CN112788721A - 一种卫星物联网终端的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种卫星物联网终端的功率控制方法，该方法适用于设置在地面上的卫星物联网终端，卫星物联网终端用于向卫星发送待发送数据帧，该方法包括：步骤1，当接收到上行数据发射指令时，判断卫星物联网终端中是否设置有接收模块且接收模块已经开启；步骤2，当判定存在接收模块且接收模块开启时，根据接收到的上一帧数据帧的实际功率值和功率修订值，计算待发送数据帧的第一上行发射功率；步骤3，根据第一上行发射功率，发射待发送数据帧至卫星。通过本申请中的技术方案，能有效减少卫星物联网终端的功率消耗，提高终端在野外的续航能力；同时，也减少了卫星载荷在接收终端信号时，多用户的信号的干扰，增加解调的成功概率。

Description

一种卫星物联网终端的功率控制方法

技术领域

本申请涉及卫星物联网的技术领域，具体而言，涉及一种卫星物联网终端的功率控制方法。

背景技术

物联网是指通过各种传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外传感器等各种装置和技术，实时采集日常人们生活中所需要的各种信息，并将其获得的信息通过移动蜂窝、卫星、蓝牙、WIFI、Lora等通信方式接入互联网，作为互联网基础上的一个延伸和扩展的巨大网络。

卫星物联网终端，根据其功能和作用，是承担着物联网系统在在边远山区、地理条件复杂等地区的数据采集和数据传递。卫星物联网终端采集后的数据信息，再通过其特有的卫星通信技术，实现全球区域内的信息传递和互联网接入，以达到数据共享的目的。

由于卫星物联网终端长期工作在无人偏远区域，一次能源补充要求其工作数天、数月乃至数年的时间；另外，由于需要与卫星进行天地通信，通信距离在100～10000千米之间，要求射频发射的功率很高，达到了几瓦的要求，且卫星和终端之间的距离实时变化，因此需要根据实时距离的远近调整发射功率。

正是基于上述的特性和要求，卫星物联网迫切需要对其功耗进行严格的发射功率控制，避免终端能源的浪费和过快消耗。在此背景下，需要对发射机的发射功率进行实时控制，保证能正确解调的同时，也不能有过大的发射功率。同时，由于是一颗卫星的覆盖范围广，需要同时解调几百乃至数千的卫星物联网终端的信号，需要保证尽可能的解调正确，避免多用户的干扰。

目前现有卫星物联网终端在功率控制技术方面主要存在以下缺点：

1)卫星物联网终端没有统一的协议，现阶段的终端在功率控制方面目前几乎空白；

2)卫星物联网终端如果长时间无接收或者不具备接收模块时，无法进行有效的功率控制；

3)目前卫星物联网终端在功率控制方面缺乏对多用户干扰因素的考虑，不同的终端无法根据自己实际的信道情况，使用不同的功率进行发送，并且还存在不同的终端发送信号到达卫星载荷侧的功率不一致的问题；

4)在进行链路功耗估计时，未能实时根据卫星和终端之间的距离进行有效的功率控制，导致部分终端产品的使用场景受限。

发明内容

本申请的目的在于：能有效减少卫星物联网终端的功率消耗，提高终端在野外的续航能力；同时，也减少了卫星载荷在接收终端信号时，多用户的信号的干扰，增加解调的成功概率，提高系统用户的容量。

本申请的技术方案是：提供了一种卫星物联网终端的功率控制方法，该方法包括：方法适用于设置在地面上的卫星物联网终端，卫星物联网终端用于向卫星发送待发送数据帧，方法包括：步骤1，当接收到上行数据发射指令时，判断卫星物联网终端中是否设置有接收模块且接收模块已经开启；步骤2，当判定存在接收模块且接收模块开启时，根据接收到的上一帧数据帧的实际功率值和功率修订值，计算待发送数据帧的第一上行发射功率；步骤3，根据第一上行发射功率，发射待发送数据帧至卫星。

上述任一项技术方案中，进一步地，功率修订值至少包括功率偏置控制量、功率映射值，步骤2具体包括：步骤21，通过积分值映射方法，计算接收模块接收到的上一帧数据帧的实际功率值；步骤22，根据上一帧数据帧的接收帧信噪比，计算功率映射值，根据功率映射值、功率偏置控制量以及实际功率值，计算待发送数据帧的第一上行发射功率。

上述任一项技术方案中，进一步地，第一上行发射功率的计算公式为：

P_{TX Power}＝-P_{RX Power}+P_offset+P(SNR)

P_offset＝P_{Load Tx}+P_{rx targ et}

式中，P_{TX Power}为第一上行发射功率，P_{RX Power}为接收到的上一帧数据帧的实际功率值，P_offset为功率偏置控制量，P(SNR)为功率映射值，P_{Load Tx}为载荷发射功率，P_{rx targ et}为载荷预期接收功率，P_base为预设功率系数，SNR为接收帧信噪比。

上述任一项技术方案中，进一步地，计算待发送数据帧的第一上行发射功率之前，步骤2中还包括：启动接收定时器，并判断卫星物联网终端中是否存储有待发送数据帧，若是，则执行步骤3，若否，进入等待状态，根据预设查询周期，循环判断卫星物联网终端中是否存储有待发送数据帧。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤3，发射待发送数据帧至卫星，具体包括：当判定接收定时器未超时，判断第一上行发射功率是否小于或等于预设功率阈值，如果是，根据第一上行发射功率，发送待发送数据帧至卫星，如果否，根据预设功率阈值发送待发送数据帧至卫星。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤3中，具体还包括：当判定接收定时器超时，根据预设功率阈值，发送待发送数据帧至卫星。

上述任一项技术方案中，进一步地，功率修订值至少包括功率偏置控制量、功率映射值，方法还包括：步骤4，当判定不存在接收模块或者接收模块未开启时，使用卫星轨道预报算法，计算卫星和卫星物联网终端之间的距离；步骤5，根据计算出的卫星和卫星物联网终端之间的距离，计算自由空间损耗功率；步骤6，根据自由空间损耗功率，计算理论接收功率；步骤7，根据理论接收功率、功率偏置控制量、功率映射值，计算待发送数据帧的第二上行发射功率；步骤8，当判定第二上行发射功率大于预设功率阈值时，根据预设功率阈值发送待发送数据帧至卫星，当判定第二上行发射功率小于或等于预设功率阈值时，根据第二上行发射功率发送待发送数据帧至卫星。

上述任一项技术方案中，进一步地，步骤4中，计算卫星和卫星物联网终端之间的距离，具体包括：获取轨道预报过程中轨道预报时刻的第一UTC时间和GPS位置信息，并基于第一UTC时间和GPS位置信息，计算卫星入境时间；计算轨道预报时刻与卫星入境时间的差值时长T，将差值时长T设定唤醒时间；待到达唤醒时间后，开启时间差定时器进行计时；当接收到上行数据发射指令时，根据卫星入境时间和时间差定时器记录的时间差，计算当前时刻的第二UTC时间，根据第二UTC时间，计算卫星和卫星物联网终端之间的距离。

本申请的有益效果是：

本发明能精确控制卫星物联网终端的发射功率，提高产品的续航；降低用户之间的信号干扰因素，提高解调成功率，此外，在一定程度上，解决了多用户干扰问题；

由于本发明通过卫星物联网终端功率计算和功率优化，减少了不必要的发射功率，降低了卫星物联网终端的能源消耗，为某些偏远山区的卫星物联网终端大大节约了电池损耗，减少由于电能损失导致的人工干预，有效提高了卫星物联网终端的续航。

同时，由于在有接收模块的卫星物联网终端产品上，其思想是以实际下行的功率损耗估计上行的功率损耗，充分考虑了实际通信的影响因素，在一定程度上保证了用户消息的可靠性。

由于本发明也同时考虑了干扰因素，通过下行SNR来评估发送时刻的干扰状况，加入P(SNR)作为一个功率调整因素，降低了多用户干扰的影响，保证了卫星载荷能有效解调各个卫星物联网终端信号。

此外，本发明使用了理论接收功率计算，通过轨道预报模型实时计算出卫星和卫星物联网终端的距离，从而计算出信号的空间自由损耗，获得理论接收功率，最终计算理论发射功率，因此，能在没有接收模块的卫星物联网卫星物联网终端上使用，解决了多用户信号的干扰问题，提高了卫星物联网终端的使用场景。

附图说明

本申请的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本申请的一个实施例的卫星物联网终端的功率控制方法的示意流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本实施例提出一种卫星物联网终端的功率控制方法，旨在为卫星物联网终端在解决功耗和多用户干扰的问题上提供一种可供参考解决方案。在该卫星物联网系统上，一个载荷需要同时接收多个目标用户的信号，为保证卫星载荷侧有效的解调出每一个目标用户有用的卫星终端信号，尽量避免用户之间的相互干扰，因此，引入移动通信的功率控制思想，对卫星终端的发射信号进行必要的功率控制。

如图1所示，本实施例提供了一种卫星物联网终端的功率控制方法，方法适用于设置在地面上的卫星物联网终端，卫星物联网终端用于向卫星发送待发送数据帧，方法包括：

步骤1，当接收到上行数据发射指令时，判断卫星物联网终端中是否设置有接收模块且接收模块已经开启；

具体的，在判断是否存在接收模块时，通过与卫星物联网终端中的FPGA基带模块进行串口通信来判定是否支持接收，由FPGA基带通知该卫星物联网终端中的功率控制模块是否支持接收，其中，功率控制模块内设置有存储装置，该存储装置中存储有相应的计算机程序，以执行本实施例中的方法。

可以将约定的通信消息中的某一byte中的一个bit位作为设置接收模块的标志位，由FPGA基带模块向功率控制模块发送上述约定的通信消息，功率控制模块接收到该通信消息后，检查该bit位，即可判断是否设置有接收模块且接收模块已经开启。

步骤2，当判定存在接收模块且接收模块开启时，根据接收到的上一帧数据帧的实际功率值和功率修订值，计算待发送数据帧的第一上行发射功率，其中，功率修订值至少包括功率偏置控制量、功率映射值；

该步骤2中，具体包括：

步骤21，通过积分值映射方法，计算接收模块接收到的上一帧数据帧的实际功率值，记作P_{RX Power}。

在计算实际功率值时，由终端对接收信号进行AD转换、解调去载波、去PN伪码后，对单位时间内离散信号进行积分获得积分值，再通过这个积分值映射出的一个功率值，将这个映射出的功率值记作实际功率值P_{RX Power}，实际功率值P_{RX Power}能直观反映出射频口接收信号的功率强弱。

步骤22，根据上一帧数据帧的接收帧信噪比，计算功率映射值，根据功率映射值、功率偏置控制量以及实际功率值，计算待发送数据帧的第一上行发射功率，对应的计算公式为：

P_{TX Power}＝-P_{RX Power}+P_offset+P(SNR)

式中，P_{TX Power}为第一上行发射功率，P_{RX Power}为接收到的上一帧数据帧的实际功率值，P_offset为功率偏置控制量，P(SNR)为功率映射值，

其中，功率偏置控制量P_offset的计算公式为：

P_offset＝P_{Load Tx}+P_{rx targ et}

式中，P_{Load Tx}为载荷发射功率，为设定值，P_{rx targ et}为载荷预期接收功率；

功率映射值P(SNR)的计算公式为：

SNR＝10lg(P_S/P_N)

式中，P_base为预设功率系数，本实施例中设定为10，P_S为信号的有效功率，P_N为噪声平均功率，SNR为接收帧信噪比；

本实施例中，引入功率映射值P(SNR)作为一个修正量，以提高卫星物联网终端的抗干扰能力，抵抗外界环境对卫星物联网终端的底噪(高斯噪声)和干扰影响，其旨在SNR较差时，P(SNR)取一个正值，提高发射功率以抵抗干扰，保证载荷侧的正确解调；若SNR较好时，取一个负值或者0，减少发射，减少发送功耗，节省功耗。考虑SNR因素进行功率修正，能有效减少其他干扰导致解调失败的概率，增加通信的可靠性。

进一步的，卫星物联网终端中还设置有接收定时器和flash存储器，计算待发送数据帧的第一上行发射功率之前，步骤2中还包括：启动接收定时器，并判断卫星物联网终端中是否存储有待发送数据帧，当有待发送数据帧时，执行步骤3；如果没有，进入等待状态，根据预设查询周期，循环判断卫星物联网终端中是否存储有待发送数据帧。

具体的，卫星物联网终端中设置有flash存储器，当flash存储器里面有存储数据时，将该存储数据记作待发送数据帧，将物联网卫星终端的发射策略定为查询flash存储器里面是否有存储数据，如果有存储数据，则就有数据帧需要发射。

该定时器用于权衡本次发射和最近一次成功解调出目标卫星下发的下行数据帧之间的时间长度；每接收一帧下行数据，则重启该定时器，重新开始计时，定时器时长一般设置在5～15s左右。如果定时器超时，则表示时间过长，最近一次接收帧的接收功率值不宜作为本次发射的参考值；如果未超时，上一次接收功率值可以直接作为本次发射的计算。

步骤3，根据第一上行发射功率，发送待发送数据帧至卫星。

通过上述过程，在有下行接收时，以下行接收功率损耗，估计上行功率损耗，进而得到对应的第一上行发射功率，能有效提高实际解调的成功率，有助于精确自动控制卫星终端的发射功率，减少了必要的功率浪费，提高卫星物联网终端的续航。

本实施例中，步骤3具体包括：判断接收定时器是否超时，如果接收定时器未超时，判断第一上行发射功率P_{TX Power}是否小于或等于预设功率阈值P_{TX max}，如果是，根据第一上行发射功率P_{TX Power}，发送待发送数据帧至卫星；

如果第一上行发射功率P_{TX Power}大于预设功率阈值P_{TX max}，根据预设功率阈值发送待发送数据帧，即：

i.如果P_{TX Power}>P_{TX max}，则卫星物联网终端发送待发送数据帧的实际发射功率使用P_{TX max}；

ii.如果P_{TX Power}<＝P_{TX max}，则待发送数据帧的实际发射功率使用P_{TX Power}；

如果接收定时器超时，根据预设功率阈值P_{TX max}，发送该待发送数据帧；

步骤4，当判定不存在接收模块或者接收模块未开启时，使用卫星轨道预报算法，计算卫星和卫星物联网终端之间的距离；

具体的，在进行卫星和卫星物联网终端之间距离的计算过程中，需要利用发送待发送数据帧的、当前时刻的UTC时间、GPS位置信息以及两行根参数，结合SGP4模型进行计算。而对于卫星物联网终端而言，仅在进行轨道预报时，通过GNSS模块获取轨道预报时刻的UTC时间，而无法获得当前发送待发送数据帧时刻的UTC时间。

而为了保证卫星和卫星物联网终端之间距离计算的准确性，以得到准确的发送待发送数据帧的第二上行发射功率，本实施例示出一种适用于卫星物联网终端的当前时刻的UTC时间获取方法，该方法具体包括：

获取GNSS模块进行轨道预报过程中轨道预报时刻的第一UTC时间和GPS位置信息，并基于第一UTC时间和GPS位置信息，通过SGP4模型计算卫星入境时间；

计算轨道预报时刻与卫星入境时间的差值时长T，再利用stm32f4芯片的RTC闹钟，将差值时长T设定RTC闹钟唤醒时间，即该唤醒时间的取值为T；

之后进入睡眠，待RTC闹钟唤醒，到达唤醒时间后，即当前时刻为卫星入境时间，立即开启时间差定时器timer1，该时间差定时器timer1在RTC闹钟唤醒时刻后开始持续工作，进行计时以记录当前时刻和卫星入境时间的时间差；

当接收到上行数据发射指令时，根据卫星入境时间和时间差定时器timer1记录的时间差，计算出当前时刻的第二UTC时间，根据该第二UTC时间计算卫星和卫星物联网终端之间的距离。

通过上述过程，对当前发送待发送数据帧时刻的(第二)UTC时间进行计算，进而实现在卫星物联网终端上对UTC时间进行计算，在采用SGP4模型，即可计算出当前时刻的卫星和卫星物联网终端之间的距离，以得到准确的发送待发送数据帧的第二上行发射功率。

本实施例在无接收模块或下行无数据接收时，依靠GNSS模块进行轨道预报时得出的UTC时间，计算卫星和卫星物联网终端之间的距离以及理论接收功率，进而得出此场景中待发送数据帧至卫星的实际发射功率，不仅能精确控制卫星物联网终端的发射功率，还提高了卫星物联网终端的使用场景。

步骤5，根据计算出的卫星和卫星物联网终端之间的距离，计算自由空间损耗功率P_loss，对应的计算公式为：

P_loss＝20lg(4πd*1000/λ)

式中，P_loss为自由空间损耗功率，为负值，d为计算出的卫星和终端之间的距离，单位km，λ为载波波长，单位m。

步骤6，根据自由空间损耗功率P_loss，计算理论接收功率，理论接收功率的计算公式为：

P′_{RX Power}＝P_{Load Tx}-P_{tx feed}+P_gain-P_point-P_airloss+P_rxgain-P_rxnoise-P_rxfeed-P_loss

式中，P_LoadTx为载荷发射功率，单位dBmW；P_txfeed为发射馈线损耗，单位dB；P_gain为发射天线增益，单位dB；P_point为指向损耗，单位dB；P_airloss为大气衰减，单位dB；P_rxgain为接收天线增益，单位dB；P_rxnoise为接收噪声系数，单位dB；P_rxfeed为接收馈线损耗，单位dB；P_loss为自由空间损耗，单位dB；

步骤7，根据理论接收功率P′_{RX Power}、功率偏置控制量P_offset、功率映射值P(SNR)，计算第二上行发射功率P′_{TX Power}，对应的计算公式为：

P′_{TX Power}＝-P′_{RX Power}+P_offset+P(SNR)

步骤8，判断第二上行发射功率P′_{TX Power}与预设功率阈值P_{TX max}之间的大小关系，

i.如果P′_{TX Power}>P_{TX max}，则待发送数据帧至卫星的实际发射功率为预设功率阈值P_{TX max}；

ii.如果P′_{TX Power}<＝P_{TX max}，则待发送数据帧至卫星的实际发射功率使用第二上行发射功率P′_{TX Power}。

本实施例中，在无下行无接收或长时间无需接收时，终端通过轨道预报算法，计算待发送数据帧的传输距离，进一步得出理论损耗，从而计算发射功率，有效提高了卫星终端的使用场景和用户容量。

以上结合附图详细说明了本申请的技术方案，本申请提出了一种卫星物联网终端的功率控制方法，该方法适用于设置在地面上的卫星物联网终端，卫星物联网终端用于向卫星发送待发送数据帧，该方法包括：步骤1，当接收到上行数据发射指令时，判断卫星物联网终端中是否设置有接收模块且接收模块已经开启；步骤2，当判定存在接收模块且接收模块开启时，根据接收到的上一帧数据帧的实际功率值和功率修订值，计算待发送数据帧的第一上行发射功率；步骤3，根据第一上行发射功率，发射待发送数据帧至卫星。通过本申请中的技术方案，能有效减少卫星物联网终端的功率消耗，提高终端在野外的续航能力；同时，也减少了卫星载荷在接收终端信号时，多用户的信号的干扰，增加解调的成功概率。

本申请中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

本申请装置中的单元可根据实际需求进行合并、划分和删减。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (8)

1.一种卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，所述方法适用于设置在地面上的卫星物联网终端，所述卫星物联网终端用于向卫星发送待发送数据帧，所述方法包括：

步骤1，当接收到上行数据发射指令时，判断所述卫星物联网终端中是否设置有接收模块且所述接收模块已经开启；

步骤2，当判定存在所述接收模块且所述接收模块开启时，根据接收到的上一帧数据帧的实际功率值和功率修订值，计算所述待发送数据帧的第一上行发射功率；

步骤3，根据所述第一上行发射功率，发射所述待发送数据帧至所述卫星。

2.如权利要求1所述的卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，所述功率修订值至少包括功率偏置控制量、功率映射值，所述步骤2具体包括：

步骤21，通过积分值映射方法，计算所述接收模块接收到的所述上一帧数据帧的实际功率值；

步骤22，根据所述上一帧数据帧的接收帧信噪比，计算所述功率映射值，根据所述功率映射值、所述功率偏置控制量以及所述实际功率值，计算所述待发送数据帧的第一上行发射功率。

3.如权利要求2所述的卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，所述第一上行发射功率的计算公式为：

P_TXPower＝-P_RXPower+P_offset+P(SNR)

P_offset＝P_LoadTx+P_rxtarget

式中，P_TXPower为所述第一上行发射功率，P_RXPower为接收到的所述上一帧数据帧的所述实际功率值，P_offset为所述功率偏置控制量，P(SNR)为所述功率映射值，P_LoadTx为载荷发射功率，P_rxtarget为载荷预期接收功率，P_base为预设功率系数，SNR为接收帧信噪比。

4.如权利要求1所述的卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，计算所述待发送数据帧的第一上行发射功率之前，步骤2中还包括：

启动接收定时器，并判断所述卫星物联网终端中是否存储有待发送数据帧，若是，则执行步骤3，若否，进入等待状态，根据预设查询周期，循环判断所述卫星物联网终端中是否存储有待发送数据帧。

5.如权利要求4所述的卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，所述步骤3，发射所述待发送数据帧至所述卫星，具体包括：

当判定所述接收定时器未超时，判断所述第一上行发射功率是否小于或等于预设功率阈值，

如果是，根据所述第一上行发射功率，发送所述待发送数据帧至所述卫星，

如果否，根据所述预设功率阈值发送所述待发送数据帧至所述卫星。

6.如权利要求5所述的卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，所述步骤3中，具体还包括：

当判定所述接收定时器超时，根据所述预设功率阈值，发送所述待发送数据帧至所述卫星。

7.如权利要求1所述的卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，所述功率修订值至少包括功率偏置控制量、功率映射值，所述方法还包括：

步骤4，当判定不存在所述接收模块或者所述接收模块未开启时，使用卫星轨道预报算法，计算所述卫星和所述卫星物联网终端之间的距离；

步骤5，根据计算出的所述卫星和所述卫星物联网终端之间的距离，计算自由空间损耗功率；

步骤6，根据所述自由空间损耗功率，计算理论接收功率；

步骤7，根据所述理论接收功率、所述功率偏置控制量、所述功率映射值，计算所述待发送数据帧的第二上行发射功率；

步骤8，当判定所述第二上行发射功率大于预设功率阈值时，根据所述预设功率阈值发送所述待发送数据帧至所述卫星，

当判定所述第二上行发射功率小于或等于所述预设功率阈值时，根据所述第二上行发射功率发送所述待发送数据帧至所述卫星。

8.如权利要求7所述的卫星物联网终端的功率控制方法，其特征在于，所述步骤4中，计算所述卫星和所述卫星物联网终端之间的距离，具体包括：

获取轨道预报过程中轨道预报时刻的第一UTC时间和GPS位置信息，并基于所述第一UTC时间和所述GPS位置信息，计算卫星入境时间；

计算所述轨道预报时刻与所述卫星入境时间的差值时长T，将所述差值时长T设定唤醒时间；

待到达唤醒时间后，开启时间差定时器进行计时；

当接收到所述上行数据发射指令时，根据所述卫星入境时间和所述时间差定时器记录的时间差，计算当前时刻的第二UTC时间，根据所述第二UTC时间，计算所述卫星和所述卫星物联网终端之间的所述距离。

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