CN104335369B - 利用光束控制系统的卡尔曼优化的空对地天线指向 - Google Patents

Abstract

控制定向天线的方法（和执行相同功能的系统）可以包括一个或多个操作，但不限于：利用卡尔曼滤波器确定航空器的位置，选择至少一个用于空对地通信的通信塔，计算航空器的位置与至少一个选定的通信塔之间的矢量，以及构形航空器的定向天线以对应该矢量。

Description

利用光束控制系统的卡尔曼优化的空对地天线指向

背景技术

空对地航空器蜂窝天线的最佳波束指向是独特的挑战。当航空器横穿地面蜂窝塔分布时，必须决定何时和何地指向下一波束。航空器天线指向系统可以是非连续的（例如，有限梯级）并且地面蜂窝塔等效全向辐射功率（EIRP）“等高”连续非线性等高线，随着航空器和塔之间的制高点而变化。

例如，如图1所示，航空器100经受“超级”蜂窝-边缘场景，相似但程度大于地面重叠异构蜂窝网络（例如，由一个或多个通信塔104的投射边缘限定）。航空器100在连续距离受限于连续蜂窝边缘、射频功率水平以及天线增益水平产生的地对空信号103与一个或多个通信塔104之间的不良通信。

发明内容

航空器天线指向系统可以连续优化指定时间变量非线性条件的通信链路（为获得最高性能）。优化可以通过采用统计的航空器动态和已知或预估的地面蜂窝EIRP地图作为输入来进行。输入可以包括，但是不限于：地面天线增益等高线、功率、天线增益等高梯级（例如，EIRP）、GPS坐标、航空电子设备参数（例如，定位器（LOC）、VHF全方位范围（VOR）、下滑道、指点信标，等等），和/或惯性导航系统数据。

控制定向天线的方法（和用于执行同样功能的系统）可以包括一个或多个操作，包括但是不限于：利用卡尔曼滤波器确定航空器的位置；选择至少一个通信塔以用于空对地通信；计算所述的航空器的位置和至少一个选择的通信塔之间的矢量；和构形航空器的定向天线以对应所述的矢量。

附图说明

通过参考下列附图，本发明的多个目的和优势可以被本领域技术人员更好的理解：

图1表示在存在地对地通信网络节点情况下的空对地通信；

图2表示用于构形空对地定向天线的系统；

图3A和3B表示地对地蜂窝塔；

图4A和图4B表示空对地蜂窝塔；

图5表示横穿通信塔网络的航空器；

图6表示空对地定向天线的配置方法；

图7表示空对地定向天线配置；

图8表示空对地定向天线的配置，和

图9表示空对地定向天线的配置。

具体实施方式

参考图2，航空器100可以利用空对地天线指向系统101，用于优化空对地定向天线102的方向，以收发关于航空器100的方位/位置的空对地信号103（例如，长期演进（LTE）信号、3G信号、5G信号、700mHz频带信号、KU频带信号，等等），以及地面区域105内一个或多个地面通信塔104的位置和/或收发参数。

天线指向系统101可以包括处理装置106，该处理装置106被构形用以接收一个或多个输入、计算用于空对地定向天线102的优化方位，并提供给空对地定向天线102一个或多个输出，指令所述空对地定向天线102沿着所述优化方位收发空对地信号103。

在一个典型实施例中，处理装置106可以接收三维空间内航空器100的位置相关的一个或者多个信号。例如，航空器100可以包括全球定位系统（GPS）接收器107，其被构形用以从一个或者多个GPS卫星108接收GPS信号。GPS接收器107可以计算航空器100的三维位置并提供该位置至处理装置106的位置测定模块109。相似的，航空器100可以包括作为惯性航电网络（例如，以ARINC 429数据总线为基础的航电网络）一部分的低延迟惯性导航系统INS110的增强。INS 110可以计算航空器100的三维位置并提供该位置给处理装置106的位置测定模块109。

在另一典型实施例中，天线指向系统101可以包括发射塔数据库111。发射塔数据库111可以储存数据，该存储数据与一个或多个通信塔104的地理位置（例如，纬度、经度、高度等）相关和与这些通信塔104的射频（RF）收发操作相关的射频（RF）属性（例如，功率、方向、时间变化、波束等级等）。RF属性可用于计算与通信塔104相关的一个或多个三维波束等高线。发射塔数据库111可包括与通信塔104A和通信塔104B相关联的数据，通信塔104A具体被构形用于地对地，但在给定收发参数情况下可支持空对地通信，通信塔104B具体被构形用于空对地通信。例如，如图3A和3B所示，地对地通信塔104A可包括一个或多个天线元件，其在至少部分向下倾斜的方向辐射。进一步，如图4A和4B所示，地对地通信塔104B可包括一个或多个天线元件，其在至少部分向上倾斜的方向辐射。

在参考如图1，装配有空对地数据通信收发器（例如，半双工和/或分裂带、全双工收发器）的航空器100可以横越一个或者多个通信塔104之上的空域。通信塔104传输至不同地面装置（例如，基于蜂窝的设备，如手机、智能手机、平板电脑设备和其它移动网络设备）导致航空器100和通信塔104之在的空对地通信过程中发生蜂窝-边缘干扰。例如，如图1所示，蜂窝-边缘干扰可发生在空对地信号103接触蜂窝边界重叠区域时，该蜂窝边界重叠区域关联有大致相等功率特性的不同通信塔104。

为了解决这个潜在的干扰源，航空器的通信收发器可以包括用于在特定方向指示空对地信号103波束的空对地定向天线102，以便优化通信塔104与航空器的连接性。

图6和接下来的图包括不同操作流程、讨论和说明的例子可提供关于上述图1-5和7-9的示例性环境。然而，应该理解操作流程可以在若干其它环境和背景和/或图1-5和7-9的修改版本中执行。此外，尽管下文说明了不同操作流程，应该理解，不同的操作可以按不同于已被说明或当前执行的顺序命令实施。

进一步，在接下来的图中描述了不同的流程过程，不同操作以盒子内的盒子形式进行描述。这样的描述表明在内盒中的操作包括一个或者多个外盒的操作步骤的一个选择实施例。然而，内盒操作作为区别于任何相关外盒的独立操作是可以被看见的，并且它可以在关于所有其它说明操作的任何序列中执行，或者同时被执行。

图6说明了操作步骤600，该步骤用于目前披露的包括操作602， 604，606和/或608的实践方面。

操作602说明了利用卡尔曼滤波器确定航空器的位置。例如，如图2所示，GPS接收器107和/或INS 110可以提供航空器100的位置的一个或者多个信号指示至位置测定模块109。位置测定模块109可以计算给定时间的航空器100位置。位置测定模块109可以提供航空器100的位置给处理装置106。

在一实施例中，位置测定模块109可以接收GPS接收器107的GPS信号，并根据这些GPS信号计算航空器100的位置。为了提供航空器100位置的更多连续预估，根据状态变量的当时和以前的状态，位置测定模块109利用卡尔曼滤波模块112预估航空器100的当前位置，这些状态变量包括但不限于：GPS数据、航空器动态变量、系统延时、系统噪声、比例因子误差、未对准误差，等等。

在另一个实施例中，位置测定模块109可以接收INS 110的INS信号，并根据这些INS信号计算航空器100的位置。为了提供航空器100位置的更多连续预估，根据状态变量当前和以前的状态，位置测定模块109利用卡尔曼滤波模块112预估航空器100的当前位置，这些状态变量包括，但不限于：INS数据、航空器动态变量、系统延时、系统噪声、比例因子误差、未对准误差，等等。

在另一个实施例中，位置测定模块109可以接收GPS接收器107的GPS信号和INS110的INS信号。位置测定模块109可以各自利用GPS数据和INS数据计算航空器100的位置。特别的，位置测定模块109可以根据GPS数据利用卡尔曼滤波模块112独自预估航空器100的当前位置，然后根据INS数据利用卡尔曼滤波模块112预估航空器100的当前位置。根据这些独自的位置计算，各自独立测定位置可提供相关的结合位置预估。例如，利用GPS数据测定的航空器100的预估位置和利用INS数据测定的航空器100的预估位置的平均值提供联合预估的航空器位置。在另一个实施例中，利用GPS数据测定的航空器100的预估位置和利用INS数据测定的航空器100的预估位置的加权平均值是根据相关的已知操作条件下GPS数据和INS数据的准确值计算得到的。在另一个实施例中，用于GPS数据和INS数据的卡尔曼滤波模块112的输出可以被提供给贝叶斯（Bayesian）建模模块113。贝叶斯建模模块113可以动态计算出利用GPS数据测定的航空器100的预估位置和利用INS数据测定的航空器100的预估位置二者的加权，以提供航空器100位置的优化预估。

操作604说明选择至少一个通信塔用于空对地通信。例如，如图2所示，一旦测定航空器100的位置，处理装置106可查询发射塔数据库111，以确定一个或多个作为空对地通信候选对象的通信塔104。例如，航空器100的空对地定向天线102可具有一已知最佳范围。在远离航空器100已知阈值范围内的通信塔104可以被确定为用于空对地通信的潜在候选对象。

在一个实施例中，处理装置106可以查询发射塔数据库111，并选择最靠近的通信塔104，无论它是地对地通信塔104A，还是空对地通信塔104B。

在另一个实施例中，处理装置106可以查询发射塔数据库111，以确定航空器已知阈值距离范围内（例如，空对地定向天线102的收发范围）的一个或多个通信塔104。一旦识别阈值范围内的一个或多个通信塔104，为了收发关于这些通信塔104的属性数据，处理装置106可以查询发射塔数据库111。具体地，处理装置106可以确定空对地定向天线102收发的信号是否可以与一个或多个蜂窝-边缘干扰相交叉（如图1所示）。一旦确定潜在蜂窝-边缘干扰，处理装置106可以选择一个或多个空对地通信中具有最低级潜在蜂窝-边缘干扰的通信塔104，。

进一步，与这些通信塔104相关的收发属性数据可以包括与通信塔104的功率、质量、频带等相关的数据。基于这些收发属性数据，一个或多个通信塔可以被选择用于空对地通信。进一步，第一通信塔104可更接近并提供高质量链接，但仅用于有限时间段（例如，由于介于阻塞信号的地面信息），而第二通信塔104可以更远，以提供中等质量链接，但可用于较长时间段（例如，由于缺乏地面干扰）。通过平衡这样的质量和时间考量，处理装置106可以选择一个或多个通信塔104以用于空对地通信，考虑到在最长的时间段内，选择为最少系统资源提供最好链接的通信塔104。

例如，如图7所示，发射塔数据库111可以指示在航空器100当前位置和空对地通信塔104B-1之间的区域105-1内缺少通信塔104，以及在航空器100当前位置和通信塔104B-2之间存在多个地对地通信塔104A 。这样，处理装置106可以确定空对地定向天线102的优化方位是指向与等距通信塔104B-2相对的通信塔104B-1，并指令空对地定向天线102收发通信塔104-1方向的信号。

同样的，如图8所示，发射塔数据库111可以指示航空器100当前位置和通信塔104B-5之间的区域105-2范围内缺少通信塔104，以及在航空器100当前位置和第二通信塔104-4之间存在多个通信塔104。这样，处理装置106可以确定空对地定向天线102的优化方位是指向与邻近通信塔104B-2相对的通信塔104B-5， 并指令空对地定向天线102收发通信塔104B-5方向的信号。

更进一步，如图9所示，发射塔数据库111可以指示在航空器100当前位置和通信塔104B-4之间的的区域105-3范围内缺少通信塔104，以及在航空器100当前位置和通信塔104B-3之间存在一个或者多个通信塔104。然而，处理装置106可以确定空对地定向天线的优化方位是指向与一个或多个系统输入（例如，空对地定向天线102禁止向后传输的指向限制）结果的更少阻碍的通信塔104-4相对的通信塔104B-3，并指令空对地定向天线102收发通信塔104B-3方向的信号。

在另一个实施例中，处理装置106可以查询发射塔数据库111，以确定在第一阈值范围内的一个或多个地对地通信塔104A和在第二阈值范围内的一个或多个空对地通信塔104B。由于地对地通信塔104A和空对地通信塔104B的物理结构，与地对地通信塔104A和空对地通信塔104B相关的空对地定向天线102的收发范围可以不同。这样，天线指向系统101可以保持地对地通信塔104A和空对地通信塔104B的塔选择的不同的阈值范围。空对地通信塔104B距离航空器的当前位置远于航空器100距离地对地通信塔104A，但是作为各自塔阈值范围的一部分，可相当程度地减少使它选为空对地通信的更可行候选对象。

作为一具体例子，地对地通信塔104A可以具有10英里的有效范围，而空对地通信塔104B有100英里的有效范围。航空器100可以距离地对地通信塔104A 5英里，距离空对地通信塔104B 30英里。在该例子中，天线指向系统101可选择空对地通信塔104B进行空对地通信，由于空对地通信塔104B与航空器100的距离仅为其阈值范围的30%，而地对地通信塔104A与航空器100的距离为其阈值范围的50%。

操作506表示计算航空器的位置与至少一个选定通信塔之间的矢量。例如，一旦航空器100的预估位置已确定（例如，如上述关于操作502的描述），并且通信塔104已被选定，处理装置106可利用航空器100的位置和通信塔104的一已知位置计算航空器100当前位置与通信塔104之间的一直线矢量。

操作508表示构形航空器的定向天线以对应所述矢量。例如，如图2所示，空对地定向天线102可以是电子可操纵天线（ESA）。ESA可包括一个或多个辐射元件，所述辐射元件可以通过应用至发射的信号的电磁场定向地构形，以在预期方向精确指引信号。处理装置106可以提供可控信号至ESA，指引ESA沿航空器100预估位置与选定通信塔104之间的矢量发射空对地信号103，从而能实现空对地通信。在另一个实施例中，空对地定向天线102可包括针脚阵列、线性单级阵列、偶极阵列、贴片阵列，等等。

本领域技术人员可以认识到该技术状态已发展到系统方面硬件和软件之间实现无区别的程度；硬件或者软件的使用通常是（但不总是，在那些确定内容的硬件和软件之间的选择是比较有代表性的）代表成本和效率权衡的一种设计选择。本领域技术人员通过（例如，硬件，软件，和/或固件）流程和/或系统和/或其它技术描述的实现，以及优选不同于流程和/或系统和/或其它技术部署内容的设备从而意识到存在其它不同的设备。例如，如果一个实施者确定速度和准确性是最重要的，实施者可能选择一个主要的硬件和/或固件设备；或者，如果灵活性是最重要的，实施者可能选择一个主要的软件实现；或者，此外实施者可能选择硬件、软件和/或固件的一些组合。因此，存在几种可能的设备，通过这些设备流程和/或装置和/或其它技术描述可以在此实现，其中没有一个是固定优于其它任何使用的装置，所述任何使用的装置都是基于被部署的装置和实施的具体问题（例如，速度，灵活性或者可预见的）的环境选择，其中的任何一种都可能发生变化。本领域技术人员可以意识到光学方面的实施通常利用光学导向硬件、软件和/或固件。

利用框图、流程图和/或例子，前面的详细描述已经阐明了装置和/或流程的不同实施例。只要这样的框图、流程图和/或例子含有一个或多个功能和/或操作，通过种类繁多的硬件、软件、固件或者任意组合，本领域技术人员可以理解在这样的框图、流程图或者例子中的每个功能和/或操作，独立和/或共同都是可以实现的。在一个实施例中，在此描述的主要问题的几个部分可以通过专用集成电路（ASICs）、现场可编程门阵列（FPGAs）、数字信号处理器（DSPs）或者其它集成形式。然而，本领域技术人员鉴于本文所公开的实施例的某方面，整体或者部分可以在集成电路中等效实现，如运行在一个或者多个计算机（例如，运行在一个或者多个计算机系统上的一个或者多个程序）上的一个或者多个计算机程序，如运行在一个或者多个处理器（运行在一个或者多个微处理器上的一个或者多个程序）上的一个或者多个程序，如固件，或者如任意组合，并且根据本文公开的技术设计电路和/或写软件和/或固件的代码是本领域技术人员可以轻而易举做到的。此外，本领域技术人员认识到本文描述的主题机理分布为不同形式的程序制品，并且本文应用的描述主题的说明实施例，并不是用于实际实施该分布的信号承载介质的特定形式。 信号承载介质包括，但不限于以下：可录制类型介质例如软盘、硬盘驱动器、光盘（CD）、数码视频光盘（DVD）、数字磁带、计算机存储器等，发射型介质例如数字的和/或模拟通信介质（例如，光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等）。

一般意义上，本领域技术人员鉴于本文描述的可以实施的不同方面，独立和/或共同通过种类繁多硬件、软件、固件或者任何组合，组成了不同类型的“电气电路”。结果，本文提到的“电气电路”包括，但是不限于：具有至少一个集成电路的电气电路、具有至少一个应用程序专用集成电路的电气电路、一般用途计算设备计算机程序（例如，通过计算机程序配置一般用途的计算机，所述计算机程序至少部分实施了本文描述的过程和/或装置，或者通过计算机程序配置一个微处理器，所述计算机程序至少部分实施了本文描述的过程和/或装置）、电气电路形成存储装置（例如，随机存取存储器的形成）、和/或电气电路形成通信装置（例如，调制解调器、通信开关、或者光电设备）。本领域技术人员鉴于本文描述的主题可以以模拟或者数字方式或者一些组合方法实施。

本领域技术人员认为以本文提及的方式描述装置和/或流程是常见的，并且据此使用工程实践将此类描述的装置和/或流程集成至数据处理系统。即，本文描述的装置和/或流程的至少一部分可以通过合理数量的实验集成到数据处理系统。本领域技术人员认为典型的数据处理系统一般包括一个或多个系统单元房，视频显示装置，存储器如易失性和非易失性存储器，处理器如微处理器和数字信号处理器，计算实体如操作系统，驱动程序，图像用户界面，和应用程序，一个或多个交互设备，如触摸板或者屏幕，和/或控制系统包括反馈回路和控制电机（例如，遥感定位和/或速度的反馈，用于移动和/或调整组件和/或质量的控制电机）。典型的数据处理系统利用任何适合商业可用的组件均可实现，如那些通常用于数据计算/通信和/或网络计算/通信系统的组件。

当本文描述的主题已经被显示和描述，对于本领域技术人员是显而易见的，基于本文的技术启示，任何变更和修改均不脱离本文所描述的主题和范围，因此，所附的权利要求包括在其范围内，有关的变更和修改均在本文所述主题的实质精神和范围内。进一步，本文由所附权利要求进行限定。

Claims (9)

1.一种优化空对地天线指向的方法，包括：

利用一卡尔曼滤波器确定一航空器的位置；

选择至少一个用于空对地通信的通信塔，所述的选择至少一个用于空对地通信的通信塔进一步包括：

查询一数据库以确定航空器的阈值距离范围内的一个或多个通信塔；

确定空对地定向天线收发的信号是否与所述的一个或多个通信塔相关的潜在蜂窝-边缘干扰的区域相交叉；和

选择所述通信塔中具有最低级潜在蜂窝-边缘干扰的通信塔；

计算所述航空器的位置与至少一个选定的通信塔之间的一矢量；和

配置一航空器的定向天线以对应该矢量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的利用卡尔曼滤波器确定一航空器的位置包括：

接收GPS信号；

根据该GPS信号计算该航空器的位置；和

将一卡尔曼滤波器应用于该GPS信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的利用一卡尔曼滤波器确定一航空器的位置包括：

接收INS信号；

根据该INS信号计算该航空器的位置；和

将一卡尔曼滤波器应用于该INS信号。

4.根据权利要求1的方法，其中，所述的利用一卡尔曼滤波器确定一航空器的位置包括：

接收GPS信号；

将一卡尔曼滤波器应用于该GPS信号，以提供一GPS航空器位置预估；

接收INS信号；

将一卡尔曼滤波器应用于该INS信号，以提供一INS航空器位置预估；

由所述GPS航空器位置预估和所述INS航空器位置预估计算一联合预估的航空器位置。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述的由所述GPS航空器位置预估和所述INS航空器位置预估计算一联合预估的航空器位置包括：

计算第一航空器位置预估和第二航空器位置预估的一平均值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述的计算所述第一航空器位置预估和所述第二航空器位置预估的一平均值包括：

计算所述第一航空器位置预估和所述第二航空器位置预估的一加权平均值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述的计算所述第一航空器位置预估和所述第二航空器位置预估的一加权平均值包括：

将一贝叶斯模型应用至所述第一航空器位置预估和所述第二航空器位置预估以计算所述加权平均值。

8.一种优化空对地天线指向的系统，包括：

用于利用一卡尔曼滤波器确定一航空器位置的装置；

用于选择至少一个用于空对地通信的通信塔的装置，所述的选择至少一个用于空对地通信的通信塔包括：

查询一数据库以确定航空器的阈值距离范围内的一个或多个通信塔；

确定空对地定向天线收发的信号是否与所述的一个或多个通信塔相关的潜在蜂窝-边缘干扰的区域相交叉；和

选择所述通信塔中具有最低级潜在蜂窝-边缘干扰的通信塔；

用于计算所述航空器的位置与至少一个选定的通信塔之间的矢量的装置；和

用于配置一航空器的定向天线以对应所述矢量的装置。

9.根据权利要求8的系统，其中，所述的利用一卡尔曼滤波器确定一航空器的位置包括：

接收GPS信号；

将一卡尔曼滤波器应用于该GPS信号，以提供一GPS航空器位置预估；

接收INS信号；

将一卡尔曼滤波器应用于该INS信号，以提供一INS航空器位置预估；

由所述GPS航空器位置预估和所述INS航空器位置预估计算一联合预估的航空器位置。