CN111971583A - 用于以优化的辐射模式将定位信号传输到流动站的中继平台 - Google Patents

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CN111971583A CN201880084431.7A CN201880084431A CN111971583A CN 111971583 A CN111971583 A CN 111971583A CN 201880084431 A CN201880084431 A CN 201880084431A CN 111971583 A CN111971583 A CN 111971583A
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Abstract

本发明公开了一种天线组件，该天线组件被配置为从具有参考系(x，y，z)的中继平台发射地面定位信号，所述发射处于具有辐射图的至少第一模式，所述辐射图具有至少主瓣，主瓣在(x，z)平面上具有窄孔径而在(y，z)平面上具有宽孔径。它还公开了一种中继平台，该中继平台包括：同步信号的接收机；到包括多个流动站的服务区域的定位信号的发射机；以及天线组件，该天线组件被配置为产生适于根据中继平台和流动站的环境来发送定位信号的辐射图。在许多实施例中，中继平台可以被组织在平台的网络中，该平台的网络可以是主设备和从设备的平台，其从AoS中的流动站接收反馈，以便动态地优化天线元件的配置以基于许多选定的质量指标优化定位的QoS。

Description

用于以优化的辐射模式将定位信号传输到流动站的中继平台
技术领域
本发明涉及用于中继定位信号的平台。
背景技术
导航接收机的使用在日常生活中变得越来越普遍。更为常见的是，汽车的车载电子设备、智能手机、平板电脑和大部分IoT(物联网)设备都包含导航接收机，并且在其上运行的应用程序会捕获有关终端的用户的位置和轨迹的信息作为输入。尽管它们在民用应用中的使用仍然受到安全和保障考虑的限制，但无人机变得越来越流行，并且它们的导航非常依靠于精确的定位。
导航接收机依赖于由中地轨道卫星发射的L波段RF信号，中地轨道卫星通常包括在包括数十个星座以覆盖地球大部分表面的星座中，例如GPSTM(US)、GalileoTM(欧洲)、GlonassTM(俄罗斯)和BeidouTM(中国)。这些星座以GNSS(全球导航卫星系统)的通用缩写来指定。
GNSS载波信号由伪随机码和导航消息调制，该伪随机码和导航消息允许计算接收机与特定卫星之间的伪距。利用最少的四个伪距，确实可以计算接收机的位置、速度和时间(PVT)。
PVT测量受到许多近似和/或误差的影响，其中某些近似和/或误差是所使用的测量原理所固有的(即，由于卫星轨道的变化引起的由于穿过大气即电离层和对流层的RF信号的轨迹的偏差)，是接收机和卫星缺陷所固有的(例如时钟偏差)，或是某一时刻视野中卫星的某些配置所固有的(即卫星在地平线上的高度；可见卫星的低散布-高精度稀释或DOP)。通过使用仅对某些类型的接收机可用的特定处理技术，可以使用许多校正来减轻这些误差。例如，双频接收机可以减轻电离层误差，其精度增益从几十米到几米，并且当与精确的卫星轨道和时钟结合时甚至更好，其从而提供精确的点定位(PPP)，即几十厘米的精度。差分GPS和实时运动学解决方案通过集成外部信息(相对于多个具有已知位置的固定参考站的相对定位)提供了类似的精度。
然而，更难以以一致和有效的方式来减轻一些误差，该误差取决于接收机的位置，特别是当该位置被反射导航RF信号和/或掩盖多个卫星的多个物体围绕时准时，多个卫星在某个时刻应在视线(LOS)中。在这种情况下，在获取GNSS信号时和在跟踪所述信号时，在误差的所有其它原因相等的情况下，PVT的计算精度可能非常差。
多径反射可能会导致重大错误。来自卫星的第一信号在其LOS传播方向上被障碍物反射，然后可能会干扰到达在LOS中的接收机的第二信号，从而影响从LOS信号计算出的伪距值。在城市峡谷中(即高层建筑物之间的街道)，多径不仅会增加确定卫星伪距的误差(用户等效范围误差或UERE)，还会增加(几何)精度稀释，(GDOP或DOP)，因为天线的视场会变窄，从而由于使用附加卫星而限制了精度的提高。
UERE的劣化归因于由跟踪环获取或跟踪的特定卫星的信号损伤。卫星的跟踪依赖于所获取的代码信号与每个卫星特有的代码信号的接收机生成的多个本地副本之间的相关函数的最大化。相关函数将被多径破坏，卫星可能无法正确获取或可能丢失。即使仍然可以进行信号跟踪，信号损伤也会影响相关函数的形状，从而降级伪距估计和UERE。
许多缓解技术依赖于相关器数量的增加来改善受扰环境中接收机的性能。取决于载波信号的波形，也可以添加信号处理技术的多种变体。它们可能会提高接收机视场(FOV)中卫星的伪距测量的质量，但不会改善视野中这些卫星的数量或它们高度的变化。因此，即使使用复杂且昂贵的接收机，在减小接收机的FOV的任何类型的环境中，DOP都会很差。
需要一种解决方案来克服前面提到的缺点，该解决方案在标准GNSS接收机中实现。更具体地说，本发明的中继平台可以被设计和/或配置为改善由最终用户接收机接收的定位信号的质量。
发明内容
为此，本发明公开了一种天线布置，该天线布置用于使用辐射图来分配地面定位信号，该辐射图适合于增加服务区域(AoS)中的传输增益，该服务区域受多径反射的影响并且在其中接收机具有较窄的FOV。本发明还提供了一种中继平台，该中继平台包括同步信号的接收机，地面定位信号的发射机，以及上述类型的发射天线布置。
更精确地，本发明公开了一种天线组件，其被配置为从具有参考系的中继平台发射地面定位信号，所述发射处于具有辐射图的第一模式，所述辐射图具有至少主瓣，所述主瓣在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
有利地，所述辐射图在所述第一参考平面中被改变指向。
有利地，本发明的天线组件包括具有相同形状因子的N个天线元件，N大于一，所述N个天线元件在所述第一水平轴的方向上对准并且间隔均等的距离d。
有利地，所述N个天线元件是以下之一：布局在包括所述第一水平轴和所述第二水平轴的第三参考平面中的贴片天线元件，或者是在所述第一参考平面中竖立的单极、偶极或螺旋元件。
有利地，本发明的天线组件还包括：馈送电路，其被配置为向所述N个天线元件的全部或部分馈送在定位信号的发射机的RF前端处生成的定位信号。
有利地，所述馈送电路包括一个或多个组合器/分配器，所述组合器/分配器被配置为将从定位信号的所述发射机的两个或更多个信道接收的定位信号组合成单个定位信号。
有利地，所述馈送电路包括一个或多个移相器，所述移相器被配置为给予从第一天线元件到该行中的下一个天线元件线性地变化的预定义的相移。
有利地，所述馈送电路包括被配置为激活/去激活所述N个天线元件中的一个或多个的一个或多个开关。
有利地，所述馈送电路包括至少一个数模转换器和波束形成电路。
有利地，本发明的天线组件还包括控制逻辑，所述控制逻辑被配置为生成要发送到所述馈送电路的控制命令，以修改所述第一参考平面中的扇形辐射图的孔径及其改变指向值中的一个或多个。
本发明还公开了一种设计天线组件的方法，所述天线组件适合于从具有参考系的中继平台发射定位信号，所述发射至少处于具有辐射图的第一模式，所述辐射图具有至少主瓣，所述至少主瓣在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
有利地，本发明的方法包括：在所述第一参考平面中定义所述辐射图的至少主瓣的期望孔径的一个或多个值；在所述第一参考平面中定义一个或多个期望的改变指向值；定义要在x方向上以均等的间隔d对准的给定形状因子的一个或多个天线元件的数量N；定义线性地应用到N个天线元件的全部或部分的一个或多个相移
Figure BDA0002557791750000041
值；其中，根据所述期望的孔径的一个或多个值和所述一个或多个期望的改变指向值来选择数量N、间隔d和相移
Figure BDA0002557791750000042
本发明进一步公开了一种定位信号的中继平台，该中继平台具有参考系并且包括：同步信号的接收机；发射机，其被配置为使用所述同步信号来调节一个或多个地面定位信号，所述地面定位信号载有表示位置和时间的导航消息；天线组件，其被配置为至少以具有辐射图的第一模式发射所述地面定位信号，所述辐射图具有至少主瓣，所述主瓣在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
有利地，同步信号的接收机是GNSS接收机。
有利地，所述定位信号是所述GNSS信号的经放大的转置，所述GNSS信号由表示所述中继平台的导航消息进行放大和调制。
有利地，所述定位信号包括伪随机序列和在所述中继平台处生成并表示所述中继平台的导航消息。
有利地，本发明的中继平台还包括使用来自另一个中继平台、流动站或基站中的一个或多个的RF上行链路的一个或多个接收单元。
有利地，发射机还包括处理逻辑(810)，所述处理逻辑被配置为对要发送到所述天线组件以从所述第一发射模式切换到第二发射模式的命令进行获取或生成中的一个。
有利地，要发送到所述天线组件的命令包括所述辐射图的主瓣的孔径角和在所述第一参考平面中的改变指向角中的一个或多个。
有利地，所述命令基于在所述中继平台的服务区域中从流动站接收的所述定位信号的质量指标。
本发明还公开了一种定位流动站的方法，包括：在具有参考帧的中继平台中获取同步信号；在所述中继平台中的定位信号的发射机处使用所述同步信号调节一个或多个地面定位信号，所述地面定位信号载有表示在所述中继平台处的位置和时间的导航消息；将地面定位信号馈送到天线组件；将所述地面定位信号发射到流动站；其中，所述天线组件被配置为至少以具有辐射图的第一模式发射所述地面定位信号，所述辐射图具有至少主瓣，所述主瓣在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
在一个实施例中，流动站和中继平台位于服务区域(AoS)中。
根据本发明，地面定位信号可以是GNSS信号的副本(被放大并携带适当的导航消息)。它们也可能是“类GNSS”的，即包含由伪随机码调制的RF载波波形，从而允许计算流动站(rover)与中继平台之间具有已知坐标和公共时间基准(可能是可以在一个或多个中继平台上接收到的GNSS卫星星座之一的时间参考)的伪距。在一些实施例中，可以使用流动站与多个(3个或更多)中继平台之间的信号的到达时间差(TDoA)来计算流动站的位置。类GNSS的定位信号还携带导航消息，该消息包含中继平台星座的星历表，包括其真实位置。这种类型的实施例是有利的，因为它允许使用标准的GNSS接收机来解码类GNSS的定位信号。同样，当这些地面定位信号具有与GNSS信号相同的时间参考和坐标系时，可以在标准PVT计算中将伪距的组合与基于真实GNSS信号的FOV中的卫星进行混合并且将伪距与基于类GNSS信号的中继平台进行混合。
在一些其他实施例中，地面定位信号可以是未被伪随机码调制的载波。在此类实施例中，使用到达方向(DoA)、到达时间(ToA)、接收信号强度指标(RSSI)或信噪比(SNR)计算中的一项或多项来计算流动站的位置，中继平台的位置对于流动站是已知的，这既可以从通过地面定位信号传输到流动站的导航消息得知，也可以从通过另一条通信链路传输到流动站的导航消息得知。流动站也可以事先知道中继平台的位置，例如，如果它们被包括在流动站所使用的导航系统的地图中，则可选地不时地刷新所述信息。
可以由RF波形发生器和调制器直接生成类GNSS的信号或其他定位信号，以包括伪随机码和/或导航消息。在这种情况下，必须将中继平台中的发射机与公共时间基准进行同步。GNSS信号可能是此单一时间参考的源。同样，GNSS信号可能是非GNSS定位信号的源，RFFE介于GNSS信号的接收机和非GNSS定位信号的发射机之间，以放大该信号并使用另一导航消息调制基带信号，该导航消息包括中继平台的星历(坐标、ID等)。
本发明可以以多种不同的通信架构来实现。
在一些实施例中，可以仅使用下行链路来将定位信号从中继平台传输到流动站来实现本发明。下行链路将使用RF通信介质。
在一些其他实施例中，本发明还可以利用从流动站到中继车辆的上行链路来实现。上行链路可以使用RF或光通信介质。举例来说，可以使用上行链路向中继平台发送在流动站处的定位信号的接收质量的一个或多个指标。这些质量指标可用于调整从中继平台辐射的定位信号的形状，以在确定的AoS中提高服务质量(QoS)。
本发明可以以多种不同的处理架构来实现。中继平台可以完全彼此独立(即，不互连)。在多个实施例中，中继平台可以被同步到公共时间基准，该公共时间基准可以是在中继平台的GNSS接收机处接收到的GNSS星座之一的时间基准。在许多实施例中，AoS中的中继平台之一可以是主中继平台，其通过通信上行链路从流动站接收数据，计算AoS中的中继平台的配置的联合优化，并向从中继平台发送命令。
将定位信号从中继平台传输到流动站的本发明的天线布置可以是选择为很好地适合于AoS的几何参数和环境参数的不同种类。天线布置可以是固定的或适合于在流动站处接收地面定位信号的条件。
由于其多功能性，本发明可以适用于多种使用情况。
例如，它可以用于在诸如城市峡谷之类的困难城市区域中提供定位服务，特别是当强制性要求高完整性和/或高精度和/或高可用性时，例如用于引导自动驾驶汽车或无人机。
本发明还可以临时部署，并且即使在困难的环境中(包括从RF干扰的角度来看)，也可以用于向在地震中被破坏的地区的救援人员提供准确的定位。
根据本发明，提供了一种设计方法，以帮助部署适合于一个或多个AoS的配置的中继平台的基础结构。
附图说明
通过阅读以下仅通过非限制性示例给出的对特定实施例的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，该描述参考附图进行，在附图中：
-图1a表示中继平台的局部参考系的坐标系；
-图1显示了在多个实施例中实施本发明的具有特定形状的辐射图的中继平台的配置的俯视示意图；
-图2显示了在本发明的多个实施例中实施本发明的具有特定形状的辐射图的中继平台的配置的横截面示意图；
-图3a，3b，3c和3d代表典型辐射图的一些示例，根据本发明的一些实施例可以使用其中一些辐射图；
-图4显示了用于在本发明的多个实施例中实现本发明的中继平台的接收/发射模块的示意图；
-图5示出了在本发明的多个实施例中实现本发明的中继平台的发射模块的示意图；
-图6示出了在本发明的多个实施例中实现本发明的中继平台的发射模块的功能架构；
-图7a至7h表示本发明的多个实施例中的天线元件及其馈送电路；
-图8a至图8c示出了根据本发明一些实施例的被应用于选择天线组件配置的一些设计规则；
-图9表示本发明的一些实施例中的天线布置的架构；
-图10显示了在本发明的多个实施例中实现本发明的方法的流程图；
-图11示出了本发明的多个实施例中的中继平台的设计方法的流程图。
具体实施方式
图1a表示中继平台的局部参考系的坐标系。
为了参考中继平台的位置和定向，在附图和描述中使用在图1a上表示的参考系(X，Y，Z)的坐标系。
坐标系的原点被标记为O，在其他图形上被标记为191、192、193、194等。原点位于中继平台的某个点上，该点可以是例如接收天线组件的中心位置(请参见图4)。Y轴131优选地位于水平面X，Y的方向上，该方向可以是发射天线组件的辐射图的主瓣的方向。限定第一水平轴线的X轴141优选地是垂直于Y轴的方向(定义为第二水平轴线)，该方向指向发射天线组件的辐射功率最小的方向(即，朝向发射信号的轨迹中的障碍物)。Z轴250优选地是垂直于X，Y平面的方向，该方向指向地面并因此限定了垂直轴。参考131、141、191、192、193、194等与图1中使用的参考相同。参考250在图2中使用。(X，Z)平面定义了第一参考平面，而(Y，Z)平面定义第二参考平面，水平(X，Y)平面定义第三参考平面。
在坐标系中测量RF射线2B0的角度作为相对于X轴的方位角ψ2B1和相对于Z轴的仰角θ2A1。射线2B0以及角度2A1和2B1也在图2上引用。
局部参考系本身可以具有例如在ECEF(以地球为中心；地球固定)的参考系中或在另一个参考系中定义的绝对坐标。
图1显示了在本发明的多个实施例中实施本发明的具有特定形状的辐射图的中继平台的配置的俯视示意图。
如下所述，在城市峡谷中，多径反射特别不利。一般而言，城市峡谷通常指的是宽度为几米到几十米的街道或道路，其侧面是建筑物，建筑物正面在街道/道路的主方向上对齐。建筑物的高度可能从几米到几百米不等。建筑物的正面或多或少会连续，这取决于横穿街道/道路的数量和区域的密度。
在城市区域之外，建筑物的“峡谷效应”可能来自树木、广告板、信令符号或其他可能反映或影响GNSS信号传播的元素。
另外，在这种类型的区域中，定位信号接收机上方的FOV非常窄，这意味着DOP将很差。强多径和差的DOP的结合导致定位测量的准确性和完整性非常低。因此，根据本发明，有利的是使用中继平台，其发射直接产生或来自接收到的GNSS信号的地面定位信号，其辐射能量明显高于卫星导航信号的能量，并且集中在AoS的有用区域，即流动站导航的区域。这可以由于天线布置和电路而实现，该天线布置和电路被配置用于成形适合于峡谷拓扑的辐射图。具有适当电路的其他类型的天线布置可以由普通技术人员想到，例如超表面天线、具有禁用带的天线(电磁带隙或EBG天线)、反射阵列等。
图1表示在城市峡谷中特别令人感兴趣的辐射图的形状。该图示出了在街道161的右侧行进的多个车辆(或流动站，这两个术语在本说明书中是等同的)111、112，和在垂直于街道161的街道162的右侧行进的车辆113、114。每个流动站都载有GNSS接收机。根据本发明的多个中继平台191、192、193、194位于所选择的位置，使得来自中继平台中的定位信号的发射机的辐射可以被配置为到达街道161的右侧。根据当地条件，可以将中继平台放置在建筑物的顶部、中间高度或其他高度。发射机的天线组件的配置方式应使发射机的天线组件的辐射波瓣121、122、123、124成形为在中继平台191、192、193、194的移动方向131(图1a的中继平台的本地参考系中的y方向或-y方向)上具有更大的增益。通过这种形状，来自接收机上方的LOS信号将以比位于街道/道路旁的建筑物170的正面反射的非LOS信号更大的增益到达流动站中的接收机。当在沿建筑物的障碍物(例如树木或灯柱180)上的反射到达接收机时，所述反射也会减弱。其他中继平台(图中未显示)可以类似地位于街道/道路162上。
在本发明的变型中，波瓣(121至125)朝向街道/道路的中间扭曲(方向x，141，向上扭曲)，以便更好地衰减街道/道路的或位于沿着街道/道路的障碍物的正面上的反射。
在另一类实施例中，在街道/道路161，162的交叉处，可以有利地将附加的中继平台195，196，197，198定位在建筑物的顶部、中间高度或另一个高度，这样，中继平台中定位信号的发射机的天线组件的辐射波瓣125、126、127、128指向街道/道路161、162的交叉的中心。因此，交叉处定位信号的接收条件将得到改善。可以考虑交叉的其他配置，并且可以相应地配置中继平台的位置和定位信号的发射机的天线组件的取向，如以下关于图11所述。
可选地，可以将额外的中继平台放置在交通信号灯或广告牌上，靠近十字路口，距建筑物一定距离，例如中继平台199，该中继平台可以产生具有两个主瓣129和12A的辐射图，主瓣被配置为辐射至靠近街道161、162的方向。此外，中继平台可以位于十字路口的中心，位于抬高的交通信号灯上，或者靠近环岛中间的地面，类似于中继平台19A。该中继平台的发射天线组件可以配置为生成多个主辐射波瓣12B，12C，12D，12E，这些主辐射波瓣沿着街道161、162在四个方向上辐射其功率。
在说明书中特别是结合图7a至图7h、图8a至图8c和图9进一步详细说明了使图上显示的辐射图成形的本发明天线组件的配置。
图2显示在本发明的多个实施例中实施本发明的具有特定形状的辐射图的中继平台的配置的横截面示意图。
图2显示了图1沿轴140的横截面，该轴是中继平台的参考框架中的x轴。它显示了图1的车辆111的背面视图，很明显，中继平台191的发射天线组件的波瓣121具有指向街道的最大增益。图中的假设是车辆在街道的右侧行驶。在车辆在街道的另一侧行驶的情况下，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行对称的扭转。辐射波瓣的扭曲既可以通过天线组件在中继平台中的定位来授予，也可以通过辐射图样的成形来授予，如下文将进一步说明的。
确实有利的是使辐射图的左极限290成形(与中继平台的参考系的x轴140成角291)，以便将所述辐射图限制在峡谷中，从而最大程度地减少在建筑物的正面上的反射。为此目的，接近90°的值可能已足够，天线的辐射图的垂直横截面的左极限290随后几乎与轴250(即中继平台的参考系的z轴)共线。成形辐射图的右极限2A0也可能是有利的，以便可能最小化/减少位于街道/道路另一侧的建筑物270的正面上的多径信号的反射。当然，在汽车在街道/道路的左侧行驶的国家，左右可能需要颠倒。可以通过多种方式来计算右极限和左极限，例如，通过将辐射图的主瓣的孔径传播到天线增益变得最小的区域，然后将这些点连接到参考系的中心。在图中未示出的其他方式也是可能的。有利地，主瓣的轴线2B0可以在(x，z)平面中改变指向达一角度2A1。改变天线指向是指沿定义的方向将天线的指向更改定义的角度。在大多数情况下，指向街道以改善沿该方向行驶的流动站的接收条件是有利的。
在本发明的一些实施例中，中继平台192、193、194可以定位在建筑物270的高度的中部，并且中继平台的发射机的天线组件可以被配置为具有两个主辐射波瓣，即指向地面的第一个122a，指向天空的第二个122b。第一波瓣将地面定位信号的峰值功率发送给在街道161上行驶的汽车、行人、骑自行车的人或摩托车手，而第二波瓣将地面定位信号的峰值功率发送给诸如无人机111a的飞行器。
在一些实施例中，角291和2A1可以是可配置的，并且可以用于控制定位信号的发射机的天线组件的向下视场(FOV)。
中继平台可以将定位信号发送给可以由骑自行车的人、摩托车手或行人(未在图中示出)携带的GNSS接收机。
本发明的中继平台可以在L波段(即，对于GPS和Galileo星座的L5/E5波段的1.5GHz左右或1.2GHz左右，用于可用于公众的当前服务)接收GNSS信号。其他波段，例如S波段，现在或将来可能会被某些星座使用。本发明的中继平台可以容易地适应于这种改变。
本发明的中继平台可以发射定位信号，该定位信号被配置为类GNSS的模式，或者使用在流动站处的其他定位模式，如以下说明书中进一步解释的。本发明的天线组件可以被配置成从第一模式(其中辐射波瓣在图3c至图3d所示的变体中的一个中成形)切换到一个或多个其他模式，例如具有多个主辐射波瓣的模式。
图3a，3b，3c和3d代表典型辐射图的一些示例，根据本发明的一些实施例，可以使用其中一些。
图3a示出了全向天线(例如单极天线或偶极天线)的典型辐射图，其可以通常用于发射RF信号。这样，即使当天线组件和接收机之间存在障碍物时，这种天线也将在空间的所有方向上发射信号，从而损失了一些能量并产生了多径反射。
图3b示出了定向天线的典型辐射图。使用这种天线，可能难以同时将RF信号发射到一个以上的流动站。同样，除非将天线配置为跟踪流动站，否则这种类型的定向天线不适合将信号发射到移动流动站。尽管这使得这种解决方案的成本更高，但是提供良好的干扰或干扰信号抑制特性仍然是有利的，这使得这种配置对于例如军事、政府或专业应用而言非常有兴趣。
图3c示出了扇形天线的典型辐射图。在那里，主辐射波瓣320c类似于图2中的120所示的辐射波瓣，只是它未被改变指向。主瓣在(y，z)垂直平面上符合最大增益。它在位于垂直平面上的对称平面的两侧(390c，39Ac)只有很小的延伸。在这些延伸之外，天线的增益非常低。这种特性使得这种类型的天线在某种程度上适合于实施本发明。
图3d示出了改变指向的天线的典型辐射图。如图2所示，此处，主辐射波瓣320d的对称轴3B0d与轴x的夹角3B1d大于90°。这种特性也使得这种天线在某种程度上适合于实现本发明，例如，避免在建筑物的墙壁上或其他障碍物上产生信号反射，从而最小化多径并最大化街道中心线的信号强度。
因此，根据本发明，使用扇型天线布置是有利的，该扇型天线布置的主瓣在(x，z)平面上可具有可调孔径(390c，39Ac)，其对称轴可以改变指向至轴3B0d。然后，辐射图是图3c和3d中的辐射图的组合。这种天线布置的设计和控制在说明书的后面进行了评论。
在本发明的一些实施例中，中继平台的发射机的天线组件具有两个或更多个主辐射波瓣也可能是有利的。
图4显示了在本发明的多个实施例中实施本发明的中继平台的接收/发射模块的示意图。
在一些实施例中，中继平台可以仅包括发射模块420。需要提供所有中继平台(至少在AoS中)通用的时间基准。这可以通过从连接中继平台的网络管理服务器接收的网络时间协议(NTP)参考来实现。然后，发射模块将包括一个载波发生器，用于生成特定频率(GNSS或Wi-Fi；请参见下文)的定位信号；以及调制器，用于将伪随机序列或包括中继平台星历(ECEF坐标、时间参考等)的导航消息中的一个或多个嵌入到载波波形中。
图4表示具有完整的发射/接收(T/R)模块400的另一类型的实施例。T/R模块位于根据本发明的中继平台中。T/R模块可以包括电源，例如电池、太阳能电池板或与电力线的连接(具有适当转换器的DC或AC)，图中未显示。T/R模块的元件可以容纳在一个盒子中(如图所示)或在不同的盒子中。T/R模块可以被定位在固定取向上，该固定取向根据GNSS信号的接收条件和/或定位信号到AoS中的流动站的发射条件来选择。为此，T/R模块可以位于桅杆(图中未示出)上，该桅杆可以以固定的取向定向或者可以以RF T/R模块安装领域的技术人员已知的方式可操纵。操纵可以在试运转时启动，或者一定程度上在操作过程中动态启动。
接收模块410被配置为从多个星座接收GNSS信号。GNSS接收机可以是标准接收机，但然而前提是可以例如在其RF前端(RFFE)捕获接收到的原始信号。它可以包括向上看的天线组件411、412。天线组件可以是包括例如两个元件的贴片天线的组合，如图所示，而本发明决不限于这种配置。在一些实施例中，可以选择天线组件以能够成形辐射图，从而改善LOS中卫星的相对SNR。转让给与本申请相同的申请人的欧洲专利申请No.16305611.2和16306791.1公开了这种类型的天线组件。天线组件也可以是受控辐射图天线(CRPA)，以提供抗干扰和/或防欺骗功能，特别是对于关键任务系统。优选地，接收机410将具有多星座能力以增加定位信号的数量以供选择。
在许多实施例中，GNSS时间参考被用来代替上述NTP参考来同步中继平台。
T/R模块400还包括定位信号的发射机420，将在下面相对于图5进一步详细描述。
在一些实施例中，由于发射机420被配置为以尽可能最高的功率进行发射，因此必须将其与GNSS接收机天线隔离以避免干扰其接收条件。例如，接收机可以包括隔离壳体，或者至少包括底板430。
可选地，T/R模块400可以包括来自流动站的上行链路信号的接收机，例如WiFi或光信号(图中未示出)。该接收机可以与发射机组合在同一模块420中。替代地或附加地，T/R模块400还可以包括来自其他中继平台或基站(图中未示出)的信号的接收机，该其他中继平台或基站可以使用与来自流动站的上行链路相同的波段，或者另一个波段。来自其他中继平台或基站的信号的该接收机可以与上行链路接收机组合或者可以是不同的。在一些实施例中，T/R模块400还可以包括用于将信息发射到其他中继平台或基站(图中未示出)的发射机。发射机可以与来自其他中继平台或基站的信号的接收机和/或定位信号的发射机420并置或不并置。
T/R模块400可以包括处理器(图中未示出)，该处理器用于计算用于优化天线布置的几何配置的命令，如以下关于图5的描述所讨论的。
图5显示了在本发明的多个实施例中实施本发明的中继平台的发射模块的示意图。
包括天线布置的发射模块500被表示在单个盒子中，但是特定的包装绝不是实施本发明所必须的。值得注意的是，对图7a至7h和8a至8c的描述将允许普通技术人员根据本说明书中公开的教导来设计和实施本发明。特别地，当预期中继平台仅在相同的城市环境中操作时，可能没有必要添加具有从受多径反射影响的环境切换到完全LOS环境的能力的特征。因此，天线元件可以在这种使用情况下被容纳在标准包装中，并且通过标准连接而被连接到定位信号的发射机，而不需要特定的馈送电路，如下面在图7a上进一步示出的，天线布置辐射图的特定形状是由于天线元件的物理构造和相对定位而获得的。可以对图7a所示的天线布置进行本领域技术人员已知的多种变型(例如，元件的数量、天线元件的形状因子等)来实施本发明。
在其他使用情况下，能够设计和制造可配置的天线组件以基于该设计能够生产足够数量的产品并减少制造设置和购买成本可能是有利的。在此类实施例中，天线组件可以是足够通用的，以能够从适合于受到多径反射影响的环境的第一操作模式切换到适合于视线内所有卫星的接收仅为LOS，或非LOS信号非常有限的环境的第二模式。
在其他使用情况下，可以提供两种以上的模式。例如，可以提供天线组件的三种操作模式，第一种模式适用于具有LOS接收的非常有限的视场(FOV)的区域，第二种模式适用于具有LOS接收的较宽的FOV的区域，第三种模式适用于具有LOS接收的完整FOV的区域。可以通过天线布置的主辐射波瓣的左右极限的角度来确定不同的模式，如图2的参考2A0和290所示。例如，在第一模式下，角291可以设置为105°，仰角2A1可以设置为135°。这样的值定义了在(x，z)平面中的天线布置的窄孔径或FOV，其在中继平台的参考系中定义。在第二模式中，可以将角291设置为90°，并且可以将仰角2A1设置为120°至150°之间的值。在该第二模式中，(x，z)平面中的天线布置的孔径或FOV比在第一模式中宽。这样的实施例将适用于存在较宽FOV(其中信号接收在LOS中)的配置。在第三模式中，可以将角2A1设置为在150°和180°之间的值，并且可以将角291设置为小于90°的值，可能是30°的值，或者在0°和150°之间的值。在该第三模式中，(x，z)平面中的天线布置的孔径或FOV比第一和第二模式中的宽。在另一个实施例中，天线布置的孔径或FOV在中继平台的参考系(x，y，z)中定义的(y，z)平面中的三种模式下可以相同。窄孔径通常将具有小于90°的角度，优选地小于60°，还优选地小于45°。宽孔径通常将具有大于90°，优选地大于120°，仍优选地大于135°的角度。确定最佳孔径角(在左右极限–290和2A0–之间)的一种方法是设置孔径，以使孔径的左右极限确定波束，其功率集中在孔径中并且增益在低于最大增益减去3dB的孔径之外。
第三模式也可以是纯全向辐射模式，而无需对天线布置的辐射图进行任何特定的成形。这可以通过切换到替代天线组件或通过关闭本发明的天线组件的大多数天线元件来获得，即，仅使激活的一个或两个元件位于阵列的中间。应当注意，角291和2A1的确定归因于天线布置的物理特性(数量或元件N，它们之间的距离d)和所施加的移相
Figure BDA0002557791750000151
(这将影响主瓣的孔径及其改变指向的值)的组合，如下关于图8a至8c和图9所述。
模式的数量和确定其极限的角度可以根据使用情况而变化。可以选择适合于实现本发明的教导的天线布置的通用设计(例如，图7a至图7h所示的设计之一)。确定操作模式的参数可以在详细设计或制造时基于要与天线布置一起使用的中继平台的发射机的工作条件进行配置。例如，统计数据可用于定义最佳模式数量以及针对中继平台将要放置的地方的特定传输条件的每种模式的FOV角度的限制。
模式之间的切换可以是用户触发的或自动的。当是用户触发时，可以提供一个简单的按钮、语音或触摸命令来操作该开关。在自动模式下，可以提供一些处理逻辑来控制开关的命令。对于自动切换，触发可以来自中继平台的AoS中流动站的GNSS接收机发送的QoS指标。例如，当气象条件发生变化、建筑物的地形、道路工程或交通密度、流动性或组成发生变化时，可能就是这种情况。
取决于天线布置的配置，开关的命令控制可以是机械的或电气的，或两者的组合。电气控制例如可以包括通过命令一个或多个开关激活/去激活一些天线元件，修改辐射图的FOV，来修改天线布置的馈线的电路。它还可能包括以不同方式配置驱动天线布置的移相器布置，这将在下文中结合说明书中的其他附图在下面进行评论。
当设想至少两个操作模式时，可以特别地使用图5的天线布置，该操作模式的概念具有上述含义。图5是相对于定位信号的发射机可以具有几个形状因子并且可以位于不同地方的组件的风格化视图。它可以包括向下看的天线罩510，以保护天线元件520不受雨或雪的影响。
发射模块还有利地包括DC输入530，从GNSS接收机到发射机的RF前端(RFFE)570的输入540和从RFFE到天线控制单元(ACU)560或当没有ACU时直接到天线元件520的连接580(如图5所示；请参见下文)。
在一些实施例中，发射模块的RFFE被配置为获取和解码在接收机处接收到的GNSS信号，对其进行放大，插入包括中继平台的星历(标识、位置)的导航消息，对信号进行放大并重新发射。在这些实施例中的一些实施例中，遵守可能的频谱规定以在ISM波段之一(例如2.4或5.2GHz)中重发信号可能是有利的。然后，将必须在接收机处对信号进行降频转换，以由具有特定硬件或软件附件的标准GNSS接收机进行处理。
在一些其他实施例中，发射模块的RFFE被配置为在L波段(即，对于公众可用的当前服务为1.5GHz或1.2GHz左右，或者现在或将来可以发射GNSS信号的任何波段(例如S波段))调节类GNSS的信号。在此类实施例中，RFFE生成其自己的载波，用特定的伪随机序列(PRS)对其进行调制，像在第一类实施例中一样插入导航消息，并发射信号。使用这类类GNSS的信号的优势之一是，它们可以由任何GNSS接收机解码而无需进行任何修改，所述接收机能够将这些信号与真实GNSS信号结合使用，以根据从GNSS卫星(或质量指标高于阈值的卫星)计算出的所有伪距和从中继平台计算出的伪距来计算PVT。但是，在某些辖区，可能无法以有用的功率级别授权使用GNSS波段。在这种情况下，可以在ISM波段之一(例如2.4或5.2GHz)中生成信号。但是，接收机也可能暗示使用特定的硬件或软件附件对特定的PRS进行下变频，解调和处理，以计算伪距或TDoA测量。
在又一些其他实施例中，可以调节RFFE以在ISM波段之一(例如，2.4或5.2GHz)中生成定位信号。定位信号将包括导航消息，但不包括伪随机序列。在此类实施例中，定位将以本领域技术人员已知的方式由对DoA、ToA、AoA、RSSI、SNR、C/N0或另一RF指标的测量得出。例如，这可以在当前的使用软件应用程序的智能手机中完成。在这种情况下，需要硬件或软件定义的无线电修改才能将RF定位信号转置到GNSS波段，以便其可以由标准GNSS接收机链进行处理。
在又一类实施例中，可以在接收机处针对类GNSS的信号来计算DoA、ToA、AoA、RSSI、SNR，C/N0或另一RF指标，以确认或修改使用类GNSS信号所计算的位置。
在来自GNSS接收机的原始信号被放大，从先前的导航消息中解调和用新的导航消息和/或伪随机序列重新调制的情况下，定位信号的发射机的RFFE可以是放大器、调制器和频率转置器的一个或多个的组合。如上所述，定位信号也可以移动到另一个波段。
天线元件以及可能的天线控制单元(ACU，见下文)也被布置为能够产生不同的辐射图，这将在以下说明书中进一步解释。为此，可以将多个机械致动器、寄生元件、移相器和/或驱动电路、DAC和波束形成器放置在靠近天线元件的位置。
可以在天线罩下设置天线元件的多个组合，每个组合以上述模式之一进行操作。
根据本发明的一些实施例，天线布置可以包括天线控制单元(ACU，560)。ACU包括计算逻辑，以基于操作者配置或基于从流动站接收到的信息或通过基站或主中继平台通过上行链路在流动站处的定位信号的接收的QoS来确定最佳操作模式。QoS指标可以是SNR、DOP、UERE等中的一项或多项的组合。在某些实施例中，AoS中的某些子区域可能会永久性地(例如，过马路)或间歇性地(例如如果计划了特定的流量)得到特殊处理。同样，特定的流动站还可以通过被授予优先级来获得特殊待遇，该优先级将增加QoS指标中子区域的权重(当更高优先级的流动站进入子区域时)。基于计算逻辑的输出，ACU能够发送命令以将天线布置从一种模式切换到另一种模式。操作模式之间的切换可以是机械的或电气的。
因此，不受多径反射影响或受到中度影响的以LOS或近LOS发射的信号被天线布置以较高的增益发射到流动站。
在本发明的所有变型中，必须在改善馈送给处理单元的数据所提供的定位的准确性与必须提供给该处理单元/ACU的额外功率的成本之间，基于应用确定权衡。
图6显示了在多个实施例中实现本发明的中继平台的发射模块的功能架构。
根据一些实施例的天线组件包括：
-第一馈送电路610，其连接到时间基准和/或GNSS信号的接收机的输出线；-可选地，控制逻辑620；
-可选地，第二馈送电路630；
-辐射元件640。
第一馈送电路610从GNSS接收机的RFFE接收原始信号。它被配置为放大GNSS信号的载波，并通过包含中继平台星历的替换导航消息替换GNSS导航消息。
可选的控制逻辑620可以是模拟或数字处理器，其被配置为通过将控制命令发送到馈送电路来生成期望的辐射图，这将在说明书中进一步解释。
可选的第二馈送电路630可以是模拟或数字的。它可以是一条简单的金属馈线，其将从在发射模块420的第一馈送电路610处接收到的信号转换后的模拟信号直接馈入辐射元件640。它可以是将定位信号馈入天线元件的模拟分配器。它可以包括多个分配器，它们被安排为串行地馈送一部分信号，而部分信号则并行地馈入辐射元件640。它可以包括一个或多个模拟移相电路。它可以包括一个或多个开关和适合的负载的组合以执行天线匹配。它可以在一些或所有天线元件的输入处包括数模转换器(DAC)，并可能在DAC之前包括数字波束形成逻辑。因此，第二可选馈送电路的多种配置是可能的，而不背离本发明的范围。
辐射元件640或可选的馈送电路630，可选地由控制逻辑620命令，以馈送辐射元件640。
在另一个实施例中，辐射元件640可以是具有相同形状因子的贴片元件，形状因子是沉积在PCB支撑件上的金属几何形状。每个辐射元件可以有利地具有正方形形状因子，尽管可以设想一些其他形状因子(圆形或三角形或多边形或分形)。替代地，辐射元件可以是垂直于辐射元件的支撑件布置的单极或偶极线性或螺旋辐射元件。通常，辐射元件将在将要安装辐射元件的中继平台的参考系中沿垂直于y方向(轴y，131)的方向对齐。辐射元件形成网络，该网络生成由元件的几何形状、它们的相对位置、它们的取向、形成图案的馈送电路的类型以及命令馈送电路的可选控制逻辑的配置所定义的辐射图。定义辐射元件的数量及其间隔的方式将在以下说明书中进一步讨论。
图7a至7h表示本发明的多个实施例中的天线元件及其馈送电路。
在所有附图中，辐射元件和馈送电路的组合由相同的附图标记700表示。
在所有附图中，辐射元件是沉积在PCB上的金属贴片元件。在附图上大体上示出了四个元件的数量，而可以预期更低的数量(图7e)或更高的数量(未示出)。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以考虑其他形状因子和技术。
图7a表示具有简单馈线720a的四个辐射元件710，该馈线直接在第一馈送电路的输出处串行馈入信号。因此，定位信号被每个天线元件照原样发射。
图7b表示具有1至4分配器730b的馈线720b，该分配器对要发射到四个辐射元件710的定位信号进行串行分配(例如，分流)。该布置比图7a的类型的布置提供更大的带宽。在多频发射机的情况下，这是特别有利的，但是这种配置在天线组件中将具有较大的占位面积。
图7c表示具有三个1至2分配器730c的多条并行馈线720c，它们将定位信号并行分离，以将其馈送到辐射元件710。这种布置还提供了带宽增益，在这种情况下，与图7a的布置相比，要付出代价是既占用更大的占位面积又带来一些额外的损耗。
图7d表示具有两个1至2分配器730d的多条并行馈线720d，它们将定位信号进行并行拆分，并将它们馈送到串行线721d，串行线721d将拆分后的信号馈送到辐射元件。这种配置可能是图7a，7b和7c之间的良好的折衷方案，可以提供比图7a的带宽更宽的带宽，比图7b和7c更小的占位面积以及比图7c的损耗更低的损耗。
图7e表示两个天线元件710，在每个天线元件的输入处具有并行馈线720e，1至2分配器730e和两个移相器740e。移相器被配置为在接收信号被拆分之前对它们的相位进行移位。
图7f和7g表示馈送电路的不同配置，该馈送电路包括多个具有或不具有适合的负载的开关电路，这些开关允许激活/去激活部分天线元件。
图7h表示一种天线组件，其在每个天线元件710的输入处包括数模转换器(DAC)760h，所述DAC从馈送电路之一接收代表定位信号的数字输入，并将其模拟输出馈入天线元件。与其它布置相比，波束形成器有利地允许辐射图的更精确的配置，在所述其它布置中，辐射图的变化被限制在多个离散的选项中，但以更高的实现成本为代价，特别是由于在每个天线元件的输入处增加了一个或多个低噪声放大器(LNA)和滤波器，且可能在LNA的输入处增加了上变频器，取决于DAC的采样频率。
下面结合图8a至8c讨论由图7a至7h所示的实施例之一或其变型的选择。这些实施例仅说明可用于配置根据本发明的期望辐射图的设计选项。在不脱离本发明的范围的情况下，可以想到许多其他方案。而且，这些实施例中的一些可以被组合。例如，可以在不同的发射条件下激活不同的辐射元件，如图7f和7g所示，激活/去激活由一个或多个开关命令。基于开关的位置，在某一时刻处于活动状态的辐射元件可以包括将产生线性相移的移相器。而且，波束形成电路可以合并两种控制(激活/去激活多个辐射元件，生成施加到有源辐射元件的线性相移)。
图8a至8c示出了根据本发明的一些实施例的一些设计规则，该设计规则将被应用于选择天线组件配置。
在包括移相器的实施例中，例如图7h所示类型的移相器，可以通过应用从阵列理论中获知的公式来计算天线元件网络的主要参数，下文将结合图8a至8c对此进行评论。
图8a是示出了沿x轴彼此以均等距离d放置的N个相同辐射源810a的示意图。在该图所示的示例中，N＝4。假定未耦合的馈入。移相器820a产生线性相位梯度(从第二馈入处的
Figure BDA0002557791750000202
直到第四馈入处的
Figure BDA0002557791750000203
)。如果P是位于与辐射源相距r的点(假设远场，r远大于d)，则P处的电场
Figure BDA0002557791750000201
由下公式给出：
Figure BDA0002557791750000211
其中，E(θ)是单个元件生成的基本辐射图所要发射的电场的总和，k是工作频率下的波数，并且
Figure BDA0002557791750000212
是给定瞬间的场取向。
E(θ)的范数又由以下公式给出：
|E(θ)|＝N×|F(θ)|×AF (2)
AF是阵列因子，并且仅取决于阵列的几何形状(N，d)和相移
Figure BDA0002557791750000213
Figure BDA0002557791750000214
如图8b所示，场810b的最大振幅(Dmax)随着馈送数N的增加而增加，而其孔径820b(θ3dB)减小。
另外，如图8c所示，指向方向(或主瓣的方向)810c随着移相而变化。在某些条件下，可能会出现光栅波瓣820c，即幅度接近主瓣幅度的旁波瓣。为了避免这些光栅波瓣，辐射元件之间的距离d的值应小于最大值，根据以下公式：
Figure BDA0002557791750000215
其中
Figure BDA0002557791750000216
是最大期望的改变指向角。
然后，根据本发明的一些实施例，应用这些设计规则允许天线技术人员配置天线布置以适合要获得的辐射图的规格以实现本发明。
有利地，根据本发明的天线布置可以具有2至8个贴片元件，该布置的总宽度约为λ(其中λ是L波段或Wi-Fi定位信号的波长)，并且λ/8，λ/4，λ/2或λ的元件间距离。开关可以命令N个元件中确定数量的n个同时激活，并进行串行或并行馈入。n越高，扇形辐射图的孔径越薄。通过激活(即通过开关连接到馈线)的少量的n个元件(1或2个，最好位于阵列的中间)，辐射图将具有在(x，z)平面中的开放FOV并接近全向天线的图。相反，通过多数量的元件(例如6到8个)，则辐射图将具有较低的孔径，在(x，z)平面上具有窄FOV，接近“完美”扇形天线的配置，其辐射能量集中在(y，z)平面中的狭窄扇形中。另外，移相器可以赋予辐射图的改变指向性，改变指向性的角度由从一个天线元件线性地施加到被激活的行中的下一个天线元件的相移量来确定。
图9表示本发明的一些实施例中的天线布置的架构。
该图的天线布置是图5的天线布置的特定实施例，其中天线阵列520包括4个辐射元件921、922、923、924。
四个辐射元件可以例如是螺旋形元件。它们也可能是螺旋天线。它们也可能是贴片天线，可能处于堆叠配置。贴片天线可以内置在超材料中，可能是人造电磁导体(AMC)。
辐射元件可以以100mm的间隔布置在辐射元件的行中，该距离大约是1.575GHzGPS L1频率的波长的一半。如果定位信号是在2.4GHz Wi-Fi波段中发射的，则间距约为62mm(对于5.2GHz Wi-Fi波段，约为28mm)。通过提供特定的接地平面结构，可以防止辐射元件相互耦合。
四个辐射元件可以由四个移相器931、932、933、934驱动。移相器可以是两个状态的移相器(0°-180°)，或者被配置为确定辐射图的目标改变指向角以及特定孔径的移相器，如已经说明的那样。相移可以通过寄生元件、有源透镜或可一致的组件来执行。寄生元件可以是由致动器控制的微机电系统(MEMS)。通常，移相器从ACU 560接收电压或电流命令。这些命令被配置为在调节时或通过ACU的处理逻辑生成与确定为适合中继平台的环境的操作模式相对应的辐射图。
替代地，可以通过数字波束形成电路和多个DAC的组合来代替移相器，以将定向到每个天线元件的数字输入转换为模拟信号，并将该信号馈送到适当的辐射元件。
图10显示了在本申请的多个实施例中实施本发明的方法的流程图。
在可选步骤1010，捕获GNSS导航信号和导航消息。信号是来自GNSS接收机RFFE输出的原始信号。信号可以来自单个星座或来自多个星座。它们可以是单频或多频。它们可能包括校正，例如大气(电离层和/或对流层)误差。当永久安装中继平台时，其位置是众所周知的，可能具有最高的准确性，并且唯一有用的信息是将用于同步AoS中的中继平台的所有发射机的时间信息。因此，在可选版本中，仅从导航信号和消息中捕获了GNSS时间参考。
在一些实施例中，中继平台的星座被临时部署以监视特定任务(例如，救援)。在这种情况下，中继平台的位置需要被确定，并将被从GNSS接收机中完全捕获。而且，在一些实施例中，中继平台的位置必须被认证，例如以验证交易。在这种情况下，中继平台处的GNSS接收机必须是防篡改的，并且可以对其经认证的PVT进行加密，在中继平台处理器中通过证书进行签名，并附加到在AoS中发送给流动站的导航消息中。
然后，调节可能载有导航消息的地面导航信号(波形的产生；利用PRS和/或导航消息的调制，发射)(步骤1020)。当发射模块中的天线布置的配置不是自适应时，该调节可以独立于接收条件。
当这种配置是自适应的时，在可选步骤1030处，作为对在AoS中的流动站处的接收到的定位信号的QoS的评估的结果，可以修改天线布置的辐射图。
然后，广播包括导航消息的地面定位信号(步骤1040)。
在可选步骤1050中，接收信号的多个QoS指标可以被在流动站处测量，并被反馈到发射模块的控制逻辑/ACU。
在一些实施例中，中继平台可以由注册它们的操作实体以及定位终端来管理，该定位终端的用户是由该操作实体管理的定位服务的订户。该操作实体可以是私人事务，其由收费或其他服务(例如，租赁自动驾驶汽车、导航系统的供应商等)提供资金。操作实体也可以是国家、地区或地方政府机构，其作为其使命的一部分提供定位服务。无论采用哪种管理模式，操作实体都可以通过提供验证密钥来避免篡改，从而调节对定位服务的访问。然后用户可能必须预先注册才能从服务中受益。或者，该服务可能是汽车租赁合同的一部分。或者，它可以由送货公司作为一项奖励服务提供，该公司使用该服务来优化其送货车队的管理，并将其以少量的额外费用向第三方用户提供。
图11显示了本发明多个实施例中的中继平台集合的设计方法的流程图。
中继平台网络的操作实体将开始于委托设计机构计算中继平台的位置，以优化GNSS信号的接收(除非它决定仅依赖于NTP参考)。这些中继平台的最佳位置将通过应用一种接近于用于设计蜂窝通信网络基站覆盖范围和最佳位置的方法来选择。覆盖具有定义的QoS的AoS所需的中继平台的数量将主要取决于所使用波段内在区域中授权的发射功率、要装备的峡谷的高度、宽度和形状、已知障碍物(位于建筑物顶部和定义峡谷本身的障碍物顶部)以及中继平台星座信号的精度稀释(DOP)。对于陆地车辆，目标将优选地是优化水平DOP(HDOP)，而对于无人机，目标将优选地是优化垂直DOP(VDOP)。某些中继平台可能被专门定位以优化VDOP，例如，通过在垂直平面上提供具有两个主辐射波瓣的中继平台，如图2所示。
然后，将必须确定T/R模块的精确位置。这应该有利于在AoS中的中等高度建筑物的顶部上悬于街道/道路上方的位置。确定位置的方式应使发射模块的天线布置的取向朝下，且辐射的主辐射波瓣的侧边缘接近中继平台的参考系的垂直方向(其中垂直方向z指向下方，沿着街道/道路y的方向指向当该交通在街道/道路的右侧移动时的交通移动方向，并且垂直方向指向建筑物x)。在步骤1110，这可以在设计院或现场实现。
然后，将在步骤1120实现对辐射图形状的选择。该选择基于关于图1、图2、图3a至图3d评述的标准。该选择基于对中继平台周围和AoS的街道/道路中地形性质的分析。这可以在设计院和/或现场进行。
然后，应该选择适当的发射模块和天线组件配置(步骤1130)，如关于7a-7h和8a-8c所述。
最后，如果满足验证标准(例如，AoS中的最小QoS目标)，则应该模拟和/或测试配置(步骤1140)，并验证配置(步骤1150)。如果不满足验证标准，则需要调整设计(步骤1160)。
尽管已经主要在中继平台的发射模块和流动站的接收模块被配置为在RF频段中发射和接收定位信号的使用情况下描述了本发明，但是在一些实施例中，可以使用在光波长光谱中运行的可见光通信(VLC)系统。在转让给同一申请人的欧洲专利申请EP3229037中已经描述了这样的T/R模块。如本发明所要求的，将需要特定的组件来成形辐射图。VLC系统的普通技术人员将知道如何在RF通信系统的上下文中从本说明书中描述的组件派生这些组件的配置。
在本说明书中公开的示例仅是对本发明的一些实施例的说明。它们不以任何方式限制由所附权利要求书限定的所述发明的范围。

Claims (22)

1.一种天线组件(700)，其被配置为从具有参考系的中继平台(191)发射地面定位信号，所述发射处于具有辐射图的第一模式，所述辐射图具有至少主瓣(121)，所述主瓣(121)在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
2.根据权利要求1所述的天线组件，其中，所述辐射图在所述第一参考平面中被改变指向。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的天线组件，包括具有相同形状因子的N个天线元件，N大于一，所述N个天线元件在所述第一水平轴的方向上对准并且间隔均等的距离d。
4.根据权利要求3所述的天线组件，其中，所述N个天线元件是以下之一：布局在包括所述第一水平轴和所述第二水平轴的第三参考平面中的贴片天线元件，或者是在所述第一参考平面中竖立的单极、偶极或螺旋元件。
5.根据权利要求3至4中的一项所述的天线组件，还包括：馈送电路，其被配置为向所述N个天线元件的全部或部分馈送在定位信号的发射机的RF前端处生成的定位信号。
6.根据权利要求5所述的天线组件，其中，所述馈送电路包括一个或多个组合器/分配器(730b，730c，730d，730e)，所述组合器/分配器被配置为将从定位信号的所述发射机的两个或更多个信道接收的定位信号组合成单个定位信号。
7.根据权利要求5至6中的一项所述的天线组件，其中，所述馈送电路包括一个或多个移相器(740e，931、932、933、934)，所述移相器被配置为给予从第一天线元件到该行中的下一个天线元件线性地变化的预定义的相移。
8.根据权利要求5至7中的一项所述的天线组件，其中，所述馈送电路包括被配置为激活/去激活所述N个天线元件中的一个或多个的一个或多个开关(750f，750g)。
9.根据权利要求5至8中的一项所述的天线组件，其中，所述馈送电路包括至少一个数模转换器(760h)和波束形成电路(770h)。
10.根据权利要求3至9中的一项所述的天线组件，还包括控制逻辑(620)，所述控制逻辑(620)被配置为生成要发送到所述馈送电路的控制命令，以修改所述第一参考平面中的扇形辐射图的孔径及其改变指向值中的一个或多个。
11.一种设计天线组件的方法，所述天线组件适合于从具有参考系的中继平台发射定位信号，所述发射至少处于具有辐射图的第一模式，所述辐射图具有至少主瓣，所述至少主瓣在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
-在所述第一参考平面中定义所述辐射图的至少主瓣的期望孔径的一个或多个值；
-在所述第一参考平面中定义一个或多个期望的改变指向值；
-定义要在x方向上以均等的间隔d对准的给定形状因子的一个或多个天线元件的数量N；
-定义线性地应用到N个天线元件的全部或部分的一个或多个相移
Figure FDA0002557791740000021
值；
其中，根据所述期望的孔径的一个或多个值和所述一个或多个期望的改变指向值来选择数量N、间隔d和相移
Figure FDA0002557791740000031
13.一种定位信号的中继平台(191)，所述中继平台具有参考系并且包括：
-同步信号的接收机(410)；
-发射机(420)，其被配置为使用所述同步信号来调节一个或多个地面定位信号，所述地面定位信号载有表示位置和时间的导航消息；以及
-天线组件(700)，其被配置为至少以具有辐射图的第一模式发射所述地面定位信号，所述辐射图具有至少主瓣，所述主瓣在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
14.根据权利要求13所述的中继平台，其中，同步信号的所述接收机是GNSS接收机。
15.根据权利要求14所述的中继平台，其中，所述定位信号是所述GNSS信号的经放大的转置，所述GNSS信号由表示所述中继平台的导航消息进行放大和调制。
16.根据权利要求14所述的中继平台，其中，所述定位信号包括伪随机序列和在所述中继平台处生成并表示所述中继平台的导航消息。
17.根据权利要求13至16中的一项所述的中继平台，还包括：使用来自另一个中继平台、流动站或基站中的一个或多个的RF上行链路的一个或多个接收单元。
18.根据权利要求13至17中的一项所述的中继平台，其中，所述发射机还包括处理逻辑(810)，所述处理逻辑被配置为对要发送到所述天线组件以从所述第一发射模式切换到第二发射模式的命令进行获取或生成中的一个。
19.根据权利要求18所述的中继平台，其中，要发送到所述天线组件的命令包括所述辐射图的主瓣的孔径角和在所述第一参考平面中的改变指向角中的一个或多个。
20.根据权利要求18至19中的一项所述的中继平台，其中，所述命令基于在所述中继平台的服务区域中从流动站接收的所述定位信号的质量指标。
21.一种定位流动站的方法，包括：
-在具有参考帧的中继平台中获取同步信号；
-在所述中继平台中的定位信号的发射机处使用所述同步信号调节一个或多个地面定位信号，所述地面定位信号载有表示在所述中继平台处的位置和时间的导航消息；
-将所述地面定位信号馈送到天线组件；
-将所述地面定位信号发射到流动站；
其中，所述天线组件被配置为至少以具有辐射图的第一模式发射所述地面定位信号，所述辐射图具有至少主瓣，所述主瓣在包括垂直轴和第一水平轴的第一参考平面中具有窄孔径，并且在包括所述垂直轴和垂直于所述第一水平轴的第二水平轴的第二参考平面中具有宽孔径。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述流动站和所述中继平台位于服务区域(AoS)中。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112701479B (zh) * 2020-12-15 2021-11-02 四川大学 一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5797082A (en) * 1994-06-17 1998-08-18 Terrastar, Inc. Communication receiver for receiving satellite broadcasts
US20040204098A1 (en) * 2000-06-07 2004-10-14 Ray Owen Adaptive antenna array and method of controlling operation thereof
US20080068263A1 (en) * 2006-09-19 2008-03-20 Tekawy Jonathan A Method and system for attitude determination of a platform using global navigation satellite system and a steered antenna
US20100117893A1 (en) * 2008-11-13 2010-05-13 Dlr Deutsches Zentrum Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. Reflector Antenna for the Reception and Transmission of Signals From and to Satellites
US20110151779A1 (en) * 2007-08-31 2011-06-23 Allen-Vanguard Technologies Inc. Radio antenna assembly and apparatus for controlling transmission and reception of rf signals
CN102484310A (zh) * 2009-07-06 2012-05-30 索科波技术有限公司 用于天线阵控制的无线网络元件和方法
US20130002484A1 (en) * 2011-07-03 2013-01-03 Daniel A. Katz Indoor navigation with gnss receivers
CN104977592A (zh) * 2015-07-20 2015-10-14 北京航空航天大学 一种基于pxi总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台及其方法
CN105940552A (zh) * 2013-08-16 2016-09-14 亚德诺半导体集团 天线阵列校准的通信单元和方法
CN107436442A (zh) * 2016-05-27 2017-12-05 法国国家太空研究中心 用于提高在扰动环境中的gnss接收机的精确度的自适应天线组件

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3922685A (en) * 1973-07-30 1975-11-25 Motorola Inc Antenna pattern generator and switching apparatus
JP2000156606A (ja) * 1998-11-19 2000-06-06 Harada Ind Co Ltd Ｉｔｓ適合自動車用アンテナ装置
WO2001057549A2 (en) * 2000-01-24 2001-08-09 Integrinautics Corporation Multi-frequency pseudolites for carrier-based differential-position determination
US9007254B2 (en) * 2010-01-08 2015-04-14 Vestas Wind Systems, A/S Antenna beam control elements, systems, architectures, and methods for radar, communications, and other applications
US9118103B1 (en) * 2011-05-31 2015-08-25 Marvell International Ltd. Position determination using transmit beamforming
US9680234B2 (en) * 2013-08-28 2017-06-13 Harris Corporation Dual polarization ground-based phased array antenna system for aircraft communications and associated methods
EP3229037B1 (en) 2016-04-08 2020-07-01 Centre National d'Etudes Spatiales Visible light communication based positioning
EP3340378A1 (en) 2016-12-22 2018-06-27 Centre National d'Etudes Spatiales A simplified gnss receiver with improved precision in a perturbated environment

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5797082A (en) * 1994-06-17 1998-08-18 Terrastar, Inc. Communication receiver for receiving satellite broadcasts
US20040204098A1 (en) * 2000-06-07 2004-10-14 Ray Owen Adaptive antenna array and method of controlling operation thereof
US20080068263A1 (en) * 2006-09-19 2008-03-20 Tekawy Jonathan A Method and system for attitude determination of a platform using global navigation satellite system and a steered antenna
US20110151779A1 (en) * 2007-08-31 2011-06-23 Allen-Vanguard Technologies Inc. Radio antenna assembly and apparatus for controlling transmission and reception of rf signals
US20100117893A1 (en) * 2008-11-13 2010-05-13 Dlr Deutsches Zentrum Fur Luft- Und Raumfahrt E.V. Reflector Antenna for the Reception and Transmission of Signals From and to Satellites
CN102484310A (zh) * 2009-07-06 2012-05-30 索科波技术有限公司 用于天线阵控制的无线网络元件和方法
US20130002484A1 (en) * 2011-07-03 2013-01-03 Daniel A. Katz Indoor navigation with gnss receivers
CN105940552A (zh) * 2013-08-16 2016-09-14 亚德诺半导体集团 天线阵列校准的通信单元和方法
CN104977592A (zh) * 2015-07-20 2015-10-14 北京航空航天大学 一种基于pxi总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台及其方法
CN107436442A (zh) * 2016-05-27 2017-12-05 法国国家太空研究中心 用于提高在扰动环境中的gnss接收机的精确度的自适应天线组件

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
G. GREVING ET AL.: ""A High Performance Elevation Phased Array Antenna for the MLS - System", 1991 21ST EUROPEAN MICROWAVE CONFERENCE, 31 December 1991 (1991-12-31), pages 3 - 4 *
冯晓超;金国平;范建军;吴晓莉;: "GNSS接收机伪距测量中的多径效应试验分析", 现代电子技术, no. 05, 1 March 2013 (2013-03-01), pages 77 - 81 *

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EP3505966B1 (en) 2023-08-23
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