CN112787706A - 一种基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，多模式卫星通信终端根据业务需求的不同选择不同的工作模块，将海洋环境监测传感器监测到的海洋环境数据作为上行信息发送给通信卫星上的星载信息收发平台；星载信息收发平台接收上行信息，通过与工作模块对应的接收模块对上行信息进行解调，并作为星载信息进行存储，再把星载信息向下发送给地面融合信息接收站；由地面融合信息接收站接收并解调星载信息，再发给数据中心进行分析处理；本发明将多种不同的工作模块融合在一起，能够使用户便捷的根据业务需要选择不同的工作模块，增加了多模式卫星通信终端的适用环境；满足了当前的全球海洋环境监测信息传输需求。

Description

一种基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统。

背景技术

近年来，世界各国以资源为核心的海洋权益斗争日益激烈。在以夺取海洋资源、控制海洋空间、抢占海洋科技发展的战略“制高点”等为主要特征的现代海洋权益斗争中，建立常态化、立体化、精细化、大范围的海洋环境监测系统，是确保我国海洋权益不受损害的重要组成部分。其中，信息传输系统是海洋环境监测系统的基础。

海洋环境监测设备和系统一般都远离陆地，其信息传输大部分都采用卫星通信手段，如每天有几千个Argo浮标通过Argos卫星通信系统进行海上监测数据传输；国内研究人员也采用北斗系统来传输监测数据。2019年8月30日公开的一件公开号为CN110186508A、名称为“基于北斗短报文和无人船的大洋水文气象信息监测系统”的发明专利，其利用无人船对海洋水文气象信息进行监测，并通过北斗卫星进行信息传输。

但由于这些海洋环境监测设备和系统传输的模式固定，不能根据不同的业务需求选择不同的传输模式，监测海洋环境时的适用性较差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，解决不能根据不同的业务需求选择不同的传输模式而使监测海洋环境适用性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，包括：多模式卫星通信终端、星载信息收发平台和地面融合信息接收站；所述多模式卫星通信终端根据业务需求的不同选择不同的工作模块，再通过共用的功率放大器和天线将海洋环境监测传感器监测到的海洋环境数据作为上行信息发送给通信卫星上的星载信息收发平台；所述星载信息收发平台接收所述上行信息，通过与所述工作模块对应的接收模块对上行信息进行解调，并作为星载信息进行存储，再把所述星载信息向下发送给地面融合信息接收站；所述地面融合信息接收站接收并解调所述星载信息，并由此得到融合信息，再将所述融合信息发给数据中心进行分析处理。

优选的，所述多模式卫星通信终端中的所述工作模块包括低速调制模块、LoRa发送模块和/或高速发送调制模块。

优选的，所述业务需求包括第三优先级业务需求、第二优先级业务需求和第一优先级业务需求，当需要传输第三优先级业务时，所述多模式卫星通信终端选择低速调制模块工作，当需要传输第二优先级业务时，所述多模式卫星通信终端选择LoRa发送模块工作，当需要传输第一优先级业务时，所述多模式卫星通信终端选择高速发送调制模块工作。

优选的，所述业务需求包括小数据量业务需求、中数据量业务需求和大数据量业务需求，当需要传输小数据量业务时，所述多模式卫星通信终端选择低速调制模块工作，当需要传输中数据量业务时，所述多模式卫星通信终端选择LoRa发送模块工作，当需要传输大数据量业务时，所述多模式卫星通信终端选择高速发送调制模块工作。

优选的，所述多模式卫星通信终端根据自身所在地理位置信息和时间信息，当与其通信的通信卫星经过所述多模式卫星通信终端的上空时，向所述通信卫星的星载信息收发平台发射上行信息。

优选的，所述星载信息收发平台中的所述接收模块包括低速解调模块、LoRa网关模块和/或高速解调模块。

优选的，所述低速解调模块、LoRa网关模块和/或高速解调模块共用同一个接收天线、滤波器、低噪放，并通过分路器分别连接所述低速解调模块、LoRa网关模块和高速解调模块。

优选的，所述低速解调模块、LoRa网关模块和/或高速解调模块分别将解调的星载信息存储到同一个星载存储模块。

优选的，所述星载信息收发平台在通信卫星通过地面中心站上空时，将存储的星载信息下发给地面融合信息接收站。

优选的，所述地面融合信息接收站中包括下发信息解调模块、协议转换模块和数据转发模块，通过低噪放和滤波器后的星载信息依次发送给下发信息解调模块、协议转换模块得到融合信息，由所述数据转发模块将所述融合信息发给数据中心进行分析处理。

本发明的有益效果是，本发明将多种不同的工作模块融合在一起，能够使用户便捷的根据业务需要选择不同的工作模块，增加了多模式卫星通信终端的适用环境，提高了监测海洋环境时的适用性。满足了当前的全球海洋环境监测信息传输需求。

附图说明

图1是根据本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统一实施例的传输系统框图；

图2是根据本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统一实施例中的多模式卫星通信终端的示意框图；

图3是根据本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统一实施例中的星载信息收发平台的示意框图；

图4是根据本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统一实施例中的地面融合信息接收站的示意框图；

图5是根据本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统一实施例中的下发信息解调模块的组成框图；

图6是根据本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统一实施例中的两个频域检测电路工作原理示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统一实施例的示意图。在图1中，包括：多模式卫星通信终端20、星载信息收发平台30和地面融合信息接收站40。

所述多模式卫星通信终端20根据业务需求的不同选择不同的工作模块，再通过共用的功率放大器和天线202将海洋环境监测传感器10监测到的海洋环境数据作为上行信息发送给通信卫星上的星载信息收发平台30。

所述星载信息收发平台30接收所述上行信息，通过与所述工作模块对应的接收模块对上行信息进行解调，并作为星载信息进行存储，再把所述星载信息向下发送给地面融合信息接收站40。

由所述地面融合信息接收站40接收并解调所述星载信息，并由此得到融合信息，这里融合信息包括有来自多种工作模块采集获得的海洋环境监测信息数据，再将所述融合信息发给数据中心50进行分析处理。

多模式卫星通信终端20和海洋环境监测传感器10设置在浮标、船只或基站等海洋设备上。海洋环境监测传感器10用以监测近岸、近海或远海区域的海洋环境。并将监测到的海洋环境数据发送给多模式卫星通信终端20。多模式卫星通信终端20将海洋环境数据作为上行信息发送给通信卫星上的星载信息收发平台30。星载信息收发平台30将上行信息解调后向下发给设置在在船只、岛屿或内陆上的地面融合信息接收站40设置。最后由地面融合信息接收站40解调后发给数据中心50进行分析处理。

进一步的，如图2所示，所述多模式卫星通信终端20中的所述工作模块包括低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013。

低速调制模块2011将海洋环境监测传感器10监测到的海洋环境数据进行调制作为上行信息发送给低轨卫星，卫星星载设备将上行信息解调后向下发送给地面融合信息接收站40。使用低速调制模块2011时具有低功耗、长使用周期等特点，适合长时间、低速率、低数据量的海洋环境监测的场合。

LoRa发送模块2012接收海洋环境监测传感器10监测到的海洋环境数据，LoRa发送模块2012可以与海岸LoRa基站相连，并通过公众网络将海洋环境监测传感器10监测到的海洋环境数据发给地面融合信息接收站40。能够有效实现近海区域大范围的环境监测。LoRa发送模块2012还可以与星载信息收发平台30上的LoRa网关模块3012组成星型拓扑结构，将物联网设备和物联网终端的数据直接通过卫星进行传输的功能；LoRa网关模块3012作为星型拓扑结构的中央节点接收LoRa发送模块2012发送出的海洋环境数据。能够实现全海域大范围的海洋环境监测，也能实现对地面基站不能覆盖的山区、沙漠等区域的环境监测。LoRa发送模块2012和LoRa网关模块3012技术成熟、设备价格低廉，适用于低成本、需要快速部署和全地形覆盖的物联网应用场合。

高速发送调制模块2013接收海洋环境监测传感器10监测到的海洋环境数据，对信号采用直接序列扩频、跳频或扩跳频等抗干扰手段，提高了信号的抗干扰能力，适用于高速率、高数据量以及需要抗干扰能力的海洋环境监测应用场合。

将低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013三种模块融合，能够在覆盖范围广、低成本、高低速率兼容以及抗干扰能力强这些特点中进行便捷的选择，低速调制模块2011或高速发送调制模块2013无法覆盖的地方可以选择覆盖范围广的LoRa发送模块2012。需要高速率、高数据量以及干扰信号较多的地方可以选择抗干扰能力强的高速发送调制模块2013。需要长时间、低速率、低数据量的场合可以选择低速调制模块2011。

海洋环境监测的类型包括有基线调查，常规监测，应急监测，研究性监测。每种监测类型的海洋环境数据特点不同，对数据需求的优先级不同。

基线调查是对特定海洋区域的环境质量基本要素(水文、气象、水质、地质、地貌、海洋生物等)状况的初始调查和重复调查。基线调查监测数据为初始调查一次，重复调查每五年1次。在对海洋进行基线调查时，海洋环境监测传感器10的空间分布较广，覆盖面积较大，需要的数量较多，且需要多种不同类型的海洋环境监测传感器10分别监测水文、气象、水质、地质、地貌、海洋生物等基本要素。这也使得多模式卫星通信终端20从海洋环境监测传感器10处收到的海洋环境数据量大、海洋环境数据类型多。而对数据的时效性要求较低。

常规监测是在基线调查基础上,经优化选择若干代表性监测站和项目进行的，以求得空间分布广为主要目的，长期逐年相对固定时期的观测。常规监测的类型包括有水质监测、沉积物监测、海洋生物监测、海洋气象监测，水质监测的频率是每年2-4次，沉积物监测的频率是每年1次，海洋生物监测的频率是每年1-2次，海洋气象监测的频率是每天的2点、8点、14点和20点定时监测。在对海洋进行常规监测时，海洋环境监测传感器10的空间分布较广，覆盖的局域面积较小，需要的数量较少，海洋环境监测传感器10包括有水质监测传感器、沉积物监测传感器、海洋生物监测传感器、海洋气象监测传感器，与基线调查相比需要的海洋环境监测传感器10的类型少。这也使得多模式卫星通信终端20从海洋环境监测传感器10处收到的海洋环境数据量少、海洋环境数据类型少。在对水质监测、沉积物监测、海洋生物监测时，对数据的时效性要求较低。而对海洋气象监测时，对数据的时效性要求较高。

应急监测是指在海洋上发生有毒有害物质泄放或赤潮等灾害紧急事件时，组织反应快速的现场观测。在对海洋环境进行应急监测时，海洋环境监测传感器10的空间分布集中，覆盖的局域面积较小，需要的数量较少，类型单一。这也使得多模式卫星通信终端20从海洋环境监测传感器10处收到的海洋环境数据量较少、海洋环境数据类型单一。在进行应急监测时，需要能够及时获得监测区域的海洋环境数据，对数据的时效性要求较高。

研究性监测是指针对海洋污染对环境的污染范围、污染强度及迁移转化规律而进行的专项、深入的研究的监测。在对海洋进行研究性监测时，海洋环境监测传感器10的空间分布集中，覆盖的局域面积较小，需要的数量较少，类型单一或多样。这也使得多模式卫星通信终端20从海洋环境监测传感器10处收到的海洋环境数据量较少、海洋环境数据类型单一或多样。在进行研究性监测时，对数据的时效性要求高。

基于上述不同的海洋环境监测类型中不同的海洋环境数据特点，确定对数据的业务需求，根据不同的业务需求选取不同的工作模块对数据进行传输。

可以根据数据需求的优先级对业务需求进行划分。

进一步的，所述业务需求包括第三优先级业务需求、第二优先级业务需求和第一优先级业务需求。当需要传输第三优先级业务时，所述多模式卫星通信终端20选择低速调制模块2011工作，当需要传输第二优先级业务时，所述多模式卫星通信终端20选择LoRa发送模块2012工作，当需要传输第一优先级业务时，所述多模式卫星通信终端20选择高速发送调制模块2013工作。

对数据的时效性要求较高的海洋环境数据类型相应的作为优先级较高的业务需求。

第三优先级业务需求对应的是对时效性要求不高的海洋环境监测类型，例如基线调查，以及常规监测中的水质监测、沉积物监测、海洋生物监测。在这些监测项目中，对水质监测的频率是每年2-4次，对沉积物监测的频率是每年1次，对海洋生物监测的频率是每年1-2次，监测的频率较低，对数据的时效性要求不高。第二优先级业务需求对应的是需要短时间内获取监测数据的海洋监测环境类型，例如研究性监测，需要在几天或周内获取监测数据，采用第二优先级业务需求来传输数据。第一优先级业务需求对应的是需要在极短时间内获取监测数据的海洋监测环境，例如应急监测，常规监测中的海洋气象监测，这些监测项目中，需要及时的获取监测数据，对数据的时效性要求高，所以选用第一优先级业务需求。

还可以根据数据量对业务需求进行划分。

进一步的，所述业务需求包括小数据量业务需求、中数据量业务需求和大数据量业务需求，当需要传输小数据量业务时，所述多模式卫星通信终端20选择低速调制模块2011工作，当需要传输中数据量业务时，所述多模式卫星通信终端20选择LoRa发送模块2012工作，当需要传输大数据量业务时，所述多模式卫星通信终端20选择高速发送调制模块2013工作。

在进行基线调查时数据量较多属于大数据量业务需求，在进行常规监测时数据量少属于中数据量业务需求，在进行应急监测和研究下监测时数据量较少属于小数据量业务。

当两种业务需求同时存在，根据不同业务需求对低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013进行选择时，以优先级作为第一选择标准，以数据量作为第二选择标准。

即当业务需求以优先级划分为第三优先级业务需求时，以数据量划分为大数据量或中数据量，工作模块也可以选择低速调制模块2011。当业务需求以优先级划分为第二优先级业务需求时，以数据量划分为大数据量或小数据量，工作模块也可以选择LoRa发送模块2012，当业务需求以优先级划分为第一优先级业务需求时，不管以数据量划分为小数据量、中数据量或大数据量，均选择第一优先级业务需求，即工作模块选择高速发送调制模块2013。

另外，在对近岸、近海区域进行监测时，可以不考虑业务需求，基线调查、常规监测、应急监测和研究性监测均可以选择多模式卫星通信终端20中的LoRa发送模块2012，此时需要将LoRa发送模块2012与LoRa基站连接，并通过公众网络直接将数据发给地面融合信息接收站40。能够立即获得监测数据。

进一步的，如图2所示，所述多模式卫星通信终端20中的所述低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013共同设置在同一个终端信号处理板201上。

将低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013设置在同一个终端信号处理板201上，能够减少多模式卫星通信终端20的占地空间，节省制作材料，降低生产成本。

同样，低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013共用一个功率放大器和天线202，同样起到减少多模式卫星通信终端20的占地空间，节省制作材料，降低生产成本的效果。

进一步的，如图2所示，所述多模式卫星通信终端20中的所述终端信号处理板201还电连接GPS定位模块和/或北斗定位模块203。

通过GPS定位模块和/或北斗定位模块203将多模式卫星通信终端20的位置信息发送到卫星上，能够结合多模式卫星通信终端20的位置信息来确定多模式卫星通信终端20所在的区域位置。进而将监测数据与所监测的区域相匹配。

进一步的，所述多模式卫星通信终端20根据自身所在地理位置信息和时间信息，当与其通信的通信卫星经过所述多模式卫星通信终端20的上空时，向所述通信卫星的星载信息收发平台30发射上行信息。

多模式卫星通信终端20通过与通信卫星上的定位模块通信获取通信卫星的所在位置，当多模式卫星通信终端20获知通信卫星转动到多模式卫星通信终端20的上空时，多模式卫星通信终端20将海洋环境监测传感器10监测到的海洋环境数据作为上行信息发送给通信卫星上的星载信息收发平台30，星载信息收发平台30接收上行信息。

多模式卫星通信终端20只有在确定通信卫星在其上空时才向上发射信号，能够减少多模式卫星通信终端20不必要的功耗。

进一步的，如图2所示，所述多模式卫星通信终端20中的所述终端信号处理板201还电连接终端通信接口模块204。

通过终端通信接口模块204可以连接多种通信模块，能够扩展多模式卫星通信终端20的通信功能。

进一步的，如图2所示，所述多模式卫星通信终端20中的所述终端信号处理板201还电连接终端液晶显示模块和终端控制模块205。

通过终端液晶显示模块和终端控制模块205，能够设置选择低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013的标准，根据不同的优先级或数据量，设置不同的选择标准，从而适用与不同的海洋监测环境类型。

进一步的，如图2所示，所述多模式卫星通信终端20中的所述终端信号处理板201还电连接终端供电模块206，所述终端供电模块206电连接终端蓄电池207。

终端蓄电池207连接终端供电模块206给终端信号处理板201供电，能够确保终端信号处理板201内工作模块长时间的工作。

上述为多模式卫星通信终端20的系统结构及内容。多模式卫星通信终端20的将上行信息发送给通信卫星，由通信卫星上的星载信息收发平台30接收上行信息。

进一步的，如图3所示，所述星载信息收发平台30中的所述接收模块包括低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和/或高速解调模块3013。

低速解调模块3011对应解调由低速调制模块2011发送的上行信息，并将解调后的海洋环境数据作为星载信息储存在星载信息收发平台30。

LoRa网关模块3012对应接收由LoRa发送模块2012发送的上行信息，并将收到的上行信息作为星载信息储存在星载信息收发平台30。

高速解调模块3013对应解调由高速发送调制模块2013发送的上行信息，并将解调后的海洋环境数据作为星载信息储存在星载信息收发平台30。

进一步的，如图3所示，所述星载信息收发平台30中的低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和/或高速解调模块3013共同设置在同一个平台信号处理板301上。

将低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和/或高速解调模块3013设置在同一个平台信号处理板301上，能够减少平台信号处理板301在通信卫星上的占地空间，节省制作材料，降低生产成本。

进一步的，如图3所示，所述低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和/或高速解调模块3013分别将解调的星载信息存储到同一个星载存储模块3014。

低速调制模块2011、LoRa发送模块2012和/或高速发送调制模块2013传输时的海洋环境数据格式不同，其中LoRa发送模块2012是直接将海洋监测传感器监测到的海洋环境数据发送给LoRa网关模块3012，发送过程中数据格式不变。而低速调制模块2011、高速发送调制模块2013是将海洋监测传感器监测到的海洋环境数据调制为便于低速调制模块2011、高速发送调制模块2013发送的特定数据格式。所以在星载信息收发平台30上需要对应有低速解调模块3011、高速解调模块3013将低速调制模块2011、高速发送调制模块2013发送的特定数据格式的海洋环境数据重新解调为海洋监测传感器监测到的海洋环境数据。

由上述可知，低速解调模块3011、高速解调模块3013解调后的海洋环境数据为海洋监测传感器监测到的海洋环境数据，LoRa网关模块3012接收的海洋环境数据同样为海洋监测传感器监测到的海洋环境数据，由此可知这些海洋环境数据类型相同，所以即可将这些数据融合在一起作为统一的星载信息存储到同一个星载存储模块3014。以便于将星载信息完整的向下发送给地面融合信息接收站40。

进一步的，如图3所示，所述星载存储模块3014电连接下发调制模块3015。

星载信息统一存储在星载存储模块3014内，由星载存储模块3014连接的下发调制模块3015下发送给地面融合信息接收站40，下发调制模块3015将星载信息调制为便于发送的海洋环境数据格式，然后向下发送给地面融合信息接收站40。

进一步的，所述星载信息收发平台30在通信卫星通过地面中心站上空时，将存储的星载信息下发给地面融合信息接收站40。

星载信息收发平台30通过与地面融合信息接收站40通信获取地面融合信息接收站40的所在位置，当通信卫星上的星载信息收发平台30获知通信卫星转动到地面融合信息接收站40的上空时，下发调制模块3015将星载信息调制后向下发送给地面融合信息接收站40。

星载信息收发平台30只有在确定通信卫星在地面融合信息接收站40上空时才向下发射信号，能够减少星载信息收发平台30的功耗。

进一步的，如图3所示，所述下发调制模块3015电连接功率放大器和滤波器303。

进一步的，如图3所示，所述低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和/或高速解调模块3013共用同一个接收天线、滤波器、低噪放，并通过分路器302分别连接所述低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和高速解调模块3013。

低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和/或高速解调模块3013共用同一个接收天线、滤波器、低噪放再通过分路器302进行分路分别连接低速解调模块3011、LoRa网关模块3012和/或高速解调模块3013，能够减少平台信号处理板301在通信卫星上的占地空间，节省制作材料，降低生产成本。

进一步的，如图3所示，所述星载信息收发平台30中的所述平台信号处理板301还电连接星载通信接口模块304。

通过星载通信接口模块304可以连接与多模式卫星通信终端20中的通信模块相对应的通信模块，获取不同类型的通信功能。

进一步的，所述星载信息收发平台30中的所述平台信号处理板301还电连接星载供电模块305，所述星载供电模块305电连接星载蓄电池306。

星载蓄电池306连接星载供电模块305给平台信号处理板301供电，能够确保平台信号处理板301长时间的工作。

上述为星载信息收发平台30的系统结构及内容。星载信息收发平台30的将星载信息发送给地面融合信息接收站40，由地面融合信息接收站40将星载信息发送给数据中心50。

进一步的，如图4所示，所述地面融合信息接收站40包括有下发信息解调模块4011、协议转换模块4012、数据转发模块4013，通过所述低噪放和滤波器402后的星载信息依次发送给下发信息解调模块4011、协议转换模块4012得到融合信息，由所述数据转发模块4013将所述融合信息发给数据中心50进行分析处理。

下发信息解调模块4011将星载信息解调后经过协议转换模块4012获得融合信息，数据转发模块4013将融合信息转发给数据中心50，由数据中心50对融合信息进行进一步的分析处理。

进一步的，如图4所示，所述下发信息解调模块4011、协议转换模块4012、数据转发模块4013共同设置在同一个地面信号处理板401上。

将下发信息解调模块4011、协议转换模块4012、数据转发模块4013设置在同一个地面信号处理板401上，能够减少地面信号处理板401的占地空间，节省制作材料，降低生产成本。

进一步的，如图4所示，所述地面融合信息接收站40中的所述地面信号处理板401还电连接地面通信接口模块404。

通过地面通信接口模块404可以连接多种通信模块，扩展地面信号处理板401的通信功能。

进一步的，如图4所示，所述地面融合信息接收站40中的所述地面信号处理板401还电连接地面液晶显示模块和地面控制模块403。

通过地面液晶显示模块和地面控制模块403，能够对下发信息解调模块4011、协议转换模块4012、数据转发模块4013中的参数进行调整设置。

进一步的，如图4所示，所述地面融合信息接收站40中的所述地面信号处理板401电连接有电源模块405。电源模块405给地面信号处理板401供电。

上述为地面融合信息接收站40的系统结构及内容。地面融合信息接收站40的将融合信息发送给数据中心50。

进一步，这里继续对下发信息解调模块4011做进行的说明，由于星载信息收发平台向地面融合信息接收站向下发射信号具有随机性和不确定性，因此要求下发信息解调模块4011具有检测信号和接收信号的能力。

优选的，如图5所示，该下发信息解调模块包括用于采集卫星下发信号的软件无线电平台1，软件无线电平台1包括依次接收卫星下发信号的下变频器11、滤波器12和AD采样器13，在AD采样器13之后分成两路，其中一路是卫星下发信号检测支路，另一路是卫星下发信号采集支路，当所述卫星下发信号检测支路检测到卫星下发信号后，接通并启动所述卫星下发信号采集支路工作，实现对卫星下发信号的采集。

在图5中，通过下变频器11，利用本地载波对接收的卫星下发信号进行下变频处理，将卫星下发信号的载波由射频频段下变频为中频频段或基带。这里，由于卫星下发信号的载波的实际频率值可能会存在频偏，因此与本地载波频率并不相等，这样会使得下变频获得的载波偏离理论值，因此也需要对经过下变频后的卫星下发信号进行频偏估计，这样有利于根据估计的频偏值来进一步调整本地载波的频率，最终使得本地载波的频率与卫星下发信号的载波频率一致。通过这种频偏校正的方式，使得后续进行采样时，得到的卫星下发信号的频谱主要集中在以载波频率为中心的有效带宽内，否则如果存在频偏时，则信号的频谱成分将偏离载波频率，则采样时就需要更大的带宽才能包括住发生频偏的信号频谱成分。

滤波器12可对卫星下发信号所占用的频谱进行滤波处理，使得卫星下发信号频谱以外的信号频谱被滤除，仅保留卫星下发信号所占用的频谱即可，这样有利于后续采样仅对卫星下发信号所占用的频谱进行采样即可，有利于提高采样处理的精准性，并且还可以进行欠采样处理，在降低采样速率的同时还能保证获得对卫星下发信号的频谱的采样。

优选的，由于是采用软件无线电平台架构，这里的滤波器12是以数字滤波器来实现的，可以对该滤波器的构成和参数进行设置，进而能够适应对不同带宽、不同载波频率的卫星下发信号进行滤波，增强本发明在多种条件下适用。因此，通过数据中心的上位机和组帧及参数控制电路也可以对滤波器12的工作参数进行设置。

以上通过对卫星下发信号的两路处理，卫星下发信号检测支路是用于发现卫星下发信号，只有在发现卫星下发信号后才启动卫星下发信号采集支路，这样可以避免卫星下发信号采集支路没有针对性的采集信号，节省存储资源，避免浪费，在分辨卫星下发信号并进行筛选采集的基础上可以有效降低卫星下发信号的漏采率。

优选的，如图5所示，卫星下发信号检测支路包括与AD采样器13电连接的下发信号检测电路14，下发信号检测电路14对卫星下发信号检测的同时还进行频差估计，包括采集启动控制输出端和频差估计输出端，分别与卫星下发信号采集支路电连接，对应分别输出采集启动控制信号和频差估计值到卫星下发信号采集支路。

优选的，如图5所示，卫星下发信号采集支路包括与所述AD采样器13电连接的FIFO缓存电路15，以及信号采集电路16，在FIFO缓存电路15与信号采集电路16之间设置有一个控制开关，所述控制开关的控制端与所述下发信号检测电路14的采集启动控制输出端电连接，当接收到来自所述下发信号检测电路14输出的采集启动控制信号时，所述控制开关导通，否则所述控制开关断开。FIFO缓存电路15的设置，可对连续的数据流进行缓存，防止信号在存储操作时数据的丢失，特别是在卫星下发信号被发现初期和结束阶段，可以对卫星下发信号的头部和尾部的数据进行保存，避免丢失，确保数据完整性。信号采集电路16的设置使得从FIFO缓存电路15中的采样数据能够进一步得到解调从而获得卫星下发信号中的星载信息数据，因此这里的信号采集电路16主要是对卫星下发信号的采样数据进行数字化的解调，由此来完成卫星下发信号中的星载信息恢复。

优选的，如图5所示，卫星下发信号采集支路还包括与信号采集电路16输出端电连接的组帧及参数控制电路17。一方面，下发信号检测电路14的频差估计输出端与组帧及参数控制电路17电连接，频差估计值输入到所述组帧及参数控制电路17，组帧及参数控制电路17还与下变频器11电连接，用以将频差估计值输入到下变频器11进行频差补偿；另一方面，通过设置组帧及参数控制电路17，可对采集到的星载信息数据、频差估计值组帧打包并发送给上位机2进行处理。

另外，由于组帧及参数控制电路17还连接着下变频器11，即根据组帧及参数控制电路17得到的频差估计值，可对下变频器11中的本振电路产生的本地载波的频率进行实时地调整，完成频差补偿，可减小采集信号的频率偏差，减少采集后的信号能量和信息的损失。

优选的，如图5所示，软件无线电平台1还包括导航定位电路18，所述导航定位电路18与所述组帧及参数控制电路17电连接，用以向所述组帧及参数控制电路17输入时间和位置信息。进一步优选的，导航定位电路18为GPS模块，同时组帧及参数控制电路17可将收集到的时间信息和位置信息进行组帧打包发送给协议转换模块4012。因此，在对应的信息数据组成数据帧时就会有时间信息和位置信息，有利于对后期数据的分析使用。

优选的，如图5所示，组帧及参数控制电路17的通过网络接口或USB接口与协议转换模块4012通信连接。

进一步优选的，在卫星下发信号检测支路中，所述下发信号检测电路14包括第一频域检测电路，由AD采样器进行采样后的采样数据串行输入到第一频域检测电路，进行信号频谱检测。

优选的，采样数据表示为X(1),X(2),X(3),…X(N),…，其中N表示采样数据的序号，第一频域检测电路对采样数据进行频谱转换处理的数据长度为L₁，并且每进入一个新的采样数据就做一次频谱转换处理。例如，当前第一频域检测电路是对采样数据X(1),X(2),X(3),…X(L₁)进行频谱转换处理，则下一个采样数据X(L₁+1)进来后，则舍去第一个采样数据X(1)，对采样数据X(2),X(3),X(4),…X(L₁+1)进行频谱转换处理，依此类推。可以看出，第一频域检测电路对采样数据的这种串行处理方法，有利于及时发现卫星下发信号并进行检测，因为卫星下发信号的出现具有不确定性，并且卫星下发信号的时长也是短暂的，优选为0.5秒-2秒。这就相当于第一频域检测电路是一个可以滑动的窗口，对串行输入到检测窗口的采样数据进行连续不间断的检测，而当出现卫星下发信号时能够及时发现，并且定位卫星下发信号出现时对应的采样数据出现的位置和时刻。

优选的，频谱转换处理的数据长度L₁可以视为是第一频域检测电路对应的窗口的滑动长度，可以根据需要合理设定窗口的滑动长度，通常是在卫星下发信号持续的时间较短、信噪比较低的情况选取的窗口的长度越长，因为这样的卫星下发信号难以发现，这样设置有利于扑捉到该卫星下发信号，而在卫星下发信号持续的时间较长、信噪比较高的情况选取的窗口的长度越短，因为这样的卫星下发信号容易捕捉，通过短窗有利于减少第一频域检测电路的硬件资源，同时也不降低对卫星下发信号发现的灵敏度和准确度。

优选的，在卫星下发信号采集支路中的FIFO缓存电路用于对采样数据的缓存，由于第一频域检测电路和FIFO缓存电路均是来自AD采样器进行采样后的采样数据，因此当第一频域检测电路获得卫星下发信号出现对应的采样数据出现的位置和时刻后，也能够从FIFO缓存电路准确定位对应的采样数据，这样在后续解调数据和存储数据时，就可以准确找到卫星下发信号的起始采样数据。同样，当第一频域检测电路检测到卫星下发信号结束时，也能够在FIFO缓存电路中准确定位卫星下发信号的结束采样数据。因此，设置FIFO缓存电路有利于与第一频域检测电路保持同步，精准的确定卫星下发信号对应的起始采样数据和结束采样数据的位置，有利于对卫星下发信号的精准采集和保存。

这是因为，当卫星下发信号检测支路从发现卫星下发信号出现，到切换到卫星下发信号采集支路开始采集存储卫星下发信号，以及卫星下发信号检测支路从发现卫星下发信号结束，到卫星下发信号采集支路结束采集存储卫星下发信号，这两个转换过程均存在一个转换时延，如果对这个时延中的采样数据不进行准确定位和保存的话，有可能会使得获取的卫星下发信号的头和尾是残缺的，不能保证对卫星下发信号采集数据的完整性，因此通过在卫星下发信号采集支路中设置FIFO缓存电路，以及使得FIFO缓存电路与第一频域检测电路在数据采集上保持同步，是本发明针对卫星下发信号首尾采集的特点而有针对性进行设计的，有利于避免对卫星下发信号采集过程中出现“掐头去尾”的问题，从而保持了卫星下发信号采集的完整性，同时也实现了精准采集，避免浪费有限的存储资源。

还可以看出，第一频域检测电路的频谱转换处理速度与采样数据的采样速度相适配，因为每采一个样点进来，就需要完成一次频谱转换处理，这样就需要综合考虑频谱转换处理的速度和数据量要适配，数据量是和数据长度L₁有关，同时还和每一个采样数据的位数相关，因为采样数据的位数不同对应的是采样量化的精准度，精准度越高相应的位数就越多，比如获得6位采样数据与12位采样数据，显然具有不同的精准度。当一次频谱转换处理的数据量过大时，会使得处理速度下降，同时也要占用较多的硬件资源。

优选的，在采样率较高的情况下，对于串行输入的采样数据在进行频谱转换处理时，相邻两次的频谱转换处理，可以是间隔至少一个采样数据进行处理，例如当前使用的采样数据是：

X(1),X(2),X(3),…X(L₁)，

则相邻的下一次采样数据则是：

X(3),X(4),X(5),…X(L₁+2)，

由此可见，起始数据X(3)和X(1)之间间隔了采样数据X(2)，这只是间隔一个采样数据，还可以间隔多个采样数据，这样做的目的是可以使得频谱转换处理的速度能够与采样速度相适配，同时也保证能够及早发现卫星下发信号。

优选的，当采用这种相邻两次的频谱转换处理间隔至少一个采样数据进行处理的方法时，有可能在发现卫星下发信号时可能是在当前采样数据之前就已经出现了卫星下发信号，因此对应在FIFO缓存电路确定卫星下发信号出现时刻对应的采样数据时，可以向前推算多保留相应间隔的采样数据，这样采用这个改进的方法时，依然可以做到通过FIFO缓存电路保证卫星下发信号采样数据的完整性。

优选的，频谱转换处理采用DFT或FFT变换处理。通过DFT或FFT变换处理不仅可以检测到卫星下发信号是否出现，还可以检测出卫星下发信号的频率信息，由此分别通过采集启动控制输出端和频差估计输出端，分别输出采集启动控制信号和频差估计值到卫星下发信号采集支路。

进一步优选的，在卫星下发信号检测支路中，所述下发信号检测电路包括两个串联设置的两个频域检测电路，即第一频域检测电路和第二频域检测电路，由AD采样器进行采样后的采样数据串行输入到这两个频域检测电路，分别进行信号频谱检测。

优选的，第一频域检测电路和第二频域检测电路中的频谱转换处理均采用DFT或FFT变换处理。并且，第一频域检测电路和第二频域检测电路具有相同的电路组成，由此可以形成两个串联的滑动检测窗。

进一步的，如图6所示，串行进入的采样数据依次进入第一频域检测电路和第二频域检测电路进行检测，考虑到噪声的影响，通过在这两个检测电路之间设置相对阈值的方法，来提高在噪声条件下对卫星下发信号到来和结束的识别。这是因为由于噪声的存在，并且噪声也会表现出起伏变化，如果仅是通过检测频谱转换处理后得到的频谱数据的模值大小，那么这些频谱数据的模值大小会随着噪声的变化而变化，在噪声较大且信噪比较小的情况下则会容易出现检测不到卫星下发信号的问题，以及在检测到卫星下发信号后也容易出现难以识别卫星下发信号的结束时刻的问题。

优选的，第一频域检测电路经过频谱转换处理后得到的频谱数据中，其中的模值最大值，称之为第一检测最大模值；第二频域检测电路经过频谱转换处理后得到的频谱数据中，其中的模值最大值，称之为第二检测最大模值，相对阈值就是用这两个检测最大模值中取值较大的值去比取值较小的值，如果该相对阈值取值接近1，则表明两个最大模值的区别度不大，通常在没有卫星下发信号时符合这种情况，并且不受噪声大小的影响，也就是说在噪声大或小的情况下，该相对阈值都接近1。而当出现卫星下发信号时，则该相对阈值的取值将会明显大于1，这样有利于及时发现卫星下发信号。

如图6所示，第一频域检测电路和第二频域检测电路的频谱转换处理的数据长度相同，即二者具有相同的窗口长度。优选的，根据需要这两个检测电路的窗口长度可以进行灵活选择，也就是说可以是滑动窗口，并且两个检测电路也可以是不相同的窗口长度。图2中，m(n)为第一频域检测电路和第二频域检测电路进行频谱转换处理后的最大频点幅值的比值，当只有噪声时，这两个检测电路在频谱转换处理后的频域最大值相差很小，m(n)比较平坦，如第一检测曲线T1所示；当卫星下发信号到达时，比值m(n)会产生剧烈的上升，如第一检测曲线T2所示，当到达设定的相对阈值后，即判定卫星下发信号到达。因此，如果提前设定好相对阈值可准确判定信号的到达与结束。

优选的，由于第二频域检测电路在第一频域检测电路之后，当第一频域检测电路不断检测输入进来的新采样数据时，第二频域检测电路则将之前的采样数据进行频谱转换处理，当有卫星下发信号出现时，则第一频域检测电路中就会出现较为一个较为明显的模值最大值，可以将第一频域检测电路当前出现的该模值最大值，与当前第二频域检测电路当前出现的模值最大值进行比较，如果大于设定的相对阈值，则会及时判断出卫星下发信号出现。受噪声的影响，如果在信噪比情况较好的条件下，可以将该相对阈值设置的较大，如果在信噪比情况较差的条件下，可以将该相对阈值设置的较小，由此可以提高检测的准确度，降低虚警率和漏检率。同样，当卫星下发信号结束时，反过来，将第二频域检测电路当前出现的模值最大值，与当前第一频域检测电路当前出现的模值最大值进行比较，如果大于设定的相对阈值，则会及时判断出卫星下发信号结束。

上述卫星下发信号开始和结束两种情况下，可以使用相同的一个相对阈值，区别在于检测卫星下发信号到来时用第一检测最大模值与第二检测最大模值的比值，在检测卫星下发信号结束时用第二检测最大模值与第一检测最大模值的比值。优选的，AD采样器采样的信号的频段范围为300MHz-3000MHz，用DFT或FFT变换的采样数据长度，即滑动窗口可以选择的长度包括2048、1024、512、256、128、64和/或32。

优选的，基于图5所示，在下变频器接受来自组帧及参数控制电路的参数设置，该参数设置主要是对下变频器中的载波跟踪环路产生的本地载波的频率进行实时地调整，完成频差补偿，该频偏参数既有通过下发信号检测电路检测到卫星下发信号刚出现时获得的初始频偏值，也有在实现对卫星下发信号采集时进行解调跟踪获得跟踪频偏值。

本发明基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，多模式卫星通信终端接收海洋环境监测传感器监测到的海洋环境数据，并在通信卫星在其上空时，根据对海洋环境数据的业务需求的不同选择不同的工作模块将海洋环境数据作为上行信息发送给通信卫星上的星载信息收发平台，由接收模块解调后作为星载信息融合在一起进行存储；然后通信卫星转动到地面融合信息接收站的上空时，星载信息收发平台向下将星载信息发送给地面融合信息接收站，最后由地面融合信息接收站解调后发给数据中心进行分析处理。本发明将多种不同的工作模块融合在一起，能够使用户便捷的根据业务需要选择不同的工作模块，增加了多模式卫星通信终端的适用环境。在发送数据时，均是当卫星到达多模式卫星通信终端或地面融合信息接收站时进行向上或向下发送信号，能够减少发送信号的功耗。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，包括：多模式卫星通信终端、星载信息收发平台和地面融合信息接收站；

所述多模式卫星通信终端根据业务需求的不同选择不同的工作模块，再通过共用的功率放大器和天线，将海洋环境监测传感器监测到的海洋环境数据，作为上行信息发送给通信卫星上的星载信息收发平台；

所述星载信息收发平台接收所述上行信息，通过与所述工作模块对应的接收模块对上行信息进行解调，并作为星载信息进行存储，再把所述星载信息向下发送给地面融合信息接收站；

所述地面融合信息接收站接收并解调所述星载信息，并由此得到融合信息，再将所述融合信息发给数据中心进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述多模式卫星通信终端中的所述工作模块包括低速调制模块、LoRa发送模块和/或高速发送调制模块。

3.根据权利要求2所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述业务需求包括第三优先级业务需求、第二优先级业务需求和第一优先级业务需求，当需要传输第三优先级业务时，所述多模式卫星通信终端选择低速调制模块工作，当需要传输第二优先级业务时，所述多模式卫星通信终端选择LoRa发送模块工作，当需要传输第一优先级业务时，所述多模式卫星通信终端选择高速发送调制模块工作。

4.根据权利要求2所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述业务需求包括小数据量业务需求、中数据量业务需求和大数据量业务需求，当需要传输小数据量业务时，所述多模式卫星通信终端选择低速调制模块工作，当需要传输中数据量业务时，所述多模式卫星通信终端选择LoRa发送模块工作，当需要传输大数据量业务时，所述多模式卫星通信终端选择高速发送调制模块工作。

5.根据权利要求1所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述多模式卫星通信终端根据自身所在地理位置信息和时间信息，当与其通信的通信卫星经过所述多模式卫星通信终端的上空时，向所述通信卫星的星载信息收发平台发射上行信息。

6.根据权利要求2所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述星载信息收发平台中的所述接收模块包括低速解调模块、LoRa网关模块和/或高速解调模块。

7.根据权利要求6所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述低速解调模块、LoRa网关模块和/或高速解调模块共用同一个接收天线、滤波器、低噪放，并通过分路器分别连接所述低速解调模块、LoRa网关模块和高速解调模块。

8.根据权利要求6所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述低速解调模块、LoRa网关模块和/或高速解调模块分别将解调的星载信息存储到同一个星载存储模块。

9.根据权利要求1所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述星载信息收发平台在通信卫星通过地面中心站上空时，将存储的星载信息下发给地面融合信息接收站。

10.根据权利要求1所述的基于多模式融合的海洋环境监测卫星传输系统，其特征在于，所述地面融合信息接收站中包括下发信息解调模块、协议转换模块和数据转发模块，通过低噪放和滤波器后的星载信息依次发送给下发信息解调模块、协议转换模块得到融合信息，由所述数据转发模块将所述融合信息发给数据中心进行分析处理。

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