平流层航空器及其双链路卫星通信方法与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种平流层航空器及其双链路卫星通信方法。


背景技术：

2.平流层航空器主要用于对地球表面进行军事与民用侦察、观测的战略装备，而通信手段显得非常重要，一旦与地面失去联系，整个航空器也就失去了应有的价值。
3.现有的平流层航空器的卫星通信主要使用单天线设备，而平流层高空温差较大，气压较低，设备的运行环境比较恶劣，单天线设备的故障率过高，无备份链路，从而无法进行通信，同时单天线存在遮挡的可能性较大(卫星通信的前提是天线对准卫星，有障碍物挡住天线即无法进行通信)。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，旨在解决单天线设备故障或被遮挡的情况下无法进行通信的问题，本发明提供了一种平流层航空器的双链路卫星通信方法，该航空器使用双天线与双链路的主备链路切换，从而在一个天线出现故障或遮挡时，还能够使用另一个天线通过卫星网络实现与地面通信，增强使用体验效果。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.第一方面，提供了一种平流层航空器的双链路卫星通信方法，包括以下步骤：
7.⑴
若航空器的第一天线和第二天线都处于正常状态，使用所述第一天线与卫星之间的第一卫星链路进行通信，再通过所述卫星与地面基站进行通信；
8.⑵
判断所述第一天线是否出现遮挡或者故障，若为是，则所述航空器切换到所述第二天线，使用所述第二天线与所述卫星之间的第二卫星链路进行通信后结束；若为否，则使用第一卫星链路进行通信；
9.⑶
所述航空器进一步判断所述第二天线是否出现遮挡、故障或者资源拥塞，若为是，则执行步骤
⑷
；若为否，则使用第二卫星链路进行通信；
10.⑷
使用第一卫星链路与所述卫星进行通信；
11.所述航空器根据上述判断顺序选择处于正常工作状态的所述第一天线或所述第二天线用于通信。
12.进一步地，还包括以下步骤：在步骤
⑵
判断出所述第一天线未出现遮挡或者故障，所述航空器进一步判断所述第一天线是否出现资源拥塞，若为是，则所述航空器重新切换到所述第二天线，使用第二卫星链路与所述卫星进行通信；若为否，则使用第一卫星链路进行通信。
13.进一步地，所述第一天线与所述第二天线具有相同的ip地址，同时所述第一天线与所述第二天线分别采用第一svn(satellite virtual network，卫星虚拟网络)与第二svn。
14.进一步地，所述地面基站包括地面站天线、由多个路由器组成的mpls/ip骨干网、防火墙与控制中心，在所述第一天线或所述第二天线传输的数据通过所述卫星通信被所述地面站天线接收后，经过所述mpls/ip骨干网，所述mpls/ip骨干网分别为所述第一天线及所述第二天线配置对应的第一vrf(virtual routing forwarding，虚拟路由转发)和第二vrf，在所述防火墙处使用路由控制的方式，实现主备切路径的切换，把数据传输到相应的所述控制中心。
15.进一步地，所述路由控制的方式为：若所述第一天线和所述第二天线都处于正常工作状态，根据防火墙配置路由策略，允许所述第一vrf的路由通过，阻断所述第二vrf的路由；
16.若所述第一天线出现故障，则修改防火墙配置路由策略，阻断所述第一vrf的路由，允许所述第二vrf的路由通过。
17.进一步地，根据所述第一天线与所述第二天线所在位置和所述卫星轨位计算出所述第一天线与所述第二天线的仰角和方位角，将所述仰角与所述方位角比对预设值判断所述第一天线或所述第二天线是否遮挡。
18.进一步地，所述第一天线与所述第二天线的仰角和方位角的计算公式如下：
19.所述方位角：a＝180
°
arctg{tg(x－z)/sinφ}；
20.所述仰角：h＝arctg{[cosβ－r/(r h)]/sinβ}；
[0021]
cosβ＝cosφcos(x－z)；
[0022]
z为所述第一天线与所述第二天线所指所述卫星的经度；x为所述地面基站经度；φ为所述地面基站纬度；r为地球半径；h为所述卫星高度；r/(r h)＝0.1512665。
[0023]
第二方面，提供了一种使用上述双链路卫星通信方法的平流层航空器，包括：
[0024]
载荷，包括传感器与网络设备；
[0025]
二层交换机，包括载荷交换机、第一交换机与第二交换机，所述载荷与所述载荷交换机信号连接，所述第一交换机与所述第二交换机与所述载荷交换机信号连接；
[0026]
天线，包括第一天线与第二天线，所述第一天线与所述第一交换机信号连接，所述第二天线与所述第二交换机信号连接。
[0027]
进一步地，所述第一天线与所述第二天线的方位角与俯仰角相同，所述第一天线与所述第二天线安装位置不同。
[0028]
进一步地，所述方位角为0-360
°
，所述俯仰角为0-90
°
。
[0029]
本发明所阐述的一种平流层航空器及其双链路卫星通信方法，其有益效果在于：
[0030]
1、本发明的平流层航空器使用第一天线与第二天线，因此在第一天线或第二天线中的任意一个出现遮挡或者故障时，平流层航空器可以切换至正常的天线进行卫星通信，保证给每个数据包分配最优质、最高效的链路，提升了通信可靠性与用户体验感，解决了因为设备的运行环境比较恶劣，单天线设备的故障率过高或容易存在遮挡，无备份链路，导致无法进行通信的问题；
[0031]
2、在第一天线或第二天线中的任意一个出现资源拥塞时，平流层航空器可以切换至通信资源充足的天线进行卫星通信，从而可以保证通信的质量。
[0032]
3、本发明采用简单的二层网络架构，把复杂的三层网络架构留在可控的地面基站，从而简化了航空器的网络架构，减少了航空器的能耗。
[0033]
4、本发明的第一天线的第一svn使用单独的第一vrf，第二天线的第二svn使用单独的第二vrf，保证第一天线和第二天线使用相同的ip地址在mpls/ip骨干网传输里面不受影响。
[0034]
5、本发明采用卫星通信与网络技术相结合，通过使用卫星通信与mpls/ip骨干网相融合，通过在防火墙处使用路由阻断的方式，实现双天线的主备路径的切换，把数据传输到相应的控制中心，地面基站能实时监控状态和数据，及时做出相应的控制和处理。
附图说明
[0035]
图1是本发明的平流层航空器的双链路卫星通信方法流程图之一。
[0036]
图2是本发明的平流层航空器的双链路卫星通信方法流程图之二。
[0037]
图3是本发明航空器通过卫星与地面基站通信的主架构图。
[0038]
图中所示标号：1、航空器；11、载荷；120、载荷交换机；121、第一交换机；122、第二交换机；131、第一天线；132、第二天线；2、卫星；3、地面基站；31、地面站天线；32、路由器；33、防火墙；34、控制中心。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图与具体实施例来对本发明做进一步描述。
[0040]
如图1与图3所示，本发明的实施例提供了一种平流层航空器1的双链路卫星通信方法，包括以下步骤：
[0041]
⑴
若航空器1的第一天线131和第二天线132都处于正常状态，使用第一天线131与卫星2之间的第一卫星链路进行通信，再通过卫星2与地面基站3进行通信；
[0042]
⑵
判断第一天线131是否出现遮挡或者故障，若为是，则航空器1切换到第二天线132，使用第二天线132与卫星2之间的第二卫星链路进行通信后结束；若为否，则使用第一卫星链路进行通信；
[0043]
⑶
航空器1进一步判断第二天线132是否出现遮挡、故障或者资源拥塞，若为是，则执行步骤
⑷
；若为否，则使用第二卫星链路进行通信；
[0044]
⑷
使用第一卫星链路与卫星2进行通信；
[0045]
航空器1根据上述判断顺序选择处于正常工作状态的第一天线131或第二天线132用于通信。
[0046]
因为平流层航空器1使用第一天线131与第二天线132，因此在第一天线131或第二天线132中的任意一个出现遮挡或者故障时，平流层航空器1可以切换至正常的天线进行卫星2通信，从而了解决因为设备的运行环境比较恶劣，单天线设备的故障率过高或容易存在遮挡，无备份链路，导致无法进行通信的问题。
[0047]
在第一天线131出现遮挡时，航空器切换到第二天线132进行卫星通信，但是由于航空器1与卫星2保持相对运动，因此在一段时间后航空器1与卫星2的相对位置会发生改变，那么遮挡物就可能会遮挡在第二天线132与卫星2之间，因此需要进一步判断第二天线132是否遮挡，从而在第二天线132出现遮挡时，能够及时切换到第一天线131进行通信，从而保证了航空器1在任何位置任何时间都能够与卫星2保持通信。
[0048]
具体地，如图2所示，本发明实施例的双链路卫星通信方法还包括以下步骤：在步
骤
⑵
判断出第一天线131未出现遮挡或者故障，航空器1进一步判断第一天线131是否出现资源拥塞，若为是，则航空器1重新切换到第二天线132，使用第二卫星链路与卫星2进行通信；若为否，则使用第一卫星链路进行通信。通过增加对第一天线131的资源拥塞的判断，从而在第一天线131或第二天线132中的任意一个出现资源拥塞时，平流层航空器1可以切换至通信资源充足的天线进行卫星2通信，从而可以保证通信的质量。
[0049]
具体地，第一天线131与第二天线132具有相同的ip地址，同时第一天线131与第二天线132分别采用第一svn与第二svn。航空器1采用简单的二层网络架构，把复杂的三层网络架构留在可控的地面基站3，从而简化了航空器1的网络架构，减少了航空器1的能耗。
[0050]
具体地，地面基站3包括地面站天线31、由多个路由器32组成的mpls/ip骨干网、防火墙33与控制中心34，在第一天线131或第二天线132传输的数据通过卫星2通信被地面站天线31接收后，经过mpls/ip骨干网，mpls/ip骨干网分别为第一天线131及第二天线132配置对应的第一vrf和第二vrf，在防火墙33处使用路由控制的方式，实现主备切路径的切换，把数据传输到相应的控制中心34。第一天线131的第一svn使用单独的第一vrf，第二天线132的第二svn使用单独的第二vrf，保证第一天线131和第二天线132使用相同的ip地址在mpls/ip骨干网进行数据传输不受影响。
[0051]
具体地，路由控制的方式为：若第一天线131和第二天线132都处于正常工作状态，根据防火墙配置路由策略，允许第一vrf的路由通过，阻断第二vrf的路由；
[0052]
若第一天线131出现故障，则修改防火墙配置路由策略，阻断第一vrf的路由，允许第二vrf的路由通过。
[0053]
具体地，根据第一天线131与第二天线132所在位置和卫星2轨位计算出第一天线131与第二天线132的仰角和方位角，将仰角与方位角比对预设值判断是否第一天线131或第二天线132遮挡。
[0054]
由于第一天线131与第二天线132均安装在航空器1，且是与同一个卫星进行通信，因此第一天线131与第二天线132的仰角与方位角相同。同时遮挡物与卫星2是与地球的自转保持同步运动，从而遮挡物与卫星2的位置是相对静止，因此在航空器1安装第一天线131与第二天线132时，就能够得知在某一仰角与方位角时，第一天线131或第二天线132会被遮挡物遮挡，根据第一天线131与第二天线132所在位置和卫星2轨位计算出第一天线131与第二天线132的仰角和方位角，将第一天线131与第二天线132安装时得知的某一仰角与方位角作为预设值，将计算得到的仰角与方位角比对预设值从而可以判断第一天线131与第二天线132是否遮挡。当仰角与方位角比对预设值相同，航空器1可以切换到第二天线132，使用第二卫星链路。反之，在仰角与方位角比对预设值不相同，航空器1可以切换到第一天线131，使用第一卫星链路。从而能够保证航空器1与地面基站3时刻保持卫星通信。
[0055]
具体地，第一天线131与第二天线132的仰角和方位角的计算公式如下：
[0056]
方位角：a＝180
°
arctg{tg(x－z)/sinφ}；
[0057]
仰角：h＝arctg{[cosβ－r/(r h)]/sinβ}；
[0058]
cosβ＝cosφcos(x－z)；
[0059]
z为第一天线131与第二天线132所指卫星2的经度；x为地面基站3经度；φ为地面基站3纬度；r为地球半径；h为卫星2高度；r/(r h)＝0.1512665。
[0060]
如图2所示，本发明的实施例还提供了一种使用上述双链路卫星通信方法的平流
层航空器1，包括：
[0061]
载荷11，包括传感器与网络设备；
[0062]
二层交换机，包括载荷交换机120、第一交换机121与第二交换机122，载荷11与载荷交换机120信号连接，第一交换机121与第二交换机122与载荷交换机120信号连接；
[0063]
天线，包括第一天线131与第二天线132，第一天线131与第一交换机121信号连接，第二天线132与第二交换机122信号连接。
[0064]
本发明实施例的平流层航空器1使用二层交换机，避免使用功率较大的三层交换机，很大程度改善供电问题，也减少了航空器1的载重。同时由于二层交换机是在航空器1内进行使用，属于一个较小的局域网，且第一天线与第二天线具有相同的ip地址，无需使用三层交换机的路由功能就可以保证载荷11与天线之间的数据传输，简化了航空器1的网络架构。此外，相对于仅有一个天线的航空器1而言，本发明实施例的航空器1的使用第一天线131与第二天线132，在其中一个天线出现遮挡、故障或者资源拥塞等问题导致无法与地面基站3进行卫星2通信时，能够使用另一个天线与地面基站3进行卫星2通信，从而保证了航空器1的通信可靠性与通信质量。
[0065]
具体地，第一天线131与第二天线132的方位角范围不同。
[0066]
具体地，第一天线131与第二天线132的方位角与俯仰角相同，第一天线131与第二天线132安装位置不同。由于第一天线131与第二天线132的是通过同一卫星2与地面基站3进行卫星通信，因此需要将第一天线131与第二天线132的方位角与俯仰角设置为相同，同时为了能够使第一天线131与第二天线132其中一个被遮挡时，另一个不会被遮挡，因此将第一天线131与第二天线132安装在航空器1的不同位置。
[0067]
具体地，方位角为0-360
°
，俯仰角为0-90
°
。第一天线131与第二天线132的方位角与俯仰角的角度是根据卫星2的位置进行设置的，从而能够使第一天线131与第二天线132的信号范围能够覆盖卫星2，因为方位角的范围在为0-360
°
，俯仰角为0-90
°
。
[0068]
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。