一种基于多源感知的海上浮标天线控制方法、系统及装置与流程

本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种基于多源感知的海上浮标天线控制方法、系统及装置。

背景技术：

1、海洋观测卫星通信浮标是海洋环境立体监测网的核心基础设施，通过搭载的多类传感器持续采集水文、气象、水质等关键海洋环境参数，依托卫星通信链路将观测数据实时回传至岸基监控中心，是支撑海洋防灾减灾、海洋资源开发与海气相互作用研究的关键设备。其通信系统的稳定性直接决定了观测数据的连续性与可靠性，是保障浮标在复杂海况下长期稳定运行的核心。当前针对海洋观测浮标的卫星通信优化，有以下方案：方案一：通过多天线阵列、射频开关矩阵与信号强度检测电路，在实时测量各天线接收信号强度后，切换至信号最优的通道完成数据传输；方案二：依托卫星轨道预测模块与伺服控制机构，提前计算卫星可见性并调度天线指向目标卫星，实现多卫星过境时段的通信衔接；方案三：集成风速仪、浪高计等环境传感器，结合通信质量监测模块，依据海况参数动态调整通信功率与传输速率；方案四：通过可重构天线单元与相位控制电路，动态调整天线辐射方向图，实现对目标卫星的定向信号增强。这些技术分别从天线选择、卫星调度、环境适配、方向图优化等不同维度，尝试提升浮标卫星通信的稳定性。

2、然而上述现有技术均存在难以适配深远海浮标复杂应用场景的显著缺陷：方案一属于被动响应机制，仅能在通信质量下降后触发切换，无法预判信号变化趋势，切换延迟高，且无法区分海浪短时遮挡与浮标姿态偏移导致的信号衰减，易引发不必要的频繁切换；方案二完全依赖机械伺服结构完成天线指向调整，整体结构复杂、可靠性低，切换速度慢且功耗居高不下，难以适配浮标摇摆的动态海况，长期无人值守场景下维护难度极大；方案三存在环境感知与通信控制逻辑脱节的问题，依赖事后测量数据进行调整，无法形成完整的感知-决策-执行闭环，多传感器集成导致系统冗余度高、算法运算负荷大，实时性难以保障；方案四的方向图重构方案硬件成本高、工作功耗大，完全无法满足浮标长期低功耗运行的核心要求。上述缺陷共同导致现有技术难以在低功耗、高可靠、快响应的要求下，保障海洋观测浮标在极端海况下的连续稳定卫星通信。

技术实现思路

1、本发明旨在克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种基于多源感知的海上浮标天线控制方法、系统及装置，用于解决上述背景中存在的问题。

2、本发明采取的技术方案是，一种基于多源感知的海上浮标天线控制方法，包括以下步骤：

3、s1、采集浮标数据和卫星轨道参数；

4、s2、基于所述浮标数据计算当前海况等级；

5、s3、基于所述海况等级和所述卫星轨道参数，判断海况等级达到或超过预设海况阈值且卫星轨道参数低于预设卫星阈值，若是，禁用所有倾斜天线，仅保留垂直天线，执行步骤s5；若否，执行步骤s4；

6、s4、计算浮标中所有可用天线的等效增益，选择等效增益最高的天线为通信天线；

7、s5、切换所述通信天线到收发链路进行通信。

8、建立姿态感知与海况判断的直接关联，将海况等级作为天线使能的硬性条件，根据姿态变化进行天线调整比较快且准确，能够在恶劣环境到来之前主动关闭高风险天线，从根本上避免无效发射，实现稳定传输。

9、为了采集到精确的数据，所述步骤s1的采集浮标数据和卫星轨道数据具体为：

10、s11、采集并处理浮标的位置、加速度数据和姿态角数据，计算浮标的横滚角、俯仰角和偏航角；

11、s12、基于卫星轨道参数和浮标位置，以及实现卫星的跟踪和通信链路的规划，使用sgp4轨道预测模型计算卫星在未来时刻的方位角和仰角，生成卫星轨迹；所述sgp4轨道预测模型的输入包括tle轨道根数和预测时间，输出为卫星在地心地固坐标系中的位置和速度。

12、采集浮标的加速度数据和姿态角数据是便于后续的海况计算，将tle数据转换为三维空间坐标，即位置/速度，支持天线自动指向的实时轨迹监控；预测星星下点轨迹与可见时间窗口，计算天线仰角/方位角及路径损耗，优化卫星通信网络资源配置与自动跟踪控制。

13、为了进行环境评估和海况分级，所述步骤s2的基于浮标数据计算当前海况等级具体为：

14、s21、对浮标的垂直方向加速度采样值进行平方、求平均、开平方根，得到加速度均方根；

15、s22、计算每个横滚角采样值与平均值的偏差，进行平方、求平均、开平方根，得到横滚角标准差；

16、s23、计算每个俯仰角采样值与平均值的偏差，进行平方、求平均、开平方根，得到俯仰角标准差；

17、s24、将所述加速度均方根值、所述横滚角标准差、所述俯仰角标准差分别与预设阈值进行比较，确定海况等级；

18、海况从平静到恶劣按照程度依次分级。

19、通过滑动窗口统计姿态传感器的加速度均方根和姿态标准差，区分平静海面与恶劣风浪，防止在剧烈晃动下选择指向错误的天线。

20、为了实现低延迟切换，所述步骤s4的计算浮标中所有可用天线的等效增益包括：

21、s41、将天线安装方向向量通过姿态旋转矩阵从本体坐标系转换到世界坐标系，得到天线世界坐标方向向量；

22、s42、计算所述天线世界坐标方向向量与卫星单位方向向量的点积，取反余弦得到夹角；

23、s43、根据所述夹角查询天线方向图查找表，通过线性插值得到理想增益；

24、s44、根据所述海况等级获取权重因子，将所述理想增益与权重因子相乘得到等效增益；

25、其中，权重因子随海况等级升高而减小。

26、结合星历预测、定位和姿态解算，预测各天线在卫星方向的等效增益，实现低延迟切换。

27、优选地，所述姿态转换矩阵由横滚角、俯仰角和偏航角通过欧拉角转换得到。

28、为了得到浮标的坐标，所述步骤s41的坐标系变换路径依次为：地心地固坐标系ecef、当地水平坐标系ned和浮标本体坐标系。

29、通过坐标系的变换，使后续计算能更贴合符合浮标的情况。

30、优选地，所述天线方向图查找表预先存储各天线在不同夹角下的增益值，通过线性插值获取任意夹角的增益。

31、为了使通信连续不中断，所述步骤s5的切换天线的切换逻辑包括：

32、优先级保护：在切换过程中确保至少有一个天线保持连接；

33、快速切换：切换建立时间小于预设阈值；

34、状态保持：在通信过程中保持天线连接稳定。

35、通过优先级保护、快速切换和状态保持，能使切换天线的过程中，依旧维持正常通信。

36、为了减少无效发射，还包括安全模式步骤：

37、当采集的浮标数据无效或卫星轨道参数无效时，进入安全模式；

38、在安全模式下强制锁定垂直天线并降低发射功率。

39、当浮标数据或卫星轨道参数无效时，要么是海况较差，要么是卫星情况较差，此时锁定垂直天线并降低发射功率，能在海况或卫星情况较差的情况下降低发射无效率，减少损耗。

40、为了实现智能缓存，还包括通信调度步骤，切换通信天线通信之前执行，包括：

41、检查是否处于允许通信的时间窗口和电池电量是否高于预设阈值，当天线处于通信的时间窗口并且电池电量高于预设阈值时，执行步骤s5；否则，将数据缓存等待下一通信窗口。

42、通过判断是否处于发送时隙、检查电源状态、管理发送任务队列，实现智能缓存与延迟发射机制。

43、一种基于多源感知的海上浮标天线控制系统，基于上述的一种基于多源感知的海上浮标天线控制方法所构建，包括：

44、感知模块：包括定位模块、姿态传感器和星历输入接口，用于采集浮标位置、姿态和卫星轨道数据；

45、决策模块：包括轨道预测器、海况判断模块、天线引擎和通信调度器，用于综合多源信息做出天线选择和通信调度决策；

46、执行模块：包括处理器、射频开关和收发链路，用于执行天线切和数据收发；

47、智能缓存模块：用于存储待发送数据，管理优先级队列，支持数据包的生命周期管理；

48、延迟发射模块：用于根据轨道预测计算最优发送时机，当条件不满足时将数据延迟至下一通信窗口发送；

49、远程配置模块：用于通过卫星通信接口接收远程配置指令，更新海况阈值、仰角阈值和电池阈值这些策略参数；

50、所述海况判断模块的输出直接作为天线选择引擎的使能条件输入，形成感知-决策-执行的闭环决策。

51、一种基于多源感知的海上浮标天线控制的装置，作为上述的一种基于多源感知的海上浮标天线控制系统的核心部分，由感知模块、决策模块和执行模块组成，具体包括：

52、天线阵列，包括一个垂直安装的天线和至少一个倾斜安装的天线，倾斜天线在方位角上间隔分布，覆盖不同仰角区域；

53、单套收发链路，包括功率放大器、低噪声放大器和收发链路；

54、单刀多掷射频开关，其公共端连接所述单套收发链路，多个切换端分别连接所述天线阵列中的各天线；

55、姿态传感器：用于采集浮标的加速度数据和姿态角数据；

56、控制器：用于基于所述姿态传感器数据判断海况等级，并根据海况等级和卫星仰角控制所述射频开关切换天线；

57、其中，所述控制器配置为：当海况等级达到或超过预设阈值且卫星仰角低于预设阈值时，控制所述射频开关仅连接垂直天线，禁用所有倾斜天线。

58、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

59、1.海况硬性使能机制

60、将海况等级作为低仰角天线使能的硬性条件，替代传统的基于信号强度的被动响应，从根本上避免无效发射，提升通信成功率；

61、2.低成本多天线分集架构

62、通过多天线布局配合射频开关实现单套收发链路复用，能在成本较低的情况下带来低仰角通信成功率的提升，性价比高；

63、3.低延迟预判式切换

64、基于星历预测和姿态感知的预判算法实现低延迟切换，优于现有系统的切换延迟，提升首次接入成功率；

65、4.智能调度与节能优化

66、智能缓存与延迟发射机制避免无效能耗，延长浮标续航时间；

67、5.持续优化的自适应能力

68、支持远程更新策略参数，实现次部署，持续优化，可根据实际海况调整参数，提升系统适应性和可维护性；

69、6.全维感知的决策闭环

70、融合卫星轨道、姿态感知、海况判断、时隙调度等多维度信息，形成感知、决策和执行闭环，增强系统鲁棒性；

71、7.模块化设计

72、各功能模块独立，便于维护和升级，支持硬件裁剪，适应不同应用场景。