CN103503232B - 用于海事高速宽带通信联网的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于在海事同时操作（SIMPOS）中涉及的若干实体之间提供集成的长程、高容量通信系统的方法和系统。该方法和系统利用通过软件控制在方位角和仰角两者上可控制的窄波瓣相位可引导天线。

Description

用于海事高速宽带通信联网的方法和系统

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序的用于在若干实体之间设置海事高速宽带通信网络的方法。

本发明还涉及根据权利要求36的前序的用于在若干实体之间使用的集成高速宽带通信系统。

背景技术

在海事同时操作（SIMOPS）中，所涉及的各方之间的有效和安全通信是至关重要的。当前使用的通信系统主要是需要在操作之前在各方之间协调的标准VHF和卫星通信。VHF通信是经过验证的语音通信方法，但不支持包含DP系统、电子图表系统（ECS、ECDIS）和计算机控制决定支持系统的复杂操作中所需要的高数据率。卫星通信可支持高数据率，但其常常在通信链中引入不希望的延迟。因此，当今的复杂SIMOPS需要被定制为从涉及的实体集成大量的数据通信源和支持实况视频的长程、高速数据通信系统。

由于短的距离和低的抗干扰性，因此，现货供应宽带网络不太适于SIMOPS环境。对于支持在SIMOPS中发现的要求高的应用，这种网络的能力也太低。并且，这种单元对于海上传送没有被优化，这会使它们的性能大大劣化。

GB2448510A公开了包含第一天线的射频通信方法、装置或系统，该第一天线向第二天线传送关于其位置的信息，该第二天线接收所述信息并使用它以将来自第二天线方向的辐射射束对准到第一天线的位置。该公开描述了基于传送位置信息的全向天线与出于通信目的使用的高度方向性天线之间的切换天线的波瓣对准系统。即使实现对准，双重天线方法也是复杂和昂贵的。使用全向天线还将限制系统距离，原因是它们具有零天线增益。即使传送速度降低以克服该问题，该系统的性能也没有对于位置和数据传送两者都具有高的天线增益的系统好。

US2005176372A公开了用于海事应用的高度集成的可靠的架构无线电系统。特别地，US2005176372A涉及用于海事应用中的无线未许可带无线电系统，该系统包含提供最小120度覆盖（3dB点）的三个扇区天线，这些扇区天线组合以实现360度的连续覆盖。该公开描述了在对于覆盖单独的扇区使用单独的单元的配置中使用标准WLAN设备。标准WLAN设备不太适用于海上开放路径，在这里，海洋反射将导致深零、低的信号噪声比和系统间干扰问题。并且，当若干用户登录到网络上时，标准WLAN设备具有降低的能力。当在海事环境中预期有反射和干扰信号时，标准WLAN方法一般不满足SIMOPS中的要求高的需求。

US2002169527公开了用于海洋船舶跟踪系统的方法和系统。特别地，US2002169527涉及自动海洋船只跟踪系统和方法。具体而言，该公开涉及用于通过利用来自海洋船只的有限次数的传送来精确监视海洋船只的移动的船只跟踪系统和方法。该公开描述了基于GPS和向中心控制单元无线传送位置数据的简单跟踪系统。船舶只报告什么时候观察到从最后报告的位置的主要偏移。控制单元外推位置数据，并且可通过一定的精度查明船舶的位置。描述的系统不足以满足在SIMOPS中需要的位置数据率。由于SIMOPS由相互接近的船舶和结构表征，因此位置更新必须接近实时。因此，数据能力和速度十分重要。如在本申请中描述的那样，SIMOPS通信必须另外是虚拟的。

US2006276992描述了用于近海无线电网络的分段式天线系统及其使用方法。特别地，US2006276992涉及无线电网络，具体而言，涉及用于在海洋地震勘测中使用的近海无线电网络的分段式天线系统。该公开描述了天线波瓣通过切换在圆中布置以便获得全方位角覆盖的物理天线引导。利用大量的具有固定天线波瓣的物理天线单元给出静态方案。如果天线元件通过继电器被选择，那么在切换布置中将损失一些电力。使用继电器意味着更多的服务和较高的停供时间。并且，这种天线布置将不允许天线波瓣的仰角引导。由于如果在传送路径中存在障碍则仰角可能是十分重要的，因此，与覆盖方位角和仰角两者的动态引导系统相比，该方案很显然是较差的方案。

US2004229652公开了在无线通信系统中射束形成的协调。US2004229652特别涉及用于协调在无线通信系统中的两个通信实体之间使用的射束形成的方法和系统。该公开基于测量波瓣指向误差并在步骤中减少它直到指向误差被最小化。但是，它没有公开如何初始地测量误差。基本上，该公开是用于减少已知的指向误差的简易方法。该系统利用全方向和定向天线两者，并因此是复杂的方案。

US2011032149公开了用于无线宽带通信的天线优化的系统和方法。增强的天线阵列包含较高增益天线和较低增益天线。射束形成天线（较高增益和较低增益两者）被设计为能够针对另一收发器传送和接收。较高增益天线被设计为形成明显更接近机载平台的视平线的更具方向性的射束；而较低增益天线被设计为形成在更远离机载平台的视平线的距离处的不太具方向性的射束。较高增益和较低增益天线两者均在水平上围绕天线阵列在360度上形成它们各自的射束。较高增益天线被设计为用于从机载平台的视平线到沿垂直方向到机载平台的视平线的大致锐角的覆盖区域，并且，较低增益天线被设计为用于从到机载平台的视平线的大致锐角到基本上垂直的覆盖区域。该公开的申请特别涉及在机载平台与表面基站之间在未许可射频谱上传输数据内容。因此，该系统假定机载平台与基站通信，并且不被布置为直接相互通信，而这在SIMPOS操作中是绝对需要的。该系统均不被布置为考虑通信单元将在操作中移动，原因是该系统基于与通常具有固定位置的表面基站通信。US2011032149的系统使用用于搜索基站的低增益天线和用于与基站通信的高增益天线。如上所述，US2011032149的系统不被布置为允许用户即机载平台直接相互通信，但用户在它们的侧边与在网络中被连接的基站通信，以形成使得单元之间的基站网络通信变得可能的网络。通过具有较高增益天线和较低增益天线，导致它需要两个机械单元和用于分离信号的装置。并且，如上所述，US2011032149的系统不被布置为考虑其它单元的移动，即，这将导致，如果机载平台要与之通信的单元不处于较低增益天线的覆盖区域内，那么通信将不可能。如果机载平台要与之通信的单元移动到较低增益天线的覆盖区域外面，这也同样出现，从而导致通信失败。该系统均不被布置为处理反射，这些反射对于将在以下讨论的海事SIMPOS操作存在。

当建立海事移动网络时会出现的另一问题是关于允许使用的频率和功率水平的本地政府。在海事SIMPOS中，操作的现场可总体改变，因此，必须使频率和功率水平的使用适于在各地理区域中允许的水平。关于功率水平和频谱使用的国家规章会在不同的地理位置之间明显改变，并且可在区域和国家之间具有明显的不同。并且，在国际水域中，规章将与国家规章不同。基于此，如果操作的区域包含多于一个的国家或者部分地处于国际水域中，那么功率水平和频率可能必须从一个区域到另一区域并且甚至在海事SIMPOS操作过程中改变。

当前的系统当在具有不同的司法体系的区域之间移动时依赖于手动过程以改变频率和功率水平。这是耗时和麻烦的过程，当改变需要的参数时，这会导致人为的错误。

在存在多个无线电发射器和雷达系统的区域中出现的另一问题是干扰通信链接。在海事SIMPOS操作中，一般存在大量的在不同频率下操作的无线电发射器。由于大多数的无线电发射器将具有一些谐波和假的辐射，因此，干扰通信系统的可能性相当高。

对于通信链接的干扰可能是非常有害的，并且甚至会完全关闭通信链接。另一严重的情况是当干扰修改数据流中的数据内容时，此时由此得到错误的数据，这些错误的数据在某些情况下会导致操作的失败。当前用于避免干扰的过程常常是手动改变频率或功率水平，并由此重新建立有用的信号噪声比。根据干扰源和到该源的距离，参数的手动改变可能是成功的或者可能是不成功的。

关于海上无线电传送的主要问题是来自海面的反射和高湿度区域中的信号的衰减和折射。接收信号将是直接信号和来自海面以及还可能包含诸如船舶侧的其它的反射表面的反射的总和。在不利的条件下，这些反射可能具有与主信号相同的振幅，并因此严重干扰主信号。由于反射信号的相位依赖于行进的附加的路径长度和反射表面的反射性能，因此反射信号可具有与直接信号相反的相位，并由此抵消它。

在有风的条件下，表面波将改变反射表面的位置。这将在接收信号中引入附加的噪声并更多地降低信道质量。

当前减少来自海面的反射的方式是使用具有窄波瓣的天线，该天线尽可能多地抑制不希望的信号。

因此，不存在满足对于海事SIMPOS操作设定的特殊和要求高的需要的系统或方法。

发明内容

本发明的主要目的是，提供解决与海事SIMPOS操作有关的现有技术的上述缺点的方法和系统。

本发明的另一目的是，提供用于提供用于SIMPOS操作的海事高速宽带通信网络的方法和系统。

本发明的目的是，提供用于海事SIMPOS操作中的可靠、无线长程、高速数据通信网络。

另一目的是，提供通过从所有可用的传感器引入高速数据传送提供操作的更高的安全性和可靠性的方法和系统。

另一目的是，提供通过使用可通过软件控制在方位角和仰角两者都可控的窄相位可引导天线来使得复杂性比现有技术系统低的方法和系统。

本发明的另一目的是，提供主动提供监视使用中的通信信道并且被布置为仅使用自由信道以避免干扰其它系统的方法和系统。

本发明的另一目的是，提供被布置为在接收侧、在传送侧或者在两侧通过窄相位可引导天线的软件控制来处理来自反射信号的干扰的方法和系统。

本发明的另一目的是，提供用于提供各单元之间的测距的方法和系统。

本发明的另一目的是，提供用于关于承载相位可引导天线的单元的移动主动补偿射束引导算法的方法和系统。

本发明的另一目的是，提供被布置为使用比如GPS数据的位置数据以控制系统的操作参数的方法和系统，该操作参数包含承载相位可引导天线的单元的位置、朝向和速度。

本发明的另一目的是，提供被布置为用通过测量两个单元之间的消息的飞行时间和射束角度获得的位置来检查位置数据的方法和系统。

最后，本发明的目的是，提供用于在本地产生可被网络中的任意单元使用的用于GPS的差动校正信号的方法和系统。

本发明

在权利要求1中描述根据本发明的用于设置海事高速宽带通信网络的方法。在权利要求2～35中描述了该方法的优选的特征。

在权利要求36中描述根据本发明的集成海事高速宽带通信网络。在权利要求37～47中描述该系统的优选的特征。

对于宽带高容量数据网络的需求基于这样一种事实，即，海事SIMPOS操作要求大量的数据传送，这些数据传送例如用于更新操作数据库、电子地图（ECDIS、ECS）、系统软件、雷达显示的传送、表示冰条件的卫星图片的传送、实况视频、海底图和类似的信息。

本发明是用于在海事同时操作（SIMPOS）中涉及的诸如船舶和单元的若干实体或用户之间直接通信的集成长程、高容量通信系统的新方法。

SIMPOS被描述为具有相互危险地干扰的可能性的同时海事活动。当两个或更多个船舶或单元一起工作时，总是存在不希望的事件或一组情况的可能性，从而降低安全性、损害环境或者财产。SIMPOS操作一般包含但不限于：

－在安装安全区域内承担非例行操作的船舶；

－在海底脐带、阶崖和流线上工作；

－通过若干船舶和承包商的现场开发工作。

船舶包含例如潜水支持船舶、起重船舶、供给船、驳船、输油管线和电缆管线、住处、地震和监测船舶、ROV船舶和在动态定位模式中操作的船舶。安装包含例如固定和浮动制造平台、钻井索具、DP制造单元、FPSO和FPU。

SIMPOS操作常常涉及多个公司（所有人、合同商、转包合同商、卖方）、大量的受过训练的劳动力和各种各样的日常、24小时、例行和非例行构建和委任活动。

因此，SIMPOS操作涉及协作的几种类型的船舶、单元和固定安装以通过执行一个或更多个操作/任务实现共同的目的。为了以高的安全性和效率实施操作/任务，需要具有高的容量的共用通信网络。已存在几种通信方法，但是，对于海事SIMPOS操作的要求高的需求，它们均不具有足够的容量、距离和安全性。

现有技术的系统和方法不具有用于传送在海事环境中涉及若干船舶、机载单元和固定安装的先进SIMPOS所需要的数据体积的足够的速度或距离。现有技术，比如WLAN设备，具有短的距离，没有对于海上的传送被优化，并且当多于一个单元使用网络时，具有降低的容量。

本发明优于现有技术的主要改进在于波瓣引导。尽管整相阵列天线在文献中是已知的，但本发明使得能够提供打开角度比现有技术小得多的天线波瓣。已实现利用新颖技术和先进信号处理的+/-4度打开角度。

并且，方位角和仰角两者的指向角度可仅通过软件控制被查明到若干度的精度。在方位角和仰角两者方面控制射束是获得可能的最佳性能的先决条件，这是到目前为止没有在现有技术的公开中描述的事实。

本发明的高速和长程特性使得能够在海事SIMPOS操作中传送大容量的数据。在海事SIMPOS环境中嵌入本发明将增加数据可用性和常用地图、视频传送、数据库和先进决定支持系统的用途。并且，本发明将有助于增大来自海事SIMPOS操作中涉及的所有单元的传感器数据的流动和共享。在海事SIMPOS操作中使用本发明将大大有助于增大涉及的所有单元的安全性和可靠性。

现有技术还无法提供具有高集成度和共用用户界面的通信系统。

根据本发明的宽带通信网络系统将包括包含以下特征中的一个或更多个的通信系统：

·语音通信

·数据通信

·实时视频流动

·数据/信息的存储

·用户界面

·用户控制单元

·数据/信息接口单元

·集成消息系统

·用于增大对干扰和阻塞的抵抗力的装置

·用于简单安装和操作的装置

·记录设施－关键事件的回放

·用于产生输入数据以用于模拟和训练目的的装置

·对接其它的通信系统以向操作室和总部传送极重要的数据；

·其它

所有单元必须能够通过普通的电话系统或者通过扬声器相互对话。会议设施对于SIMPOS操作是必不可少的。

对于数据通信，为了在单元之间传送诸如DP信息、测量数据和处理数据的位置数据，高速和高容量数据信道是必不可少的。数据必须在显示状态信息、计划数据、调度、绘图、操作支持数据、数据库搜索等的集成用户界面中，对于用户是可用的。

对于操作中涉及的所有单元，不同单元上机载的视频照相机的数据应是可用的。

为了在完成操作之后评价工作处理和事件，必须提供数据/信息的存储。应存储包含声音、数据、视频、操作数据等的所有通信数据，以供以后的回顾和评价。

必须可从用户界面配置通信系统。为了反映当前的操作需求，配置必须很容易改变。还必须可很容易地在系统的配置中限定存储功能。

位置数据（朝向、速度、位置等）、距离、容量和传送速度是通信系统的最重要的参数。由于反射、大气波导现象和其它传送现象，海上传送决不变得没有意义，因此，通信系统必须关于这些效果被优化。在UHF/SHF下操作的普通宽带调制解调器不具有足够的容量或距离以满足一般为在5km距离上10Mbit/sec的海事SIMPOS要求。

海上无线电传送将提供来自海面的反射和高湿度区域中的信号的衰减和折射。接收信号将是直接信号与来自海面的反射的总和，该反射在不利的条件下会具有与主信号相同的振幅，并因此严重干扰主信号。由于反射信号的相位依赖于行进的附加路径长度和反射表面的反射性能，因此反射信号可具有直接信号的相反相位，并由此消除它或者至少弱化该信号，使得导致较差的传送质量。有风条件导致表面波改变反射表面的位置，这种改变将在接收信号中引入附加的噪声，并进一步降低信道质量。当前减少来自海面的反射的方式是使用具有窄波瓣的天线，该天线尽可能多地抑制不希望的信号。因此，现有技术有助于减少干扰问题，但仅在一定程度上。

根据本发明的通信系统通过利用给出非常窄和可引导天线波瓣的窄波瓣相位可引导天线连同特有的调制和数据传送控制方法以优化传送速度和距离，从而克服普通宽带（WLAN）设备的限制。

通过本发明利用具有非常窄的射束宽度的可引导波瓣，提供更有效的减少上述的由于反射导致的干扰的方式。通过将一个天线波瓣指向传送天线并且一个波瓣指向反射点，能够在反射信号上引入附加的相位偏移，使得它将总是将反射信号添加到直接信号。反射信号可由此变为建设性的信号，该建设性的信号将总是改善通信信道。

另一可用于此的方法是，在传送天线和/或接收天线中，沿反射点的方向在天线图中产生一个或更多个零。由于反射点依赖于传送单元与接收单元之间的距离和两侧处的天线高度，因此，当传送单元和接收单元的位置已知时，可以高精度地计算反射点的方向和位置。反射点的位置然后在用于形成沿反射点的方向具有一个或更多个零的天线波瓣的软件中被用作输入参数。可在通信路径的各侧完成这一点，由此在很大程度上减少反射路径中的传送功率和接收功率。在现有技术中，自适应地形成传送天线射束以避免朝向反射点的传送不是已知的。该方法被称为自适应反射消除（ARC），并且在后面被进一步详细描述。

另一减少海面反射的效果的方法是，通过用反射路径建立专用的监视信道，来监视反射点的特性。可通过仅监视接收信号或者通过使用具有从传送单元传送的已知的参数和调制的专用导频信号，来实现该方法。

在第一实现中，接收单元将窄波瓣直接指向反射点。接收信号然后被分析，并且，反射点的特性参数，比如振幅和相位延迟，被测量并存储于数据库中。这些参数将根据由于风、波浪和其它的海状态参数导致的海面的移动而随时间改变。随时间测量振幅和相位变化使得能够产生反射表面和反射信号的行为的模型，并且该模型可被用于估计可用于校正主信号的校正信号。由于主要关心反射参数的短期变化并且海状态的变化与调制信号的周期相比将具有相对较长的周期，因此能够通过使用该方法实现良好的校正信号估计。

在该原理的第二实现中，通过已知的码字序列调制的专用载波直接指向反射点。在接收端，信号将受到海反射影响并且码字将错乱。由于码字序列是已知的，因此能够通过使用使接收信号和已知信号相关的相关器产生校正信号。估计的校正信号然后也被应用于主信号，由此校正主信号。

使用软件控制的相位可引导天线波瓣的又一实现是将波瓣仰角调整到用于接收的最佳无干扰角度。

具有波瓣的软件控制还允许将波瓣分成两个主部分，一个波瓣与直接自由空间路径对准，并且一个直接指向反射点。通过使用先进的信号处理，直接信号可然后被延迟，因此，它与反射信号同相位，由此，在直接信号与反射信号之间产生建设性的干扰，以便消除反射信号的负面影响。

应当指出，反射不仅仅由于海表面反射，而且还来自其它的表面，比如船舶表面或产生反射信号的其它的源。

提出的本发明的主要优点在于，天线系统被固定并且不包含移动部分。这使得天线安装极其容易并且将天线维护减少到最少。

根据本发明的通信系统被布置用于以下的基本操作中的一个或更多个：

·单元上的所有数字数据源通过接口单元与通信系统对接，这里，接口标准一般是比如RS232、RS422、USB等的数据接口；

·接口单元与被布置为负责数据信道切换、多路复用、用户界面和无线电系统的对接的用户控制单元连接；

·用户控制单元控制向无线电系统的数据传送，并且供给用于操作无线电的输入数据，即，功率水平，天线波瓣引导控制、寻址或用户等。

为了成为通信网络的一部分，海事SIMPOS操作中涉及的所有用户均优选具有相同类型的设备，以下，被描述为用户单元。一个用户单元可被定义为主机用户单元。主机用户单元被布置为根据选择的配置来配置在网络中操作的其它的用户单元。因此，主机单元将不用作用户单元必须通过其传送的基站，而用作设定网络的通信性能的主机。并且，如果条件有利的话，主机的角色可被重新分配给另一单元。

通信网络将用作设置所选择的通信路径并且将来自相关来源的数据供给到所选择的用户并用于直接在相应的用户之间通信的集成和智能网络。

用户控制单元被布置为在优选对于所有用户相同的集成用户界面上呈现数据。

用户控制单元进一步被布置为分配状态数据、来自操作的图片或视频流动，并且在同一用户界面中呈现信息。典型的视频呈现将是来自传感器的数据、DP数据、视频流和操作中涉及的所有单元的位置数据。

用户控制单元还可被布置为接收其它相关的数据输入，诸如海状态数据，比如浪高和漂移参数，或者更新的气象数据和气象预报。还可包含诸如位置、朝向、速度等的DGPS（差动全球定位系统）数据或用于更高的定位精度的本地校正数据。

用户控制单元进一步优选具有用于存储在SIMPOS操作中使用的所有相关信息的例如数据库形式的存储装置。典型的信息将是工作计划、更新调度、气象信息、工作订单、导航数据、电子地图、雷达信息、海底基础构架、报警等。所有与特定SIMPOS操作相关的信息应在数据库中是可用的，并由此向所有水平的人员提供有效和强大的工具，从而通过可能的最安全和最有效的方式运行操作。

为了改善用于在有问题的情况下进行决定的时间，还可在用户控制单元中加入提供方案建议的智能决定支持系统。

将通过高达相距超过5km的数个用户执行SIMPOS操作。为了在海上实现高速数据容量，必须使用非常窄的天线波瓣以具有最大天线增益，即方位角和仰角两者上的高增益。通信系统因此具有窄波瓣相位可引导天线，并且将在初始的设置中对于所有其它的用户扫描视平线。用户标识和诸如位置、朝向、速度等的位置数据将被存储以供将来的使用，使得各用户上的天线波瓣可迅速地被引导到正确的位置。

当用户移动时，将执行对于新位置数据的更新扫描。用户单元将为此包含用于存储关于所有其它单元的信息和它们的位置数据即位置、朝向、速度等的数据库。通过已知当前的位置、朝向和速度，能够预测在某个时间周期之后用户处于哪个位置，并因此将天线波瓣指向预测的方向。

如果传送条件由于长程、反射问题或传送路径中的高水分含量而劣化，那么通信系统将自动检测劣化并通过增大传送功率或降低传送速度进行补偿。

通信系统被布置为适于不同的传送条件并且在任何时间对于速度和距离进行优化。如上所述，通信系统还被布置为处理由于海面或将提供反射信号的其它表面导致的反射。

通信系统还包含被布置为在涉及的所有用户之间传送写入消息或邮件的集成消息收发系统。

通信系统的另一实现是通过使用网状网络系统架构。网状网络是高度自治的网络，该网络可基于指示网络在不同的环境中如何表现的一组参数使自身适于不同的操作条件。网络中的各节点（用户）具有唯一的身份和转发机制。数据的传送基于在可到达彼此的节点（用户）之间中继数据。一般由于长距离或较差的传送质量而不能直接点对点通信的节点（用户）现在可通过从一个节点（用户）向另一节点（用户）传送数据而进行通信，由此形成可计数若干节点（用户）的传送路径。由此可很容易克服由于长传送路径导致的限制。网状网络可被设计为具有负责系统中的所有参数编程的主机用户，或者网络可被设计为全部自治。

根据本发明的用于设置海事高速宽带通信网络的方法可在以下的步骤中概括：

a）各用户通过产生一个窄波瓣的相位可引导天线执行其它用户的视平线的扫描或者发出询问消息并且询问其它用户是否在操作中以及它们的位置、朝向和速度以及用户标识是什么；

b）形成网络，通过该网络，用户可直接相互通信，这样，各用户设置包含操作用户和它们的位置、朝向和速度的数据库；

c）从一个用户直接到另一用户，测量信号强度、信号噪声比、数据吞吐量和诸如位误差率和再传送率的其它传送参数，并且计算优化的传送参数；

d）为了对于各用户直接到相应的其它用户得到最佳的可能的数据吞吐量，在方位角和仰角两者上优化相位可引导天线的窄波瓣的方向；

e）基于来自步骤c）的优化的传送参数和来自步骤d）的天线波瓣方向，对于直接相互通信的用户控制/引导相位可引导天线，以对于产生的窄波瓣在方位角和仰角两者上实现高的增益；

f）以预定的周期，重复步骤a）～e）。

步骤a）包含用户单元通过一个窄波瓣在方位角和仰角两者上执行搜索，以覆盖所有可能的传送路径，例如，在方位角上搜索360度并且在仰角上搜索90度。

步骤e）包含增大传送功率或降低传送速度，以对于相应的用户（11）之间的直接通信实现优化的传送参数。

步骤e）包含将相位可引导天线的窄波瓣引导到在相应的用户（11）之间具有最高的能量含量的方向。

步骤e）包含通过单独地控制窄波瓣相位可引导天线中的各单个天线元件的相位，形成窄波瓣。由于可在软件中控制元件整相，因此存在形成一个或更多个深零以及窄波瓣的选项。深零可被用于沿希望的方向抑制干扰，由此大大抑制干扰源并使信号噪声比最大化。由于软件控制使得能够具有各单个形状的射束形成，因此该方法使得能够将天线方向图定制为最适于实际应用的形式。作为例子，为了同时直接与两个不同的用户通信，天线系统可产生不同方向上的两个主波瓣。

因此，通过优化传送参数，意味着用于实现尽可能高的数据吞吐量的优化速度、距离、方向、最高能量含量、传送功率和射束形成。如上所述，软件控制对于处理由于由于海面或其它的表面导致的信号衰减和折射、反射、以及由于天气条件导致的干扰是开放的。

该方法还包括通过以下的软件控制架构直接在相应的用户之间交换数据和信息：点对点、点对多点或网状网络。该方法还可包括组合不同的架构，使得，如果点对点不可能，可配置网状网络以到达直接通过点对点不可用的用户。

该方法优选还包括身份检查或信号的编码/解码。例如，在网状网络中，需要识别单元并将关于单元中的每一个的状态反馈到前面的单元。

该方法优选还包括用于限制信息/数据流动的步骤。消息可被优先化，使得可用例如高优先级、中优先级或低优先级的优先级标志来标记单独的消息，并由此可在其它的消息之前处理它们。系统对此开放，因为消息可在它们在网络中被转发之前被被存储并优先化。典型的情况是，关于危险、人员的伤害和设备等的损害的消息被优先化在其它的消息前面。

该方法还包括：如果数据的吞吐量低，那么根据上述优先级标志优先化消息，以确保重要的消息被优先化。当若干用户之间的距离较小时，位置数据是特别重要的，因此，此时，涉及例如来自GPS、雷达或其它系统的消息被优先化是十分重要。

在一些情况下，优先化的消息即使雷达网络负担较重或者单元中的一些由于干扰、反射、距离限制或技术故障而停机也到达它们的目的地是至关重要的。为了实现较高的安全通信概率，能够使用网状网络并且同时通过若干路由即以冗余的方式传送消息。必须以高的接收概率传送的消息然后同时被传送到若干其它的单元。各接收单元然后负责沿不同的路由将消息转发到最终目的地。在接收时，向发起单元发送确认消息。为了避免来自来自不同路由的消息的消息冲突，必须施加各单元中的受控延迟，因此，接收单元以受控方式从不同的路由接收所有的消息。

该方法优选还包含主动监视使用中的通信信道并且仅使用自由信道以避免干扰其它的系统。该方法被称为认知通信，并且，通过在根据本发明的系统中引入复杂的监视和决定算法变为可能。系统由此连续地监视可用的自由信道并且在任何给定的时间仅使用自由信道。

该方法优选还包含关于单元的移动主动补偿射束引导算法。由于天线系统通常被固定于单元结构上，因此，天线射束将受到至少三个轴即滚动、高度和起伏的单元的移动影响。通过使用移动传感器，比如申请人MRU-移动基准单元，能够直接通过使用系统软件补偿射束的该移动。为了在方位角和仰角两者上维持正确的天线波瓣位置，关于滚动、高度和起伏移动的数据将从移动传感器被传送到天线射束控制软件。

该方法优选还包括使用比如GPS数据的位置数据以控制系统的操作参数。在SIMPOS操作中，必须在任何时间知道其它单元的位置。单元可在操作的一个阶段上与一个单元通信，以在下一时刻与另一通信单元，然后重新返回到与第一单元通信。因此，重要的是，知道单元的位置、朝向和速度，以使得单元能够沿与其通信的单元的正确的方向指引窄波瓣。当知道一个点上的位置、朝向和速度时，可以预测用户在下一时刻被定位于哪里。如果不考虑单元移动，将丢失通信链接，这在SIMPOS操作中是不可接受的。

频率和功率水平可依赖于地理位置（不同的司法权）。用于改变频率和功率水平的手动过程是耗时和麻烦的，并且在改变需要的参数时会导致人为错误。为了解决该问题，关于地理区域的信息和关于频谱和功率水平的限制可存储于数据库中，该数据库可被用于通过使用位置数据选择实际地理区域的适当的参数。以这种方式，根据本发明的系统被布置为使用位置数据作为输入以根据当前的地理位置设定独立的参数。因此，单元可在不同的地理位置之间移动，并且自动地切换到允许的频率和功率水平和对于实际的地理区域允许的其它地理参数。

该方法优选还包括测量直接在两个用户之间的消息的飞行时间和射束角度或者测量路径延迟并且计算相应的用户之间的直接距离。第一用户发出特殊的位置请求并且询问第二用户的位置。回答以第二用户中的受控延迟被传送到第一用户。当在第一用户处接收消息时，第二用户的距离和方位被自动计算并与从GPS/GNSS获得的位置数据相比较。第一用户现在对于第二用户的位置具有两个不同的估计，并且，与仅具有一个位置报告相比，可通过更高的完整性决定正确的位置。

该方法优选还包括在本地产生可被网络中的任何用户使用的用于诸如GPS的位置装置的差动校正信号。与仅仅通过例如GPS或者通过区域中的任何可用的差动服务获得的精度相比，这将对于位置报告提供更高的精度。它可被用作差动校正的第二来源。如果GPS差动校正信号出错（fallout），那么可检查用于GPS的最后的差动校正是否正确。

SIMPOS操作中的基本要求是距离测量的精度。SIMPOS操作可涉及以相互接近进行操作的若干单元和固定结构。为了避免冲突，必须实时以极高的精度获知物体之间的距离。这种距离信息被用作对于导航系统的输入，并且，将基于这种信息进行导航决定。SIMPOS中的通常的要求是，必须实时地以好于1米的精度获知距离钢到钢（steel-to-steel）。

只能通过高精度GPS和DGPS方法满足1米精度的要求。为了计算单元和其它物体之间的最接近的距离，该精度还要求单元和物体的物理布局的3D数据库。3D模型涉及必须定期更新的大型数据库。因此，具有可用于在操作中涉及的所有单元上更新数据库的有效宽带数据通信系统是十分重要的。

由于GPS和DGPS系统可能由于阴影效果在诸如船舶和结构的单元相互接近时失效，因此，需要可高精度地计算单元/物体之间的距离的附加的测距系统。由于本发明包含利用窄波瓣和可控制波瓣的系统，因此，可通过使用通信系统作为测距装置实现这种测距。在本应用中，从一个单元向指定的另一单元发出具有高的优先级的寻址消息。当消息被接收并被解码为测距消息时，指定的接收单元立即用确认消息向发起单元响应。基于从传送到接收的时间延迟，可高精度地计算单元之间的距离。这给出物体/单元之间的距离的附加的测量，并可被用于测量的GPS/DGPS距离的备份或质量检查。如果还存在雷达系统，那么这给出可同时使用的用于测距的三种不同的独立的方法。对于需要特别安全测量的复杂操作，可能需要三个独立的测距系统。

在上述的应用中使用寻址的测量的原因在于，若干单元可同时接收测距消息。为了避免若干相应的单元之间的时隙冲突以及矛盾，仅允许寻址的单元回答。

对于距离测量对于操作至关重要的关键的情况，测距消息的流可被传送并由此提供距离数据的连续更新。

在相同测距原理的另一实施例中，测距消息将不使用对于特定单元的寻址。而是允许来自若干单元的响应。为了避免时隙冲突，各响应单元在回答之前引入受控的时间延迟。时间延迟以特有的方式与回答单元的身份相关，并且，被从接收单元的测距测量减去，以便计算正确的时间延迟并由此计算到每个响应单元的距离。

要得到更大的精度，可以使用接收信号的相位测量以增大精度。

该测距向系统提供用于距离测量的冗余。

如上所述，干扰可在这样的系统中导致大量的问题。但是，干扰常限于数个频率和数个地理方向或位置。为了克服这种干扰问题，系统和方法包含建立在数据库中存储关于噪声频率和到干扰源的方向的信息并且使用自适应优化算法以避免来自这种来源的干扰的自适应通信系统。并且，当关于干扰的数据被存储于数据库中时，比如频率、振幅、定时、持续期和历史的干扰特性可被用于分析干扰源，由此提供可用于干扰检测、定位和去除的有价值的工具。它也可用于控制相位可引导天线以沿干扰源的方向形成一个或更多个零或者通过适于抵消干扰信号的信号，并由此阻挡来自干扰源的信号。

来自其它单元机载的电子设备或有故障的发射器的干扰可有损于无线电系统的可用性和容量。当各单元配有可引导波瓣时，能够搜索来自各单元的干扰源的方向。使两个或更多单元瞄准同一干扰目标使得能够计算位置和到目标的距离。由于单元可在一定程度上相互分开，因此它们有效地构成长基线无线电方向发现系统，由此使得能够高精度地识别干扰源的位置。这可被用于干扰源的检测，从而发现干扰源的位置并且任意地去除干扰源或者修复干扰源。这还可被用于控制相位可引导天线以沿干扰源的方向形成一个或更多个零并由此阻挡来自干扰源的信号。

该方法还包括用以预定的周期接收数据更新用户界面。

系统和方法由此提供针对现有技术的以下创新：

·海上长路径高速高容量数据传送；

·软件控制波瓣形成；

·软件控制自适应波瓣引导；

·高水平传感器集成；

·软件控制架构：点对点、点对多点、网状网络

·位置依赖参数

·固定天线－没有可移动部分

·认知信道选择和管理

·通过比较GPS位置与射束方向和飞行测量时间或测量的路径延迟进行位置控制；和

·自动优先级处理。

从以下的示例性描述，本发明的其它优选的特征和有利的细节将十分明显。

附图说明

以下，参照附图更详细地描述本发明，这里，

图1表示本发明的用途的示例性的示图，

图2表示根据本发明的用户单元的细节，

图3a～3b表示本发明中的反射消除的示图，

图4a～4b表示根据本发明的通过使用通信系统的测距的流程图，

图5表示根据本发明的智能消息系统。

具体实施例方式

现在参照作为本发明的用途的示例性的示图的图1。该图示出海事SIMPOS操作的典型的情况，这里，船舶、飞机、直升机或平台等的形式的若干用户11在操作中协作。在该例子中，示出四个船舶与平台和直升机协作。

本发明特别涉及在用户之间提供海事高速宽带通信网络的通信系统。通信系统还提供用于海事SIMPOS操作中的可靠、无线长程、高速数据通信网络。通信系统还通过从所有可用的传感器引入高速数据传送提供海事SIMPOS操作的安全性和可靠性。

为此，通信系统包含被不布置给各用户11的用户单元100。用户单元100优选对于所有的用户11相同，这些用户单元100被布置为形成网络110，通过该网络110，它们可直接相互通信。

现在参照表示根据本发明的用户单元100的细节的图2。用户单元100包含具有用于存储数据/信息的外部和/或内部存储器（诸如数据库）的用户控制单元101、通信装置102、接口单元103和用户界面104。接口单元103、通信装置102和用户界面104与用户控制单元101连接。

通信装置102优选包含无线电系统105和窄波瓣相位可引导天线106。窄波瓣相位可引导天线106的使用提供窄的并且可引导的天线波瓣，这些天线波瓣与唯一调制和数据传送控制方法一起可被用于优化传送速度和距离。

现在描述用于优化窄波瓣相位可引导天线106的射束方向的方法。用户单元100进入搜索模式，其中，用户单元100传送具有位置参数（位置、朝向、速度等）的预定的低速身份信号，并且要求来自其它用户单元100的响应。当另一用户单元100检测到身份信号时，它们通过传送它们自身的身份和位置数据即位置、朝向、速度等响应。各用户单元100然后构建活动用户单元100以及它们的位置、朝向、速度等的数据库以供将来的使用。搜索的用户单元100将优选搜索方位角的360度和仰角的90度，由此覆盖可用的所有可能的传送路径。在具有关于活动用户单元100和它们的位置、朝向、速度等的信息之后，用户单元100现在可选择最佳射束指向角度并开始传送高速数据。为了具有更新的用户单元100和位置数据即位置、朝向、速度等，搜索模式优选定期、比如说每一分钟被激活。通过存储的位置、朝向和速度，用户能够预测另一用户在将来所处的位置并在用户要与相应的用户通信时将天线波瓣引向该方向。

由于主要传送能量包含于视线周围的若干菲涅耳区域内，因此，为了获得高的信号噪声比，菲涅耳区域的大多数十分清楚是十分重要的。如果菲涅耳区域的一些部分由于诸如船舶或建筑物的物体或传送路径中的风景被阻挡，那么沿具有最高能量含量的方向引导射束变得十分重要。它可能处于向着发射器并且处于一定的仰角的方向。因此，将射束引导到最佳的仰角变得十分重要。用户控制单元101具有用于执行这一点的装置和/或软件。

在这样的应用中，即，在海事环境中，还必须考虑射束形成。射束形成的技术基于单独地控制窄波瓣相位可引导天线106中的各单个天线元件的相位。由于可在布置于用户控制单元101中的软件中控制元件整相，因此，存在形成一个或更多个深零以及窄射束的选项。深零可用于希望方向的干扰抑制，由此明显抑制干扰源。由于软件控制实现各单个形状的射束形成，因此该方法使得能够将天线方向图定制到最适于实际应用的形式。

此外，软件控制使得能够控制天线以处理来自海面的反射和高湿度区域中的信号的衰减和折射，以及来自其它表面的反射。

接口单元103进一步被布置为获取来自相关的来源107的信息，诸如来自传感器、GPS、DP、MRU、雷达、语音、视频或自动识别系统（AIS）的信息或数据。接口单元103还可接收其它的相关的数据输入，诸如海状态数据，比如浪高和漂移参数或更新的气象数据和气象预报。也可包括用于更高的定位精度的DGPS数据或本地校正数据。

由于窄波瓣相位可引导天线106将被安装于用户结构上，因此，波瓣方向强烈依赖于用户的移动，比如滚动、高度和起伏。为了补偿该移动，可以使用一般为申请人的产品MUR（移动基准单元）的移动传感器，以动态补偿由用户的移动引起的指向误差。通过移动传感器（MRU）与用户单元100交互作用，用户控制单元101能够通过向波瓣引导软件发送校正消息而沿方位角和仰角两者校正指示方向，从而使任何指向误差最小化。

由于来自移动船舶的反射或诸如湿度的改变参数、来自海洋的反射、大气波导现象等，数据传送质量可随时间改变。因此，窄波瓣相位可引导天线106的最佳指示方向可在这种条件下改变。因此，控制指示方向的参数应被连续更新以在任何时间确保最佳的数据吞吐量。

可通过比如信号强度、信号噪声比、数据吞吐量和用于服务质量（QOS）的参数的若干参数定义数据传送的质量。要在所有的条件下确保最佳的数据吞吐量，这些参数在用户控制单元101中的软件中被监视，以优化吞吐量。

用户单元100中的一个可被定义为主机用户单元。主机用户单元被布置为指示其它的用户单元100根据选择的配置在网络110中操作。因此，用户将不通过主机用户通信，而主机用户将设定用于通信网络的参数。

主机用户单元100或其它用户单元100的用户控制单元101被布置为如上面描述的那样监视传送条件，并且，如果传送条件由于长程、反射问题或传送路径中的高水分含量而劣化，那么用户控制单元101被布置为自动检测劣化并且通过增大传送功率、增大再传送或者降低传送速度进行补偿。

现在参照表示根据本发明的通过双重软件控制天线波瓣的反射消除的示图的图3a～3b。在图3a中，示出传送用户11′和接收用户11′′。可以看出，存在直接信号301和反射信号302。接收信号将是直接信号301和来自海面的反射信号302的和，在不利的条件下，该反射信号302可具有与直接信号301相同的大小，并因此严重干扰直接信号301。由于反射信号302的相位依赖于行进的附加的路径长度和反射表面的反射性能，因此，反射信号302可具有与直接信号301相反的相位，并由此抵消或者至少弱化直接信号301，使得导致较差的传送质量。另外，表面波将由于风和水流改变反射表面的位置，这将在接收信号中引入附加的噪声并进一步降低信道质量。

根据本发明，可通过接收用户11′将一个天线波瓣303指向传送用户11′并将一个天线波瓣304指向反射点305减少这种效果。以这种方式，能够在反射信号上引入附加的相位偏移，使得它将总是向将反射信号302添加到直接信号301。反射信号302现在变为建设性的信号，这将总是改善通信信道。

根据本发明，其替代方案是沿反射点305的方向在天线图中产生零。由于反射点305将依赖于传送用户11′与接收用户11′之间的距离和两侧处的天线高度，如图3b所示，在这里，信号强度被示为接收用户11′处的高度的函数，因此，可高精度地计算反射点305的方向和位置。反射点305的位置然后被用作用于形成天线波瓣的输入参数以在反射点305的方向上具有一个或更多个零。可在通信路径的各侧完成这一点，由此，减少反射路径中的传送和接收功率。通过控制传送用户11′的天线以沿反射点305的方向形成一个或更多个零，通过关于接收用户11′将天线波瓣分成两个波瓣，即，一个波瓣306直接针对接收用户11′并且一个波瓣307沿反射点305的方向，将已处于减少向反射点305的效果的开始点，使得明显减少反射信号。

根据本发明，减少海洋反射的效果的替代性的方式是通过用反射点305建立专用监视信道来监视反射点305的特性。可通过仅监视接收信号或者通过使用从传送用户11′传送的具有已知参数的专用信号，完成这一点。

在第一实现中，接收用户11′′将窄波瓣304直接指向反射点305。接收信号然后被分析，并且，反射点305的诸如振幅和相位延迟的特性参数被测量并被存储于数据库中。由于这些参数将由于风、波浪或其它海状态参数根据海洋表面的移动随时间改变，因此，随时间的振幅和相位变化的测量使得能够产生反射表面的行为和反射信号的模型，该模型可用于估计校正信号。这些校正信号可然后被用于校正直接信号301。

在本原理的第二实现中，通过已知的码字序列调制的专用载波直接指向反射点305。在接收用户11′′处，信号将受海反射影响，并且，码字将错乱。由于码字序列是已知的，因此能够通过使用使接收信号与已知信号相关的相关器产生校正信号。估计的校正信号然后被施加到直接信号301，由此校正主信号。

使用软件控制可引导天线波瓣的又一实现是，在接收用户11′′和/或传送用户11′处，将波瓣仰角调整到用于接收的最佳无干扰角度。

进行波瓣的软件控制也允许将波瓣分成两个主部分，与直接自由空间路径对准的一个波瓣303、306下好像传送用户11′，并且，一个直接指向反射点305、307。通过使用先进的信号处理，直接信号301可然后被延迟，因此，它与反射信号同相位，由此，在直接信号301和反射信号302之间产生建设性的干扰，从而消除反射信号302的负面影响。

用户控制单元101进一步被布置为控制窄波瓣相位可引导天线106，并且将如上面描述那样对于所有用户单元100执行视平线的初始扫描。当一个或更多个用户单元100被检测时，用户标识和位置、朝向、速度等将被存储以供将来的使用，使得各用户11上的天线波瓣可被迅速引导到正确的位置。用户控制单元101进一步优选被布置为在预定的间隔上或者对于新的位置数据即用户11的位置、朝向、速度等执行更新扫描。存储的位置、朝向、速度也可被用于预测朝向另一用户的方向，使得不需要频繁地执行扫描。以这种方式，用户控制单元101将适于不同的传送条件并且在任何时间对于速度和距离进行优化。

用户控制单元101另外被布置为控制向无线电系统105的数据传送，并被布置为供给用于操作窄波瓣相位可引导天线106的输入数据，即，功率水平、天线波瓣引导控制、寻址、用户等。

用户控制单元101进一步被布置为在集成的用户界面104上呈现数据/信息，使得所有的用户单元100优选呈现相同的数据/信息。呈现的信息可以是数据、来自操作的图片或视频流动。典型的视频呈现将是来自传感器的数据、DP数据、MUR、雷达、视频流和用于操作中涉及的所有单元的位置数据。应对于用户可用的在用户界面104上的其它的信息/数据是状态信息、工作计划、更新调度、气象信息、工作订单、导航数据、电子地图、雷达信息、海底基础构架、报警等。与特定的SIMPOS操作相关的所有信息应在数据库中是可用的，并且在用户界面104上被显示。以这种方式，所有水平的人员将具有有效和强大的工具以在可能的最安全和最有效的方式中运行操作。

用户控制单元101进一步被布置为负责数据信道切换、多路复用、控制用户界面104和向通信装置102提供接口。

用户控制单元101进一步被布置为通过使用软件控制架构在相应的用户11之间交换数据和信息：点对点、点对多点或网状网络。用户控制单元101还可被布置为组合不同的架构，使得，如果点对点不可能，那么可配置网状网络用于到达直接通过点对点不可用的单元11。

用户控制单元101进一步具有用于执行身份检查或信号的编码/解码的装置和/或软件。例如，在网状网络中，需要单元11的标识和单元11中的每一个的状态向先前的单元的反馈。

用户控制单元101进一步被布置为通过能够通过用例如高优先级、中优先级或低优先级的优先级标志来标记单独的消息优先化它们来限制信息/数据流动。这是可能的，原因是消息可在网络中被转发之前被存储并被优先化。以这种方式，可在其它的不重要的消息之前处理重要的消息。

用户控制单元101进一步被布置为在数据的吞吐量低时将消息优先化。优先化的消息，诸如包含测量的距离的位置数据，可然后被优先化以维持安全性。

用户控制单元101进一步被布置为主动监视使用中的通信信道并且仅使用自由信道以避免干扰其它的系统。通过用户控制单元101具有复杂的监视和决定算法实现这一点。用户控制单元101将由此连续地监视可用的自由信道并且在任意给定的时间仅使用自由信道。

用户控制单元101进一步被布置为关于用户的移动主动补偿射束引导算法。由于窄波瓣可引导天线106一般被固定于船舶结构上，因此，天线射束将在至少三个轴即滚动、高度和起伏上受单元的移动影响。通过使用来自诸如申请人的MRU－移动基准单元的移动传感器的信息，能够通过用户控制单元101中的软件直接补偿射束的该移动。例如，来自移动传感器的关于滚动、高度和起伏移动的数据可被用于沿方位角和仰角两者维持正确的天线波瓣位置。

用户控制单元101进一步具有用于使用诸如GPS数据的位置数据以控制系统的操作参数的装置和/或软件。在不同的地理区域中，存在可被使用以例如不干扰被陆上雷达系统使用的频率和功率水平的关于频率、频谱和功率水平的限制/要求。根据本发明，系统将总是了解在实际地理区域中允许的哪些频率和功率水平，通过使用位置数据通过检查数据库中的数据检查允许哪些限制/要求。关于这一点的信息可从数据库被下载或者被预先布置于系统的数据库中。以这种方式，根据本发明的系统将在进入新区域时自动适于实际的限制/要求，通过由系统即相位可引导天线的自动控制来自动改变系统的诸如频率和功率水平的参数。

SIMPOS操作中的基本要求是距离测量的精度。对于这一点，用户控制单元101进一步优选具有单元和物体的物理布局的3D数据库，从而计算单元与其它物体之间的最近距离。

当诸如船舶和结构的单元相互接近时，由于阴影效果，GPS和DGPS系统可能失效，根据本发明的系统具有用于高精度地计算单元/物体之间的距离的附加的测距系统。

现在参照表示根据本发明的用于测距系统的两个替代性方案的图4a～4b。在图4a中，表示将来自GPS/DGPS的位置数据与通过测量两个用户11之间的消息的飞行时间和射束角度获得的位置比较的替代方案。第一用户从一个用户向目标用户发出具有高优先级的身份的寻址消息。当消息被接收并被解码为测距消息时，目标用户立即用确认消息向发起单元响应。基于从传送到接收的时间延迟，可高精度地计算天线之间的距离和方位。这给出物体/单元之间的距离的附加的测量，并可被用于测量的GPS/DGPS距离的备份或质量检查。如果距离处于预定的限制内，那么在数据库中保存并且任选地在界面上呈现结果。如果距离不处于预定的限制内，那么存在立即设定的报警，并且，所有相关的用户被通知。因此，用户现在对于目标的位置将具有两个不同的估计，并且，与仅使用一个定位系统相比，可以更高的完整性决定正确的位置。

可以传送寻址测距消息流以用于从若干用户获取信息。

在图4b中，表示相同的测距原理的替代方案，这里，测距消息不使用向特定的单元的寻址。在传送测距消息之后，允许来自若干单元的响应。各响应单元在回答之前引入受控的时间延迟，以避免时隙冲突。时间延迟以特有的方式与回答单元的身份相关，并且，其被从接收单元的测距测量减去，以便计算正确的时间延迟并由此计算到每一个响应的单元的距离。关于第一替代方案，测距测量与用于备份或质量检查的GPS/DGPS测量相比较，并且，如果测量处于预定的限制内，则设定报警。

为了进一步增大精度，也可对于两个替代方案使用接收信号的相位测量。

用户控制单元101进一步优选具有用于在本地产生用于诸如GPS的位置装置的差动校正信号的装置和/或软件，该差动校正信号可被网络中的任意用户11使用。这样，与单独地通过例如GPS或通过区域中的任何可用的差动服务获得的精度相比，提供更高的位置报告精度。这可被用作差动校正的第二来源。如果GPS差动校正信号出错，那么可检查用于GPS的最后的差校正是否正确。用户控制单元101进一步优选具有提供关于方案的建议的智能决定支持系统，以便减少用于在有问题的情况下进行决定所花费的时间。典型的操作支持系统可以是来自网络的其它各方的气象预报、风和波浪数据、位置分析和预报系统、操作指南、工作指令、问题解决指南、紧急计划、人员数据库、用于人员和其它数据库的位置系统和在不同的情况下进行有效的操作所需要的系统。

通信系统进一步优选包含集成消息收发系统，其被布置为在涉及的所有用户11之间传送写入消息或邮件。

通信系统还包含用于使所有用户11能够通过普通的电话系统或通过扬声器系统相互说话的通信装置。

该系统还优选具有在用户界面103中可用的文档操作功能。该功能操作文档的处理、共享、报告、批准、手册等。

上述的人员跟踪可基于RFID和分布的监视点。

可向系统提供输入的可能的数据源是以申请人的名义在EP1735638中描述的用于确定海事船舶和类似的物体的位置的方法和系统。它是用于确定包含水路的海事环境中的两个或更多个物体之间的相对位置的方法，其中，至少一个物体可相对于一个或更多个其它的物体被调动。至少一个询问器被布置于物体中的一个或更多个上，并且向布置于其它的物体中的一个或更多个上的至少一个应答器发送无线电波信号。该方法利用询问器中的FMCW雷达，利用应答器将将身份标签包括到要被反射到询问器的信号中和姿态确定。还描述了用于该确定的系统。通过使用该系统作为对于本发明的输入，将得到高精度的用户单元的相对位置。

现在参照图6，该图示出通过根据本发明的系统的消息的消息收发、监视和验证。

SIMPOS操作通常包含大量的船舶、驳船、固定结构和其它的实体，并且，要成功地操作，必需具有高数据体积的快速和有效的通信。通常，事先很好地计划在操作中实施的所有任务，并且，为了检查进展是否根据计划，必须仔细监视所有的任务。由于大量的单元在解决复杂任务时协作，因此，最重要的是所有单元到跟上在操作的执行中必须加入的操作信息和可能的偏离。通过其高数据吞吐量，根据本发明的系统可被用于所有单元之间的高速数据通信，由此给出在手边监视和验证操作的新的并且创新的可能。以下，参照图6，描述根据本发明的系统可如何被用于改善SIMPOS操作中的监视和控制。

首先，详细计划并在任务描述中描述操作中的所有任务。所有任务描述在计划数据库中被组装。各任务通过身份号被识别，并与用于监视任务的执行的一组消息相关。这些消息通常是用于发起任务的一条消息、用于完成任务的一条消息、用于指示任务的延迟的一条消息和用于在任务没有根据计划进展时指示报警的一条消息。可在实际的操作中根据特定的需要开发更多的消息。

对于开始、执行和停止，通过时间调度计划所有的任务。负责实施任务的人或实体通过发出给出任务的进展的消息确认任务执行中的各里程碑。例如，如果通过在0900开始并在0922停止的从船舶到平台的提升操作限定任务ID099，那么该信息将在计划数据库中是可用的。然后通过操作员的用户界面向操作员呈现该任务，以告诉他在0900开始操作。操作员通过向任务监视系统发送确认消息确认在0900上开始操作。当在0920完成时，他将发送指示成功终止任务的确认消息。监视系统然后检查是否根据计划实施任务并且在这种情况下报告任务ID099的成功操作。该信息然后保存于操作数据库中，该操作数据库保持关于如何实际实施任务的所有信息。

如果任务延迟，那么操作员报告延迟和用于结束任务的新计划时间。任务监视系统检测计划数据库与操作数据库之间的变化并因此更新剩余的任务。并且，由于在计划的操作与实际发生的操作之间存在偏差，因此，向操作管理员或监督员发送警告消息。监督员然后可立即评价情况并决定需要的计划变化。

在任务非常错误的更严重的情况下，操作员可发出报警消息。报警消息然后立即向操作管理和监督员警告实际的情况，并且可立即采取适当的措施。

由于关于操作及其进展的所有信息现在作为若干数据库中的消息是可用的，因此该信息可在所有各方之间实时分配并且甚至分配给对关注操作如何发展感兴趣的其它风险共担组织。

使用根据本发明的系统作为通信链接确保高速数据通信在所有各方之间是可用的且所有信息是实时可用的。在出现事故的情况下，甚至可分配实时视频，以改善有问题的事件中的决定做出。

参照图6所示的结构，可以预期，一个单元的机载系统包含若干计划管理员，这些计划管理员管理若干操作员，这些操作员管理在海事操作中使用的若干系统，比如导航、调遣、推进、起重、锚处理和其它的系统。各单元具有控制讨论中的单元的整个操作的监督员。在执行若干任务的单元中，为了监视操作的特征，甚至可能需要附加的控制器。

各单元保持其特定的计划数据库，并且将构建其操作数据库作为操作进展。如果在计划数据库与操作数据库之间出现差异，那么在负责发出偏离消息或报警的差动数据库中保存偏离。

偏离消息和报警然后被分发给所有各方，并且在需要获知的基础上使得其可用于监督员、控制器和其它各方。

该监视和验证系统依赖于由根据本发明的通信系统提供的高速数据通信，并且将大大改善在SIMPOS操作中的情况获知性和反应的时间。由于信息同时对于所有的单元可用，因此，在难以实施操作情况下，所有的实体可通过非常紧密和集成的方式协作。这将大大提高有效性并明显减少SIMPOS操作的潜在风险。

本发明有价值的另一例子是安全管理，在这种情况下，嵌入和集成的通信系统可有助于提高操作和人员的安全性。安全管理系统包含关于安全距离的信息，并且，如果船舶或单元太近以得不到足够的安全，那么给出报警。计划和安全系统还可包含安全路由，即，限定必须被观察的操作和导航的安全区域。如果由于安全距离变得太小出现危险情况，则报警可自动被触发。

系统优选还包含：

·用于通过天线波瓣中的零引导增大对于干扰和阻塞的抵抗力的装置；

·用于简单安装和操作的装置；

·记录设施－关键事件的回放；

·用于产生输入数据以用于出于模拟和训练目的的装置；

·用于识别人员位置的装置，通过使用RFID技术来监视人员移动即在人员何时以及在哪儿通过识别入口。以这种方式，人员位置数据可被集成于系统的信息数据库中。在紧急的情况下，获知所有人员在哪里是十分重要的；

·用于ManOverBoard（MOB）系统被激活时的报警和位置识别的装置。存在如果有人落水则向监视单元发送无线电信号的商业MOB系统。本系统可被用于向其它单元传送该信息；

·其它。

修改

本通信系统的修改可以是测量路径延迟并计算单元之间的距离。第一单元可向第二单元发送特别设计的询问消息，从而要求它重新传送消息与单元的位置数据，比如GPS位置。接收重新传送的消息之前的时间延迟可被用于计算距离，并且，天线射束角度可被用于计算方位。与GPS相比，这将给出用于距离和位置估计的附加和独立的方法。

到第一单元具有已知距离的固定单元可被用于校准和精度目的。测量到固定单元的距离还将提供可用于朝向其它单元的测量的距离校正因子，该固定单元一般是具有已知的距离和位置的固定平台。

该系统也可被用于向其它单元传送诸如风速和浪高的数据。

独特波瓣引导系统也可被用于通过将天线零点引导朝向干扰源来抑制干扰信号。主要目的是，可通过最大化信号水平或最小化干扰信号水平，以这两种方式实现信号干扰比的优化。由于天线波瓣和零可完全通过软件控制引导，因此，可通过同时优化两个参数获得最大的信号干扰比。

Claims (47)

1.一种用于在海事SIMOPS操作中协作的诸如船舶、飞机、直升机或平台等的若干用户(11)之间设置海事高速宽带通信网络的方法，这些用户具有包含用户控制单元(101)、通信装置(102)、接口单元(103)和用户界面(104)的用户单元(100)，其特征在于，该方法包括以下的步骤：

a)各用户(11)通过相位可引导天线(106)执行对其它用户(11)的视平线的扫描或者发出询问消息并且询问其它用户是否在操作中以及它们的位置、朝向和速度以及用户标识是什么，其中相位可引导天线(106)产生一个窄波瓣；

b)通过各用户设置包含用户(11)和它们的位置、朝向和速度的数据库，来形成网络(110)，通过该网络(110)，用户(11)可直接相互通信；

c)从一个用户(11)直接到另一用户(11)，测量信号强度、信号噪声比、数据吞吐量和诸如位误差率和再传送率的其它传送参数，并且计算优化的传送参数；

d)在方位角和仰角两者上优化可引导天线(106)的窄波瓣的方向，以便对于各用户(11)直接到相应的其它用户(11)得到最佳的可能的数据吞吐量；

e)基于来自步骤c)的优化的传送参数和来自步骤d)的天线波瓣方向，对于直接相互通信的用户(11)控制/引导相位可引导天线(106)，以对于产生的窄波瓣在方位角和仰角两者上实现高的增益；

f)以预定的周期，重复步骤a)～e)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤a)包含通过一个窄波瓣在方位角和仰角两者上执行搜索，以覆盖直接在相应的用户(11)之间的所有可能的传送路径。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在方位角上搜索360度，并且在仰角上搜索90度。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤e)包含以下步骤中的一个或更多个：

－增大传送功率或降低传送速度，以对于相应的用户(11)之间的直接通信实现优化的传送参数；

－将相位可引导天线(106)的窄波瓣引导到在相应的用户(11)之间具有最高的能量含量的方向；

－通过单独地控制窄波瓣相位可引导天线(106)中的各单个天线元件的相位，形成相位可引导天线(106)的窄波瓣。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，形成具有一个或更多个深零以及窄射束的窄波瓣相位可引导天线(106)射束，并且/或者将窄波瓣相位可引导天线(106)方向图定制为最适于实际应用的形式。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于，产生不同方向上的若干主波瓣，以便同时直接与若干不同的用户(11)通信。

7.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括通过以下的软件控制网络架构直接在相应的用户(11)之间交换数据和信息：点对点、点对多点或网状网络。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于，如果点对点不可能，则通过设置网状网络以到达直接通过点对点不可用的用户(11)，来组合不同的网络架构。

9.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括身份检查或信号的编码/解码。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括：通过用诸如高优先级、中优先级和低优先级的优先级标志来标记单独的消息，而限制信息/数据流动的步骤，这些消息以优先级程度的次序被处理。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，该方法包含：如果数据的吞吐量低，那么根据优先级标志优先化消息，以确保重要的消息被优先化。

12.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤中的一个或更多个：

－主动监视使用中的通信信道并且仅使用自由信道以避免干扰其它的系统；

－通过使用来自移动传感器的信息，关于用户(11)的移动主动补偿射束引导算法，以便在方位角和仰角两者上维持正确的天线波瓣位置。

13.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括使用各用户(11)的地理位置数据，以选择用于实际区域的频率和功率水平，并且根据选择的频率和功率水平自动控制相位可引导天线(106)。

14.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括测量路径延迟并且计算相应的用户(11)之间的直接距离或直接在相应的用户(11)之间测量消息的飞行时间和射束角度并且计算相应的用户(11)之间的直接距离。

15.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括局部产生用于诸如GPS的位置装置的差动校正信号，该差动校正信号可被相关网络中的任何用户(11)使用。

16.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括以预定的周期用接收数据更新用户界面。

17.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括测量从用户(11)直接到具有已知的距离的一个或更多个固定单元的距离，以提供用于距离的校正因子，该校正因子可被应用于朝向其它用户的测量。

18.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法还包括通过将天线零点引导朝向干扰源或者将波瓣仰角调整到用于接收的最佳无干扰角度来抑制干扰信号。

19.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括通过最大化信号电平或最小化干扰信号电平来优化信号干扰比。

20.根据权利要求1～19中的任一项的方法，其特征在于，该方法包括通过以下来减少来自反射信号的干扰：接收用户(11)将一个天线波瓣直接指向传送用户(11)并且将一个波瓣指向反射点，以及以总是将反射信号添加到直接信号的方式在测量的反射信号上引入附加的相位偏移。

21.根据权利要求1～19中的任一项的方法，其特征在于，该方法包括通过以下来减少来自反射信号的干扰：接收用户和/或传送用户(11)基于传送用户和接收用户(11)的位置、传送用户和接收用户(11)之间的距离以及两侧处的天线高度来计算反射点的方向和位置；以及沿反射点的方向在可引导相位天线的图中产生一个或更多个零。

22.根据权利要求1～19中的任一顶的方法，其特征在于，该方法包含通过以下来减少来自反射信号的干扰：接收用户和/或传送用户(11)通过经由仅监视接收信号或者经由使用从传送用户(11)传送的具有已知的参数和调制的专用导频信号而使用反射路径建立专用监视信道，来监视反射点的特性。

23.根据权利要求22的方法，其特征在于，

－接收用户(11)将窄波瓣直接指向反射点；

－分析接收信号，并且，测量反射点的诸如振幅和相位延迟的特性参数；

－产生反射表面和反射信号的行为的模型；

－使用该模型来估计校正信号；

－使用估计的校正信号来校正主信号。

24.根据权利要求22的方法，其特征在于，

－传送用户(11)直接朝向反射点传送具有已知的码字序列的专用载波调制信号；

－接收用户(11)记录被反射表面反射之后的信号；

－基于使用使接收信号和传送信号相关的相关器来产生估计的校正信号；

－向主信号施加估计的校正信号并因此校正主信号。

25.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括通过以下来减少来自反射信号的干扰：

－将接收用户(11)的天线波瓣分成两个主部分；

－使一个天线波瓣对准直接自由空间路径并且一个直接对准反射点；

－延迟直接信号，因此它与反射信号同相位，并由此在直接信号和反射信号之间产生建设性干扰，以便消除反射信号的负面影响。

26.根据权利要求7的方法，其特征在于，建立网状网络，并且同时经若干其它的用户(11)通过若干路由传送优先化的消息。

27.根据权利要求26的方法，其特征在于，在网状网络的各单元中使用受控的延迟，以便避免从来自不同路由的消息的消息冲突并确保接收用户以受控的方式接收来自不同路由的所有消息。

28.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括基于位置、朝向和速度的可用信息来预测用户(11)的位置并且沿该方向指引天线波瓣。

29.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括通过以下在相应的用户(11)之间执行测距：

－从一个用户(11)向一个或更多个指定的其它用户(11)传送一个或更多个寻址的测距消息；

－当消息被接收并被解码为测距消息时，指定的用户(11)用确认消息响应传送用户(11)；

－基于从传送到接收的时间延迟，计算相应的用户(11)之间的距离。

30.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括通过以下在相应的用户(11)之间执行测距：

－从一个用户(11)向一个或更多个指定的其它用户(11)传送一个或更多个测距消息；

－当消息被接收并被解码为测距消息时，响应用户(11)引入与它们的身份对应的受控延迟，并且用包含受控延迟和它们的身份的确认消息响应传送用户(11)；

－基于从传送到接收的时间延迟和受控的时间延迟，计算相应的用户(11)之间的距离。

31.根据权利要求29或30的方法，其特征在于，使用接收信号的相位测量来增大测距的精度。

32.根据权利要求29或30的方法，其特征在于，比较计算的距离与测量的GPS/DGPS距离。

33.根据权利要求1的方法，其特征在于，用于减少干扰的方法包含：

－测量或获取关于噪声频率和到干扰源的方向的信息并且在数据库中存储该信息；

－使用自适应优化算法以基于以下干扰特性中的一个或更多个分析干扰源和方向：频率、振幅、定时、持续期和历史；

－控制相位可引导天线(106)，以沿干扰源的方向形成零或通过形成适于对抗干扰信号的信号，并且借此阻挡来自干扰源的信号。

34.根据权利要求1的方法，其特征在于，用于检测来自其它用户(11)的机载电子设备或故障发射器的干扰的方法包含：

－通过两个或更多个用户(11)上的相位可引导天线(106)，搜索源自一个或更多个用户(11)的一个或更多个干扰源的方向；

－通过来自两个或更多个用户(11)的信息，计算位置和到干扰源的距离。

35.根据权利要求34的方法，其特征在于，使用位置和到干扰源的距离来控制相位可引导天线(106)以沿一个或更多个干扰源的方向形成零并且借此阻挡来自干扰源的信号。

36.一种用于在在海事SIMOPS操作中协作的诸如船舶、飞机、直升机或平台等的若干用户(11)之间使用的集成高速宽带通信网络系统，该系统包含对于各用户(11)布置的用户单元(100)，该用户单元(100)包含用户控制单元(101)、通信装置(102)、接口单元(103)和用户界面(104)，所述系统的特征在于，通信装置(102)包含无线电系统(105)和通过软件控制而在方位角和仰角两者上可控制的窄波瓣相位可引导天线(106)，该窄波瓣相位可引导天线(106)被固定于用户(11)上并且不包含可移动部分，并且，用户单元(100)被布置为通过设置包含用户(11)和它们的位置、朝向和速度的数据库来形成网络(110)，通过该网络(110)，用户(11)可直接相互通信。

37.根据权利要求36的宽带通信网络系统，其特征在于，用户控制单元(101)被布置为对于其它用户在方位角和仰角两者上执行视平线的扫描或者发出询问消息并且询问其它用户是否在操作中以及它们的位置和用户标识是什么。

38.根据权利要求36的宽带通信网络系统，其特征在于，用户控制单元(101)具有用于从一个用户(11)直接到另一用户(11)测量信号强度、信号噪声比、数据吞吐量和诸如位位错误率和再传送率的其它传送参数并且基于此在方位角和仰角两者上优化窄波瓣相位可引导天线(106)的波瓣方向以获得最佳可能数据吞吐量的装置。

39.根据权利要求36的宽带通信网络系统，其特征在于，用户控制单元(101)具有诸如数据库的用于存储数据/信息的外部和/或内部存储器。

40.根据权利要求36的宽带通信网络系统，其特征在于，该系统可从用户界面(104)被配置，该配置可很容易地改变以反映当前操作需要。

41.根据权利要求36～40中的任一项的宽带通信网络系统，其特征在于，用户控制单元(101)具有用于完成以下中的一个或更多个的装置或者被布置为完成以下中的一个或者多个：

－对于与相应的其它用户(11)的直接通信，基于优化的传送参数和天线波瓣方向来控制/引导窄波瓣相位可引导天线(106)；

－控制对于通信装置(102)的数据传送并被布置为供给用于操作通信装置(102)的输入数据；

－分配状态数据、来自操作的图片或实时视频流动并且在同一用户界面(104)上呈现信息；

－接收选自以下的其它相关数据输入：来自传感器的数据、海洋状态数据、气象数据、气象预报、GPS、自动识别系统、移动传感器、雷达、语音、视频、差动全球定位系统数据或局部校正数据；

－监视传送条件，并且，如果传送条件由于长程、反射问题或传送路径中的高水分含量劣化，那么用户控制单元(101)被布置为自动检测劣化并通过增大传送功率、增大再传送或降低窄波瓣相位可引导天线(106)的传送速度来进行补偿；

－负责数据信道切换、多路复用、控制用户界面(104)并向通信装置(102)提供接口；

－增大窄波瓣相位可引导天线(106)的传送功率或降低其传送速度，以在相应的用户(11)之间实现最佳的传送参数；

－将窄波瓣相位可引导天线(106)的射束引导到具有最高的能量含量的方向；

－通过单独地控制窄波瓣相位可引导天线(106)中的各单个天线元件的相位，形成窄波瓣相位可引导天线(106)射束；

－形成具有一个或更多个深零以及窄射束的窄波瓣相位可引导天线(106)射束；

－将窄波瓣相位可引导天线(106)方向图定制为最适于实际应用的形式；

－通过以下的软件控制架构在相应的用户(11)之间交换数据和信息：点对点、点对多点或网状网络；

－身份检查或信号的编码/解码；

－通过用诸如高优先级、中优先级或低优先级的优先级标志来标记单独的消息，来限制信息/数据流动，这些消息以优先级程度的次序被处理；

－主动监视使用中的通信信道并且仅使用自由信道以避免干扰其它的系统；

－通过使用来自移动传感器的信息，关于船舶移动主动补偿射束引导算法，以便在方位角和仰角两者上维持正确的天线波瓣位置；

－使用位置数据来控制依赖于相应的用户(11)的地理位置的频率和功率水平；

－用通过测量两个相应的用户(11)之间的消息的飞行时间和射束角度获得的位置来检查位置数据；

－局部产生用于诸如GPS的位置装置的差动校正信号，该差动校正信号可被相关网络中的任何用户使用；

－测量路径延迟并计算用户(11)之间的距离；

－测量到具有已知距离的一个或更多个固定单元的距离，以提供用于距离的校正因子，该校正因子可应用于朝向其它用户的测量；

－通过将天线零点引导朝向干扰源来抑制干扰信号；

－通过最大化信号电平或者最小化干扰信号电平来优化信号干扰比；

－通过将天线波瓣分成两个主部分并且将一个波瓣指向另一用户并且一个指向反射点，来消除来自反射的干扰；

－分析反射表面或反射点的特性；

－通过使用消息执行相应的用户之间的测距；

－增强与任务有关的消息系统；

－检测干扰源。

42.根据权利要求41的宽带通信网络系统，其特征在于，用户控制单元(101)具有用于完成以下的装置或者被布置为完成以下：如果点对点不可能，通过设置网状网络以到达直接通过点对点不可用的用户(11)，来组合不同的网络架构。

43.根据权利要求41的宽带通信网络系统，其特征在于，用户控制单元(101)具有用于完成以下的装置或者被布置为完成以下：如果数据的吞吐量低，那么根据优先级标志优先化消息，以确保重要的消息被优先化。

44.根据权利要求41的宽带通信网络系统，其特征在于，用户控制单元(101)具有用于完成以下的装置或者被布置为完成以下：产生不同方向上的若干主波瓣，以便同时与若干不同的用户通信或者以便消除来自反射点的干扰。

45.根据权利要求36的宽带通信网络系统，其特征在于，该系统具有用于涉及的所有用户之间的直接通信的选自以下的装置：普通电话系统、扬声器、会议设施、被布置为传送写入消息或邮件的集成消息系统。

46.根据权利要求36的宽带通信网络系统，其特征在于，该系统具有单元和对象的物理布局的3D数据库，以便计算单元与其它对象之间的最近距离。

47.根据权利要求36的宽带通信网络系统，其特征在于，该系统具有以下特征中的一个或更多个：

·用于增大对干扰和阻塞的抵抗力的装置；

·记录设施－关键事件的回放；

·用于产生输入数据以用于模拟和训练目的的装置。