低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法、系统及介质。

背景技术

低轨卫星绕地做高速运动，当卫星波束恰好能够覆盖终端时，卫星才具备与终端进行通信的能力。终端在卫星波束范围外时，卫星与终端无法进行通信。对于终端，卫星从可见(终端位于卫星波束范围内)至不可见(终端位于卫星波束范围外)的时间过程可称为窗口期。

出于低功耗要求，终端在非窗口期的绝大部分时间内均处于休眠状态。而每次窗口期的确定，需要终端根据各个卫星的星历信息(由卫星下发)、终端实时时间(由终端的GNSS模块获取)以及终端实时位置信息(由终端的GNSS模块获取)进行计算获得。

假设终端内有n颗星的星历信息，那么至少需要完成n次窗口期计算的任务才能确认该n颗星在绕地一周时间内的所有窗口期。目前在低轨卫星单次绕地周期内，每个终端都需要完成n次窗口期计算任务，但物联网终端出于功耗要求，单终端算力较低，完成上述计算任务时间久，效率低。

且在某些特定场景下(如远洋货轮中集装箱堆叠场景)，终端与卫星间存在遮蔽，会造成无法获取卫星下发的星历信息、无法获取GNSS信息等情况，导致无法进行窗口期计算，终端长期处于休眠状态，无法与卫星进行通信的结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的低轨卫星数据协同传输方法应用在物联网终端集群情形下，存在计算任务时间久、效率低、窗口期计算困难等缺陷，本发明目的在于提供低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法、系统及介质，在现有的低轨卫星数据协同传输技术上进行方法和结构上的改进，引入路由终端进行终端地面组网、星历及时间位置信息同步、计算任务负载均衡、数据汇集转发，提升终端集群计算效率及数据传输完整性；通过路由节点组网的建立，进行计算任务的管理分发，实现分布式计算，有效提升了计算效率，降低总体计算时间；子节点终端仅需通过lora通信的方式将数据发送至路由节点，再由路由节点整理后对星上传，而子节点终端不需要直接对星通信，射频发射功耗大大降低。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法，包括：

对各物联网终端进行路由终端组网：配置路由节点直接与低轨卫星通信，配置各物联网终端作为子节点，路由节点与子节点进行组网；

路由节点与子节点进行信息同步和计算任务均衡：

在非窗口期路由节点与子节点均进入休眠状；在窗口期，路由节点获取星历信息、时间信息和位置信息并分发给组网的子节点；

在窗口期，路由节点还根据星历信息将计算任务分发给组网的子节点；子节点完成计算任务后将计算结果回传至路由节点；

路由节点与子节点进行计算结果同步：

路由节点在获取所有卫星的窗口期计算结果后，进行时间段排序融合处理后形成窗口期时刻表，并将窗口期时刻表发送给组网的子节点。

本方案工作原理：现有的低轨卫星数据协同传输方法应用在物联网终端集群情形下，存在计算任务时间久、效率低、窗口期计算困难等缺陷，本发明目的在于提供一种低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法、系统及介质，在现有的低轨卫星数据协同传输技术上进行方法和结构上的改进，引入路由终端进行终端地面组网、星历及时间位置信息同步、计算任务负载均衡、数据汇集转发，提升终端集群计算效率及数据传输完整性；通过路由节点组网的建立，进行计算任务的管理分发，实现分布式计算，有效提升了计算效率，降低总体计算时间；子节点终端仅需通过lora通信的方式将数据发送至路由节点，再由路由节点整理后对星上传，而子节点终端不需要直接对星通信，射频发射功耗大大降低。

进一步优化方案为，路由节点与子节点组网的方法包括：

路由节点通过lora模块向各子节点广播开始组网命令，所述开始组网命令包括路由节点设备id；

子节点收到开始组网命令后，向信号强度最佳的路由节点发送申请入网指令，所述申请入网指令包括子节点类型与子节点设备id；各终端的Lora模块可提供接收到的无线信号的rssi值，从而获得信号强度。

路由节点收到申请入网指令后，在本地建立路由表并按照路由表依次发送入网成功指令，所述路由表记录下收到的所有子节点设备id，所述入网成功指令包含子节点设备id与路由节点设备id；

子节点收到入网成功指令后，在本地记录路由节点设备id。

进一步优化方案为，路由节点与子节点组网完成后，路由节点与子节点均进入休眠状态，直至组网后的第一次窗口期到来，所述第一次窗口期由路由节点提前计算确定。

进一步优化方案为，在窗口期，路由节点接收低轨卫星下发的n颗卫星的星历信息，同时路由节点开启GNSS获取时间和位置信息。

进一步优化方案为，路由节点接收低轨卫星下发的n颗卫星的星历信息后，将n个星历信息分别发送给不同的子节点：

若与路由节点组网有m个子节点，当m≥n时，当前路由节点依次将n个星历信息对应的计算任务分发至前n个子节点，当m小于n时，路由节点先将前m个计算任务分发至m个子节点，再按顺序将剩余计算任务分发给有回传计算结果的子节点，直至所有计算任务均完成发放。

进一步优化方案为，子节点将实时时间、位置信息和星历信息作为参数带入至SGP4近地卫星模型中，进行轨道近似计算获取该低轨卫星的下一次窗口期。

进一步优化方案为，子节点与路由节点均按照窗口期时刻表，在非窗口期时休眠，在窗口期时唤醒。

进一步优化方案为，所述路由节点和子节点均内置lora模块实现无线通信。

本方案还提供一种低轨卫星物联网终端的数据协同传输系统，用于实现上述的低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法；包括：

组网模块，用于对各物联网终端进行路由终端组网：配置路由节点直接与低轨卫星通信，配置各物联网终端作为子节点，路由节点与子节点进行组网；

同步模块，用于实现路由节点与子节点之间的信息同步和计算任务均衡：

在非窗口期路由节点与子节点均进入休眠状；在窗口期，路由节点获取星历信息、时间信息和位置信息并分发给组网的子节点；

在窗口期，路由节点还根据星历信息将计算任务分发给组网的子节点；子节点完成计算任务后将计算结果回传至路由节点；

计算结果同步模块，用于实现路由节点与子节点之间的计算结果同步：路由节点在获取所有卫星的窗口期计算结果后，进行时间段排序融合处理后形成窗口期时刻表，并将窗口期时刻表发送给组网的子节点。

本方案还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如上的低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法、系统及介质，在现有的低轨卫星数据协同传输技术上进行方法和结构上的改进，引入路由终端进行终端地面组网、星历及时间位置信息同步、计算任务负载均衡、数据汇集转发，提升终端集群计算效率及数据传输完整性；通过路由节点组网的建立，进行计算任务的管理分发，实现分布式计算，有效提升了计算效率，降低总体计算时间；子节点终端仅需通过lora通信的方式将数据发送至路由节点，再由路由节点整理后对星上传，而子节点终端不需要直接对星通信，射频发射功耗大大降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法流程示意图；

图2为路由节点与子节点终端组网过程示意图A；

图3为路由节点与子节点终端组网过程示意图B；

图4为路由节点与子节点终端组网过程示意图C；

图5为低轨卫星窗口期计算过程示意图。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法，如图1所示，包括：

对各物联网终端进行路由终端组网：配置路由节点直接与低轨卫星通信，配置各物联网终端作为子节点，路由节点与子节点进行组网；

路由节点与子节点进行信息同步和计算任务均衡：

在非窗口期路由节点与子节点均进入休眠状；在窗口期，路由节点获取星历信息、时间信息和位置信息并分发给组网的子节点；

在窗口期，路由节点还根据星历信息将计算任务分发给组网的子节点；子节点完成计算任务后将计算结果回传至路由节点；

路由节点与子节点进行计算结果同步：

路由节点在获取所有卫星的窗口期计算结果后，进行时间段排序融合处理后形成窗口期时刻表，并将窗口期时刻表发送给组网的子节点。

路由节点与子节点组网的方法包括：

如图2所示，路由节点通过lora模块向各子节点广播开始组网命令，所述开始组网命令包括路由节点设备id；

如图3所示，子节点收到开始组网命令后，向信号强度最佳的路由节点发送申请入网指令，所述申请入网指令包括子节点类型与子节点设备id；

如图4所示，路由节点收到申请入网指令后，在本地建立路由表并按照路由表依次发送入网成功指令，所述路由表记录下收到的所有子节点设备id，所述入网成功指令包含子节点设备id与路由节点设备id；

子节点收到入网成功指令后，在本地记录路由节点设备id。

路由节点与子节点组网完成后，路由节点与子节点均进入休眠状态，直至组网后的第一次窗口期到来，所述第一次窗口期由路由节点提前计算确定。

在窗口期，路由节点接收低轨卫星下发的n颗卫星的星历信息，同时路由节点开启GNSS获取时间和位置信息。

路由节点接收低轨卫星下发的n颗卫星的星历信息后，将n个星历信息分别发送给不同的子节点：(分发方式为路由节点向指定子节点发送窗口期计算指令，该指令包含单颗星的星历信息与子节点id)

若与路由节点组网有m个子节点，当m≥n时，当前路由节点依次将n个星历信息对应的计算任务分发至前n个子节点，当m小于n时，路由节点先将前m个计算任务分发至m个子节点，再按顺序将剩余计算任务分发给有回传计算结果的子节点，直至所有计算任务均完成发放。由于每个计算任务的复杂度不同，所以有的节点完成计算任务的速度更快，率先将计算结果回传至路由节点。路由节点收到该子节点的计算结果后，查询剩余待计算任务数量，并再次派发一个计算任务给该子节点，直至所有计算任务均已完成。

子节点将实时时间、位置信息和星历信息作为参数带入至SGP4近地卫星模型中，进行轨道近似计算获取该低轨卫星的下一次窗口期。

子节点与路由节点均按照窗口期时刻表，在非窗口期时休眠，在窗口期时唤醒。

所述路由节点和子节点均内置lora模块实现无线通信。

当进入窗口期时，执行计算任务的同时，子节点向路由节点发送采集到的历史数据。路由节点收到子节点发送的历史数据后，进行整合打包，通过卫星进行数据上传。

实施例2

本实施例提供低轨卫星物联网终端的数据协同传输系统，用于实现实施例1的低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法；包括：

组网模块，用于对各物联网终端进行路由终端组网：配置路由节点直接与低轨卫星通信，配置各物联网终端作为子节点，路由节点与子节点进行组网；

同步模块，用于实现路由节点与子节点之间的信息同步和计算任务均衡：

在非窗口期路由节点与子节点均进入休眠状；在窗口期，路由节点获取星历信息、时间信息和位置信息并分发给组网的子节点；

在窗口期，路由节点还根据星历信息将计算任务分发给组网的子节点；子节点完成计算任务后将计算结果回传至路由节点；

计算结果同步模块，用于实现路由节点与子节点之间的计算结果同步：路由节点在获取所有卫星的窗口期计算结果后，进行时间段排序融合处理后形成窗口期时刻表，并将窗口期时刻表发送给组网的子节点。

如图5所示，路由节点先进行星历信息接收，根据星历信息、时间信息、位置信息进行星历解算，根据星历解算结果进行组网中各个设备的状态控制，在获取所有卫星的窗口期计算结果后，进行时间段排序融合处理，形成窗口期时刻表，并将该时刻表发送至各个子节点中。子节点与路由节点均按照窗口期时刻表进行休眠/唤醒，非窗口期时进行休眠，窗口期到来时自唤醒，进行数据传输、窗口期计算等业务。

上述实施例的低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法计算效率高：普通的终端需要独自完成所有窗口期计算任务，而本方案中通过路由节点建立的地面网络，进行计算任务的管理分发，实现分布式计算，有效提升了计算效率，降低总体计算时间。

首先，引入路由节点后，终端仅需通过lora通信的方式将数据发送至路由节点，再由路由节点整理后对星上传，而不需要直接对星通信，射频发射功耗大大降低；其次，由于计算窗口期的总体时间下降，终端可以提前进入休眠状态，平均功耗有所降低。最后，在遮蔽场景下，单终端无法计算窗口期，无法进入休眠状态，功耗较高。而本方案中终端直接与地面的路由节点进行信息同步，能够有效获取窗口期时间，正常进入休眠状态；

单终端在遮蔽场景下，难以对星通信，无法上传数据。本方案中通过路由节点作为中转，有效避免了无法直接对星传输数据的问题，提升了上传数据的完整性。

实施例3

本实施例提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如实施例1的一种低轨卫星物联网终端的数据协同传输方法。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。