利用光束控制系統的卡爾曼優化的空對地天線指向的製作方法
2023-05-05 23:24:36 1
利用光束控制系統的卡爾曼優化的空對地天線指向的製作方法
【專利摘要】控制定向天線的方法（和執行相同功能的系統）可以包括一個或多個操作，但不限於：利用卡爾曼濾波器確定航空器的位置，選擇至少一個用於空對地通信的通信塔，計算航空器的位置與至少一個選定的通信塔之間的矢量，以及構形航空器的定向天線以對應該矢量。
【專利說明】利用光束控制系統的卡爾曼優化的空對地天線指向
【背景技術】
[0001 ] 空對地航空器蜂窩天線的最佳波束指向是獨特的挑戰。當航空器橫穿地面蜂窩塔分布時，必須決定何時和何地指向下一波束。航空器天線指向系統可以是非連續的(例如，有限梯級)並且地面蜂窩塔等效全向輻射功率(EIRP) 「等高」連續非線性等高線，隨著航空器和塔之間的制高點而變化。
[0002]例如，如圖1所示，航空器100經受「超級」蜂窩-邊緣場景，相似但程度大於地面重疊異構蜂窩網絡(例如，由一個或多個通信塔104的投射邊緣限定)。航空器100在連續距離受限於連續蜂窩邊緣、射頻功率水平以及天線增益水平產生的地對空信號103與一個或多個通信塔104之間的不良通信。
【發明內容】
[0003]航空器天線指向系統可以連續優化指定時間變量非線性條件的通信鏈路(為獲得最高性能)。優化可以通過採用統計的航空器動態和已知或預估的地面蜂窩EIRP地圖作為輸入來進行。輸入可以包括，但是不限於:地面天線增益等高線、功率、天線增益等高梯級(例如，EIRP)、GPS坐標、航空電子設備參數(例如，定位器(L0C)、VHF全方位範圍(V0R)、下滑道、指點信標，等等)，和/或慣性導航系統數據。
[0004]控制定向天線的方法(和用於執行同樣功能的系統)可以包括一個或多個操作，包括但是不限於:利用卡爾曼濾波器確定航空器的位置；選擇至少一個通信塔以用於空對地通信；計算所述的航空器的位置和至少一個選擇的通信塔之間的矢量；和構形航空器的定向天線以對應所述的矢量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0005]通過參考下列附圖，本發明的多個目的和優勢可以被本領域技術人員更好的理解:
圖1表示在存在地對地通信網絡節點情況下的空對地通信；
圖2表示用於構形空對地定向天線的系統；
圖3A和3B表示地對地蜂窩塔；
圖4A和圖4B表示空對地蜂窩塔；
圖5表示橫穿通信塔網絡的航空器；
圖6表示空對地定向天線的配置方法；
圖7表示空對地定向天線配置；
圖8表示空對地定向天線的配置，和圖9表示空對地定向天線的配置。
【具體實施方式】
[0006]參考圖2，航空器100可以利用空對地天線指向系統101，用於優化空對地定向天線102的方向，以收發關於航空器100的方位/位置的空對地信號103 (例如，長期演進(LTE)信號、3G信號、5G信號、700mHz頻帶信號、KU頻帶信號，等等)，以及地面區域105內一個或多個地面通信塔104的位置和/或收發參數。
[0007]天線指向系統101可以包括處理裝置106，該處理裝置106被構形用以接收一個或多個輸入、計算用於空對地定向天線102的優化方位，並提供給空對地定向天線102—個或多個輸出，指令所述空對地定向天線102沿著所述優化方位收發空對地信號103。
[0008]在一個典型實施例中，處理裝置106可以接收三維空間內航空器100的位置相關的一個或者多個信號。例如，航空器100可以包括全球定位系統(GPS)接收器107，其被構形用以從一個或者多個GPS衛星108接收GPS信號。GPS接收器107可以計算航空器100的三維位置並提供該位置至處理裝置106的位置測定模塊109。相似的，航空器100可以包括作為慣性航電網絡(例如，以ARINC 429數據總線為基礎的航電網絡)一部分的低延遲慣性導航系統INS 110的增強。INS 110可以計算航空器100的三維位置並提供該位置給處理裝置106的位置測定模塊109。
[0009]在另一典型實施例中，天線指向系統101可以包括發射塔資料庫111。發射塔資料庫111可以儲存數據，該存儲數據與一個或多個通信塔104的地理位置(例如，緯度、經度、高度等)相關和與這些通信塔104的射頻(RF)收發操作相關的射頻(RF)屬性(例如，功率、方向、時間變化、波束等級等)。RF屬性可用於計算與通信塔104相關的一個或多個三維波束等高線。發射塔資料庫111可包括與通信塔104A和通信塔104B相關聯的數據，通信塔104A具體被構形用於地對地，但在給定收發參數情況下可支持空對地通信，通信塔104B具體被構形用於空對地通信。例如，如圖3A和3B所示，地對地通信塔104A可包括一個或多個天線元件，其在至少部分向下傾斜的方向輻射。進一步，如圖4A和4B所示，地對地通信塔104B可包括一個或多個天線元件，其在至少部分向上傾斜的方向輻射。
[0010]在參考如圖1，裝配有空對地數據通信收發器(例如，半雙工和/或分裂帶、全雙工收發器)的航空器100可以橫越一個或者多個通信塔104之上的空域。通信塔104傳輸至不同地面裝置(例如，基於蜂窩的設備，如手機、智慧型手機、平板電腦設備和其它行動網路設備)導致航空器100和通信塔104之在的空對地通信過程中發生蜂窩-邊緣幹擾。例如，如圖1所示，蜂窩-邊緣幹擾可發生在空對地信號103接觸蜂窩邊界重疊區域時，該蜂窩邊界重疊區域關聯有大致相等功率特性的不同通信塔104。
[0011]為了解決這個潛在的幹擾源，航空器的通信收發器可以包括用於在特定方向指示空對地信號103波束的空對地定向天線102，以便優化通信塔104與航空器的連接性。
[0012]圖6和接下來的圖包括不同操作流程、討論和說明的例子可提供關於上述圖1-5和7-9的示例性環境。然而，應該理解操作流程可以在若干其它環境和背景和/或圖1-5和7-9的修改版本中執行。此外，儘管下文說明了不同操作流程，應該理解，不同的操作可以按不同於已被說明或當前執行的順序命令實施。
[0013]進一步，在接下來的圖中描述了不同的流程過程，不同操作以盒子內的盒子形式進行描述。這樣的描述表明在內盒中的操作包括一個或者多個外盒的操作步驟的一個選擇實施例。然而，內盒操作作為區別於任何相關外盒的獨立操作是可以被看見的，並且它可以在關於所有其它說明操作的任何序列中執行，或者同時被執行。
[0014]圖6說明了操作步驟600，該步驟用於目前披露的包括操作602，604，606和/或608的實踐方面。
[0015]操作602說明了利用卡爾曼濾波器確定航空器的位置。例如，如圖2所示，GPS接收器107和/或INS 110可以提供航空器100的位置的一個或者多個信號指示至位置測定模塊109。位置測定模塊109可以計算給定時間的航空器100位置。位置測定模塊109可以提供航空器100的位置給處理裝置106。
[0016]在一實施例中，位置測定模塊109可以接收GPS接收器107的GPS信號，並根據這些GPS信號計算航空器100的位置。為了提供航空器100位置的更多連續預估，根據狀態變量的當時和以前的狀態，位置測定模塊109利用卡爾曼濾波模塊112預估航空器100的當前位置，這些狀態變量包括但不限於:GPS數據、航空器動態變量、系統延時、系統噪聲、比例因子誤差、未對準誤差，等等。
[0017]在另一個實施例中，位置測定模塊109可以接收INS 110的INS信號，並根據這些INS信號計算航空器100的位置。為了提供航空器100位置的更多連續預估，根據狀態變量當前和以前的狀態，位置測定模塊109利用卡爾曼濾波模塊112預估航空器100的當前位置，這些狀態變量包括，但不限於:INS數據、航空器動態變量、系統延時、系統噪聲、比例因子誤差、未對準誤差，等等。
[0018]在另一個實施例中，位置測定模塊109可以接收GPS接收器107的GPS信號和INS110的INS信號。位置測定模塊109可以各自利用GPS數據和INS數據計算航空器100的位置。特別的，位置測定模塊109可以根據GPS數據利用卡爾曼濾波模塊112獨自預估航空器100的當前位置，然後根據INS數據利用卡爾曼濾波模塊112預估航空器100的當前位置。根據這些獨自的位置計算，各自獨立測定位置可提供相關的結合位置預估。例如，利用GPS數據測定的航空器100的預估位置和利用INS數據測定的航空器100的預估位置的平均值提供聯合預估的航空器位置。在另一個實施例中，利用GPS數據測定的航空器100的預估位置和利用INS數據測定的航空器100的預估位置的加權平均值是根據相關的已知操作條件下GPS數據和INS數據的準確值計算得到的。在另一個實施例中，用於GPS數據和INS數據的卡爾曼濾波模塊112的輸出可以被提供給貝葉斯(Bayesian)建模模塊113。貝葉斯建模模塊113可以動態計算出利用GPS數據測定的航空器100的預估位置和利用INS數據測定的航空器100的預估位置二者的加權，以提供航空器100位置的優化預估。
[0019]操作604說明選擇至少一個通信塔用於空對地通信。例如，如圖2所示，一旦測定航空器100的位置，處理裝置106可查詢發射塔資料庫111，以確定一個或多個作為空對地通信候選對象的通信塔104。例如，航空器100的空對地定向天線102可具有一已知最佳範圍。在遠離航空器100已知閾值範圍內的通信塔104可以被確定為用於空對地通信的潛在候選對象。
[0020]在一個實施例中，處理裝置106可以查詢發射塔資料庫111，並選擇最靠近的通信塔104，無論它是地對地通信塔104A，還是空對地通信塔104B。
[0021]在另一個實施例中，處理裝置106可以查詢發射塔資料庫111，以確定航空器已知閾值距離範圍內(例如，空對地定向天線102的收發範圍)的一個或多個通信塔104。一旦識別閾值範圍內的一個或多個通信塔104，為了收發關於這些通信塔104的屬性數據，處理裝置106可以查詢發射塔資料庫111。具體地，處理裝置106可以確定空對地定向天線102收發的信號是否可以與一個或多個蜂窩-邊緣幹擾相交叉(如圖1所示)。一旦確定潛在蜂窩-邊緣幹擾，處理裝置106可以選擇一個或多個空對地通信中具有最低級潛在蜂窩-邊緣幹擾的通信塔104，。
[0022]進一步，與這些通信塔104相關的收發屬性數據可以包括與通信塔104的功率、質量、頻帶等相關的數據。基於這些收發屬性數據，一個或多個通信塔可以被選擇用於空對地通信。進一步，第一通信塔104可更接近並提供高質量連結，但僅用於有限時間段(例如，由於介於阻塞信號的地面信息)，而第二通信塔104可以更遠，以提供中等質量連結，但可用於較長時間段(例如，由於缺乏地面幹擾)。通過平衡這樣的質量和時間考量，處理裝置106可以選擇一個或多個通信塔104以用於空對地通信，考慮到在最長的時間段內，選擇為最少系統資源提供最好連結的通信塔104。
[0023]例如，如圖7所示，發射塔資料庫111可以指示在航空器100當前位置和空對地通信塔104B-1之間的區域105-1內缺少通信塔104，以及在航空器100當前位置和通信塔104B-2之間存在多個地對地通信塔104A。這樣，處理裝置106可以確定空對地定向天線102的優化方位是指向與等距通信塔104B-2相對的通信塔104B-1，並指令空對地定向天線102收發通信塔104-1方向的信號。
[0024]同樣的，如圖8所示，發射塔資料庫111可以指示航空器100當前位置和通信塔104B-5之間的區域105-2範圍內缺少通信塔104，以及在航空器100當前位置和第二通信塔104-4之間存在多個通信塔104。這樣，處理裝置106可以確定空對地定向天線102的優化方位是指向與鄰近通信塔104B-2相對的通信塔104B-5，並指令空對地定向天線102收發通信塔104B-5方向的信號。
[0025]更進一步，如圖9所示，發射塔資料庫111可以指示在航空器100當前位置和通信塔104B-4之間的的區域105-3範圍內缺少通信塔104，以及在航空器100當前位置和通信塔104B-3之間存在一個或者多個通信塔104。然而，處理裝置106可以確定空對地定向天線的優化方位是指向與一個或多個系統輸入(例如，空對地定向天線102禁止向後傳輸的指向限制)結果的更少阻礙的通信塔104-4相對的通信塔104B-3，並指令空對地定向天線102收發通信塔104B-3方向的信號。
[0026]在另一個實施例中，處理裝置106可以查詢發射塔資料庫111，以確定在第一閾值範圍內的一個或多個地對地通信塔104A和在第二閾值範圍內的一個或多個空對地通信塔104B。由於地對地通信塔104A和空對地通信塔104B的物理結構，與地對地通信塔104A和空對地通信塔104B相關的空對地定向天線102的收發範圍可以不同。這樣，天線指向系統101可以保持地對地通信塔104A和空對地通信塔104B的塔選擇的不同的閾值範圍。空對地通信塔104B距離航空器的當前位置遠於航空器100距離地對地通信塔104A，但是作為各自塔閾值範圍的一部分，可相當程度地減少使它選為空對地通信的更可行候選對象。
[0027]作為一具體例子，地對地通信塔104A可以具有10英裡的有效範圍，而空對地通信塔104B有100英裡的有效範圍。航空器100可以距離地對地通信塔104A 5英裡，距離空對地通信塔104B 30英裡。在該例子中，天線指向系統101可選擇空對地通信塔104B進行空對地通信，由於空對地通信塔104B與航空器100的距離僅為其閾值範圍的30%，而地對地通信塔104A與航空器100的距離為其閾值範圍的50%。
[0028]操作506表示計算航空器的位置與至少一個選定通信塔之間的矢量。例如，一旦航空器100的預估位置已確定(例如，如上述關於操作502的描述)，並且通信塔104已被選定，處理裝置106可利用航空器100的位置和通信塔104的一已知位置計算航空器100當前位置與通信塔104之間的一直線矢量。
[0029]操作508表示構形航空器的定向天線以對應所述矢量。例如，如圖2所示，空對地定向天線102可以是電子可操縱天線(ESA)。ESA可包括一個或多個輻射元件，所述輻射元件可以通過應用至發射的信號的電磁場定向地構形，以在預期方向精確指引信號。處理裝置106可以提供可控信號至ESA沿航空器100預估位置與選定通信塔104之間的矢量發射空對地信號103，從而能實現空對地通信。在另一個實施例中，空對地定向天線102可包括針腳陣列、線性單級陣列、偶極陣列、貼片陣列，等等。
[0030]本領域技術人員可以認識到該技術狀態已發展到系統方面硬體和軟體之間實現無區別的程度；硬體或者軟體的使用通常是(但不總是，在那些確定內容的硬體和軟體之間的選擇是比較有代表性的)代表成本和效率權衡的一種設計選擇。本領域技術人員通過(例如，硬體，軟體，和/或固件)流程和/或系統和/或其它技術描述的實現，以及優選不同於流程和/或系統和/或其它技術部署內容的設備從而意識到存在其它不同的設備。例如，如果一個實施者確定速度和準確性是最重要的，實施者可能選擇一個主要的硬體和/或固件設備；或者，如果靈活性是最重要的，實施者可能選擇一個主要的軟體實現；或者，此外實施者可能選擇硬體、軟體和/或固件的一些組合。因此，存在幾種可能的設備，通過這些設備流程和/或裝置和/或其它技術描述可以在此實現，其中沒有一個是固定優於其它任何使用的裝置，所述任何使用的裝置都是基於被部署的裝置和實施的具體問題(例如，速度，靈活性或者可預見的)的環境選擇，其中的任何一種都可能發生變化。本領域技術人員可以意識到光學方面的實施通常利用光學導向硬體、軟體和/或固件。
[0031]利用框圖、流程圖和/或例子，前面的詳細描述已經闡明了裝置和/或流程的不同實施例。只要這樣的框圖、流程圖和/或例子含有一個或多個功能和/或操作，通過種類繁多的硬體、軟體、固件或者任意組合，本領域技術人員可以理解在這樣的框圖、流程圖或者例子中的每個功能和/或操作，獨立和/或共同都是可以實現的。在一個實施例中，在此描述的主要問題的幾個部分可以通過專用集成電路(ASICs)、現場可編程門陣列(FPGAs)、數位訊號處理器(DSPs)或者其它集成形式。然而，本領域技術人員鑑於本文所公開的實施例的某方面，整體或者部分可以在集成電路中等效實現，如運行在一個或者多個計算機(例如，運行在一個或者多個計算機系統上的一個或者多個程序)上的一個或者多個電腦程式，如運行在一個或者多個處理器(運行在一個或者多個微處理器上的一個或者多個程序)上的一個或者多個程序，如固件，或者如任意組合，並且根據本文公開的技術設計電路和/或寫軟體和/或固件的代碼是本領域技術人員可以輕而易舉做到的。此外，本領域技術人員認識到本文描述的主題機理分布為不同形式的程序製品，並且本文應用的描述主題的說明實施例，並不是用於實際實施該分布的信號承載介質的特定形式。信號承載介質包括，但不限於以下:可錄製類型介質例如軟盤、硬碟驅動器、光碟(⑶)、數碼視頻光碟(DVD)、數字磁帶、計算機存儲器等，發射型介質例如數字的和/或模擬通信介質(例如，光纜、波導、有線通信鏈路、無線通信鏈路等)。
[0032]一般意義上，本領域技術人員鑑於本文描述的可以實施的不同方面，獨立和/或共同通過種類繁多硬體、軟體、固件或者任何組合，組成了不同類型的「電氣電路」。結果，本文提到的「電氣電路」包括，但是不限於:具有至少一個集成電路的電氣電路、具有至少一個應用程式專用集成電路的電氣電路、一般用途計算設備電腦程式(例如，通過電腦程式配置一般用途的計算機，所述電腦程式至少部分實施了本文描述的過程和/或裝置，或者通過電腦程式配置一個微處理器，所述電腦程式至少部分實施了本文描述的過程和/或裝置)、電氣電路形成存儲裝置(例如，隨機存取存儲器的形成)、和/或電氣電路形成通信裝置(例如，數據機、通信開關、或者光電設備)。本領域技術人員鑑於本文描述的主題可以以模擬或者數字方式或者一些組合方法實施。
[0033]本領域技術人員認為以本文提及的方式描述裝置和/或流程是常見的，並且據此使用工程實踐將此類描述的裝置和/或流程集成至數據處理系統。即，本文描述的裝置和/或流程的至少一部分可以通過合理數量的實驗集成到數據處理系統。本領域技術人員認為典型的數據處理系統一般包括一個或多個系統單元房，視頻顯示裝置，存儲器如易失性和非易失性存儲器，處理器如微處理器和數位訊號處理器，計算實體如作業系統，驅動程序，圖像用戶界面，和應用程式，一個或多個交互設備，如觸摸板或者屏幕，和/或控制系統包括反饋迴路和控制電機(例如，遙感定位和/或速度的反饋，用於移動和/或調整組件和/或質量的控制電機)。典型的數據處理系統利用任何適合商業可用的組件均可實現，如那些通常用於數據計算/通信和/或網絡計算/通信系統的組件。
[0034]當本文描述的主題已經被顯示和描述，對於本領域技術人員是顯而易見的，基於本文的技術啟示，任何變更和修改均不脫離本文所描述的主題和範圍，因此，所附的權利要求包括在其範圍內，有關的變更和修改均在本文所述主題的實質精神和範圍內。進一步，本文由所附權利要求進行限定。
【權利要求】
1.一種優化空對地天線指向的方法，包括: 利用一卡爾曼濾波器確定一航空器的位置； 選擇至少一個用於空對地通信的通信塔； 計算所述航空器的位置與至少一個選定的通信塔之間的一矢量；和 構形一航空器的定向天線以對應該矢量。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的利用卡爾曼濾波器確定一航空器的位置包括: 接收全球定位系統(GPS)信號；和 根據該GPS信號計算該航空器的位置。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述的根據該GPS信號計算該航空器的位置包括: 將一卡爾曼濾波器應用於該GPS信號。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述的利用一卡爾曼濾波器確定一航空器的位置包括: 接收慣性導航系統(INS)信號；和 根據該INS信號計算該航空器的位置。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述的根據該INS信號計算該航空器的位置包括: 將一卡爾曼濾波器應用於該INS信號。
6.根據權利要求1的方法，其中，所述的利用一卡爾曼濾波器確定一航空器的位置包括: 接收全球定位系統(GPS)信號； 將一卡爾曼濾波器應用於該GPS信號，以提供一 GPS航空器位置預估； 接收慣性導航系統(INS)信號； 將一卡爾曼濾波器應用於該INS信號，以提供一 INS航空器位置預估； 由所述GPS航空器位置預估和所述INS航空器位置預估計算一聯合預估的航空器位置。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述的由所述GPS航空器位置預估和所述INS航空器位置預估計算一聯合預估的航空器位置包括: 計算所述第一航空器位置預估和所述第二航空器位置預估的一平均值。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述的計算所述第一航空器位置預估和所述第二航空器位置預估的一平均值包括: 計算所述第一航空器位置預估和所述第二航空器位置預估的一加權平均值。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述的計算所述第一航空器位置預估和所述第二航空器位置預估的一加權平均值包括: 將一貝葉斯模型應用至所述第一航空器位置預估和所述第二航空器位置預估以計算所述加權平均值。
10.一種優化空對地天線指向的系統，包括: 用於利用一卡爾曼濾波器確定一航空器位置的裝置；用於選擇至少一個用於空對地通信的通信塔的裝置；用於計算所述航空器的位置與至少一個選定的通信塔之間的矢量的裝置；和用於構形一航空器的定向天線以對應所述矢量的裝置。
【文檔編號】H01L35/00GK104335369SQ201280073842
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2012年8月21日 優先權日:2012年6月11日
【發明者】詹姆斯·P·米切爾 申請人:羅克韋爾柯林斯公司