CN105515689A - 一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统及方法，指向性设备主要指无线通信领域使用的定向天线。整个系统整合智能终端内置的陀螺仪、重力传感器、GPS等姿态、位置传感器，以及无线链路的控制和检测装置。本发明所提供的方法通过系统中的一系列传感器和控制检测装置获得两端设备的地理坐标以及海拔高度，感知目前的设备状态，包括绝对角度、角度变化、接收信号电平等信息，根据获得值计算出合适的目标方位角和俯仰角，对比并输出修正信息。系统整合多种信息，提升对准精度，解决了非常窄波束天线对准过程中的找准难度大的问题。

Description

一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统及方法

技术领域

本发明涉及指向性设备的对准系统及方法，具体是一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统及方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的发展，无线频谱资源日趋紧张，微波通信已经成为一种趋势。毫米波室外传输设备为增大传输距离，一般采用高增益定向天线，高增益定向天线的波束非常窄。

非常窄波束的定向天线在工程安装过程中会增加天线对准难度，安装距离越远，对准越难，甚至无法找到合适的位置。使用合适的辅助装置进行定位和检测，可以降低对准难度、提高对准精度。

现有的天线对准技术，有人工定位加接收电平检测方式，有定位加云台方式自动对准。这两者均有局限性，前者使用人工方式采集、观测设备状态，对准难度较大、精度较低且费时长；后者自动化程度较高，但是机构复杂、不利于携带、应用场景有限且成本较高。

针对现状，有必要发明新的方法和装置，以改变定向天线等对准时的难度大、精度低、不利于携带等状况。例如专利申请号为201410361053.6，发明名称为一种定向天线全自动对准装置及方法的专利申请，其采用的技术方案无陀螺仪，角度感测使用罗盘等，因地理和周围磁场环境变化所测得角度误差较大，导致系统信号找准角度精度略差；必须使用云台，体积大，不易安装。专利申请号为200810188022.X，发明名称为：一种天线对准方法、系统和装置的专利申请，其采用的技术方案通过建立额外的扫描天线进行信号检测、角度测量和数据通信，所建立的额外扫描天线造成整个系统复杂，适用性差。

发明内容

发明目的：为克服现有的技术存在的不足，提高定向天线对准精度，降低调校难度，便于操作，本发明提出一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统及方法，可以适用于更多范围。

技术方案：一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，包含多种感测能力、通信能力、计算和人机交互能力的智能终端，以及被操作设备内部的接收电平检测并将其输出的处理单元。

所述智能终端安装在被操作设备上，用于被操作设备的地理位置感测、高度感测、方位感测、倾角感测和角度变化感测，被操作设备与智能终端通过数字接口通信，优选WiFi与蓝牙无线连接器，不同智能终端相互间可远距离通信，交换控制信息与采集信息。

所述被操作设备指所需对准天线与无线信号收发设备的总称，其内部应该具备无线电波发送和接收电平检测的处理单元，且所述处理单元的接收与发送可控。

所述智能终端计算出被操作设备角度与偏差位置，并通过人机界面传递给操作员，操作员根据智能终端的提示信息将被调设备调整到相应的位置。

所述智能终端包括卫星定位系统，电子罗盘传感器，重力传感器，以及陀螺仪；卫星定位系统为GPS、GLONASS等卫星定位系统，获得被操作设备天线的经纬度、海拔；智能终端通过电子罗盘传感器获得天线的方位信息，通过重力传感器获得倾角；通过陀螺仪采集角度变化量。以上所获的信息均作为计算和调校反馈参数。

所述智能终端之间优选移动通信网络进行通信。

所述智能终端通过预调整算法计算出被操作设备角度与偏差位置，预调整算法为：

1)智能终端获取需对准双方设备的地理信息、经纬度和高度，所述双方设备指被操作的本地设备和对端设备；

2)以天线为中心建立三维坐标系，其中x轴为经过天线中心的地垂线，z轴经过两设备天线的中心点；

3)根据已有公式，已知经纬度值情况下可以算出两台设备间的水平距离D和对端所在方位角度β；

$\begin{array}{c}D=R\×\frac{\mathrm{\π}}{180}\×\arccos (\\ \cos (90-LatA)\×\cos (90-LatB)+\\ \sin (90-LatB)\×\sin (90-LatA)\×\cos (LongB-LongA)\\ )\end{array}$

$\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{(LongB-LongA)\×cos\left(LatB\right)}{LatB-LatA}\right)$

LongA、LatA：本地设备经度、纬度

LongB、LatB：对端设备经度、纬度

R：地球半径

4)根据距离D与高度差Δh可以计算得到对端所在位置的俯仰角度θ；

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}h}{D}$

5)智能终端获知当前设备指向的方位角与俯仰角，并计算当前设备与对端的方位角差与俯仰角差，Δβ和Δθ。

所述人机界面的提示信息即为预调整算法得出的实时方位角度差Δβ和实时俯仰角度差Δθ；智能终端收到操作员发出的执行角度变动动作指令后，通过陀螺仪、电子罗盘获得设备角度变化信息，并与计算所得偏差角度Δβ和Δθ对比，所得对比结果输出到人机界面，偏差角度归零时提示操作员结束角度变动动作。

所述人机界面指运行于智能终端上的用户操作界面，包括声像提示接口以及控制接口。

预调整完毕后设备基本就位，在波束较窄的情况下，经过预调整的天线因传感器精度不够等因素，天线未达最佳位置，当前端和对端协商进一步精确对准，当前端先进行精确对准，之后对端进行，两者精确对准方法一样。精确对准方法如下：对端切换至无线发射模式，本地切换至接收模式；通过智能终端获取当前设备的处理单元输出的接收信号电平，并变动俯仰与方位角度，绘制误差角度范围内信号强弱与角度变化关系的图谱，根据所绘制的图谱获得信号峰值点以及其所在的角度，通过人机界面告知操作员，操作员根据信号峰值点以及角度信息微调设备可到最佳位置。

所述智能终端提示操作员执行角度变动动作，令天线扫描±5度内的空间；智能终端综合陀螺仪、电子罗盘和重力传感器的参数获得角度信息，并将角度变化信息与取得的相应信号强度相关联，绘制信号强度与角度变化关系的图谱；待水平与垂直方向的关系图谱均绘制完成后，智能终端取出信号峰值点与对应的角度，并提示操作员将设备调整至该角度；待天线角度与目标角度重合，智能终端提示调整完成。

当前端的智能终端完成精确对准操作之后通过人机交互界面提示操作员进行对端的精确对准操作，操作员发出指令后，通过对端的智能终端获取对端设备的处理单元输出的接收信号电平，并变动角度，绘制误差角度范围内信号强弱与角度变化关系的图谱，根据所绘制的图谱获得信号峰值点以及其所在的角度，通过人机界面告知操作员，操作员根据信号峰值点以及角度信息微调设备可到最佳位置。

智能移动终端辅助定向天线方向调校的方法，包括如下步骤：

1)获得被操作设备天线的经纬度、海拔、方位、倾角和角度变化量信息，并根据所述预调整算法计算当前设备与对端的方位角差与俯仰角差，Δβ和Δθ；

2)将当前设备与对端的方位角差Δβ与俯仰角差Δθ，反馈给操作员，同时提示操作员执行当前设备的角度变动动作；

3)接收到角度变动动作指令后，获取设备俯仰与方位角度变化信息，并与计算所得的方位角差Δβ与俯仰角差Δθ进行对比，同时将所得对比结果反馈给操作员，偏差角度归零时提示操作员结束角度变动动作；

4)等待两端均完成预调整的角度变动动作后，进行精确对准操作某一端先执行调整动作，先执行的称作本地，另外一端为对端；

5)对端切换至无线发射模式，本地切换至接收模式；

6)提示操作员执行角度变动动作，令天线扫描误差角度内所有范围；

7)获得俯仰与方位角度信息，并将角度变化信息与取得的相应信号强度相关联，绘制信号强度与角度变化关系的图谱；

8)待水平与垂直方向的关系图谱均绘制完成后，取出信号峰值点与对应的角度，并提示操作员将设备调整至该角度；

9)待天线角度与目标角度重合，智能终端提示调整完成。

当前端进行精确对准操作之后发出操作完成指令，对端的进行精确对准操作，其操作顺序与当前端一致，在对端进行精确对准操作时，本地切换至无线发射模式，对端切换至接收模式。

上述操作员的操作方式，包括但不限于手动结构调整、云台自动调整，具体方式可根据实际安装环境灵活选择。

有益效果：与现有技术相比，本发明具备如下优势，两步处理方式完成调校，对准精度高，方向角度误差可以控制在0.1度范围内；所述传感、通信模块均可集成在智能终端中，设备间连接简单，除固定架外无其他结构件，整体体积小方便携带，可适用与较多场景。

附图说明

图1为系统智能终端、无线收发器及天线设备的组合示意图；

图2为数据计算三维坐标参考系示意图，x轴为经过天线中心的地垂线，z轴经过A、B设备天线的中心点；

图3为设备在三维坐标中位置示意图，设备A为本地设备，B为远端设备；

图4为坐标系中的剖面示意图，水平方向与垂直方向剖面基本相同；

图5为坐标系中各个距离、长度、角度参数示意图，L天线直径，D设备间水平距离，L1对端设备处波束散开直径，α波束角度；

图6为俯仰偏转角θ说明图，俯仰偏转角是AB设备连线与中轴线z轴的夹角投射在xy平面上的角度；

图7为方位偏转角β说明图，方位偏转角是z轴投射在水平面上的矢量所指向的方向角；

图8为设备精确对准状态波束覆盖的示意图；

图9为在坐标系中偏转角度计算原理示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，包含多种感测能力、通信能力、计算和人机交互能力的智能终端，以及被操作设备内部的接收电平检测并将其输出的处理单元。具备上述传感器的智能终端包括但不限于智能手机、平板电脑等个人智能终端。下面以常用的智能手机为例描述实施方法。

通过支架将智能终端固定到天线后部的支架上，智能终端与被调设备(天线设备)之间通过无线连接器通信，当前端和远端天线的智能终端通过移动通信网络进行互相通信。

智能终端计算出天线角度与偏差位置，并通过人机界面传递给操作员，操作员根据智能终端的提示信息将被调设备调整到相应的位置。

智能终端包括卫星定位系统，电子罗盘传感器，重力传感器，以及陀螺仪；卫星定位系统为GPS、GLONASS等卫星定位系统，获得被操作设备天线的经纬度、海拔；智能终端通过电子罗盘传感器获得天线的方位信息，通过重力传感器获得倾角；通过陀螺仪采集角度变化量。以上所获的信息均作为计算和调校反馈参数。

完成环境架设后启动对准流程，智能终端将会根据技术方案中预定义的方法和流程辅助完成整个过程，具体步骤如下：

1)启动智能终端卫星定位传感器，获取当前端经纬度、海拔高度；

2)获取远端经纬度以及海拔信息；

3)计算远端所在的方位角度俯仰角度；获取本地方位角度与俯仰角度，计算两者误差；即：

以天线为中心建立如图2和图3所示三维坐标系，其中x轴为经过天线中心的地垂线，z轴经过两设备天线的中心点；为了便于区别，两设备分别用A和B表示；根据已有公式，已知经纬度值情况下可以算出两台设备间的水平距离D和对端所在方位角度β；

$\begin{array}{c}D=R\×\frac{\mathrm{\π}}{180}\×\arccos (\\ \cos (90-LatA)\×\cos (90-LatB)+\\ \sin (90-LatB)\×\sin (90-LatA)\×\cos (LongB-LongA)\\ )\end{array}$

$\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{(LongB-LongA)\×cos\left(LatB\right)}{LatB-LatA}\right)$

LongA、LatA：A设备经度、纬度

LongB、LatB：B设备经度、纬度

R：地球半径

根据距离D与高度差Δh可以计算得到对端所在位置的俯仰角度θ；坐标如图9所示。

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}h}{D}$

智能终端获知当前设备指向的方位角与俯仰角，并计算当前设备与对端的方位角差与俯仰角差，并将方位角度差Δβ和俯仰角度差Δθ通过人机界面反馈给操作员。

智能终端收到操作员发出的执行角度变动动作指令后，通过陀螺仪、电子罗盘获得设备角度变化信息，调整设备，直至设备角度与计算值重合，即两设备偏差角度归零；提示操作员结束角度变动动作。

当前端和对端协商进一步精确对准，当前端先进行精确对准，之后对端进行，两者精确对准方法一样。

精确对准方法如下：对端切换至无线发射模式，本地切换至接收电平检测模式；

a)通过智能终端获取当前设备的处理单元输出的接收信号电平，并变动俯仰与方位角度，令天线扫描误±5度内的空间，绘制误差角度范围内角度变化和对应的电平值图谱，直到所有误差角度范围均扫描完毕，根据所绘制的图谱获得信号峰值点以及其所在的角度，通过人机界面告知操作员，操作员根据信号峰值点以及角度信息微调设备可到最佳位置。

至此，本端调整完毕，通知对端切换为接收电平检测模式，并将本端设置为无线发射模式，在对端重复步骤a)，即可完成设备调整。

智能移动终端辅助定向天线方向调校的方法，包括如下步骤：

1)获得被操作设备天线的经纬度、海拔、方位、倾角和角度变化量信息，并根据所述预调整算法计算当前设备与对端的方位角差与俯仰角差，Δβ和Δθ，计算方法已在上文描述，不在赘述；

2)将当前设备与对端的方位角差Δβ与俯仰角差Δθ，反馈给操作员，同时提示操作员执行角度变动动作；

3)接收到角度变动动作指令后，获取设备角度变化信息，并与计算所得的方位角差Δβ与俯仰角差Δθ进行对比，同时将所得对比结果反馈给操作员，偏差角度归零时提示操作员结束角度变动动作；

4)等待两端均完成预调整的角度变动动作后，协商精确对准操作顺序，某一端先执行调整动作，先执行的称作本地，另外一端为对端；

5)对端切换至无线发射模式，本地切换至接收模式，接收电平检测；

6)提示操作员执行角度变动动作，令天线扫描±5度内的空间；

7)获得俯仰与方位角度信息，并将角度变化信息与取得的相应信号强度相关联，绘制信号强度与角度变化关系的图谱，直到所有误差角度范围均扫描完毕；

8)待水平与垂直方向的关系图谱均绘制完成后，取出信号峰值点与对应的角度，并提示操作员将设备调整至该角度；

9)待天线角度与目标角度重合，智能终端提示调整完成。

当前端进行精确对准操作之后发出操作完成指令，对端的进行精确对准操作，其操作顺序与当前端一致，在对端进行精确对准操作时，本地切换至无线发射模式，对端切换至接收模式，重复步骤(6-(9。

上述操作员的操作方式，包括但不限于手动结构调整、云台自动调整，具体方式可根据实际安装环境灵活选择。

Claims (9)

1.一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，其特征在于，包含多种感测能力、通信能力、计算和人机交互能力的智能终端，以及被操作设备内部的接收电平检测并将其输出的处理单元；所述智能终端安装在被操作设备上，用于被操作设备的地理位置感测、高度感测、方位感测、倾角感测和角度变化感测，被操作设备与智能终端通过数字接口通信，不同智能终端相互间远距离通信，交换控制信息与采集信息。

2.如权利要求1所述的智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，其特征在于，所述被操作设备指所需对准天线与无线信号收发设备的总称；

所述智能终端计算出被操作设备角度与偏差位置，并通过人机界面传递给操作员，操作员根据智能终端的提示信息将被调设备调整到相应的位置。

3.如权利要求1所述的智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，其特征在于，所述智能终端包括卫星定位系统，电子罗盘传感器，重力传感器，以及陀螺仪；卫星定位系统为GPS、GLONASS等卫星定位系统，获得被操作设备天线的经纬度、海拔；智能终端通过电子罗盘传感器获得天线的方位信息，通过重力传感器获得倾角；通过陀螺仪采集角度变化量；所述智能终端之间通过移动通信网络进行通信。

4.如权利要求2所述的智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，其特征在于，所述智能终端通过预调整算法计算出被操作设备角度与偏差位置，预调整算法为：

1)智能终端获取需对准双方设备的地理信息、经纬度和高度，所述双方设备指被操作的本地设备和对端设备；

2)以天线为中心建立三维坐标系，其中x轴为经过天线中心的地垂线，z轴经过两设备天线的中心点；

3)根据已有公式，已知经纬度值情况下可以算出两台设备间的水平距离D和对端所在方位角度β；

$\begin{array}{c}D=R\×\frac{\mathrm{\π}}{180}\×\arccos (\\ \cos (90-LatA)\×\cos (90-LatB)+\\ \sin (90-LatB)\×\sin (90-LatA)\×\cos (LongB-LongA)\\ )\end{array}$

$\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{(LongB-LongA)\×cos\left(LatB\right)}{LatB-LatA}\right)$

LongA、LatA：本地设备经度、纬度

LongB、LatB：对端设备经度、纬度

R：地球半径

4)根据距离D与高度差Δh可以计算得到对端所在位置的俯仰角度θ；

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}h}{D}$

5)智能终端获知当前设备指向的方位角与俯仰角，并计算当前设备与对端的方位角差与俯仰角差，Δβ和Δθ。

5.如权利要求4所述的智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，其特征在于，所述人机界面的提示信息即为预调整算法得出的实时方位角度差Δβ和实时俯仰角度差Δθ；智能终端收到操作员发出的执行角度变动动作指令后，通过陀螺仪、电子罗盘获得设备角度变化信息，并与计算所得偏差角度对比，所得对比结果输出到人机界面，偏差角度归零时提示操作员结束角度变动动作。

6.如权利要求4所述的智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，其特征在于，预调整完毕后，当前端和对端协商进一步精确对准，当前端先进行精确对准，之后对端进行，两者精确对准方法一样；精确对准方法如下：对端切换至无线发射模式，本地切换至接收模式；通过智能终端获取当前设备的处理单元输出的接收信号电平，并变动角度，绘制误差角度范围内信号强弱与角度变化关系的图谱，根据所绘制的图谱获得信号峰值点以及其所在的角度，通过人机界面告知操作员，操作员根据信号峰值点以及角度信息微调设备可到最佳位置。

7.如权利要求6所述的智能移动终端辅助定向天线方向调校的系统，所述智能终端提示操作员执行角度变动动作，令天线扫描±5度内的空间；智能终端综合陀螺仪、电子罗盘和加速度传感器的参数获得角度信息，并将角度变化信息与取得的相应信号强度相关联，绘制信号强度与角度变化关系的图谱；待水平与垂直方向的关系图谱均绘制完成后，智能终端取出信号峰值点与对应的角度，并提示操作员将设备调整至该角度；待天线角度与目标角度重合，智能终端提示调整完成；

当前端的智能终端完成精确对准操作之后通过人机交互界面提示操作员进行对端的精确对准操作，操作员发出指令后，通过对端的智能终端获取对端设备处理单元输出的接收信号电平，并变动角度，绘制误差角度范围内信号强弱与角度变化关系的图谱，根据所绘制的图谱获得信号峰值点以及其所在的角度，通过人机界面告知操作员，操作员根据信号峰值点以及角度信息微调设备可到最佳位置。

8.一种智能移动终端辅助定向天线方向调校的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获得被操作设备天线的经纬度、海拔、方位、倾角和角度变化量信息，并根据所述预调整算法计算当前设备与对端的方位角差与俯仰角差，Δβ和Δθ；

2)将当前设备与对端的方位角差Δβ与俯仰角差Δθ，反馈给操作员，同时提示操作员执行角度变动动作；

3)接收到角度变动动作指令后，获取设备角度变化信息，并与计算所得的方位角差Δβ与俯仰角差Δθ进行对比，同时将所得对比结果反馈给操作员，偏差角度归零时提示操作员结束角度变动动作；

4)等待两端均完成预调整的角度变动动作后，协商精确对准操作顺序，某一端先执行调整动作，先执行的称作本地，另外一端为对端；

5)对端切换至无线发射模式，本地切换至接收模式；

6)提示操作员执行角度变动动作，令天线扫描误差角度内所有范围；

7)获得角度信息，并将角度变化信息与取得的相应信号强度相关联，绘制信号强度与角度变化关系的图谱；

8)待水平与垂直方向的关系图谱均绘制完成后，取出信号峰值点与对应的角度，并提示操作员将设备调整至该角度；

9)待天线角度与目标角度重合，智能终端提示调整完成。

9.如权利要求8所述的智能移动终端辅助定向天线方向调校的方法，其特征在于，当前端进行精确对准操作之后发出操作完成指令，对端的进行精确对准操作，其操作与当前端一致，在对端进行精确对准操作时，本地切换至无线发射模式，对端切换至接收模式。