CN101520325A - 一种基站天线角度自动监测仪及自动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基站天线角度自动监测仪及自动监测方法，利用MEMS传感器，通过重力加速度计原理精确测量基站天线下倾角；利用磁阻敏感器件传感器原理测量基站天线方位角，并通过软件计算校准，消除天线位置测量的磁干扰引起的偏差，确保测量的精确性；利用GPRS传送和IP传送方式将测量得到天线角度数据自动传送到网管中心。本发明解决传统方式安装和调整基站天线的不精确问题；解决人工测量误差或不稳定性；解决天线位置磁干扰影响的测量误差；解决不能及时发现天线角度变化问题；解决获取天线角度信息的费时费力问题。

Description

一种基站天线角度自动监测仪及自动监测方法

技术领域

本发明涉及无线领域。

背景技术

移动通信基站天线方位角、下倾角、天线挂高及天线本身的性能参数确定了基站的覆盖范围，并且作为天线的主要工程参数(天线方位角、下倾角及天线挂高)是无线网络规划的重要参数，天线方位角和下倾角的精确与否是影响移动用户通话质量和感知的重要因素。如何快速获取天线角度的精确数值？对于无线网络规划和优化显得尤为重要。

目前，移动通信基站天线方位角、下倾角是靠人工现场通过罗盘(指北针)、坡度仪等仪器目测得到的。大致方法有：

测量天线方位角要站在天线的后背，离开天线1米，和天线成一条直线。罗盘拿在手中要平整、水平在中心、三点成一线。把天线和后背分为1/2，正对中心，方可知道方位角。另一种测方位角是站在天线的前方，用反光镜反射下来的天线正面中心点，和罗盘反光镜的中心线一致。

测量下倾角的方法则是将坡度仪贴在天线板面上，然后旋转刻度盘，调整平衡柱中的水泡，水泡在中间就可以读度数。另外，采用天线厂家提供的天线调节支架上数值来确定天线下倾角。

在现有技术条件下，存在以下弊端：

1、实际工程施工中由于施工人员的经验及施工方式的不同等，手动测量移动通信基站天线的方位角和下倾角要求工程技术人员使用罗盘，人为地确定方位角，以及还要求工程技术人员通过可视地检查在天线的安装架上表示的低精度的刻度标记，识别倾斜度，导致工程人员的技巧或人工测量方法方面的差异，产生不正确或不稳定的测量结果。无法精确的达到设计要求。

2、为了获得基站天线角度信息，工程技术人员必须直接爬上安装在多层建筑物或铁塔上的基站天线，在天线位置使用罗盘，由于铁塔附近存在磁干扰，所以在铁塔附近测量会造成较大误差。一般要求离开铁塔有一段距离，使用指北针，防止磁吸！以及通过可视地识别测量仪器的机械指针所处的刻度线，手动测量天线的方位角和下倾角，精确度不高。

3、天线角度由于人为或自然因素改变，而不能及时被发现并调整，这样使得方位角及下倾角的实际值与设计值存在偏差。

4、在实际工程维护中，技术人员需要挟带仪器去现场进行手工测量基站天线的角度，增加了人力物力；对于某些特殊场合环境下，给技术人员现场测量带来不方便。

以上弊端不仅需要增加人力物力，还易导致基站的实际覆盖与所设计的不相符，引起基站覆盖范围不合理，或同频及邻频干扰，使得通信质量下降，影响客户感知度。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基站天线角度自动监测仪及自动监测方法，本发明的技术方案为：

一种基站天线角度自动监测方法利用重力加速度计传感器和磁阻传感器精确测量基站天线的下倾角和方位角；利用GPRS传送和IP传送方式将测量得到天线角度数据自动传送到网管中心。通过软件计算校准，消除天线位置测量的磁干扰引起的偏差，确保测量的精确性。

上述基站天线下倾角测量方法，采用重力加速度计将运动加速度或重力转换为电信号，通过信号整器，输出模拟电压，再通过A/D转化器将数据以十六进制形式发送，MCU采集传感器数字信号，对其进行转化再通过公式θ°＝arcsin(采集到的数字信号/传感器灵敏度)得到最终角度。

上述基站天线方位角测量方法，采用磁传感器将被测磁信号转换为电信号，再通过A/D转化器将数据以十六进制形式发送，MCU采集传感器数字信号，对其进行转化成十进制：方位角＝90-ArcTan(X/Y)*180/Π     (Y>0)

       方位角＝270-ArcTan(X/Y)*180/Π     (Y<0)

       方位角＝180                        (Y＝0，X<0)

       方位角＝0                          (Y＝0，X>0)

一种基站天线角度自动监测仪，它包括操作系统内核和多任务应用系统模块，所述操作系统内核，控制USB总线驱动、MODEM驱动、文件系统模块和网络协议，实现多任务管理机制；在操作系统内核运行的过程中，看门狗保护模块实时侦听系统的运行情况，以确保系统的稳定运行。所述多任务应用系统模块，包括采集及控制模块、协议部分模块、接口部分模块，采集及控制模块通过采集任务，将采集到的方位角和下倾角参数放置到一块预先定义的数据数据存储区域，协议部分模块接收来自网管中心消息，经协议处理任务，经过解包、鉴权，如果为非法消息包，将其丢弃；鉴权通过则判断消息的命令，如果为查询命令，直接在相应的数据存储区域获取相应的参数值，组应答包经通信接入任务将消息发送回网管中心；如果为设置，经控制任务对监测仪进行相应的控制，接口部分模块实现USB、SPI、TCP、RS232、12C通讯服务任务。

本发明的有益效果：

本方法通过对现有基站天线安装角度监测仪，利用基站天线角度监测系统能够达到如下效果：

1、本发明解决传统方式安装和调整基站天线的不精确问题；解决人工测量误差或不稳定性；解决天线位置磁干扰影响的测量误差；解决不能及时发现天线角度变化问题；解决获取天线角度信息的费时费力问题。

2、本发明为无线网络的精确规划提供强有力的数据支持；为无线网络的高效优化提供强有力的数据依据；为实现天馈系统的集中维护提供强有力的技术支撑；为网络质量的提升提供可靠的保障；为公司节省了人力物力、提高工作效率、降低维护优化成本、提高经济效益。

附图说明

图1是本发明实施例的传感器系统的框图。

图2是本发明实施例的电容变化图。

图3是本发明实施例的MEMS加速度计结构原理。

图4是本发明实施例的水平时传感器的受力分析图。

图5是本发明实施例的传感器水平时单晶矽形变图。

图6是本发明实施例的有倾角时传感器的受力分析图。

图7是本发明实施例的传感器有倾角时单晶矽形变图。

图8是本发明实施例的磁传感器原理框图。

图9是本发明实施例的两个磁阻作敏感元器件示意图。

图10是本发明实施例的设备磁阻传感器原理图。

图11是本发明实施例的方位角校准图。

图12是本发明实施例的地球水平旋转时硬铁干扰的偏移。

图13是本发明实施例的因硬铁干扰产生的航向单周期误差图。

图14是本发明实施例的监测仪多任务管理结构示意图。

图15是本发明实施例的基站天线角度监测系统框图。

图16是本发明实施例的基站天线角度监测系统网络拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。如图1所示，为传感器系统的框图。

1、下倾角测量技术方案

(1)加速度传感器原理

加速度传感器最基本的原理都是由于加速度导致某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出，以此电压来表示加速度的大小。

传感器主要由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。多晶硅结构由多晶硅弹簧支撑，处于晶片的顶部，并与差动电容的运动中心极板相连。分别在差动电容的固定上下极板上加两路幅度相等、相位差为180°的方波。在加速度的作用下，多晶硅结构会产生偏移，拉动差动电容的中心极板滑动，使两个电容容值不同，便在中心极板产生电压，传感器输出方波。输出方波的幅值与所测的加速度成正比。如图2所示：电容变化图。

(2)下倾角测量

天线下倾角传感器：测量天线下倾角是采用重力加速度计，它将运动加速度或重力转换为电信号的传感器，加速度传感器在静止时可以用来检测倾斜角，倾斜角在—90度到90度变化时，加速度传感器会在—1.0g到+1.0g变化，输出电压如下：

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{off}}+(\frac{\mathrm{\&Delta;V}}{\mathrm{\&Delta;G}}\&times;1.0G\&times;\sin \mathrm{\&theta;})$

本系统采用的是三轴加速度计。这种传感器采用表面微处理加工技术制造，传感单元如图3所示：MEMS加速度计结构原理。随横梁上的中心薄片与两个固定外部薄片形成差动电容器(CS1和CS2)。无加速度时两电容器电容相等。当施加了加速度时，中心薄片移近某一固定薄片远离另一固定薄片，使得电容值发生改变而促使电容电压值发生改变(电容与距离成反比，C＝Aε/D)，因此可借此特性计算出加速度的大小。通过测量电路将电容量的变化转换为电压输出，就能够测得相应的加速度值。

当下倾角为0度时，敏感方向(水平方向)上的重力加速度分量为0，如图4、图5所示，当传感器水平时单晶矽材料不发生变化，所以传感器电容不变，VCs1＝VCs2。

当倾角发生变化时，如图6、图7所示，为传感器存在倾角时受力图和传感器内部单晶矽形变图。当传感器存在角度时，因重力加速度分量单晶矽材料发生弹性形变，在单晶矽材料横板中间放置一个中间极板，通过重力加速度改变单晶矽弹性形变来改变中间极板的位置来改变两可调电容的电荷值，得到最终输出值Vout＝Vs1-Vs2。在通过公式ΔV＝VCs1-VCs2，将得到的电压值通过信号整器，输出模拟电压，再通过A/D转化器将数据以十六进制形式发送，MCU采集传感器数字信号，对其进行转化在通过公式θ°＝arcsin(Ture/1333)得到最终角度。(公式解释：Ture为采集到的数字信号，1333为传感器灵敏度)

2、方位角测量技术方案

天线方位角传感器：测量天线方位角是采用磁传感器，原理框图见图8。

方位角测量采用两个相互正交的磁阻作敏感元器件，磁场环境因为圆形，所以通过两磁阻作敏感元器件垂直可以同时测量两个方位角度，如图9，有A磁阻作敏感元器件测量a方位值，同理B磁阻作敏感元器件测量b方位值，通过计算、判断来确定方位角，这样大大提高测量的准确性。所以在测量方位角时磁阻作敏感元器件起着重要的作用。

磁阻作敏感元器件是由磁阻效应原理所设计，磁阻效应原理是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。如图10(设备磁阻传感器原理)，同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻值增加导致电压值的变化，所得电压值通过磁传感器将电压进行A/D转换，将数据以十六进制形式发送，MCU收到测量值，无需计算(水平时)，直接将其转化成十进制。

方位角＝90-ArcTan(X/Y)*180/Π       (Y>0)

方位角＝270-ArcTan(X/Y)*180/Π      (Y<0)

方位角＝180                         (Y＝0，X<0)

方位角＝0                           (Y＝0，X>0)

天线角度监测仪安装至天线时，因天线存在下倾角，所以当设备装置于天线时，传感器不平行于地球表面，但通过判断天线下倾角来对磁传感器进行角度补偿可以解决方位角问题。如图11所示，方位角校准图。

本设备可以消除磁干扰。磁干扰可分为两类：硬铁和软铁干扰。硬铁干扰产生于永久磁铁，和被磁化的金属。这些干扰会保持大小恒定，与罗盘的相对位置固定，而与罗盘指向无关，硬铁干扰在罗盘输出的每个轴向加了一个定值，输出曲线图的圆心被移动了(如图12：地球水平旋转时硬铁干扰的偏移)，对于航向的影响则是一个周期性的误差(如图13：因硬铁干扰产生的航向单周期误差)。要消除硬铁干扰，磁输出的圆心偏移必须得到，通常是将传感器和平台旋转一周，得到圆上的足够的点再得到圆心偏移，一旦找到，(X，Y)偏移会存在内存中，每次传感器读数时都会减去此偏移，因此，方向计算时可以消除硬铁干扰。

3、监测仪技术方案

监测仪在软件设计上采用分层设计、模块化的设计思路，并成功的嵌入了uC-OSII操作系统，实现了监测仪的多任务管理机制，其结构划分如图14，监测仪多任务管理结构示意图。

监测仪通过采集任务，将采集到的方位角和下倾角参数放置到一块预先定义的数据存储区域。

通信接入任务接收来自基站天线角度监测系统的网管平台消息，经协议处理任务，经过解包、鉴权，如果为非法消息包，将其丢弃；鉴权通过则判断消息的命令，如果为查询命令，直接在相应的数据存储区域获取相应的参数值，组应答包经通信接入任务将消息发送回网管平台；如果为设置，经控制任务对监测仪进行相应的控制。在操作系统运行的过程中，看门狗保护模块实时侦听系统的运行情况，以确保系统的稳定运行。

4、基站天线角度监测系统实施方案

基站天线角度监测系统框图(单个天线监测仪)如图15所示。图16是基站天线角度监测系统网络拓扑图。

监测仪精确测量基站天线的下倾角和方位角，利用重力加速度计传感器和磁阻传感器测量天线下倾角和方位角，测量值精确、稳定，不受人为因素和环境条件的影响。

监测仪通过无线数据GPRS(EDGE或3G)或IP方式将测量数据传输到网管中心，多种方式传送、可扩充性、兼容性好，便于推广应用。能够在中心机房即时获取基站天线监测仪的测量值，数据库管理信息，高效、快捷、方便、共享特点。

虽然本发明通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (16)

1、一种基站天线角度自动监测方法，其特征在于，

利用重力加速度计传感器和磁阻传感器精确测量基站天线的下倾角和方位角；

利用GPRS传送和IP传送方式将测量得到天线角度数据自动传送到网管中心。

2、根据权利要求1所述的基站天线角度自动监测方法，其特征在于，

通过软件计算校准，消除天线位置测量的磁干扰引起的偏差，确保测量的精确性。

3、根据权利要求1所述的基站天线角度自动监测方法，其特征在于：基站天线下倾角测量方法，采用重力加速度计将运动加速度或重力转换为电信号，通过信号整器，输出模拟电压，再通过A/D转化器将数据以十六进制形式发送，MCU采集传感器数字信号，对其进行转化再通过公式θ°＝arcsin(采集到的数字信号/传感器灵敏度)得到最终角度。

4、根据权利要求3所述的基站天线角度自动监测方法，其特征在于：重力加速度计传感器主要由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。

5、根据权利要求1所述的基站天线角度自动监测方法，其特征在于：基站天线方位角测量方法，采用磁传感器将被测磁信号转换为电信号，再通过A/D转化器将数据以十六进制形式发送，MCU采集传感器数字信号，对其进行转化成十进制：

方位角＝90-ArcTan(X/Y)*180/Π      (Y>0)

方位角＝270-ArcTan(X/Y)*180/Π     (Y<0)

方位角＝180                       (Y＝0，X<0)

方位角＝0                         (Y＝0，X>0)

6、根据权利要求5所述的基站天线方位角测量方法，其特征在于：采用两个相互正交的磁阻作敏感元器件。

7、根据权利要求5所述的基站天线角度自动监测方法，其特征在于：通过判断天线下倾角来对磁传感器进行角度补偿。

8、根据权利要求5所述的基站天线角度自动监测方法，其特征在于：通过传感器和平台旋转一周，得到圆上的足够的点再得到圆心偏移，将找到的偏移圆心坐标值存在内存中，每次传感器读数时减去此偏移，以此消除硬铁干扰。

9、一种基站天线角度自动监测仪，它包括操作系统内核和多任务应用系统模块，其特征在于：

所述操作系统内核，控制USB总线驱动、MODEM驱动、文件系统模块和网络协议，实现多任务管理机制；

所述多任务应用系统模块，包括采集及控制模块、协议部分模块、接口部分模块，采集及控制模块通过采集任务，将采集到的方位角和下倾角参数放置到一块预先定义的数据数据存储区域，协议部分模块接收来自网管中心消息，经协议处理任务，经过解包、鉴权，如果为非法消息包，将其丢弃；鉴权通过则判断消息的命令，如果为查询命令，直接在相应的数据存储区域获取相应的参数值，组应答包经通信接入任务将消息发送回网管中心；如果为设置，经控制任务对监测仪进行相应的控制，接口部分模块实现USB、SPI、TCP、RS232、12C通讯服务任务。

10、根据权利要求9所述的基站天线角度自动监测仪，其特征在于：在操作系统内核运行的过程中，看门狗保护模块实时侦听系统的运行情况，以确保系统的稳定运行。

11、一种基站天线下倾角测量方法，采用重力加速度计将运动加速度或重力转换为电信号，通过信号整器，输出模拟电压，再通过A/D转化器将数据以十六进制形式发送，MCU采集传感器数字信号，对其进行转化再通过公式θ°＝arcsin(采集到的数字信号/传感器灵敏度)得到最终角度。

12、根据权利要求11所述的基站天线角度自动监测方法，其特征在于：重力加速度计传感器主要由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。

13、一种基站天线方位角测量方法，采用磁传感器将被测磁信号转换为电信号，再通过A/D转化器将数据以十六进制形式发送，MCU采集传感器数字信号，对其进行转化成十进制：

方位角＝90-ArcTan(X/Y)*180/Π     (Y>0)

方位角＝270-ArcTan(X/Y)*180/Π    (Y<0)

方位角＝180                      (Y＝0，X<0)

方位角＝0                        (Y＝0，X>0)

14、根据权利要求13所述的基站天线方位角测量方法，其特征在于：采用两个相互正交的磁阻作敏感元器件。

15、根据权利要求13所述的基站天线方位角测量方法，其特征在于：通过判断天线下倾角来对磁传感器进行角度补偿。

16、根据权利要求13所述的基站天线方位角测量方法，其特征在于：通过传感器和平台旋转一周，得到圆上的足够的点再得到圆心偏移，将找到的偏移圆心坐标值存在内存中，每次传感器读数时减去此偏移，以此消除硬铁干扰。

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