CN110943298B - 一种基于北斗的散射天线自动对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗的散射天线自动对准方法，属于通信技术领域。该方法包括天线定位定向、将位置信息发送给对方、计算通信方位和俯仰角、完成方位和俯仰的初始对准、进行方位和俯仰的精确对准等步骤。本发明能够准确快速地确定天线的信号最大方向，自动完成天线对准，无需人工参与，大大缩短了系统的开通时间，提高系统的易用性，可应用于散射通信系统以及各种无线定向通信系统中的天线对准。

Description

一种基于北斗的散射天线自动对准方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种基于北斗的散射天线自动对准方法，可应用于散射通信系统中以及各种无线定向通信系统中的天线对准。

背景技术

散射天线对准是散射链路开通的重要步骤，也是关系着散射装备是否好用的关键因素。长期以来，对散射天线对准研究一直没有停止，从依赖频谱仪进行手动对准，到后来的依靠电子罗盘或北斗定位定向进行粗对准，以及根据信号电平进行精确对准。

目前，根据双北斗进行的粗对准由于存在安装偏差，方位存在着偏差；由于双方位置及地形，以及驻车不一定按规定进行调平，俯仰往往不是相对的0度，单独依靠北斗定位定向实现的对准，存在一定的误差，需要根据接收信号电平进行进一步扫描，以确定接收信号的最大方向。

但是，散射传输信道与微波视距信道不同，它不仅传输损耗大幅增加，而且呈现明显的衰落特性。传统的检测接收电平算法主要是时间上的累计平均，对准时间较长。可见，如何快速的实现接收信号检波是天线对准的难点之一，影响着通信系统的使用效果。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于北斗的散射天线自动对准方法，该方法能够快速不停转地完成信号功率检测，并自动进行交互，实现天线的自动快速对准。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于北斗的散射天线自动对准方法，其特征在于，用于实现两个天线之间的对准，包括以下步骤：

1）对两天线分别进行定位定向，得到各天线的位置信息和初始的方位、俯仰状态；

2）通过北斗系统把两天线的位置信息发送给对方，同时在各天线处接收对方发来的位置信息；或在两天线处手动输入对方的位置信息；

3）根据双方位置信息计算出两天线的通信方位和通信距离，并在具有高程信息的地图上计算出两天线的俯仰角；

4）根据初始方位状态以及步骤3）所得的通信方位，完成两天线的方位初始对准；根据初始俯仰状态以及步骤3）所得的俯仰角，完成两天线的俯仰初始对准；

5）两天线约定一方为主站，另一方为从站；

6）主站天线不动，从站天线按照步骤X1）和X2）的方式进行对准；从站对准完毕，发送指令给主站；

7）从站天线不动，主站天线按照步骤X1）和X2）的方式进行对准；主站对准完毕，发送指令给从站；

8）完成天线对准；

所述的步骤X1）为：本站天线在本天线方位初始对准位置±5度的范围内进行方位的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各方位点的功率值，通过曲线拟合得到方位与功率的拟合曲线，根据该拟合曲线计算出功率最大值所对应的方位角度，控制本天线转到该方位角度；

所述的步骤X2）为：本站天线在本天线俯仰初始对准位置±3度的范围内进行俯仰的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各俯仰点的功率值，通过曲线拟合得到俯仰与功率的拟合曲线，根据该拟合曲线计算出功率最大值所对应的俯仰角度，控制本天线转到该俯仰角度。

进一步的，步骤X1）和X2）中所述的匀速转动的转速≤0.5°/s。

进一步的，步骤X1）和X2）中所述的实时检测并记录接收信号功率，其检波采样率≥100Hz。

进一步的，步骤X1）和X2）中所述的曲线拟合为依据最小二乘法进行的四阶函数拟合。

一种基于北斗的散射天线自动对准方法，其特征在于，用于实现两个天线之间的对准，包括以下步骤：

1）对两天线分别进行定位定向，得到各天线的位置信息和初始的方位、俯仰状态；

2）通过北斗系统把两天线的位置信息发送给对方，同时在各天线处接收对方发来的位置信息；或在两天线处手动输入对方的位置信息；

3）根据双方位置信息计算出两天线的通信方位和通信距离，并在具有高程信息的地图上计算出两天线的俯仰角；

4）根据初始方位状态以及步骤3）所得的通信方位，完成两天线的方位初始对准；根据初始俯仰状态以及步骤3）所得的俯仰角，完成两天线的俯仰初始对准；

5）两天线约定一方为主站，另一方为从站；

6）主站天线不动，从站天线按照步骤X1）和X2）的方式进行对准；从站对准完毕，发送指令给主站；

7）从站天线不动，主站天线按照步骤X1）和X2）的方式进行对准；主站对准完毕，发送指令给从站；

8）完成天线对准；

所述的步骤X1）为：本站天线在本天线方位初始对准位置±5度的范围内从起点到终点进行方位的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各方位点的功率值，通过曲线拟合得到方位与功率的第一拟合曲线；然后再从终点到起点进行方位的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各方位点的功率值，通过曲线拟合得到方位与功率的第二拟合曲线；对第一、第二拟合曲线求平均，根据平均后的拟合曲线计算出功率最大值所对应的方位角度，控制本天线转到该方位角度；

所述的步骤X2）为：本站天线在本天线俯仰初始对准位置±3度的范围内从起点到终点进行俯仰的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各俯仰点的功率值，通过曲线拟合得到俯仰与功率的第三拟合曲线；然后再从终点到起点进行俯仰的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各俯仰点的功率值，通过曲线拟合得到俯仰与功率的第四拟合曲线；对第三、第四拟合曲线求平均，根据平均后的拟合曲线计算出功率最大值所对应的俯仰角度，控制本天线转到该俯仰角度。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1、本发明基于曲线拟合的思想，通过寻求平滑曲线使得该曲线与实际数据之间的平均误差达到最小，从而快速得到接收电平的变化趋势，找到信号最大位置，实现天线对准。

2、本发明的天线精确对准过程中，信号功率检波无需天线停止转动，可在不停歇匀速过程中快速实现检波。

3、本发明方法易于实现天线的自动对准，从而无需人工参与。

总之，本发明能够使天线快速不停转地完成信号功率检测，并自动进行交互，实现天线的自动快速对准，给用户良好的应用体验。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明。

一种基于北斗的散射天线自动对准方法，其特征在于，用于实现两个天线之间的对准，包括以下步骤：

1）对两天线分别进行定位定向，得到各天线的位置信息和初始的方位、俯仰状态；

2）通过北斗系统把两天线的位置信息发送给对方，同时在各天线处接收对方发来的位置信息；或在两天线处手动输入对方的位置信息；

3）根据双方位置信息计算出两天线的通信方位和通信距离，并在具有高程信息的地图上计算出两天线的俯仰角；

4）根据初始方位状态以及步骤3）所得的通信方位，完成两天线的方位初始对准；根据初始俯仰状态以及步骤3）所得的俯仰角，完成两天线的俯仰初始对准；

5）两天线约定一方为主站，另一方为从站；

6）主站天线不动，从站天线按照步骤X1）和X2）的方式进行对准；从站对准完毕，发送指令给主站；

7）从站天线不动，主站天线按照步骤X1）和X2）的方式进行对准；主站对准完毕，发送指令给从站；

8）完成天线对准；

所述的步骤X1）为：本站天线在本天线方位初始对准位置±5度的范围内进行方位的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各方位点的功率值，通过曲线拟合得到方位与功率的拟合曲线，根据该拟合曲线计算出功率最大值所对应的方位角度，控制本天线转到该方位角度；

所述的步骤X2）为：本站天线在本天线俯仰初始对准位置±3度的范围内进行俯仰的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各俯仰点的功率值，通过曲线拟合得到俯仰与功率的拟合曲线，根据该拟合曲线计算出功率最大值所对应的俯仰角度，控制本天线转到该俯仰角度。

此外，为了提高拟合曲线的准确性，也可以在步骤X1）和X2）中使天线进行正反两次转动，进行两次曲线拟合，并取两个拟合曲线的平均结果作为计算方位角和俯仰角的依据。

具体的，上述方法需要两个天线分别执行以下步骤：

1）对本天线进行定位定向，得到本天线的位置信息和初始的方位、俯仰状态；

2）通过北斗把本端位置信息发送至对端，或预设站点，在本端手动输入对端的位置信息；

3）根据双方位置信息计算出本端的通信方位和通信距离，并在具有高程信息的地图上计算出本端的俯仰角；

4）本端天线根据自己的初始天线方位以及计算出的通信方位完成本天线的方位初始对准，同时根据自己的初始俯仰方位以及计算出的俯仰角完成俯仰的初始对准；

5）对端天线不动，本端天线在初始方位对准位置±5度的范围内进行方位的匀速转动，实时检测记录接收信号功率，并以曲线拟合的方式拟合出反映接收信号变化趋势的功率曲线，计算出功率的最大值所对应的方位角度，控制本天线转到该方位角度；

6）对端天线不动，本端天线在初始俯仰对准位置±3度的范围内进行俯仰的匀速转动，实时检测记录接收信号功率，并以曲线拟合的方式拟合出反映接收信号变化趋势的功率曲线，计算出功率的最大值所对应的俯仰角度，控制本天线转到该俯仰角度；

7）向对端天线发送对准完成指令；

8）本端天线不动，等待对端天线完成方位和俯仰的精确对准；

9）收到对端天线的对准完成指令，完成天线对准。

其中，根据散射的快衰落特性，为了控制对准精度，步骤5）-6）中匀速转动的转速应不超过0.5°/s。

根据散射信号快衰落特性，一般衰落速率为十几Hz至0.1Hz之间，根据采样定理，为使检波信号不失真的反映散射信道快衰落特性，步骤5）-6）中检测记录接收信号功率的信号功率检波采样率应不低于为100Hz。

此外，采样过程中，为了保证方位/俯仰点与功率值的良好对应关系，应使天线状态需与信号功率检测同步记录。

上述方法中，通过曲线拟合的方法，可以表现两个函数变量之间的关系和变化趋势，拟合曲线并不要求经过每一个已知数据点，而是按照整体拟合数据的误差最小。默认的拟合目标是最小方差最小，即最小二乘法拟合数据。通过多次试验，本方法最终选择了四阶拟合函数。该拟合函数即可以满足拟合曲线精度要求，同时计算难度不大，可方便硬件实现。

上述方法易于实现自动化控制，从而无需人工参与，大大提高了工作效率。

本发明方法为了解决以往天线对准过程由于检测接收信号功率需要的时间长、对准精度较差的问题，提出了一种新型的对准方法。该方法首先进行天线的初始对准，然后基于曲线拟合的思想，寻求平滑曲线使得该曲线与实际数据之间的平均误差达到最小，从而快速得到接收电平的变化趋势，找到信号最大位置，实现天线的精确对准。

本发明能够准确快速地确定天线的信号最大方向，自动完成天线对准，无需人工参与，大大缩短了系统的开通时间，提高系统的易用性，可应用于散射通信系统以及各种无线定向通信系统中的天线对准。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种基于北斗的散射天线自动对准方法，其特征在于，用于实现两个天线之间的对准，包括以下步骤：

1)对两天线分别进行定位定向，得到各天线的位置信息和初始的方位、俯仰状态；

2)通过北斗系统把两天线的位置信息发送给对方，同时在各天线处接收对方发来的位置信息；或在两天线处手动输入对方的位置信息；

3)根据双方位置信息计算出两天线的通信方位和通信距离，并在具有高程信息的地图上计算出两天线的俯仰角；

4)根据初始方位状态以及步骤3)所得的通信方位，完成两天线的方位初始对准；根据初始俯仰状态以及步骤3)所得的俯仰角，完成两天线的俯仰初始对准；

5)两天线约定一方为主站，另一方为从站；

6)主站天线不动，从站天线按照步骤X1)和X2)的方式进行对准；从站对准完毕，发送指令给主站；

7)从站天线不动，主站天线按照步骤X1)和X2)的方式进行对准；主站对准完毕，发送指令给从站；

8)完成天线对准；

所述的步骤X1)为：本站天线在本天线方位初始对准位置±5度的范围内进行方位的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各方位点的功率值，通过曲线拟合得到方位与功率的拟合曲线，根据该拟合曲线计算出功率最大值所对应的方位角度，控制本天线转到该方位角度；

所述的步骤X2)为：本站天线在本天线俯仰初始对准位置±3度的范围内进行俯仰的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各俯仰点的功率值，通过曲线拟合得到俯仰与功率的拟合曲线，根据该拟合曲线计算出功率最大值所对应的俯仰角度，控制本天线转到该俯仰角度；

步骤X1)和X2)中所述的实时检测并记录接收信号功率，其检波采样率≥100Hz。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗的散射天线自动对准方法，其特征在于，步骤X1)和X2)中所述的匀速转动的转速≤0.5°/s。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗的散射天线自动对准方法，其特征在于，步骤X1)和X2)中所述的曲线拟合为依据最小二乘法进行的四阶函数拟合。

4.一种基于北斗的散射天线自动对准方法，其特征在于，用于实现两个天线之间的对准，包括以下步骤：

1)对两天线分别进行定位定向，得到各天线的位置信息和初始的方位、俯仰状态；

2)通过北斗系统把两天线的位置信息发送给对方，同时在各天线处接收对方发来的位置信息；或在两天线处手动输入对方的位置信息；

3)根据双方位置信息计算出两天线的通信方位和通信距离，并在具有高程信息的地图上计算出两天线的俯仰角；

4)根据初始方位状态以及步骤3)所得的通信方位，完成两天线的方位初始对准；根据初始俯仰状态以及步骤3)所得的俯仰角，完成两天线的俯仰初始对准；

5)两天线约定一方为主站，另一方为从站；

6)主站天线不动，从站天线按照步骤X1)和X2)的方式进行对准；从站对准完毕，发送指令给主站；

7)从站天线不动，主站天线按照步骤X1)和X2)的方式进行对准；主站对准完毕，发送指令给从站；

8)完成天线对准；

所述的步骤X1)为：本站天线在本天线方位初始对准位置±5度的范围内从起点到终点进行方位的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各方位点的功率值，通过曲线拟合得到方位与功率的第一拟合曲线；然后再从终点到起点进行方位的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各方位点的功率值，通过曲线拟合得到方位与功率的第二拟合曲线；对第一、第二拟合曲线求平均，根据平均后的拟合曲线计算出功率最大值所对应的方位角度，控制本天线转到该方位角度；

所述的步骤X2)为：本站天线在本天线俯仰初始对准位置±3度的范围内从起点到终点进行俯仰的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各俯仰点的功率值，通过曲线拟合得到俯仰与功率的第三拟合曲线；然后再从终点到起点进行俯仰的匀速转动，同时实时检测并记录接收信号功率，得到各俯仰点的功率值，通过曲线拟合得到俯仰与功率的第四拟合曲线；对第三、第四拟合曲线求平均，根据平均后的拟合曲线计算出功率最大值所对应的俯仰角度，控制本天线转到该俯仰角度；

步骤X1)和X2)中所述的实时检测并记录接收信号功率，其检波采样率≥100Hz。