自动确定和校准定向天线方位角和仰角方向的系统和方法技术方案

这里提出了一种自动引导通信天线指向希望的无线通信收发信机的系统和方法。该系统包括：定位接收机，它接收指明所述天线以及定位发射机的定位信息的信号；处理机构，它确定所述天线的校准信息。该校准信息是如下地实现的，首先建立所述天线和定位发射机的位置之间的参考矢量以及建立矢量参考空间，然后在该矢量参考空间内计算需要的仰角和方位角分量来确定天线的恰当校准。一旦确定了校准信息，一个对准机构自动地取向所述天线。该对准机构随后根据所述无线收发信机的定位信息自动地引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
自动确定和校准定向天线方位角和仰角方向的系统和方法本专利文件的揭示内容包含受到版权保护的材料。版权所有者不反对由任何人对作为美国专利和商标局专利文件或记录对本专利文件或专利揭示所进行的传真复制，但保留在任何其他情况下的版权。
本专利技术一般涉及无线通信领域，尤其涉及能够精确地将无线通信定向天线指向希望的收发信机的自动天线定向系统。
技术介绍
近来在计算机和蜂窝技术上的进步以及因特网相关应用的史无前例的增长已经导致了需要在已有通信基础设施上以高传输速率传输信息且可靠性得到提高。例如，已有基础设施是至少部分基于统计电话使用模式的。随着用户逐渐地花费更多的时间在因特网上，更长时间地占用通信线路，传统的使用模式将不再可靠。在很多情况下，使用模式上的这种变化使得已有基础设施不再胜任。为了努力迎合对高传输速率的需求，提供给用户高速因特网接入，已经发展了各种有线和无线方案。有线方案包括有线网络服务和数据用户线路(DSL)服务，缓解了客户接入此类服务的需求。由于在新区域中提供连接和接入需要相对较高的资本开销和劳动力成本，这些服务还远未普及。另一方面，无线方案在成本上更加高效，并可以服务更大范围内的用户。这些无线方案基于高速无线数据通信系统，而这些高速无线数据通信系统或采用基于卫星的数据网络，如DirecPC和StarBand服务，或采用基于陆地的数据网络，如蜂窝数据网络。一般地，这些高速无线数据通信系统受到功率限制，因此需要使用高增益、窄波束、高方向性的固定天线来耦合至用户终端以传递信息到用户。这样，这些固-->定用户天线通常表现为严格的对准要求。即，为了确保足够的通信能力，用户发射或接收天线需要精确地指向于它们相应的天线的所在方向，来进行发射和接收操作。例如，在基于卫星的高速数据通信系统中，链路预算只有很少的富余，因此用户天线需要以特定的仰角和方位角方向指向卫星，藉以最大化接收波束图的增益并因此确保最优化的数据传输。类似地，对于基于陆地的高速数据通信系统，用户天线需要沿着特定的仰角和方位角方向对准，以指向蜂窝天线排列的辐射中心，从而确保可能的最大信噪比。应该理解的是，尽管用户天线和卫星天线或蜂窝天线的具体位置都可能是已知的，这些信息对确定用户天线的具体取向基本不起作用。因此，要指出的是，大多数固定天线容易受到对准误差的影响。各种因素，如，糟糕的初始安装、大气条件(如风)、以及天线建筑地点都可能造成对准误差。结果，锐方向性用户天线的对准误差可能对高速无线数据通信系统的性能造成有害的影响。传统上，固定天线的校准和纠正的重对准要求指派技术人员来实际地将天线调整到包含最强信号的方向上。这样的过程在成本上不够有效，且由于技术人员经常采用试凑法来纠正对准误差而充满了不精确性。另外，该过程耗费时间和工作量，经常要求数小时的系统停机时间来纠正校准误差。这是与现今大多数应用的常用的安装后不管(plug-and-go)方式相违背的。
技术实现思路
与本专利技术原理相符的系统和方法，正如这里所实现和宽泛地描述的，提供了一种能够精确地将无线通信天线指向希望的收发信机的自动天线定向系统。在一个实施例中，该系统包括定位接收机，它接收指明所述天线以及定位发射机的定位信息的信号。一个处理机构耦合至所述定位接收机，它根据所述天线以及所述定位发射机的定位信息确定所述天线的校准信息。一个对准机构耦合至所述处理机构和所述天线，它根据所述校准信息自动取向所述天线，并根据所述无线收发信机的定位信息自动引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。本专利技术另外诸方面包括确定校准信息，这通过首先经由定向搜索机构精确地指向所述定位发射机，然后建立矢量参考空间米实现。然后在该矢量参考空-->间内计算需要的仰角和方位角分量来确定天线的恰当校准。一旦确定了校准信息，一个对准机构自动地取向所述天线，并且该对准机构根据所述无线收发信机的定位信息自动地引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。附图说明参考附图，下面的详细描述中将进一步对以上所指出的本专利技术的特点和优点进行描述，在所有的附图中，相同的参考号代表本专利技术相类似的部分。图1A展示了根据本专利技术的一个实施例构建和工作的一种自动天线定向系统的功能框图；图1B展示了根据本专利技术的另一个实施例构建和工作的一种应用在卫星网络中的自动天线定向系统的功能框图；图1C展示了根据本专利技术的另一个实施例构建和工作的一种应用在陆地网络中的自动天线定向系统的功能框图；图1D展示了根据本专利技术的另一个实施例的作为增益和方位角的函数的波束图；图2A描绘了根据本专利技术的一个实施例构建和工作的一种自动天线定向系统的功能流程图；图2B描绘了根据本专利技术的一个实施例的空间矢量参考图。具体实施方式本专利技术下面的详细描述引用展示与本专利技术相符的示范实施例的附图。其他实施例也是可能的，且在不离开本专利技术的精神和范围的情况下，还可以对这些实施例进行修改。因此，以下的详细描述不旨在限制本专利技术。本专利技术的范围还是应由所附权利要求而定。下面所描述的实施例可代之以视图中所展示的实体中的多种不同软件、固件和硬件实施例来实现。用于实现本专利技术的实际软件代码或专用控制硬件并不限于本专利技术。因此，在这里所给出的详细描述的程度下，并理解对实施例的修改和变化都是可能的这一前提下对本专利技术的运作和表现进行描述。如同下面将更详细地描述的，一种自动引导用户天线，使其精确地指向希-->望的通信收发信机的系统可以用来确保高速数据通信网络有足够好的性能。在一个实施例中，该系统利用一个定位接收机和一个定位发射机之间的定位信息来产生参考矢量和相应的矢量参考空间。由于定位信息仅包含位置信息且不能表示用户天线的取向信息，所以参考矢量和矢量参考空间被用作为参照系来为取向信息(如仰角和方位角方向信息)的推导提供方便。该取向信息随后被用来校准和恰当地取向用户天线。一旦完成了用户天线的取向，用户天线随后可以根据通信收发信机的定位信息或其他方法对准指向该希望的通信收发信机。随后，天线对准机构可以根据用户和收发信机位置信息自动地调整用户天线指向该收发信机。图1A展示了根据本专利技术的一个实施例构建和工作的自动天线定向系统100。为了展示的目的，省略了很多无线通信的已知特征，例如，滤波器、双工器、放大器以及上/下变频器，它们都是本专利技术的辅助特征。天线定向系统100可以用于高速无线数据通信服务。如同下面将更详细地描述的，可以通过基于卫星或基于陆地的数据通信网络提供高速无线数据通信服务。在不考虑网络平台的情况下，系统100采用用户终端108，它耦合至用户通信天线102A。用户102A经由网络通信天线110与网络通信收发信机构112通信。用户终端108可以包括处理机构108A，它被配置成执行内驻于系统存储器中的程序指令。这些程序指令可以控制和/或管理系统100的各个方面，包括，但不限于，定位信息的处理、仰角和方位角方向信息的确定以及天线取向控制信号的产生。系统100还包括用户通信收发信机构104，它耦合至用户终端108和用户通信天102A。沿着发送路径，用户收发信机构104被配置成将基带数据调制和上变频成一种适合于接下来由用户通信天线102A辐射的形式。在接收路径上，用户收发信机构104被配置成将用户通信天线102A接收的信号调制和下变频成基带数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动引导通信天线指向希望的无线通信收发信机的系统，包括：定位接收机，配置成接收指明所述天线以及至少一个定位发射机的定位信息的信号；处理机构，耦合至所述定位接收机，配置成根据所述天线以及所述定位发射机的定位信息确定所述天线 的校准信息；以及对准机构，耦合至所述处理机构和所述天线，配置成根据所述校准信息自动取向所述天线，并根据所述无线收发信机的定位信息自动引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。

【技术特征摘要】
US 2001-7-10 60/304,735;US 2001-11-15 60/334,675;U1.一种自动引导通信天线指向希望的无线通信收发信机的系统，包括：定位接收机，配置成接收指明所述天线以及至少一个定位发射机的定位信息的信号；处理机构，耦合至所述定位接收机，配置成根据所述天线以及所述定位发射机的定位信息确定所述天线的校准信息；以及对准机构，耦合至所述处理机构和所述天线，配置成根据所述校准信息自动取向所述天线，并根据所述无线收发信机的定位信息自动引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个定位发射机根据具有符合预定阈值的信号等级而从多个定位发射机中选出。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括定向搜索机构，该定向搜索机构将所述天线指向所述至少一个定位发射机，藉以确定所述校准信息。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述定向搜索机构包括：波束形成网络，耦合至所述天线，配置成处理被辐射的发射和接收波束图，收发信机构，耦合至所述波束形成网络，配置成处理将被发射至所述波束形成网络的信号以及从所述波束形成网络接收到的信号，以及设置在所述天线上的校准天线单元阵列，所述校准天线单元阵列形成两个正交的辐射波束图，使得一个所述辐射波束图沿着仰角平面形成而另一个所述辐射波束图沿着方位角平面形成。5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述波束形成网络形成仰角和方位角平面的所述两个正交辐射波束图、代表沿着一个平面的所述辐射波束图的合成的和波束图以及代表沿着相同平面的所述辐射波束图之间的差的差-->波束图。6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述收发信机构跟踪所述仰角平面和方位角平面的差波束图，以确定沿着每个平面的最大增益以及与该最大增益相关的仰角和方位角方向信息，其中所述收发信机构将所述仰角和方位角方向信息发送给所述处理机构。7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，响应于接收到与所述最大增益相关的所述仰角和方位角方向信息，所述处理机构产生第一组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的调整，藉以自动地引导所述天线指向所述至少一个定位发射机。8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，响应于将所述天线指向所述至少一个定位发射机，所述天线位置信息被定义为一个位置矢量U＝(us，uy，uz)，所述定位发射机位置信息被定义为一个位置矢量S＝(sx，sy，sz)，其中所述处理机构依据以下关系在定义矢量参考空间的基础上确定校准信息：单位矢量u＝U/|U|，定义经过U的一个平面的单位矢量；单位矢量r＝(S-U)/|S-U|，从U指向S的单位矢量；单位矢量z＝(zs＝0，zy＝0，zz＝1)，从地球中心指向北的单位矢量；单位矢量e＝(z×U)/|z×U|，从U指向真东的单位矢量；单位矢量n＝U×e/|U|，从U指向真北的单位矢量，其中单位矢量u、n和e两两正交。9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述校准信息包括仰角分量Δθ和方位角分量ΔΦ，所述处理机构根据以下关系计算所述仰角分量Δθ和方位角分量ΔΦ：Δθ＝sin-1(r·u)，其中r·u是矢量r和u的点积；ΔΦ＝cos-1[(n·p)/|p|]，其中n·p是矢量n与p的点积，|p|是p的大小；-->sign(ΔΦ)＝-sign(e·p)，其中e·p是e与p的点积，其中p＝r-u(r·u)，p是矢量r在经过点U的水平平面上的投影，u(r·u)是u和(r·u)的点积结果的乘积。10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述处理机构产生第二组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的取向调整，藉以自动地根据所校准信息取向所述天线。11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述无线收发信机的所述定位信息包括将所述无线收发信机的定位信息转换成收发信机仰角和方位角方向信息。12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述处理机构产生第三组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的定向调整，藉以自动地根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：SS索利曼，ET扎基，P加尔，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]