低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法与系统与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法以及一种低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发系统。


背景技术：

2.终端设备通过卫星通信的特点是波束的覆盖范围和倾角会不断变化。终端设备成功接入卫星网络之前需要搜索可用网络，由于低轨卫星不断移动，其波束覆盖范围不断变化，且与卫星通信的终端设备本身也可能存在位置变化，这都增加了终端设备搜索到卫星网络的难度。如果终端设备没有卫星所在的位置信息，直接盲搜卫星信号，有可能会花费数小时才能成功搜索到网络，这就需要终端设备持续开机，无法满足物联网终端保持低功耗的使用需要。通过提供给终端设备卫星的星历，终端设备可根据星历信息进行可见性推算。当卫星过顶时，终端主动开机进行数据传输，达到保持终端可靠性唤醒、维持低功耗的目的。
3.随着时间变化，终端设备内星历数据长期不更新将导致可见性推算误差增大，造成终端设备预测的轨道或卫星的位置精度下降，最终可能造成终端设备无法在卫星过顶期间可靠性唤醒，失去与卫星通信的机会。因此终端能否持续获取更新后的精确星历数据，进而通过星历数据进行准确的可见性推算，对于物联网终端实现低功耗、确保可靠通信至关重要。
4.国外比较著名的卫星物联网公司orbcomm为全球提供双向通信的天基短报文和物联网服务，其通信服务质量在全球处于领先地位。orbcomm系统工作在137-150mhz频段，每个卫星以4800bps速率广播连续数据包，同时接收终端2400bps的突发报文。orbcomm系统服务质量取决于卫星数量、信关站数量和用户的位置，一颗卫星对地覆盖3200平方公里。
5.orbcomm终端与卫星通信流程如下：用户发射机连续发射4800bps的数据流，用户终端利用该信号检测是否被卫星覆盖，同时还接收到指定的上行发射频率。卫星的用户发射机同时广播卫星当前位置和速度信息，这些信息由星上计算机根据gps机接收的信息计算得到，每4秒分发一次。由于其卫星数量超过35颗，终端发送信息最大时延不超过15分钟，因此终端只需要定期开机盲搜卫星信号即可，不需要通过星历计算定期开机唤醒来保持低功耗模式。starlink属于卫星互联网，其终端天线尺寸较大，终端部署于室外，持续供电，被动接受卫星信号，之后通过天线波束赋形技术指向对应卫星，实现双向数据通信，该卫星互联网终端也无需进行相关星历计算。除此以外，国内外在终端也尝试使用定时唤醒和数据唤醒的机制实现终端的通信功能，对终端星历计算尚无报道。
6.低轨卫星物联网终端必须做到轻量化、小型化、低功耗才能便于集成到现有行业移动终端内部，实现更多场景应用，终端低功耗方面必须通过可靠唤醒才能实现，可靠性唤醒是基于准确的可见性推算才能实现，其中卫星星历数据是可见性推算的核心数据。
7.国内天基物联网工程中行云工程建设的天基物联网系统完成度最高，其架构组成包含空间段、地面段、用户段。其中行云物联网终端采取自主研发设计，其低功耗性能在国
内处于领先水平。但天基物联网尚处于发展阶段，星座规模较小，通信时延较大，不能采用盲搜方式搜索卫星信号，终端必须采用突发式通信、定期唤醒方式才能保持低功耗。物联网终端低功耗唤醒技术相关研究主要集中在地面物联网终端，而对于低轨卫星物联网终端的唤醒机制研究经验较少，且工程经验较少。终端低功耗技术中，可靠性唤醒主要由终端自身进行可见性推算得出卫星准确过顶时间实现，其中星历分发环节在国内尚无成熟工程实践经验参考。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本发明提供了一种低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法与系统，通过对卫星星历数据的采集及crc校验，并在卫星星历数据进行星历时效性比对判断卫星星历数据存在更新时组包所有卫星星历数据，并在物联网终端发送上行消息时自动下发更新卫星星历数据，确保系统内的卫星星历数据处于最新且有效的状态，使得低轨卫星物联网终端能够进行可见性推算得出卫星准确过顶时间实现可靠性唤醒，实现终端的轻量化、小型化和低功耗。
9.为实现上述目的，本发明提供了一种低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法，包括：
10.采集卫星星历数据，并对来自卫星遥测数据的卫星星历数据进行坐标系转换；
11.对所述卫星星历数据进行crc校验，并对通过crc校验的所述卫星星历数据进行星历时效性比对，判断所述卫星星历数据是否存在更新；
12.若至少一颗卫星的所述卫星星历数据存在更新，则将所有卫星的卫星星历数据组包并发送至星历分发网关，并进行持久化存储；
13.在物联网终端与所述星历分发网关建立无线通信后，若接收到所述物联网终端的上行信息，则默认向所述物联网终端回复持久化存储的所有卫星的所述卫星星历数据。
14.在上述技术方案中，优选地，所述采集卫星星历数据的具体方式包括：
15.接收卫星的延时遥测数据和实时遥测数据，并由所述延时遥测数据和所述实时遥测数据中摘取对应卫星的j2000坐标系下的卫星星历数据，并通过坐标系转换算法转换为wgs-84坐标系下的卫星星历数据；或者，
16.采用独立的星历采集终端持续开机监测卫星信号，以接收卫星下发的卫星星历数据。
17.在上述技术方案中，优选地，针对未通过crc校验的卫星星历数据，直接丢弃。
18.在上述技术方案中，优选地，所述星历分发网关包括地面蜂窝网关、广域网关和蓝牙网关，所述物联网终端通过任一类型网关与所述星历分发网关建立无线通信后，所述星历分发网关通过对应的无线通信网关向所述物联网终端回复所述卫星星历数据。
19.在上述技术方案中，优选地，所述卫星星历数据中至少包含卫星轨道状态信息和卫星轨道参数信息。
20.本发明还提出一种低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发系统，应用如上述技术方案中任一项公开的低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法，包括：
21.星历数据生成及采集模块，用于采集卫星星历数据，并对来自卫星遥测数据的卫星星历数据进行坐标系转换；
22.星历数据处理及分发模块，用于对所述卫星星历数据进行crc校验，并对通过crc校验的所述卫星星历数据进行星历时效性比对，判断所述卫星星历数据是否存在更新；
23.若至少一颗卫星的所述卫星星历数据存在更新，则将所有卫星的卫星星历数据组包并发送至星历分发网关，并进行持久化存储；
24.星历数据分发网关模块，用于在物联网终端与所述星历分发网关建立无线通信后，接收到所述物联网终端的上行信息时，默认向所述物联网终端回复持久化存储的所有卫星的所述卫星星历数据。
25.在上述技术方案中，优选地，所述星历数据生成及采集模块具体用于：
26.接收卫星的延时遥测数据和实时遥测数据，并由所述延时遥测数据和所述实时遥测数据中摘取对应卫星的j2000坐标系下的卫星星历数据，并通过坐标系转换算法转换为wgs-84坐标系下的卫星星历数据。
27.在上述技术方案中，优选地，所述星历数据处理及分发模块针对未通过crc校验的卫星星历数据，直接丢弃。
28.在上述技术方案中，优选地，所述星历分发网关包括地面蜂窝网关、广域网关和蓝牙网关，所述物联网终端通过任一类型网关与所述星历分发网关建立无线通信后，所述星历分发网关通过对应的无线通信网关向所述物联网终端回复所述卫星星历数据。
29.在上述技术方案中，优选地，所述卫星星历数据中至少包含卫星轨道状态信息和卫星轨道参数信息。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过对卫星星历数据的采集及crc校验，并在卫星星历数据进行星历时效性比对判断卫星星历数据存在更新时组包所有卫星星历数据，并在物联网终端发送上行消息时自动下发更新卫星星历数据，确保系统内的卫星星历数据处于最新且有效的状态，使得低轨卫星物联网终端能够进行可见性推算得出卫星准确过顶时间实现可靠性唤醒，实现终端的轻量化、小型化和低功耗。
附图说明
31.图1为本发明一种实施例公开的低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法的数据流示意图；
32.图2为本发明一种实施例公开的低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法的工作流程示意图。
33.图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
34.1.星历数据生成及采集模块，2.星历数据处理及分发模块，3.星历分发网关，4.物联网终端，5.星历采集终端。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
36.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
37.如图1和图2所示，根据本发明提供的一种低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法，包括：
38.采集卫星星历数据，并对来自卫星遥测数据的卫星星历数据进行坐标系转换；
39.对卫星星历数据进行crc校验，优选地，针对未通过crc校验的卫星星历数据，直接丢弃该卫星星历数据，针对通过crc校验的卫星星历数据，进行星历时效性比对，判断卫星星历数据是否存在更新；
40.由于需要发送多颗卫星星历，循环判断每一颗卫星的星历数据的时效性，只要有一颗卫星的星历数据是更新的，即至少一颗卫星的卫星星历数据存在更新，就将所有卫星的卫星星历数据组包并发送至星历分发网关3，并进行持久化存储，待下一次触发星历数据比较时再次读取出来进行时效性比对；
41.在物联网终端4与星历分发网关3建立无线通信后，若接收到物联网终端4的上行信息，则默认向物联网终端4回复持久化存储的所有卫星的卫星星历数据。
42.在该实施方式中，通过对卫星星历数据的采集及crc校验，并在卫星星历数据进行星历时效性比对判断卫星星历数据存在更新时组包所有卫星星历数据，并在物联网终端4发送上行消息时自动下发更新卫星星历数据，确保系统内的卫星星历数据处于最新且有效的状态，使得低轨卫星物联网终端4能够进行可见性推算得出卫星准确过顶时间实现可靠性唤醒，实现终端的轻量化、小型化和低功耗。
43.具体地，在上述实施方式中，优选地，采集卫星星历数据的具体过程包括以下两种方式：
44.接收卫星的延时遥测数据和实时遥测数据，并由延时遥测数据和实时遥测数据中摘取对应卫星的j2000坐标系下的卫星星历数据，并通过坐标系转换算法转换为wgs-84坐标系下的卫星星历数据；或者，
45.采用独立的星历采集终端5，固定安装于较好的卫星网络覆盖环境(放置高处且始终指向天空)，保持持续供电开机监测卫星信号，以接收卫星下发的卫星星历数据，当接收到卫星下发的星历后，通过消息队列方式将星历数据发送至星历数据处理及分发模块2。
46.在上述实施方式中，优选地，星历分发网关3包括地面蜂窝网关(例如2g、3g、4g、nb-iot等)、广域网关(例如lora、zigbee等)和蓝牙网关，物联网终端4通过任一类型网关与星历分发网关3建立无线通信后，若物联网终端4上行发送一条数据，则星历分发网关3通过对应的无线通信网关向物联网终端4默认回复多颗卫星的卫星星历数据。
47.在上述实施方式中，优选地，物联网终端4每次获取到星历数据之后，确定获取到的星历数据包含的信息类型，并将最新的星历数据更新到该物联网终端4。物联网终端4多次获取卫星的星历数据过程中，存在至少一次获取到的星历数据包含卫星轨道状态信息，且存在至少一次获取到的星历数据包含卫星轨道参数信息。
48.综上，根据上述实施方式公开的低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法，在实施过程中，工作流程包括以下步骤：
49.步骤1：采集卫星星历数据，并判断该卫星星历数据是否来自卫星遥测。如果是，则进行坐标系转换后，进入步骤2。如果不是，则直接进入步骤2。
50.步骤2：对卫星星历数据进行crc校验，判断卫星星历数据是否通过crc校验。如果为否，直接丢弃该数据，整个流程结束。如果为是，则进入步骤3。
51.步骤3：进行星历时效性对比，判断是否至少有一个卫星的卫星星历数据有更新。如果为否，则结束整个流程。如果为是，则将所有卫星的卫星星历数据组包发送给星历分发网关3，并进行星历数据持久化。
52.步骤4：物联网终端4成功接入星历分发网关3，判断物联网终端4是否发送上行信息。如果为否，则结束整个流程。如果为是，星历分发网关3向物联网终端4默认回复多颗卫星的卫星星历数据，整个流程结束。
53.如图1所示，本发明还提出一种低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发系统，应用如上述实施方式中任一项公开的低轨卫星物联网终端的星历数据采集及分发方法，包括：
54.星历数据生成及采集模块1，用于采集卫星星历数据，并对来自卫星遥测数据的卫星星历数据进行坐标系转换；
55.星历数据处理及分发模块2，用于对卫星星历数据进行crc校验，对未通过crc校验的卫星星历数据，直接丢弃，对通过crc校验的卫星星历数据进行星历时效性比对，判断卫星星历数据是否存在更新；
56.若至少一颗卫星的卫星星历数据存在更新，则将所有卫星的卫星星历数据组包并发送至星历分发网关3，并进行持久化存储；
57.星历数据分发网关模块，用于在物联网终端4与星历分发网关3建立无线通信后，接收到物联网终端4的上行信息时，默认向物联网终端4回复持久化存储的所有卫星的卫星星历数据。
58.在该实施方式中，通过对卫星星历数据的采集及crc校验，并在卫星星历数据进行星历时效性比对判断卫星星历数据存在更新时组包所有卫星星历数据，并在物联网终端4发送上行消息时自动下发更新卫星星历数据，确保系统内的卫星星历数据处于最新且有效的状态，使得低轨卫星物联网终端4能够进行可见性推算得出卫星准确过顶时间实现可靠性唤醒，实现终端的轻量化、小型化和低功耗。具体地，系统将对多种数据源的卫星星历数据进行采集、比对、更新、转换、组包、校验等操作，确保系统内即将下发的卫星星历数据处于最新且有效的状态。
59.在上述实施方式中，优选地，星历数据生成及采集模块1具体用于：
60.接收卫星的延时遥测数据和实时遥测数据，并由延时遥测数据和实时遥测数据中摘取对应卫星的j2000坐标系下的卫星星历数据，并通过坐标系转换算法转换为wgs-84坐标系下的卫星星历数据。
61.在上述实施方式中，优选地，星历分发网关3包括地面蜂窝网关、广域网关和蓝牙网关，物联网终端4通过任一类型网关与星历分发网关3建立无线通信后，星历分发网关3通过对应的无线通信网关向物联网终端4回复卫星星历数据。
62.在上述实施方式中，优选地，卫星星历数据中至少包含卫星轨道状态信息和卫星轨道参数信息。
63.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。