CN110741272A - 无线电信标系统 - Google Patents

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Abstract

一种被配置为帮助一个或多个无人飞行器(UAV)的自主飞行的无线电信标系统，其中，所述无线电信标系统包括：‑无人机装置(200)，其被配置为安装在UAV上并且包括无线电收发器；以及‑无线电信标装置(100)，其被配置为安装在地面上并且包括：N个天线阵列(110、120)，其中，N≥2；被配置为与无人机装置(200)的无线电收发器通信的一个或多个无线电收发器；以及至少一个处理单元(130)，其中，每个天线阵列(110、120)具有与相应的波束成形电子权重w(n,m)相关联的M个天线元件(115、125)，其中，M≥2，n的范围为1至N，m的范围为1至M，其中，所述至少一个处理单元(130)被配置为执行用于帮助UAV的自主飞行的自适应波束成形方法。

Description

无线电信标系统
技术领域
本发明涉及一种以高效的、可靠的、多用途的、极其精确的且便宜的方式使得可以帮助无人飞行器(UAV)(也被称为无人机)的自主飞行的无线电信标系统和相关方法，所述系统需要低的环境和视觉影响，因为必要的设备需要低能量，涉及低功率射频发射，具有容易适应环境(并且能够隐藏于环境中)的有限大小。
背景技术
已知的是，尽管最初是为了军事应用而开发的，但是在过去的几十年，无人机已经越来越多地用于民事应用，诸如监视、检查、包裹递送、飞行员训练、游戏和爱好。特别是，基础设施中的应用是投资监视、检查、维护和资产清查，在这个背景下，用于检查输送系统运营商(TSO)和配送系统运营商(DSO)的资产(诸如电线、天然气和其他可再生能源发电厂)的应用是特别令人关注的。
UAV技术的领域中的运营商已经开发了用于UAV(无人机)定位和降落、以及估计距离和到达角度(特别是通过使用天线阵列)的系统，诸如文档US2017059688中所公开的UAV机上的机电自适应天线跟踪设备、文档WO2015160230A1和US5716032中所公开的降落系统、以及US7580378、WO2001094974A2和WO1996025673A1中所公开的用于估计距离的系统。
此外，基于用于推导移动目标或固定目标的相对坐标或绝对坐标的信号处理技术的定位系统(其中天线阵列的使用通常与目标接收的信号的到达角度的估计有关联)已经如例如D.Macagnano等人在“A comprehensive tutorial on localization:Algorithmsand performance analysis tools”,International Journal of Wireless InformationNetworks(国际无线信息网络期刊),第19卷，第4期，第290-314页，2012年中所示的那样被公开。
此外，用于参考地形的UAV定位的系统(其中通过将测得的图像或信号与已知的模式进行比较来推导UAV位置)已经如例如S.Carreno等人在“A Survey on Terrain BasedNavigation for UAVs”,OCEANS 2010 MTS/IEEE，第1-7页，2010年中所提及的那样被公开。
而且，基于相位干涉法的系统已经被采用用于UAV应用，其中，如R.F.Hanssen在“Radar Interferometry:Data Interpretation and Error Analysis”,NetherlandsKluwer,2001年中和A.Moreira等人在“A tutorial on synthetic aperture radar”，IEEEGeoscience and Remote Sensing Magazine(IEEE地球科学和遥感杂志)，第1卷，第1期，第6-43页，2013年3月中所公开的，根据在接收器处测得的相位差来推导或处理信号源的定位。
然而，这样的现有技术的解决方案有一些缺点，主要是由于如下事实：UAV应用特别需要比现有技术中的技术所达到的空间分辨率高的空间分辨率以及还界定区域、而不是单个的点的能力。此外，现有技术的解决方案涉及复杂的结构和处理技术，这些是因此是昂贵的，并且通常需要极其高的发射功率级，使这样的解决方案对于普遍的UAV应用是不可行的。
发明内容
因此，本发明的目的是以高效的、可靠的、多用途的、极其精确的且便宜的方式帮助UAV的自主飞行。
本发明的另外的目的是以低能量要求、低功率射频发射以及有限的大小设备来提供这样的帮助。
本发明的特定的主题是如权利要求1中所限定的、用于帮助UAV的自主飞行的自适应波束成形方法。
从属权利要求中限定了自适应波束成形方法的进一步的实施例。
如权利要求10中所限定的、被配置为帮助一个或多个无人飞行器的自主飞行的无线电信标系统也是本发明的特定的主题。
本发明是一种无线电信标系统，该系统被配置为基于借助于交通工具在其中飞行的区域和交通工具在其中被允许飞行或者不被允许飞行的地区(在下面被称为“界定地区”)的识别而支持飞行交通工具(例如，UAV)的精确定位的方法来帮助UAV的自主飞行。不是像现有技术的定位系统中那样的单个的点，这样的界定地区可以是3D地区(即，空间体积)、2D地区(即，表面)和1D地区(即，线)、以及单个的点。
所述系统由两个主要装置组成：安装在UAV上的无人机装置和安装在地面上的无线电信标装置。无人机装置是简单的射频收发器(在下面，也被简单地指示为无线电收发器)，而无线电信标装置包含使得所述系统可以适当地操作的组件：两个或更多个天线阵列、一个或多个射频收发器(在下面，也被简单地指示为无线电收发器)、用于实现根据本发明的方法的(至少)一个处理单元(例如，微处理器)、以及可选地、(至少)一个降落台。通过在预定义的协议(不过这样的协议不是本发明的必要特征)上交换无线电封包而实现的、无人机装置和无线电信标装置之间的交互提供对相对于无线电信标装置在地面上的地点定位UAV有用的信息，因此，使得无线电信标装置可以通过无人机装置将适当的命令发送到UAV飞行板，以便使UAV极其精确地跟随可能包括用于降落的下降线或者由用于降落的下降线组成的飞行路线。
由无线电信标装置执行的、根据本发明的方法基于用于界定围绕无线电信标装置的地区并且通过测度分辨率的优化来提高该地区的识别精度的自适应波束成形；特别地，根据本发明的方法利用无线电系统的物理层所获得的一个或多个信号量测度，并且，根据它们，改动天线阵列的波束成形权重以用于改进无线电信标装置周围的一个或多个界定地区的识别精度。事实上，根据本发明的方法所实现的自适应波束成形适应UAV海拔和位置，于是适应信号量测度范围，以便随着UAV离信标的距离改变，提高分辨率。这不同于现有技术的系统，在现有技术的系统中，波束成形通常与飞行交通工具的到达角度的搜索或估计有关联。换句话说，根据本发明的方法使得可以解释来自无人机装置的无线电信号并且通过无人机装置将实现两个主要结果的适当的命令返回到UAV飞行板：(i)非飞行地区的界定以及(ii)飞行地区的界定，直到识别特定点或特定点序列(轨迹)，其包括地面上的降落(通常在同一无线电信标装置台上)。
根据本发明的无线电信标系统和相关方法相对于现有技术的解决方案的主要优点是可负担的成本下的定位精度。
事实上，根据本发明的无线电信标系统被配置为以高精度识别空间(其可以是3D地区、2D地区、1D地区或单个的点)中的一个或多个一般区域。
根据本发明的无线电信标系统可以用于自主检查，这使得需要减少地面上的专门人员，因此，降低成本并且避免操作者检查危险的工厂的风险。此外，根据本发明的无线电信标系统可以用于自主包裹递送，这使搞错对象的包裹递送的风险大大地最小化，并且消除了对于地面交通工具运输的需要，因此降低了燃料成本和交通工具队伍成本。
有利地，根据本发明的无线电信标系统可以被应用于UAV队伍提供的任何可能的服务，诸如监视、检查、包裹递送、飞行员训练、游戏和爱好。
附图说明
现在将根据本发明的优选实施例、以例示说明的方式、而非限制的方式，通过具体地参照附图中的各图来描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的无线电信标系统的第一实施例的无线电信标装置的顶部平面图；
图2示意性地示出图1的无线电信标系统的一部分的透视图；
图3示出图1的无线电信标系统的阵列方向性功能的例子；
图4示出图2的无线电信标系统处理的信号的曲线图的例子；
图5示意性地示出图1的无线电信标装置的框图；
图6示意性地示出根据操作模式的、图2的无线电信标系统；
图7示意性地示出根据本发明的自适应波束成形方法的优选实施例的框图；
图8a示意性地示出根据本发明的无线电信标系统的第二实施例的无线电信标装置的一部分的顶部平面图，图8b示意性地示出图8a的无线电信标装置识别的界定地区的顶部平面图；
图9a示意性地示出根据本发明的无线电信标系统的第三实施例的无线电信标装置的一部分的顶部平面图，图9b示意性地示出图9a的无线电信标装置识别的界定地区的顶部平面图；
图10a示意性地示出根据本发明的无线电信标系统的第四实施例的无线电信标装置的一部分的顶部平面图，图10b示意性地示出图10a的无线电信标装置识别的两个界定地区的顶部平面图；
图11a示意性地示出根据本发明的无线电信标系统的第一实施例的无线电信标装置的线性天线阵列的布置的顶部平面图，图11b绘制对于波束成形电子权重的三个不同的集合、作为UAV从10米的海拔h处的地点(x,y)＝(0,0)沿着图11a中的箭头识别的对角线方向移动的距离d的函数的、两个阵列“阵列1”和“阵列2”的输出处的信号之间的相位差；以及
图12a示意性地示出图11a的无线电信标装置的线性天线阵列的布置的顶部平面图，其中，界定地区是y＝0处的平面，图12b绘制对于波束成形电子权重的两个不同的集合、作为UAV离高于地面10米的海拔h(h＝10m)处的地点(x,y)＝(0,0)的距离d的函数的、两个阵列“阵列1”和“阵列2”的输出处的信号之间的RSSI差。
在各图中，相同的标号将用于相似的元件。
具体实施方式
在以下描述中，将主要论述根据本发明的无线电信标系统和相关方法的第一实施例，其包括具有两个平行的线性天线阵列的一个无线电信标装置和一个无人机装置。然而，必须理解，根据本发明的无线电信标系统和相关方法可以具有多个无人机装置和/或多个无线电信标装置，并且无线电信标装置可以具有被配置为执行波束成形的任何配置的天线阵列，例如，二维或圆形阵列和多于两个的天线阵列，这仍保持在所附权利要求限定的本发明的保护范围内。
参照图1和图2，无线电信标系统的第一实施例包括安装在地面上的无线电信标装置100和安装在UAV(未示出)上的无人机装置200，无人机装置200设有无线电收发器。
无线电信标装置100具有两个平行的线性天线阵列110和120，每个分别具有(从顶部看)在图中用正方形表示的四个天线元件115和125。然而，必须注意到，无线电信标装置100可以具有任何N个天线阵列，其中N≥2，和/或每个天线阵列可以具有任何M个天线元件，其中M≥2。此外，无线电信标装置100设有处理单元130(例如，其包括一个或多个处理器，如图5所示)，处理单元130被配置为通过用1至N＝2的范围内的n(索引n指示电子权重所属的第n天线阵列)和1至M＝4的范围内的m(索引m指示考虑中的电子权重与其相关联的第n天线阵列的第m天线元件)修改与M个阵列元件115和125中的每个相关联的波束成形电子权重w(n,m)的集合来在N个天线阵列110和120中执行波束成形。
假定参考系是具有x轴的笛卡尔坐标系，x轴平行于两个天线阵列110和120沿着其延伸的线，并且与这些线等距，天线元件间隔Δx通常全都等于波长λ的分数，通常为λ/2，天线元件间隔Δy可以根据无线电信标装置100的大小限制和关于界定地区的范围考虑来选择。UAV高于地面的海拔h、因此无人机装置200的海拔h相对于平面(x,y)或z＝0(即，相对于地面)被测量，而无人机装置200离天线阵列110和120的中心的距离用d1和d2指示。应注意到，在图中，测度和大小不是按比例的：h、d1和d2通常比无线电信标装置100的大小、Δx和Δy高得多。
如图3和图6所示，两个天线阵列110和120(沿着平行于x轴的线延伸)被配置为使它们自己的阵列方向性功能1100和1200的主波束1150和1250相对于平行于z轴的、穿过相同的天线阵列110和120的各自的中心的轴线、分别以等于+θ和-θ的相反角度转向。就这一点而言，虽然图6示意性地表示这样的操作模式，但是图3分别示出了两个天线阵列110和120的精确的阵列方向性功能1100和1200的例子。因此，两个天线阵列110和120处的接收信号强度强度(也被称为RSSI)(即，接收信号的功率)将是不同的，因为沿着x轴的、相对于无人机200的位置的波束方向是不同的。同时，如图2所示，两个天线阵列110和120处的RSSI的差值ΔRSSI仅在平面(y,z)(其中，x＝0)限定的第一(平面)界定地区DZI1上将正好等于0(零)，即，ΔRSSI＝0。显然，实际上，该平面不是无限的，因为在实践中，它受信号发射范围的限制；同时，条件ΔRSSI＝0意义明确地识别x＝0的邻域(无线电信标位于该领域中)中的DZI1，即，直到阵列的旁瓣在ΔRSSI＝0表征的空间中产生其他地区。就这一点而言，图4示出了当无人机装置200沿着点(-x0,-y0,h＝10m)和(+x0,-y0,h＝10m)之间的线移动时作为无人机装置200沿着x轴的位置的函数的差值ΔRSSI的例子。换句话说，当无线电信标装置100处理的信号量测度为RSSI时，两个天线阵列110和120的两个主波束1150和1250被相对于平面(y,z)(其中，x＝0)旋转相反的角度，以便借助于测度ΔRSSI＝0来识别第一界定地区DZI1。
当信号量测度是相位测度时，类似的考虑是有效的，前提条件是正交方向被考虑。事实上，每个天线阵列输出处的信号相位α取决于传播路径的长度和天线阵列给予的项。因此，当来自无人机装置200的正弦信号被两个天线阵列110和120接收到时，两个天线阵列110和120的输出之间的相位差Δα仅在平面(x,z)(其中，y＝0)限定的第二(平面)界定地区DZI2(在图1中的(x,y)平面中示出)上等于0(零)，即，Δα＝0，其中第二界定地区DZI2与第一界定地区DZI1是正交的。再次，条件Δα＝0在y＝0的邻域中意义明确地识别DZI2，因为众所周知的是，与传播路径相关联的相位是用等于波长的周期性来表征的，该周期性对应于360°旋转；当接收器使用传播时间、而不是相位作为信号量测度时，该歧义性是不存在的。
如图5更详细地所示的，无线电信标装置100的两个天线阵列110和120中的每个设有用于每个天线元件115和125的乘法器116和126，其中，每个乘法器116或126被配置为将相应的天线元件115或125处接收的信号乘以相应的波束成形电子权重w(n,m)。每个天线阵列110和120的四个乘法器116和126后面接着是对应的加法器117和127，加法器117和127确定天线阵列110和120的阵列方向性功能1100和1200的特性。处理单元130被配置为从加法器117和127的输出信号估计信号量测度，即，在这种情况下，RSSI和/或信号相位α(如图5中的方框131和132所表示)和它们的差值ΔRSSI和/或Δα(如图5中的方框133所表示)。此外，处理单元130被配置为执行稍后将详细描述的、根据本发明的自适应波束成形方法(可能借助于用图5中的标号134表示的至少一个特定的微处理器)。
一般来说，无线电信标装置100处理的信号量测度可以是与无人机装置200和无线电信标装置100之间的距离相关的任何物理参数。特别地，无线电信标装置100可选地被配置为对从包括RSS、相位旋转和传播时间或者由RSSI、相位旋转和传播时间组成的一组物理参数选择的至少一个信号量测度进行处理。
无线电信标装置具有如下能力：利用通过波束成形权重集合提供的自由度来改进发送到UAV以供遵守界定地区的命令的分辨率以及因此的准确度。
在信号量是RSSI的情况下，可以通过使用使波束转向的具有相同振幅和不同相位的波束成形电子权重来提高测度分辨率，以便改进相对于UAV离界定地区的距离的变化的局部信号强度变化(将通过发明的方法的步骤E中的附加细节来说明本发明的这个特点)。
在信号量测度是相位旋转的情况下，不同于信号量测度是RSSI的情况(其中，所有的波束成形电子权重w(n,m)通常，即使没有必要，都具有等于1的规范化振幅)，可以通过使用不具有相同振幅的波束成形电子权重w(n,m)来提高角度分辨率。根据本发明的方法执行的处理提高了来自关于UAV正在跟随的特定轨迹积累较高相位差的天线元件对的信号贡献。举例来说，而非限制，当将被发送到无人机的允许的命令的类型是在与阵列的特定几何布局和/或无人机方位无关的并且不能被根据本发明的系统控制或改变的特定轨迹上“返回”或“前进”时，这是有用的。在这种情况下，根据本发明的系统能够增强来自天线元件的响应，其确保对于相位变化的更好的响应。
图11a示出了根据本发明的无线电信标系统的第一实施例的无线电信标装置的线性天线阵列的布置的顶部平面图(其中，视点被顺时针旋转，由此，x轴和y轴相对于图1来说彼此交换)，所述无线电信标装置包括被指示为“阵列1”和“阵列2”的两个线性天线阵列，每个天线阵列分别具有四个天线元件(从顶部看，这些天线元件用正方形表示)；根据本发明的系统能够根据例如其上安装无人机装置的UAV的方位和/或轨迹来局部地改动权重并且提高相对于相位旋转的准确度。界定地区是x＝0处的平面(在图11a中被示为线)，该平面由在平行于y轴的两个阵列“阵列1”和“阵列2”处接收的相等相位识别。图11b绘制了对于波束成形电子权重w1＝w(1,m)和w2＝w(1,m)(其中，m的范围为1至4)的三个不同的集合SW1、SW2和SW3、作为其上安装无人机装置的UAV离高于地面10米的海拔h(h＝10m)处的地点(x,y)＝(0,0)的距离d的函数的、两个阵列“阵列1”和“阵列2”的输出处的信号之间的相位差，并且其正沿着图11a中的箭头识别的对角线方向(该对角线方向是由于例如前面的命令和/或轨迹而导致的)移动。可以观察到，相对于波束成形电子权重的初始集合SW3，对于使UAV在地点(x,y)＝(0,0)处稳定，集合SW1或集合SW2是优选的，因为相位差关于离界定地区的距离的一阶导数更高，从而相对于界定地区来说对于其上安装无人机装置的UAV的局部位置变化提供更高的灵敏度，并且提供更好的准确度。类似地，通过还考虑SNR，波束成形电子权重的集合可以被优化，以更好地对UAV沿着任何方向的局部位置变化做出响应。
在信号量测度是传播时间T的情况下，清楚的是，它通过以下关系与相位旋转严格相关：
其中，ftx是根据本发明的系统的无人机装置和无线电信标装置的射频收发器发射(和接收)的信号的频率。因此，使用传播时间作为信号量测度等同于关于界定地区周围的小尺度变化使用相位旋转(因为相位利用明显受360°周期的限制)。根据这些限制，RSSI可以用作用于界定地区的大尺度(或粗略)确定的信号量测度，而相位旋转(或传播时间)可以有利地用于界定地区的小尺度(或精细)确定，因此，准确度更高。
换句话说，根据本发明的方法使得可以使用不同的物理参数来定义界定地区和更新波束成形电子权重w(n,m)：例如，首先，用于界定地区的粗略定义的RSSI，然后，用于相对于界定地区的位置的更精细验证的相位旋转或传播时间。
此外，一般来说，无线电信标装置100具有N个天线阵列，其中，N≥2。
此外，无线电信标装置100每个天线阵列设有一个无线电收发器，即，具有被配置为与无人机装置200的无线电收发器通信的两个无线电收发器(图中未示出)。
应注意到，在根据本发明的无线电信标系统的其他实施例中，无线电信标装置可以仅设有一个无线电收发器。在这种情况下，获得对于每个天线阵列的信号量测度所需的、无线电信标装置的单个无线电收发器和无人机装置的无线电收发器之间的信号通信通过使用无线电信标装置的相同的单个无线电收发器顺序地发生(即，对于每个天线阵列的信号通信序列)，这是可行的，因为其上安装无人机装置的UAV的移动时间比电子处理响应时间长几个数量级。这需要无线电信标装置的单个无线电收发器可以在UAV明显地改变其相对于无线电信标装置的位置(即，其坐标)之前被顺序地、更多次地用于所有的天线阵列。类似地，应注意到，在根据本发明的无线电信标系统的其他实施例中，无线电信标装置可以设有偶数个天线阵列，这些天线阵列的信号被成对地并且仅用一对无线电收发器处理：在这种情况下，获得对于每对天线阵列的信号量测度所需的、无线电信标装置的一对无线电收发器和无人机装置的无线电收发器之间的信号通信通过使用无线电信标装置的这样的一对无线电收发器顺序地发生。
假定无线电信标装置100根据采样周期TS进行操作，那么第n天线阵列在采样时间tk＝kTS处理的信号量测度Mn,k(dn)(其中，n的范围为1至N(其中，对于图中所示的第一实施例，N＝2))取决于无线电信标装置100的第n天线阵列(的中心)离无人机装置200的距离dn。
基于所有的N个天线阵列的N个信号量测度Mn,k(dn)，由无线电信标装置执行的、根据本发明的自适应波束成形方法的优选实施例输出：
-在命令时间tj＝jTC时用于其上安装无人机装置200的UAV的自主飞行或修正的一个或多个命令Cj的集合，其中，TC是命令周期，其中，一个或多个命令Cj的这样的集合通过无人机装置200被发送到UAV飞行板，以便使UAV保持在通过N个信号量测度Mn,k(dn)识别的一个或多个界定地区的内部或外部，以及
-与N个天线阵列中的每个的M个阵列元件中的每一个相关联的波束成形电子权重w(n,m)的集合的更新。
一般来说，命令周期TC是采样周期TS的倍数，通常比采样周期TS长得多。典型的命令Cj可以是：在无人机装置200的同一位置中旋转360°以用于增强相位测量；保持同一方向前进；在相反的方向上返回；以及相对于当前飞行方向旋转角度φ，其中，φ可以有利地等于90°或-90°。
更详细地，参照图7，根据本发明的自适应波束成形方法的优选实施例包括以下描述的步骤。
步骤A(700)是将波束成形电子权重w(n,m)设置为初始值w0(n,m)(n＝1,…,N；m＝1,…,M)的初步步骤，其中，初始值w0(n,m)的数组取决于将被使用的选定的信号量测度Mn,k(dn)的类型(例如，RSSI、相位旋转或传播时间)和将被识别的一个或多个界定地区。
在步骤B(710)中，所述方法计算具有P个元素的差矢量，P等于N个元素的2-组合的数量：
Figure BDA0002316011820000121
其中，每个元素是无线电信标装置100的N个天线阵列之中的两个天线阵列的所有的可能的组合之中的一个的差。例如，在N＝2的情况下，P＝1，即，ΔMk具有一个元素：
△Mk＝△Mk(p)＝{M1,k(d1)-M2,k(d2)}，其中，p＝P＝1；
在N＝3的情况下，P＝3，即，ΔMk具有三个元素：
△Mk＝△Mk(p)＝{[M1,k(d1)-M2,k(d2)],[M1,k(d1)–M3,k(d3)],[M2,k(d2)–M3,k(d3)]}其中，p的范围为1至P＝3；在N＝4的情况下，P＝6，即，ΔMk具有六个元素：
△Mk＝△Mk(p)＝{[M1,k(d1)-M2,k(d2)],[M1,k(d1)–M3,k(d3)],[M1,k(d1)–M4,k(d4)],[M2,k(d2)–M3,k(d3)],[M2,k(d2)–M4,k(d4)],[M3,k(d3)–M4,k(d4)]}
其中，p的范围为1至P＝6。
根据本发明的方法的其他实施例可以具有在步骤B中，所述方法将差矢量ΔMk的P个元素中的每个计算为：随着时间的过去(即，沿着一系列Q个采样时间tq＝qTS)的、N个天线阵列之中的两个天线阵列的选定的信号量测度Mn,k(dn)之间的差的连续集合的平均值(可能地，加权平均值)E[ΔMq(p)]，其中，q的范围为(k-Q+1)至k，其中，Q个采样时间包括当前采样时间k和(Q-1)个前面的采样时间；有利地，QTS≤TBF，其中，TBF是波束成形权重更新周期。这样，所述方法能够补偿飞行路线的可能的暂时变化(例如，由于任何突然的暂时事件，比如风)。
必须注意到，在根据本发明的方法的其他实施例中，在步骤B中，所述方法计算具有P’个元素(其中，P’≥1)的差矢量ΔM’k，P’小于N个元素的2-组合的数量，其中，差矢量ΔM’k包括无线电信标装置的N个天线阵列之中的两个天线阵列的所有可能组合的所有可能差的子集，其中，1≤P’<P。
在步骤C(720)中，所述方法将差矢量ΔMk的P个元素与特定目标值的目标矢量ΔMTRG的P个元素进行比较，所述特定目标值定义空间中的界定地区，并且一般来说，可以取决于无人机装置200的海拔h(例如，由无人机装置200和/或无线电信标装置100中包括的GPS传感器或其他适当的设备提供)。换句话说，由目标矢量ΔMTRG定义的界定地区(其可以是3D地区，(即，空间体积)、2D地区(即，表面)、1D地区(即，线)或单个的点)是满足可以如下书写的条件的点的(3D或2D或1D或单个的点)轨迹：
对于在1至P的范围内的每个p，
△Mk(p)＝△MTRG(p),或
△Mk(p)>△MTRG(p),或
△Mk(p)≥△MTRG(p),或
△Mk(p)<△MTRG(p),或
△Mk(p)≤△MTRG(p)
特别地，比较可以包括计算矢量ΔMk的P个元素和目标矢量ΔMTRG的P个特定目标值之间的差，即，计算(ΔMTRG–ΔMk)。此外，关于ΔMk(p)的前面条件中的任何一个可以参照绝对值来书写(例如，|ΔMk(p)|＝|ΔMTRG(p)|)。对于图1、图2和图6所示的无线电信标系统的实施例，其中，N＝2并且P＝1，目标矢量ΔMTRG的(单个)特定目标值可以为空ΔMTRG＝[0]，其中，当信号量测度Mn,k(dn)是RSSI时，界定地区是(y-z)平面DZI1，其中，x＝0(即，垂直于x轴)，或者，当信号量测度Mn,k(dn)是相位旋转α时，界定地区是(x-z)平面DZI2，其中，y＝0(即，垂直于y轴)。如上所述，由目标矢量ΔMTRG定义的界定地区可以是：
-识别地面上的直线(如图1和图2所示)的一个平面，因此，它可以用于给出飞行轨迹或界定禁止地区；
-识别地面上的点(如图1所示)以及可能地用于降落的一个或多个参考下降线的、通常彼此垂直的两个平面；
-可以识别用于自主或辅助UAV飞行的更复杂的禁止区域或飞行走廊和轨迹的、平面的并因此地面上的线和点的一般组合；特别地，区域的这些一般组合可以也用特定的时间计划来产生和管理，以便在特定的逐渐变化的轨迹上帮助UAV飞行。
然而，技术人员紧接着还获得由目标矢量ΔMTRG定义的界定地区的其他配置，可能借助于不同的天线阵列配置来获得。
在步骤D(730)中，所述方法输出在命令时间tj＝jTC时用于其上安装无人机装置200的UAV的自主飞行或修正的一个或多个命令Cj的集合，以便根据在步骤C中N个信号量测度Mn,k(dn)将满足的条件使UAV保持在由目标矢量ΔMTRG定义的界定地区的内部(或外部)，一个或多个命令Cj的这样的集合通过无人机装置200被发送到UAV飞行板。对于图1、图2和图6所示的无线电信标系统的实施例，假定ΔMTRG＝[0]，那么当前ΔMk的符号确定其上安装无人机装置200的UAV是更靠近一个天线阵列、还是更靠近另一个天线阵列，即，当信号量测度Mn,k(dn)是RSSI时，UAV相对于(y-z)平面DZI1来说占据哪一侧，或者，当信号量测度Mn,k(dn)是相位旋转α时，UAV相对于(x-z)平面DZI2来说占据哪一侧。
在步骤E(740)中，所述方法在时间tr＝rTBF更新与N个天线阵列中的每一个的M个阵列元件中的每一个相关联的波束成形电子权重wr(n,m)的集合，其中，TBF是波束成形权重更新周期。波束成形权重更新周期TBF通常是采样周期TS的倍数，通常比TS长得多；权重更新一般取决于以下中的一个或多个：无人机装置200的海拔h、它的当前位置、它的配置(诸如方位和允许的命令的类型)、当前测度、界定地区形状、天线阵列配置、以及根据本发明的方法中的复杂度权衡。
就这一点而言，必须注意到，当命令周期TC和/或波束成形权重更新周期TBF是采样周期TS的倍数时，根据本发明的方法被配置为通过计算时间段上的测度平均值以便减小测度噪声来不仅考虑时间tj＝jTC时和/或时间tr＝rTBF时的信号量测度、而且还考虑随着时间的过去的这样的信号量测度的趋势，从而生成一个或多个命令Cj的集合和/或更新波束成形电子权重wr(n,m)的集合；这样，还可以得到附加信息，例如，查明UAV是更靠近、还是更远离无线电信标装置。
波束成形电子权重wr(n,m)在根据本发明的系统和相关方法中具有双重作用：第一，连同天线阵列布局和目标矢量ΔMTRG，它们识别界定地区(诸如图1和图2所示的DZI1和DZI2)；第二，它们可以被更新和改善(在执行根据本发明的方法期间)以便使界定地区的识别误差最小化，其中，这样的改善可以根据以下中的一个或多个进行：无人机装置200的海拔h(例如，由无人机装置200和/或无线电信标装置100中包括的GPS传感器或其他的适当的设备提供)、它的位置(例如，由GPS传感器提供或者由通过所述方法步骤进行的相同的计算和/或测量提供)、它的配置(例如，方位或可用命令的类型)、差矢量ΔMk(p)的元素的当前值。关于该改善，根据本发明的方法在给定界定地区的情况下使无人机装置200的差矢量ΔMk最大化：在来自目标线的空间距离Δd保持固定的同时、扩大信号量测度的变化范围(即，对于估计无人机装置200相对于无线电信标装置的位置有用的信号)改进了分辨率δ＝Δd/ΔMk。特别地，可以根据以下方式来计算波束成形电子权重wr(n,m)：
a)作为查找表存储在存储器中的固定的预先计算的表格(开环权重控制)；和/或
b)用于优化目标成本函数操作的递归技术(闭环权重控制)。
作为该处理的相关例子，在步骤E(740)中，所述方法更新波束成形电子权重，以用于通过使天线阵列110和120的天线方向性功能1100和1200的主波束1150和1250相对于平行于z轴的、穿过相同的天线阵列110和120各自的中心的轴线转向(即，通过改变角度)来增大当前的ΔRSSI，使无人机装置200的位置保持固定。参照图3和图6，这对应于天线阵列110和120的阵列方向性功能1100和1200的相反角度+θ和-θ的略微增大，以便在无人机装置200的给定海拔h下增大比率ΔMk/Δd，即，增大δ＝Δd/ΔMk。因此，在波束成形权重更新之前，分辨率由以下方程给出：
δinitial＝|x2|/ΔRSSI2_initial
而在波束成形权重更新之后，分辨率由以下方程给出：
δupdated＝|x2|/ΔRSSI2_updated<δinitial
这意味着相同的距离|x2|是用较大的ΔRSSI裕量检查的，导致性能优势和精度提高。在根据本发明的方法的一些实施例中，可以更新波束成形电子权重wr(n,m)以用于提高分辨率并且同时使UAV位置保持固定(即，恒定)，例如，在没有飞行命令传输的时间段内。
作为关于相位测度的例子，所述方法根据以下原则更新波束成形电子权重wr(n,m)：通过使用不一定具有振幅一的权重来提高来自关于UAV正在跟随的特定轨迹积累较高的相位差的多对天线元件的信号贡献(这是有用的，例如，当将被发送到无人机的允许的命令的类型是在与阵列的特定几何布局和/或可以既不受根据本发明的系统控制、也不受根据本发明的系统管理的无人机方位无关的特定轨迹上的“返回”或“前进”时)。因此，根据本发明的系统可以增强来自确保对于相位变化进行更好响应的天线元件的响应(还参见前面对图11a和图11b的说明)。
在步骤E(740)结束时，所述方法可以返回以执行：
-步骤B(710)，直到结束事件发生为止，所述结束事件诸如UAV降落(例如，降落在无线电信标装置100的降落台上)、或者实现差矢量ΔMk的P个元素与目标矢量ΔMTRG的P个目标值的稳定均衡(以使得差矢量ΔMk与目标矢量ΔMTRG的比较在长于稳定阈值时间的时间内满足一个或多个条件(除了容限值之外)；例如，如果在(例如，几秒的)稳定阈值时间内，条件是ΔMk(p)＝ΔMTRG(p)，则当(ΔMTRG-ΔMk)等于0(除了容限值之外)时，实现这样的稳定的均衡)、或者无人机任务结束或无人机装置200从无线电信标装置100的天线阵列110和120的信号发射范围退出；或者
-步骤B(710)，其中，将被使用的信号量测度改变(例如，从RSSI变到相位旋转以便提高界定地区定义中的准确度)，直到结束事件发生为止，所述结束事件诸如UAV降落、或者实现相对于目标矢量ΔMTRG的目标值的稳定均衡、或者无人机任务结束或无人机装置200从无线电信标装置100的天线阵列110和120的信号发射范围退出；或者
-步骤C(720)，其中，界定地区根据UAV的调度的飞行计划或轨迹而改变。
根据本发明，基于步骤A和E(即：界定地区的定义和准确度优化)，识别每个界定地区(其可以是以下中的任何一个：3D地区，即，体积；2D地区，即，平面；1D地区，即，线；单个的点)或界定地区的一部分，并且借助于两阶段机制来优化准确度。
关于界定地区的定义，这些是通过相应的目标矢量ΔMTRG的适当选择而定义的，其对应于图5所示的处理单元130的输出处的一个或多个信号量测度(例如，RSSI和/或相位旋转和/或传播时间)的差。就这一点而言，同一界定地区可以由大于1的多个等同权重矢量组合定义(如果在大多数情况下不是无限的话)。
关于准确度优化，更新根据本发明的方法通过更新波束成形电子权重来逐渐地提高准确度。利用波束成形电子权重矢量的冗余集合来选择在UAV的当前特定配置(参照例如海拔、位置、方位、接受的命令的类型)中、确保更好的性能的那些组合，即，作为位置偏移Δd的函数的、差矢量ΔMk的斜率越大，比率Δd/ΔMk越小。
图12a示出了图11a的无线电信标装置的线性天线阵列的布置的顶部平面图，其中，界定地区是由在两个阵列“阵列1”和“阵列2”处接收的相等的RSSI识别的、y＝0处的平面(在图12a中被示为线)，其中，ΔRSSI＝0。图12b绘制了对于波束成形电子权重w4＝w(1,m)和w5＝w(1,m)(其中，m的范围为1至4)的两个不同的集合SW4和SW5、作为其上安装无人机装置的UAV离高于地面10米的海拔h(h＝10m)处的地点(x,y)＝(0,0)的距离d的函数的、两个阵列“阵列1”和“阵列2”的输出处的信号之间的RSSI差，其中，集合SW4引导阵列方向性功能的主波束成+/-36°的角度，而集合SW5引导阵列方向性功能的主波束成+/-20°的角度。集合SW4和SW5这两个集合将界定地区定义为y＝0处的平面，而当其上安装无人机装置的UAV靠近这样的界定地区时，SW4是优选的，因为它确保作为UAV的位置偏移d的函数的、系统响应(即，RSSI差ΔRSSI)的更好的斜率，从而提供更高的灵敏度和更好的准确度。根据本发明的方法可以在步骤A中使用集合SW5作为波束成形电子权重w(n,m)的初始值，因为它们确保更大的如下地区，在该地区中，来自UAV的信号提供朝向界定地区(在图12b中被指示为“吸引区域”)的有效命令。
显然，UAV的调度的飞行计划或轨迹可以通过不同目标的序列形成，每个目标定义要求UAV到达的界定地区的序列，例如，目标点的序列；在这种情况下，对该序列的每个目标执行根据本发明的方法(其优选实施例在图7中示出)。
必须注意到，在根据本发明的无线电信标系统的其他实施例中，天线阵列的数量N可以大于2(即，N>2)。当无线电信标装置设有偶数N个天线阵列时，这样的天线阵列的信号(因此其波束成形电子权重wr(n,m))可以被成对地处理，以使得每对天线阵列的阵列方向性功能被沿着相反角度、关于角度θ0,u、θ0,u+θu和θ0,u-θu引导，其中，u的范围为1至U＝N/2(在该实施例中，角度θ0,u确定界定地区)；在这种情况下，在步骤E中，根据本发明的方法可以更新波束成形电子权重，以用于通过略微地增大相反的角度θ0,u+θu和减小θ0,u-θu、所以相对于θ0,u增大每对天线阵列的阵列方向性功能之间的角度距离，来增大当前的信号量测度(例如，ΔRSSI)，使无人机装置200的位置保持固定。当无线电信标装置设有奇数N个天线阵列时，这样的天线阵列的信号(因此其波束成形电子权重wr(n,m))可以除了单个“枢转”天线阵列之外被成对地处理，以使得该单个“枢转”天线阵列的阵列方向性功能被沿着角度θ0引导(例如，θ0＝0°，平行于与地面正交的z轴)，并且每对天线阵列的阵列方向性功能被沿着相反的角度θ0,u+θn和θ0,u-θu引导，其中，u的范围为1至U＝(N-1)/2；在这种情况下，在步骤E中，根据本发明的方法更新波束成形电子权重，以用于通过略微地增大每对天线阵列的阵列方向性功能的相反的角度θ0,u+θu和θ0,u-θu、而使单个“枢转”天线阵列的阵列方向性功能的角度θ0保持固定，来增大当前的信号量测度(例如，ΔRSSI)，使无人机装置200的位置保持固定。
然而，还必须注意到，无线电信标装置的天线阵列的信号(因此，其波束成形电子权重wr(n,m))的成对处理、和平行于线性天线阵列的布置(甚至天线阵列的线性配置)都不是本发明必不可少的。
作为第一个例子，图8a示出了根据本发明的无线电信标系统的第二实施例的无线电信标装置的线性天线阵列的布置的顶部平面图，所述无线电信标装置包括两个线性天线阵列110A和120A，每个线性天线阵列分别具有四个天线元件115A和125A(从顶部看，这些天线元件用正方形表示)。在这个第二实施例中，两个线性天线阵列110A和120A沿着分别相对于x轴(和y轴)旋转+45°和-45°的线布置，由此所述两个线性天线阵列110A和120A沿着彼此正交的线、而不是平行的线布置。在这种情况下，当信号量测度Mn,k(dn)是RSSI并且目标矢量ΔMTRG的(单个)特定目标值是空ΔMTRG＝[0]时，通过使用波束成形电子权重以使得天线阵列110A和120A的阵列方向性功能的角度的初始值都为0°，界定地区是由图8b中的在原点处彼此相交的两个垂直线所表示的(y-z)平面DZI1和(x-z)平面DZI2。另外，通过将目标矢量ΔMTRG的(单个)特定目标值设置为等于非常小的值(例如，等于0.2)，原点周围(如图8b所示，实际上在海拔h＝20m处z轴周围)的小区域也通过以下条件、连同(y-z)平面DZI1和(x-z)平面DZI2一起被识别：
△Mk(p)≤△MTRG(p)；
在图8b中，用“X”标记指示的点是满足关于ΔRSSI的这样的条件的那些点。在这种情况下，天线阵列110A和120A的阵列方向性功能的角度的起始值都是0°，即，天线阵列110A和120A的阵列方向性功能平行于z轴。
作为第二个例子，图9a示出了根据本发明的无线电信标系统的第三实施例的无线电信标装置的线性天线阵列的布置的顶部平面图，所述无线电信标装置包括两个线性天线阵列110B和120B，每个线性天线阵列分别具有四个天线元件115B和125B(从顶部看，这些天线元件用正方形表示)。在这个第三实施例中，两个线性天线阵列110B和120B沿着分别平行于x轴和y轴的、靠近原点的线布置，由此所述两个线性天线阵列110B和120B沿着彼此正交的线、而不是平行的线布置。在这种情况下，当信号量测度Mn,k(dn)是RSSI并且目标矢量ΔMTRG的(单个)特定目标值等于非常小的值(例如，等于0.2)时，通过使用波束成形电子权重以使得天线阵列110B和120B的阵列方向性功能的角度的初始值分别为0°和15°，大致以原点为中心(如图9b所示，实际上在海拔h＝20m处z轴周围)的弧状区域(例如，在大约4-5米处)是通过以下条件而识别的：
|△Mk(p)|≤|△MTRG(p)|
该条件可以用于例如在架空电力线的点阵结构周围进行检查；在图9b中，用“X”标记指示的点是满足关于|ΔRSSI|的这样的条件的那些点。
作为第三个例子，图10a示出了根据本发明的无线电信标系统的第四实施例的无线电信标装置的线性天线阵列的布置的顶部平面图，所述无线电信标装置包括三个线性天线阵列110C、120C和140C，每个线性天线阵列分别具有四个天线元件115C、125C和145C(从顶部看，这些天线元件用正方形表示)。在这个第四实施例中，第一线性天线阵列110C、第二线性天线阵列120C和第三线性天线阵列140C平行于x轴布置，由此所述三个线性天线阵列110C、120C和140C是相互平行的。在这种情况下，当信号量测度Mn,k(dn)是RSSI并且目标矢量ΔMTRG包括都等于空的两个特定目标值(因此所述三个元素的子集，其由3个元素的所有可能的2组合构成)、即包括第二天线阵列120C和第一天线阵列110C的RSSI差的目标值以及第三天线阵列140C和第二天线阵列120C的RSSI差的目标值时，通过使用不对称的波束成形电子权重(即，如本发明的其他实施例中那样，不使波束以相反的角度+θu和-θu转向)以使得天线阵列110C、120C和140C的阵列方向性功能的角度的初始值分别为0°、10°和15°，平行于y轴的、在无线电信标装置的右边(即，在正的x坐标处)(如图10b所示，实际上在海拔h＝20m处平行于(y-z)平面DZI1)的走廊是通过以下条件识别的：
|△RSSI2-1|＝|△RSSI2-1_TRG|＝0
|△RSSI3-2|＝|△RSSI3-2_TRG|＝0
该条件可以用于架空电力线的检查；在图10b中，用“X”标记指示的点是满足这样的条件的那些点。通过使天线阵列110C、120C和140C的阵列方向性功能的角度的初始值反向，平行于y轴的、在无线电信标装置的左边(即，在负的x坐标处)(如图10b所示，实际上在海拔h＝20m处平行于(y-z)平面DZI1)的类似的走廊通过相同的条件而被识别。
因此，通过根据本发明的方法实现的自适应波束成形的使用具有双重作用：一方面，地区界定，另一方面，借助于随着UAV靠近目标界定地区更新测度分辨率，精度提高。
相对于现有技术的解决方案、根据本发明的无线电信标系统和相关方法所提供的优点是显而易见的。事实上，根据本发明的无线电信标系统和相关方法实现了高定位精度(例如，相对于GSP传感器等)，其实现是便宜的(例如，当与激光雷达系统相比时)。它与UAV的当前旋转无关，它能够定义一个或多个线限制，它可以管理和控制多个UAV，并且它不需要UAV的绝对方位角或海拔高度的任何获悉。
前面已经描述了本发明的优选实施例并且建议了若干个变型，但是应理解，本领域技术人员可以做出其他的变化和改变，而这样并不脱离所附权利要求所限定的本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种自适应波束成形方法，用于帮助其上安装包括无线电收发器的无人机装置(200)的UAV的自主飞行，所述自适应波束成形方法包括以下步骤：
A.将波束成形电子权重w(n,m)设置(700)为相应的初始值w0(n,m)，其中n的范围为1至N并且m的范围为1至M，其中，波束成形电子权重w(n,m)与安装在地面上的无线电信标装置(100)的N个天线阵列(110、120)相关联，其中N≥2，无线电信标装置(100)包括被配置为与无人机装置(200)的无线电收发器通信的一个或多个无线电收发器，其中，每个天线阵列(110、120)具有M个天线元件(115、125)，其中M≥2，其中，波束成形电子权重w(n,m)的初始值w0(n,m)以相对于与地面正交的轴线彼此不同的角度沿着相应的N个方向引导N个天线阵列(110、120)的阵列方向性功能(1100、1200)的主波束(1150、1250)，由此，当N个天线阵列(110、120)从无人机装置(200)的无线电收发器接收到信号时，与无人机装置(200)和N个天线阵列(110、120)之一之间的距离(dn)相关的、从接收信号的一组物理参数选择的至少一个接收信号量测度Mn,k(dn)对于N个天线阵列(110、120)中的每个天线阵列是不同的；
B.计算(710)具有一个或多个元素的差矢量ΔM’k，所述一个或多个元素至少是在至少一个采样时间tk时、所述至少一个接收信号量测度在N个天线阵列(110、120)之中的两个天线阵列的所有组合中的每个组合之间的差的子集；
C.将差矢量ΔM’k的所述一个或多个元素与目标矢量ΔMTRG的对应的一个或多个目标值进行比较(720)，所述一个或多个目标值定义至少一个界定地区(DZI1；DZI2)；
D.输出(730)一个或多个命令(Cj)的集合以帮助所述UAV关于所述至少一个界定地区(DZI1；DZI2)的自主飞行，并且将所述一个或多个命令(Cj)的集合发送到无人机装置(200)；
E.更新(740)波束成形电子权重w(n,m)，以使差矢量ΔM’k的所述一个或多个元素在海拔h处和/或在无人机装置(200)高于地面的特定位置中最大化，并且返回到执行步骤B，直到结束事件发生为止。
2.根据权利要求1所述的自适应波束成形方法，其中，当从步骤E返回到执行步骤B时，根据步骤B的先前执行改变所述至少一个接收信号量测度。
3.根据权利要求1或2所述的自适应波束成形方法，其中，在从步骤E返回到执行步骤B之后，在步骤C中，将差矢量ΔM’k的所述一个或多个元素与目标矢量ΔMTRG的对应的一个或多个目标值进行比较，所述一个或多个目标值定义与先前定义的至少一个界定地区(DZI1；DZI2)不同的至少一个界定地区(DZI1；DZI2)，由此，UAV的飞行计划的逐渐变化的轨迹被定义。
4.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，所述一组物理参数包括以下参数或者由以下参数组成：接收信号强度强度、相位旋转和传播时间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，差矢量ΔM’k的所述一个或多个元素全都是所述至少一个接收信号量测度在N个天线阵列(110、120)之中的两个天线阵列的所有组合中的每个组合之间的差，由此，差矢量ΔMk具有数量与N个元素的2-组合的数量相等的元素。
6.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，差矢量ΔM’k的所述一个或多个元素中的每个元素是所述至少一个接收信号量测度在N个天线阵列(110、120)之中的两个天线阵列之间的差的时间序列在时间上的平均值E[ΔMq(p)]，可选地，加权平均值。
7.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，目标矢量ΔMTRG的所述一个或多个目标值取决于根据UAV的飞行计划的时间和/或无人机装置(200)高于地面的海拔h。
8.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，所述至少一个界定地区(DZI1；DZI2)是空间体积和/或表面和/或线和/或单个的点。
9.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，所述至少一个界定地区(DZI1；DZI2)随着高于地面的海拔h和/或随着时间而变化。
10.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，在步骤E中，通过根据以下方式计算波束成形电子权重w(n,m)来更新波束成形电子权重w(n,m)：
a)从查找表检索；和/或
b)递归技术操作以优化目标成本函数。
11.根据前述权利要求中任一项所述的自适应波束成形方法，其中，在步骤E中，结束事件是UAV降落、或差矢量ΔM’k的所述一个或多个元素与目标矢量ΔMTRG的所述对应的一个或多个目标值的稳定均衡实现、或无人机任务结束、或无人机装置(200)从N个天线阵列(110、120)的信号发射范围退出。
12.一种无线电信标系统，所述无线电信标系统被配置为帮助一个或多个无人飞行器(UAV)的自主飞行，其中，所述无线电信标系统包括：
-无人机装置(200)，所述无人机装置(200)被配置为安装在UAV上，并且包括无线电收发器，以及
-无线电信标装置(100)，所述无线电信标装置(100)被配置为安装在地面上，并且包括：N个天线阵列(110、120)，其中N≥2；一个或多个无线电收发器，被配置为与无人机装置(200)的无线电收发器通信；以及至少一个处理单元(130)，其中，每个天线阵列(110、120)具有与相应的波束成形电子权重w(n,m)相关联的M个天线元件(115、125)，其中M≥2，n的范围为1至N并且m的范围为1至M，
其中，所述至少一个处理单元(130)被配置为执行根据权利要求1至11中任一项所述的自适应波束成形方法以帮助UAV的自主飞行。
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