CN107710282B - 用于用户终端放置的仰角估计装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的装置和方法，包括：凸图像反射表面；透明照准表面，其设置在凸图像反射表面上方；以及仰角极限标记，其形成于照准表面之上或之中。仰角极限标记在凸图像反射表面中产生限定地球地平线以上的仰角的反射图像，凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在仰角以下，以使得用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。

Description

用于用户终端放置的仰角估计装置和方法
技术领域
本公开涉及非同步卫星通信系统的用户终端。更具体地，本公开涉及一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角以帮助用户恰当地定位用户终端以使得用户终端具有无遮挡天空视野的装置和方法。
背景技术
当前正在开发用于为地球上的任何位置提供低成本宽带因特网服务的卫星系统。此类系统通常包含将因特网链接到一队非同步卫星的网关天线，所述一队非同步卫星继而链接到定位在地球上的廉价用户终端。用户终端向住宅和企业递送因特网连接性。
上文提及的廉价用户终端包含天线，该天线要求对大片天空的视野在所有方位角方向上(向北方向、向南方向、向东方向和向西方向)均不受遮挡，以便不中断地从卫星接收服务。树木、建筑物和山脉必须在所有方位角方向上都保持在特定仰角(地平线(即，大地与天空看似会合的线)以上的角度)以下。在世界上的一些地方，最大仰角可以低至约45度。在2015年2月20日申请并且标题为“User Terminal Having A Linear Array Antenna WithElectronic And Mechanical Actuation System”的美国申请序列号14/627,577中描述了此类用户终端的实例。
具有最少专业知识的个别用户可能会装配并且安装用户终端，因此，他们必须能够以一种方式将用户终端定位在他们的住宅、企业等处，使得用户终端具有无遮挡天空视野。
为了维持低成本因特网服务，用户应能够在无专业辅助的情况下安置、装配、安装和定位其用户终端。因为用户终端必须在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野，在一些应用中低至在地平线以上约45度的仰角，所以用户正确地定位和安置其用户终端的能力是一项重大挑战。当前，用户通过在视觉上估计终端是否具有无遮挡天空视野来定位和安置其用户终端，这常常导致高达10度的误差以及丢失期的问题。可以使用测定设备来帮助正确地安置和定位用户终端，但此类设备昂贵且需要专业操作技能。
关于为用户终端提供无遮挡天空视野的问题在电信领域中是新问题。较老的无线通信网络使用不受树木、建筑物和类似障碍物影响的较低射频。以较高频率操作的较新通信系统仅需要天线沿着至同步卫星的一条不变视线具有清晰视野。然而，例如美国申请序列号14/627,577中描述的廉价用户终端要求对天空的视野在所有方位角方向上均不受遮挡，以便避免由天空受阻挡部分导致的时间长得令人无法接受的丢失期。
需要一种廉价且容易使用的装置和方法来允许用户准确地估计一个或多个周围物体的仰角，使得用户可以安置和定位非同步卫星通信系统的用户终端，从而使得所述用户终端在低至约45度仰角的所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。
发明内容
本文公开的是一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的装置。在各种实施例中，装置可以包括：凸图像反射表面；透明照准表面，其设置在凸图像反射表面上方；以及仰角极限标记，其形成于照准表面之上或之中；其中仰角极限标记在凸图像反射表面中产生限定地球地平线以上的仰角的反射图像，凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在仰角以下，以便用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。
在一些实施例中，由仰角极限标记限定的仰角可以包括最大仰角。
在一些实施例中，装置可以进一步包括形成于照准表面之上或之中的至少第二仰角极限标记，第二仰角极限标记在凸图像反射表面中产生限定地球地平线以上的至少第二仰角的反射图像，在凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在第二仰角以下，以使得用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。
在一些实施例中，标记可以包括圆。
在一些实施例中，仰角极限标记可以同心。
在一些实施例中，装置可以进一步包括瞄准线标记，该瞄准线标记形成于照准表面之上或之中并且与凸图像反射表面的极点轴向对准。
在一些实施例中，瞄准线标记可以包括十字。
凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体的反射图像可以形成于凸图像反射表面后方。
在一些实施例中，如果一个或多个物体的反射图像基本上在仰角极限标记的反射图像之外，那么估计一个或多个物体在仰角以下。
在一些实施例中，如果一个或多个物体的反射图像的一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内，那么估计一个或多个物体在仰角以上。
在一些实施例中，凸图像反射表面可以包括凸面镜。
在一些实施例中，照准表面可以包括透明屏幕。
在一些实施例中，装置可以进一步包括在照准表面与凸图像反射表面之间延伸的管状间隔物。
在一些实施例中，装置可以包括预先组装的整体单元。
在一些实施例中，装置可以包括用户进行组装的未组装套件。
本文进一步公开的是一种用户终端，该用户终端包括天线和用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的上述装置。
本文进一步公开的是一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法。在各种实施例中，方法可以包括：将凸图像反射表面置于用户终端上或邻近处；通过透明照准表面来观看凸图像反射表面，透明照准表面具有形成于照准表面之上或之中的仰角极限标记，该仰角极限标记在凸图像反射表面中产生限定地球地平线以上的仰角的反射图像，凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在仰角以下，以使得用户终端在所有方位角方向上都具有无遮挡天空视野；以及观察一个或多个物体的反射图像是在仰角极限标记的反射图像之外还是其一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内，其中如果一个或多个物体的反射图像基本上在仰角极限标记的反射图像之外，那么估计一个或多个物体在仰角以下，并且如果一个或多个物体的反射图像的一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内，那么估计一个或多个物体在仰角以上。
在一些实施例中，在观察一个或多个物体的反射图像是基本上在仰角极限标记的反射图像之外还是其一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内之前，方法可以进一步包括：聚焦于在照准表面之上或之中形成的瞄准线标记；以及使瞄准线标记与在凸图像反射表面内形成的瞄准线标记的反射图像轴向对准。
在各种其它实施例中，用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法可以包括：在置于用户终端上或邻近处的凸图像反射表面中产生仰角极限标记的反射图像，该仰角极限标记限定地球地平线以上的仰角，凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在仰角以下，以使得用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野；以及在凸图像反射表面中产生一个或多个物体的反射图像，其中如果一个或多个物体的反射图像基本上在仰角极限标记的反射图像之外，那么估计一个或多个物体在仰角以下，并且如果一个或多个物体的反射图像的一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内，那么估计一个或多个物体在仰角以上。
在一些实施例中，使用透明照准表面来产生仰角极限标记的反射图像，透明照准表面具有在照准表面之上或之中形成的仰角极限标记。
附图说明
图1A是根据本公开的仰角估计装置的实施例的透视图。
图1B是图1A中示出的仰角估计装置的侧面正视图。
图1C是图1A中示出的仰角估计装置的俯视平面图。
图2是仰角估计装置的另一实施例的俯视平面图。
图3是包含仰角估计装置的用户终端的透视图。
图4A是示出约0.76米的用户观察高度的仰角估计装置的俯视平面图。
图4B是示出约1.5米的用户观察高度的仰角估计装置的俯视平面图。
图5描绘仰角估计装置的用户和操作。
图6A是示出用户终端周围的物体的虚拟图像的仰角估计装置的俯视平面图，该虚拟图像基本上出现在仰角极限圆的反射虚拟图像之外，从而指示估计凸图像反射表面的视场中的物体(且因此用户终端)在所需最大仰角以下。因此，用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。
图6B是示出用户终端周围的物体的虚拟图像的仰角估计装置的俯视平面图，其中物体中的一个或多个出现在仰角极限圆的反射虚拟图像之内，从而指示估计凸图像反射表面的视场中的物体(且因此用户终端)在所需最大仰角以上。因此，用户终端在至少一个方位角方向上具有被遮挡天空视野。
图7是示出用于使用本公开的装置来估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法的实施例的流程图。
图8是示出用于使用本公开的装置来估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法的另一实施例的流程图。
具体实施方式
图1A至图1C共同示出了根据本公开的用于允许用户准确地估计一个或多个周围物体的仰角的仰角估计装置10的实施例。装置10包括凸图像反射表面20、与凸图像反射表面20轴向对准并且设置在凸图像反射表面上方的平坦透明照准表面30，以及在照准表面30与凸图像反射表面20之间延伸的管状间隔物40。
如图1B中示出，凸图像反射表面20具有穿过图像反射表面20的极点P(凸图像反射表面20的几何中心)和曲率中心C的主轴线A。在一些实施例中，凸图像反射表面20可以包括具有半球(球体的一半)形状或亚半球(小于球体的一半)形状。在其它实施例中，凸图像反射表面20可以包括能够反射图像的具有半球形状或亚半球形状的任何其它合适的装置或设备。
如图1C中示出，照准表面30的一些实施例可以包括平坦透明屏幕。照准表面30可以具有圆形轮廓，照准表面30的直径Dss等于或略微大于凸图像反射表面20的直径Drs，并具有高于凸图像反射表面20的极点P的高度H。
仍然参照图1C，照准表面30进一步包括预定直径的圆形标记(仰角极限圆)32。仰角极限圆32的直径、凸图像反射表面的直径Drs、照准表面的直径Dss和在凸图像反射表面20的极点P上方的照准表面30的高度选择成使得当用户观看仰角极限圆32在凸图像反射表面20中的反射虚拟图像V时，仰角极限圆32在凸图像反射表面20中的反射虚拟图像V限定地平线以上的最大仰角，其中装置10(且因此用户终端)周围的物体，例如，树木、建筑物、山脉和其它结构，在凸图像反射表面20的视场(FOV)中必须保持在该最大仰角以下，以使得用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野，并且因此可以从卫星不中断地接收服务。仰角极限圆32可以包括，无限制性地，在照准表面30的外表面30o或内表面30i(图1B)上印刷的暗色圆、在照准表面30的外表面30o或内表面30i之中或之上形成的圆形脊状物、珠子或凹槽，及其任何组合。在优选实施例中，对仰角极限圆32的直径、凸图像反射表面的直径Drs、照准表面的直径Dss和在凸图像反射表面20的极点P上方的照准表面30的高度进行选择，以在凸图像反射表面20中形成仰角极限圆32的限定45度+/-1.0度的最大仰角的反射虚拟图像V。在其它实施例中，可以对仰角极限圆32的直径、凸图像反射表面的直径Drs、照准表面的直径Dss和在凸图像反射表面20的极点P上方的照准表面30的高度进行选择，以在凸图像反射表面20中形成仰角极限圆32的限定45度以上或以下的任何其它所需最大仰角的反射图像V。如图2中示出，照准表面30的一些实施例可以包括在凸图像反射表面20中分别具有反射图像V-l和V2的直径不同的两个或更多个同心圆形标记或仰角极限圆32-1和32-2，其对应于地平线以上的不同最大仰角，装置10周围的物体必须保持在该最大仰角以下。
再次参照图1C，照准表面的一些实施例可以进一步包括第二标记34(瞄准线标记)，该第二标记34定位在仰角极限圆32的中心。瞄准线标记应与凸图像反射表面20的极点P(图1B)轴向对准，并且位于凸图像反射表面20的主轴线A上。第二标记34可以包括暗色十字或者在照准表面30的外表面30o或内表面30i上印刷、嵌入或以其它方式形成的其它合适标记。
装置10的凸图像反射表面20、透明照准表面30和管状间隔物40可以均由塑料或任何其它合适的材料制成，并且以相对较低的尺寸公差进行制造。在一些实施例中，装置10的凸图像反射表面20、透明照准表面30和管状间隔物40可作为预先组装的整体单元制造和销售。在其它实施例中，装置10可作为套件制造和销售，其中由用户将装置10的凸图像反射表面20、透明照准表面30和管状间隔物40中的一个或多个组装在一起。在其它实施例中，装置10可以是用户终端的一部分。在2015年2月20日申请并且标题为“User Terminal Having ALinear Array Antenna With Electronic And Mechanical Actuation System”的美国申请序列号14/627,577中描述了此类用户终端的实例。美国申请序列号14/627,577的全部公开内容以引用方式并入本文。如图3中示出，可以将这些实施例中的装置10集成到用户终端50的外壳52中或者附接到外壳、邻近于用户终端的天线54。
凸图像反射表面20必须大到足以在约0.25米至约1.5米的任何用户观察者距离下从上方看到，其中用户观察者距离是在用户U的眼睛与装置10的照准表面30之间测得。图4A示出了约0.76米的用户观察高度下的装置10，图4B示出了在约1.5米的用户观察高度下的装置10。
在仰角圆32在凸图像反射表面20中的反射图像V限定45度+/-1.0度的最大仰角的一个说明性实施例中，凸图像反射表面20可以具有约50mm的直径Drs(图1C)和约40mm(图1B)的曲率半径R。此外，照准表面可以具有约60mm的直径Dss(图1C)或宽度、在凸图像反射表面20的极点P上方约10mm的高度H(图1B)，并且仰角极限圆32可以具有约58mm的直径。装置10的其它实施例可以具有不同于上文列举的尺寸的一个或多个尺寸。
现在将参考图5描述仰角估计装置10的使用和操作。然而，在使用装置10之前，用户应安置和定位用户终端(未展示)，使得天线水平(相对于地面)。可以使用任何常规水平指示仪器(例如，气泡水平仪)来确定天线是否水平。此类仪器可以与用户终端的外壳分开或者被集成到外壳中。如果将仰角估计装置10集成到用户终端50中，如图3中示出，那么当天线54水平时，装置10应为水平。如果装置10与用户终端分开，那么应将装置10置于用户终端上并且与用户终端的天线一起保持水平。如图5中示出，用户U随后朝下看装置10的照准表面30，并且使眼睛聚焦于凸图像反射表面20的主轴线A上。当在凸图像反射表面20的FOV中的物体O在无穷远处或者在图像反射表面20的极点P与无穷远之间时，该物体在凸图像反射表面20中的反射图像将被视为是虚拟的(例如，照准表面反射的虚拟图像V1、FOV反射的虚拟图像V2)，因为反射图像在图像反射表面20的极点P与主焦点F(主轴线A上在反射之后平行于主轴线A行进的光射线看似会合的点)之间形成于图像反射表面20后方。用户U必须使眼睛与凸图像反射表面20的极点P对准。照准表面30的瞄准线标记34通过允许用户U将头一直移动到直至看到瞄准线标记34的虚拟图像V3并且瞄准线标记34自身共同对准(类似于瞄准枪)来促进此操作，如图4A和图4B中所示。如图6A和图6B中所示，用户U可以通过观察物体O的反射虚拟图像V5相对于仰角极限圆32在凸图像反射表面20中的反射虚拟图像V定位在何处，来估计物体O的仰角。
再次参照图6A，如果每个物体的整个反射虚拟图像V5基本上出现在仰角极限圆32的反射虚拟图像V之外，从而指示估计凸图像反射表面20(和因此用户终端)的FOV中的物体在所需最大仰角以下，那么确认用户终端被适当安置和定位。因此，用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。如果物体中的一个或多个的反射虚拟图像V5的一部分看似基本上在仰角极限圆32在凸图像反射表面20中的反射虚拟图像V之内，如图6B中所示，那么这指示估计这些物体在所需最大仰角以上。因此，用户终端在至少一个方位角方向上具有对天空的被遮挡视野。因此，应重新安置或重新定位和安置用户终端，以使得物体中的每一个的反射虚拟图像V5基本上出现在仰角极限圆32在凸图像反射表面20中的反射虚拟图像V之外。
本公开的仰角估计装置10允许用户以约1度到2度的准确性来估计周围物体的仰角(假设用户终端是水平的)。因此，装置10允许用户以约10倍于现有技术估计方法的准确性来估计周围物体的仰角，在现有技术估计方法中，用户仅使用眼睛来直接估计物体的仰角。此高准确度的原因在于，物体距凸图像反射表面20比距照准表面30远得多。因此，其反射虚拟图像的物理大小仅取决于物体的仰角，而不取决于到物体的距离。
另外，准确性不受用户的头相对于照准表面30的高度影响，只要用户经由照准表面30的瞄准线标记34使眼睛与凸图像反射表面的极点P对准即可，如图4A和图4B中所示。
图7是示出用于使用本公开的装置10来估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法的实施例的流程图。在框60中，将凸图像反射表面置于用户终端上或邻近处。在框62中，通过透明照准表面观看凸图像反射表面，该透明照准表面具有形成于照准表面之上或之中的仰角极限标记。在框64中，用户观察一个或多个物体的反射图像是基本上在仰角极限标记的反射图像之外还是其一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内。如果一个或多个物体的反射图像基本上在仰角极限标记的反射图像之外，那么估计一个或多个物体在仰角以下，并且如果一个或多个物体的反射图像的一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内，那么估计一个或多个物体在仰角以上。在一些实施例中，在执行框64之前，用户可以聚焦于在照准表面之上或之中形成的瞄准线标记，并且使瞄准线标记与凸图像反射表面的极点轴向对准。
图8是示出用于使用本公开的装置10来估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法的另一实施例的流程图。在框70中，在已经置于用户终端上或邻近处的凸图像反射表面中产生仰角极限标记的反射图像。在框72中，在凸图像反射表面中产生一个或多个物体的反射图像。如果一个或多个物体的反射图像基本上在仰角极限标记的反射图像之外，那么估计一个或多个物体在仰角以下，并且如果一个或多个物体的反射图像的一部分基本上在仰角极限标记的反射图像之内，那么估计一个或多个物体在仰角以上。在一些实施例中，使用透明照准表面来执行框70，透明照准表面具有在照准表面之上或之中形成的仰角极限标记。
虽然已经依据说明性实施例描述了仰角估计装置和方法，但所述方法和装置并不受此限制。而是，所附权利要求书应广泛地解释为包含本领域技术人员在不脱离装置和方法的等效物的范围的情况下可做出的其它变型和实施例。

Claims (19)

1.一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的装置，所述装置包括：
凸图像反射表面；
透明照准表面，其设置在所述凸图像反射表面上方；以及
仰角极限标记，其形成于所述透明照准表面之上或之中；
其中，所述仰角极限标记在所述凸图像反射表面中产生限定地球地平线以上的仰角的反射图像，所述凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在所述仰角以下，以使得所述用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括形成于所述透明照准表面之上或之中的至少第二仰角极限标记，该第二仰角极限标记在所述凸图像反射表面中产生限定地球地平线以上的至少第二仰角的反射图像，所述凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在所述第二仰角以下，以使得所述用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述仰角极限标记包括圆。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述仰角极限标记包括同心圆。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括瞄准线标记，该瞄准线标记形成于所述透明照准表面之上或之中并且与所述凸图像反射表面的极点轴向对准。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述瞄准线标记包括十字。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体的反射图像形成于所述凸图像反射表面后方。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，如果所述一个或多个物体的反射图像在所述仰角极限标记的反射图像之外，那么估计所述一个或多个物体在所述仰角以下。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，如果所述一个或多个物体的反射图像的部分在所述仰角极限标记的反射图像之内，那么估计所述一个或多个物体在所述仰角以上。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述凸图像反射表面包括凸面镜。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透明照准表面包括透明屏幕。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括在所述透明照准表面与所述凸图像反射表面之间延伸的管状间隔物。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括预先组装的整体单元。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括用户组装的未组装套件。
15.一种用户终端，包括外壳、设置在该外壳内的天线，以及设置在该外壳的外表面上或嵌入外表面中的根据权利要求1所述的装置。
16.一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法，所述方法包括：
将凸图像反射表面置于所述用户终端上或邻近处；
通过透明照准表面观看所述凸图像反射表面，该透明照准表面具有形成于所述透明照准表面之上或之中的仰角极限标记，所述仰角极限标记在所述凸图像反射表面中产生限定地球地平线以上的仰角的反射图像，所述凸图像反射表面的视场中的所述一个或多个物体必须保持在所述仰角以下，以使得用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野；以及
观察所述一个或多个物体的反射图像是在所述仰角极限标记的反射图像之外还是其部分在所述仰角极限标记的反射图像之内，其中，如果所述一个或多个物体的反射图像在所述仰角极限标记的反射图像之外，那么估计所述一个或多个物体在所述仰角以下，并且如果所述一个或多个物体的反射图像的一部分在所述仰角极限标记的反射图像之内，那么估计所述一个或多个物体在所述仰角以上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在观察所述一个或多个物体的反射图像是在所述仰角极限标记的反射图像之外还是其部分在所述仰角极限标记的所述反射图像之内之前，进一步包括：
聚焦于在所述透明照准表面之上或之中形成的瞄准线标记；以及
使所述瞄准线标记与在所述凸图像反射表面内形成的瞄准线标记的反射图像轴向对准。
18.一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法，所述方法包括：
在置于所述用户终端上或邻近处的凸图像反射表面中产生仰角极限标记的反射图像，所述仰角极限标记限定地球地平线以上的仰角，所述凸图像反射表面的视场中的一个或多个物体必须保持在所述仰角以下，以使得用户终端在所有方位角方向上均具有无遮挡天空视野；以及
在所述凸图像反射表面中产生所述一个或多个物体的反射图像，其中，如果所述一个多个物体的反射图像在所述仰角极限标记的反射图像之外，那么估计所述一个或多个物体在所述仰角以下，并且如果所述一个或多个物体的反射图像的部分在所述仰角极限标记的反射图像之内，那么估计所述一个或多个物体在所述仰角以上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，使用透明照准表面来产生所述仰角极限标记的反射图像，所述透明照准表面具有在所述透明照准表面之上或之中形成的仰角极限标记。
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