CN107478192A - 方位角测量装置、天线、方位角测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种方位角测量装置，包括用于侦测该测量装置周边的地磁分布状况的感应装置、驱动装置及测量主板；所述测量主板输出控制指令控制驱动装置带动感应装置螺旋式运动，并接收处理感应装置所侦测的地磁信号后进行校正补偿，以消除测量装置周边的环境对方位角测量的影响。本发明的方位角测量装置较之现有技术具有测量精度高，成本低的优势。此外，本发明还涉及应用该方位角测量装置的天线、方位角测量系统及方位角测量系统所实施的方位角测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体而言，本发明涉及在基站天线上采用地磁感应装置实现基站天线安装方位角测量的装置及方位角测量方法。
背景技术
方位角又称航向角，是导航及姿态测量的重要参数，在运动控制领域或者工程地理设计中起着重要的作用。
在通信领域中，天线是一种用来发射和接收无线电信号的装置。由于天线的辐射面是固定朝向的，为了使天线达到最好的覆盖效果，在基站建站的时候通常将天线设计安装在一个指定的朝向(即预设方位角)，这就提出了在基站天线领域对天线安装方位角进行测量的需求。
在实际应用中，通常基于地磁感应原理来实现方位角的测量。采用地磁感应来实现方位角测量一般要求测量装置周围无铁磁环境、无电磁干扰，方能实现较有效的测量。但是在基站天线周围充满了铁磁环境，且时刻受到电磁波的干扰，利用现有技术很难实现对天线安装方位角的准确测量。
一般来说，地磁是均匀分布的，且指向正北；当受到铁磁干扰后，其局部地磁线出现弯曲变形，导致测量装置周围地磁密度分布不均，静态方位角测量不准确。
业界在基于地磁感应原理测量方位角这方面，虽然有提出采用平面圆周运动采样校正补偿的应用，但多是基于手动操作校正补偿的，在工程应用中很难实现，并且操作极为不便。同时，平面圆周运动采样受限制于只能在物体水平安装时，才能有效测量；而在天线应用领域，由于天线安装带有下倾角安装使用，故当测量装置与天线一体安装时也会产生下倾角，即测量平面跟校正平面不是在同一个平面上，从而导致测量的方位角不准确。
此外，业界也有基于GPS原理的方位角测量技术，但因其成本太高，方位角测量精度受天气影响较大的原因，无法实现有效应用。
因此业界迫切希望提出新的方位角测量装置及测量方法，以便克服上述现有技术的缺点与不足，达到在天线领域的应用。
发明内容
本发明的首要目的旨在提供一种可在满足方位角测量准确度前提下降低成本的方位角测量装置。
本发明的另一目的在于提供一种采用上述方位角测量装置的天线。
本发明的又一目的在于提供一种具有上述天线的方位角测量系统。
本发明的又一目的在于提供一种上述方位角测量系统实施的方位角测量方法。
一种方位角测量装置，包括感应装置、驱动装置及测量主板；所述感应装置包括与测量主板连接的磁传感器，所述磁传感器用于侦测周边的地磁分布状况；所述驱动装置与所述感应装置和所述测量主板连接，以在驱动装置接收到控制指令时带动感应装置进行螺旋式空间运动；所述测量主板在感应装置进行螺旋式空间运动时对感应装置输出的地磁信号实时采样，并利用采样数据结合感应装置的运行轨迹计算出感应装置周围地磁的强度分布，以及利用校正补偿坐标参数对实际感应地磁数据进行校正补偿、计算得出实际方位角测量值。
与现有技术相比，本发明的方位角测量装置在现有的地磁测量装置基础上添加驱动装置来实现感应装置的螺旋式运动，使得测量装置可以获取三维空间的地磁强度数据，进而可以在测量主板内置软件的作用下使得该感应装置具有自动校正和补偿功能。因此，所述方位角测量装置可以克服由于铁磁环境不同、电磁干扰等因素导致方位角测量不准确的问题。
优选地，所述驱动装置包括驱使感应装置做圆周运动的水平驱动单元和驱使感应装置上下运动的竖直驱动单元，并且所述水平驱动单元和竖直驱动单元均与所述测量主板电连接。
优选地，所述水平驱动单元包括与测量主板电连接的第一电机和与第一电机输出轴连接并由第一电机驱动绕第一电机输出轴转动的底座，所述感应装置设于所述底座上。
优选地，所述竖直驱动单元包括与测量主板电连接的第二电机、套设在第二电机输出轴上的齿轮、及与齿轮啮合以由第二电机驱动上下运动的齿条，所述第一电机与所述齿条连接。
优选地，所述感应装置包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于测量与地磁线平行的方向上的地磁强度分量Xn，所述第二传感器用于测量与地磁线垂直的方向上的地磁强度分量Yn。
本发明一种天线，其内设有上述的方位角测量装置，使得该天线可以实现方位角的测量与监控，并且具有较高的精确度。
一种方位角测量系统，包括上述的天线和与天线内的测量主板电连接的手持设备，以借助该手持设备在测量装置完成自动校正操作后输入绝对方位角偏差补偿值。
一种方位角测量方法，包括以下步骤：采用感应装置实时采集周围空间中的地磁分布信号；驱动感应装置进行螺旋式运动，并持续采集运动过程中周围的地磁分布信号；对感应装置输出的地磁信号实时采样，并利用采样数据结合感应装置的运行轨迹计算出感应装置周围地磁的强度分布图；根据地磁强度分布图利用预设的校正补偿坐标参数对实际感应地磁数据进行校正补偿并计算得出实际方位角测量值。
进一步地，所述测量方法还包括当感应装置旋转至预设阈值并记录测得的数据之后驱使感应装置反向旋转并使之返回初始位置的步骤。
具体地，所述对感应装置输出的地磁信号实时采样包括以下步骤：定义感应装置在进行空间运动前的位置为初始位置，此时感应装置的中心为原点(0,0)、感应装置测得的地磁信号在水平面的地磁强度方向向量为(X0，Y0)；在感应装置进行螺旋式运动时，采集感应装置每旋转预设角度时所测得地磁信号在水平面的方向向量(Xn,Yn)，其中，感应装置的实时采样点方向向量水平分量(Xn，Yn)和初始位置时的方向向量水平分量(X0，Y0)与原点之间的夹角为a,所述预设角度为感应装置测量数据的实时采样点的水平方向向量(Xn,Yn)与前一个采样点水平方向向量(Xn-1,Yn-1)的夹角，n为小于或等于预设阈值的正整数。
具体地，对所述采样数据处理包括以下步骤：根据采样数据利用排序法分别计算地磁在X轴分量的最大值Xmax和最小值Xmin、Y轴分量的最大值Ymax和最小值Ymin；计算获得X轴最大偏置分量Xoffset＝(Xmax+Xmin)/2、Y轴最大偏置分量Yoffset＝(Ymax+Ymin)/2，进而获得所述校正补偿坐标参数(Xoffset,Yoffset)；进而根据地磁强度分布图，基于以下公式对地磁感应测量数据(Xr，Yr)进行校正补偿以获得实际方位角测量值β：
β＝arcTan[(Yr+Yoffset×cosα)/(Xr+Xoffset×sinα)]。
进一步地，所述测量方法还包括在校正补偿之后通过手持设备向方位角测量装置输入绝对方位角偏差补偿值以实现方位角的绝对补偿测量的步骤。
当该测量系统的使用环境发生变化时，重新执行上述校正及补偿步骤，以适应新环境的方位角测量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的方位角测量装置的方框示意图，其中箭头表示的方向为感应装置的运动方向；
图2为本发明的方位角测量系统的示意图，该测量系统应用了图1所示的测量装置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1示出了本发明的方位角测量装置100，包括用于侦测周边地磁信号的感应装置1、用于驱动感应装置1做螺旋运动的驱动装置2、及控制驱动装置2工作并对感应装置1侦测的地磁信号处理及进行内部校正补偿的测量主板3。
所述感应装置1为磁传感器1，其包括第一传感器(图未示，下同)和第二传感器(图未示，下同)，所述第一传感器用于测量与地磁线平行的方向上的地磁强度分量Xn，所述第二传感器用于测量与地磁线垂直的方向上的地磁强度分量Yn，依此得到感应装置1所测得的地磁信号强度值(Xn，Yn)。所述磁传感器1与测量主板3电连接，以将所侦测的地磁信号转换成电信号输出到所述测量主板3中。
所述驱动装置2包括用于驱使感应装置1做圆周运动的水平驱动单元20和驱使感应装置1做上下往返运动的竖直驱动单元29。
所述水平驱动单元20包括与测量主板3电连接的第一电机21和与第一电机21输出轴连接的底座22，所述第一电机21在接收到测量主板3的控制指令后带动所述底座22水平旋转。所述感应装置1固定于所述底座22上，以在所述第一电机21带动下绕电机21的转轴做圆周运动，感应装置1的两个传感器分别测量与地磁线平行方向的地磁强度分量Xn和与地磁线垂直的方向的地磁强度分量Yn，进而侦测该测量装置100周边的地磁分布状况。
所述竖直驱动单元29包括与测量主板3电连接的第二电机23、套设在第二电机23输出轴上的齿轮24及与所述齿轮啮合的齿条25，所述齿条25在第二电机23的带动下进行上下往返运动。所述第一电机21与所述齿条25连接，以使得第一电机21在第二电机23的驱动下上下运动，从而带动感应装置1上下运动。
所述驱动装置2的水平驱动单元20驱使感应装置1做圆周运动，竖直驱动单元29驱使感应装置1上下运动，因而，在两个电机21、23同时工作时，所述感应装置1螺旋式上升或下降，从而增大感应装置1对周围地磁场的数据采样空间，有利于测量数据的全面校正，特别是实现三维空间校正。
本发明的方位角测量装置的工作原理如下所述：
所述感应装置1对周围的地磁信号进行侦测并将侦测结果以电信号的方式传输给所述测量主板3。
所述测量主板3首先对感应装置1输出的地磁信号实时采样，其采样步骤为：
S1:定义感应装置1在未进行空间运动时的位置为初始位置，此时感应装置1的中心为原点(0,0)，被采样的地磁信号在水平面的方向向量为(X0,Y0)，其相对角度为0°，记录并保存在测量主板3内预设的软件查询表中；
S2:输出控制指令驱使驱动装置2带动感应装置1正向旋转；
S3：在感应装置1进行螺旋式空间运动时，记录感应装置1正向旋转1°时所采样的地磁信号在水平方向的向量(X1,Y1)，其相对角度为1°；
S4:依次驱动感应装置正向旋转1°并记录地磁信号在水平方向的向量，期间采样数据表示为(X2,Y2)。。。(Xn-1,Yn-1)、(Xn,Yn)，并在使其达到预设阈值(359°)时停止旋转，记录感应装置停止时地磁信号在水平方向的向量(X359，Y359)；
S5:驱使驱动装置带动感应装置反向旋转359°，使其回到初始位置；
S6:完成数据采样，保存采样数据至软件查询表。
其中，所述感应装置每次旋转的角度为定值并预设在测量主板3中，简称为预设角度，所述预设角度也即感应装置1测量数据的实时采样点的水平方向的向量(Xn,Yn)与前一个采样点的水平方向的向量(Xn-1,Yn-1)的夹角，n为小于或等于预设阈值的正整数。在其他实施方式中，两个采样位置的水平方向向量的夹角还可以为其他预设值，比如2°或0.5°，可由本领域技术人员根据精确度的实际需要设定。同理地，采样数据的旋转角度阈值也可以为其他数值。
继而，所述测量主板3根据采样数据利用排序法计算地磁在X轴分量的最大值Xmax和最小值Xmin以及Y轴分量的最大值Ymax和最小值Ymin,利用上述值计算出X轴最大偏置分量Xoffset＝(Xmax+Xmin)/2及Y轴最大偏置分量Yoffset＝(Ymax+Ymin)/2，得到校正补偿坐标参数(Xoffset,Yoffset)，用以实现内部校正补偿。
最后，所述测量主板3利用上述采样数据并结合感应装置1的运行轨迹计算出感应装置1周围地磁的强度分布图，并利用上述校正补偿坐标参数对实际感应地磁数据进行校正补偿，即地磁测量数据(Xr,Yr)校正补偿后的实际值为(Xr+Xoffset×sinα,Yr+Yoffset×cosα),其中α为第r个实时采样点的水平方向向量(Xr,Yr)与初始位置采样点的水平方向向量(X0,Y0)的夹角,进而通过计算β＝arcTan[(Yr+Yoffset×cosα)/(Xr+Xoffset×sinα)]得出实际方位角测量值β。
本发明的方位角测量装置100在现有的地磁感应装置基础上添加驱动装置来实现感应装置1的螺旋式运动，使得感应装置1可以获取三维空间的地磁强度数据，进而可以在测量主板3内置软件下使得该测量装置100具有自动校正和补偿功能。因此，可以克服由于铁磁环境不同、电磁干扰等因素导致方位角测量不准确的问题。
进一步地，所述驱动装置2还包括套住所述第一电机21并与所述齿条25连接的外壳25，以便于第一电机21的装拆与更换。
在本实施方式中，所述底座由轻质材料比如塑料制成，以便于使用较低功率的电机即可实现本发明的目的。
在另一个实施方式中，本发明的竖直驱动单元还可以替换为升降电机、与升降电机连接的传动系及与传动系连接的丝杠螺母组件，所述螺母与第一电机连接而在电机带动下实现感应装置的升降。
本发明还涉及一种天线，其应用上述方位角测量装置，以测量方位角进而便于方位角的调节，保证天线的正常覆盖。
图2示出了本发明的天线的方位角测量系统(未标号)，包括应用了上述测量装置100的天线400、用于安装天线400的抱杆600、及手持设备500，所述手持设备500与测量装置100中的测量主板3电连接，以在测量主板3校正补偿完成后通过该手持设备500输入方位角绝对偏差值，从而消除绝对方位角偏差。
本发明还涉及一种上述方位角测量系统实施的方位角测量方法，主要包括以下步骤：
(1)测量主板3输出控制指令驱使驱动装置2带动感应装置1进行螺旋式运动；
(2)感应装置1在螺旋式运动过程中侦测该测量装置100周围的地磁信号并以电信号的方式输出给所述测量主板3；
(3)测量主板3对感应装置1输出的电信号进行处理并进行校正补偿后计算实际方位角的角度值。
其中，所述校正补偿方法为：
首先，所述测量主板3对感应装置输出的地磁信号实时采样，其采样步骤为：
S1:定义感应装置1在未进行空间运动时的位置为初始位置，此时感应装置1的中心为原点(0,0)，被采样的地磁信号在水平面的方向向量为(X0,Y0)，其相对角度为0°，记录并保存在测量主板内预设的软件查询表中；
S2:输出控制指令驱使驱动装置带动感应装置正向旋转；
S3：在感应装置进行螺旋式空间运动时，记录感应装置正向旋转1°，时所采样的地磁信号在水平面的分量为(X1,Y1)，其相对角度为1°；
S4:依次驱动感应装置正向旋转1°，期间采样数据表示为(X2,Y2)。。。(Xn,Yn)，并在使其相对角度为359°时停止，停止时记录地磁信号在水平面的分量为(X359，Y359)；
S5:驱使驱动装置带动感应装置反向旋转359°，使其回到初始位置；
S6:完成数据采样，保存数据至软件查询表。
继而，所述测量主板3根据采样数据利用排序法计算地磁在X轴分量的最大值Xmαx和最小值Xmin以及Y轴分量的最大值Ymax和最小值Ymin,利用上述值计算出X轴最大偏置分量Xoffset＝(Xmax+Xmin)/2及Y轴最大偏置分量Yoffset＝(Ymax+Ymin)/2，得到校正补偿坐标参数(Xoffset,Yoffset)，用以实现内部校正补偿。
最后，测量主板3利用上述采样数据并结合感应装置1的运行轨迹计算出感应装置周围地磁的强度分布图，进而利用上述校正补偿坐标参数对实际感应地磁数据进行校正补偿，即地磁测量数据(Xr,Yr)校正补偿后的实际值为(Xr+Xoffset×sinα,Yr+Yoffset×cosα),其中α为第r个采样点水平面方向向量(Xr,Yr)与初始位置方向向量(X0,Y0)的夹角,进而通过计算β＝arcTan[(Yr+Yoffset×cosα)/(Xr+Xoffset×sinα)]得出实际方位角测量值β。
换言之，测量主板3对感应装置1输出的电信号进行处理具体包括以下步骤：
(3.1)测量主板3对电信号进行实时采样；
(3.2)测量主板3结合感应装置1的运行轨迹绘制该测量系统周围的地磁强度分布图；
(3.3)测量主板3根据地磁强度分布图利用预设的校正补偿参数进行校正补偿处理。
其中，校正补偿参数由上述采样数据计算得出。
另外，由于地磁分布不均匀，导致方位角测量值与地理绝对值之间存在偏差，且该偏差只能通过外部输入进行校正，因而，为了使方位角的测量更为精确，还包括在校正补偿之后(即步骤(3.3)之后)通过手持设备500输入绝对方位角偏差补偿值的绝对方位角偏差补偿步骤(4)。
所述绝对方位角偏差补偿步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)获取校正补偿之后的当前方位角测量值Αm以及当前方位角绝对真实值Αr，计算绝对方位角偏差值Αoffset＝Αr-Αm；
(4.2)通过手持设备500向方位角测量装置输入绝对方位角偏差补偿值Αoffset；
(4.3)方位角测量装置100在测量时通过计算arcTαn(Yr+Yoffset×cosα)/(Xr+Xoffset×sinα)+Αoffset得出绝对方位角补偿后的实际方位角测量值，实现方位角的绝对补偿测量。
此外，当该测量系统的使用环境发生变化时，重新执行上述校正及补偿步骤，以适应新环境的方位角测量及监控。
由于本发明的测量装置100可以对地磁强度进行侦测、校正补偿，因而避免了铁磁、电磁等干扰对方位角测量的影响，有效地解决了天线安装及运行过程中的天线方位角测量与监控的问题，本发明的方位角测量系统在满足基站天线对方位角测量功能的同时，还降低了成本。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种方位角测量装置，其特征在于，包括感应装置、驱动装置及测量主板；
所述感应装置包括与测量主板连接的磁传感器，所述磁传感器用于侦测周边的地磁分布状况；
所述驱动装置与所述感应装置和所述测量主板连接，以在驱动装置接收到控制指令时带动感应装置进行螺旋式空间运动；
所述测量主板在感应装置进行螺旋式空间运动时对感应装置输出的地磁信号实时采样，并利用采样数据结合感应装置的运行轨迹计算出感应装置周围地磁的强度分布，以及利用校正补偿坐标参数对实际感应地磁数据进行校正补偿、计算得出实际方位角测量值。
2.根据权利要求1所述的方位角测量装置，其特征在于，所述驱动装置包括驱使感应装置做圆周运动的水平驱动单元和驱使感应装置上下运动的竖直驱动单元，并且所述水平驱动单元和竖直驱动单元均与所述测量主板电连接。
3.根据权利要求2所述的方位角测量装置，其特征在于，所述水平驱动单元包括与测量主板电连接的第一电机和与第一电机输出轴连接并由第一电机驱动绕第一电机输出轴转动的底座，所述感应装置设于所述底座上。
4.根据权利要求3所述的方位角测量装置，其特征在于，所述竖直驱动单元包括与测量主板电连接的第二电机、套设在第二电机输出轴上的齿轮、及与齿轮啮合以由第二电机驱动上下运动的齿条，所述第一电机与所述齿条连接。
5.根据权利要求1所述的方位角测量装置，其特征在于，所述感应装置包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于测量与地磁线平行的方向上的地磁强度分量Xn，所述第二传感器用于测量与地磁线垂直的方向上的地磁强度分量Yn。
6.一种天线，其内设有权利要求1至5任一项所述的方位角测量装置。
7.一种方位角测量系统，其特征在于，包括权利要求6所述的天线和与天线内的测量主板电连接的手持设备，以借助该手持设备在测量装置完成自动校正操作后输入绝对方位角偏差补偿值。
8.一种方位角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用感应装置实时采集周围空间中的地磁分布信号；
驱动感应装置进行螺旋式运动，并持续采集运动过程中周围的地磁分布信号；
对感应装置输出的地磁信号实时采样，并利用采样数据结合感应装置的运行轨迹计算出感应装置周围地磁的强度分布图；
根据地磁强度分布图利用预设的校正补偿坐标参数对实际感应地磁数据进行校正补偿并计算得出实际方位角测量值。
9.根据权利要求8所述的方位角测量方法，其特征在于，还包括当感应装置旋转至预设阈值并记录测得的数据之后驱使感应装置反向旋转并使之返回初始位置的步骤。
10.根据权利要求8或9所述的方位角测量方法，其特征在于，所述对感应装置输出的地磁信号实时采样包括以下步骤：
定义感应装置在进行空间运动前的位置为初始位置，此时感应装置的中心为原点(0,0)、感应装置测得的地磁信号在水平面的地磁强度方向向量为(X0，Y0)；
在感应装置进行螺旋式运动时，采集感应装置每旋转预设角度时所测得地磁信号在水平面的方向向量(Xn,Yn)，其中，感应装置的实时采样点方向向量水平分量(Xn，Yn)和初始位置时的方向向量水平分量(X0，Y0)与原点之间的夹角为a,所述预设角度为感应装置测量数据的实时采样点的水平方向向量(Xn,Yn)与前一个采样点水平方向向量(Xn-1,Yn-1)的夹角，n为小于或等于预设阈值的正整数。
11.根据权利要求10所述的方位角测量方法，其特征在于，对所述采样数据处理包括以下步骤：
根据采样数据利用排序法分别计算地磁在X轴分量的最大值Xmax和最小值Xmin、Y轴分量的最大值Ymax和最小值Ymin；
计算获得X轴最大偏置分量Xoffset＝(Xmαx+Xmin)/2、Y轴最大偏置分量Yoffset＝(Ymax+Ymin)/2，进而获得所述校正补偿坐标参数(Xoffset,Yoffset)；
进而根据地磁强度分布图，基于以下公式对地磁感应测量数据(Xr，Yr)进行校正补偿以获得实际方位角测量值β：
β＝arcTan[(Yr+Yoffset×cosα)/(Xr+Xoffset×sinα)]。
12.根据权利要求11所述的方位角测量方法，其特征在于，还包括在校正补偿之后通过手持设备向方位角测量装置输入绝对方位角偏差补偿值以实现方位角的绝对补偿测量的步骤。
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