CN106664134A - 用于航空器空中对地面通信的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于航空器(12)和地面站(20)之间空中对地面通信的设备，所述航空器(12)和所述地面站(20)都包括用于定向无线电数据传输(14)的天线(16，18)，其中，所述数据传输(14)以从60GHz至90GHz的频带进行，地面站(20)的天线(18)仅在相对于水平平面(22)向上方向至少5度的α角度范围发送和接收数据。

Description

用于航空器空中对地面通信的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于航空器和至少一个地面站之间数据传输的方法。
背景技术
航空器和地面站之间的数据传输是很重要的，在乘客航空领域尤为重要。目前存在一种日渐增加的需求，即可用于实现航空器上的乘客打电话或在互联网上冲浪的数据传输技术。在本申请文件中，航空器被理解为特别地包括飞机、直升机和航天器。
在地面站和航空器间的数据通信中，难以做到满足大量乘客能以足够的带宽进行数据通信。
发明内容
本发明的目的就是提供一种在至少一个地面站和航空器之间进行数据传输的改进设备，并提供相应的方法。
航空器和地面站之间的数据传输是在60GHz至90GHz的频带宽度内通过无线电进行。在这方面，特别重要的是，地面站需要在向上方向至少5度的角度发射和接收无线电波，而更小的角度则不允许对无线电波进行发送和接收。因此，在飞行期间，航空器在地面站的接收范围内，而靠近地面水平使用相同频率的可能用户不能从地面站接收数据，也不能与地面站之间建立数据连接。因此，相对于水平面低于5度的角度范围内，没有数据能从地面站接收到和没有数据能够传输到地面站。
本发明是的基本想法基于允许用于航空器和地面站之间的定向宽带无线数据传输。本发明的用于航空器和地面站之间的空中对地面的通信设备包括附连于航空器的航空器站和地面站，所述航空器站和地面站的相互通信。在60GHz至90GHz的频带范围内宽带数据传输是可能的，而接近地面的用户使用同一频率造成的干扰能被防止。在这个频段，也被称作E-频带，为航空器上的众多乘客使用互联网需要足够带宽的数据传输成为可能。因此，对于空中对地面通信中，首次在航空器上可用30GHz的频带宽度范围，即带宽正好为当前通常用于无线通信的0～30GHz的频率范围。
随着空中对地面通信(ATG)的频道宽度仅为1GHz和频谱效率为1，每架航空器，每秒吉比特(Gbit/s)的数据率可用。假定航空器上乘客中有200个用户，这将导致每个用户/乘客每秒50兆比特(Mbit/s的)的数据率。
由于地面站和航空器之间直接进行数据传输，因此不会发生卫星通信延迟。数据传输是在以笔形波束(笔形波束特性)的方式来进行。笔形波束定向特性被理解为在的在+0.5度和-0.5度的角度范围内围绕主发射方向的成束定向特性，这意味着定向特性的主瓣是在这个角度范围内。因此，地面站的天线的定向特性的主瓣在相对于水平面上方的5度以下范围不能转动。
地面站和/或航空器的天线的发送/接收方向的枢转优选通过电子波束形成成为可能。如果主要发送/接收方向能以任何期望的方式绕竖直轴线枢转，就是有利的。围绕水平轴绕动也是有利的，其中，对地面站的天线来说，以相对于水平线小于5度的角度的枢转是不可能的。以相应的方式，如果航空器的天线的主发送/接收方向在向下方向仅可能以-5度至-90度的角度围绕水平轴，也是有利的。
本发明所建议的从60GHz至90GHz的频带一个基本优点在于，在该频率范围内的许可证的可用性和可行性比在常规使用的低于20GHz或30GHz的频率范围容易得多。使用E-频带的天线比传统天线尤其比卫星通信技术的天线更简单、更便宜和更容易安装。数据传输，用时约20毫秒，比卫星通信技术的约600毫秒快得多。E-频带的带宽较大，而且通过电子波束形成可以防止与其他E-频带的地面站或接近地面的用户干扰或串扰。
优选地，E-频带通信在70至80GHz(E-频带)的频带内产生。该频带的特征在于内在不干涉、固有窃听免疫力和无限的频谱重用，因为笔形波束是以MM光谱操作为先决条件。
主要的优势是在这些较高频率上的大得多的可用带宽，能提供的数据传输速率也随之增加。此外，在E频带频率进行传输受干扰的风险非常低，因为它依赖于高度集中、直接和狭窄的笔形波束传输。随着在70-80GHz的频谱分配，E频带有许多优点，包括增强频率检查和干扰保护的笔形波束。定向天线高增益窄波束是获得干扰保护和利用可用频谱带宽能力的关键。笔形波束特性在空中对地面的链接部署中促进对频率进行高度审查和降低人们暴露于电磁场。从监管的角度来看这有明显的优势，因为与其它系统共享的共同频率是给定的，因此，监管机构能迅速提供空中对地面的授权。E-频带光谱成本低，具有快速获得许可的特点。链接在“轻许可证”的过程中被许可，由此可快速且廉价地获得许可。这种许可证提供传统的频谱许可证的全部优点，但在成本和应用的时间上大大缩短。
地面站(基站)包括n(自然数)个单个的无线区段，每个区段在方位和/或仰角上覆盖360度的1/n。例如，4或8个无线区段可覆盖方位角上的90度(4个区段)或45度(8个区段)和仰角90度。基站可以处理90或45度区段配置。基站是软件控制的，配置在启动时加载。基站拥有无线模块，并在一个测定中有一个相控阵天线模块。它管理这相当于每通道约1Gbit/s的一个或多个E频带的频道。相同的频谱是会被其它基站重用。每个单独的无线电相控阵天线具有多个天线元件，以形成一个电子可操纵的笔形波束。4或8个扇区基站配置转出的决定依赖于空域内预期的航空器密度。每个基站可以通过TDD波束切换设备联络多达8个航空器站。利用8个单个的无线区段，每个基站总计64个航空器站。
航空器站可具有用于基本定向的4个切换天线扇区。天线扇区容纳有一个低噪声放大器和一个相控阵天线。该可电子操控相位阵列天线覆盖90度方位角和俯仰角范围。每个天线扇区在航空器机身可能有64个相控元件，4个天线组件安装在飞机机身的底面上。
航空器站具有一个存储器，具有所有基站的地理坐标(海拔高度、经度和纬度)的地图均被存储其中，此地图是在启动时加载。该航空器站知道自己的(航空器的)坐标(海拔的高度、经度和纬度)。航空器站被连接到航空器的ARINC总线和读取总线的不断更新的位置数据。
对于初始捕获目标，航空器惯性导航系统(INS)确定在空域中航空器的实际位置、加速度和减速度。INS被连接到ARINC总线并且将不断更新的位置数据写入到总线中。利用位置和加速/减速数据，航空器站计算航空器的轨迹。目标捕获由航空器站发起。
如果没有基站处于活动状态，每30毫秒航空器站发送无线ping信号到最近的基站和交换机，然后进入仅接收某个基站方向的接收模式。ping信号重复持续10秒的时间。如果10秒ping信号周期内没有收到回应，航空器站接收无线电范围内的下一个最近的基站接通ping信号，并依此类推，直到有一个基站与航空器站建立TDD连接。ping信号由航空器站的实际位置和轨迹组成。基站每秒中有持续50毫秒切换到内务管理周期。内务管理周期期间基站切换到全方位的接收模式。如果基站正在接收和登记航空器站的无线ping信号，基站就读取位置和轨迹数据。基站通过对着航空器站的预期位置产生笔形波束与航空器站建立TDD无线连接。连接建立后，横跨基站和航空器站内务管理周期是同步的。
为了基站切换，所有的基站连接到根据需要优化和重新排列的中央监测和控制系统(CMCS)。CMCS为所有基站和被连接航空器产生一个3D地图。CMCS在每个基站基础上优化优化所有基站的连接和负载分布。切换过程除了是由CMCS启动外，其它与初始目标捕获过程是一样的。
对于目标跟踪，TDD连接建立后，该航空器站把其更新的位置和运动轨迹数据持续地发送到基站。基站根据航空器站更新的位置和轨迹数据操纵波束位置以精确对准。基站把如航空器站所接收到的更新位置数据发送到CMCS。多普勒频移补偿和规避均考虑航空器站的轨迹数据而执行。中央监测和控制系统(CMCS)从经基站接收到的航空器站的位置和轨迹数据计算出一个空中交通的三维空间地图。CMCS在每个基站基础上优化所有基站的连接和负载分布。
如果在一个特定的空域内所有航空器都参与本发明的E-频带空中对地面系统，由于所有的航空器和他们的轨迹均能在地图中存在和显示，三维空域地图可以用于通过交通管制来控制航空器的交通。
此外，在如飞行人员失去行为能力或航空器被劫持的紧急情况下，本发明的空中对地面通信频道可以由专业人员来控制飞离地面的航空器。空中对地面航空器无线电波通过ARINC总线连接到飞行管理系统(FMS)或自动驾驶(AP)。同时，直接电缆连接可以连接建立一个防篡改的直接连接。
附图说明
参照附图，本发明的示例性实施例将在以下更详细地解释。
图1为示范性性实施例的示意图。
具体实施方式
在示范性实施例中，航空器12是承载数百名乘客的客机，每个乘客通过例如智能手机或平板电脑，使用航空器12的天线16和地面站20的天线18之间的无线数据连接14。天线16，18是E-频带天线，其主发射/接收方向是随电子波束成形变化的。航空器12上，乘客在他们的终端上和例如通过WLAN可以接收由天线16获得的数据。数据传输14在E-频带即在60GHz至90GHz的频率范围内进行。
地面站20的天线18在水平平面22上方约30度的角度发送和接收数据传输14的数据。根据本发明，所述角度α不能小于5度。在低于5度(主发射方向)的角度内，地面站20的天线18将不发送和接收数据。通过电子波束形成，航空器12正在移动时，地面天线18和航空器天线16的主发射/接收彼此自动调节，在天线16和18之间直接连接和保持。在图1中，航空器12的天线16在水平面24以下-20度的β角度(主发射方向)传送数据传输14中的数据。上述角度α和β作为交替角度彼此对应。当航空器12在地面站20上方移动时，电子波束控制对天线16，18的方向特性和主瓣进行自动随访，从而保持了直接数据连接14。

Claims (23)

1.一种用于航空器(12)和地面站(20)之间的空中对地面通信的设备，所述航空器(12)和所述地面站(20)分别包括用于定向无线数据传输(14)的天线(16，18)，其特征在于，所述数据传输(14)在60GHz至90GHz的频带中进行，地面站(20)的天线(18)仅在相对于水平平面(22)向上方向至少5度的α角度范围发送和接收数据。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述地面站(20)和所述航空器(12)的天线(16)的方向特性是随电子波束成形变化的。
3.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，地面天线(18)的主瓣能绕垂直轴任意地枢转和绕水平轴不低于5度的所述角度枢转。
4.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述航空器(12)的天线(16)的主瓣能够绕垂直轴任意地枢转。
5.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述航空器(12)的天线(16)的主瓣是仅在相对于水平-5度至-90度的β平面角度范围枢转。
6.根据上述权利要求任一所述的设备，其特征在于，在该数据传输(14)仅在E-频带进行。
7.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述地面站(20)和航空器(12)二者的天线(16)都设计为以笔形波束方式发射无线电波。
8.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述地面站(20)和航空器(12)均被设计为在地面站(20)和航空器(12)的天线(16，18)之间直接数据传输(14)。
9.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述航空器(12)和所述地面站(20)的天线(16，18)被分成n区段，每区段分别覆盖360度方位和/或仰角的1/n。
10.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，通过所述航空器(12)的数据存储器存储有多个地面站(20)的地理位置。
11.根据上述任一权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备还包括中央监测和控制系统，适用于通过无线电波产生与所述中央监测和控制系统联络的多个地面站(20)和至少一个航空器(12)的三维地图。
12.一种用于地面站(20)和航空器(12)之间的数据传输(14)方法，所述地面站(20)和所述航空器(12)是各设置有用于彼此之间的定向无线数据传输的无线天线，其特征在于，所述地面站(20)在相对于水平平面(22)的低于至少5度以下的角度不发射数据，和所述地面站(20)和航空器(12)的天线(16，18)之间的数据传输(14)仅在60GHz至90GHz的频带范围内进行。
13.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，所述地面站(20)和航空器(12)各设计为用于在E-频带的数据传输(14)。
14.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在，所述地面站(20)和/或航空器(12)的天线(16，18)的发送和接收方向可绕垂直轴任意枢转。
15.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述地面站(20)的天线(18)的发送/接收方向能绕不低于5度角度的水平轴方向枢转。
16.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述航空器(12)的天线(16)的发射和接收方向能绕相对于水平面-5度至-90的β角度范围内枢转。
17.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述航空器(12)的天线(16)和所述地面站(20)的天线(18)之间直接进行数据传输(14)。
18.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，在飞离所述地面站(20)的传输和接收的范围后，所述航空器(12)自动寻找其位于发射和接收范围内的另一个地面站并建立联系。
19.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述航空器(12)和所述地面站(20)的天线(16，18)包括相控阵天线区段，每区段分别覆盖360度方位和/或仰角的1/n。
20.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述航空器(12)包括数据存储器，多个所述地面站(22)的地理位置存储在数据存储存储器中，其中所述航空器(12)内的中央监测和控制系统产生包括所述地面站和航空器的位置。
21.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述中央监测和控制系统计算出显示多个地面站(20)和至少一个航空器(16)的位置的三维空域地图，所述地图用于控制显示在其中的航空器的空中交通。
22.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法用于远程控制飞离地面的航空器(12)。
23.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过利用所述中央监测和控制系统中存储和不断更新的航空器(12)和地面站(20)的位置和轨迹数据，所述航空器(12)的天线(16)和/或地面天线(18)的主瓣引导入各个航空器天线(16)或地面天线(18)的方向。
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