一种带姿态监控的卫星物联网终端及姿态调整方法

技术领域

本发明涉及卫星物联网技术领域，更具体的说，本发明涉及一种带姿态监控的卫星物联网终端及姿态调整方法。

背景技术

目前的已有卫星物联网终端，应用时相对于应用场景是固定的，一旦终端安装固定好，并调整好天线方向对准卫星后，后续就很少再去调整天线方向了。

随着卫星物联网应用场景的不断拓展，有些应用场景中，终端需要随着应用载体/平台移动，这是就需要不断地对终端的天线方向进行调整，使得终端天线能够能够实时准确对准卫星，确保正常通信。这种场景下，传统的固定方向天线卫星物联网终端就不适应了。

现有的卫星物联网应用终端，因为体积和功耗的限制，基本不带有自动对星功能，实际使用时，需要借助其他外部手段来实现天线对星，这给实际应用带来很大不便。且因为对星手段与应用终端是相互分离的，对星不是很准确，造成实际对星效果也差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种带姿态监控的卫星物联网终端及姿态调整方法，能够实现对卫星天线方位等参数的推算，以便于实现对卫星天线姿态的调整。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带姿态监控的卫星物联网终端，其改进之处在于，包括终端内部主控制器、姿态检测模块、W I F I通信模块、定位模块以及卫星通信模块；

所述的卫星通信模块与终端内部主控制器相连接，卫星通信模块上设置有卫星天线，该卫星天线用于实时接收经卫星发送的信号和卫星信号强度信息；

所述的定位模块与终端内部主控制器相连接，该定位模块用于实时采集卫星物联网终端所在的位置信息；

所述的姿态检测模块与终端内部主控制器相连接，该姿态检测模块用于实时采集卫星天线的姿态信息；

所述的WIFI通信模块与终端内部主控制器相连接，以实现双向通信，该WIFI通信模块还用于同移动终端相连接，终端内部主控制器通过获取位置信息、卫星信号强度信息以及卫星天线的姿态信息，计算得出卫星天线的姿态调整提示信息。

在上述的结构中，所述的卫星天线包括发射天线和接收天线，发射天线和接收天线均连接在卫星通信模块上。

在上述的结构中，所述的姿态信息包括天线面板当前的方位角、俯仰角以及极化角。

在上述的结构中，所述的位置信息包括但不限于卫星物联网终端的经纬度和海拔。

在上述的结构中，所述的带姿态监控的卫星物联网终端还包括传感器检测模块，传感器检测模块与终端内部主控制器相连接，该传感器检测模块用于定时采集卫星物联网终端的传感器数据。

另一方面，本发明还公开了一种带姿态监控的卫星物联网终端的姿态调整方法，其改进之处在于，该姿态调整方法包括以下的步骤：

S1、数据的收集，定位模块实时采集卫星物联网终端所在的位置信息，卫星天线实时采集卫星信号强度信息，姿态检测模块实时采集卫星天线的姿态信息；

S2、移动终端与卫星物联网终端的实时通信，通过WIFI通信模块，建立移动终端与卫星物联网终端的连接，实现移动终端与卫星物联网终端的实时通信；

S3、数据的获取，移动终端向终端内部主控制器发送请求，实时获取卫星物联网终端所在的位置信息、卫星信号强度信息以及卫星天线的姿态信息；

S4、卫星天线的姿态调整提示信息的计算，终端内部主控制器通过步骤S3中获取的数据，结合卫星的当前经度，计算得出卫星天线的姿态调整提示信息；

S5、卫星姿态的调整，根据步骤S4中卫星天线的姿态调整提示信息，由终端内部主控制器生成控制指令，实现对卫星天线姿态的调整。

进一步的，所述的步骤S1中，姿态检测模块实时采集的卫星天线的姿态信息包括但不限于天线面板当前的方位角、俯仰角以及极化角；其中，

方位角＝arctg(tg(卫星经度-接收地经度)/SIN(接收地纬度))……公式①；

当接收地纬度为南纬时，则卫星天线需要调整的实际方位角＝(360°+公式①解算值)，再归一化到(0°-360°)；

当接收地纬度为北纬时，则卫星天线需要调整的实际方位角＝180°-公式①解算值。

进一步的，所述的俯仰角的计算公式如下：

俯仰角＝arctg((COS(ABS(卫星经度-接收地经度)))*COS(接收地纬度)-0.1513)/SQRT(1-(COS(ABS(卫星经度-接收地经度))^2))*(COS(接收地纬度)^2))))。

进一步的，所述的极化角的计算公式如下：

极化角＝arctg(SIN(卫星经度-接收地经度)/tg接收地纬度)……公式②；

S41、当接收地纬度位于北纬时：

如果终端天线的接收极化方式设置为水平极化，则卫星天线需要调整的实际极化角＝公式②解算值；

如果终端天线的接收极化方式设置为垂直极化，则进入步骤S411-S413的判断；

S411、当公式②的解算值＜0°时，卫星天线需要调整的实际极化角＝公式②解算值+90°；

S412、当公式②的解算值＞0°时，卫星天线需要调整的实际极化角＝公式②解算值-90°；

S413、当公式②的解算值＝0°时，卫星天线需要调整的实际极化角＝0°；

S42、当接收地纬度位于南纬时：

如果终端天线的接收极化方式设置为水平极化，则卫星天线需要调整的实际极化角＝公式②解算值；

如果终端天线的接收极化方式设置为垂直极化，则进入步骤S421-S423的判断；

S421、当公式②的解算值＜0°时，卫星天线需要调整的实际极化角＝-(公式解算值+90°)；

S422、当公式②的解算值＞0°时，卫星天线需要调整的实际极化角＝-(公式解算值-90°)；

S423、当公式②的解算值＝0°时，卫星天线需要调整的实际极化角＝0°。

进一步的，所述的步骤S5中，在卫星姿态调整的过程中，卫星天线的姿态信息实时传输到移动终端内，结合卫星天线的姿态调整提示信息，实时计算并更新卫星天线的姿态调整提示信息。

本发明的有益效果是：内部带有姿态监控功能，能够实时监测终端的当前姿态，并结合终端当前位置、锁定的卫星的位置等参数，可推算出卫星天线的方位等参数，方便现场操作人员调整天线方向。

附图说明

图1为本发明的一种带姿态监控的卫星物联网终端的框架结构示意图。

图2为本发明的一种带姿态监控的卫星物联网终端的终端内部主控制器的电路结构示意图。

图3为本发明的一种带姿态监控的卫星物联网终端的姿态检测控制芯片的电路结构示意图。

图4为本发明的一种带姿态监控的卫星物联网终端的定位模块的电路结构示意图。

图5为本发明的一种带姿态监控的卫星物联网终端的传感器检测模块的电路结构示意图。

图6为本发明的一种带姿态监控的卫星物联网终端的姿态调整方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1所示，本发明揭示了一种带姿态监控的卫星物联网终端，具体的，包括终端内部主控制器10、姿态检测模块20、WIFI通信模块30、定位模块40以及卫星通信模块50；其中，所述的卫星通信模块50与终端内部主控制器10相连接，卫星通信模块50上设置有卫星天线60，该卫星天线60用于实时接收经卫星发送的信号和卫星信号强度信息，本方案中，卫星天线60包括发射天线601和接收天线602，发射天线601连接在卫星通信模块50上，实现信号的发送，接收天线602也连接在卫星通信模块50上，用于将接收的信号传递到卫星通信模块50内。

进一步的，所述的定位模块40与终端内部主控制器10相连接，该定位模块40用于实时采集卫星物联网终端所在的位置信息，该位置信息包括但不限于卫星物联网终端的经纬度和海拔。所述的姿态检测模块20与终端内部主控制器10相连接，该姿态检测模块20用于实时采集卫星天线60的姿态信息；所述的WIFI通信模块30与终端内部主控制器10相连接，以实现双向通信，该WIFI通信模块30还用于同移动终端80相连接，终端内部主控制器10通过获取位置信息、卫星信号强度信息以及卫星天线60的姿态信息，计算得出卫星天线60的姿态调整提示信息，并通过移动终端80进行显示。在本方案中，该移动终端80上具有可以与WIFI通信模块30进行通信APP，例如移动终端80可以是手机或平板电脑等。

更进一步的，所述的姿态信息包括天线面板当前的方位角、俯仰角以及极化角；关于方位角、俯仰角以及极化角的计算方式，将在下文中进一步的解释说明。另外，结合图1所示，所述的带姿态监控的卫星物联网终端还包括传感器检测模块70，传感器检测模块70与终端内部主控制器10相连接，该传感器检测模块70用于定时采集卫星物联网终端的传感器数据。

在上述的实施例中，所述的终端内部主控制器10包括有主控芯片，且该主控芯片的型号为STM32L151，如图2所示，即为主控芯片的电路结构示意图。所述的姿态检测模块20采用9轴姿态检测传感器，具体包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计，可以对三个轴的角速度、加速度、磁感应强度进行测量；本实施例中，姿态检测模块20包括有姿态检测控制芯片，且姿态检测控制芯片的型号为MPU9250；如图3所示，即为姿态检测控制芯片的电路结构示意图。

在本实施例中，定位模块40采用北斗/GPS模块，实现对卫星物联网终端的实时定位，如图4所示，定位模块40为NEO-6M，图4即为NEO-6M的电路结构示意图。如图5所示，所述的传感器检测模块70包括传感器检测接口芯片，其具体的型号为SN65HVD230。卫星通信模块50通过串口与终端内部主控制器10通信，实时将终端采集的传感器数据、姿态数据、定位数据通过卫星传输到远程后台服务器，并实时接收远程后台服务器通过卫星传输过来的控制交互指令等。

综上所述，主控制器根据卫星物联网终端所在的位置信息、卫星信号强度信息以及卫星天线60的姿态信息，通过内部算法，推算出终端外部天线最终应该调整到位的姿态，具体包括方位角、俯仰角以及极化角。终端将这些推算出的姿态信息，以一种直观的数据显示格式，输出供现场人员参考，可用于人工手动调整天线姿态。终端也可通过接口控制模块控制外部的天线姿态自动调整机械设备，实现天线姿态的自动化调整。

基于此，本发明的一种带姿态监控的卫星物联网终端，内部带有姿态监控功能，能够实时监测终端的当前姿态，并结合终端当前位置、锁定的卫星的位置等参数，可推算出卫星天线60的方位等参数，方便现场操作人员调整天线方向。若结合外部用于姿态控制的自动化机械设备一起使用，可以实现实时调控终端的卫星天线60。

另一方面，如图6所示，本发明还提供了一种带姿态监控的卫星物联网终端的姿态调整方法，在本实施例中，该姿态调整方法包括以下的步骤：

S1、数据的收集，定位模块40实时采集卫星物联网终端所在的位置信息，卫星天线60实时采集卫星信号强度信息，姿态检测模块20实时采集卫星天线60的姿态信息；

S2、移动终端80与卫星物联网终端的实时通信，通过WIFI通信模块30，建立移动终端80与卫星物联网终端的连接，实现移动终端80与卫星物联网终端的实时通信；

S3、数据的获取，移动终端80向终端内部主控制器10发送请求，实时获取卫星物联网终端所在的位置信息、卫星信号强度信息以及卫星天线60的姿态信息；

S4、卫星天线60的姿态调整提示信息的计算，终端内部主控制器10通过步骤S3中获取的数据，结合卫星的当前经度，计算得出卫星天线60的姿态调整提示信息；

S5、卫星姿态的调整，根据步骤S4中卫星天线60的姿态调整提示信息，由终端内部主控制器10生成控制指令，实现对卫星天线60姿态的调整。在卫星姿态调整的过程中，卫星天线60的姿态信息实时传输到移动终端80内，结合卫星天线60的姿态调整提示信息，实时计算并更新卫星天线60的姿态调整提示信息。

在上述的步骤S1中，姿态检测模块20实时采集的卫星天线60的姿态信息包括但不限于天线面板当前的方位角、俯仰角以及极化角；其中，

方位角＝arctg(tg(卫星经度-接收地经度)/SIN(接收地纬度))……公式①；

当接收地纬度为南纬时，则卫星天线60需要调整的实际方位角＝(360°+公式①解算值)，再归一化到(0°-360°)；

当接收地纬度为北纬时，则卫星天线60需要调整的实际方位角＝180°-公式①解算值。

进一步的，所述的俯仰角的计算公式如下：

俯仰角＝arctg((COS(ABS(卫星经度-接收地经度)))*COS(接收地纬度)-0.1513)/SQRT(1-(COS(ABS(卫星经度-接收地经度))^2))*(COS(接收地纬度)^2))))。

更进一步的，所述的极化角的计算公式如下：

极化角＝arctg(SIN(卫星经度-接收地经度)/tg接收地纬度)……公式②；

S41、当接收地纬度位于北纬时：

如果终端天线的接收极化方式设置为水平极化，则卫星天线需要调整的实际极化角＝公式②解算值；

如果终端天线的接收极化方式设置为垂直极化，则进入步骤S411-S413的判断；

S411、当公式②的解算值＜0°时，卫星天线60需要调整的实际极化角＝公式②解算值+90°；

S412、当公式②的解算值＞0°时，卫星天线60需要调整的实际极化角＝公式②解算值-90°；

S413、当公式②的解算值＝0°时，卫星天线60需要调整的实际极化角＝0°；

S42、当接收地纬度位于南纬时：

如果终端天线的接收极化方式设置为水平极化，则卫星天线60需要调整的实际极化角＝公式②解算值；

如果终端天线的接收极化方式设置为垂直极化，则进入步骤S421-S423的判断；

S421、当公式②的解算值＜0°时，卫星天线60需要调整的实际极化角＝-(公式解算值+90°)；

S422、当公式②的解算值＞0°时，卫星天线60需要调整的实际极化角＝-(公式解算值-90°)；

S423、当公式②的解算值＝0°时，卫星天线60需要调整的实际极化角＝0°。

当移动终端为智能手机时，智能手机内部安装有辅助对星APP；现场安装应用时，终端上电后，终端内部主控制器10依次打开定位模块的电源，实时采集终端所在的经纬度、海拔等信息；打开姿态检测模块的电源，实时采集终端天线的姿态并简单计算出天线面板当前的方位角、俯仰角以及极化角；打开卫星通信模块的电源和接收天线的电源，准备实时接收卫星信号质量；打开终端内部的wifi通信模块电源，控制WiFi通信模块工作于AP热点状态。

用户开启智能手机的wifi功能，手动连接应用终端的wifi热点。用户打开手机的GPS定位功能，实时获取用户当前的位置信息、海拔信息等。用户打开智能手机APP，智能手机APP首先通过wifi自动建立与终端的实时通信，建立通信成功后，手机app发送请求获取终端的天线姿态相关信息、接收天线的卫星信号强度信息。

用户选择卫星物联网终端所采用的通信卫星名称，app软件从内置的数据库中自动搜索并加载卫星的参数(主要是经度)。App软件结合终端的定位信息、选定的卫星参数信息，计算出当前位置物联网终端上卫星收发天线的目标姿态方位。该目标方位与卫星物联网终端通过wifi传过来的实时方位进行比较，并在app界面上生成姿态调整提示信息，如“方位角向东旋转4度”、“仰角向上调整10度”、“极化角向左旋转36度”。

用户根据app上的提示信息，手动调整卫星天线姿态。调整过程中，天线姿态信息和接收天线信号质量通过wifi实时传输到手机app界面上，app软件根据终端传过来的最新的姿态参数值，结合刚开始计算出的目标姿态参数值，实时计算并更新提示信息，如“方位角再向东旋转1度”、“仰角调整到位”。

当卫星物联网终端实时监测并通过wifi传输给手机app的卫星信号质量强度到达可进行正常通信的指定值时，手机app提示天线姿态调整到位，此时可人工锁定终端的天线姿态，整个终端完成调整并进入正式使用阶段。

正式使用时，卫星物联网终端通过传感器检测模块，定时采集终端的传感器数据，并将天线姿态、接收信号质量、位置信息，连同传感器数据一起，通过卫星信道传输到后台服务器。由后台服务器对数据进行解析，存储终端的天线姿态参数信息及信号质量等信息，用于判断卫星物联网终端的通信性能，以及批量化配置同一个地区的多个终端设备的天线姿态信息，而不需要再对该区域的每个终端做重复的天线姿态调整工作。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。