本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，具體涉及一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著全球海洋運(yùn)輸、漁業(yè)作業(yè)及遠(yuǎn)洋科考的快速發(fā)展，船舶之間的高效通信成為保障安全航行和提高作業(yè)效率的重要技術(shù)支撐。傳統(tǒng)的船隊(duì)通信方式通常采用分散式衛(wèi)星通信架構(gòu)，即每艘船舶獨(dú)立配備衛(wèi)星終端并直接與衛(wèi)星通信。然而，這種架構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題：1.資源浪費(fèi)：每艘船舶需獨(dú)立配置衛(wèi)星終端，設(shè)備成本高，導(dǎo)致大量冗余投資，尤其在規(guī)模化船隊(duì)中，增加了運(yùn)營(yíng)負(fù)擔(dān)；2.通信效率低：分散式通信模式下，多個(gè)船舶同時(shí)接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致信道資源競(jìng)爭(zhēng)加劇，數(shù)據(jù)傳輸易受干擾，尤其在高并發(fā)或密集海域環(huán)境中，延遲增加、帶寬利用率低；3.覆蓋盲區(qū)：小型船舶因天線功率限制，在惡劣天氣或遠(yuǎn)洋環(huán)境中信號(hào)衰減嚴(yán)重，可能導(dǎo)致通信中斷，影響遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度指揮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決相關(guān)技術(shù)中資源浪費(fèi)、通信效率低和覆蓋盲區(qū)的技術(shù)問(wèn)題。

2、本發(fā)明提供了一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括：

3、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊，用于在船隊(duì)內(nèi)各船舶端采集船舶特征數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，得到第一特征數(shù)據(jù)；

4、船舶特征數(shù)據(jù)包括：船舶經(jīng)緯度、航向、航速、信號(hào)強(qiáng)度、誤碼率、待傳輸數(shù)據(jù)量和任務(wù)類型；

5、集中管理與中繼模塊，用于根據(jù)第一特征數(shù)據(jù)從船隊(duì)中選定一艘船舶作為主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)配置有高性能衛(wèi)星通信終端，負(fù)責(zé)對(duì)船隊(duì)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中匯聚和中繼傳輸；

6、動(dòng)態(tài)資源分配模塊，用于根據(jù)第一特征數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)先級(jí)評(píng)分公式計(jì)算船舶的優(yōu)先級(jí)評(píng)分，進(jìn)而對(duì)船隊(duì)的總帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配；

7、故障恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模塊，用于在主節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，觸發(fā)主節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制并重建網(wǎng)絡(luò)。

8、進(jìn)一步地，船舶經(jīng)緯度通過(guò)二維坐標(biāo)編碼表示，任務(wù)類型包括：普通數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)航指令傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸、緊急事件通報(bào)，并根據(jù)任務(wù)類型設(shè)定任務(wù)緊急程度，任務(wù)類型和任務(wù)緊急程度均通過(guò)實(shí)數(shù)編碼表示。

9、進(jìn)一步地，所述預(yù)處理的具體步驟包括：

10、s201，采用規(guī)則驗(yàn)證方法，識(shí)別船舶特征數(shù)據(jù)各數(shù)據(jù)字段的異常值，并使用除異常值以外的數(shù)據(jù)的均值進(jìn)行替換處理；

11、s202，使用一階指數(shù)平滑濾波對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行處理；

12、s203，將船舶特征數(shù)據(jù)各數(shù)據(jù)字段轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)字格式，并添加時(shí)間戳。

13、進(jìn)一步地，所述特征提取的具體步驟包括：

14、s301，根據(jù)船舶特征數(shù)據(jù)提取通信質(zhì)量特征，其中，通過(guò)船舶的信號(hào)強(qiáng)度與船隊(duì)中最低的信號(hào)強(qiáng)度的差值，除以船隊(duì)中最高與最低的信號(hào)強(qiáng)度之差，得到第一中間特征，通過(guò)船舶的誤碼率與船隊(duì)中最高的誤碼率的對(duì)數(shù)比值得到第二中間特征，通過(guò)船舶航向與船隊(duì)平均航向的差值的絕對(duì)值得到第三中間特征，將第一中間特征、第二中間特征和第三中間特征結(jié)合，得到通信質(zhì)量特征；

15、s302，根據(jù)船舶特征數(shù)據(jù)提取位置穩(wěn)定性特征，其中，通過(guò)船舶的航速與船隊(duì)平均航速的差值和船隊(duì)中最大航速與最小航速的差值的比值，得到第四中間特征，將船舶與船隊(duì)中心點(diǎn)的歐式距離、第四中間特征和第三中間特征結(jié)合，得到位置穩(wěn)定性特征；

16、s303，根據(jù)船舶特征數(shù)據(jù)提取運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征，其中，通過(guò)船舶的航向與船舶上一時(shí)刻的航向的差值得到第五中間特征，通過(guò)船舶的航速與船舶上一時(shí)刻的航速的差值絕對(duì)值和船隊(duì)中最大航速與最小航速的差值的比值，得到第六中間特征，通過(guò)船舶加速度的絕對(duì)值和船舶最大加速度的比值，得到第七中間特征，將第五中間特征、第六中間特征和第七中間特征結(jié)合，得到運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征；

17、s304，對(duì)通信質(zhì)量特征、位置穩(wěn)定性特征、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征采用z分?jǐn)?shù)歸一化方法進(jìn)行歸一化處理。

18、進(jìn)一步地，根據(jù)船舶特征數(shù)據(jù)提取得到的通信質(zhì)量特征、位置穩(wěn)定性特征、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征通過(guò)第一船舶得分公式得到船舶主節(jié)點(diǎn)得分，并選擇主節(jié)點(diǎn)得分最高的船舶作為主節(jié)點(diǎn)，選擇主節(jié)點(diǎn)得分次高的船舶作為備用主節(jié)點(diǎn)，其中，船舶主節(jié)點(diǎn)得分通過(guò)對(duì)通信質(zhì)量特征、位置穩(wěn)定性特征、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征分別進(jìn)行冪運(yùn)算，并進(jìn)行乘積運(yùn)算得到。

19、進(jìn)一步地，分別計(jì)算通信質(zhì)量特征、位置穩(wěn)定性特征、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征的方差，并根據(jù)各特征的方差與所有特征方差之和的比值計(jì)算各特征的權(quán)重系數(shù)，各特征的權(quán)重系數(shù)包括：通信質(zhì)量權(quán)重系數(shù)、位置穩(wěn)定性權(quán)重系數(shù)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性權(quán)重系數(shù)。

20、進(jìn)一步地，根據(jù)第一特征數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)先級(jí)評(píng)分公式計(jì)算船舶的優(yōu)先級(jí)評(píng)分，進(jìn)而分配船隊(duì)的總帶寬，其中，優(yōu)先級(jí)評(píng)分通過(guò)將船舶的待傳輸數(shù)據(jù)量與船隊(duì)內(nèi)最大的待傳輸數(shù)據(jù)量的比值、船舶的信號(hào)強(qiáng)度與船隊(duì)內(nèi)最高的信號(hào)強(qiáng)度、船舶誤碼率的對(duì)數(shù)和船舶的任務(wù)緊急程度進(jìn)行結(jié)合得到；

21、根據(jù)優(yōu)先級(jí)評(píng)分分配船隊(duì)的總帶寬，船舶的可分配帶寬的計(jì)算公式為：，其中，表示船舶i的可分配帶寬，表示船隊(duì)的總帶寬，表示船舶i的優(yōu)先級(jí)評(píng)分，n表示船隊(duì)中船舶數(shù)量，j表示船舶索引。

22、進(jìn)一步地，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)滿足以下條件之一時(shí)，判定主節(jié)點(diǎn)失效：

23、主節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度低于第一預(yù)設(shè)閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔；

24、主節(jié)點(diǎn)誤碼率高于第二預(yù)設(shè)閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)第二預(yù)設(shè)時(shí)間間隔；

25、主節(jié)點(diǎn)航向偏移超過(guò)第三閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)第三預(yù)設(shè)時(shí)間間隔；

26、在判定主節(jié)點(diǎn)失效后，執(zhí)行主節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制，所述切換機(jī)制包括：

27、第一優(yōu)先級(jí)切換：?jiǎn)⒂脗溆弥鞴?jié)點(diǎn)替換當(dāng)前主節(jié)點(diǎn)；

28、第二優(yōu)先級(jí)切換：當(dāng)備用主節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，基于當(dāng)前船隊(duì)狀態(tài)重新計(jì)算主節(jié)點(diǎn)得分，并選擇主節(jié)點(diǎn)得分最高的船舶作為新的主節(jié)點(diǎn)。

29、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過(guò)選取單船作為主節(jié)點(diǎn)，減少了每艘船舶獨(dú)立配備衛(wèi)星通信終端的需求，從而降低了設(shè)備采購(gòu)和維護(hù)成本，避免了傳統(tǒng)分散式通信架構(gòu)中的冗余投資；

30、本發(fā)明基于通信質(zhì)量、位置穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性三個(gè)核心特征，通過(guò)主節(jié)點(diǎn)評(píng)分算法選取最優(yōu)船舶作為主節(jié)點(diǎn)，并提前選定次優(yōu)節(jié)點(diǎn)作為備用主節(jié)點(diǎn)；該機(jī)制確保了主節(jié)點(diǎn)具備良好的信號(hào)質(zhì)量、合理的船隊(duì)位置及穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免了主節(jié)點(diǎn)頻繁切換的問(wèn)題，提高了船隊(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性；

31、本發(fā)明采用優(yōu)先級(jí)評(píng)分公式，根據(jù)船舶的數(shù)據(jù)傳輸需求、鏈路質(zhì)量和任務(wù)緊急程度計(jì)算優(yōu)先級(jí)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)帶寬分配策略確保高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先獲得帶寬。相比傳統(tǒng)的固定帶寬分配方式，該方法能夠根據(jù)船舶的實(shí)時(shí)需求調(diào)整資源配置，提高了帶寬利用率，減少了信道競(jìng)爭(zhēng)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和響應(yīng)速度。

技術(shù)特征：

1.一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，船舶經(jīng)緯度通過(guò)二維坐標(biāo)編碼表示，任務(wù)類型包括：普通數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)航指令傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸、緊急事件通報(bào)，并根據(jù)任務(wù)類型設(shè)定任務(wù)緊急程度，任務(wù)類型和任務(wù)緊急程度均通過(guò)實(shí)數(shù)編碼表示。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)處理的具體步驟包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，所述特征提取的具體步驟包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)船舶特征數(shù)據(jù)提取得到的通信質(zhì)量特征、位置穩(wěn)定性特征、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征通過(guò)第一船舶得分公式得到船舶主節(jié)點(diǎn)得分，并選擇主節(jié)點(diǎn)得分最高的船舶作為主節(jié)點(diǎn)，選擇主節(jié)點(diǎn)得分次高的船舶作為備用主節(jié)點(diǎn)，其中，船舶主節(jié)點(diǎn)得分通過(guò)對(duì)通信質(zhì)量特征、位置穩(wěn)定性特征、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征分別進(jìn)行冪運(yùn)算，并進(jìn)行乘積運(yùn)算得到。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，分別計(jì)算通信質(zhì)量特征、位置穩(wěn)定性特征、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性特征的方差，并根據(jù)各特征的方差與所有特征方差之和的比值計(jì)算各特征的權(quán)重系數(shù)，各特征的權(quán)重系數(shù)包括：通信質(zhì)量權(quán)重系數(shù)、位置穩(wěn)定性權(quán)重系數(shù)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性權(quán)重系數(shù)。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)第一特征數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)先級(jí)評(píng)分公式計(jì)算船舶的優(yōu)先級(jí)評(píng)分，進(jìn)而分配船隊(duì)的總帶寬，其中，優(yōu)先級(jí)評(píng)分通過(guò)將船舶的待傳輸數(shù)據(jù)量與船隊(duì)內(nèi)最大的待傳輸數(shù)據(jù)量的比值、船舶的信號(hào)強(qiáng)度與船隊(duì)內(nèi)最高的信號(hào)強(qiáng)度、船舶誤碼率的對(duì)數(shù)和船舶的任務(wù)緊急程度進(jìn)行結(jié)合得到；

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)滿足以下條件之一時(shí)，判定主節(jié)點(diǎn)失效：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種以單船為主節(jié)點(diǎn)的船隊(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊，用于在船隊(duì)內(nèi)各船舶端采集船舶特征數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，得到第一特征數(shù)據(jù)；集中管理與中繼模塊，用于根據(jù)第一特征數(shù)據(jù)從船隊(duì)中選定一艘船舶作為主節(jié)點(diǎn)；動(dòng)態(tài)資源分配模塊，用于根據(jù)第一特征數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)先級(jí)評(píng)分公式計(jì)算船舶的優(yōu)先級(jí)評(píng)分，進(jìn)而對(duì)船隊(duì)的總帶寬進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配；故障恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)模塊，用于在主節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，觸發(fā)主節(jié)點(diǎn)切換機(jī)制并重建網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明通過(guò)選取單船作為主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)集中通信管理，基于主節(jié)點(diǎn)評(píng)分優(yōu)化主節(jié)點(diǎn)選取，采用優(yōu)先級(jí)評(píng)分與動(dòng)態(tài)帶寬分配策略，提高通信穩(wěn)定性、帶寬利用率和系統(tǒng)可靠性。

技術(shù)研發(fā)人員：趙劍青
受保護(hù)的技術(shù)使用者：時(shí)代天海（廈門）智能科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15