一种天基物联网监控系统及监控方法与流程

本发明涉及天基物联网通信领域，尤其涉及一种抗大频偏的新型低功耗天基物联网监控系统。

背景技术：

现有的天基物联网通信终端为了实现与现有卫星通信，均采用了与地面移动无线网络不兼容的卫星通信体制和协议。因此，该终端需加入额外的通信体制和协议转换模组来实现地面和卫星的联通，不仅额外增加了软硬件、功耗及成本的开销，通信服务质量也受到了一定的影响。另外，卫星与地面终端间的时钟频偏、以及低轨卫星与地面终端的相对运动引入的大尺度多普勒频移均会对天基物联网终端的通信服务质量。而现有的天基物联网终端设计均未考虑此问题。

在基于lora体制的卫星物联网系统方面，有如下与本发明高度相关的专利：

《cn201810567676--一种基于卫星通信的物联网监控系统》。该专利对lora物联网协议层进行了改进，将所有与第一层交互的lora通信相关的机制都交给第二层的网关(传输层)来实现，目的是解决由于网络时延导致的通信效率低下的问题。与本发明专利相比，该专利主要对协议进行改进，且专利内容实际上与卫星不相关。

《cn201620932002.9--基于北斗卫星通讯的lora自组网通讯系统》。该专利中，地面部分使用lora无线技术，而天基部分使用了北斗通信模组，卫星与地面终端通信采用北斗协议，地面终端间通信采用了lora技术，两种协议间转换需要通过协议转换模块。与本发明相比，由于星地通信与地面通信间协议不同，额外增加了转换模块，导致了硬件资源、功耗和成本的额外开销；此外，由于采用了北斗通信芯片，导致星地通信成本较高；最后，未考虑有可能的低轨卫星通信中引入的大尺度多普勒频移、以及时钟频偏对信号解调带来的严重影响。

《cn108134835--一种物联网数据采集传输系统》。该专利中，通过在物联网卫星上安装数据采集系统dcs载荷、船舶自动识别系统ais载荷、海洋浮标argos载荷、广播式自动相关监视ads-b载荷等载荷，实现星地间物联网数据采集。与本发明专利相比，该发明中未采用低功耗的lora无线技术，且由于携带多种不同功能、具有不同协议的载荷，导致其硬件资源、功耗和成本开销均较高。最后，未考虑有可能的低轨卫星通信中引入的大尺度多普勒频移、以及时钟频偏对信号通信质量带来的严重影响。

《cn109525305a--基于lora技术的通信方法、通信系统及通信设备》。该专利与上述第二项专利类似，有信号覆盖时采用lora，无信号覆盖时利用卫星通信，两种通信体制并行。

如上所述，现有的天基物联网通信终端为了实现与现有卫星通信，均采用了与地面移动无线网络不兼容的卫星通信体制和协议。因此，该终端需加入额外的通信体制和协议转换模组来实现地面和卫星的联通，不仅额外增加了软硬件、功耗及成本的开销，通信服务质量也受到了一定的影响。究其原因，主要有三方面：

1.天基物联网的“高门槛”特性。由于我国的商业航天发展较慢，能够拥有独立的卫星载荷资源的企业及公司较少，现有卫星资源大多服务于国家及其相关部门、产业。因此无法在设计阶段做到卫星体制与地面移动通信网直接兼容。

2.lora无线技术提出是为了增大地面通信的覆盖区域，并非为天地通信而生。因此，现有的基于lora技术的卫星物联网监控系统未考虑在卫星上搭载lora载荷。

3.随着5g移动通信的推行，以及移动通信网在全国大部分范围实现覆盖，大多物联网设备的设计基础是均基于了移动通信网络，而未考虑无移动通信网情况。而实际上，在山区、森林、湖泊、海洋、以及一些人烟稀少的地区，均无移动通信网络的覆盖。

技术实现要素：

申请人独立发射了一颗低轨物联网卫星作为卫星网关，卫星网关载荷采用了lora体制设计，可直接与地面lora模式移动通信网络兼容。基于该卫星，申请人研制了新型的基于lora的天基物联网终端，该终端在有lora地面网关覆盖时可使用地面lora网络，在无覆盖时可通过卫星lora网关实现数据交互。

本发明提供了一种天基物联网监控系统，所述天基物联网监控系统包括：地面lora终端，所述地面lora终端采集物联网数据，并将数据传输至地面lora网关；地面lora网关，所述地面lora网关将接收到的来自于地面lora终端的数据传输至卫星lora网关；卫星lora网关，所述卫星lora网关将接收到的来自于地面lora网关的数据传输至地面数据控制中心；地面数据控制中心，接收来自所述卫星lora网关的数据。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控系统中，所述地面数据控制中心对接收到的来自卫星lora网关的数据进行分析、记录、存储和/或显示，并向所述卫星lora网关发送修复和/或升级数据。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控系统中，所述卫星lora网关包括：卫星网关天线，所述卫星网关天线接收来自于地面lora网关和/或地面数据控制中心的模拟信号；卫星网关射频模块，所述卫星网关射频模块对所述模拟信号进行预处理；卫星网关数控变频模块，所述卫星网关数控变频模块对预处理后的数据进行变频处理；卫星网关频偏估计与补偿模块，所述卫星网关频偏估计与补偿模块对变频处理后的数据进行频偏估计与补偿；卫星网关lora模块，所述卫星网关lora模块对上述处理后的数据进行解帧、解码和/或解调处理；卫星网关数据分发控制中心，所述卫星网关数据分发控制中心对上述处理后所获得的数据进行分类并将数据进行分发。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控系统中，所述地面lora网关包括：地面网关天线，所述地面网关天线接收来自于地面lora终端和/或卫星lora网关的模拟信号；地面网关射频模块，所述地面网关射频模块对所述模拟信号进行预处理；地面网关数控变频模块，所述地面网关数控变频模块对预处理后的数据进行变频处理；地面网关频偏估计与补偿模块，所述地面网关频偏估计与补偿模块对变频处理后的数据进行频偏估计与补偿；地面网关lora模块，所述地面网关lora模块对上述处理后的数据进行解帧、解码和/或解调处理；地面网关数据分发控制中心，所述地面网关数据分发控制中心对上述处理后所获得的数据进行分类并将数据进行分发。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控系统中，所述地面数据控制中心包括：地面中心天线，所述地面中心天线接收来自于卫星lora网关的模拟信号；地面中心射频模块，所述地面中心射频模块对所述模拟信号进行预处理；地面中心数控变频模块，所述地面中心数控变频模块对预处理后的数据进行变频处理；地面中心频偏估计与补偿模块，所述地面中心频偏估计与补偿模块对变频处理后的数据进行频偏估计与补偿；地面中心lora模块，所述地面中心lora模块对上述处理后的数据进行解帧、解码和/或解调处理；地面中心数据分发控制中心，所述地面中心数据分发控制中心对上述处理后所获得的数据进行分类并将数据进行分发；地面中心数据分析模块，所述地面中心数据分析模块对地面数据控制中心获得的数据进行分析；地面中心数据监控模块，所述地面中心数据监控模块对地面数据控制中心获得的数据依据预先设定的标准进行监控和/或提示；地面中心存储模块，所述地面中心存储模块对地面数据控制中心获得的数据和生成的数据进行存储；地面中心控制模块，所述地面中心控制模块控制地面数据控制中心各组成部分的运行。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控系统中，所述地面lora终端包括：地面终端微带天线，所述地面终端微带天线接收来自于地面lora网关的模拟信号；地面终端射频模块，所述地面终端射频模块对所述模拟信号进行预处理；地面终端数控变频模块，所述地面终端数控变频模块对预处理后的数据进行变频处理；地面终端lora模块，所述地面终端lora模块对上述处理后的数据进行解帧、解码和/或解调处理；地面终端控制模块，所述地面终端控制模块根据地面lora终端接收到的数据对地面lora终端进行修复和/或升级；地面终端数据采集模块。根据本发明的一个实施方案，所述地面lora终端还包括地面终端频偏估计与补偿模块，所述地面终端频偏估计与补偿模块对变频处理后的数据进行频偏估计与补偿。

本发明还提供了一种天基物联网监控方法，其中：地面lora终端采集物联网数据，并将数据传输至地面lora网关；地面lora网关将接收到的来自于地面lora终端的数据传输至卫星lora网关；卫星lora网关将接收到的来自于地面lora网关的数据传输至地面数据控制中心；地面数据控制中心接收来自所述卫星lora网关的数据，并对接收到的来自卫星lora网关的数据进行分析、记录、存储和/或显示。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控方法中，地面数据控制中心向卫星lora网关发送修复和/或升级数据；卫星lora网关接收来自于地面数据控制中心的修复和/或升级数据并发送至地面lora网关；地面lora网关将接收到的来自于卫星lora网关的修复和/或升级数据发送至地面lora终端；地面lora终端根据接收到的来自于地面lora网关的修复和/或升级数据对自身进行修复和/或升级。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控方法中，地面lora终端采集物联网数据并将数据传输至地面lora网关过程为：地面终端数据采集模块采集物联网数据并发送至地面终端lora模块进行调制、编码和/或组帧处理；地面终端lora模块处理后的数据通过地面终端数控变频模块进行变频；变频后的数据经地面终端射频模块处理后通过地面终端微带天线发出。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控方法中，地面lora网关接收来自于地面lora终端的数据和/或接收来自于卫星lora网关的过程为：通过地面网关天线接收模拟信号，通过地面网关射频模块预处理后，由地面网关数控变频模块完成变频，变频后的数据由地面网关频偏估计与补偿模块进行频偏估计与补偿，无频偏的信号输入至地面网关lora模块中进行解帧、解码和/或解调处理，依据所获得数据内容对数据进行分类，由地面网关数据分发控制中心将数据进行分发。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控方法中，卫星lora网关接收来自于地面lora网关的数据和/或接收来自于地面数据控制中心的数据的过程为：通过卫星网关天线接收模拟信号，通过卫星网关射频模块预处理后，由卫星网关数控变频模块完成变频，变频后的数据由卫星网关频偏估计与补偿模块进行频偏估计与补偿，无频偏的信号输入至卫星网关lora模块中进行解帧、解码和/或解调处理，依据所获得数据内容对数据进行分类，由卫星网关数据分发控制中心将数据进行分发。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控方法中，地面数据控制中心接收来自所述卫星lora网关的数据的过程为：通过地面中心天线接收模拟信号，通过地面中心射频模块预处理后，由地面中心数控变频模块完成变频，变频后的数据由地面中心频偏估计与补偿模块进行频偏估计与补偿，无频偏的信号输入至地面中心lora模块中进行解帧、解码和/或解调处理。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控方法中，地面lora终端根据接收到的来自于地面lora网关的修复和/或升级数据对自身进行修复和/或升级过程为：地面终端lora模块输出修复和/或升级数据至地面终端控制模块，由地面终端控制模块判断数据类型，并对地面lora终端进行修复和/或升级。

根据本发明的一个实施方案，天基物联网监控方法中，地面lora终端根据接收到的来自于地面lora网关的修复和/或升级数据对自身进行修复和/或升级过程为：通过地面终端微带天线接收模拟信号，通过地面终端射频模块预处理后，由地面终端数控变频模块完成变频，变频后的数据由地面终端频偏估计与补偿模块进行频偏估计与补偿，无频偏的信号输入至地面终端lora模块中进行解帧、解码和/或解调处理，地面终端lora模块输出修复和/或升级数据至地面终端控制模块，由地面终端控制模块判断数据类型，并对地面lora终端进行修复和/或升级。

本发明提出的天基物联网监控系统基本功能：

1)数据上行：地面lora终端采集物联网数据，并将数据传输至地面lora网关或天基卫星lora网关；地面lora网关和卫星lora网关均将数据传输至地面数据控制中心。

2)数据下行：地面数据控制中心通过地面lora网关或卫星lora网关下发控制信息或相应数据；

3)数据分析：地面数据控制中心收集各物联网节点设备上报的信息并进行相应的数据分析、记录、存储及显示功能；

4)监控和配置功能：地面数据控制中心向卫星lora网关发送校准信息、配置更新信息及软件升级脚本，完成卫星lora网关的软件升级、配置更新及校准。同时卫星lora网关和地面lora网关定时收集各地面终端的自检信息及状态信息，汇集至地面数据控制中心对天基物联网监控系统状态进行全面监控。

本发明提出的天基物联网监控系统运行的基本机制和规则

1)地面lora终端是物联网数据的采集终端，采集到的数据直接发送至卫星lora网关；此外，为便于架设和携带，地面lora终端采用了小型化及低功耗设计。故而，地面lora终端不能直接接收卫星lora网关发出的信号，需通过地面lora网关转发。

2)地面lora网关是局部物联网的控制中心。一方面，该网关接收地面数据控制中心发出的、并由卫星lora网关转发的控制和配置更新信息；另一方面，地面lora网关将此信息以广播方式发送至此地面lora网关覆盖范围的局部物联网地面终端中。地面lora网关不需要具备地面到卫星的发射功能。

3)卫星lora网关的基本功能是数据的交互中继，它本身不做任何信号处理，只是将接收到的数据转发出去。由于卫星的覆盖范围广，因此可实现通过卫星lora网关实现广域物联网，覆盖面积可达到全球90％面积。

4)地面数据控制中心主要功能是接收卫星lora网关转发的各个物联网节点采集到的数据，并进行分析和处理；此外，还可将相应的控制和配置信息发射至卫星lora网关上。

附图说明

图1为本发明的天基物联网监控系统组成示意图。

图2为本发明的卫星lora网关组成及运行示意图。

图3为本发明的地面lora终端组成及运行示意图。

图4为本发明的地面数据控制中心组成及运行示意图。

图5为本发明的频偏估计与补偿方法步骤示意图。

图6为本发明一个具体实施方式中相位估计辅助下的残余频率估计环路组成示意图。

图7为本发明一个具体实施方式中卫星lora网关设计方案示意图。

图8为本发明一个具体实施方式中地面lora终端设计方案示意图。

图9显示了一个具体实施方式中不同blf下频偏估计精度随bl变化曲线。

图10显示了一个具体实施方式中不同bl下频偏估计精度随blf变化曲线。

图11显示了一个具体实施方式中不同blf下频偏估计精度随载噪比(c/no)变化曲线。

图12显示了一个具体实施方式中不同bl下频偏估计精度随载噪比(c/no)变化曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施方式。虽然附图中显示了本发明的具体实施方式，应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

如图1所示，本发明提出的天基物联网监控系统包括卫星lora网关、地面lora终端、地面数据控制中心、地面lora网关。

如图2所示，本发明卫星lora网关(satelliteloranet-gate，sln)由卫星网关天线(antenna)、卫星网关射频模块(rfmodule)、卫星网关数控变频模块(ddcmodule)、卫星网关频偏估计与补偿模块(frequencyoffsetestimationandcompensationmodule，foec)、卫星网关lora模块(loramodule)、卫星网关数据分发控制中心(datadistributionmanagementmodule，ddm)等组成。

sln的工作流程可分为上行链路和下行链路。

上行链路：首先，sln通过卫星网关天线接收模拟信号，通过卫星网关射频模块预处理后，由ddc模块完成下变频；然后，下变频后的数据首先由foec模块进行频偏估计与补偿，以消除频偏(包括由于卫星与卫星间或卫星与地面间的相对高速运动引起的多普勒频移，以及星间或星地的时钟频差、频率抖动等)；其次，在消除频偏后，无频偏的信号输入至卫星网关lora模块中进行解帧、解码、解调等处理后得到实际信息；最后，依据信息内容对信息进行分类，由ddm模块将信息进行分发(如进行广播、传输至某一地面lora终端、或传输至地面数据控制中心等)。

下行链路：首先，ddm模块判断数据是否需要通过卫星lora网关发出，需发出的数据由ddm模块输入至lora模块，并由该模块进行调制、编码、组帧等处理；然后，卫星网关lora模块输出的帧数据输入至ddc模块进行上变频处理；最后，上变频后的数据经rf模块处理后，由卫星网关天线发出。

地面lora网关(groundloranet-gate，gln)功能模块的基本组成与sln相同。基本功能的区别有两点：1)地面lora网关接收的数据主要为卫星lora网关转发的由地面数据控制中心发出的控制及配置更新信息；2)地面lora网关发送数据的接收方主要为地面lora终端，目的是将收到的控制及配置更新信息通过广播的方式告知地面lora网关信号可覆盖区域内的所有地面lora终端。

如图3所示，地面lora终端(groundloraterminal，glt)由地面终端微带天线(microstripantenna)、地面终端射频模块(rfmodule)、地面终端数控变频模块(ddcmodule)、地面终端lora模块(loramodule)、地面终端控制模块(controlmodule)、地面终端数据采集模块(datacollectionmodule，dcm)及其对应地面终端数据采集接口(interface)等组成。地面lora终端的工作流程可分为上行链路和下行链路两部分。

上行链路：glt在工作时，首先由dcm模块通过其数据采集接口采集数据，数据可以来自传感器(sensor)、机器(machine)、用户(user)、设备(device)等物联网节点；然后，dcm将采集到的数据发送至地面终端lora模块，进行调制、编码、组帧等处理；其次，地面终端lora模块处理后的数据通过ddc模块进行上变频；最后，上变频后的数据经地面终端射频模块处理后通过微带天线发出。

下行链路：是指gtl接收由地面lora网关转发的控制及配置更新信息。地面终端lora模块输出的数据输入至地面终端控制模块，由地面终端控制模块判断数据类型，并对地面lora终端系统的控制或配置进行更新。

地面lora终端的设计理念是小型化乃低功耗，故而，本系统地面终端天线采用体积更小的微带天线设计方案，通过压缩天线的占用空间，来实现小型化设计。此外，通过选用功耗更小的芯片、优化方法、合理控制休眠及工作切换等方法来实现低功耗设计。

地面数据控制中心(grounddatacontrolling-center，gdc)组成如图4所示，由地面中心天线(antenna)、地面中心射频模块(rfmodule)、地面中心数控变频模块(ddcmodule)、地面中心频偏估计与补偿模块(frequencyoffsetestimationandcompensationmodule，foec)、地面中心lora模块(loramodule)、地面中心数据分发控制中心(datadistributionmanagementmodule，ddm)、地面中心数据分析模块(dataanalysismodule，dam)、地面中心数据监控模块(datamonitormodule，dmm)、地面中心存储模块(storagemodule)以及地面中心控制模块(controllingmodule)等组成。地面数据控制中心的功能包括通信功能及数据处理功能两部分。

通信功能：亦分为上行链路与下行链路，上行链路的目的是将控制及配置更新信息传输至卫星lora网关，而下行链路则接收由卫星lora网关转发的、各地面lora物联网采集到的数据。

数据处理功能：对接收到的物联网数据进行处理，包括了数据分析、数据监控、数据存储以及控制等模块。其中，数据分析模块是在高性能网络计算环境下，将采集到的大量或海量信息资源通过计算整合成一个可互联互通的大型智能网络，为更高层的服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠和可信的网络计算超级平台；同时，数据分析模块中利用了各种智能处理技术、高性能分布式并行计算技术等多种现代信号处理技术。数据监控模块是监控数据来源的正确行和可靠行，防止外来设备或信息带来的干扰；通过智能加密技术来保障信息的可靠性。数据存储模块通过大数据技术、海量存储与数据挖掘技术等实现数据的智能化存储和提取功能。控制模块的作用有二：一是管理和控制整个地面数据控制中心的正常运行；二是采用数据管理与控制技术，对面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台进行管理和控制，以保障物联网系统的正常和平稳运行。

图5示出了本发明的对信号的频偏估计与补偿方法示意图。通信的目的是正确的接收到目的信息，而信息需要通过对接收信号的解调提取出来。故而，信号解调正确的关键技术主要集中在信号同步技术上。此外，由于卫星lora网关与多个地面终端突发通信，这就要求信号的解调必须与接收同步进行，否则会造成数据的大量拥塞。因此，针对本发明中卫星lora物联网突发信号符号长度短、独特码少的特点，提出一种改进的四级快速信号频偏估计与补偿方法对频偏进行估计和补偿，以使信号完成快速同步及解调。该方法对信号的处理采用了流水线技术，信号处理过程不需要对接收信号进行存储，且不会对下一次通信造成任何影响，保障了卫星lora网关所应具有的大量接入能力。

本发明提出了信号频偏估计与补偿方法，该方法适用于本发明的卫星网关频偏估计与补偿模块、地面网关频偏估计与补偿模块、地面中心频偏估计与补偿模块以及地面终端频偏估计与补偿模块，其示意图如图6所示，该方法包括：

第一级：对接收信号x(t)进行时频二维搜索，判断当前频偏值f1及起始位置；并将当前频偏补偿至接收信号x(t)中，得到新的信号y1(t)；

第二级：从y1(t)取一段数据，对该段数据进行扩频码消除运算，得到的信号首先累加，然后sinc内插，接着重新对内插后的信号进行傅里叶变换，并判断当前频偏值f2，最后将当前频偏补偿至y1(t)，消除此频偏，并得到新的信号y2(t)；

第三级：从y2(t)取一段相较第二级过程更长的数据，对该段数据进行扩频码消除运算，得到的信号首先累加，然后sinc内插，接着重新对内插后的信号进行傅里叶变换，并判断当前频偏值f3，最后将当前频偏补偿至y2(t)，消除此频偏，并得到新的信号y3(t)；

第四级：采用二阶锁频环辅助三阶锁相环，对信号y3(t)进行锁定和跟踪，进一步消除剩余频偏和相偏。锁定后可得到剩余频偏为fd4，将此频偏反馈至ddc模块，将此频偏消除，得到几乎无频偏和相偏的信号y4(t)。将y4(t)输入至lora模块进行处理，即可得到实际信息。

进一步的，假设lora信号扩频因子为κ(即一个lora符号由2^κ个chirp组成，并假设扩频码长也为2^κ)，信号带宽(bw，bandwidth)为b。则上述的四级快速频偏估计与补偿方法具体由以下步骤执行：

s1、对接收到ddc模块处理后的信号x(t)取长度为n＝2^κ+1的一段做快速傅里叶变换(fft)得到频域信号x(f)；对长度为2^κ的扩频码p(t)做fft得到其频域信号为ρ(f)，并对ρ(f)补零使其长度等于n。

s2、将x(f)分别循环左移和右移点。其中，foffset为接收信号中存在的频偏，fs为奈奎斯特采样率且满足fs≥2b，max(foffset)是频偏的最大可能值(用来表示频偏的范围)。x(f)及其循环移位后的2nshift组数据分别与ρ(f)做圆周卷积，得到的(2nshift+1)组结果做逆傅里叶变换(ifft)，得到的(2nshift+1)组信号为ci(t)(i∈[-nshift,+nshift])。

s3、检索信号ci(t)的最大幅值ac，并与预先设定的参考门限比较。若则意味着具有突发性的物联网lora信号到达。而且，ac所在位置即为此突发lora信号的起始位置s，ac所在的信号组编号i对应着估计出的当前频偏为将f1补偿至x(t)中，以消除此频偏，并得到信号y1(t)。

s4、以位置s为起点，从y1(t)中取长度为αn的一段数据x1(t)，其中α为精度系数，且α≥2。同时，将扩频码重复α次构成信号p1(t)。将x1(t)与p1(t)对应相乘，得到信号ψ1(t)。

s5、将信号ψ1(t)以长度n分为α段，并将这α段数据累加。对累加后的信号补零使其长度延长为αn，并对延长后的信号做fft。检索fft后信号的最大幅值，其所在位置j1对应着y1(t)中存在的频偏将f2补偿至y1(t)中，以消除此频偏，并得到信号y2(t)。

s6、以位置s为起点，从y2(t)中取长度为βαn的一段数据x2(t)，其中β也为精度系数，且β≥2。同时，将扩频码重复βα次构成信号p2(t)。将x2(t)与p2(t)对应相乘，得到信号ψ2(t)。

s7、将信号ψ2(t)以长度n分为βα段，并将这βα段数据累加。对累加后的信号补零使其长度延长为βαn，并对延长后的信号做fft。检索fft后信号的最大幅值，其所在位置j2对应着y2(t)中存在的频偏将f3补偿至y2(t)中，以消除此频偏，并得到信号y3(t)。

s8、将y3(t)输入至相位估计辅助下的残余频率估计环路中(环路结构如下图6所示)，同时进行残余频率和实时相位的更精确的估计，得到残余频率估计fresidual和相位估计θ4，对应剩余频偏为将f4补偿至y3(t)中，以消除此频偏，并得到信号y4(t)。这里信号y4(t)已经基本消除频偏，故可以直接输入至lora模块从而提取出实际信息。

其中，s1-s3为第一级，s4-s5为第二级，s6-s7为第三级，s8为第四级。第四级决定了本发明方法的频偏估计精度。频偏估计的性能曲线如图9至12所示。

基于本发明，首先解决了卫星通信与地面移动通信网络的兼容问题。由于卫星上搭载了本发明设计的lora网关，且地面假设了lora网关和lora终端，因此卫星与地面形成了完整了基于lora体制的网络覆盖。因此，本发明的物联网监控系统不再需加入额外的通信体制和协议转换模组来满足地面和卫星的联通。

其次，本发明解决了无地面网络覆盖地区的物联网接入问题。由于卫星lora网关具有远大于地面移动通信网络的覆盖面积，因此可以满足如山区、森林、湖泊、海洋以及一些人烟稀少的地区的物联网接入。

另外，本发明降低了终端设备的功耗、软硬件开销和成本。由于本发明的天基物联网监控系统解决了天地通信体制的兼容问题，不需配备额外的体制转换模组；进一步的，现有的物联网天地通信一般使用北斗通信网络，由于北斗卫星一般处于中高轨，而本发明的卫星lora网关为低轨网关，因此只需更低的功耗即可实现星地通信。

此外，本发明还提升了物联网接入的服务质量。本发明的天基物联网监控系统提出了一种改进的四级快速频偏估计与补偿方法对频偏进行估计和补偿，大大降低了信号错误传输的概率，提升了服务质量。

本发明中的卫星lora网关及地面lora网关sln和gln的一种具体实施方案如图7所示，天线由可伸展八目天线，射频模块可由发射和接收射频前端模块组成，ddc模块包含上变频和下变频芯片，分别可采用hmc521a和hmc951a芯片。信号在输入foec模块前需先进行模数转换，该处理可选用芯片选用ad5592；lora模块输出的信号需首先进行数模转换，该处理可使用ad5761。foec和ddm功能由fpga实现，可选用stratix公司的高性能ep2s180芯片。lora模块功能可通过semtech公司的sx1278芯片实现。

本发明的地面lora终端glt的一种具体实施方案如图8所示，天线采用小体积的微带天线，基于贴面阵列设计。射频模块、ddc模块、lora模块均与卫星lora网关相同。foec和ddm功能由低功耗的单片机实现，选用美国德州仪器的msp430芯片。数据接口包含了uart、lan、spi三种接口，可适配不同的物联网终端。

本发明的地面数据控制中心的一种具体实施方案可以是，地面数据控制中心的信号处理部分结构与gln基本相同，主要区别在于天线。天线架设于50m高度的楼顶，视野开阔，周围无遮挡，便于低仰角时的卫星数据收发。低噪声放大器置于天线底部，通过低损耗馈线与天线连接。低噪声放大器距离机房设备距离为20米左右，保证系统的馈线损耗较低，不会由于损耗过大而导致通信失败，其损耗值均控制在2～3db之内，完全满足卫星信号的传输需求。

dam、dmm和控制模块采用服务器级的戴尔(dell)t5820p5820x塔式图形工作站台式机搭建，可支持数据挖掘/深度学习等相关方法；存储模块则采用戴尔(dell)r940xa机架式服务器构架，支持大容量存储和基于人工智能基因数据计算的存储管理和分配；此外，还提供网站和app查询相关数据和数据分析结果。

本发明中的频偏估计与补偿方法进一步可以具体为如下过程：

s1、时域离散信号转换成频域离散信号：

s11、对接收到的ad采样后的离散信号x(n)取长度为n＝2^κ+1的一段，做n点的fft得到其频域信号x(m)；

s12、对长度为2^κ的扩频码元p(n)做fft得到其频域信号为ρ(m)，并对ρ(m)补零使其长度等于n。

s2、时域、频域二维搜索：

s21、将x(m)分别循环左移和右移点，得到含有(2nshift+1)个向量的矩阵x＝{x(m-nshift),…,x(m-1),x(m),x(m+1).…,x(m+nshift)}；

s22、将此矩阵与ρ(m)卷积，可得γ＝x*p(m)，其中γ的第k个向量为γ(k)＝x(k)*p(m)；

s23、对矩阵γ中的每个向量分别求ifft，得到矩阵y。

s3、锁定时域位置(即信号的起始位置)及频偏估计值：

s31、寻找矩阵y的最大值ymax＝y(c,l)＝max(y)；若则意味着具有突发性的物联网lora信号到达。若则无物联网信号，回到s1重新开始搜索。

s32、若有信号，则此突发lora信号的起始位置为l；对应的频偏估计值为

s33、将f1反馈至下变频模块中，消除此频偏，并得到新的采样信号y1(n)。

s4、以位置l为起点，从y1(n)中取长度为αn的一段数据x1(n)，其中α为精度系数，且α≥2。同时，将扩频码重复α次构成信号p1(n)。将x1(n)与p1(n)对应相乘，得到信号ψ1(n)。

s5、将信号ψ1(t)以长度n分为α段。将这α段数据累加，并对累加后的信号补零使其长度延长为αn。

s6、对延长后的信号做fft。并检索fft后信号最大幅值所在位置j1。此时可得到y1(n)中存在的频偏将f2反馈至下变频模块中，以消除此频偏，并得到新的采样信号y2(n)。

s7、以位置l为起点，从y2(n)中取长度为βαn的一段数据x2(n)，其中β也为精度系数，且β≥2。同时，将扩频码元重复βα次构成信号p2(n)。将x2(n)与p2(n)对应相乘，得到信号ψ2(n)。

s8、将信号ψ2(n)以长度n分为βα段，并将这βα段数据累加。对累加后的信号补零使其长度延长为βαn。

s9、延长后的信号做fft。检索fft后信号的最大幅值，其所在位置j2对应着y2(n)中存在的频偏将f3补偿至下变频模块中，以消除此频偏，并得到新的采样信号y3(n)。

s10、将y3(n)输入至相位估计辅助下的残余频率估计环路中(环路结构如图6所示)，同时进行残余频率和实时相位的更精确的估计，得到残余频率估计fresidual和相位估计θ4，对应剩余频偏为将f4输入至下变频模块中，以消除此频偏，并得到信号y4(n)。这里信号y4(n)已经基本消除频偏，故可以直接输入至lora模块从而提取出实际信息。

其中，s1-s3为本频偏估计方法的第一级，s4-s6为第二级，s7-s9为第三级，s10为第四级。第四级决定了本发明方法的频偏估计精度。

频偏估计的性能曲线如图9至12所示。突发信号的符号速率为12khz，频偏范围为[-1mhz,1mhz]。由于频偏估计性能主要由第四级决定，而第四级的锁相辅助锁频设计对频偏的估计性能主要受锁相环噪声滤波带宽(bl)和锁频环噪声滤波带宽(blf)影响。此外，估计性能还受信号噪声大小影响。

假设信号符号信噪比为0db，图9给出此时不同锁频环噪声滤波带宽(blf)下，频偏估计精度随锁相环噪声滤波带宽(bl)变化曲线。其中四条曲线由上往下依次为blf＝20hz、blf＝15hz、blf＝10hz、blf＝5hz。显然，存在最佳bl，使得频偏估计精度最优；此外，随着blf的增大，频偏估计性能逐渐下降。且blf＝5hz、bl＝8hz时，得到最优频率估计精度，约为1.837e-4hz。

假设信号符号信噪比为0db，图10给出此时不同锁相环噪声滤波带宽(bl)下，频偏估计精度随锁频环噪声滤波带宽(blf)变化曲线。其中四条曲线最左端由上往下依次为bl＝20hz、bl＝15hz、bl＝10hz、bl＝5hz。显然，随着blf的增大，频偏估计性能逐渐下降。此外，随着bl的增大，可得到的最优频偏估计性能逐渐降低。

假设bl为5hz，图11给出此时不同锁频环噪声滤波带宽(blf)下，频偏估计精度随载噪比(c/no)变化曲线。其中四条曲线由上往下依次为blf＝20hz、blf＝15hz、blf＝10hz、blf＝5hz。显然，随着c/no的增大，频偏估计性能逐渐下降。此外，随着blf的增大，频偏估计性能逐渐降低。

假设blf为5hz，图12给出此时不同锁相环噪声滤波带宽(bl)下，频偏估计精度随载噪比(c/no)变化曲线。其中四条曲线最右端由上往下依次为bl＝20hz、bl＝15hz、bl＝10hz、bl＝5hz。显然，随着c/no的增大，频偏估计性能逐渐下降。此外，随着bl的增大，可得到的最优频偏估计性能逐渐降低。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。