一種基站天線角度自動監測儀及自動監測方法
2023-10-24 17:59:47 3
專利名稱：一種基站天線角度自動監測儀及自動監測方法
技術領域：
本發明涉及無線領域。
背景技術：
移動通信基站天線方位角、下傾角、天線掛高及天線本身的性能參數確定了基站 的覆蓋範圍，並且作為天線的主要工程參數(天線方位角、下傾角及天線掛高)是無 線網絡規劃的重要參數，天線方位角和下傾角的精確與否是影響移動用戶通話質量和 感知的重要因素。如何快速獲取天線角度的精確數值？對於無線網絡規劃和優化顯得 尤為重要。
目前，移動通信基站天線方位角、下傾角是靠人工現場通過羅盤(指北針)、坡 度儀等儀器目測得到的。大致方法有
測量天線方位角要站在天線的後背，離開天線1米，和天線成一條直線。羅盤拿 在手中要平整、水平在中心、三點成一線。把天線和後背分為1/2，正對中心，方可 知道方位角。另一種測方位角是站在天線的前方，用反光鏡反射下來的天線正面中心 點，和羅盤反光鏡的中心線一致。
測量下傾角的方法則是將坡度儀貼在天線板面上，然後旋轉刻度盤，調整平衡柱 中的水泡，水泡在中間就可以讀度數。另外，採用天線廠家提供的天線調節支架上數 值來確定天線下傾角。
在現有技術條件下，存在以下弊端
1、 實際工程施工中由於施工人員的經驗及施工方式的不同等，手動測量移動通 信基站天線的方位角和下傾角要求工程技術人員使用羅盤，人為地確定方位角，以及 還要求工程技術人員通過可視地檢查在天線的安裝架上表示的低精度的刻度標記，識 別傾斜度，導致工程人員的技巧或人工測量方法方面的差異，產生不正確或不穩定的 測量結果。無法精確的達到設計要求。
2、 為了獲得基站天線角度信息，工程技術人員必須直接爬上安裝在多層建築物 或鐵塔上的基站天線，在天線位置使用羅盤，由於鐵塔附近存在磁幹擾，所以在鐵塔 附近測量會造成較大誤差。
一般要求離開鐵塔有一段距離，使用指北針，防止磁吸！以及通過可視地識別測量儀器的機械指針所處的刻度線，手動測量天線的方位角和下 傾角，精確度不高。
3、 天線角度由於人為或自然因素改變，而不能及時被發現並調整，這樣使得方 位角及下傾角的實際值與設計值存在偏差。
4、 在實際工程維護中，技術人員需要挾帶儀器去現場進行手工測量基站天線的 角度，增加了人力物力；對於某些特殊場合環境下，給技術人員現場測量帶來不方便。
以上弊端不僅需要增加人力物力，還易導致基站的實際覆蓋與所設計的不相符， 引起基站覆蓋範圍不合理，或同頻及鄰頻幹擾，使得通信質量下降，影響客戶感知度。
發明內容
針對現有技術中存在的不足，本發明提出了一種基站天線角度自動監測儀及自動 監測方法，本發明的技術方案為
一種基站天線角度自動監測方法利用重力加速度計傳感器和磁阻傳感器精確測
量基站天線的下傾角和方位角；利用GPRS傳送和IP傳送方式將測量得到天線角度數 據自動傳送到網管中心。通過軟體計算校準，消除天線位置測量的磁幹擾引起的偏差， 確保測量的精確性。
上述基站天線下傾角測量方法，採用重力加速度計將運動加速度或重力轉換為電 信號，通過信號整器，輸出模擬電壓，再通過A/D轉化器將數據以十六進位形式發送， MCU採集傳感器數位訊號，對其進行轉化再通過公式9 ° -arcsin(採集到的數位訊號 /傳感器靈敏度)得到最終角度。
上述基站天線方位角測量方法，採用磁傳感器將被測磁信號轉換為電信號，再通 過A/D轉化器將數據以十六進位形式發送，MCU採集傳感器數位訊號，對其進行轉化 成十進位方位角90-ArcTan (X/Y) *180/n (Y>0) 方位角=270-ArcTan (X/Y) *180/n (Y<0) 方位角=180 (Y=0， X<0)
方位角=0 (Y=0， X>0)
一種基站天線角度自動監測儀，它包括作業系統內核和多任務應用系統模塊，所 述作業系統內核，控制USB總線驅動、MODEM驅動、文件系統模塊和網絡協議，實現 多任務管理機制；在作業系統內核運行的過程中，看門狗保護模塊實時偵聽系統的運 行情況，以確保系統的穩定運行。所述多任務應用系統模塊，包括採集及控制模塊、 協議部分模塊、接口部分模塊，採集及控制模塊通過採集任務，將採集到的方位角和
5下傾角參數放置到一塊預先定義的數據數據存儲區域，協議部分模塊接收來自網管中 心消息，經協議處理任務，經過解包、鑑權，如果為非法消息包，將其丟棄；鑑權通 過則判斷消息的命令，如果為査詢命令，直接在相應的數據存儲區域獲取相應的參數 值，組應答包經通信接入任務將消息發送回網管中心；如果為設置，經控制任務對監 測儀進行相應的控制，接口部分模塊實現USB、 SPI、 TCP、 RS232、 12C通訊服務任務。 本發明的有益效果-
本方法通過對現有基站天線安裝角度監測儀，利用基站天線角度監測系統能夠達 到如下效果
1、 本發明解決傳統方式安裝和調整基站天線的不精確問題；解決人工測量誤差 或不穩定性；解決天線位置磁幹擾影響的測量誤差；解決不能及時發現天線角度變化 問題；解決獲取天線角度信息的費時費力問題。
2、 本發明為無線網絡的精確規劃提供強有力的數據支持；為無線網絡的高效優 化提供強有力的數據依據；為實現天饋系統的集中維護提供強有力的技術支撐；為網 絡質量的提升提供可靠的保障；為公司節省了人力物力、提高工作效率、降低維護優 化成本、提高經濟效益。
圖1是本發明實施例的傳感器系統的框圖。
圖2是本發明實施例的電容變化圖。
圖3是本發明實施例的MEMS加速度計結構原理。
圖4是本發明實施例的水平時傳感器的受力分析圖。
圖5是本發明實施例的傳感器水平時單晶矽形變圖。
圖6是本發明實施例的有傾角時傳感器的受力分析圖。
圖7是本發明實施例的傳感器有傾角時單晶矽形變圖。
圖8是本發明實施例的磁傳感器原理框圖。
圖9是本發明實施例的兩個磁阻作敏感元器件示意圖。
圖IO是本發明實施例的設備磁阻傳感器原理圖。
圖11是本發明實施例的方位角校準圖。
圖12是本發明實施例的地球水平旋轉時硬鐵幹擾的偏移。
圖13是本發明實施例的因硬鐵幹擾產生的航向單周期誤差圖。
圖14是本發明實施例的監測儀多任務管理結構示意圖。
圖15是本發明實施例的基站天線角度監測系統框圖。圖16是本發明實施例的基站天線角度監測系統網絡拓撲圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發明進行詳細描述。
"傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號"。 如圖1所示，為傳感器系統的框圖。 1、下傾角測量技術方案
(1) 加速度傳感器原理 加速度傳感器最基本的原理都是由於加速度導致某個介質產生變形，通過測量其
變形量並用相關電路轉化成電壓輸出，以此電壓來表示加速度的大小。
傳感器主要由一個利用表面微機械加工的多晶矽機構和一個差動電容器組成。多 晶矽結構由多晶矽彈簧支撐，處於晶片的頂部，並與差動電容的運動中心極板相連。 分別在差動電容的固定上下極板上加兩路幅度相等、相位差為180°的方波。在加速 度的作用下，多晶矽結構會產生偏移，拉動差動電容的中心極板滑動，使兩個電容容 值不同，便在中心極板產生電壓，傳感器輸出方波。輸出方波的幅值與所測的加速度
成正比。如圖2所示電容變化圖。
(2) 下傾角測量
天線下傾角傳感器測量天線下傾角是採用重力加速度計，它將運動加速度或重 力轉換為電信號的傳感器，加速度傳感器在靜止時可以用來檢測傾斜角，傾斜角在一
90度到90度變化時，加速度傳感器會在一1.0g到+ 1.0g變化，輸出電壓如下
本系統採用的是三軸加速度計。這種傳感器採用表面微處理加工技術製造，傳感
單元如圖3所示MEMS加速度計結構原理。隨橫梁上的中心薄片與兩個固定外部薄 片形成差動電容器(CS1和CS2)。無加速度時兩電容器電容相等。當施加了加速度時， 中心薄片移近某一固定薄片遠離另一固定薄片，使得電容值發生改變而促使電容電壓 值發生改變(電容與距離成反比,C-Ae/D)，因此可藉此特性計算出加速度的大小。 通過測量電路將電容量的變化轉換為電壓輸出，就能夠測得相應的加速度值。
當下傾角為O度時，敏感方向(水平方向)上的重力加速度分量為O，如圖4、 圖5所示，當傳感器水平時單晶矽材料不發生變化，所以傳感器電容不變，VCs^VCs2。
當傾角發生變化時，如圖6、圖7所示，為傳感器存在傾角時受力圖和傳感器內 部單晶矽形變圖。當傳感器存在角度時，因重力加速度分量單晶矽材料發生彈性形變，在單晶矽材料橫板中間放置一個中間極板，通過重力加速度改變單晶矽彈性形變來改 變中間極板的位置來改變兩可調電容的電荷值，得到最終輸出值Vout=VSl-Vs2。在 通過公式AV- VCsl-VCs2，將得到的電壓值通過信號整器，輸出模擬電壓，再通過 A/D轉化器將數據以十六進位形式發送，MCU採集傳感器數位訊號，對其進行轉化在 通過公式e。 arcsin(Ture/1333)得到最終角度。(公式解釋Ture為採集到的數字 信號，1333為傳感器靈敏度) 2、方位角測量技術方案
天線方位角傳感器測量天線方位角是採用磁傳感器，原理框圖見圖8。 方位角測量採用兩個相互正交的磁阻作敏感元器件，磁場環境因為圓形，所以通 過兩磁阻作敏感元器件垂直可以同時測量兩個方位角度，如圖9，有A磁阻作敏感元 器件測量a方位值，同理B磁阻作敏感元器件測量b方位值，通過計算、判斷來確 定方位角，這樣大大提高測量的準確性。所以在測量方位角時磁阻作敏感元器件起著 重要的作用。
磁阻作敏感元器件是由磁阻效應原理所設計，磁阻效應原理是指某些金屬或半導 體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現象。如圖IO (設備磁阻傳感器原理)，同霍爾 效應一樣，磁阻效應也是由於載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。在達到穩態時，
某一速度的載流子所受到的電場力與洛倫茲力相等，載流子在兩端聚集產生霍爾電 場，比該速度慢的載流子將向電場力方向偏轉，比該速度快的載流子則向洛倫茲力方 向偏轉。這種偏轉導致載流子的漂移路徑增加。或者說，沿外加電場方向運動的載流 子數減少，從而使電阻值增加導致電壓值的變化，所得電壓值通過磁傳感器將電壓進 行A/D轉換，將數據以十六進位形式發送，MCU收到測量值，無需計算(水平時)，直 接將其轉化成十進位。
方位角=90-ArcTan (X/Y) *180/n (Y〉0)
方位角=270-ArcTan (X/Y) *180/n (Y<0)
方位角=180 (Y=0， X〈0)
方位角=0 (Y=0， X>0)
天線角度監測儀安裝至天線時，因天線存在下傾角，所以當設備裝置於天線時， 傳感器不平行於地球表面，但通過判斷天線下傾角來對磁傳感器進行角度補償可以解 決方位角問題。如圖11所示，方位角校準圖。
本設備可以消除磁幹擾。磁幹擾可分為兩類硬鐵和軟鐵幹擾。硬鐵幹擾產生於永久磁鐵，和被磁化的金屬。這些幹擾會保持大小恆定，與羅盤的相對位置固定，而 與羅盤指向無關，硬鐵幹擾在羅盤輸出的每個軸向加了一個定值，輸出曲線圖的圓心 被移動了 (如圖12:地球水平旋轉時硬鐵幹擾的偏移)，對於航向的影響則是一個周 期性的誤差(如圖13:因硬鐵幹擾產生的航向單周期誤差)。要消除硬鐵幹擾，磁輸 出的圓心偏移必須得到，通常是將傳感器和平臺旋轉一周，得到圓上的足夠的點再得 到圓心偏移， 一旦找到，(X，Y)偏移會存在內存中，每次傳感器讀數時都會減去此偏 移，因此，方向計算時可以消除硬鐵幹擾。
3、 監測儀技術方案
監測儀在軟體設計上採用分層設計、模塊化的設計思路，並成功的嵌入了
uC-OSII作業系統，實現了監測儀的多任務管理機制，其結構劃分如圖14，監測儀多
任務管理結構示意圖。
監測儀通過採集任務，將採集到的方位角和下傾角參數放置到一塊預先定義的數 據存儲區域。
通信接入任務接收來自基站天線角度監測系統的網管平臺消息，經協議處理任
務，經過解包、鑑權，如果為非法消息包，將其丟棄；鑑權通過則判斷消息的命令， 如果為查詢命令，直接在相應的數據存儲區域獲取相應的參數值，組應答包經通信接 入任務將消息發送回網管平臺；如果為設置，經控制任務對監測儀進行相應的控制。 在作業系統運行的過程中，看門狗保護模塊實時偵聽系統的運行情況，以確保系統的 穩定運行。
4、 基站天線角度監測系統實施方案
基站天線角度監測系統框圖(單個天線監測儀)如圖15所示。圖16是基站天線 角度監測系統網絡拓撲圖。
監測儀精確測量基站天線的下傾角和方位角，利用重力加速度計傳感器和磁阻傳 感器測量天線下傾角和方位角，測量值精確、穩定，不受人為因素和環境條件的影響。
監測儀通過無線數據GPRS (EDGE或3G)或IP方式將測量數據傳輸到網管中心， 多種方式傳送、可擴充性、兼容性好，便於推廣應用。能夠在中心機房即時獲取基站 天線監測儀的測量值，資料庫管理信息，高效、快捷、方便、共享特點。
雖然本發明通過實施例進行了描述，但實施例並非用來限定本發明。本領域技術 人員可在本發明的精神的範圍內，做出各種變形和改進，因此本發明的保護範圍應當 以本申請的權利要求保護範圍所界定的為準。
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權利要求
1、一種基站天線角度自動監測方法，其特徵在於，利用重力加速度計傳感器和磁阻傳感器精確測量基站天線的下傾角和方位角；利用GPRS傳送和IP傳送方式將測量得到天線角度數據自動傳送到網管中心。
2、 根據權利要求l所述的基站天線角度自動監測方法，其特徵在於， 通過軟體計算校準，消除天線位置測量的磁幹擾引起的偏差，確保測量的精確性。
3、 根據權利要求1所述的基站天線角度自動監測方法，其特徵在於基站天線 下傾角測量方法，採用重力加速度計將運動加速度或重力轉換為電信號，通過信號整 器，輸出模擬電壓，再通過A/D轉化器將數據以十六進位形式發送，MCU採集傳感器 數位訊號，對其進行轉化再通過公式e ° :arcsin(採集到的數位訊號/傳感器靈敏度) 得到最終角度。
4、 根據權利要求3所述的基站天線角度自動監測方法，其特徵在於重力加速 度計傳感器主要由一個利用表面微機械加工的多晶矽機構和一個差動電容器組成。
5、 根據權利要求1所述的基站天線角度自動監測方法，其特徵在於基站天線 方位角測量方法，採用磁傳感器將被測磁信號轉換為電信號，再通過A/D轉化器將數 據以十六進位形式發送，MCU採集傳感器數位訊號，對其進行轉化成十進位方位角90-ArcTan (X/Y) *180/n (Y>0) 方位角270-ArcTan (X/Y) *180/n (Y<0) 方位角=180 (Y=0， X<0)方位角=0 (Y=0， X〉0)
6、 根據權利要求5所述的基站天線方位角測量方法，其特徵在於採用兩個相 互正交的磁阻作敏感元器件。
7、 根據權利要求5所述的基站天線角度自動監測方法，其特徵在於通過判斷 天線下傾角來對磁傳感器進行角度補償。
8、 根據權利要求5所述的基站天線角度自動監測方法，其特徵在於通過傳感 器和平臺旋轉一周，得到圓上的足夠的點再得到圓心偏移，將找到的偏移圓心坐標值 存在內存中，每次傳感器讀數時減去此偏移，以此消除硬鐵幹擾。
9、 一種基站天線角度自動監測儀，它包括作業系統內核和多任務應用系統模塊，其特徵在於所述作業系統內核，控制USB總線驅動、MODEM驅動、文件系統模塊和網絡協議，實現多任務管理機制；所述多任務應用系統模塊，包括採集及控制模塊、協議部分模塊、接口部分模塊， 採集及控制模塊通過採集任務，將採集到的方位角和下傾角參數放置到一塊預先定義 的數據數據存儲區域，協議部分模塊接收來自網管中心消息，經協議處理任務，經過 解包、鑑權，如果為非法消息包，將其丟棄；鑑權通過則判斷消息的命令，如果為査 詢命令，直接在相應的數據存儲區域獲取相應的參數值，組應答包經通信接入任務將 消息發送回網管中心；如果為設置，經控制任務對監測儀進行相應的控制，接口部分 模塊實現USB、 SPI、 TCP、 RS232、 12C通訊服務任務。
10、 根據權利要求9所述的基站天線角度自動監測儀，其特徵在於在作業系統 內核運行的過程中，看門狗保護模塊實時偵聽系統的運行情況，以確保系統的穩定運 行。
11、 一種基站天線下傾角測量方法，採用重力加速度計將運動加速度或重力轉換 為電信號，通過信號整器，輸出模擬電壓，再通過A/D轉化器將數據以十六進位形式 發送，MCU採集傳感器數位訊號，對其進行轉化再通過公式0 ° -arcsin(採集到的數 字信號/傳感器靈敏度)得到最終角度。
12、 根據權利要求11所述的基站天線角度自動監測方法，其特徵在於重力加 速度計傳感器主要由一個利用表面微機械加工的多晶矽機構和一個差動電容器組成。
13、 一種基站天線方位角測量方法，採用磁傳感器將被測磁信號轉換為電信號， 再通過A/D轉化器將數據以十六進位形式發送，MCU採集傳感器數位訊號，對其進行轉化成十進位方位角-90-ArcTan (X/Y) *180/n (Y>0) 方位角=270-ArcTan (X/Y) *180/n (Y〈0) 方位角=180 (Y=0， X〈0)方位角=0 (Y=0， X〉0)
14、 根據權利要求13所述的基站天線方位角測量方法，其特徵在於採用兩個 相互正交的磁阻作敏感元器件。
15、 根據權利要求13所述的基站天線方位角測量方法，其特徵在於通過判斷天線下傾角來對磁傳感器進行角度補償。
16、 根據權利要求13所述的基站天線方位角測量方法，其特徵在於通過傳感 器和平臺旋轉一周，得到圓上的足夠的點再得到圓心偏移，將找到的偏移圓心坐標值 存在內存中，每次傳感器讀數時減去此偏移，以此消除硬鐵幹擾。
全文摘要
本發明公開了一種基站天線角度自動監測儀及自動監測方法，利用MEMS傳感器，通過重力加速度計原理精確測量基站天線下傾角；利用磁阻敏感器件傳感器原理測量基站天線方位角，並通過軟體計算校準，消除天線位置測量的磁幹擾引起的偏差，確保測量的精確性；利用GPRS傳送和IP傳送方式將測量得到天線角度數據自動傳送到網管中心。本發明解決傳統方式安裝和調整基站天線的不精確問題；解決人工測量誤差或不穩定性；解決天線位置磁幹擾影響的測量誤差；解決不能及時發現天線角度變化問題；解決獲取天線角度信息的費時費力問題。
文檔編號H04B17/00GK101520325SQ20081024394
公開日2009年9月2日 申請日期2008年12月18日 優先權日2008年12月18日
發明者刁一新, 傑 吳, 吳泳健, 楠 李, 王星昌, 蔡偉明, 趙宏亮 申請人:中國移動通信集團江蘇有限公司