CN115842580A - 一种基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低轨卫星的天地一体化物联网系统及构建方法，该系统包括：传感器终端，布设于地面上，通过地面网络与数据处理中心通信连接，用于采集并传输数据；低轨卫星，低轨卫星分别与传感器终端、通信卫星和地面站通信连接，且不同的低轨卫星之间通信连接，低轨卫星用于接收和转发数据；通信卫星，通信卫星位于中轨道或高轨道，与地面站通信连接，用于接收和转发数据；地面站，地面站通过地面网络与数据处理中心通信连接，用于接收和转发数据；数据处理中心，数据处理中心用于接收并处理传感器终端和/或地面站发送的数据。本发明能够实现高效的传感器数据采集和传输，显著提高实际网络覆盖范围、数据回传效率和通信宽带利用率。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种基于低轨卫星的天地一体化物联网系统及构建方法。
背景技术
随着物联网技术的不断发展，各行各业正在一步步迈向“万物互联”时代，如智慧交通、智慧家居等。当前，在天基物联网方面，通过在卫星上搭载各种传感器载荷的方式，实现对不同数据的采集；在地基物联网方面，通过在地面上布设各类传感器采集不同的数据，并利用地面网络实现数据的传输。
其中，天基物联网通过通信卫星实现数据的采集和传输，其具有广域覆盖、抗灾害性强等优点，但是由于卫星上的空间有限，卫星自身所能够携带的传感器载荷的种类和数量较少，导致所能采集的数据种类非常有限，并且，相比于普通的地面用传感器，星载传感器载荷的成本也较高。而地基物联网通过地面上布设的传感器和地面网络实现数据的采集和传输，具有采集数据类型多、成本低等优点，但是在戈壁、沙漠、海洋等地面网络基础设施无法覆盖的区域，则难以实现高效的数据采集和传输，受地理环境的限制较大。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于低轨卫星的天地一体化物联网系统及构建方法。
本发明的技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于低轨卫星的天地一体化物联网系统，包括：
传感器终端，布设于地面上，通过地面网络与数据处理中心通信连接，用于采集并传输数据；
低轨卫星，所述低轨卫星分别与所述传感器终端、通信卫星和地面站通信连接，且不同的所述低轨卫星之间通信连接，所述低轨卫星用于接收和转发数据；
所述通信卫星，所述通信卫星位于中轨道或高轨道，与所述地面站通信连接，用于接收和转发数据；
所述地面站，所述地面站通过地面网络与所述数据处理中心通信连接，用于接收和转发数据；
所述数据处理中心，所述数据处理中心用于接收并处理所述传感器终端和/或所述地面站发送的数据。
在一些可能的实现方式中，所述低轨卫星上设置有信号接收与转发载荷，所述信号接收与转发载荷用于接收所述传感器终端发送的数据、以及用于将数据转发至所述通信卫星和/或所述地面站。
在一些可能的实现方式中，所述低轨卫星上设置有星间通信载荷，不同的所述低轨卫星通过所述星间通信载荷进行信息交流和数据传输。
在一些可能的实现方式中，所述低轨卫星上设置有传感器载荷，所述传感器载荷用于采集数据。
在一些可能的实现方式中，所述低轨卫星上设置有存储模块，所述存储模块分别与所述低轨卫星上的各个载荷连接，用于存储各个载荷获取的信息和数据。
第二方面，还提供了一种用于上述的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法，包括：
传感器终端通过地面采集模式、直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心；
其中，所述地面采集模式包括：传感器终端将采集的数据通过地面网络传至数据处理中心；
所述直接转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
所述低轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至另一个低轨卫星、使另一个低轨卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
所述中高轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至通信卫星、使通信卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
所述低轨-中高轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至另一个低轨卫星、使另一个低轨卫星将数据转发至通信卫星、使通信卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心。
在一些可能的实现方式中，当地面网络能够覆盖传感器终端时，所述传感器终端通过地面采集模式将采集的数据传至数据处理中心。
在一些可能的实现方式中，当地面网络无法覆盖传感器终端时，所述传感器终端通过直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心。
在一些可能的实现方式中，当地面网络无法覆盖传感器终端时，所述传感器终端通过直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心，包括：
当地面网络无法覆盖传感器终端时，所述传感器终端将采集的数据发送至能够与其进行通信的低轨卫星，低轨卫星判断地面站是否在其信号覆盖范围内，若是，则低轨卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若低轨卫星判定地面站不在其信号覆盖范围内，则低轨卫星确定能够与其进行星间通信的其他低轨卫星对地面站的信号覆盖情况，若存在其他低轨卫星能够覆盖地面站，则从能够覆盖地面站的其他低轨卫星中选择一个低轨卫星，将接收到的数据转发至所选低轨卫星，所选低轨卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不存在其他低轨卫星能够覆盖地面站，则低轨卫星判断是否能够与通信卫星进行通信，若是，则低轨卫星将接收到的数据转发至通信卫星，通信卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不能与通信卫星进行通信，则低轨卫星确定能够与其进行星间通信的其他低轨卫星是否能够与通信卫星进行通信，若存在其他低轨卫星能够与通信卫星进行通信，则从能够与通信卫星进行通信的其他低轨卫星中选择一个低轨卫星，将接收到的数据转发至所选低轨卫星，所选低轨卫星将接收到的数据转发至通信卫星，通信卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不存在其他低轨卫星能够与通信卫星进行通信，则低轨卫星等待下次过境时，重新判断地面站是否在其信号覆盖范围内，并根据判断结果继续执行对应动作，直至将数据转发至数据处理中心。
在一些可能的实现方式中，低轨卫星从能够覆盖地面站的其他低轨卫星中选择与其通信速率最大的一个低轨卫星，从能够与通信卫星进行通信的其他低轨卫星中选择与其通信速率最大的一个低轨卫星。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统及构建方法通过利用多个低轨卫星进行组网、以及采用中-高轨中继通信转发的方式进行传感器数据的转发传输，能够在地面网络无法覆盖的特殊区域，实现高效的数据采集和传输，显著提高实际网络覆盖范围和数据回传效率；同时，通过设置五种能够互为备份的传感器采集数据回传模式，能够在保证数据快速回传的基础上，降低数据转发的次数，进而提高数据回传效率和通信宽带利用率。
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一种基于低轨卫星的天地一体化物联网系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例的一种基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法的流程图。
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。
第一方面，参考图1，本发明一实施例提供了一种基于低轨卫星的天地一体化物联网系统，该系统包括：
传感器终端，布设于地面上，通过地面网络与数据处理中心通信连接，用于采集并传输数据；
低轨卫星，低轨卫星分别与传感器终端、通信卫星和地面站通信连接，且不同的低轨卫星之间通信连接，低轨卫星用于接收和转发数据；
通信卫星，通信卫星位于中轨道或高轨道，与地面站通信连接，用于接收和转发数据；
地面站，地面站通过地面网络与数据处理中心通信连接，用于接收和转发数据；
数据处理中心，数据处理中心用于接收并处理传感器终端和/或地面站发送的数据。
本发明一实施例提供的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统在应用时，当传感器终端位于地面网络能够覆盖的区域时，传感器终端根据实际设置采集所需数据，并通过地面网络将采集的数据直接发送至数据处理中心，由数据处理中心对数据进行汇聚、分析和应用等处理。当传感器终端位于地面网络不能覆盖的区域时，传感器终端根据实际设置采集所需数据，并将数据发送至低轨卫星，由接收到数据的低轨卫星根据其自身与地面站的信号覆盖情况、与其他低轨卫星的通信情况、与通信卫星的通信情况、其他低轨卫星与地面站的信号覆盖情况、以及其他低轨卫星与通信卫星的通信情况，将数据转发至其他低轨卫星、通信卫星或者地面站，接收到数据的其他低轨卫星将数据转发至通信卫星或地面站，接收到数据的通信卫星将数据转发至地面站，接收到数据的地面站通过地面网络将数据转发至数据处理中心，由数据处理中心对数据进行汇聚、分析和应用等处理。
本发明一实施例提供的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统通过利用低轨卫星进行传感器数据的转发传输，能够在地面网络无法覆盖的特殊区域，实现高效的数据采集和传输，显著提高实际网络覆盖范围和数据回传效率。
参考图1，本发明一实施例中，为了方便低轨卫星进行数据接收与转发，低轨卫星上设置有信号接收与转发载荷，信号接收与转发载荷用于接收传感器终端发送的数据、以及用于将数据转发至通信卫星和/或地面站。
参考图1，本发明一实施例中，为了方便低轨卫星与其他低轨卫星进行星间通信，低轨卫星上设置有星间通信载荷，不同的低轨卫星之间通过星间通信载荷进行信息交流和数据传输。
参考图1，本发明一实施例中，低轨卫星上设置有传感器载荷，传感器载荷用于采集数据。
通过在低轨卫星上设置传感器载荷，利用传感器载荷进行数据采集，能够实现天基数据与地基数据的同步采集传输，实现天基物联网与地基物联网的融合，进一步提高数据采集效率。
进一步地，参考图1，本发明一实施例中，低轨卫星上设置有存储模块，存储模块分别与低轨卫星上的各个载荷连接，用于存储各个载荷获取的信息和数据，同时各个载荷根据实际需求可以调取存储模块中存储的数据。
通过设置存储模块，能够方便进行数据处理。
第二方面，参考图2，本发明一实施例还提供了一种用于上述的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法，该方法包括：
传感器终端通过地面采集模式、直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心；
其中，地面采集模式包括：传感器终端将采集的数据通过地面网络传至数据处理中心；
直接转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
低轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至另一个低轨卫星、使另一个低轨卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
中高轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至通信卫星、使通信卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
低轨-中高轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至另一个低轨卫星、使另一个低轨卫星将数据转发至通信卫星、使通信卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心。
本发明一实施例提供的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法通过设置五种能够互为备份的传感器采集数据回传模式，能够在保证数据快速回传的基础上，降低数据转发的次数，进而提高数据回传效率和通信宽带利用率。
进一步地，本发明一实施例中，当地面网络能够覆盖传感器终端时，传感器终端通过地面采集模式将采集的数据传至数据处理中心。
当地面网络无法覆盖传感器终端时，传感器终端通过直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心。
具体地，本发明一实施例中，当地面网络无法覆盖传感器终端时，传感器终端通过直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心，包括：
当地面网络无法覆盖传感器终端时，传感器终端将采集的数据发送至能够与其进行通信的低轨卫星，低轨卫星判断地面站是否在其信号覆盖范围内，若是，则低轨卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若低轨卫星判定地面站不在其信号覆盖范围内，则低轨卫星确定能够与其进行星间通信的其他低轨卫星对地面站的信号覆盖情况，若存在其他低轨卫星能够覆盖地面站，则从能够覆盖地面站的其他低轨卫星中选择一个低轨卫星，将接收到的数据转发至所选低轨卫星，所选低轨卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不存在其他低轨卫星能够覆盖地面站，则低轨卫星判断是否能够与通信卫星进行通信，若是，则低轨卫星将接收到的数据转发至通信卫星，通信卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不能与通信卫星进行通信，则低轨卫星确定能够与其进行星间通信的其他低轨卫星是否能够与通信卫星进行通信，若存在其他低轨卫星能够与通信卫星进行通信，则从能够与通信卫星进行通信的其他低轨卫星中选择一个低轨卫星，将接收到的数据转发至所选低轨卫星，所选低轨卫星将接收到的数据转发至通信卫星，通信卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不存在其他低轨卫星能够与通信卫星进行通信，则低轨卫星等待下次过境时，重新判断地面站是否在其信号覆盖范围内，并根据判断结果继续执行对应动作，直至将数据转发至数据处理中心。
通过采用上述限定的多星组网和中-高轨中继通信转发方式进行数据转发传输，还能够避免因单个低轨卫星每次过境时间较短而造成数据传输效率降低。
进一步地，本发明一实施例总，当低轨卫星上设置传感器载荷时，传感器载荷所采集的数据也可以通过直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心。
进一步地，本发明一实施例中，当低轨卫星需要将数据转发至能够覆盖地面站的其他低轨卫星时，低轨卫星从能够覆盖地面站的其他低轨卫星中选择与其通信速率最大的一个低轨卫星，将数据转发至该低轨卫星。
当低轨卫星需要将数据转发至能够与通信卫星进行通信的其他低轨卫星时，低轨卫星从能够与通信卫星进行通信的其他低轨卫星中选择与其通信速率最大的一个低轨卫星，将数据转发至该低轨卫星。
通过选择通信速率最大的低轨卫星进行数据转发，能够进一步提高数据回传效率。
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 (10)
1.一种基于低轨卫星的天地一体化物联网系统，其特征在于，包括：
传感器终端，布设于地面上，通过地面网络与数据处理中心通信连接，用于采集并传输数据；
低轨卫星，所述低轨卫星分别与所述传感器终端、通信卫星和地面站通信连接，且不同的所述低轨卫星之间通信连接，所述低轨卫星用于接收和转发数据；
所述通信卫星，所述通信卫星位于中轨道或高轨道，与所述地面站通信连接，用于接收和转发数据；
所述地面站，所述地面站通过地面网络与所述数据处理中心通信连接，用于接收和转发数据；
所述数据处理中心，所述数据处理中心用于接收并处理所述传感器终端和/或所述地面站发送的数据。
2.根据权利要求1所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统，其特征在于，所述低轨卫星上设置有信号接收与转发载荷，所述信号接收与转发载荷用于接收所述传感器终端发送的数据、以及用于将数据转发至所述通信卫星和/或所述地面站。
3.根据权利要求2所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统，其特征在于，所述低轨卫星上设置有星间通信载荷，不同的所述低轨卫星通过所述星间通信载荷进行信息交流和数据传输。
4.根据权利要求3所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统，其特征在于，所述低轨卫星上设置有传感器载荷，所述传感器载荷用于采集数据。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统，其特征在于，所述低轨卫星上设置有存储模块，所述存储模块分别与所述低轨卫星上的各个载荷连接，用于存储各个载荷获取的信息和数据。
6.一种用于如权利要求1-5中任一项所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网系统的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法，其特征在于，包括：
传感器终端通过地面采集模式、直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心；
其中，所述地面采集模式包括：传感器终端将采集的数据通过地面网络传至数据处理中心；
所述直接转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
所述低轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至另一个低轨卫星、使另一个低轨卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
所述中高轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至通信卫星、使通信卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心；
所述低轨-中高轨转发模式包括：传感器终端将采集的数据发送至低轨卫星，以使低轨卫星将数据转发至另一个低轨卫星、使另一个低轨卫星将数据转发至通信卫星、使通信卫星将数据转发至地面站、以及使地面站将数据转发至数据处理中心。
7.根据权利要求6所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法，其特征在于，当地面网络能够覆盖传感器终端时，所述传感器终端通过地面采集模式将采集的数据传至数据处理中心。
8.根据权利要求6或7所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法，其特征在于，当地面网络无法覆盖传感器终端时，所述传感器终端通过直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心。
9.根据权利要求8所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法，其特征在于，当地面网络无法覆盖传感器终端时，所述传感器终端通过直接转发模式、低轨转发模式、中高轨转发模式、或者低轨-中高轨转发模式将采集的数据传至数据处理中心，包括：
当地面网络无法覆盖传感器终端时，所述传感器终端将采集的数据发送至能够与其进行通信的低轨卫星，低轨卫星判断地面站是否在其信号覆盖范围内，若是，则低轨卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若低轨卫星判定地面站不在其信号覆盖范围内，则低轨卫星确定能够与其进行星间通信的其他低轨卫星对地面站的信号覆盖情况，若存在其他低轨卫星能够覆盖地面站，则从能够覆盖地面站的其他低轨卫星中选择一个低轨卫星，将接收到的数据转发至所选低轨卫星，所选低轨卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不存在其他低轨卫星能够覆盖地面站，则低轨卫星判断是否能够与通信卫星进行通信，若是，则低轨卫星将接收到的数据转发至通信卫星，通信卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不能与通信卫星进行通信，则低轨卫星确定能够与其进行星间通信的其他低轨卫星是否能够与通信卫星进行通信，若存在其他低轨卫星能够与通信卫星进行通信，则从能够与通信卫星进行通信的其他低轨卫星中选择一个低轨卫星，将接收到的数据转发至所选低轨卫星，所选低轨卫星将接收到的数据转发至通信卫星，通信卫星将接收到的数据转发至地面站，地面站将接收到的数据转发至数据处理中心；
若不存在其他低轨卫星能够与通信卫星进行通信，则低轨卫星等待下次过境时，重新判断地面站是否在其信号覆盖范围内，并根据判断结果继续执行对应动作，直至将数据转发至数据处理中心。
10.根据权利要求9所述的基于低轨卫星的天地一体化物联网构建方法，其特征在于，低轨卫星从能够覆盖地面站的其他低轨卫星中选择与其通信速率最大的一个低轨卫星，从能够与通信卫星进行通信的其他低轨卫星中选择与其通信速率最大的一个低轨卫星。
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