CN111866119B - 基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法，其特征在于：包括步骤如下：步骤1、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端开机进入正常工作状态进入数据采集模式，步骤2、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端的数据采集模块通过传感器采集并存储完环境监测信息后，关闭数据采集模式，进入轨道预报计算模式；步骤3、根据步骤2的轨道预报结果判断当前时间卫星是否入境，如果入境则物联网数据采集终端进入数据收发模式，与卫星进行通信，发送完毕或者是卫星已出境，则关闭所有模块，进入待机低功耗模式，该方法能够显著降低通信功耗，同时能够提高物联网数据采集终端与卫星的通信成功率。

Description

基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法
技术领域
本发明属于通信领域，尤其涉及一种基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法。
背景技术
根据国际电信联盟定义，物联网是解决物品与物品，人与物品，人与人之间的互联互通的网络。天基物联网是以天基通信网络为核心和基础，并融合了天基导航、遥感等服务，为物品与物品，人与物品，人与人提供无障碍交互的综合信息系统。
鉴于天基信息系统的特点，天基物联网相比传统物联网增加了许多独特的优势：
(1)通信网络覆盖地域广，可实现全球覆盖，传感器的布设几乎不受空间限制。
(2)几乎不受天气、气候影响，全天时全天候工作。
(3)系统抗毁性强，自然灾害、突发事件等应急情况下依旧能够正常工作。
物联网从1999年提出至今，已经形成了完整的概念，依托地面网络的物联网应用逐渐发展成熟，但在一些大范围、跨地域、恶劣环境等数据收集的领域，由于空间、环境等限制，传统的地面物联网无能为力，出现了服务能力与需求失配的现象。这些领域包括：
(1)海洋、森林、矿产等资源的监视与管理；
(2)森林、山体、河流、海洋等地区灾害的监测、预报；
(3)深海、远海的海洋监测管理，海上浮标、海上救生等；
(4)交通、物流、输油管道、电网等监控管理；
(5)野外环境下珍稀动物的跟踪监测；
(6)军事无人机、导弹、舰船、车辆的协同控制。
利用天基信息网络的优势，通过天基物联网载荷和物联网数据采集终端设备，将复杂环境下的传感器连入天基物联网，实现物联信息的跨地域传输，是解决目前传统地面物联网短板的有效途径。随着我国天地一体化信息网络技术的不断发展，天基物联网的应用前景充满潜力。
天基物联网中的采集类应用一般用于森林、矿产、海洋、农业、电力等领域的监测方面。应用时从地面传感器获得各类监测信息，由数据采集终端将环境监测信息采集、存储并发送至低轨DCS(Data Collection System,数据采集系统)卫星星座，一般情况下通过DCS卫星星座将监测信息发送至地面网关站，送至数据处理中心进行数据的解析处理(遥感信息可直接进入通过天基网络，送入处理中心处理)，然后通过地面网络将数据发送至用户的监测中心；在特殊模式下(如地面网络出现问题)，可直接在空间数据处理中心对监测数据进行处理，然后通过卫星网络直接将数据发送给用户的监测中心。图1给出了天基物联网在采集类应用中的工作模式。
天基物联网数据采集终端设备大多数使用电池供电，如果这些设备长期工作(大约5年)，尤其是大部分天基物联网终端都是在一些诸如海洋、森林、矿产等野外恶劣环境传统地面物联网覆盖不到的地方，频繁更换电池将给实际使用带来极大困难，因而低功耗问题越来越成为天基物联网大规模应用的瓶颈.研究表明，在物联网数据采集终端与卫星载荷通信中，采集数据的收发通信消耗了大量的功耗，物联网数据采集终端的功耗成为制约天基物联网产业发展的重要因素之一。
天基物联网建设前期，天上通信卫星数量不多尚未形成全球覆盖，其有效通信覆盖面不能每时每刻都覆盖到地球的每一个点，目前现有的方案是:地面天基物联网数据采集终端，不管卫星到地面的通信覆盖面是否覆盖到该终端所在的地点，该终端按照两种方式工作：
一、物联网数据采集终端的数据收发模块一直处于工作状态，以便于与卫星上的载荷收发信号。
二、按照协议周期性地往天上进行收发数据尝试。
这两种方案都是在通信链路不确定的情况下去进行收发数据尝试，通信成功率会大大降低且会造成额外的大量的功耗的浪费。
发明的内容
基于此，本发明将卫星轨道预报算法引入天基物联网应用场景，并创造性地将卫星轨道预报算法移植进地面物联网数据采集终端，地面物联网数据采集终端可以自主地提前预测卫星入境情况，并基于预测结果进行收发通信控制，这样不仅可以大大提高通信成功率，而且可以大大降低通信功耗。
该发明的技术方案是提供了一种基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤1、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端开机进入正常工作状态进入数据采集模式，此时与卫星的通信收发模块未打开，基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端采集周围环境传感器监测信息，监测信息包括环境的温度、湿度、气压、采集时间，并监测信息将存入存储芯片；
步骤2、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端的数据采集模块通过传感器采集并存储完环境监测信息后，关闭数据采集模式，进入轨道预报计算模式；
步骤3、根据步骤2的轨道预报结果判断当前时间卫星是否入境，如果入境则物联网数据采集终端进入数据收发模式，与卫星进行通信，将采集模式下存入存储芯片中的环境监测信息发送到卫星上，发送完毕或者是卫星已出境，则关闭所有模块，进入待机低功耗模式，等待下一次卫星入境的时间到来，再继续发送未完成的数据，否则，则直接进入待机低功耗模式等待下一次卫星入境再开启系统正常工作模式进行数据采集与数据收发，其中下一次卫星入境的时间已经在本次轨道预报计算中进行了预报。
进一步地，轨道预报计算模式的实现步骤如下：
步骤2.1、输入轨道预报的起始时刻、预报天数、物联网数据采集终端的经度纬度信息以及卫星入境仰角阈值；
步骤2.2、利用SGP4卫星轨道模型解析卫星两行根数，得到卫星在地心地固坐标系下从预报起始时刻到终止时刻的位置矢量(λx,λy,λz)；
步骤2.3、根据物联网数据采集终端的经度和纬度计算物联网数据采集终端在地心地固坐标系下的从预报起始时刻到终止时刻的位置矢量(μx,μy,μz)；
步骤2.4、根据物联网数据采集终端和卫星从预报起始时刻到终止时刻的在地心地固坐标系下的位置矢量计算从预报起始时刻到终止时刻的物联网数据采集终端到卫星的仰角；
物联网数据采集终端到卫星的仰角θ计算如下：
Figure BDA0002587746600000041
Figure BDA0002587746600000042
其中，rs为卫星到地心的距离，rE为物联网数据采集终端点到地心的距离，β为物联网数据采集终端到地心与卫星到地心的地心角；
以上参数根据步骤2.2获取的卫星位置矢量(λx,λy,λz)和步骤2.3中获取的终端位置矢量(μx,μy,μz)计算获得：
Figure BDA0002587746600000043
Figure BDA0002587746600000044
Figure BDA0002587746600000045
步骤2.5、根据从预报起始时刻到终止时刻的物联网数据采集终端到卫星的仰角是否大于等于卫星入境仰角阈值判断出预报起始时刻到终止时刻的相对于物联网数据采集终端的该点的卫星入境情况；
步骤2.6、轨道预报计算模式完成后，将卫星入境时间存储起来，关闭轨道预报计算模式。
进一步地，步骤2.1中、物联网数据采集终端的经度纬度信息来自GNSS模块，预报的起始时刻不能早于两行根数的历元时刻，卫星入境仰角阈值大于或等于10度。
该发明的有益效果在于：相比于现有的传统的数据采集类的天基物联网本发明能够：第一能够显著降低通信功耗；第二能够提高物联网数据采集终端与卫星的通信成功率；第三可以拓展到其他所有与卫星有通信交互的终端应用中，比如基于天基物联网的控制场景。
附图说明
图1是天基物联网数据采集应用；
图2是物联网数据采集终端硬件组成模块；
图3是方案整体实现流程；
图4是轨道预报模块实现流程图；
图5是卫星至地面物联网数据采集终端的仰角示意图。
具体实施方式
以下将结合附图2-5对该发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，该实施例中，基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端包括：数据收发模块、GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)模块、数据采集模块、存储芯片、轨道预报计算与任务调度模块；其中：
数据收发模块负责与卫星进行数据收发；
GNSS模块负责给物联网数据采集终端提供经纬度和时间信息；
数据采集模块负责采集传感器信息；
存储芯片负责存储数据采集模块采集的传感器信息；
轨道预报计算与任务调度模块作为计算和控制芯片负责轨道预报和控制各模块的工作。
如图3所示，该实施例提供了一种基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法，具体包括步骤如下：
步骤1、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端开机进入正常工作状态进入数据采集模式，此时与卫星的通信收发模块未打开，基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端采集周围环境传感器监测信息，这些信息包括环境的温度、湿度、气压、采集时间，并将其存入存储芯片。
步骤2、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端的数据采集模块通过传感器采集并存储完环境监测信息(环境温度、湿度、气压、采集时间)后，关闭数据采集模式，进入轨道预报计算模式，调用移植进去的SGP4轨道预报计算与任务调度模块，轨道预报计算的具体实现流图如图4所示，进行卫星过境预报，其具体实现步骤如下：
步骤2.1、输入轨道预报的起始时刻、预报天数、物联网数据采集终端的经度纬度信息以及卫星入境仰角阈值，其中物联网数据采集终端的经度纬度信息来自GNSS模块，预报的起始时刻不能早于两行根数的历元时刻，卫星入境仰角阈值一般大于等于10度即可，在这里配置为10度。
步骤2.2、利用SGP4卫星轨道模型解析卫星两行根数，得到卫星在地心地固坐标系下从预报起始时刻到终止时刻的位置矢量(λx,λy,λz)。其中SGP4(Simplified GeneralPerturbations Version 4th)卫星轨道模型由NORAD(North American AerospaceDefense Command，北美防空司令部)开发，它包含有大气阻力、地球摄动等影响项，结合两行根参数可以对空间飞行目标的位置有较高的预报精度，其计算主要包含读取两行根数、初始化参数、计算卫星平均运动和半长轴、计算大气阻力和引力摄动、计算长周期项和短周期项、计算瞬时轨道根数、计算卫星在地心地固坐标系中的位置。
步骤2.3、根据物联网数据采集终端的经度和纬度计算物联网数据采集终端在地心地固坐标系下的从预报起始时刻到终止时刻的位置矢量(μx,μy,μz)。
步骤2.4、根据物联网数据采集终端和卫星从预报起始时刻到终止时刻的在地心地固坐标系下的位置矢量计算从预报起始时刻到终止时刻的物联网数据采集终端到卫星的仰角；
根据图5，物联网数据采集终端到卫星的仰角θ计算如下：
Figure BDA0002587746600000061
Figure BDA0002587746600000062
其中，如图5所示，rs为卫星到地心的距离，rE为物联网数据采集终端点到地心的距离，β为物联网数据采集终端到地心与卫星到地心的地心角，这些参数根据步骤2.2获取的卫星位置矢量(λx,λy,λz)和步骤2.3中获取的终端位置矢量(μx,μy,μz)计算获得：
Figure BDA0002587746600000063
Figure BDA0002587746600000064
Figure BDA0002587746600000065
步骤2.5、根据从预报起始时刻到终止时刻的物联网数据采集终端到卫星的仰角是否大于等于卫星入境仰角阈值判断出预报起始时刻到终止时刻的相对于物联网数据采集终端的该点的卫星入境情况。
步骤2.6、轨道预报计算模式完成后，将卫星入境时间存储起来，关闭轨道预报计算模式。
步骤3、根据步骤2的轨道预报结果判断当前时间卫星是否入境，如果入境则物联网数据采集终端进入数据收发模式，与卫星进行通信，将采集模式下存入存储芯片中的环境监测信息发送到卫星上，发送完毕或者是卫星已出境，则关闭所有模块，进入待机低功耗模式，等待下一次卫星入境的时间到来，再继续发送未完成的数据，否则，则直接进入待机低功耗模式等待下一次卫星入境再开启系统正常工作模式进行数据采集与数据收发，其中下一次卫星入境的时间已经在本次轨道预报计算中进行了预报。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护。

Claims (2)

1.一种基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法，其特征在于：包括步骤如下：
步骤1、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端开机进入正常工作状态进入数据采集模式，此时与卫星的通信收发模块未打开，基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端采集周围环境传感器监测信息，监测信息包括环境的温度、湿度、气压、采集时间，并监测信息将存入存储芯片；
步骤2、基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端的数据采集模块通过传感器采集并存储完环境监测信息后，关闭数据采集模式，进入轨道预报计算模式，其中，所述轨道预报计算模式的实现步骤如下：
步骤2.1、输入轨道预报的起始时刻、预报天数、物联网数据采集终端的经度纬度信息以及卫星入境仰角阈值；
步骤2.2、利用SGP4卫星轨道模型解析卫星两行根数，得到卫星在地心地固坐标系下从预报起始时刻到终止时刻的位置矢量(λx,λy,λz)；
步骤2.3、根据物联网数据采集终端的经度和纬度计算物联网数据采集终端在地心地固坐标系下的从预报起始时刻到终止时刻的位置矢量(μx,μy,μz)；
步骤2.4、根据物联网数据采集终端和卫星从预报起始时刻到终止时刻的在地心地固坐标系下的位置矢量计算从预报起始时刻到终止时刻的物联网数据采集终端到卫星的仰角；
物联网数据采集终端到卫星的仰角θ计算如下：
Figure FDA0003584764270000011
Figure FDA0003584764270000012
其中，rs为卫星到地心的距离，rE为物联网数据采集终端点到地心的距离，β为物联网数据采集终端到地心与卫星到地心的地心角；
以上参数根据步骤2.2获取的卫星位置矢量(λx,λy,λz)和步骤2.3中获取的终端位置矢量(μx,μy,μz)计算获得：
Figure FDA0003584764270000021
Figure FDA0003584764270000022
Figure FDA0003584764270000023
步骤2.5、根据从预报起始时刻到终止时刻的物联网数据采集终端到卫星的仰角是否大于等于卫星入境仰角阈值判断出预报起始时刻到终止时刻的相对于物联网数据采集终端的该点的卫星入境情况；
步骤2.6、轨道预报计算模式完成后，将卫星入境时间存储起来，关闭轨道预报计算模式；
步骤3、根据步骤2的轨道预报结果判断当前时间卫星是否入境，如果入境则物联网数据采集终端进入数据收发模式，与卫星进行通信，将采集模式下存入存储芯片中的环境监测信息发送到卫星上，发送完毕或者是卫星已出境，则关闭所有模块，进入待机低功耗模式，等待下一次卫星入境的时间到来，再继续发送未完成的数据，否则，则直接进入待机低功耗模式等待下一次卫星入境再开启系统正常工作模式进行数据采集与数据收发，其中下一次卫星入境的时间已经在本次轨道预报计算中进行了预报。
2.根据权利要求1所述的基于卫星轨道预报算法的物联网数据采集终端节能方法，其特征在于，步骤2.1中、物联网数据采集终端的经度纬度信息来自GNSS模块，预报的起始时刻不能早于两行根数的历元时刻，卫星入境仰角阈值大于或等于10度。
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