CN117425157B - 一种天空地一体化的应急通感网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天空地一体化的应急通感网络架构，包括：地面层，包括传感器网络，用以采集相关环境数据；低空层，低空层内设置有利用无人机搭载的无人机机载基站，利用无人机动态加入以搭建低空层网络，用以临时增加整个网络架构的通信容量；临近空间层，利用舰载基站与无人机机载基站、传感器网络连接，利用舰载卫星通信系统通过通信卫星与后端连接，还设置有艇载传感器服务节点、艇载对地观测光学载荷、艇载边缘计算节点实现感知数据的处理；外层空间层，包括通信卫星。本发明有益效果：具备通信保障和监测感知一体化功能的优点，在森林草原日常防火监测和火灾扑救工作中，不仅需要能够保障通信，同时也需要动态掌握火险及火势情况。

Description

一种天空地一体化的应急通感网络架构

技术领域

本发明属于应急通感网络技术领域，尤其是涉及一种天空地一体化的应急通感网络架构。

背景技术

森林、草原等自然资源的保护是国家生态环境保护的重要方面之一，我国森林、草原等覆盖面积广阔，原始林区及草原区域内大部分不具备运营商地面通信网络覆盖，这使得在日常监测以及森林火灾、草原火灾发生时难以及时的进行信息传输，同时对于影响森林草原火灾的环境数据感知的欠缺，导致火灾预防和火灾扑救缺少辅助信息，这些都对指挥决策造成困难，从而为森林、草原火灾预防监测及扑救造成了不利的影响，使得森林、草原资源受到损失。

在现有的技术方案中对于发生森林草原火灾时的应急通信保障主要采用超短波通信、自组网通信、卫星通信等手段。超短波通信利用超短波基站、超短波便携站、超短波终端进行组网，实现窄带语音通信；自组网通信利用多个终端之间的多跳转发实现局域范围内的宽带数据通信；卫星通信包括利用天通卫星网络实现卫星语音通信，利用如中星、亚太等宽带卫星实现数据通信；以及采用上述手段的组合，实现混合通信，如自组网与卫星通信的组合等。

在现有的技术方案中对于森林草原日常火灾监测感知主要采用地面传感器网络、卫星遥感等手段。地面传感器网络通过传感器采集温度、湿度、可燃物等火险因子数据，通常采用多跳方式将数据传回至后方数据中心，通过数据中心综合分析可能发生火灾的程度；卫星遥感利用遥感卫星上的星载光学传感器大范围地感知环境，数据中心通过获取指定区域内的遥感影像数据反演进行热点、火点分析。

临近空间指距离地面20km-100km左右的地球空间，临近空间飞行器是处于临近空间范围内的飞行器。其中临近空间飞艇是一种可在临近空间长时间定点悬浮的飞行器，相对于通信卫星来说，距离地面较近，通信传播路径短、具备时延小、损耗小的优点；相对于遥感卫星来说，可对一定区域进行全天时定点观测，无重访周期的问题，具备高时间分辨率、高空间分辨率、高频谱分辨率等优点。相对于无人机来说，覆盖面积大，驻留时间长，且不易受地面气候的影响。

在监测感知方面，艇载对地观测光学载荷可实时的对目标区域进行光学影像数据的采集，同时地面传感器节点将所感知的环境数据通过艇载基站上传至艇载传感器服务节点，由艇载传感器服务节点进行数据的预处理，艇载边缘计算节点结合地面传感器数据、对地观测的光学影像数据进行联合计算，可以为日常监测时的火险等级分布，及在发生火灾时火势蔓延分析提供输入数据。

在通信保障方面，用户通信终端之间，以及用户通信终端与系统外部用户之间均可以实现语音/数据通信。用户通信终端连接艇载基站或无人机机载基站进行通信，具体选择艇载基站或机载基站需要根据小区选择/重选策略确定。用户通信终端之间的通信及用户通信终端与系统外部用户之间的通信方式通过用户面通信交换策略确定。

现有技术存在以下技术问题：

（1）现有应急通信网络架构难以满足广覆盖、大容量的需求。在无运营商网络覆盖区域内的应急通信保障通常采用地面组网、无人机组网、卫星组网中的一种或几种组合。地面组网若需要达到广覆盖的目的，需要布设大量的基础通信设施，这在应急通信保障中是难以实现的；无人机组网虽然通过增加通信天线高度可以增加通信覆盖面积，但由于无人机飞行高度一般在100m~300m，飞行高度受限，所增加通信覆盖面积也有限，同时无人机驻空时间也较短，一般在几个小时到几天的时间，而对于大型森林草原火灾应急通信保障所需时长仍然不足。卫星组网虽然具备不受距离限制的优点，但卫星通信资源较为宝贵，难以满足大容量通信的需求。

（2）现有对地观测难以满足全天时获取观测数据的需求。当前的对地观测主要利用遥感卫星所搭载的各种光学载荷采集数据，但遥感卫星具备重访周期，通常为几个小时到几天的时间，无法对某一固定地点全天时连续观测，因此可能造成无法及时发现区域内可疑的热点、火点，从而延误火灾预防及扑救的时机。

（3）现有监测感知数据相互独立，难以满足指挥决策的需求。当前监测感知所采用的遥感卫星和地面传感器网络之间相对独立，而实际上遥感卫星主要获取大范围区域内的感知数据，而受分辨率的影响在精度方面有所欠缺。地面传感器网络可在一定范围内获取到较为精确的网格化感知数据，但缺少大范围全局性的感知能力。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种天空地一体化的应急通感网络架构，以至少解决背景技术中的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种天空地一体化的应急通感网络架构，包括：

地面层，包括传感器网络，用以采集相关环境数据；

低空层，低空层内设置有利用无人机搭载的无人机机载基站，利用无人机动态加入以搭建低空层网络，用以临时增加整个网络架构的通信容量；

临近空间层，利用舰载基站与无人机机载基站、传感器网络连接，利用舰载卫星通信系统通过通信卫星与后端连接；还设置有艇载传感器服务节点、艇载对地观测光学载荷、艇载边缘计算节点实现感知数据的处理。

外层空间层，包括通信卫星。

地面层包括用户通信终端，用户通信终端按照预设的小区选择和重选策略接入位于低空层的无人机机载基站或位于临近空间层的临近空间飞艇艇载基站；

用户通信终端执行预设的用户面通信交换策略。

进一步的，传感器网络由不少于一个的地面传感器构成，传感器网络接入舰载基站，通过舰载基站将采集数据发送至舰载传感器服务节点，供后续分析应用。

进一步的，利用舰载卫星通信系统通过通信卫星与后端的指挥中心、运营商网络通信，用于指挥中心数据回传、基站至运营商网络的回传链路、互联网接入；

进一步的，临近空间飞艇的艇载传感器服务节点从艇载基站接收到原始的传感器网络获取的相关环境数据后进行预处理，所述预处理包括数据格式统一、坏点数据去除、初始数据关联。

进一步的，临近空间飞艇的边缘计算节点综合利用地面采集单元采集数据和对地观测载荷采集数据，然后利用预设的数值处理方法计算相关数据，为火险等级分布和火势蔓延分析提供数据输入。

进一步的，所述小区选择和重选策略包括：

①传感器网络只选择临近空间层的艇载基站对应的小区；

②当仅存在有艇载基站情况下，用户通信终端选择/重选艇载基站对应小区；

③当用户通信终端已经驻留在艇载基站小区情况下，无人机机载基站动态加入网络后，用户通信终端根据艇载基站和无人机机载基站下属小区的通信参数进行小区重选，在通信参数中接收电平、接收信号质量为测量值，小区负荷是对应小区统计值，小区负荷偏置、基站偏好根据预设策略进行设置：

④无人机机载基站动态加入网络后，若存在新加入的用户通信终端接入网络，新加入的用户通信终端根据艇载基站和无人机机载基站下属小区的通信参数进行小区选择，在通信参数中接收电平、接收信号质量为测量值，小区负荷是对应小区统计值，小区负荷偏置、基站偏好根据预设策略进行设置。

进一步的，所述用户面通信交换策略包括：

若主叫用户驻留在机载基站时，包括：

①主叫用户发起呼叫时首先由机载基站进行判断，若主被叫用户处于同一机载基站下，则在机载基站下进行本地数据交换进行通信；

②若主被叫用户不处于同一机载基站下，则由艇载基站进行判断，若主被叫用户是否处于同一艇载基站下，则在艇载基站下进行本地数据交换进行通信；

③若主被叫用户既不处于同一机载基站或艇载基站，则通过通信卫星采用远端数据交换进行通信；

若主叫用户驻留在艇载基站，包括：

①主叫用户发起呼叫时首先由艇载基站及机载基站进行判断，若主被叫用户处于同一机载基站或艇载基站下，则在艇载基站下进行本地数据交换进行通信；

②若主被叫用户不处于同一机载基站或艇载基站下，则通过通信卫星采用远端数据交换进行通信。

进一步的，利用一种天空地一体化的应急通感网络架构进行监测感知方法，包括：

地面的传感器网络定时或立即上报采集的相关环境数据至艇载传感器服务节点；艇载对地观测载荷定时或立即采集对地观测数据，并将数据发送到艇载边缘计算节点；

艇载传感器服务节点在接收到地面传感器网络上报的数据后，对数据进行预处理；

艇载边缘计算节点在接收到艇载对地观测遥感影像数据后，进行预处理并针对环境数据进行定量反演；

利用艇载边缘计算节点对待观测区域进行网格化处理，然后将获取的数据集合利用曲面拟合数值处理方式进行曲面拟合，得到所需拟合曲面；

艇载边缘计算节点将计算得到的拟合曲面作为输入数据，进一步进行火险分布分析和火势蔓延分析。

进一步的，所述利用艇载边缘计算节点对待观测区域进行网格化处理，包括：

将一个对地观测影像网格划分为四个等分网格，取每个等分网格中心坐标点为网格标识，等分网格数据采用如下的加权平均的方式计算：

，为第一个等分网格对应的坐标；

其中，为等分网格等效数据，、分别为两个地面传感器网格在对应等分网 格内的面积，为艇载对地观测数据在等分网格内去除传感器网格区域对应的面积，、分别为两个地面传感器测量数据，为艇载对地观测反演数据。

进一步的，所述将获取的数据集合利用曲面拟合数值处理方式进行曲面拟合，得到所需拟合曲面，包括：

艇载边缘计算节点在网格化处理后，将获取如下数据集合，数据集合包括温 度数据集合、湿度数据集合，采用曲面拟合数值处理方式进行曲面拟合，得到、的拟合曲面：

，为第一个等分网格对应的 坐标，为第n个等分网格对应的坐标，为自然数。

相对于现有技术，本发明所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构具有以下有益效果：

（1）本发明所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，具备通信保障和监测感知一体化功能的优点，在森林草原日常防火监测和火灾扑救工作中，不仅需要能够通信，同时也需要动态掌握火险及火势情况。发明中的网络架构不仅具备通信保障的功能，同时也具备监测感知能力，整个网络架构形成了信息采集、信息传输、信息处理较为完备的信息化体系，可为防火监测及火灾扑救提供便捷的网络支撑。而现有的通信保障网络和监测感知网络相对独立。

（2）本发明所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，具备全天时通信保障和监测感知的优点，临近空间飞艇可长时间固定在某一区域点附近，且其所处临近空间不受地面气候的影响。而现有的遥感卫星对地观测具有重访周期，无法连续对某一区域长时间观测；现有的无人机驻空时间有限，因此也无法连续对某一区域长时间观测。

（3）本发明所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，具备可快速部署、通信覆盖面积大的优点，本发明中外层空间层中的通信卫星发射后不要再进行部署，临近空间层的临近空间飞艇和低空层的无人机均具备机动性，在组建网络时只需要飞临相应的区域上空即可，无需基础设施建设。同时临近空间飞艇距离地面几十公里的高度，因此利用艇载基站可提供大面积的通信覆盖区域。现有的地面网络若需要达到大面积覆盖的目的，需要进行大量的基础设施建设，而单纯使用无人机进行低空组网，存在网络覆盖面积受限的问题；

（4）本发明所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，具备可动态调整网络容量、网络容量大的优点。本发明中低空层中的无人机可动态加入网络，并且可根据实际网络容量需求增加无人机及机载基站的数量，从而达到增加网络容量的目的。同时发明中设计的小区选择/重选策略和用户面通信交换策略，使得部分的通信数据在本地交换，节约了卫星通信资源，也等效于增加了网络容量。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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为本发明实施例所述的天空地一体化应急通感网络架构示意图；

图2为本发明实施例所述的用户面通信交换策略（主叫用户驻留在机载基站下情况）示意图；

图3为本发明实施例所述的用户面通信交换策略（主叫用户驻留在艇载基站下情况）示意图；

图4为本发明实施例所述的网格划分处理示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

（1）针对现有技术存在的以下技术问题：现有应急通信网络架构难以满足广覆盖、大容量的需求。在无运营商网络覆盖区域内的应急通信保障通常采用地面组网、无人机组网、卫星组网中的一种或几种组合。地面组网若需要达到广覆盖的目的，需要布设大量的基础通信设施，这在应急通信保障中是难以实现的；无人机组网虽然通过增加通信天线高度可以增加通信覆盖面积，但由于无人机飞行高度一般在100m~300m，飞行高度受限，所增加通信覆盖面积也有限，同时无人机驻空时间也较短，一般在几个小时到几天的时间，而对于大型森林草原火灾应急通信保障所需时长仍然不足。卫星组网虽然具备不受距离限制的优点，但卫星通信资源较为宝贵，难以满足大容量通信的需求。

本方案的解决方案：本发明中的天空地一体化的应急通感网络架构中外层空间层采用卫星通信，解决广域通信连接问题；临近空间层采用临近空间飞艇搭载相关设备单元，解决广覆盖通信问题；低空层采用无人机搭载机载基站，解决大容量通信问题；同时在此网络架构上设计小区选择/重选策略、用户面通信交换策略，保证该网络架构同时可满足广覆盖通信及大容量通信的需求。

外层空间层的卫星通信可实现指挥中心与应急通信保障现场之间的广域通信，同时利用卫星通信实现应急通感网络架构中基站的回传链路，连接运营商核心网。临近空间层采用临近空间飞艇搭载舰载基站，利用临近空间飞艇在临近空间的飞行高度，提供大范围的网络覆盖，满足通信网络广覆盖的需求，可为日常护林巡护人员提供网络接入；在发生森林草原火灾时，较多的扑救人员、保障人员、指挥人员均具备通信需求，因此在天空地一体化的应急通感网络架构中可动态加入无人机，无人机搭载的机载基站与舰载基站形成宏站—微站关系，利用机载基站增加通信容量，满足临时大容量通信的需求。

通过设计的小区选择/重选策略，用户通信终端可选择驻留在艇载基站对应小区或机载基站对应小区，根据选择不同的策略，可平衡网络架构整体的通信覆盖和通信容量；用户面通信交换策略在尽可能的情况下采用本地数据交换，减少对卫星通信的负荷，降低卫星通信带宽受限的瓶颈限制。通过所设计的小区选择/重选策略、用户面通信交换策略可以充分发挥临近空间舰载基站宏站广覆盖通信、及无人机机载基站增加通信容量的特点。

（2）针对现有技术存在的以下技术问题：现有对地观测难以满足全天时获取观测数据的需求。当前的对地观测主要利用遥感卫星所搭载的各种光学载荷采集数据，但遥感卫星具备重访周期，通常为几个小时到几天的时间，无法对某一固定地点全天时连续观测，因此可能造成无法及时发现区域内可疑的热点、火点，从而延误火灾预防及扑救的时机。

本方案的解决方案：本发明中采用临近空间飞艇搭载艇载对地观测载荷，可实现对指定区域范围内的对地遥感数据采集。临近空间飞艇可长时间驻留在临近空间某个指定点位附近，且不受地面气候的影响，可全天时、全天候地对地观测，不需要重访周期。同时可通过远端指挥中心控制对地观测载荷，实现大范围区域内的扫描观测、重要地点的定点观测，相对于遥感卫星对地观测更加灵活。

（3）针对现有技术存在的以下技术问题：现有监测感知数据相互独立，难以满足指挥决策的需求。当前监测感知所采用的遥感卫星和地面传感器网络之间相对独立，而实际上遥感卫星主要获取大范围区域内的感知数据，而受分辨率的影响在精度方面有所欠缺。地面传感器网络可在一定范围内获取到较为精确的网格化感知数据，但缺少大范围全局性的感知能力。

本方案的解决方案：本发明中在临近空间飞艇端采用边缘计算的方式，综合利用临近空间飞艇对地观测数据和地面传感器网络数据联合计算，为火险等级分布、火势蔓延分析提供数据输入。临近空间飞艇距离地面几十公里，相对于遥感卫星距离地面几百至上千公里来说，距离地面较近，因此临近空间飞艇对地观测数据本身相对于遥感卫星对地观测数据可具备更高的分辨率。传感器网络可获取较精细的地面网格化观测数据，在日常火灾监测中，结合临近空间飞艇对地观测数据，可采用数据内插及拟合等数据处理方式，利用GIS技术可获取更全面基于地理信息的感知数据。

本发明中的一种天空地一体化的应急通感网络架构，采用四层组网方式实现广覆盖、大容量应急通信保障。

最下面一层为地面层，包括地面传感器网络及用户通信终端；

地面层上层为低空层，包括无人机及机载基站，无人机及机载基站可动态加入或退出；

低空层上层为临近空间层，包括临近空间飞艇及艇载卫星通信系统、艇载基站、艇载传感器服务节点、艇载对地观测光学载荷、艇载边缘计算节点；

临近空间层上层为外层空间层，包括通信卫星。

本方案中的应急通感网络架构中采用小区选择/重选策略，根据小区接收电平、接收信号质量、小区负荷、基站偏好等条件使用户通信终端接入机载基站或艇载基站，达到调整网络覆盖和容量的目的；采用用户面通信交换策略，在通信双方均驻留在机载基站或艇载基站下，采用用户面本地交换的方式节约艇载基站或卫星通信的信道资源。

本方案中的应急通感网络架构中采用空地联合监测感知方法，收集及处理火险分布分析和火势蔓延分析所需的相关数据。艇载传感器服务节点对传感器网络数据进行数据格式统一、坏点数据去除、初始数据关联等预处理，对地观测遥感影像数据进行辐射校正、几何校正等预处理及温度、湿度等相关数据的定量反演。通过网格化数值均值、曲面拟合等数值处理方法获取相关拟合数据，为火险等级分布和火势蔓延分析提供输入数据。

本方案中的天空地一体化的应急通感网络架构在应急通信保障方面，相比于传统的地面组网方式，无需进行基础设施建设，部署快速灵活；相对于传统的无人机组网方式，利用临近空间飞艇的飞行高度，具备更大的网络覆盖面积；结合临近空间飞艇，通过低空层无人机的加入和退出，在保证覆盖范围的前提下，可动态调整网络容量；相对于传统的卫星通信组网，所采用的小区选择/重选策略、用户面通信交换策略，可降低卫星通信的负荷，节约卫星通信资源。

本方案中的天空地一体化的应急通感网络架构在监测感知方面，相比于传统的地面传感器监测感知方式，利用临近空间飞艇搭载的对地观测载荷，具备更大的感知范围；相对于传统的遥感卫星的对地观测，临近空间飞艇具备全天时监测感知能力，同时利用地面传感器监测感知数据结合临近空间飞艇对地观测数据进行插值、拟合，可进一步提高对火险分布和火势蔓延分析的精确度。

如图1所示，在具体实施过程中，本发明中的一种天空地一体化的应急通感网络架构，采用四层组网方式实现广覆盖、大容量应急通信保障，同时具备空地联合监测感知能力。依据各层所处空间位置，分别为地面层、低空层、临近空间层、外层空间层。最下面一层为地面层，包括地面传感器网络及用户通信终端；地面层上层为低空层，包括无人机及机载基站；低空层上层为临近空间层，包括临近空间飞艇及艇载卫星通信系统、艇载基站、艇载传感器服务节点、艇载对地观测光学载荷、艇载边缘计算节点；临近空间层上层为外层空间层，包括通信卫星。

地面层中的地面传感器网络用于采集相关环境数据，如温度、湿度、风力、风向、烟雾等，传感器网络接入舰载基站，通过舰载基站将采集数据发送至舰载传感器服务节点，供后续分析应用；地面层中的用户通信终端是可以通过4G/5G运营商网络通信的通用终端，包括手机、电脑、平板等，用户通信终端可接入低空层无人机机载基站或临近空间层的临近空间飞艇艇载基站，具体接入哪个基站依据本发明中小区选择/重选策略。

低空层通过无人机搭载机载基站，可动态加入或撤出网络，动态加入后可临时增加整个网络的通信容量。这里的无人机可以为普通旋翼无人机、系留旋翼无人机、固定翼无人机、混合翼无人机；机载基站为可支持运营商4G/5G网络通信的基站，机载基站动态加入网络后，与临近空间层的临近空间飞艇艇载基站建立连接，如4G网络中有X2接口支持基站之间的连接。机载基站为地面层提供网络接入。

临近空间层通过临近空间飞艇搭载相关节点设备，临近空间飞艇可长时间驻留在某个固定区域上方，艇载基站为可支持运营商4G/5G网络通信的基站，为低空层、地面层提供固定点网络接入；艇载卫星通信系统通过通信卫星与后端指挥中心、运营商网络通信，用于指挥中心数据回传、基站至运营商网络的回传链路、互联网接入；艇载传感器服务节点从艇载基站接收到原始的传感器数据后进行预处理，包括数据格式统一、坏点数据去除、初始数据关联等；艇载对地观测载荷可实施对地观测数据的采集，观测载荷可为全色光谱、红外、多光谱、孔径雷达等；边缘计算节点综合利用地面传感器网络采集数据和对地观测载荷采集数据，利用内插、拟合等数值处理方法计算相关数据，为火险等级分布和火势蔓延分析提供数据输入。

外层空间层为通信卫星，这里通信卫星指的是宽带通信卫星，可以是中星十号卫星、中星十二号卫星等传统宽带通信，也可以是中星十六号卫星、亚太6D等高通量宽带卫星，也可以是低轨宽带卫星。

在本发明中的一种天空地一体化的应急通感网络架构基础上，设计了基本的小区选择/重选策略，在不同情况下，采用不同小区选择/重选方式。

1.传感器网络只选择临近空间层的艇载基站对应小区；

2.当只有艇载基站情况下，用户通信终端选择/重选艇载基站对应小区；

3.当用户通信终端已经驻留在艇载基站小区情况下，无人机机载基站动态加入网络后，用户通信终端根据两个基站下属小区的接收电平、接收信号质量、小区负荷、小区负荷偏置、基站偏好进行小区重选，其中接收电平、接收信号质量为测量值，小区负荷是对应小区统计值，小区负荷偏置、基站偏好可根据如下策略进行设置：

a)尽量保持现有用户通信终端驻留小区，不进行小区重选；

b)均衡艇载基站小区和机载基站小区负载，部分现有用户通信终端进行小区重选至机载基站对应小区；

c)尽量让现有用户通信终端进行小区重选，驻留在机载基站对应小区下。

4.无人机机载基站动态加入网络后，新的用户通信终端接入网络时，用户通信终端根据两个基站下属小区的接收电平、接收信号质量、小区负荷、小区负荷偏置、基站偏好进行小区选择，其中接收电平、接收信号质量为测量值，小区负荷是对应小区统计值，小区负荷偏置、基站偏好可根据如下策略进行设置：

a)尽量让新的用户通信终端选择无人机机载基站对应小区；

b)均衡艇载基站小区和机载基站小区负载，部分新的用户通信终端选择艇载基站对应小区，部分新的用户通信终端选择机载基站对应小区；

c)尽量让新的用户通信终端选择艇载基站对应小区。

在本发明中的一种天空地一体化的应急通感网络架构基础上，设计了基本的用户面通信交换策略，在不同情况下，采用不同用户面通信数据交换方式。

如图2所示，包括主叫用户驻留在机载基站的情况。

a)主叫用户发起呼叫时首先由机载基站进行判断，若主被叫用户处于同一机载基站下，则在机载基站下进行本地数据交换进行通信；

b)若主被叫用户不处于同一机载基站下，则由艇载基站进行判断，若主被叫用户是否处于同一艇载基站下，则在艇载基站下进行本地数据交换进行通信；

c)若主被叫用户既不处于同一机载基站或艇载基站，则通过通信卫星采用远端数据交换进行通信。

如图3所示，包括主叫用户驻留在艇载基站的情况。

a)主叫用户发起呼叫时首先由艇载基站及机载基站进行判断，若主被叫用户处于同一机载基站或艇载基站下，则在艇载基站下进行本地数据交换进行通信；

b)若主被叫用户即不处于同一机载基站或艇载基站下，则通过通信卫星采用远端数据交换进行通信。

如图4所示，本方案针对主叫用户驻留在本发明网络架构之外的情况，采用远端数据交换进行通信。

本发明中采用空地联合监测感知方法，收集及处理火险分布分析和火势蔓延分析所需的相关数据，为火险分布分析和火势蔓延分析提供数据输入。

1.根据监测感知任务规划或应急任务命令触发，地面传感器网络定时或立即上报采集数据至艇载传感器服务节点；艇载对地观测载荷定时或立即采集对地观测数据，并将数据发送到艇载边缘计算节点。

2.艇载传感器服务节点在接收到地面传感器网络数据后，对数据进行数据格式统一、坏点数据去除、初始数据关联等预处理。

3.艇载边缘计算节点在接收到艇载对地观测遥感影像数据后，进行辐射校正、几何校正等预处理及温度、湿度等相关数据的定量反演；

4.艇载边缘计算节点对待观测区域进行网格化处理，网格划分精度可结合传感器 网络和对地观测影像分辨率精度而定，一种网格划分的示例方法如图4所示。这里将一个对 地观测影像网格划分为四个等分网格，取每个等分网格中心坐标点为网格标识，等分网格 数据可采用如下的加权平均的方式计算，其中等分网格等效数据，、分别为两个地 面传感器网格在对应等分网格内的面积，为艇载对地观测数据在等分网格内去除传感器 网格区域对应的面积，、分别为两个地面传感器测量数据，为艇载对地观测反 演数据：

，为第一个等分网格对应的坐标；

5.艇载边缘计算节点在上述处理后，将获取如下数据集合，这里数据集合可以 为如，等温度、湿度数据集合。后续可以采用曲面拟合数值处理方式进行曲面拟 合，得到、等拟合曲面：

，为第一个等分网格对应的 坐标，为第n个等分网格对应的坐标，为自然数。

6.艇载边缘计算节点将计算得到的拟合曲面作为输入数据，可进一步进行火险分布分析和火势蔓延分析。例如通过根据温度、风力、相对湿度、降水等综合因素划分火险等级；根据地面坡度、坡向、风向、可燃物分布等进行火势蔓延分析。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天空地一体化的应急通感网络架构，其特征在于，包括：

地面层，包括传感器网络，用以采集相关环境数据；

低空层，低空层内设置有利用无人机搭载的无人机机载基站，利用无人机动态加入以搭建低空层网络，用以临时增加整个网络架构的通信容量；

临近空间层，利用舰载基站与无人机机载基站、传感器网络连接，利用舰载卫星通信系统通过通信卫星与后端连接；还设置有艇载传感器服务节点、艇载对地观测光学载荷、艇载边缘计算节点实现感知数据的处理；

外层空间层，包括通信卫星；

地面层包括用户通信终端，用户通信终端按照预设的小区选择和重选策略接入位于低空层的无人机机载基站或位于临近空间层的临近空间飞艇艇载基站；

用户通信终端执行预设的用户面通信交换策略。

2.根据权利要求1所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，其特征在于：传感器网络由不少于一个的地面传感器构成，传感器网络接入舰载基站，通过舰载基站将采集数据发送至舰载传感器服务节点，供后续分析应用。

3.根据权利要求1所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，其特征在于：利用舰载卫星通信系统通过通信卫星与后端的指挥中心、运营商网络通信，用于指挥中心数据回传、基站至运营商网络的回传链路、互联网接入。

4.根据权利要求1所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，其特征在于：临近空间飞艇的艇载传感器服务节点从艇载基站接收到原始的传感器网络获取的相关环境数据后进行预处理，所述预处理包括数据格式统一、坏点数据去除、初始数据关联。

5.根据权利要求1所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，其特征在于：临近空间飞艇的边缘计算节点综合利用地面采集单元采集数据和对地观测载荷采集数据，然后利用预设的数值处理方法计算相关数据，为火险等级分布和火势蔓延分析提供数据输入。

6.根据权利要求1所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，其特征在于，所述小区选择和重选策略包括：

①传感器网络只选择临近空间层的艇载基站对应的小区；

②当仅存在有艇载基站情况下，用户通信终端选择/重选艇载基站对应小区；

③当用户通信终端已经驻留在艇载基站小区情况下，无人机机载基站动态加入网络后，用户通信终端根据艇载基站和无人机机载基站下属小区的通信参数进行小区重选，在通信参数中接收电平、接收信号质量为测量值，小区负荷是对应小区统计值，小区负荷偏置、基站偏好根据预设策略进行设置：

④无人机机载基站动态加入网络后，若存在新加入的用户通信终端接入网络，新加入的用户通信终端根据艇载基站和无人机机载基站下属小区的通信参数进行小区选择，在通信参数中接收电平、接收信号质量为测量值，小区负荷是对应小区统计值，小区负荷偏置、基站偏好根据预设策略进行设置。

7.根据权利要求1所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构，其特征在于，所述用户面通信交换策略包括：

若主叫用户驻留在机载基站时，包括：

①主叫用户发起呼叫时首先由机载基站进行判断，若主被叫用户处于同一机载基站下，则在机载基站下进行本地数据交换进行通信；

②若主被叫用户不处于同一机载基站下，则由艇载基站进行判断，若主被叫用户是否处于同一艇载基站下，则在艇载基站下进行本地数据交换进行通信；

③若主被叫用户既不处于同一机载基站或艇载基站，则通过通信卫星采用远端数据交换进行通信；

若主叫用户驻留在艇载基站，包括：

①主叫用户发起呼叫时首先由艇载基站及机载基站进行判断，若主被叫用户处于同一机载基站或艇载基站下，则在艇载基站下进行本地数据交换进行通信；

②若主被叫用户不处于同一机载基站或艇载基站下，则通过通信卫星采用远端数据交换进行通信。

8.利用权利要求1所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构的监测感知方法，其特征在于，包括：

地面的传感器网络定时或立即上报采集的相关环境数据至艇载传感器服务节点；艇载对地观测载荷定时或立即采集对地观测数据，并将数据发送到艇载边缘计算节点；

艇载传感器服务节点在接收到地面传感器网络上报的数据后，对数据进行预处理；

艇载边缘计算节点在接收到艇载对地观测遥感影像数据后，进行预处理并针对环境数据进行定量反演；

利用艇载边缘计算节点对待观测区域进行网格化处理，然后将获取的数据集合利用曲面拟合数值处理方式进行曲面拟合，得到所需拟合曲面；

艇载边缘计算节点将计算得到的拟合曲面作为输入数据，进一步进行火险分布分析和火势蔓延分析。

9.根据权利要求8所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构的监测感知方法，其特征在于，所述利用艇载边缘计算节点对待观测区域进行网格化处理，包括：

将一个对地观测影像网格划分为四个等分网格，取每个等分网格中心坐标点为网格标识，等分网格数据采用如下的加权平均的方式计算：

；

其中，为等分网格等效数据，/>、/>分别为两个地面传感器网格在对应等分网格内的面积，/>为艇载对地观测数据在等分网格内去除传感器网格区域对应的面积，/>、/>分别为两个地面传感器测量数据，/>为艇载对地观测反演数据，/>为第一个等分网格对应的坐标。

10.根据权利要求8所述的一种天空地一体化的应急通感网络架构的监测感知方法，其特征在于，所述将获取的数据集合利用曲面拟合数值处理方式进行曲面拟合，得到所需拟合曲面，包括：

艇载边缘计算节点在网格化处理后，将获取如下数据集合，数据集合/>包括温度数据集合/>、湿度数据集合/>，采用曲面拟合数值处理方式进行曲面拟合，得到/>、的拟合曲面：

；

其中，为第一个等分网格对应的坐标，/>为第n个等分网格对应的坐标，/>为自然数。