经由无人机/UAV平台的宽带接入系统技术方案

本公开描述了用于提供利用空中平台的网络例如无人机/UAV/气球宽带互联网接入到家庭和企业的系统和方法。无人机通信系统包括天线子系统、无线电子系统和数据切换子系统。无人机形成波束并将波束朝向空分多址接入方案中不同区域中的地面终端定位。地面终端包括天线子系统和无线电子系统。地面终端寻找从其接收最强信号的无人机。无人机和地面终端包括校正接收和传送天线元件的方法和系统。无人机无线电子系统保持追踪无人机的位置和定向改变，并相应地调整无人机的天线波束以在无人机移动时定位到地面上相同的位置。基于无人机位置和定向的改变，无人机无线电子系统可切换用于朝向特定地面终端形成波束的天线孔和/或天线固定装置。无人机使用空分多址方案和时分多址方案与终端通信。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】交叉引用本申请要求于2014年5月21日提交的名为“经由无人机/UAV平台的宽带接入系统”的美国申请第14/284,375号的优先权，该申请要求于2014年2月17日提交的名为“经由无人机/UAV平台的宽带接入系统”的第61/940,805号美国临时专利申请和于2014年3月24日提交的名为“经由无人机/UAV平台的宽带接入系统”的第14/223,705号美国专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本公开描述了用于将空中平台比如无人机(drone)、UABV、气球、飞艇、无人直升机(robocopters)用作平台以在不同种类的终端间中继互联网流量的宽带互联网接入系统的多个方面。
技术介绍
多年来随着互联网流量的增长，需要新技术来实现以较低成本的宽带接入家庭和企业以及尚未覆盖的地方。目前宽带传送系统的示例包括地面有线网络比如双绞线上的DSL(数字用户线路)、光纤传送系统比如Verizon的FiOS(光纤服务)以及比如由ViaSat和Hughes网络运营的地球同步轨道卫星系统。目前的宽带接入系统有许多缺点。问题之一是缺少在偏远和人烟稀少地区的服务。地球同步轨道卫星确实在发达国家的偏远地区提供服务，比如美国。但世界上的贫困地区比如非洲还缺少足够的卫星容量。在世界上的贫困区域未充分提供卫星容量的显著原因之一就是卫星系统相对较高的成本。由于卫星轨道中不利的大气影响，卫星硬件必须是空间级别的且十分昂贵。将卫星送入轨道的运载火箭也很昂贵。而且，由于卫星的发射风险和高昂成本，给卫星和发射投保的成本也很可观。因此，宽带卫星系统和服务相对比较昂贵且难以用于世界贫困地区。在人烟稀少地区部署地面系统比如光纤或微波链路也很昂贵。低用户密度无法证明部署成本的合理性。
技术实现思路
本公开描述了用于在地面终端与一个或多个无人机的网络之间的宽带无线接入通信的系统。该系统包括位于每个无人机上的至少一个天线固定装置，其能够生成朝向地面的至少一个波束，从而形成朝向位于地面广泛区域中的终端以及朝向网络中其他无人机的波束。系统还包括位于每个无人机上的至少一个无线电子系统，该子系统具有用于解调并解码从地面终端接收的信号的接收器以及具有发射器，发射器用于调制数据并将调制的信号通过至少一个无人机天线传送至地面终端、向地面终端发送至少一个导频信号并控制及配置无人机天线以形成特定方向的波束。系统还包括至少一个无人机切换子系统，以将在无人机处从一组地面终端接收的数据切换至另一组地面终端。此外，系统具有位于地面终端处的天线子系统和位于地面终端处的无线电子系统，天线子系统能够将波束朝向特定无人机定位，无线电子系统具有用于解调并解码从无人机接收的信号的接收器以及具有发射器，发射器用于调制地面终端数据并将信号通过地面终端天线传送至无人机、向无人机发送至少一个导频信号并控制及配置地面终端天线以形成特定方向的波束。本公开描述了包含多个天线孔的无人机天线固定装置，每个天线孔定位为覆盖不同区域。系统包括检测无人机的位置、翻滚、俯仰、偏航定向的改变以及指示天线固定装置相应地操控无人机波束定位至地面的相同位置，并且检测无人机的位置或定向是否已足够移动以使定位至地面上的给定位置的天线固定装置或天线孔可切换/改变至不同的天线固定装置或相同天线固定装置的不同天线孔。位于每个无人机上的至少一个天线固定装置放置为能够操控波束朝向网络中至少一个其他无人机。本公开的其他方面描述了一种地面终端天线，其天线孔安装在能够以方位角和仰角方向移动孔以将天线大致定位朝向无人机的结构上；天线孔具有带电子束的元件，其能够形成方位角和仰角以精细地将波束朝向无人机定位。可选的地面终端天线由至少两个天线孔构成，其中至少一个孔朝向低仰角定位，至少第二个孔朝向高仰角定位；天线孔安装在仅以方位角方向转动的结构上，每个天线孔能够形成方位角和仰角以精细地将波束朝向无人机定位的每个天线孔。地面终端天线孔具有仅在仰角电操控波束的元件，方位角波束操控仅通过孔的机械转动来实现。在本公开的另一方面，地面终端天线孔不能操控电波束，方位角和仰角的波束操控通过将孔以方位角和仰角轴线朝向无人机机械转动而实现。地面终端天线固定装置的另一方面包括具有多个天线孔的单个天线固定装置，其中每个孔面对方位角或仰角的不同方向，地面终端无线电子系统选择从无人机接收最强导频信号的孔。本公开的另一方面描述了用于储存较接近地面终端的无人机列表的方法和系统，该列表称为无人机邻居列表，根据无人机的导频强度，储存无人机的位置，并将地面终端天线朝向无人机邻居列表上的无人机定位。地面终端检测来自无人机的导频信号，评估导频信号质量，并将所测量的信号质量与配置值相比较以确定所有无人机中特定无人机是否提供最高的信号质量。在本公开的另一方面，描述了用于地面终端将终端周围空间划分为角锥并寻找用于无人机导频的每个角锥的系统和方法。终端选择具有最强无人机导频的角锥和相应的无人机作为最佳无人机。此外，地面终端发送消息至无人机以登记无人机网络，发送地面终端的位置信息和其他配置参数至无人机，并且将地面终端旨在与其通信的无人机的标识通知网络。本公开的另一方面描述了用于形成多个无人机波束以覆盖无人机足迹的方法和系统，用于将无人机的足迹划分为一组固定的连续虚拟无人机波束、在一个时间间隔中基于地面终端的位置开启多个虚拟无人机波束并关闭剩余虚拟波束、并改变在不同的时间间隔中开启的波束组的方法和系统。系统的另一方面包括用于形成具有可调整波束中心的多个非重叠无人机波束的方法和系统。该系统描述了这样的方法和系统，其用于无人机天线通过一个无人机天线固定装置的一个天线孔朝向参考地面终端传送导频信号，用于地面终端测量从无人机接收的导频信号的至少一个信号质量度量，并将测量的无人机导频信号质量发送至无人机，以及用于无人机使用从地面终端接收的导频信号质量测量更新传送天线元件的系数以优化地面终端从无人机接收的导频信号的至少一个信号质量度量。本公开的另一方面描述了这样的方法和系统，其用于无人机天线朝向参考地面终端一次一个元件地传送天线孔的每个元件上的导频信号，用于地面终端测量从无人机接收的导频信号的振幅和相位，并将所测量的无人机导频信号振幅和相位发送至无人机，以及用于无人机使用从地面终端接收的振幅和相位信息以校正传送天线元件。此外，系统具有位于无人机处的接收器以从地面终端接收信号，并测量所接收信号的至少一个信号质量度量，以及用于能够基于优化准则更新接收天线元件系数。该系统还从用于校正地面终端的传送和接收天线元件(如描述无人机天线子系统校正那样)的相同方法和系统获益。这些方法和系统与用于无人机天线校正的方法和系统相同，但是其中地面终端和无人机的角色互换。本公开描述了用于在地面终端与一个或多个无人机的网络之间提供宽带无线接入通信的方法。该方法包括使用每个无人机的至少一个天线固定装置生成朝向地面的至少一个波束，动态形成并操控波束朝向位于地面的广泛区域中的特定终端并朝向网络中其他无人机。该方法还包括发送至少一个导频信号至地面终端，并控制及配置无人机天线以特定方向操控波束。此外，系统包括使用地面终端处的天线子系统朝向特定无人机动态定位波束的方法，用于使用地面终端处的无线电子系统解调并解码从无人机接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在地面终端与一个或多个空中平台的网络之间的宽带无线接入通信的系统，包括：包括位于每个空中平台上的至少一个天线固定装置，所述天线固定装置能够生成朝向所述地面的至少一个波束，从而形成朝向位于所述地面广泛区域中的终端的波束；位于每个空中平台上的至少一个无线电子系统，所述无线电子系统具有用于解调并解码从所述地面终端接收的信号的接收器以及发射器，所述发射器用于调制数据并将调制的信号通过至少一个空中平台天线传送至地面终端，并且控制及配置所述空中平台天线以形成特定方向的波束；至少一个空中平台切换子系统，所述空中平台切换子系统能够将在所述空中平台处从一组地面终端接收的数据切换至另一组终端；位于所述地面终端处的天线子系统，所述天线子系统能够将波束朝向特定无人机定位；位于所述地面终端处的无线电子系统，所述无线电子系统具有用于解调并解码从空中平台接收的信号的接收器以及发射器，所述发射器用于调制地面终端数据并将信号通过所述地面终端天线传送至空中平台、向空中平台发送至少一个导频信号并控制及配置所述地面终端天线以形成朝向空中平台的波束。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.17 US 61/940,805;2014.03.24 US 14/223,705;1.一种用于在地面终端与一个或多个空中平台的网络之间的宽带无线接入通信的系统，包括：包括位于每个空中平台上的至少一个天线固定装置，所述天线固定装置能够生成朝向所述地面的至少一个波束，从而形成朝向位于所述地面广泛区域中的终端的波束；位于每个空中平台上的至少一个无线电子系统，所述无线电子系统具有用于解调并解码从所述地面终端接收的信号的接收器以及发射器，所述发射器用于调制数据并将调制的信号通过至少一个空中平台天线传送至地面终端，并且控制及配置所述空中平台天线以形成特定方向的波束；至少一个空中平台切换子系统，所述空中平台切换子系统能够将在所述空中平台处从一组地面终端接收的数据切换至另一组终端；位于所述地面终端处的天线子系统，所述天线子系统能够将波束朝向特定无人机定位；位于所述地面终端处的无线电子系统，所述无线电子系统具有用于解调并解码从空中平台接收的信号的接收器以及发射器，所述发射器用于调制地面终端数据并将信号通过所述地面终端天线传送至空中平台、向空中平台发送至少一个导频信号并控制及配置所述地面终端天线以形成朝向空中平台的波束。2.如权利要求1所述的系统，还包括包含多个天线孔的空中平台天线固定装置，其中每个天线孔定位为覆盖不同区域。3.如权利要求2所述的系统，其中多个所述天线固定装置安装在所述空中平台上的不同位置，从而即使在所述空中平台翻滚、俯仰与偏航时也覆盖所述空中平台的足迹。4.如权利要求3所述的系统，其中位于每个空中平台上的至少一个天线固定装置布置为朝向网络中至少一个其他空中平台操控波束。5.如权利要求3所述的系统，还包括：用于检测空中平台的位置、翻滚、俯仰、偏航定向的改变的装置，以及用于指示所述多个天线固定装置相应地操控空中平台波束定位至地面的相同位置的装置。6.如权利要求1所述的系统，还包括：用于检测所述空中平台的位置或定向是否已足够移动以使定位至地面上的给定位置的所述天线固定装置或所述天线孔能够切换/改变至不同的天线固定装置或相同天线固定装置的不同天线孔的装置。7.如权利要求1所述的系统，还包括：地面终端天线，所述地面终端天线具有安装在能够以方位角和仰角方向的两个轴线移动孔以将所述地面终端天线大致朝向空中平台定位的结构上的孔，所述孔具有带电子束的元件，所述电子束能够形成方位角和仰角以精细地将所述波束朝向所述空中平台定位。8.如权利要求1所述的系统，还包括：具有至少两个孔的地面终端天线，其中至少一个孔朝向低仰角定位，至少第二个孔朝向高仰角定位；所述至少两个孔安装在以方位角方向转动的结构上，每个孔具有能够形成方位角和仰角的电波束以精细地将波束朝向所述空中平台定位。9.如权利要求7所述的系统，其中所述孔具有仅在仰角电操控波束的元件，方位角波束操控仅通过所述孔的机械转动来实现。10.如权利要求7所述的系统，其中所述天线孔不能操控电波束，方位角和仰角的波束操控通过将所述孔以方位角和仰角轴线朝向空中平台机械转动而实现。11.如权利要求1所述的系统，还包括：具有多个孔的地面终端天线，其中每个孔面对方位角或仰角的不同方向，以及用于确定所述多个孔中哪一个具有向空中平台的最高增益并用于将发射器和接收器切换至提供最高增益的孔的装置。12.如权利要求1所述的系统，还包括：用于储存环绕所述地面终端的空中平台列表的装置，所述列表称为空中平台邻居列表，根据空中平台的导频强度，储存所述空中平台的位置，并将所述地面终端天线朝向空中平台邻居列表上的空中平台定位；以及所述地面终端检测来自所述空中平台的导频信号，评估导频信号质量，并将所测量的信号质量与配置值相比较以确定所述地面终端从其接收最强信号的空中平台。13.如权利要求1所述的系统，其中一个或多个空中平台发送每个波束中的导频信号，所述地面终端将所述终端周围的角域划分为角锥并寻找用于空中平台导频信号的每个角锥，所述地面终端选择具有最强空中平台导频信号的角锥并选择相应的空中平台作为最佳空中平台。14.如权利要求13所述的系统，其中所述地面终端发送消息至空中平台以登记空中平台网络，发送所述地面终端的位置信息和其他配置参数至所述空中平台，并将地面终端旨在与其通信的空中平台的标识通知网络。15.如权利要求14所述的系统，其中所述空中平台周期性地发送其定位坐标和定向至所有波束中的终端。16.如权利要求15所述的系统，其中所述地面终端使用所述空中平台定位坐标和定向以在所述空中平台改变位置或定向时维持终端天线波束定位在所述空中平台上。17.如权利要求1所述的系统，其中所述地面终端天线子系统对其波束视轴制造小扰动，所述终端无线电子系统为每个终端波束位置扰动制作空中平台导频信号测...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾哈迈德·贾拉里，
申请(专利权)人：优必奇奥姆有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US