CN213843802U - 一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，包括地面仿真终端、卫星模拟软件和中心监控平台，所述卫星模拟软件与中心监控平台通信相连，所述地面仿真终端与卫星模拟软件通信相连。本实用新型属于卫星地面应用半物理仿真技术领域，具体是一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，克服现有技术的不足，提供了一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，实现了卫星物联网环境监测的地面半物理仿真工作，能够通过仿真终端和中心监视系统，对卫星物联网环境监测系统进行仿真验证。

Description

一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统

技术领域

本实用新型属于卫星地面应用半物理仿真技术领域，具体是指一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统。

背景技术

近年来，低轨物联网卫星星座发展迅猛，相比于传统的物联网，卫星物联网具备覆盖面广、成本低等优势。地面终端采用体积小、功耗低的终端，相比于现有的物联网系统，降低客户的使用成本，突破应用门槛。卫星物联网主要是针对窄带数据通信需求，应用场景主要包括电力物联网、矿山水文监测、海洋牧场、智能集装箱、生态环境监测、森林防火、绿色矿山和智慧农业等领域。

环境监测物联网仿方面，环境监测设备一般会部署到复杂的场景中，如高山、森林、沙漠、海洋、城市等，很多地方存在4G信号覆盖困难，外部环境恶劣等情况。环境物联网卫星仿真终端根据采集需求，对温湿度、大气压强、噪声、二氧化碳、PM值、氧气等信息进行采集，然后通过与卫星进行窄带通信，将数据通过物联网卫星星座转发到地面中心。

随着低轨物联网卫星星座的发展，物联网星座星地链路的地面验证需求也越来越重要。在卫星发射之前，需要对载荷通信协议、卫星链路状态等进行仿真验证。结合卫星的物理运行状态，通过地面验证分析，对星座的窄带通信协议进行验证分析，为星座总体设计及提供相关的依据。

目前，低轨互联网星座在国内还属于起步阶段，在基于窄带通信的“卫星-终端”的应用场景下尚无成熟的半物理仿真验证系统。如何能够在卫星设计阶段，通过地面仿真对卫星终端进行协议验证和应用场景演示，成为目前亟需解决的问题。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本实用新型提供一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，克服现有技术的不足，提供了一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，实现了卫星物联网环境监测的地面半物理仿真工作，能够通过仿真终端和中心监视系统，对卫星物联网环境监测系统进行仿真验证。

本实用新型采取的技术方案如下：本实用新型一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，包括地面仿真终端、卫星模拟软件和中心监控平台，所述卫星模拟软件与中心监控平台通信相连，所述地面仿真终端与卫星模拟软件通信相连；所述地面仿真终端包括传感器模组、采集中心和卫星通信接口，所述卫星通信接口与卫星模拟软件通信相连，所述采集中心与卫星通信接口通信相连，所述传感器模组与卫星通信接口通信相连，所述采集中心能够统一收集各个传感器的采集数据；将采集数据进行预处理和转换，包括温度数据处理；湿度数据处理；气压数据处理；噪声数据处理；二氧化碳数据处理；PM值数据处理；氧气数据数据。

进一步地，所述传感器模组包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、噪声传感器、二氧化碳传感器、PM传感器和氧气传感器，所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器、噪声传感器、二氧化碳传感器、PM传感器和氧气传感器分别与采集中心通信相连，所述采集中心负责采集传感器的数据；卫星通信接口通过无线串口模拟卫星无线通信链路；所述传感器模组能够采集环境中的各类数据，温度传感器采集环境温度；湿度传感器采集环境湿度；气压传感器采集大气压强信息；噪声传感器采集环境噪声信息；二氧化碳传感器，采集大气中二氧化碳的浓度信息；PM传感器，能够采集大气中的PM值信息；氧气传感器，能够采集大气中的氧气浓度信息。

进一步地，所述卫星模拟软件包括卫星轨道预报模块、星地可见性计算模块、通信链路约束模块、星地链路协议模块和无线通信接口，所述无线通信接口与中心监控平台通信相连，所述卫星轨道预报模块、星地可见性计算模块、通信链路约束模块和星地链路协议模块分别与无线通信接口通信相连；所述无线通信接口能够将采集中心的数据按照物联网卫星的通信协议进行打包和组帧，并按照时间顺序放入队列缓存存储；同时，在接收到卫星模拟软件的指令后，可以将队列中的数据帧定时向卫星模拟软件进行无线发送；所述轨道预报模块能够通过SGP4算法，根据TLE文件，对卫星的轨道进行预报，从而获得任意时刻卫星的轨道位置；计算结果采用地球固定坐标系进行表达，结果内容包括：时间、位置X、位置Y、位置Z、速度X、速度Y、速度Z；所述星地可见性计算模块能够根据轨道预报结果，结合地面仿真终端的地理位置(经度、纬度、高程)，计算物联网卫星与地面仿真终端设备的可见弧段；进而，根据可见弧段，向终端发送指令，控制终端向本软件发送卫星短报文数据；所述通信链路约束模块能够根据用户的配置，仿真由于遮挡、信号干扰引起的异常情况，并验证在通信链路受限的情况下，物联网星座的组网能力和整个系统的健壮性；所述星地链路协议模块能够根据物联网星座采用的实际协议，对物联网星座与地面终端的通信进行仿真和模拟。

进一步地，所述中心监控平台包括信息流显示模块、温度分析模块、湿度分析模块，气压分析模块、空气质量分析模块、噪声分析模块和环境健康状态分析模块，所述温度分析模块、湿度分析模块，气压分析模块、空气质量分析模块、噪声分析模块和环境健康状态分析模块分别与信息流显示模块通信相连；所述温度分析模块，对卫星模拟软件转发的温度数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述湿度分析模块，对卫星模拟软件转发的湿度数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述气压分析模块，对卫星模拟软件转发的气压数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述空气质量分析模块，包括二氧化碳、氧气、PM值等指标；二氧化碳浓度分析，对卫星模拟软件转发的二氧化碳浓度数据进行汇总、统计以及分析等工作；氧气浓度分析，对卫星模拟软件转发的氧气浓度数据进行汇总、统计以及分析等工作；PM值分析，对卫星模拟软件转发的PM值数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述噪声分析模块，对卫星模拟软件转发的环境噪声数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述环境健康状态分析模块，根据环境的各项参数指标，进行综合打分，得到环境的健康状态指标。

采用上述结构本实用新型取得的有益效果如下：本方案一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，采用了物理终端结合软件系统的方式，在设计初期，对物联网卫星的在轨工作状态进行了半物理仿真，能够对星座与地面的工作流程和部分参数指标进行验证。

附图说明

图1为本实用新型卫星物联网环境监测半物理仿真系统的组织结构图；

图2为本实用新型卫星物联网环境监测半物理仿真系统地面仿真终端的模块原理图；

图3为本实用新型卫星物联网环境监测半物理仿真系统卫星模拟软件的模块原理图；

图4为本实用新型卫星物联网环境监测半物理仿真系统中心监控平台的模块原理图；

图5为本实用新型卫星物联网环境监测半物理仿真系统的执行流程图；

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-5所示，本实用新型卫星物联网环境监测半物理仿真系统，包括地面仿真终端、卫星模拟软件和中心监控平台，所述卫星模拟软件与中心监控平台通信相连，所述地面仿真终端与卫星模拟软件通信相连；所述地面仿真终端包括传感器模组、采集中心和卫星通信接口，所述卫星通信接口与卫星模拟软件通信相连，所述采集中心与卫星通信接口通信相连，所述传感器模组与卫星通信接口通信相连，所述采集中心能够统一收集各个传感器的采集数据；将采集数据进行预处理和转换，包括温度数据处理；湿度数据处理；气压数据处理；噪声数据处理；二氧化碳数据处理；PM值数据处理；氧气数据数据。

所述传感器模组包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、噪声传感器、二氧化碳传感器、PM传感器和氧气传感器，所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器、噪声传感器、二氧化碳传感器、PM传感器和氧气传感器分别与采集中心通信相连，所述采集中心负责采集传感器的数据；卫星通信接口通过无线串口模拟卫星无线通信链路；所述传感器模组能够采集环境中的各类数据，温度传感器采集环境温度；湿度传感器采集环境湿度；气压传感器采集大气压强信息；噪声传感器采集环境噪声信息；二氧化碳传感器，采集大气中二氧化碳的浓度信息；PM传感器，能够采集大气中的PM值信息；氧气传感器，能够采集大气中的氧气浓度信息。

所述卫星模拟软件包括卫星轨道预报模块、星地可见性计算模块、通信链路约束模块、星地链路协议模块和无线通信接口，所述无线通信接口与中心监控平台通信相连，所述卫星轨道预报模块、星地可见性计算模块、通信链路约束模块和星地链路协议模块分别与无线通信接口通信相连；所述无线通信接口能够将采集中心的数据按照物联网卫星的通信协议进行打包和组帧，并按照时间顺序放入队列缓存存储；同时，在接收到卫星模拟软件的指令后，可以将队列中的数据帧定时向卫星模拟软件进行无线发送；所述轨道预报模块能够通过SGP4算法，根据TLE文件，对卫星的轨道进行预报，从而获得任意时刻卫星的轨道位置；计算结果采用地球固定坐标系进行表达，结果内容包括：时间、位置X、位置Y、位置Z、速度X、速度Y、速度Z；所述星地可见性计算模块能够根据轨道预报结果，结合地面仿真终端的地理位置(经度、纬度、高程)，计算物联网卫星与地面仿真终端设备的可见弧段；进而，根据可见弧段，向终端发送指令，控制终端向本软件发送卫星短报文数据；所述通信链路约束模块能够根据用户的配置，仿真由于遮挡、信号干扰引起的异常情况，并验证在通信链路受限的情况下，物联网星座的组网能力和整个系统的健壮性；所述星地链路协议模块能够根据物联网星座采用的实际协议，对物联网星座与地面终端的通信进行仿真和模拟。

所述中心监控平台包括信息流显示模块、温度分析模块、湿度分析模块，气压分析模块、空气质量分析模块、噪声分析模块和环境健康状态分析模块，所述温度分析模块、湿度分析模块，气压分析模块、空气质量分析模块、噪声分析模块和环境健康状态分析模块分别与信息流显示模块通信相连；所述温度分析模块，对卫星模拟软件转发的温度数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述湿度分析模块，对卫星模拟软件转发的湿度数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述气压分析模块，对卫星模拟软件转发的气压数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述空气质量分析模块，包括二氧化碳、氧气、PM值等指标；二氧化碳浓度分析，对卫星模拟软件转发的二氧化碳浓度数据进行汇总、统计以及分析等工作；氧气浓度分析，对卫星模拟软件转发的氧气浓度数据进行汇总、统计以及分析等工作；PM值分析，对卫星模拟软件转发的PM值数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述噪声分析模块，对卫星模拟软件转发的环境噪声数据进行汇总、统计以及分析等工作；所述环境健康状态分析模块，根据环境的各项参数指标，进行综合打分，得到环境的健康状态指标。

具体使用时，用户开启地面仿真终端的采集中心，向各传感器定时采集状态信息，传感器数据采集完毕后，进行数据处理；地面仿真终端对采集的数据进行二次处理，将原始数据转换为组包卫星协议的数据格式，包括温度数据处理、湿度数据处理，大气压强数据处理、环境噪声数据处理、二氧化碳数据处理、PM值数据处理、氧气数据处理、环境健康状态数据处理等；地面仿真终端对处理后的数据按照物联网卫星协议约定，进行组包和缓存；地面仿真终端通过无线串口模拟卫星无线链路，在收到卫星模拟软件的可见信号后，向卫星模拟软件定时推送缓存区的设备采集信息；卫星模拟软件根据轨道预报模块，对卫星的在轨运行轨道进行预报，并根据预报结果，计算星地的可见弧段，用以建立通信链路；当卫星与设备链路可建立时，卫星模拟软件向地面仿真终端发送指令，地面仿真终端向卫星推送数据；卫星模拟软件，根据通信链路约束模块，对终端数据进行选择性接收，并根据星地链路协议模块，对通信数据进行解析和转发；卫星模拟软件的无线通信模块，将解析后的数据转发到中心监控平台，中心监控平台对数据进行处理、汇总、统计和展示，以上便是本实用新型整体的工作流程，下次使用时重复此步骤即可。

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。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

以上对本实用新型及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，其特征在于：包括地面仿真终端、卫星模拟软件和中心监控平台，所述卫星模拟软件与中心监控平台通信相连，所述地面仿真终端与卫星模拟软件通信相连；所述地面仿真终端包括传感器模组、采集中心和卫星通信接口，所述卫星通信接口与卫星模拟软件通信相连，所述采集中心与卫星通信接口通信相连，所述传感器模组与卫星通信接口通信相连。

2.根据权利要求1所述的一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，其特征在于：所述传感器模组包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、噪声传感器、二氧化碳传感器、PM传感器和氧气传感器，所述温度传感器、湿度传感器、气压传感器、噪声传感器、二氧化碳传感器、PM传感器和氧气传感器分别与采集中心通信相连。

3.根据权利要求2所述的一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，其特征在于：所述卫星模拟软件包括卫星轨道预报模块、星地可见性计算模块、通信链路约束模块、星地链路协议模块和无线通信接口，所述无线通信接口与中心监控平台通信相连，所述卫星轨道预报模块、星地可见性计算模块、通信链路约束模块和星地链路协议模块分别与无线通信接口通信相连。

4.根据权利要求3所述的一种卫星物联网环境监测半物理仿真系统，其特征在于：所述中心监控平台包括信息流显示模块、温度分析模块、湿度分析模块，气压分析模块、空气质量分析模块、噪声分析模块和环境健康状态分析模块，所述温度分析模块、湿度分析模块，气压分析模块、空气质量分析模块、噪声分析模块和环境健康状态分析模块分别与信息流显示模块通信相连。

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