CN106464342A - 经由无人机/uav平台的宽带接入系统 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了用于提供利用空中平台的网络例如无人机/UAV/气球宽带互联网接入到家庭和企业的系统和方法。无人机通信系统包括天线子系统、无线电子系统和数据切换子系统。无人机形成波束并将波束朝向空分多址接入方案中不同区域中的地面终端定位。地面终端包括天线子系统和无线电子系统。地面终端寻找从其接收最强信号的无人机。无人机和地面终端包括校正接收和传送天线元件的方法和系统。无人机无线电子系统保持追踪无人机的位置和定向改变，并相应地调整无人机的天线波束以在无人机移动时定位到地面上相同的位置。基于无人机位置和定向的改变，无人机无线电子系统可切换用于朝向特定地面终端形成波束的天线孔和/或天线固定装置。无人机使用空分多址方案和时分多址方案与终端通信。

Description

经由无人机/UAV平台的宽带接入系统
交叉引用
本申请要求于2014年5月21日提交的名为“经由无人机/UAV平台的宽带接入系统”的美国申请第14/284,375号的优先权，该申请要求于2014年2月17日提交的名为“经由无人机/UAV平台的宽带接入系统”的第61/940,805号美国临时专利申请和于2014年3月24日提交的名为“经由无人机/UAV平台的宽带接入系统”的第14/223,705号美国专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开描述了用于将空中平台比如无人机(drone)、UABV、气球、飞艇、无人直升机(robocopters)用作平台以在不同种类的终端间中继互联网流量的宽带互联网接入系统的多个方面。
背景技术
多年来随着互联网流量的增长，需要新技术来实现以较低成本的宽带接入家庭和企业以及尚未覆盖的地方。目前宽带传送系统的示例包括地面有线网络比如双绞线上的DSL(数字用户线路)、光纤传送系统比如Verizon的FiOS(光纤服务)以及比如由ViaSat和Hughes网络运营的地球同步轨道卫星系统。目前的宽带接入系统有许多缺点。问题之一是缺少在偏远和人烟稀少地区的服务。地球同步轨道卫星确实在发达国家的偏远地区提供服务，比如美国。但世界上的贫困地区比如非洲还缺少足够的卫星容量。
在世界上的贫困区域未充分提供卫星容量的显著原因之一就是卫星系统相对较高的成本。由于卫星轨道中不利的大气影响，卫星硬件必须是空间级别的且十分昂贵。将卫星送入轨道的运载火箭也很昂贵。而且，由于卫星的发射风险和高昂成本，给卫星和发射投保的成本也很可观。因此，宽带卫星系统和服务相对比较昂贵且难以用于世界贫困地区。在人烟稀少地区部署地面系统比如光纤或微波链路也很昂贵。低用户密度无法证明部署成本的合理性。
发明内容
本公开描述了用于在地面终端与一个或多个无人机的网络之间的宽带无线接入通信的系统。该系统包括位于每个无人机上的至少一个天线固定装置，其能够生成朝向地面的至少一个波束，从而形成朝向位于地面广泛区域中的终端以及朝向网络中其他无人机的波束。系统还包括位于每个无人机上的至少一个无线电子系统，该子系统具有用于解调并解码从地面终端接收的信号的接收器以及具有发射器，发射器用于调制数据并将调制的信号通过至少一个无人机天线传送至地面终端、向地面终端发送至少一个导频信号并控制及配置无人机天线以形成特定方向的波束。系统还包括至少一个无人机切换子系统，以将在无人机处从一组地面终端接收的数据切换至另一组地面终端。
此外，系统具有位于地面终端处的天线子系统和位于地面终端处的无线电子系统，天线子系统能够将波束朝向特定无人机定位，无线电子系统具有用于解调并解码从无人机接收的信号的接收器以及具有发射器，发射器用于调制地面终端数据并将信号通过地面终端天线传送至无人机、向无人机发送至少一个导频信号并控制及配置地面终端天线以形成特定方向的波束。
本公开描述了包含多个天线孔的无人机天线固定装置，每个天线孔定位为覆盖不同区域。系统包括检测无人机的位置、翻滚、俯仰、偏航定向的改变以及指示天线固定装置相应地操控无人机波束定位至地面的相同位置，并且检测无人机的位置或定向是否已足够移动以使定位至地面上的给定位置的天线固定装置或天线孔可切换/改变至不同的天线固定装置或相同天线固定装置的不同天线孔。位于每个无人机上的至少一个天线固定装置放置为能够操控波束朝向网络中至少一个其他无人机。
本公开的其他方面描述了一种地面终端天线，其天线孔安装在能够以方位角和仰角方向移动孔以将天线大致定位朝向无人机的结构上；天线孔具有带电子束的元件，其能够形成方位角和仰角以精细地将波束朝向无人机定位。可选的地面终端天线由至少两个天线孔构成，其中至少一个孔朝向低仰角定位，至少第二个孔朝向高仰角定位；天线孔安装在仅以方位角方向转动的结构上，每个天线孔能够形成方位角和仰角以精细地将波束朝向无人机定位的每个天线孔。地面终端天线孔具有仅在仰角电操控波束的元件，方位角波束操控仅通过孔的机械转动来实现。在本公开的另一方面，地面终端天线孔不能操控电波束，方位角和仰角的波束操控通过将孔以方位角和仰角轴线朝向无人机机械转动而实现。
地面终端天线固定装置的另一方面包括具有多个天线孔的单个天线固定装置，其中每个孔面对方位角或仰角的不同方向，地面终端无线电子系统选择从无人机接收最强导频信号的孔。
本公开的另一方面描述了用于储存较接近地面终端的无人机列表的方法和系统，该列表称为无人机邻居列表，根据无人机的导频强度，储存无人机的位置，并将地面终端天线朝向无人机邻居列表上的无人机定位。地面终端检测来自无人机的导频信号，评估导频信号质量，并将所测量的信号质量与配置值相比较以确定所有无人机中特定无人机是否提供最高的信号质量。在本公开的另一方面，描述了用于地面终端将终端周围空间划分为角锥并寻找用于无人机导频的每个角锥的系统和方法。终端选择具有最强无人机导频的角锥和相应的无人机作为最佳无人机。
此外，地面终端发送消息至无人机以登记无人机网络，发送地面终端的位置信息和其他配置参数至无人机，并且将地面终端旨在与其通信的无人机的标识通知网络。
本公开的另一方面描述了用于形成多个无人机波束以覆盖无人机足迹的方法和系统，用于将无人机的足迹划分为一组固定的连续虚拟无人机波束、在一个时间间隔中基于地面终端的位置开启多个虚拟无人机波束并关闭剩余虚拟波束、并改变在不同的时间间隔中开启的波束组的方法和系统。系统的另一方面包括用于形成具有可调整波束中心的多个非重叠无人机波束的方法和系统。
该系统描述了这样的方法和系统，其用于无人机天线通过一个无人机天线固定装置的一个天线孔朝向参考地面终端传送导频信号，用于地面终端测量从无人机接收的导频信号的至少一个信号质量度量，并将测量的无人机导频信号质量发送至无人机，以及用于无人机使用从地面终端接收的导频信号质量测量更新传送天线元件的系数以优化地面终端从无人机接收的导频信号的至少一个信号质量度量。
本公开的另一方面描述了这样的方法和系统，其用于无人机天线朝向参考地面终端一次一个元件地传送天线孔的每个元件上的导频信号，用于地面终端测量从无人机接收的导频信号的振幅和相位，并将所测量的无人机导频信号振幅和相位发送至无人机，以及用于无人机使用从地面终端接收的振幅和相位信息以校正传送天线元件。此外，系统具有位于无人机处的接收器以从地面终端接收信号，并测量所接收信号的至少一个信号质量度量，以及用于能够基于优化准则更新接收天线元件系数。
该系统还从用于校正地面终端的传送和接收天线元件(如描述无人机天线子系统校正那样)的相同方法和系统获益。这些方法和系统与用于无人机天线校正的方法和系统相同，但是其中地面终端和无人机的角色互换。
本公开描述了用于在地面终端与一个或多个无人机的网络之间提供宽带无线接入通信的方法。该方法包括使用每个无人机的至少一个天线固定装置生成朝向地面的至少一个波束，动态形成并操控波束朝向位于地面的广泛区域中的特定终端并朝向网络中其他无人机。该方法还包括发送至少一个导频信号至地面终端，并控制及配置无人机天线以特定方向操控波束。
此外，系统包括使用地面终端处的天线子系统朝向特定无人机动态定位波束的方法，用于使用地面终端处的无线电子系统解调并解码从无人机接收的信号，用于调制地面终端数据并将信号通过地面终端天线传送至无人机，用于发送至少一个导频信号至无人机，以及控制和配置地面终端天线以在特定方向操控其波束。
系统包括这样的方法，其用于检测无人机的位置、翻滚、俯仰、偏航定向的改变以及指示天线固定装置相应地操控无人机波束定位至地面的相同位置，并且检测无人机的位置或定向是否已足够移动以使定位至地面上的给定位置的天线固定装置或天线孔可切换/改变至不同的天线固定装置或相同天线固定装置的不同天线孔。
本公开的其他方面描述了这样的方法，其用于以方位角和仰角方向机械移动地面终端的孔以使用可移动终端天线孔的地面终端结构将天线大致朝向无人机定位；以及用于以方位角和仰角形成电波束以使用天线孔的元件精细地将波束朝向无人机定位的方法。本公开可选的方面包括用于将一个地面终端天线孔朝向低仰角定位，将至少第二个孔朝向高仰角定位的方法，以使用安装有孔的结构以方位角方向机械转动至少两个天线孔，并用于电波束以方位角和仰角形成从而精细地将波束朝向无人机定位。本公开的另一方面包括用于以方位角和仰角机械操控地面终端天线孔的波束而没有任何电波束形成的方法。本公开的另一方面包括用于确定覆盖不同方位角和仰角的地面终端天线的另一方面的多个天线孔中哪一个具有向无人机最高增益，并将地面终端发射器和接收器切换至所选的孔。
附图说明
附图连同详细描述有助于阐明本公开的特征和优点。在图中，相似的部件使用相同的参考标记来加以标识。一幅图中相同部件的多个示例通过在参考标记后插入破折号或添加第二参考标记来加以区分。
图1是使用无人机作为平台的宽带互联网接入系统的框图。
图2示出了地面终端天线固定装置的不同方面。
图3示出了无人机天线固定装置的示意图。
图4是基于示出无人机的多天线固定装置方面的宽带互联网接入系统的无人机的框图。
图5示出了管理遍及无人机足迹覆盖区域之上的无人机波束的一个方面。
图6示出了由地面终端用来寻找其接收最强信号的无人机的过程。
图7示出了用于校正无人机天线子系统的设备。
图8示出了校正无人机的接收天线元件的过程。
图9示出了根据本公开的一个方面的校正无人机的传送天线元件的过程。
图10示出了根据本公开的一个方面校正无人的传送天线元件的过程。
具体实施方式
图示和下文以及用于描述本发明原理的各个实施方式仅作为示例说明而不理解为以任何方式限制本发明的范围。本领域专业技术人员(PHOSITA)会很容易地认识到，本发明的原理可在任何类型的适当布置的装置或系统中实施。特别地，当关于在地面终端和其中的网络之间的宽带无线接入通信的使用描述本发明时，PHOSITA会很容易地认识到其他类型的网络和其他应用而不背离本发明的范围。
在更详细地描述本发明之前，要理解的是，发明不限于描述的特定实施方式，当然就其本身而言可相应变化。还要理解的是，本文中所用术语只是为了描述特定实施方式，而不是想要限定，因为本发明的范围只会通过所附权利要求来限定。
对于所提供的值的范围，应理解，在该范围上限和下限之间的每个中间值，除非上下文另有指明否则至下限单位的第十个，和在该规定范围中任何其他规定的或介于其中的值都包含在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立包括在较小范围内，同样包含在本发明内，复合规定范围中任何特别排除的界限。在规定范围包括一个或两个界限时，排除那些包括的一个或两个界限的范围同样包含在本发明内。
除非另有定义，本文中所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的PHOSITA通常所理解的相同的含义。虽然与本文中所描述的那些相似或相同的任何方法和材料也能够用于实践和检验本发明，但在本文中仅描述了有限数量的示例性方法和材料。
必须注意的是，当在本文中和所附权利要求中使用时，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“一个(the)”包括复数的所指对象，除非上下文另有指明。
本文提及的所有公开文本都通过引用并入本文以公开和描述与所引用的公开文本有关的方法和/或材料。本文中讨论的公开文本仅为其先于本申请提交日期的公开而提供。本文中没有任何内容会被理解为承认本发明无资格凭借先前的发明而先于这样的公开文本。而且，所提供的公开文本日期可能不同于实际公开文本日期，这可能需要单独确认。
鉴于在花费和接入偏远、贫困或其他服务不及地区这两方面的挑战和障碍，存在着改进宽带接入的需要。因此，需要具有低得多的硬件成本、具有低得多的发射/部署成本并且更易于扩展的系统。
近来，无人机(drone)，又名UAV，广泛用于军事以及一些科学应用，比如气象信息收集。无人机/UAV的商业应用包括包裹递送系统、视频采集系统和用于通信的平台。本公开描述了使用无人机/UAV作为通信平台而优化的通信系统设计。因为无人机/UAV在比卫星低得多的高度飞行，无人机系统不需要卫星系统昂贵的空间资格。无人机/UAV也不需要昂贵的发射系统。因为无人机/UAV硬件成本相比于卫星较小且发射风险小，因此不需要或较少需要昂贵的保险。因此，本公开的原理提供了基于高性能无人机/UAV的宽带通信系统。就其本身而言，无人机/UAV硬件相对较低的成本和运行成本及其高性能促使了低成本的宽带传送系统。
因此，在一个实施方式中，UVA即无人机。贯穿整个说明书，无人机或UAV可互换使用，除非上下文就一般术语、UAV或更专用的术语drone而另有指明。在其他实施方式中，UAV包括由水平旋翼推动的无人直升机。本公开的实施方式可能应用的其他空中平台有气球、小型飞船和飞艇。无人机/UAV可包括推进系统、燃料系统以及机载航行和控制系统。在一个示例性实施方式中，无人机包括与推进器组合的固定翼机身等。UAV可随机携带燃料或使用太阳能运行。在本公开的其余部分我们使用术语空中平台和无人机指任何上述平台，比如无人机、UAV、气球、小型飞船、飞艇等等。
无人机/UAV超越卫星系统的另一优点是无人机/UAV系统的低延迟。例如，地面轨道同步卫星具有从地面到卫星再返回地面的约0.5秒的往返延迟，这显著影响了需要低往返延迟的服务质量。即使是高空无人机/UAV，在25千米的高度，到地面上距无人机约300千米的终端会有约2msec的往返延迟。基于无人机/UAV的系统允许如地面宽带接入系统一般的实时质量。
无人机的另一主要优点是其能够在300km或更小半径的区域中一次部署一个并立即向无人机的足迹提供服务。反之，卫星系统在可提供服务前需要覆盖大范围区域，比如在地球同步轨道卫星系统情况下的CONUS(美国大陆)很大一部分，或在LEO(近地轨道)卫星系统情况下的地球大部分地区。因此，基于无人机的系统规模恰好为能够发送一个无人机并在其足迹中开始服务，测试服务的市场接受度，然后在需要服务的区域发送更多的无人机。人们能够在仅对服务有高需求的国家的区域中部署无人机。
在不同子系统的描述中，一般子系统的标记后跟后缀-j，j是指示系统子系统的不同事件的整数。例如，110-j是指第j个无人机，图1示出了无人机的两个事件，对于j＝1的110-1和对于j＝2的110-2。每个无人机110-j具有无人机无线电子系统112-j和至少一个无人机天线子系统114-j。无人机无线电子系统112-j由4个子系统组成：对来自天线子系统114-j的信号解调和解码的接收器318-j；发射器子系统316-j调制从处理器314-J接收的数据并通过天线子系统114-j发送生成的信号；处理器子系统314-j执行的职能诸如配置接收器318-j和发射器316-j子系统，处理从接收器318-j子系统接收的数据，确定数据通过发射器子系统316-j传送，以及控制天线子系统114-j；存储器子系统312-j包含程序代码和配置，以及由处理器318-j存取的系统参数信息。每个无人机还具有无人机转换子系统116-j。转换子系统116-j可在无人机的足迹中将从一个GT接收的数据路由至另一GT，比如在无人机110-2的足迹中从GT 120-1至GT 120-2，如果两个GT互相发送数据的话。如果GT的数据指定给互联网，则无人机转换系统从GT路由数据至GTW，GTW路由数据至互联网。例如，图2中GT120-3发送其数据至无人机110-2，无人机110-2转发数据至GTW 130-1，GTW 130-1依次发送数据至互联网132。
根据无人机的高度，每个无人机或UAV可覆盖地面上几公里大小到至少200km或400km甚至更大的半径的区域。无人机与至少两种地面终端通信：一种是用户地面终端(GT)120-j，比如家庭或企业终端提供互联网连通性给家庭或企业；第二种是我们所指的连接至互联网的互联网网关(GTW)130-j。GT使用无人机作为媒介来传送并接收来自互联网的数据。无人机的无线电子系统聚合从至少两个GT接收的流量并可聚合从所有GT接收的流量并通过GTW之一发送聚合数据至互联网。因此，GTW需要提供比GT提供的更高的无人机的接收/发送数据速率。这意味着GTW天线子系统的天线增益需要大于GT的天线增益，并且GTW发射器需要以比GT功率更高的功率来传送。当所讨论的设计问题应用于GT和GTW两者时，地面终端(GT)指的是系统描述中的两种终端。当问题专门应用于GT或GTW时，就使用相应的术语。
类似于无人机系统，GT 120-j具有两个主要的子系统，地面终端无线电子系统122-j和地面终端天线子系统124-j。GT无线电子系统122-j由4个子系统组成：对来自无人机天线子系统的信号解调和解码的接收器418-j；发射器子系统416-j调制数据并通过天线子系统124-j发送生成的信号；处理器子系统414-j执行的职能诸如配置接收器418-j和发射器416-j子系统，处理从接收器418-j子系统接收的数据，确定数据通过发射器子系统416-j传送，以及控制天线子系统124-j；存储器子系统412-j包含程序代码和配置数据，以及由处理器418-j存取的系统参数信息。
在一个实施方式中，无人机和GT天线具有高天线增益以达到高系统能力。而且，装置将无人机和GT天线精准地指向彼此以使来自传送和接收天线的组合增益最大化。GT天线子系统可具有高天线增益以使无人机和GT之间的数据速率/容量最大化，这意味着天线会高度定向。因此，天线可能能够操控其波束要么电子地要么机械地指向不同的无人机以找出GT从其接收最强信号的无人机，下文中被称为“最佳”无人机。如果GT天线子系统波束不可自动操控，则在安装时技术人员可小心地将GT天线子系统波束指向“最佳”无人机，这是个耗时且昂贵的过程。如果GT天线子系统自身操控其波束以找出最佳无人机，GT天线子系统部署会更快且成本更低。此外，如果无人机改变其在天空中的位置，比如当更多的无人机加入网络以增加容量时，对于GT天线子系统来说操控其波束自动朝向新的无人机位置或找出新的最佳无人机是非常可取的。如果希望系统以2°大小的低仰角支持GT，则有可能GT和其最佳无人机之间的路径将由于新结构而在之后的时间被阻塞。如果那样，能够自动(电子地或机械地)操控其波束并确定新的最佳无人机的GT天线子系统系统将不需要技术人员访问GT现场以调整GT天线子系统波束。
GT位于与无人机的360°方位角相关的任何地方。而且，从无人机到GT的距离能够从几千米，即从GT到无人机接近90°的高仰角，到远达300km或更远，即从GT到无人机仰角2°或更小。因此，GT天线子系统需要在关于无人机的仰角及方位角上操控其波束。我们先来描述提供要求朝向无人机的波束的GT天线子系统的孔。
在图2A中所示的GT天线设计的一个方面中，图2A的天线孔126呈矩形，其会选取导致期望增益的尺寸。天线孔可具有不同的形状因子，比如圆形。然而，优先选择孔尺寸来达到要求的增益。天线孔126包含天线元件125-j。天线元件125-j能够在孔上二维构造，并能够适当组合以在方位角及仰角上操控波束。可能的天线元件结构有块、角、槽结构、CTS(连续横向短线)、异向介质及其他介质材料。天线元件125-j和波束操控技术允许将波束在仰角上指向某范围内，比如45°，这取决于孔的尺寸。在方位角上，在限定的角度范围内能够操控波束，比如在60°以内，这取决于孔的尺寸。如图2A所示，天线孔126可在方位角上绕结构142而在仰角上绕结构144旋转。在方位角和仰角上的机械操控用于近似地将天线孔126指向无人机110-j。朝向无人机110-j更精确的波束操控在方位角和仰角上通过电子波束成形来实现。在图2A中，为了能够以较低仰角在给定范围内电子地操控波束，天线孔126仅在承托结构上稍向上倾斜。为了覆盖更高的仰角，孔126可机械地再向上倾斜以允许在更高仰角处的电子波束操控。
在GT天线设计的另一方面中，图2B示出了天线结构124b，第二较小孔128b添加在结构顶部。孔128b可比孔126b小得多，因为孔128b覆盖更高的仰角，即从无人机到GT的距离小得多，需要更低的天线增益来关闭链接。例如，考虑无人机在20km的高度和距GT 300km的水平距离。在距离300km处，从GT到无人机的仰角约为2°。当从GT到20km高度处的无人机仰角为10°时，那么从GT到无人机的距离约为115km。在距离115km处14GHz的路径损耗约为8.5dB，小于距离300km处的路径损耗。这就是为何天线孔128b能够远小于天线孔126b。因此，孔126b在较低仰角处操控波束，而孔128b在较高仰角处操控波束。为了使用图2B的天线结构124b在方位角上充分操控波束，天线孔126b和天线孔128b所安装的结构142b可机械地绕其轴旋转。波束在方位角和仰角上的继续微调通过将电子波束成形技术应用于天线元件125-j来达成。无线电子系统根据从无人机到GT的仰角GT选择孔126b或128b。
图2C中示出了GT天线的另一个方面，天线元件125-j只在仰角上操控波束。在GT天线子系统124c设计中，方位角波束操控通过使用结构142会完全机械化；这消除了方位角电子波束成形需求并简化了电子器件。
图2D中示出了GT天线的另一个方面，波束操控在仰角和方位角上都机械地实施。图2D示出了附着于结构142和结构144的信号天线孔126d。结构142沿方位轴旋转以在方位角上提供波束操控，结构144沿仰角轴旋转以在仰角上操控波束。
图2E示出了GT天线的另一个方面。图2E的天线固定装置124e具有多个孔，孔126-1面朝上以覆盖非常高的仰角。其他孔，126-2至126-7每个都在方位角上覆盖约60°。要注意的是，尽管在图2E中只示出了6个边的孔，但实际上可使用更多边和不同的形状。图2E的结构旨在展示使用覆盖方位角和仰角的不同部分的天线孔来覆盖方位角和仰角上全部360度的天线固定装置的示例。该天线结构不需要任何机械结构来形成所有方位角和仰角方向上的高增益波束。终端无线电子系统选择孔，地面终端从该孔接收来自无人机的最强导频信号。终端无线电子系统可利用对终端的位置和终端要通信的无人机的位置的认知来选择孔。可选地，终端接收器可评价每个天线孔上从无人机接收的导频信号强度，从而选择接收最强信号的孔。在一个实施方式中，这示例为其表面由天线元件组成的半球形并会根据待服务的方位角和仰角在半球形天线孔的一部分上激活。
在本公开的另一个方面中，如图3中所示，描述了无人机天线子系统的设计。首先考虑每个无人机上只安装一个天线固定装置的情况。单天线固定装置的一个问题就是天线孔的尺寸需要很大，以便扫描跨越从45°的高仰角或更高到2°的低仰角的覆盖范围的从GT到无人机的波束，以避免显著的波束扫描损耗。扫描损耗问题可利用图3的天线固定装置结构来缓解。图3的天线固定装置114具有中央天线孔116-1，其设计以覆盖在关于无人机的高仰角处的区域，即靠近无人机的位置。图3中的天线孔116-j，j＝2、……、7，置于相对于中央孔116-1成角度的地方，在某种程度上更好地覆盖低仰角和更远离无人机的区域。图3的天线固定装置会安装在无人机的下部中央处，其具有附着至无人机的较大基座并且孔116-1向下俯视。然后，因为孔116-2、……、116-7倾斜向更远的距离，它们朝向低仰角具有的波束扫描损耗少于单孔设计所具有的波束扫描损耗。每个天线孔可由用来电子地形成并操控波束的许多天线元件115-j组成。
此外，当无人机翻滚或俯仰时，地面上的一些覆盖区域可能以极少或没有覆盖而告终。每个无人机设计的单天线固定装置会导致无人机翻滚和俯仰时显著的覆盖损失。因此，图3中天线设计的多天线孔有助于减轻波束扫描损耗，并有助于减小天线固定装置的总体尺寸。多天线固定装置手段缓解了与无人机翻滚或俯仰有关的问题。
在图4中示出的无人机天线系统设计的另一方面中，至少两个单独的天线固定装置114a和114c在无人机的每侧各安装一个。至少两个天线固定装置114b和114d，一个安装在无人机的前面，一个安装在无人机的后面。至少一个天线固定装置114e安装在无人机的顶部。当不同的邻近无人机的高度可能不同时，天线固定装置114e将有助于无人机对无人机的通信。要注意的是，多于五个天线固定装置114a-114e可置于无人机上的适当位置。图4的五个天线固定装置114a-114e演示了如何覆盖无人机的前面、后面和侧面的示例。于是，当无人机翻滚时，无人机的机体并不阻碍天线固定装置朝向覆盖区域。而且，甚至在无人机翻滚时，无人机每侧的天线固定装置还能够对从无人机该侧可见的大片区域扫描波束。不过，当无人机翻滚时，指向地面上特定区域的波束将会移动，这可导致在该区域中缺乏覆盖或极少覆盖。因此，波束需要操控回到原始区域，这能够机械地或电子地进行，因为该区域从无人机该侧上的天线固定装置仍然可见。电子波束操控能够比机械手段更快地重新指向波束而在重新指向期间数据速率损失更少。陀螺仪用来评估无人机翻滚、俯仰或偏航。基于无人机翻滚、俯仰或偏航中的变化，波束视轴被操控指回到GT在地面上的位置。
在无人机上安装多个天线固定装置的另一原因是允许无人机至无人机的通信能力。如上所述，每个无人机需要通过互联网网关(GTW)与互联网通信，比如图4的GTW 130-1。当一个无人机的足迹中没有GTW时，即图4中的110-1，可能有多种情况。GT 120-1、GT 120-2和GT 120-3使用无人机110-1的天线固定装置114a-1发送其数据224-1、224-2和224-3至无人机110-1。无人机110-1聚合来自GT 120-1、GT 120-2和GT 120-3的数据并使用无人机110-2的天线子系统114d-2将来自三个GT的聚合数据214-1从其无人机天线子系统114b-1发送至无人机110-2。无人机110-2从而会通过GTW的天线子系统134-1将聚合数据214-1从无人机天线子系统114a-2发送至GTW 130-1。GTW 130-1会转发数据214-1至互联网。类似地，指定至无人机110-1的GT的互联网数据会通过GTW 130-1发送至无人机110-2，然后从无人机110-2发送至无人机110-1，然后再到无人机110-1的足迹中的GT。
为了有效说明其他无人机系统设计方面，比如无人机波束和无人机系统无线电及天线架构，我们从无人机系统的示例链路预算开始。表1示出了示例链路预算。优选地，无人机PA tx功率优选地选择以减少无人机的DC功率要求。表1假设PA带有1dB压缩点功率输出10瓦特和3dB补偿，导致5瓦特功率进入无人机天线子系统的天线端口。假设PA效率25％，PA的DC功率要求约为40瓦特。借助按照表1的C/N约11dB，应该能够达到约3bits/秒/Hz的带宽效率，即在500MHz的带宽上数据速率约为1.5Gbps(千兆比特每秒)。借助20个同时从无人机到不同GT的波束，能够达到对于消耗800瓦特DC功率(20个PA每个40瓦特)的一个无人机总容量约30Gbps。这仅为示例且不应被理解为限制，但这演示了在选择PA功率、波束数量、总容量和总DC功率要求中应考虑的权衡。可以很容易得出的一个结论是无人机天线子系统的天线增益需要合理地高，即按照表1的28dB或更多，以便保持无人机的DC功率要求在可接受范围内。例如，如果无人机天线增益降低了5dB并且通过增加PA tx功率来补偿EIRP，则对于20个效率为25％的PA的无人机的总DC功率要求上升至多2.5千瓦，这会对用于无人机的电池和太阳能板的尺寸有重大影响。本公开的另一方面描述了形成了多少波束以及如何管理波束以覆盖无人机足迹中的所有GT。一个问题是无人机的一个天线固定装置会同时形成的波束数量。如果天线固定装置同时形成N个波束，则输入至附于每个天线元件的PA的将是N个波形的和，N个波束的每个都对应一个；这导致高峰平比信号，并要求无人机PA倒回差不多10dB以避免信号失真和频谱增生进入邻带。PA倒回差不多10dB将导致PA功率非常低效的使用，这反而要求来自无人机电池系统的高DC功率。如果无人机天线固定装置一次只形成一个波束，则波形可设计为具有低峰平比并显著减小DC功率要求。使用一个天线固定装置一次形成单波束的缺点是会需要与同时发生的波束一样多的天线固定装置，即无人机上需要的天线固定装置数量等于需要的同时发生的波束的数量。
表格1无人机到地面终端(下行链路)链路预算
对配备无人机天线固定装置的选择产生一次仅有一个的波束还是多个同时发生的波束取决于更低的DC功率对多个天线固定装置需求的相对效益。目标是减少整体无人机成本。为了减少成本，需要减少无人机有效载荷的重量和组件成本。多个同时发生的波束促使每个PA增大至10dB，反过来意味着对于单波束情况用于PA的更多DC功率。更大的PA需要更大的外壳来应对热量，这意味着更大的重量。更高的DC功率还需要更大的电池，和因此而来的更大的太阳能电池板以给电池充电，这也意味着更大的重量。无人机上更重的有效载荷将反过来增加无人机载具尺寸和成本。在上文讨论的带有20个同时发生的波束的示例中，即使每个天线固定装置会形成多个同时发生的波束，仍将需要至少四个天线固定装置以便缓解如上所述无人机翻滚、俯仰和偏航时朝向地面终端，其中四个天线装置布置为无人机两侧各一个，前部一个，后部一个。图4中在无人机顶部的第五个天线不覆盖地面终端，而用于无人机对无人机的通讯。因此，每个天线固定装置只形成一个波束的无人机系统将需要相当于每个固定装置中带有5个波束的四个固定装置5倍之多的天线固定装置。还应注意的是，当只用4个天线固定装置时，每个天线孔需要大于使用20个固定装置时，因为要使用更少数量的天线则每个天线必须扫描更广阔的区域。如果需要扫描更广阔的区域，则会有更高的天线扫描损耗。要减少天线扫描损耗，需要使用更大的天线孔尺寸和/或更复杂的天线固定装置设计。换言之，4个固定装置情况下的每个天线有望比20个天线固定装置情况下的每个天线更大且更重。因此，很可能每个天线一次只形成一个波束的系统将比每个天线形成多个同时发生的波束的系统重量更轻且成本更少。完整的硬件设计以及部件重量和成本的评估需要选择正确的天线数量。
下面讨论本公开关于用于无人机系统的波束设计和管理的方面。在无人机波束设计和管理的一个方面中，无人机天线固定装置形成覆盖无人机足迹的连续波束集合。为了使毗邻波束边缘处的干扰最小化，可采用频率复用方案，毗邻波束据此使用不同的频率。可用的频带将分成若干频率通道，不同的频率通道将根据一些频率复用模式分配给不同的波束。每个地面终端将以特定的频率通道和时隙从无人机接收数据/向无人机传送数据，即FDM(频分双工)或TDM(时分双工)方式。以下，将讨论一些可选的无人机波束构成和管理。
用于表1的无人机天线示例的6.5°的3dB波束宽度意味着在地面上距无人机300km处3dB波束的直径约为34km。如果这些波束在3dB波束宽度点处紧挨彼此放置，则很容易看到约有55个波束将覆盖半径300km的圆周。对于距无人机较小的距离，所需的无人机天线增益由于较小的路径损耗而减小，而相应的天线3dB波束宽度变大。考虑到实际上波束在靠近无人机的距离变大，能计算出要达到表1的链路预算，覆盖半径300km的无人机足迹需要超过300个固定波束。因此，如果无人机波束不可操控至GT所在的位置，即如果无人机天线子系统波束固定在地面上，则需要多达300个波束用于以上示例。形成300个波束将需要大量电子器件，这将增加天线系统的重量、功耗和尺寸。确实如果形成300个波束且所有300个波束占用流量，则产生的系统将具有大量的容量，但所需的无人机的DC功率和天线系统尺寸及复杂性将太过巨大。将M作为完全覆盖无人机的足迹所需的波束数量。如上所述，M可大至300或更多，取决于所要求的无人机足迹。为了控制系统复杂性，无人机将设计为支持数量远小于上面界定的数字M的波束N。然而，假定在需要M＝300个波束完全覆盖的区域中只有N＝20个波束，就无法同时覆盖整个无人机足迹。在无人机足迹中的GT间对于无人机的N个可用波束需要分时机制。
在无人机波束设计和管理的一个方面中，指定了M个虚拟波束以便其会完全覆盖无人机的足迹。无人机无线电和天线子系统一次仅形成N个活跃的波束，N<M，并将N个活跃波束置于有GT服务的一些虚拟波束地点的位置中。换言之，在给定时间只打开出自M的N个波束(活跃波束)，其他M-N个虚拟波束都是关闭的。无人机无线电子系统在若干高数据速率时隙期间服务于N个活跃波束覆盖区域中的GT。然后，关闭这些N个波束，打开/激活M个虚拟波束中相较之前的活跃波束在可能不同地点中的N个其他波束。例如在图5A的N＝1的情况下，M＝10，无人机无线电子系统112打开波束150-1，以实线所示的六边形区域。无人机110在若干高数据速率时隙期间在下行链路(无人机至GT的方向)上发送数据流124至GT 120-1、120-2和120-3。如本公开稍后部分中将更详细描述的那样，GT 120-1、120-2和120-3在若干高数据速率时隙期间在上行链路(GT至无人机的方向)上发送数据流224-1、224-2和224-3至无人机110。然后，如图5B所示，无人机无线电子系统112关闭波束150-1，虚线中所示的六边形区域，打开波束150-9并向/从GT 120-4、120-5传送/接收数据。
使用N个的若干波束与GT通信的另一方面一次生成N个波束并动态地移动N个波束至有GT的地点，该N个波束只部分地覆盖需要M>N个波束来完全覆盖的无人机的足迹。在给定的时间，无人机形成N个波束遍及具有GT的N个不同地点上。在向/从N个波束中的GT传送/接收后，无人机停用之前的N个波束，并在带有要服务的GT的N个新地点形成N个波束。这种方法超过上文所述的方法的优点是其能够更佳地放置波束。然而，需要为每个新的波束集合重新计算天线子系统波束形成系数，反之，以前的方法使用预先计算的波束形成系数。两种方法非常类似，区别在于波束形成系数的计算。
在本公开的另一方面中，当无人机无线电子系统将波束指向紧密靠近的一些GT时，以时间和空间分割复用(TSDMA)方案服务于GT，并在一些高速时隙期间以时分复用(TDM)方式服务于这些地点中的GT，然后以空分复用(SDM)方式将波束移向不同地点以用TDM方式服务于新地点中的GT。
每个下行链路FDM通道上的某些下行链路时隙用于常用信令，称为下行链路常用信令时隙(DCSTS)。DCSTS携带系统参数消息、上行链路保留请求授权、上行链路分组的确认和关于上行链路通道信号质量的信息，比如SINR(信干噪比)。如下文将要讨论的，GT需要上行链路信号质量的知识，比如上行链路在无人机处接收的SINR，以确定高数据速率GT可在上行链路上向无人机进行传送。其余的下行链路时隙是用于发送数据至GT的专用下行链路数据时隙(DDDTS)。当波束置于一组附近的GT上时，比如图5A的GT 120-1、120-2和120-3，无人机无线电子系统可将指定给波束150-1的覆盖区域中的多个GT的数据214多路传送至一个DDDTS内，称为多用户时隙，或在不同的DDDTS中向不同的GT发送数据214，称为单用户时隙。每个DCSTS或DDDTS包含已知的参考信号，也称为下行链路导频信号。GT搜索从无人机无线电子系统发送的下行链路导频信号，一旦其获得下行链路导频信号，GT无线电子系统就开始解码DCSTS和DDDTS的时隙。
在本公开的一个方面中，多频通道以FDM(频分双工)方式用于每个波束中的下行链路上。每个FDM通道可分配给一个地面终端，或者以TDM方式(时分双工)可在不同时隙中的每个FDM通道上服务于若干地面终端，同样如上所述。可选的方法将是在每个波束中使用单个宽带频率通道。下行链路上带有低峰平比波形设计的单个宽带信号更有效地利用了无人机处的PA。在上行链路(GT至无人机)方向上可用的带宽可分成较小的上行链路频率通道(UFC)。这些UFC中的大部分分配给上行链路专用数据通道(UDDC)，在此GT借助先前的保留传送其数据至无人机。UFC之一指定为上行链路常用信令通道(UCSC)，GT在其上向无人机无线电子系统发送登记消息、用于上行链路UDDC保留的请求、用于下行链路数据打包的确认、下行链路信号质量测量比如下行链路SINR，以及其他信令消息。GT通过在UCSC上发送请求来请求UDDC。请求的授权在DCSTS中发送给GT。UCSC还可用于为突发通信量发送小数据包，其中数据包没长到足以值得保留UDDC所需的开销。
将上行链路频率分成较小的通道即UFC并分配每个UFC给不同GT的可选方案是在上行链路上共享单个宽带通道并基于时隙保留分配机制将上行链路上的不同时隙分配给不同GT。某些上行链路时隙用于上行链路常用信令时隙(UCSTS)，其余时隙用于上行链路数据传送，称为上行链路专用数据时隙(UDDTS)。用于UDDTS时隙的保留授权在DCSTS上发送给GT。注意，因为GT在半径300km或更多的区域中传播，不同GT将具有多达1msec或更多的相对单向延迟。因此，为了及时避免具有在无人机处从不同GT接收的上行链路时隙重叠，不同GT的上行链路传送需要关于最大单向延迟适当地延迟。UCSC或UCSTS是随机存取通道，比如Aloha、时隙Aloha、或CDMA(码分多址)Aloha通道。
因为GT和无人机一般使用高增益定向天线以达到高数据速率，两个天线之间的传播是瞄准线(LOS)；此外，实际上没有由于多路径而产生数据衰落。然而，当无人机翻滚和俯仰时，无人机天线增益可由于无人机定向的改变而改变。而且，当无人机在其准静止位置中绕圆周行进时，正服务于GT的天线将改变其定向朝向GT，并且因此其增益将改变。此外，大气变化比如雨和雪将引起额外的信号衰减。然而，在无人机的不同运动期间无人机天线增益变化将是秒的级别并还将是几dB的级别。换言之，从无人机到GT的信号强度改变和从GT到无人机的信号强度改变都相对较慢，即每秒几dB而不是每msec几dB。在下雨期间雨致衰减也将随时间缓慢变化。然而，因为GT或无人机将接收的SINR将随时间变化几dB，则为了使系统容量最大化，GT或无人机传送所用的数据速率可选择为对于接收器处SINR尽可能最高。GT无线电子系统从下行链路导频信号评估SINR。GT无线电子系统向无人机无线电子系统发送下行链路数据速率指数(DDRI)值，该值是GT无线电子系统能够对于所测量的下行链路SINR在下行链路上高概率解码的最高数据速率指数。DDRI要么在UCSTS/UCSC上发送要么在UDDTS上负载于数据包上。无人机无线电子系统同理测量在上行链路上从GT接收的SINR并发送给DCSTS上每个GT的或在DDDTS上的数据包上负载的上行链路数据速率指数(UDRI)，这是对于所测量的SINR在上行链路上最高可解码数据速率的指数。
在本公开的一个方面中，在初始GT安装或后续无人机网络改变期间，GT应找出其能够接收最强信号的无人机，并通过发送登记消息、GT的地点和某些系统参数来登记系统。GT假设要么具有能够找出GT的地点坐标的GPS接收器，要么人为安装的GT手动输入GT的地点坐标。GT无线电子系统具有网络中邻居的无人机的列表，称为无人机邻居列表(DNL)152-j。DNL包含无人机的位置以及信号质量度量的评估，比如在瞄准线(LOS)传播条件下预计从每个无人机接收的SINR(信干噪比)。LOS是当无人机和GT之间没有诸如建筑物、丘陵或树木等障碍物时的条件。用于GT无线电子系统122-j的DNL 152-j以信号强度递减的顺序分类。每个无人机120-j发送下行链路导频信号作为DCSTS 212-j的一部分，所有GT由此评估接收到的导频信号上的信号质量。GT无线电子系统122-j搜索其接收最强下行链路导频信号的无人机110-k，称为“最佳”无人机。GT无线电子系统122-j在LOS条件下能够从DNL 152-j首位的无人机接收最强信号。然而，如果碰巧有一些障碍物在GT无线电子系统122-j和DNL首位的无人机之间，比如图1中的建筑物140，则DNL 152-j首位的无人机可能不是GT无线电子系统将从其接收最强信号的那个。因此，如稍后将讨论的那样，需要用于每个GT无线电子系统测量从DNL上的无人机接收的导频信号并找出“最佳”无人机的机制。无人机的无线电子系统确保每个特定时期T，无人机足迹中的每个区域都受无人机的DCSTS/导频信号照射。在每个T秒周期中，无人机的足迹中许多区域将因在无人机服务的那些区域中有已登记的GT而受到照射。无人机无线电子系统保持追踪在时期T期间受到照射的所有区域，然后将为新GT照射其余区域足够长的时间以探测无人机无线电子系统的信号并登记无人机。
要评估在特定的GT120-j处从DNL上每个无人机接收的导频信号强度，可计算当以最佳方式指向彼此时的GT和无人机天线的增益，以及无人机和GT之间的传播路径损耗。当无人机和GT天线定向时，除非在两者之间有障碍物，否则两者间的传播路径损耗遵循带有路径损耗指数为2的自由空间传播模型。因此，在大多数情况下，当在最接近的无人机的路径中有障碍物时；或当无人机和GT的天线在特定的GT和无人机的地点具有相对较低的组合增益时，GT 120-j应与最接近其期望的无人机110-k通信。因此，就上文解释的意义而言，为了使GT无线电子系统122-j确定“最佳”无人机110-k，GT无线电子系统122-j应具有GT天线子系统124-j和无人机天线子系统114-k当以最佳方式指向彼此时的天线增益模式的知识。GT无线电子系统122-j使用无人机110-k和GT 120-j之间的自由空间传播损耗和天线增益值由无人机110-k的导频信号212-k计算所期望接收到的信号强度。然而，如果无人机110-k和GT 120-j之间有障碍物，比如图1中GT 120-1和无人机110-1之间的建筑物140，评估的无人机导频信号强度将偏离LOS评估。首先，GT无线电子系统122-1指向DNL 152-1首位的无人机，碰巧是图1中的无人机110-1。然后，GT无线电子系统122-1导向GT 120-1的天线子系统114-1以指向无人机110-1，并搜索由无人机无线电子系统112-1发送的DCSTS/导频信号212-1，并测量其信号质量，比如SINR。因为所测量的212-1信号强度比DNL上的LOS评估值大幅减小，GT无线电子系统122-1搜索无人机110-2的DCSTS/导频信号212-2。然后，GT无线电子系统122-1操控GT 120-1的天线子系统124-1指向无人机110-2，并重复以上过程探测和评估无人机110-2的导频信号212-2的信号强度。因为GT 120-1具有到无人机110-2的LOS，导频信号212-1测量的信号强度接近DNL 152-1上的LOS评估，并且GT 120-1选择无人机110-2作为“最佳”无人机进行通信。在GT 120-3的情况下，由于在GT 120-3和无人机110-1之间没有障碍物，在GT120-3的DNL列表首位的无人机110-1也是对于GT 120-3的“最佳”无人机。GT无线电子系统122-3测量来自无人机无线电子系统122-1的导频信号212-1，并且因为测量的无人机导频212-1信号强度接近DNL 152-3上的LOS评估，GT 120-3选择无人机110-1作为“最佳”无人机进行通信。
一般而言，GT可能为了两个无人机必须与若干无人机重复上述程序直到找出带有最强接收的DCSTS/导频信号的无人机。注意，如果从GT至无人机的路径完全阻塞，则GT可能不能探测来自无人机的DCSTS/导频信号。如果在某段时期后GT无线电子系统不探测来自其波束指向的无人机的DCSTS/导频信号，则如上所述，GT无线电子系统将GT天线子系统的波束指向DNL中的下一个无人机。
下面描述地面终端确定最佳无人机而不用无人机地点的知识的方法。每个无人机发送覆盖整个无人机足迹的有区别的导频信号，以便其可被无人机足迹中的任何地面终端接收。地面终端无线电子系统将围绕终端的半球形的方位角和仰角分成一组角域。地面终端将其波束指入每个角域的中央并搜索由无人机发送的导频信号。如果探测到无人机导频信号，则地面终端无线电子系统记录探测到的导频信号的强度。地面终端循序地搜索围绕终端的半球形上的所有角域。一旦搜索了所有角域，则终端无线电子系统确定其接收最强无人机导频信号的角域，选择相应的无人机作为最佳无人机，并将地面终端波束指向该区域。
一旦GT无线电子系统按照以上程序确定要通信的最佳无人机，则其如前所述发送登记消息至无人机无线电子系统。登记消息包括GT位置坐标以及其他相关信息。登记信息在上行链路(GT至无人机)常用信令通道(UCSC)或上行链路常用信令时隙(UCSTS)上发送。无人机在下行链路常用信令通道上发送其位置地点坐标至所有波束，从而地面终端可在无人机可能移入小区域时利用无人机位置更新来保持其波束集中在无人机上。地面终端追踪无人机的另一方面包括地面终端对其波束的瞄准线制造小扰动，并为每个波束位置扰动进行无人机导频信号测量。地面终端天线子系统利用在不同波束扰动位置中的无人机导频强度测量来确定最佳终端天线波束位置。
图6示出了描述GT无线电子系统用来确定在上述意义上“最佳”无人机的方法的流程图。回顾一下，对于GT的“最佳”无人机是GT从其接收最强导频信号的无人机。在步骤602中，GT无线电子系统将GT天线子系统指向DNL首位的无人机并测量无人机导频信号强度。在步骤604中，如果测量的导频信号质量比得上DNL上的下一个无人机的LOS评估，则GT无线电子系统移至步骤606并发送登记消息给DNL首位的无人机。否则过程继续至步骤608。步骤608检查DNL上是否剩有尚未测量其信号的无人机。如果不剩有无人机，则过程移至步骤610，GT无线电子系统选择带有最强测量导频信号的无人机并发送登记消息给相应的无人机。否则，过程移至步骤612，在此GT无线电子系统将GT天线指向列表上的下一个无人机并测量相应的无人机的导频信号强度。过程移回步骤604。
需要一种校正无人机天线子系统和GT天线子系统的机制以便其将其波束的瞄准线指向地面上要求的地点或无人机。实时校正的优点是所有伪像比如无人机的天线和机体的互相作用、任何环境影响、老化、温度等都能够自动校正出来。实验室校正不能解释实际部署中所面对的许多伪像。
首先，我们讨论无人机接收天线元件校正。图7A示出了无人机天线子系统的一个孔116-1。为了无人机天线子系统114接收天线校正将GT 120选为参照GT。使用系数117-rj调整每个天线元件115-j(1<j>N，N为天线元件数量)。如下将述，通过无人机无线电子系统112计算并发送117-rj给无人机天线孔116-1以应用于元件115-j。GT 120发送无人机无线电子系统112在其上进行信号质量测量比如SINR(信干噪比)的信号222以用于校正目的。基于收到的SINR相较用于系数117-rj先前设置的SINR测量的改变，天线元件接收系数117-rj根据众所周知的适应优化方案更新，比如使诸如SINR的判断标准最大化的最速下降法。其次，更新的系数117-rj应用于天线元件115-j。GT 120发送信号222、无人机无线电子系统112测量信号质量并计算系数117-rj新设置并将系数应用于天线元件115-j的该过程持续至接收天线系数根据优化标准收敛。注意，在校正过程中计算系数用于无人机的实际位置和其方向。因此，在随后的数据传送阶段，无人机无线电子系统应通过考虑来自陀螺仪/加速计读数的无人机的实时位置和方向坐标对系数117-rj做出适当调整。在校正过程中，无人机无线电子系统利用加速计/陀螺仪读数测量无人机关于GT的定向，并在校正过程末期记录无人机的位置和定向坐标，以用作对于后续系数调整的无人机参照位置/定向。
如果无人机天线子系统机械地操控其波束，则无人机天线子系统能够机械地逐步移动其波束，为每个步骤进行SINR测量以找出最佳天线机械位置。
图8是用于适应性地调整无人机无线电子系统天线元件接收系数的流程图。在步骤802中，无人机无线电子系统基于无人机和GT的地点设定初始接收系数。GT在步骤804中发送参考信号给无人机。在步骤806中，无人机的无线电子系统评估信号质量度量比如SINR并使用适应滤波算法比如最速下降根据最优化度量比如一些信号质量度量的MMSE(最小均方差)最小化或SINR最大化调整接收系数。在步骤808中，无人机无线电系统发送系数至无人机天线以调整天线元件。在步骤810中，无人机无线电子系统验证信号质量度量是否在阈值内，即接收系数是否已收敛。如果系数已收敛，则无人机无线电子系统在步骤812中记录系数、无人机的位置坐标、无人机在校正时朝向GT的方向比如翻滚、俯仰和偏航以及用于校正的GT的位置坐标。如果在步骤810中系数未收敛，则过程移回步骤804。
按照图7B，无人机天线子系统天线元件传送系数119-tj可如下进行实时校正。无人机天线孔116使用传送系数119-tj的初始设置形成传送波束，并传送参考/导频信号212至GT 120。GT 120在信息224中发送测量的SINR或另一信号质量度量回到无人机无线电子系统112。类似于接收天线元件系数优化，无人机的无线电子系统单元112使用由GT 120报告的测量信号质量来扰动无人机天线子系统天线元件传送系数119-tj。系数扰动使用众所周知的适应优化算法比如最速下降方案来计算。无人机无线电子系统发送信号、GT进行信号质量测量并发送测量回到无人机、无人机天线子系统调整其天线元件传送系数的以上过程持续至传送系数根据一些性能度量比如最大化SINR收敛至“最优”值。在无人机天线子系统112校正其天线系数期间，GT 120天线子系统应保持其波束固定以避免为无人机天线子系统校正过程引入额外变量。
在校正测量时间间隔中，无人机无线电子系统利用加速计/陀螺仪测量来保持追踪无人机的方向。无人机无线电子系统记录无人机的位置坐标和无人机的方向比如朝向GT翻滚、俯仰和偏航以及传送和接收天线元件系数的最优设置。在向GT传送数据期间，无人机无线电子系统利用加速计/陀螺仪测量无人机关于GT的定向并基于校正系数及无人机的位置和定向以及用于校正的GT位置坐标来调整天线元件系数。
图9是用于适应性地调整无人机无线电子系统天线元件传送系数的流程图。在步骤902中，无人机天线子系统基于无人机和GT的地点设置初始传送系数。无人机天线子系统在步骤904中发送参考/导频信号至GT。在步骤906中，GT的无线电子系统评估信号质量度量比如SINR，并发送测量的信号质量值回到无人机。在步骤908中，无人机无线电子系统使用适应滤波算法比如最速下降根据最优化度量比如一些信号质量度量的MMSE(最小均方差)最小化调整传送系数。在步骤910中，无人机无线电子系统验证信号质量度量是否在阈值内，即传送系数是否已收敛。如果系数已收敛，则无人机无线电子系统在步骤912中记录系数、无人机的位置坐标、无人机在校正时朝向GT的方向比如翻滚、俯仰和偏航以及用于校正的GT的位置坐标。如果在步骤910中系数未收敛，则过程移回步骤904。
GT天线子系统可使用如无人机天线子系统所使用的一些方法和设备来校正其天线元件系数，但在每个步骤中GT和drone的角色相反。GT无线电子系统在从无人机无线电子系统接收数据或任何其它信号时测量接收的信号质量度量比如SINR。GT无线电子系统使用测量的信号质量值以利用如用于上述无人机天线子系统同样的优化方法来适应性地调整天线元件系数。要校正GT天线子系统传送天线元件系数，GT无线电子系统和无人机无线电子系统校正周期一致。GT天线子系统传送天线元件系数优化也与上述用于无人机天线子系统的一样。在校正期间，GT天线子系统在传送信号至无人机时在天线元件传送系数中制造扰动。无人机无线电子系统对从GT无线电子系统接收的信号测量信号质量度量比如SINR并发送测量的度量回到GT无线电子系统。GT无线电子系统使用来自无人机无线电子系统报告的信号质量度量测量以利用众所周知的适应优化算法比如最速下降方案来确定逐次系数扰动。因此，图9和图10的流程图适用于GT天线元件传送和接收系数的校正，但在每个步骤中GT由无人机替代，而无人机由GT替代。
注意，如果在模拟域中实现接收侧上的波束形成，就只需要接收天线元件系数校正。然而，如果将每个天线元件上接收的信号在接收器处进行数字化并且将每个天线元件的数字化样本都发送至基带处理器，则最优波束形成可通过使用众所周知的算法比如MMSE(最小均方评估)评估最佳组合系数来数字化地实施。
下面按照图7C描述校正用于无人机天线子系统和GT天线子系统的天线元件传送系数的另一方法。校正时间间隔在GT无线电子系统和无人机无线电子系统之间取得一致。我们首先描述用于校正无人机天线子系统114的机制。在校正期间，无人机无线电子系统112在朝向GT 120的每个无人机天线元件115-j上传送参考信号213，一次一个元件。GT无线电子系统122评估总通道增益和相位，其包括无人机传送RF链路、传播路径和GT无线电子系统处接收RF链路的效果。然后GT无线电子系统122在信息224中发送回评估的通道增益和相位至无人机无线电子系统。然后无人机无线电子系统112能够使用在消息224中接收的对于每个传送天线元件的通道增益/相位的知识来校正传送波束形成系数，以便将波束瞄准线置于地面上所要求的地点。在刚刚描述的传送天线元件校正方案中没有迭代优化过程。因为参考信号在每个天线元件上一次发送一个，那么传送信号并不得益于天线孔增益因子并具有较小的EIRP(有效全向辐射功率)。因此，参考/导频信号可在持续时间上发送得足够长，以便接收器可整合信号以获得足够的处理增益来补偿传送孔天线增益损耗。而且，这有利于使用比较窄带的波形来发送频谱某些部分中的校正参考信号，以便避免干扰常规数据传送会话并避免损失系统容量。GT天线子系统传送天线元件的校正遵循如上相同的程序但在每个步骤中互换无人机和GT子系统的角色。在图7A、7B和7C中，在无人机上只示出了一个天线固定装置。如之前所讨论，无人机可具有多个天线固定装置。在该情况下，上面讨论的校正过程可重复用于无人机的每个天线固定装置。
图10中的流程图1100示出了根据图7C的设备校正无人机天线元件传送系数的步骤。在步骤1002中，无人机无线电子系统按顺序在每个传送天线元件上一次发送一个参考/导频信号。在步骤1004中，GT无线电子系统测量通道增益和相位用于从无人机天线子系统的不同天线元件接收的信号。GT无线电子系统在步骤1006中发送消息至无人机无线电子系统，包括通道增益和相位测量。无人机无线电子系统在步骤1008中记录通道测量以及无人机的位置坐标和无人机的方向比如翻滚、俯仰和偏航。记录的校正信息被无人机无线电子系统/无人机天线子系统用来设置数据传送期间的无人机传送天线系数。在数据传送期间，无人机无线电子系统可利用无人机的实时地点以及无人机的翻滚、俯仰和偏航信息和校正信息以确定最优传送系数。用于校正GT传送天线元件的流程图与图10的相同但无人机和GT子系统的角色互换。
当无人机在其准静止位置中绕圆周行进时，正服务于给定GT的无人机天线孔的定向随时间改变。当无人机朝向GT的服务天线孔改变时，来自服务天线孔的波束能够朝向GT电子地或机械地操控。然而，最终朝向GT的服务天线孔的定向改变太多以至于其将有太多的朝向GT的扫描损耗。此时，无人机无线电子系统将需要要么使用无人机上的不同天线固定装置，如果有多个天线固定装置可用，要么使用单个可用天线固定装置上的不同天线孔，比如图2中那样，以形成朝向GT的波束。换言之，无人机无线电子系统可能需要在无人机天线子系统内进行天线孔或天线固定装置“切换”。无人机无线电子系统还利用加速计/陀螺仪信息了解无人机的方向。无人机无线电子系统使用来自加速计/陀螺仪的信息以及无人机和地面终端天线的天线方向图上的信息以确定朝向地面终端提供最高增益的无人机天线孔。无人机天线子系统如上文所讨论也进行校正。然后，无人机无线电子系统确定正确的天线元件系数以使用不同的天线固定装置和/或不同的天线孔将波束的瞄准线指向GT的地点。
在无人机天线子系统和GT天线子系统的以上描述中，我们主要涉及使用天线孔的不同天线元件的电子波束成形。单个的天线元件可由各种技术组成，比如块、角、槽、CTS(连续横向短线)、异向介质及其他介质材料。无人机系统设计技术，比如选择要通信的最佳无人机、将无人机天线以最佳方式指向地面终端、校正无人机天线、随无人机移动而操控波束，适用于任何天线元件技术或材料。
虽然本公开已描述了某些实施方式和一般有关的方法，但这些实施方式和方法的改动和变更对PHOSITA是显而易见的。因此，示例实施方式的以上描述并非界定或约束本公开。其他变化、替换和改动也有可能不背离如所附权利要求限定的本公开的精神和范围。

Claims (32)

1.一种用于在地面终端与一个或多个空中平台的网络之间的宽带无线接入通信的系统，包括：
包括位于每个空中平台上的至少一个天线固定装置，所述天线固定装置能够生成朝向所述地面的至少一个波束，从而形成朝向位于所述地面广泛区域中的终端的波束；
位于每个空中平台上的至少一个无线电子系统，所述无线电子系统具有用于解调并解码从所述地面终端接收的信号的接收器以及发射器，所述发射器用于调制数据并将调制的信号通过至少一个空中平台天线传送至地面终端，并且控制及配置所述空中平台天线以形成特定方向的波束；
至少一个空中平台切换子系统，所述空中平台切换子系统能够将在所述空中平台处从一组地面终端接收的数据切换至另一组终端；
位于所述地面终端处的天线子系统，所述天线子系统能够将波束朝向特定无人机定位；
位于所述地面终端处的无线电子系统，所述无线电子系统具有用于解调并解码从空中平台接收的信号的接收器以及发射器，所述发射器用于调制地面终端数据并将信号通过所述地面终端天线传送至空中平台、向空中平台发送至少一个导频信号并控制及配置所述地面终端天线以形成朝向空中平台的波束。
2.如权利要求1所述的系统，还包括包含多个天线孔的空中平台天线固定装置，其中每个天线孔定位为覆盖不同区域。
3.如权利要求2所述的系统，其中多个所述天线固定装置安装在所述空中平台上的不同位置，从而即使在所述空中平台翻滚、俯仰与偏航时也覆盖所述空中平台的足迹。
4.如权利要求3所述的系统，其中位于每个空中平台上的至少一个天线固定装置布置为朝向网络中至少一个其他空中平台操控波束。
5.如权利要求3所述的系统，还包括：
用于检测空中平台的位置、翻滚、俯仰、偏航定向的改变的装置，以及
用于指示所述多个天线固定装置相应地操控空中平台波束定位至地面的相同位置的装置。
6.如权利要求1所述的系统，还包括：
用于检测所述空中平台的位置或定向是否已足够移动以使定位至地面上的给定位置的所述天线固定装置或所述天线孔能够切换/改变至不同的天线固定装置或相同天线固定装置的不同天线孔的装置。
7.如权利要求1所述的系统，还包括：
地面终端天线，所述地面终端天线具有安装在能够以方位角和仰角方向的两个轴线移动孔以将所述地面终端天线大致朝向空中平台定位的结构上的孔，所述孔具有带电子束的元件，所述电子束能够形成方位角和仰角以精细地将所述波束朝向所述空中平台定位。
8.如权利要求1所述的系统，还包括：
具有至少两个孔的地面终端天线，其中至少一个孔朝向低仰角定位，至少第二个孔朝向高仰角定位；所述至少两个孔安装在以方位角方向转动的结构上，每个孔具有能够形成方位角和仰角的电波束以精细地将波束朝向所述空中平台定位。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述孔具有仅在仰角电操控波束的元件，方位角波束操控仅通过所述孔的机械转动来实现。
10.如权利要求7所述的系统，其中所述天线孔不能操控电波束，方位角和仰角的波束操控通过将所述孔以方位角和仰角轴线朝向空中平台机械转动而实现。
11.如权利要求1所述的系统，还包括：
具有多个孔的地面终端天线，其中每个孔面对方位角或仰角的不同方向，以及
用于确定所述多个孔中哪一个具有向空中平台的最高增益并用于将发射器和接收器切换至提供最高增益的孔的装置。
12.如权利要求1所述的系统，还包括：
用于储存环绕所述地面终端的空中平台列表的装置，所述列表称为空中平台邻居列表，根据空中平台的导频强度，储存所述空中平台的位置，并将所述地面终端天线朝向空中平台邻居列表上的空中平台定位；以及
所述地面终端检测来自所述空中平台的导频信号，评估导频信号质量，并将所测量的信号质量与配置值相比较以确定所述地面终端从其接收最强信号的空中平台。
13.如权利要求1所述的系统，其中一个或多个空中平台发送每个波束中的导频信号，所述地面终端将所述终端周围的角域划分为角锥并寻找用于空中平台导频信号的每个角锥，所述地面终端选择具有最强空中平台导频信号的角锥并选择相应的空中平台作为最佳空中平台。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述地面终端发送消息至空中平台以登记空中平台网络，发送所述地面终端的位置信息和其他配置参数至所述空中平台，并将地面终端旨在与其通信的空中平台的标识通知网络。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述空中平台周期性地发送其定位坐标和定向至所有波束中的终端。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述地面终端使用所述空中平台定位坐标和定向以在所述空中平台改变位置或定向时维持终端天线波束定位在所述空中平台上。
17.如权利要求1所述的系统，其中所述地面终端天线子系统对其波束视轴制造小扰动，所述终端无线电子系统为每个终端波束位置扰动制作空中平台导频信号测量值；所述地面终端无线电子系统使用来自不同终端波束扰动位置的空中平台导频强度测量值；以及终端天线子系统将其波束朝向具有最高导频强度测量值的波束扰动的方向定位。
18.如权利要求1所述的系统，还包括：
用于形成至少一个空中平台波束以覆盖所述空中平台的足迹的装置；
用于从每个波束中的空中平台传送至少一个频道的装置；以及
用于从每个波束中的地面终端接收至少一个频道的装置。
19.如权利要求1所述的系统，还包括：
用于将所述空中平台的足迹划分为一组固定的连续虚拟空中平台波束的装置；
用于在一个时间间隔中基于地面终端的位置开启多个虚拟空中平台波束并关闭剩余虚拟波束的装置；以及
用于改变在不同的时间间隔中开启的波束组的装置。
20.如权利要求18所述的系统，其中，多个非重叠空中平台波束形成有可调整的波束中心。
21.在如权利要求1所述的系统中，一种校正所述空中平台天线的传送天线元件的方法，包括以下步骤：
从所述空中平台天线通过一个空中平台天线固定装置的一个天线孔传送导频信号；
通过所述地面终端测量从所述空中平台接收的导频信号的至少一个质量度量；
发送测量的空中平台导频信号质量至所述空中平台；以及
使用从所述地面终端接收的导频信号质量测量值通过所述空中平台更新传送天线元件的系数，以优化在所述地面终端处从所述空中平台接收的导频信号的至少一个信号质量度量。
22.在如权利要求1所述的系统中，一种校正所述空中平台天线的传送天线元件的方法，包括以下步骤：
朝向参考地面终端一次一个元件地传送空中平台天线的天线孔的每个元件上的导频信号；
通过所述地面终端测量从所述空中平台接收的导频信号的振幅和相位，并将所测量的空中平台导频信号振幅和相位发送至所述空中平台；以及
通过所述空中平台使用从所述地面终端接收的振幅和相位信息以校正传送天线元件。
23.在如权利要求1所述的系统中，一种校正所述空中平台天线的接收天线元件的方法，包括以下步骤：
所述空中平台从所述地面终端接收信号，并测量所接收信号的至少一个信号质量度量；以及
基于优化准则更新接收天线元件系数。
24.在如权利要求1所述的系统中，一种校正所述地面终端天线的传送天线元件的方法，包括以下步骤：
通过一个地面终端天线固定装置的一个天线孔朝向空中平台传送导频信号；
通过所述空中平台测量从所述地面终端接收的导频信号的至少一个质量度量；以及发送测量的空中平台导频信号质量至所述地面终端；以及
使用从所述空中平台接收的导频信号质量测量值更新地面终端传送天线元件的系数，以优化在所述空中平台处从所述地面终端接收的导频信号的至少一个信号质量方面。
25.在如权利要求1所述的系统中，一种校正所述地面终端天线的传送天线元件的方法，包括以下步骤：
通过地面终端天线孔的每个元件朝向参考空中平台一次一个元件地传送导频信号；
通过所述空中平台测量从所述地面终端接收的导频信号的振幅和相位，并将所测量的空中平台导频信号振幅和相位发送至所述地面终端；以及
通过所述地面终端使用从所述空中平台接收的振幅和相位信息以校正传送天线元件。
26.在如权利要求1所述的系统中，一种校正所述地面终端天线的接收天线元件的方法，包括以下步骤：
所述地面终端从所述空中平台接收信号，并测量所接收信号的至少一个信号质量度量；以及
基于优化准则更新接收天线元件系数。
27.在如权利要求1所述的系统中，一种所述空中平台调制波形以传送至地面终端的方法，包括以下步骤：
将所述波形划分为时隙，并分配一些时隙用于发出消息而剩余的时隙用于数据传送；以及
通过所述地面终端在每个时隙插入导频信号以用于信号质量测量。
28.在如权利要求1所述的系统中，一种所述地面终端将可用的上行频谱划分为多个频道的方法，包括以下步骤：
调制用于每个频道的波形，以使用随机多址方案分配一些频道用于发送信号消息至空中平台，并分配剩余频道用于发送数据至空中平台；以及
通过所述空中平台在每个时隙插入导频信号用于信号质量测量。
29.如权利要求28所述的方法，还包括步骤：
同步上行传送以到达排列的空中平台时间。
30.如权利要求1所述的系统，一种所述地面终端调制整个上行频谱上的单个波形以传送空中平台的方法，包括以下步骤：
将所述波形划分为时隙，并分配一些时隙用于发出消息而剩余的时隙用于数据传送；以及
通过所述空中平台在每个时隙插入导频信号以用于信号质量测量。
31.如权利要求30所述的方法，还包括以下步骤：
由所述空中平台评估从地面终端接收的上行信号例如SINR上的信号质量度量，以确定所述地面终端可传送的最高数据率，所述空中平台无线电子系统以高概率正确解码；以及
发送所确定的数据率的索引至下行频道上的地面终端。
32.如权利要求27所述的方法，还包括以下步骤：
由所述地面终端评估从空中平台接收的下行信号例如SINR上的信号质量度量，以确定所述空中平台可传送的最高数据率，所述地面终端无线电子系统以高概率正确解码；以及
发送所确定的数据率的索引至上行频道上的地面终端。
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