CN114567369B - 一种卫星物联网半双工数据转发方法及系统 - Google Patents

一种卫星物联网半双工数据转发方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及信息采集技术领域，公开了一种卫星物联网半双工数据转发方法及系统，方法包括：获取充足的链路余量，并输出卫星上行信号；切换PA芯片为发射模式，并将卫星上行信号经PA芯片放大后，由天线发射；切换PA芯片为接收模式，进行卫星下行信号接收并返回到主芯片。主芯片进行卫星上行信号的发射，经过PA芯片实现主芯片输出的最大功率并将卫星上行信号放大，通过天线发射后被卫星更好的接收；当卫星发送卫星下行信号时，通过LNA接收后送回到主芯片，形成完整的卫星通信链路，将整个半双工数据收发过程集成到芯片中，可以灵活的运用于各种不同的终端，解决了现有半双工终端无法兼容市场技术需求的不足。

Description

一种卫星物联网半双工数据转发方法及系统
技术领域
本申请涉及信息采集技术领域，尤其是涉及一种卫星物联网半双工数据转发方法及系统。
背景技术
“天启星座”是我国首个、全球第二个在轨提供数据服务的低轨物联网星座，他填补了国内空白，技术国际先进，解决了卡脖子的问题。“天启星座”共计38星，目前已经14颗星在轨组网运营，剩下24颗明年全部组网完成发射，这对抢占全球卫星频率轨道资源以及低轨卫星物联网技术和产业发展战略高地具有重要意义。
低轨物联网特点是低功耗、小型化、低成本、低频段，卫星物联网要面向低轨、低频和窄带今年28月份，在我们承办的全球数字经济大会分会上，我们发布了第一阶段的组网成功，目前已经可以满足大部分物联网的应用场景需求，终端与天启卫星通信最低发送功率可达0.1瓦，速率最高通信速率可以到6kbps，民用卫星物联网终端也有望降低到500元以下，待明年38颗卫星全部完成组网，届时将实现卫星物联网系统全球覆盖，地面终端功耗将可能降低至0.05瓦，速率有望突破1Mbps。随着我国天启卫星物联网的组网系统不断完善，卫星承载的数据通道与数据容量越来越大，天启卫星物联网的终端数量也越来越多，各行各业的使用的终端也不尽相同，标准的半双工卫星物联网终端也无法满足变化的市场需求，因此，一种天启卫星物联网的半双工数据收发模块应运而生，可以方便集成到用户系统中。
发明内容
为了方便集成到用户系统，本申请提供一种卫星物联网半双工数据转发方法及系统，模块内集成天启卫星物联网半双工通信电路与通信协议，用于系统与模块数据交互，实现用户与天启卫星通信。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种卫星物联网半双工数据转发方法，该方法运行于主芯片一侧，包括以下步骤：
获取充足的链路余量并输出卫星上行信号；
切换PA芯片为发射模式，并将卫星上行信号经PA芯片放大后，由天线发射；
切换PA芯片为接收模式，控制PA芯片进行卫星下行信号接收并返回到主芯片。
通过采用上述技术方案，在获取最佳的卫星通信链路之后，通过主芯片进行卫星上行信号的发射，通过PA芯片实现主芯片输出的最大功率并将卫星上行信号放大，方便进行天线发射后被卫星更好的接收；当卫星发送卫星下行信号时，通过PA芯片接收后送回到主芯片，形成完整的卫星通信链路，将整个半双工数据收发过程集成到芯片中，可以灵活的运用于各种不同的终端，解决了现有半双工终端无法兼容市场技术需求的不足。
可选的：所述获取充足的链路余量的步骤包括：
获取不同仰角和不同轨道高度下的卫星通信情况；
计算预设工作频率下不同发送功率和信息速率的上行链路获取的链路余量；
综合发送功率和信息速率得到最佳链路总余量。
通过采用上述技术方案，卫星按照现有的轨道进行排布，由于卫星为圆轨道，因此可以计算不同轨道高度和地面不同仰角下的卫星天线张角及覆盖参数，然后在按照固定工作频率的卫星在不同速率的情况下进行计算，得到在不同发送功率和信息速率情况下的链路余量，此时选取最佳的发送功率和信息速率，得到最大的链路总余量作为最佳余量，此时拥有充足的链路可以进行卫星通信。
可选的：所述PA芯片内置LNA，所述PA芯片接收卫星下行信号后将卫星下行信号放大，供主芯片解调信号。
通过采用上述技术方案，通过内置的LNA将卫星下行信号放大，方便了主芯片对卫星下行信号的获取和解调，以便于获取卫星下行信号中的正确信息。
可选的：所述获取充足的链路余量，并输出卫星上行信号的步骤之前包括：降低功耗，其包括：
在无数据发送的模式下，主芯片关闭PA电源；
主芯片在无卫星过境时，转换为不参与通信模式，接收到卫星数据后，恢复正常通信。
通过采用上述技术方案，使没有卫星过境的情况下低功耗运行，有卫星通过时才开始正常工作，在主芯片和PA芯片的供电方面降低的能耗。
可选的：所述主芯片通过外置MOS电路控制PA芯片供电电压；在无卫星过境时，PA芯片供电电压减小。
通过采用上述技术方案，在无卫星经过时，使PA芯片供电电压减小，整体处于省电模式，降低了无卫星过境时的功率损耗。
一种卫星物联网半双工数据转发系统，包括：
主芯片模块，包括CHIRP单片机，负责CHIRP线性调制功能，可切换PA芯片为接收或者发送模式；在进行半双工数据转发时执行上述方法；
射频发送匹配电路，与CHIRP单片机连接并实现输出最大功率；
射频接收匹配电路，与CHIRP单片机连接并实现最佳接收性能；
PA芯片，与射频发送匹配电路连接并将输出最大功率放大的指定值，同时内置LNA，将接收到的卫星下行信号放大，并通过射频接收匹配电路传输至主芯片，供CHIRP单片机解调信号；
存储电路，存储用户数据。
通过采用上述技术方案，主芯片发射的卫星上行信号，通过射频发送匹配电路发送至PA芯片，然后经过PA芯片放大后发送出去；PA芯片接收卫星下行信号后，通过射频接收匹配电路发送至主芯片进行处理，完成卫星与地面的通信，整个过程中的用户数据通过存储电路进行存储，防止数据丢失。
可选的：还包括功耗控制模块，所述功耗控制模块的功能包括：
在无数据要发送模式下，CHIRP关闭PA电源，以降低功耗；
所述CHIRP单片机在接收模式下，无卫星过境时，系统为打盹模式，接收到卫星数据后，恢复正常通信。
通过采用上述技术方案，使没有卫星过境的情况下低功耗运行，有卫星通过时才开始正常工作，在主芯片和PA芯片的供电方面降低的能耗。
可选的：还包括功耗控制模块，CHIRP单片机通过MOS管控制PA供电电压，在无卫星过境时，控制PA供电电压变小。
通过采用上述技术方案，在无卫星经过时，使PA芯片供电电压减小，整体处于省电模式，降低了无卫星过境时的功率损耗。
可选的：还包括天线匹配电路，天线匹配电路接收卫星下行信号并于PA芯片连接，调整天线与PA芯片的输出阻抗匹配。
通过采用上述技术方案，方便对天线和PA芯片之间进行调整，使天线和PA芯片之间的连接更加准确，避免故障的产生，使整个通信链路得到了保护，同时降低了功耗。
综上所述，在获取最佳的卫星通信链路之后，通过主芯片进行卫星上行信号的发射，通过PA芯片实现主芯片输出的最大功率并将卫星上行信号放大，方便进行天线发射后被卫星更好的接收；当卫星发送卫星下行信号时，通过PA芯片接收后送回到主芯片，形成完整的卫星通信链路，将整个半双工数据收发过程集成到芯片中，可以灵活的运用于各种不同的终端，解决了现有半双工终端无法兼容市场技术需求的不足。
附图说明
图1是本申请实施例中一种卫星物联网半双工数据转发方法的流程图。
图2是本申请实施例中不同高度情况下星地距离对比图。
图3是本申请实施例中系统框架图。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
一种卫星物联网半双工数据转发方法，设置有主芯片和PA芯片，PA芯片指的是Power Amplifier功率放大器，是射频芯片中的一种，通信系统中用于信号放大，是影响信号覆盖的重要芯片。
Chirp是线性调频扩频的简称，地面广泛使用的LoPA技术就是该技术的实现之一，是地面应用最为广泛的物联网通信技术。
Chirp技术的特点主要包括：
全可变SF（扩频因子，范围12~5）、BW(带宽62.5/125/250/500KHz带宽可选)及CR（1~4），可实现速率范围0.2Kbps~62.5Kbps的通信速率；其灵敏度指标远超传统物联网通信系统；
由于也采用的扩频通信技术，因此具有一定的抗干扰能力，带宽一定的情况下，SF约大，抗干扰能力越强（单速率越低）；
由于扩频后带宽可变，非常适应用带宽较小且带宽不确定的场合，典型的BW包括62.5/125/250/500KHz；
具有很强的抗多普勒特性，在125KHz带宽情况下，能够最大使用30Khz的多普勒频偏（含双方晶振引起的偏差），随最初不是为卫星通信设计，但非常适应用低轨卫星通信；
在天启星座载荷的上行信道中，有多条带宽为62.5KHz，SF=10的低速率信道，该信道灵敏度可达-135dBm，帧最大允许字节数为20字节，可以用来传输位置和时间信息；
该方法运行于主芯片一侧，包括以下步骤：
步骤S100，降低功耗；
在无数据发送的模式下，主芯片关闭PA电源；
主芯片在无卫星过境时，转换为不参与通信模式，接收到卫星数据后，恢复正常通信。
主芯片通过外置MOS电路控制PA芯片供电电压；在无卫星过境时，PA芯片供电电压减小。
步骤S200，获取充足的链路余量，并输出卫星上行信号；
步骤S300，切换PA芯片为发射模式，并将卫星上行信号经PA芯片放大后，由天线发射；
具体的，在本实施例中，主芯片或PA芯片上集成有模拟开关电路，模拟开关电路的信号接收端与主芯片连接，模拟开关电路的输出端与PA芯片连接。需要切换PA芯片的模式时，例如发射模式和接收模式；主芯片向模拟开关电路传输高电平或低电平，模拟开关电路将PA芯片切换为发射模式；在模拟开关电路接收到低电平或高电平时，即接收到与发射模式不同的电平时，将PA芯片切换为接收模式。
步骤S400，切换PA芯片为接收模式，使PA芯片进行卫星下行信号接收并返回到主芯片。
在获取最佳的卫星通信链路之后，通过主芯片进行卫星上行信号的发射，通过PA芯片实现主芯片输出的最大功率并将卫星上行信号放大，方便进行天线发射后被卫星更好的接收；当卫星发送卫星下行信号时，通过PA芯片接收后送回到主芯片，形成完整的卫星通信链路，将整个半双工数据收发过程集成到芯片中，可以灵活的运用于各种不同的终端，解决了现有半双工终端无法兼容市场技术需求的不足。
步骤S200的步骤包括：
步骤S210，获取不同仰角和不同轨道高度下的卫星通信情况；
步骤S220，计算预设工作频率下不同发送功率和信息速率的上行链路获取的链路余量；
步骤S230，综合发送功率和信息速率得到最佳链路总余量。
卫星按照现有的轨道进行排布，由于卫星为圆轨道，因此可以计算不同轨道高度和地面不同仰角下的卫星天线张角及覆盖参数，然后在按照固定工作频率的卫星在不同速率的情况下进行计算，得到在不同发送功率和信息速率情况下的链路余量，此时选取最佳的发送功率和信息速率，得到最大的链路总余量作为最佳余量，此时拥有充足的链路可以进行卫星通信。
Chirp技术的特点主要包括：全可变SF（扩频因子，范围12~5）、BW(带宽62.5/125/250/500KHz带宽可选)及CR（1~4），可实现速率范围0.2Kbps~62.5Kbps的通信速率；其灵敏度指标远超传统物联网通信系统；
由于也采用的扩频通信技术，因此具有一定的抗干扰能力，带宽一定的情况下，SF约大，抗干扰能力越强（单速率越低）；
由于扩频后带宽可变，非常适应用带宽较小且带宽不确定的场合，典型的BW包括62.5/125/250/500KHz；
具有很强的抗多普勒特性，在125KHz带宽情况下，能够最大使用30Khz的多普勒频偏（含双方晶振引起的偏差），随最初不是为卫星通信设计，但非常适应用低轨卫星通信；
在天启星座载荷的上行信道中，有多条带宽为62.5KHz，SF=10的低速率信道，该信道灵敏度可达-135dBm，帧最大允许字节数为20字节，可以用来传输位置和时间信息；
得到天启星座卫星轨道高度，目前主要按照500km和700km四个轨道进行分析排布，卫星轨道为圆轨道。计算出不同轨道高度、地面不同仰角下的卫星天线张角及覆盖参数；以下是对照500、700、900、1100不同高度情况下星地距离进行对比；
其中，700km轨道高度，10度最低通信仰角，通信距离约2155km，20度最低通信仰角，通信距离为1584km；1100km的轨道高度，10度最低通信仰角，通信距离为2951km；20度最低通信仰角，通信距离为2291km。
可以根据图1总结出不同的轨道高度在不同的仰角下的数据，这些数据包括卫星对地半张角、星地距离、地面覆盖直径和最大过顶时间。根据这些数据可以对天启星座400MHz上行链路进行计算，根据计算结果，可以得到最合适的链路余量。例如计算后得到数据上行若采用0.2W发射机，488BPS速率，链路最小余量可以达到4.5dB，若把上行功率提升到0.5W，878BPS速率链路余量可以达到5dB。本方案设计，准备在设备内部集成2W功放，采用488BPS速率，可以额外增加近10dB的链路余量，如此通讯链路总余量可以接近15dB，足够支撑报警点到卫星之间的数据可靠传输。
因此得到本模块数据传输频率范围为401~403MHz，距离可达到600-2000公里，收发模式为半双工，最高发射功率可达到1W（30.4dB）。充足的链路余量，足够与天启卫星通信。模块供电范围为3.7V~4.2V，不仅可用于一般的供电系统中，也可嵌入到输出能力高于1.5A的锂电池供电系统中。模块通信接口为TTL串口，可通过指令集进行数据交互。400MHz天线输出接口已匹配为50欧姆阻抗，方便客户已匹配的外接天线，除特殊天线以外，可适当预留外接π型电路适配其他天线。模块可存储用户交互的数据，并且择机选择信道发送数据，当模块中无要发送的数据后，会自动进入“打盹”模式，以实现降低系统功耗的目的。
参照图3，一种卫星物联网半双工数据转发系统，包括：主芯片模块、射频发送匹配电路、射频接收匹配电路、PA芯片、存储电路、功耗控制模块和天线匹配电路。
主芯片模块，包括CHIRP单片机，负责CHIRP线性调制功能，可切换PA芯片为接收或者发送模式；在进行半双工数据转发时执行上述方法；
射频发送匹配电路，与CHIRP单片机连接并实现输出最大功率；
射频接收匹配电路，与CHIRP单片机连接并实现最佳接收性能；
PA芯片，与射频发送匹配电路连接并将输出最大功率放大的指定值，同时内置LNA，将接收到的卫星下行信号放大，并通过射频接收匹配电路传输至主芯片，供CHIRP单片机解调信号；
存储电路，存储用户数据，防止数据丢失。
功耗控制模块的功能包括：
在无数据要发送模式下，CHIRP关闭PA电源，以降低功耗；
所述CHIRP单片机在接收模式下，无卫星过境时，系统为打盹模式，接收到卫星数据后，恢复正常通信。
CHIRP单片机通过MOS管控制PA供电电压，在无卫星过境时，控制PA供电电压变小，用于调节模块在无卫星过境时的功率损耗=。
天线匹配电路接收卫星下行信号并于PA芯片连接，调整天线与PA芯片的输出阻抗匹配，降低发射功率损耗。
主芯片发射的卫星上行信号，通过射频发送匹配电路发送至PA芯片，然后经过PA芯片放大后发送出去；PA芯片接收卫星下行信号后，通过射频接收匹配电路发送至主芯片进行处理，完成卫星与地面的通信，整个过程中的用户数据通过存储电路进行存储，防止数据丢失。
本系统的主要实现过程就是使用具有CHIRP线性调制的单片机，实现卫星物联网通信协议、指令集数据交互与线性调频；使用具有LNA与发送功率可达到1W的PA芯片，通过射频收发匹配电路实现与CHIRP线性调制的单片机的连接，把CHIRP线性调制的单片机输出的射频信号经PA芯片放大后，由天线发射。线性调制单片机也可以控制PA芯片，实现无线接收功能。此外，CHIRP线性调制的单片机通过外置MOS电路，控制PA芯片的射频发送供电。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种卫星物联网半双工数据转发方法，其特征在于，该方法运行于主芯片一侧，包括以下步骤：
获取充足的链路余量，并输出卫星上行信号；
切换PA芯片为发射模式，并将卫星上行信号经PA芯片放大后，由天线发射；
切换PA芯片为接收模式，控制PA芯片进行卫星下行信号接收并返回到主芯片；
所述获取充足的链路余量的步骤包括：
获取不同仰角和不同轨道高度下的卫星通信情况；
计算预设工作频率下不同发送功率和信息速率的上行链路获取的链路余量；
综合发送功率和信息速率得到最佳链路总余量。
2.根据权利要求1所述的一种卫星物联网半双工数据转发方法，其特征在于，所述PA芯片内置LNA，所述PA芯片接收卫星下行信号后将卫星下行信号放大，供主芯片解调信号。
3.根据权利要求1所述的一种卫星物联网半双工数据转发方法，其特征在于，所述获取充足的链路余量，并输出卫星上行信号的步骤之前包括：降低功耗，其包括：
在无数据发送的模式下，主芯片关闭PA电源；
主芯片在无卫星过境时，转换为不参与通信模式，接收到卫星数据后，恢复正常通信。
4.根据权利要求3所述的一种卫星物联网半双工数据转发方法，其特征在于，所述主芯片通过外置MOS电路控制PA芯片供电电压；在无卫星过境时，PA芯片供电电压减小。
5.一种卫星物联网半双工数据转发系统，其特征在于，包括：
主芯片模块，包括CHIRP单片机，负责CHIRP线性调制功能，可切换PA芯片为接收或者发送模式；在进行半双工数据转发时执行权利要求1~4中任一项所述的方法；
射频发送匹配电路，与CHIRP单片机连接并实现输出最大功率；
射频接收匹配电路，与CHIRP单片机连接并实现最佳接收性能；
PA芯片，与射频发送匹配电路连接并将输出最大功率放大的指定值，同时内置LNA，将接收到的卫星下行信号放大，并通过射频接收匹配电路传输至主芯片，供CHIRP单片机解调信号；
存储电路，存储用户数据。
6.根据权利要求5所述的一种卫星物联网半双工数据转发系统，其特征在于，还包括功耗控制模块，所述功耗控制模块的功能包括：
在无数据要发送模式下，CHIRP关闭PA电源，以降低功耗；
所述CHIRP单片机在接收模式下，无卫星过境时，系统为打盹模式，接收到卫星数据后，恢复正常通信。
7.根据权利要求6所述的一种卫星物联网半双工数据转发系统，其特征在于，所述CHIRP单片机通过MOS管控制PA供电电压，在无卫星过境时，控制PA供电电压变小。
8.根据权利要求5所述的一种卫星物联网半双工数据转发系统，其特征在于，还包括天线匹配电路，天线匹配电路接收卫星下行信号并与PA芯片连接，调整天线与PA芯片的输出阻抗匹配。
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