空间飞艇的信号发射终端对应的发射功率和波束方向；
Figure BDA0002401215210000053
α＝θ (4)
β＝arctg(ρ/h) (5)
式中，G表示信号发射终端的发射功率，G0表示发射功率预定值，h表示临近空间飞艇与其在海平面的垂直投影点的高度差，α表示波束方向的方位角，β表示波束方向的俯仰角；
其中，发射功率预定值G0在进行临近空间飞艇部署时预先标定，具体取值为当船舶位于临近空间飞艇在海平面的垂直投影点时满足通信需求的信号发射终端的最小发射功率值。
进一步地，本发明一实施例中，为了提高临近空间飞艇与船舶的通信效率，该基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法还包括：预先制备并存储船舶的极坐标与临近空间飞艇的信号发射终端的发射功率及波束方向的相关关系表。如此，当确定船舶的极坐标后，直接查表即可确定船舶当前的极坐标所对应的信号发射终端的发射功率和波束方向。
为使本发明的上述技术方案更加清楚，下面将结合本发明具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
假设：临近空间飞艇在海平面的垂直投影点的经纬度坐标为(E123°，N35°)，(E123°，N35°)表示北纬35°和东经123°，通过AIS接收机获取的船舶的经纬度坐标为(E123.5°，N36.5°)；则根据式1和式2可计算得到船舶在设定的极坐标系下的极坐标为(157.9km，2.78°)。
进一步地，假设：临近空间飞艇与其在海平面的垂直投影点的高度差为40km，即临近空间飞艇的飞行高度为40km，发射功率预定值G0为30dBW；则当船舶在设定的极坐标系下的极坐标为(157.9km，2.78°)时，根据式3-式5可计算得到对应的信号发射终端的发射功率G为41dBm，波束方向的方位角α为2.78°，俯仰角β为75.78°。
基于上述的设定和求解过程，可以计算得到如附图3所示的当船舶在N34.5°～N35.5°和E122.5°～E123.5°的区域内变化时，临近空间飞艇的信号发射终端的发射功率与船舶的位置的相对关系；如附图3所示，该设定区域内，在满足通信质量的情况下，临近空间飞艇的发射功率的变化范围为30dBm～38.22dBm，若假设船舶在该设定区域内等概率出现，则所需要的信号发射终端的平均发射功率为35.1426dBm；若采用传统的临近空间飞艇的发射功率调节方式，为保证在该设定区域内临近空间飞艇与船舶之间的通信满足通信质量要求，则发射功率需要设置为38.22dBm，相比于本发明一实施例提供的方法，传统的临近空间飞艇的发射功率调节方式中临近空间飞艇的发射功率高出了3dBm。
可见，本发明一实施例提供的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法通过利用AIS接收机实时接收船舶的AIS报文以获取船舶的实时位置，根据船舶的实时位置对临近空间飞艇的发射功率和波束角度进行实时调整，能确保临近空间飞艇与船舶间的通信链路适应信道状态的变化，在保证船舶的信号质量满足通信质量要求的情况下，避免传输能力的冗余和浪费，有效地提高信息传输的效能，降低临近空间飞艇的功耗，缓解临近空间飞艇的能源压力。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，所述方法包括如下内容：
临近空间飞艇接收船舶发出的AIS报文，获取船舶的经纬度坐标；
将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标；
临近空间飞艇根据极坐标确定并调整信号发射终端的发射功率和波束方向；
临近空间飞艇实时接收船舶发出的AIS报文，根据船舶的经纬度坐标及其对应的极坐标的变化，对信号发射终端的发射功率和波束方向进行实时自动调整。
2.根据权利要求1所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，AIS报文包括船舶的GNSS定位信息。
3.根据权利要求1所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，临近空间飞艇利用AIS接收机接收船舶发出的AIS报文，利用信号发射终端发射通信信号；
船舶利用AIS发射机发出AIS报文，利用信号接收终端接收通信信号。
4.根据权利要求3所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，AIS接收机采用全向接收机；
信号发射终端采用定向发射终端；
信号接收终端采用全向接收终端。
5.根据权利要求1所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，将船舶的经纬度坐标转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标，包括如下内容：
建立极坐标系：以临近空间飞艇在海平面的垂直投影点作为极坐标系的坐标原点建立极坐标系；
进行坐标转换：基于建立的极坐标系，将船舶的经纬度坐标转换为极坐标。
6.根据权利要求5所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，建立极坐标系包括：采用O-A表示极坐标系，临近空间飞艇在海平面的垂直投影点为极坐标系的坐标原点O，极轴OA与纬线平行并指向地球自转方向，角度以逆时针方向为正。
7.根据权利要求6所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，船舶的经纬度坐标通过式1和式2转换为以临近空间飞艇在海平面投影点为原点的极坐标系下的极坐标；
Figure FDA0002717116360000021
Figure FDA0002717116360000022
其中，(x0,y0)表示临近空间飞艇在海平面的垂直投影点的经纬度坐标，(x,y)表示船舶的经纬度坐标，r表示地球同一经度上纬度值相差一度的两点间的距离值，(ρ,θ)表示船舶的极坐标。
8.根据权利要求7所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，信号发射终端的发射功率通过式3计算；
Figure FDA0002717116360000023
其中，G表示信号发射终端的发射功率，G0表示发射功率预定值，h表示临近空间飞艇与其在海平面的垂直投影点的高度差。
9.根据权利要求7所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，信号发射终端的波束方向的方位角和俯仰角通过式4和式5计算；
α＝θ (4)
β＝arctg(ρ/h) (5)
其中，α表示波束方向的方位角，β表示波束方向的俯仰角。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于AIS的临近空间飞艇与船舶的自适应通信方法，其特征在于，所述方法还包括：预先制备并存储船舶的极坐标与临近空间飞艇的信号发射终端的发射功率及波束方向的相关关系表。
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