DE102014210204A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Luft-Boden-Kommunikation von Luftfahrzeugen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Luft-Boden-Kommunikation von Luftfahrzeugen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Luft-Boden-Kommunikation zwischen einem Luftfahrzeug (12) und einer Bodenstation (20), wobei das Luftfahrzeug (12) und die Bodenstation (20) jeweils Antennen (16, 18) zur gerichteten Funk-Datenübertragung (14) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung (14) in einem Frequenzband zwischen 60 GHz und 90 GHz erfolgt und dass die Antenne (18) der Bodenstation (20) Daten ausschließlich in einem Bereich von Winkeln α von mindestens 5 Grad nach oben gegenüber der Horizontalebene (22) sendet und empfängt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenübertragung zwischen einem Luftfahrzeug und mindestens einer Bodenstation.
  • Die Datenübertragung zwischen Luftfahrzeugen und Bodenstationen ist insbesondere im Bereich der Passagierluftfahrt von Bedeutung. Es besteht zunehmender Bedarf an Datenübertragungstechniken, die das Telefonieren oder Surfen im Internet für Passagiere eines Luftfahrzeugs ermöglichen. In dem vorliegenden Text werden unter Luftfahrzeugen insbesondere Flugzeuge, Helikopter und Raumfahrzeuge verstanden.
  • Eine Schwierigkeit besteht bei der Datenkommunikation zwischen Bodenstationen und Luftfahrzeugen darin, einer Vielzahl von Passagieren eine Datenkommunikation mit ausreichender Bandbreite zur Verfügung zu stellen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Datenübertragung zwischen mindestens einer Bodenstation und einem Luftfahrzeug zu schaffen sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
  • Die Datenübertragung zwischen dem Luftfahrzeug und der Bodenstation erfolgt per Funk ausschließlich in einem Frequenzband zwischen 60 GHz und 90 GHz. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass die Bodenstation die Funkwellen um mindestens 5 Grad nach oben abstrahlt und empfängt, wobei unterhalb dieses Winkels keine Funkwellen gesendet und empfangen werden. Luftfahrzeuge befinden sich während des Fluges somit in dem Empfangsbereich der Bodenstation, während mögliche bodennahe Nutzer desselben Frequenzbereichs die Daten von der Bodenstation nicht empfangen können und keine Datenverbindung zu der Bodenstation herstellen können. In einem Winkelbereich unterhalb von 5 Grad gegenüber der Horizontalebene können somit keine Daten von der Bodenstation empfangen werden und keine Daten an die Bodenstation gesendet werden.
  • Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, eine gerichtete Breitband-Funkdatenübertragung zwischen einem Luftfahrzeug und einer Bodenstation zu ermöglichen. Die Breitbanddatenübertagung ist in dem Frequenzband zwischen 60 GHz und 90 GHz möglich, wobei eine Interferenz mit bodennahen Nutzern desselben Frequenzbereichs verhindert ist. In diesem auch E-Band genannten Frequenzband ist eine Datenübertragung für eine Vielzahl von Passagieren eines Flugzeugs mit ausreichender Bandbreite zur Nutzung des Internets möglich. Für die Luft-Boden-Kommunikation steht somit nun erstmals in einem Luftfahrzeug ein Bandbreitenbereich von 30 GHz zur Verfügung, das heißt ein Bandbreitenbereich, der genauso groß ist, wie der heutzutage insgesamt für die Funkkommunikation genutzte Frequenzbereich von 0–30 GHz.
  • Bei einer Kanalbreite für die Luft-Boden-Kommunikation (ATG – Air to Ground) von nur einem GHz und einer Spektraleffizienz von 1 steht pro Luftfahrzeug als Datenrate ein Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) zur Verfügung. Dies bedeutet bei 200 Nutzern unter den Passagieren des Luftfahrzeugs eine Datenrate von 50 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) pro Nutzer/Passagier.
  • Eine Verzögerung durch Satellitenkommunikation erfolgt nicht, weil die Datenübertragung zwischen der Bodenstation und dem Luftfahrzeug direkt erfolgt. Die Datenübertragung erfolgt als Schmalbündel (pencil beam characteristic). Unter Schmalbündelrichtcharakteristik wird eine gebündelte Richtcharakteristik in einem Winkelbereich zwischen +0,5 Grad und –0,5 Grad um die Hauptabstrahlrichtung herum verstanden. Das bedeutet, dass die Hauptkeule der Richtcharakteristik in diesem Winkelbereich liegt. Die Hauptkeule der Richtcharakteristik der Antenne der Bodenstation kann also nicht unter einen Winkel von 5 Grad oberhalb der Horizontalebene geschwenkt werden.
  • Das Verschwenken der Hauptsende-/-empfangsrichtung der Antennen der Bodenstation und/oder des Luftfahrzeugs ist vorzugsweise durch elektronisches Beamforming möglich. Ein beliebiges Verschwenken der Hauptsende-/empfangsrichtung um eine Vertikalachse ist von Vorteil. Ein Verschwenken um eine Horizontalachse ist ebenfalls von Vorteil, wobei für die Antenne der Bodenstation ein Verschwenken unter den Winkel von 5 Grad gegenüber der Horizontalen nicht möglich ist. In entsprechender Weise ist es von Vorteil, wenn die Hauptsende-/-empfangsrichtung der Antenne des Luftfahrzeugs nur in einem Winkelbereich zwischen –5 Grad und –90 Grad um eine Horizontalachse nach unten möglich ist.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Nutzung des Frequenzbandes zwischen 60 GHz und 90 GHz besteht darin, dass die Nutzung und Verfügbarkeit von Lizenzen in diesem Frequenzbereich sehr viel einfacher ist als in den herkömmlicherweise genutzten Frequenzbereichen unterhalb von 20 GHz oder 30 GHz. Antennen zur Nutzung des E-Bandes sind kleiner, kostengünstiger und einfacher zu installieren als herkömmliche Antennen, insbesondere der Satcom-Technik. Die Datenübertragung ist mit circa 20 ms sehr viel schneller als die der Satcom-Technik mit circa 600 ms. Die Bandbreite des E-Bandes ist größer und durch elektronisches Beamforming kann eine Interferenz oder ein Cross-talk mit anderen Bodenstationen oder bodennahen Nutzern des E-Bandes verhindert werden.
  • Im Folgenden wird anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels.
  • Bei dem Luftfahrzeug 12 des Ausführungsbeispiels handelt es sich um ein Passagierflugzeug mit mehreren Hundert Passagieren, die jeweils zum Beispiel per Smartphone oder Tablet-PC eine Funk-Datenverbindung 14 zwischen einer Antenne 16 des Luftfahrzeuges 12 und einer Antenne 18 der Bodenstation 20 nutzen. Bei den Antennen 16, 18 handelt es sich um E-Band-Antennen deren Hauptabstrahl-/-empfangsrichtung durch elektronisches Beamforming veränderbar ist. Die Passagiere können an Bord des Luftfahrzeuges 12 mit ihren Endgeräten zum Beispiel per WLAN die von der Antenne 16 empfangenen Daten empfangen. Die Datenübertragung 14 erfolgt im E-Band, das heißt in einem Frequenzbereich zwischen 60 GHz und 90 GHz.
  • Die Antenne 18 der Bodenstation 20 sendet und empfängt die Daten der Datenübertragung 14 in einem Winkel α von circa 30 Grad oberhalb der Horizontalebene 22. Erfindungsgemäß kann der Winkel α nicht geringer als 5 Grad sein. Unterhalb eines Winkels α von 5 Grad (Hauptabstrahlrichtung) sendet und empfängt die Antenne 18 der Bodenstation 20 keine Daten. Durch elektronisches Beamforming werden die Hauptsende-/-empfangsrichtungen der Bodenantenne 18 und der Flugzeugantenne 16 derart automatisch aufeinander ausgerichtet, dass eine direkte Funkverbindung zwischen den Antennen 16, 18 besteht und aufrecht erhalten wird, während sich das Luftfahrzeug 12 bewegt. In 1 sendet die Antenne 16 des Luftfahrzeugs 12 die Daten der Datenübertragung 14 in einem Winkel β von –20 Grad (Hauptabstrahlrichtung) unterhalb der Horizontalebene 24. Als Wechselwinkel entsprechen die Winkel α und β einander. Während sich das Luftfahrzeug 12 über die Bodenstation 20 hinweg bewegt, führt eine elektronische Beamsteuerung die Richtcharakteristiken und die Hauptkeulen der Antennen 16, 18 automatisch nach, so dass die direkte Datenverbindung 14 aufrecht erhalten bleibt.

Claims (15)

  1. Vorrichtung zur Luft-Boden-Kommunikation zwischen einem Luftfahrzeug (12) und einer Bodenstation (20), wobei das Luftfahrzeug (12) und die Bodenstation (20) jeweils Antennen (16, 18) zur gerichteten Funk-Datenübertragung (14) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung (14) in einem Frequenzband zwischen 60 GHz und 90 GHz erfolgt und dass die Antenne (18) der Bodenstation (20) Daten ausschließlich in einem Bereich von Winkeln α von mindestens 5 Grad nach oben gegenüber der Horizontalebene (22) sendet und empfängt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtcharakteristik der Antennen (18) der Bodenstation (20) und des Luftfahrzeugs (12) durch elektronisches Beamforming veränderbar ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkeule der Bodenantenne (18) beliebig um eine Vertikalachse geschwenkt werden kann und um eine Horizontalachse nicht unterhalb des Winkels α von 5 Grad schwenkbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkeule der Antenne (16) des Luftfahrzeugs (12) um eine Vertikalachse beliebig schwenkbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkeule der Antenne (16) des Luftfahrzeugs (12) ausschließlich in einem Bereich von Winkeln β von –5 Grad und –90 Grad gegenüber einer Horizontalebene schwenkbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung (14) ausschließlich im E-Band erfolgt.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (18) der Bodenstation (20) und des Luftfahrzeugs (12) jeweils zum Abstrahlen von Funkwellen in einem Schmalbündel ausgebildet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstation (20) und das Luftfahrzeug (12) zur direkten Datenübertragung (14) zwischen den Antennen (16, 18) der Bodenstation (20) und des Luftfahrzeugs (12) ausgebildet sind.
  9. Verfahren zur Datenübertragung (14) zwischen einer Bodenstation (20) und einem Luftfahrzeug (12), wobei die Bodenstation (20) und das Luftfahrzeug (12) jeweils mit einer Funkantenne zur gerichteten Funkdatenübertragung zwischen einander versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstation (20) die Daten nicht unterhalb eines Winkels α von mindestens 5 Grad gegenüber einer Horizontalebene (22) abstrahlt und dass die Datenübertragung (14) zwischen den Antennen (16, 18) der Bodenstation (20) und des Luftfahrzeugs (12) ausschließlich in einem Frequenzband zwischen 60 GHz und 90 GHz erfolgt.
  10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstation (20) und das Luftfahrzeug (12) jeweils zur Datenübertragung (14) im E-Band ausgebildet sind.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsrichtung der Antenne (16, 18) der Bodenstation (20) und/oder des Luftfahrzeugs (12) um eine Vertikalachse beliebig schwenkbar ist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangsrichtung der Antenne (18) der Bodenstation (20) um eine Horizontalachse nicht unter den Winkel α von 5 Grad geschwenkt werden kann.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsrichtung der Antenne (16) des Luftfahrzeugs (12) ausschließlich in einem Bereich von Winkeln β zwischen –5 Grad und –90 Grad gegenüber einer Horizontalachse geschwenkt werden kann.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung (14) zwischen der Antenne (16) des Luftfahrzeugs (12) und der Antenne (18) der Bodenstation (20) direkt erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (12) nach Verlassen des Sende- und Empfangsbereichs der Bodenstation (20) automatisch Kontakt zu einer weiteren Bodenstation sucht und herstellt, in deren Sende- und Empfangsbereich sich das Luftfahrzeug (12) befindet.
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