CN111431582B - 基于低轨卫星的北斗短报文通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低轨卫星的北斗短报文通信系统。该系统包括：地面Lora模块、星载中继模块和北斗卫星；地面Lora模块安装在地面终端上，用于与星载中继模块进行Lora信息传递；星载中继模块安装在低轨卫星上，星载中继模块包括相互通信连接的Lora网关模块和北斗短报文通信模块；Lora网关模块通过LoraWAN通信协议与地面Lora模块无线连接，北斗短报文通信模块通过北斗短报文通信协议与北斗卫星无线连接。本发明的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统通过利用低轨卫星作为中继平台，可以在广域范围内接收来自地面终端的数据，并通过北斗卫星将来自地面终端的数据在全球范围内进行传输，能够有效地降低地面终端的功耗，实现地面终端的小型化和长寿命设计。

Description

基于低轨卫星的北斗短报文通信系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于低轨卫星的北斗短报文通信系统及其通信方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是中国自主研发、独立运行的全球卫星定位与通信系统，现有的北斗卫星导航系统具有短报文通信功能，能够为海上、野外、山区和森林等偏远地区提供可靠的通信方式。

然而，根据现有的北斗短报文通信体制的设计要求，北斗短报文地面终端与北斗卫星之间建立通信链路时，要求地面终端的发射功率大于5W，功率消耗较大，不利于地面终端的小型化设计和长时间工作，导致地面终端难以集成到腕表和智能手机等移动终端。

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低轨卫星的北斗短报文通信系统及其通信方法。

为此，本发明公开了一种基于低轨卫星的北斗短报文通信系统，所述通信系统包括：地面Lora模块、星载中继模块和北斗卫星；

所述地面Lora模块安装在地面终端上，用于与所述星载中继模块进行Lora信息传递；

所述星载中继模块安装在低轨卫星上，所述星载中继模块包括相互通信连接的Lora网关模块和北斗短报文通信模块；

所述Lora网关模块和所述北斗短报文通信模块均设置有接收天线和发送天线，所述Lora网关模块通过LoraWAN通信协议与所述地面Lora模块无线连接，所述Lora网关模块用于与所述地面Lora模块进行Lora信息传递；

所述北斗短报文通信模块通过北斗短报文通信协议与所述北斗卫星无线连接，所述北斗短报文通信模块用于与所述北斗卫星进行北斗短报文信息传递。

进一步地，在所述基于低轨卫星的北斗短报文通信系统中，所述地面Lora模块为Lora终端芯片。

进一步地，在所述基于低轨卫星的北斗短报文通信系统中，所述地面Lora模块的发射信号波束为全向波束。

进一步地，在所述基于低轨卫星的北斗短报文通信系统中，所述Lora网关模块为Lora网关芯片。

进一步地，在所述基于低轨卫星的北斗短报文通信系统中，所述Lora网关模块的接收天线和发送天线均对地安装，且均为宽波束天线。

进一步地，在所述基于低轨卫星的北斗短报文通信系统中，所述北斗短报文通信模块的接收天线和发送天线均对天安装，且均为窄波束定向天线。

此外，本发明还公开了一种利用上述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统实施的通信方法，所述通信方法包括如下内容：

待传输信息的地面Lora模块将Lora信息发送给一个低轨卫星的星载中继模块；

星载中继模块中的Lora网关模块接收和解析Lora信息，并将解析结果送至北斗短报文通信模块；

北斗短报文通信模块将解析结果处理为北斗短报文信息并将北斗短报文信息发送给北斗卫星；

北斗卫星接收北斗短报文信息，并将北斗短报文信息发送给另一个低轨卫星的星载中继模块；

星载中继模块中的北斗短报文通信模块接收和解析北斗短报文信息，并将解析结果送至Lora网关模块；

Lora网关模块将解析结果处理为Lora信息并将Lora信息发送给待接收信息的地面Lora模块。

本发明的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统及其通信方法通过利用低轨卫星作为中继平台，在地面终端上安装地面Lora模块，在低轨卫星上安装包括Lora网关模块和北斗短报文通信模块的星载中继模块，利用Lora网关模块与地面Lora模块进行数据传输，利用北斗短报文通信模块与北斗卫星进行数据传输，可以在广域范围内接收来自地面终端的数据，并通过北斗卫星将来自地面终端的数据在全球范围内进行传输，能够有效地降低地面终端的功耗，实现地面终端的小型化和长寿命设计。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统的结构原理图；

图2为本发明一实施例的通信方法的流程图。

附图标记说明：

1-地面Lora模块、2-星载中继模块、21-Lora网关模块、22-北斗短报文通信模块、3-北斗卫星。

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低轨卫星的北斗短报文通信系统，该北斗短报文通信系统包括：地面Lora模块1、星载中继模块2和北斗卫星3；地面Lora模块1安装在地面终端上，用于与星载中继模块2进行Lora信息传递；星载中继模块2安装在低轨卫星上，星载中继模块2包括相互通信连接的Lora网关模块21和北斗短报文通信模块22；Lora网关模块21和北斗短报文通信模块22均设置有接收天线和发送天线，Lora网关模块21通过LoraWAN通信协议与地面Lora模块1无线连接，Lora网关模块21用于与地面Lora模块1进行Lora信息传递；北斗短报文通信模块22通过北斗短报文通信协议与北斗卫星3无线连接，北斗短报文通信模块22用于与北斗卫星3进行北斗短报文信息传递。

具体地，本发明一实施例提供的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统在使用时，当地面终端间需要进行通信时，待传输信息的地面终端上的地面Lora模块1将Lora信息通过LoraWAN通信协议发送给一个低轨卫星的星载中继模块2，星载中继模块2中的Lora网关模块21通过接收天线接收Lora信息，Lora网关模块21对接收到的Lora信息进行解析并将解析结果送至北斗短报文通信模块22，北斗短报文通信模块22接收Lora网关模块21发送的解析结果，通过北斗短报文通信协议将解析结果处理为北斗短报文信息并通过发送天线将北斗短报文信息发送给北斗卫星3；北斗卫星3通过北斗短报文通信协议将接收到的北斗短报文信息发送给另一个低轨卫星的星载中继模块2，星载中继模块2中的北斗短报文通信模块22通过接收天线接收北斗短报文信息，北斗短报文通信模块22对接收到的北斗短报文信息进行解析并将解析结果送至Lora网关模块21，Lora网关模块21接收北斗短报文通信模块22发送的解析结果，通过LoraWAN通信协议将解析结果处理为Lora信息并通过发送天线将Lora信息发送给待接收信息的地面终端上的地面Lora模块1，完成地面终端间的通信。

其中，本发明一实施例中，星载中继模块2中的Lora网关模块21和北斗短报文通信模块22可以通过SPI(串行外设接口)连接。

以下通过具体示例对本发明一实施例提供的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统的工作原理进行说明。

本发明一实施例中，LoraWAN表示现有的一种长距离的低功耗广域网无线标准。

由于根据现有的北斗短报文通信体制的设计要求，北斗短报文地面终端与北斗卫星之间建立通信链路时，要求地面终端的发射功率大于5W，功率消耗较大，不利于地面终端的小型化设计和长时间工作，导致地面终端难以集成到腕表和智能手机等移动终端。而LoraWAN作为一种长距离的低功耗广域网无线标准，采用了带前项纠错的扩频体制，信息传输效能高，具有低功耗和可扩展等特点，但对于海洋、山区和沙漠等空间和环境严格受限的场合，LoraWAN局域网难以与外界进行数据交换。

为此，本发明一实施例提供的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统通过利用低轨卫星作为中继平台，在地面终端上安装地面Lora模块1，在低轨卫星上安装包括Lora网关模块21和北斗短报文通信模块22的星载中继模块2，利用Lora网关模块21与地面Lora模块1进行数据传输，利用北斗短报文通信模块22与北斗卫星3进行数据传输，可以在广域范围内接收来自地面终端的数据，并通过北斗卫星3将来自地面终端的数据在全球范围内进行传输，能够有效地降低地面终端的功耗，实现地面终端的小型化和长寿命设计。

本发明一实施例中，地面Lora模块1可以采用Lora终端芯片；Lora终端芯片的发射信号波束可以设置为全向波束，Lora终端芯片在空闲时使用低功耗模式，在进行发射任务时开启发射模式，Lora终端芯片的最大发射功率可以设定为1W，且其通信参数可以通过软件配置实现。

具体地，Lora终端芯片可以使用SX127X系列的SX1278芯片，SX1278芯片的工作参数可以根据表1进行配置。

表1(Lora终端芯片工作参数)

同时，本发明一实施例中，为了确保Lora终端芯片的1W功率输出能力的实现，Lora终端芯片可以外接Qorvo公司的TQP7M9105芯片。

在地面Lora模块1采用Lora终端芯片的情况下，本发明一实施例中，Lora网关模块21可以采用Lora网关芯片。

进一步地，本发明一实施例中，Lora网关模块21的接收天线和发送天线均可对地安装，且均可为宽波束天线，以实现地面广域覆盖；同时，在上述设定的工作参数的基础上，Lora网关模块21的接收天线和发送天线的天线增益可以设置为5dBi以上。

具体地，Lora网关芯片可以使用Semtech公司的SX1301芯片，SX1301芯片的工作参数可以根据Lora终端芯片的工作参数进行配置，以使两者的工作参数相互匹配；Lora网关模块21的接收天线和发送天线可以均采用锥螺天线，波束宽度可以设置为120°。

进一步地，本发明一实施例中，北斗短报文通信模块22的接收天线和发送天线可以均对天安装，且可均为窄波束定向天线。

其中，北斗短报文通信模块22的接收天线和发送天线的天线波束指向可以根据该北斗短报文通信模块22所在的低轨卫星的星历与北斗卫星3的星历计算确定；北斗短报文通信模块22在使用时，可以根据其所在的低轨卫星的星历与北斗卫星3的星历计算该低轨卫星与北斗卫星3间的多普勒频率，从而在接收和发送北斗短报文信息时进行多普勒频率补偿。

此外，本发明一实施例还提供了一种利用上述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统实施的通信方法，该通信方法包括如下内容：

待传输信息的地面Lora模块1将Lora信息发送给一个低轨卫星的星载中继模块2；

星载中继模块2中的Lora网关模块21接收和解析Lora信息，并将解析结果送至北斗短报文通信模块22；

北斗短报文通信模块22将解析结果处理为北斗短报文信息并将北斗短报文信息发送给北斗卫星3；

北斗卫星3接收北斗短报文信息，并将北斗短报文信息发送给另一个低轨卫星的星载中继模块2；

星载中继模块2中的北斗短报文通信模块22接收和解析北斗短报文信息，并将解析结果送至Lora网关模块21；

Lora网关模块21将解析结果处理为Lora信息并将Lora信息发送给待接收信息的地面Lora模块1。

具体地，当地面终端间需要进行通信时，待传输信息的地面终端上的地面Lora模块1将Lora信息通过LoraWAN通信协议发送给一个低轨卫星的星载中继模块2，星载中继模块2中的Lora网关模块21通过接收天线接收Lora信息，Lora网关模块21对接收到的Lora信息进行解析并将解析结果送至北斗短报文通信模块22，北斗短报文通信模块22接收Lora网关模块21发送的解析结果，通过北斗短报文通信协议将解析结果处理为北斗短报文信息并通过发送天线将北斗短报文信息发送给北斗卫星3；北斗卫星3通过北斗短报文通信协议将接收到的北斗短报文信息发送给另一个低轨卫星的星载中继模块2，星载中继模块2中的北斗短报文通信模块22通过接收天线接收北斗短报文信息，北斗短报文通信模块22对接收到的北斗短报文信息进行解析并将解析结果送至Lora网关模块21，Lora网关模块21接收北斗短报文通信模块22发送的解析结果，通过LoraWAN通信协议将解析结果处理为Lora信息并通过发送天线将Lora信息发送给待接收信息的地面终端上的地面Lora模块1，完成地面终端间的通信。

可见，本发明一实施例提供的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统及其通信方法通过利用低轨卫星作为中继平台，在地面终端上安装地面Lora模块1，在低轨卫星上安装包括Lora网关模块21和北斗短报文通信模块22的星载中继模块2，利用Lora网关模块21与地面Lora模块1进行数据传输，利用北斗短报文通信模块22与北斗卫星3进行数据传输，可以在广域范围内接收来自地面终端的数据，并通过北斗卫星3将来自地面终端的数据在全球范围内进行传输，能够有效地降低地面终端的功耗，实现地面终端的小型化和长寿命设计。

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 (7)

1.一种基于低轨卫星的北斗短报文通信系统，其特征在于，所述通信系统包括：地面Lora模块、星载中继模块和北斗卫星；

所述地面Lora模块安装在地面终端上，用于与所述星载中继模块进行Lora信息传递；

所述星载中继模块安装在低轨卫星上，所述星载中继模块包括相互通信连接的Lora网关模块和北斗短报文通信模块；

所述Lora网关模块和所述北斗短报文通信模块均设置有接收天线和发送天线，所述Lora网关模块通过LoraWAN通信协议与所述地面Lora模块无线连接，所述Lora网关模块用于与所述地面Lora模块进行Lora信息传递；

所述北斗短报文通信模块通过北斗短报文通信协议与所述北斗卫星无线连接，所述北斗短报文通信模块用于与所述北斗卫星进行北斗短报文信息传递。

2.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统，其特征在于，所述地面Lora模块为Lora终端芯片。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统，其特征在于，所述地面Lora模块的发射信号波束为全向波束。

4.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统，其特征在于，所述Lora网关模块为Lora网关芯片。

5.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统，其特征在于，所述Lora网关模块的接收天线和发送天线均对地安装，且均为宽波束天线。

6.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统，其特征在于，所述北斗短报文通信模块的接收天线和发送天线均对天安装，且均为窄波束定向天线。

7.一种利用如权利要求1至6中任一项所述的基于低轨卫星的北斗短报文通信系统实施的通信方法，其特征在于，所述通信方法包括如下内容：

待传输信息的地面Lora模块将Lora信息发送给一个低轨卫星的星载中继模块；

星载中继模块中的Lora网关模块接收和解析Lora信息，并将解析结果送至北斗短报文通信模块；

北斗短报文通信模块将解析结果处理为北斗短报文信息并将北斗短报文信息发送给北斗卫星；

北斗卫星接收北斗短报文信息，并将北斗短报文信息发送给另一个低轨卫星的星载中继模块；

星载中继模块中的北斗短报文通信模块接收和解析北斗短报文信息，并将解析结果送至Lora网关模块；

Lora网关模块将解析结果处理为Lora信息并将Lora信息发送给待接收信息的地面Lora模块。

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