专利名称：自动确定和校准定向天线方位角和仰角方向的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及无线通信领域，尤其涉及能够精确地将无线通信定向天线指向希望的收发信机的自动天线定向系统。
背景技术：
近来在计算机和蜂窝技术上的进步以及因特网相关应用的史无前例的增长已经导致了需要在已有通信基础设施上以高传输速率传输信息且可靠性得到提高。例如，已有基础设施是至少部分基于统计电话使用模式的。随着用户逐渐地花费更多的时间在因特网上，更长时间地占用通信线路，传统的使用模式将不再可靠。在很多情况下，使用模式上的这种变化使得已有基础设施不再胜任。
为了努力迎合对高传输速率的需求，提供给用户高速因特网接入，已经发展了各种有线和无线方案。有线方案包括有线网络服务和数据用户线路(DSL)服务，缓解了客户接入此类服务的需求。由于在新区域中提供连接和接入需要相对较高的资本开销和劳动力成本，这些服务还远未普及。
另一方面，无线方案在成本上更加高效，并可以服务更大范围内的用户。这些无线方案基于高速无线数据通信系统，而这些高速无线数据通信系统或采用基于卫星的数据网络，如DirecPC和StarBand服务，或采用基于陆地的数据网络，如蜂窝数据网络。
一般地，这些高速无线数据通信系统受到功率限制，因此需要使用高增益、窄波束、高方向性的固定天线来耦合至用户终端以传递信息到用户。这样，这些固定用户天线通常表现为严格的对准要求。即，为了确保足够的通信能力，用户发射或接收天线需要精确地指向于它们相应的天线的所在方向，来进行发射和接收操作。例如，在基于卫星的高速数据通信系统中，链路预算只有很少的富余，因此用户天线需要以特定的仰角和方位角方向指向卫星，藉以最大化接收波束图的增益并因此确保最优化的数据传输。类似地，对于基于陆地的高速数据通信系统，用户天线需要沿着特定的仰角和方位角方向对准，以指向蜂窝天线排列的辐射中心，从而确保可能的最大信噪比。应该理解的是，尽管用户天线和卫星天线或蜂窝天线的具体位置都可能是已知的，这些信息对确定用户天线的具体取向基本不起作用。
因此，要指出的是，大多数固定天线容易受到对准误差的影响。各种因素，如，糟糕的初始安装、大气条件(如风)、以及天线建筑地点都可能造成对准误差。结果，锐方向性用户天线的对准误差可能对高速无线数据通信系统的性能造成有害的影响。
传统上，固定天线的校准和纠正的重对准要求指派技术人员来实际地将天线调整到包含最强信号的方向上。这样的过程在成本上不够有效，且由于技术人员经常采用试凑法来纠正对准误差而充满了不精确性。另外，该过程耗费时间和工作量，经常要求数小时的系统停机时间来纠正校准误差。这是与现今大多数应用的常用的安装后不管(plug-and-go)方式相违背的。
发明内容
与本发明原理相符的系统和方法，正如这里所实现和宽泛地描述的，提供了一种能够精确地将无线通信天线指向希望的收发信机的自动天线定向系统。
在一个实施例中，该系统包括定位接收机，它接收指明所述天线以及定位发射机的定位信息的信号。一个处理机构耦合至所述定位接收机，它根据所述天线以及所述定位发射机的定位信息确定所述天线的校准信息。一个对准机构耦合至所述处理机构和所述天线，它根据所述校准信息自动取向所述天线，并根据所述无线收发信机的定位信息自动引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。
本发明另外诸方面包括确定校准信息，这通过首先经由定向搜索机构精确地指向所述定位发射机，然后建立矢量参考空间米实现。然后在该矢量参考空间内计算需要的仰角和方位角分量来确定天线的恰当校准。一旦确定了校准信息，一个对准机构自动地取向所述天线，并且该对准机构根据所述无线收发信机的定位信息自动地引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。
参考附图，下面的详细描述中将进一步对以上所指出的本发明的特点和优点进行描述，在所有的附图中，相同的参考号代表本发明相类似的部分。
图1A展示了根据本发明的一个实施例构建和工作的一种自动天线定向系统的功能框图；图1B展示了根据本发明的另一个实施例构建和工作的一种应用在卫星网络中的自动天线定向系统的功能框图；图1C展示了根据本发明的另一个实施例构建和工作的一种应用在陆地网络中的自动天线定向系统的功能框图；图1D展示了根据本发明的另一个实施例的作为增益和方位角的函数的波束图；图2A描绘了根据本发明的一个实施例构建和工作的一种自动天线定向系统的功能流程图；图2B描绘了根据本发明的一个实施例的空间矢量参考图。
具体实施例方式
本发明下面的详细描述引用展示与本发明相符的示范实施例的附图。其他实施例也是可能的，且在不离开本发明的精神和范围的情况下，还可以对这些实施例进行修改。因此，以下的详细描述不旨在限制本发明。本发明的范围还是应由所附权利要求而定。
下面所描述的实施例可代之以视图中所展示的实体中的多种不同软件、固件和硬件实施例来实现。用于实现本发明的实际软件代码或专用控制硬件并不限于本发明。因此，在这里所给出的详细描述的程度下，并理解对实施例的修改和变化都是可能的这一前提下对本发明的运作和表现进行描述。
如同下面将更详细地描述的，一种自动引导用户天线，使其精确地指向希望的通信收发信机的系统可以用来确保高速数据通信网络有足够好的性能。在一个实施例中，该系统利用一个定位接收机和一个定位发射机之间的定位信息来产生参考矢量和相应的矢量参考空间。由于定位信息仅包含位置信息且不能表示用户天线的取向信息，所以参考矢量和矢量参考空间被用作为参照系来为取向信息(如仰角和方位角方向信息)的推导提供方便。该取向信息随后被用来校准和恰当地取向用户天线。一旦完成了用户天线的取向，用户天线随后可以根据通信收发信机的定位信息或其他方法对准指向该希望的通信收发信机。随后，天线对准机构可以根据用户和收发信机位置信息自动地调整用户天线指向该收发信机。
图1A展示了根据本发明的一个实施例构建和工作的自动天线定向系统100。为了展示的目的，省略了很多无线通信的已知特征，例如，滤波器、双工器、放大器以及上/下变频器，它们都是本发明的辅助特征。
天线定向系统100可以用于高速无线数据通信服务。如同下面将更详细地描述的，可以通过基于卫星或基于陆地的数据通信网络提供高速无线数据通信服务。在不考虑网络平台的情况下，系统100采用用户终端108，它耦合至用户通信天线102A。用户102A经由网络通信天线110与网络通信收发信机构112通信。用户终端108可以包括处理机构108A，它被配置成执行内驻于系统存储器中的程序指令。这些程序指令可以控制和/或管理系统100的各个方面，包括，但不限于，定位信息的处理、仰角和方位角方向信息的确定以及天线取向控制信号的产生。
系统100还包括用户通信收发信机构104，它耦合至用户终端108和用户通信天102A。沿着发送路径，用户收发信机构104被配置成将基带数据调制和上变频成一种适合于接下来由用户通信天线102A辐射的形式。在接收路径上，用户收发信机构104被配置成将用户通信天线102A接收的信号调制和下变频成基带数据。
用户天线102A还可以包括对准机构105，它能够沿着仰角和方位角方向对准天线102A。对准机构105可以包括电动部件和相关的电路，藉以在一旦算出仰角和方位角方向信息的时候沿着恰当的方向对准天线102A。为此，对准机构105可以接收来自处理机构108A的控制信号来驱动电动部件以及沿着恰当的方向对准天线102A。
系统100还可以包括定位接收机106(例如，全球定位系统(GPS)接收机或类似的导航/定位接收机)和相关的定位天线102B。定位接收机106被配置成处理和提供来自于至少一个能够进行定位服务的同步卫星的天线102B位置信息。此信息可以基于GPS或类似的导航/定位系统，它们采用多个定位发射机(如3个或更多)来产生精确定位信息。与导航/定位系统相协调地，这些发射机可以被配置为轨道卫星(如GPS卫星)。
如图1A所示，用户通信天线102A也可以作为定位天线102B或者可以与定位天线102B相集成来形成集成天线103，它既作为通信天线又作为定位天线。为此，对准机构105可以结合定位功能使用，来提供跟踪定位发射机的定向搜索能力。
图1B展示了根据本发明的一个实施例的在基于卫星的高速数据通信网络中工作的自动天线定向系统125。如图1B所示，天线定向系统125采用了集成用户天线103，它经由卫星网络天线110A与卫星网络收发信机112A(如发射机应答器)进行通信，从而进行高速数据的传输。如此，用户天线103辐射较窄的发射波束图，藉以传输数据到卫星天线110A，用户天线103还收集来自卫星天线110A的接收波束图，藉以接收数据。尽管用户天线103被描绘成一种微波碟状天线，可以理解的是也可以采用其他天线配置。
天线定向系统125还包括定位接收机106，它耦合至用户天线103。如此，用户天线103可以被配置成还接收来自定位发射机114的定位信息。如上所述，此信息可以基于GPS或类似的导航/定位系统，它们采用多个定位发射机(如3个或更多)，这些发射机可以被配置为轨道卫星(如GPS卫星)。
定位发射机114可以被配置成在预定的基础上提供细化定时信息的数据以及指示发射机114的定位位置的天文历数据。卫星收发信机112A的定位以及其他信息是高速通信系统配置的一部分，它们是先验已知的或者可以根据与发射机114相类似的一组GPS卫星发射机来计算。尽管基于发射机114的定位信息明确了用户天线103和卫星收发信机112A的位置，应该理解的是此信息不能标识或确定天线103的取向。为此，用户收发信机104确定相对天线103位置信息，U。发射机114位置信息，S，通过发射机114的天文历导航消息被广播。根据已知的地固地心(earth-centered earth-fixed)(ECEF)WGS-84参照系标准，天线103和发射机114的位置信息可以立即定义为位置矢量U＝(us，uy，uz)和S＝(sx，sy，sz)。
天线定向系统125还可以包括定向搜索机构，藉以跟踪和精确地指向定位发射机114。定向搜索机构包括安装在用户天线103上的校准天线单元对102D、102E的阵列以及波束形成网络107，它们都是结合对准机构105使用的。如同下面将详细描述地，校准天线单元对102D、102E可以被配置成圆极化微带线接线天线或其他适用于此用途的天线单元。另外，校准天线单元对102D、102E可安装在天线103直径的相对两端上，这些单元所形成的阵列的视轴轴线与天线103的视轴重合。这样，天线单元对102D、102E可用来产生两个正交的辐射波束图。随后可以对这些波束图进行处理，产生它们之间的和或差，如图1D所示，以帮助确定具有来自定位发射机114的最强信号的仰角和方位角方向。对准机构105随后被用来根据代表最强信号的方向引导用户天线103精确地指向定位发射机114。
波束形成网络107被配置成处理传递有用信号的发射和接收波束图，包括校准天线单元对102D、102E阵列所产生的两个正交辐射波束图。波束形成网络104可以包括转换矩阵和增益/相位调整单元以及相关电路来实现需要的波束图。此电路可以包括，例如，组合器、分路器和切换机构，为了简短起见，它们都被省略了。
如同下面将详细描述地，系统125利用天线103和发射机114之间的定位信息来产生一个参考矢量和一个相应的矢量参考空间。该参考矢量和矢量参考空间将被用作为参照系，使得取向信息(仰角和方位角方向信息)的推导能够恰当地取向用户天线103。依据卫星收发信机112A的定位信息，被恰当地取向的用户天线103随后可以自动地对准指向卫星天线110A。
图1C展示了根据本发明一个实施例的在基于陆地的高速数据通信网络中工作的自动天线定向系统150。基于陆地的数据通信网络可以是，例如，无线数据网络，它可以包括，但不限于，微波视线网络和蜂窝网络。应指出的是，基于陆地的天线定向系统150中的一些部件与基于卫星的天线的定向系统125中所标识的部件相类似，并且因此以相同的参考号来表示。为了简明起见，一些类似部件将不再进一步描述，应该理解不作描述并不意味着牺牲本发明的任何方面。
天线定向系统150采用用户天线103，它经由地面天线110B与地面通信收发信机112B进行通信，藉以进行高速数据的传输。地面收发信机112B和地面天线110B可以包括，例如，基站收发信机系统和相关基站天线排列。如此，用户天线103辐射较窄的发射波束图，藉以传输数据到地面天线110B，用户天线103还收集来自地面天线110B的接收波束图，藉以接收数据。
系统150还采用了定位接收机106，它耦合至用户天线103，用户天线103可以被配置成接收来自定位发射机114的定位信息。用户天线103、发射机114和地面天线110B的定位信息可以存储在定位数据库中。如上所述，对于天线定向系统125，定位信息不能标识或确定用户天线103的取向。用户收发信机104确定天线103位置信息，U，和接收发射机114位置信息，S。天线103和发射机114的位置信息可以被立即定义为位置矢量U＝(us，uy，uz)和S＝(sx，sy，sz)。
如同上面相对系统125所指出的和下面将详细描述的，系统150利用天线103和发射机114之间的定位信息来产生一个参考矢量和一个相应的矢量参考空间。该参考矢量和矢量参考空间将被用作为参照系，使得取向信息(仰角和方位角方向信息)的推导能够恰当地取向用户天线103。通过使用地面收发信机112B的定位信息，恰当地取向的用户天线103随后可以自动地对准指向地面天线110B。
图2A是根据本发明的一个实施例构建和工作的一种自动天线定向过程200的功能流程图。结合上面所描述的系统实施例，过程200确定需要的取向信息(如仰角和方位角方向信息)来恰当地取向天线103。通过卫星收发信机112A定位信息或地面收发信机112B定位信息，使用已恰当地取向的用户天线103随后可以自动地对准指向卫星或地面天线110A、110B。
如方框B210所示，过程200开始获取有关用户天线103、定位发射机114和卫星收发信机天线110A或地面收发信机天线110B的定位信息。如上所述，已知的导航系统，诸如GPS，采用多个定位发射机，它们交流定时信息、用户天线103定位位置、网络收发信机天线110A、110B定位位置以及标识被考虑的发射机定位位置的天文历数据。因此，过程200获取各定位发射机所交流的有关信息。
在接收了各定位发射机所交流的有关信息之后，在方框B212中，过程200从发射机组中选择至少一个定位发射机114，它具有可接收的信号条件和/或信号等级。这些可接收的信号条件可以包括，例如，具有符合预定阈值的信噪比(SNR)的发射机信号。如此，过程200确保了其以最强发射机的定位信号进行工作。
在方框B214中，过程200利用定向搜索机构的能力来准确地将用户天线103指向所述至少一个定位发射机114。用户天线103的精确指向便于建立矢量参考空间，该矢量参考空间接下来被用来精确地校准用户天线103的取向。
在一个示范实现中，如图B214A所示，过程200通过开始从校准天线单元对102D、102E阵列形成和辐射两个正交波束图来实现定向搜索能力。一个波束图在仰角平面中，而另一个在方位角平面中。校准天线单元对102D、102E可以安装在天线103直径的相对两端上，这些单元所形成的阵列的视轴轴线与天线103的视轴重合。这样，校准天线单元对102D、102E的真北矢量n与天线103的相同。
在方框B214B中，过程200开始用波束形成网络107形成沿着仰角和方位角平面的两个正交波束图的和与差。方位角平面中的典型和与差模式图在图1B中作为增益和方位角Φ的函数示出。仰角平面的曲线图可以类似地被配置。差模式图的一个显著特征在于波瓣间的零陡度(steep null)，它代表了波束图的最大增益。
在方框B214C中，过程200相对与仰角和方位角平面的差模式图的零陡度调整用户天线103。具体而言，对于仰角和方位角平面这两者，用户收发信机构104跟踪差模式图的增益。在各差模式图中检测到零陡度的情况下，机构104将与该零陡度相关的仰角θ和方位角Φ信息通知给处理机构108A。处理机构108A随后根据仰角和方位角θ、Φ信息产生第一组控制信号，来沿着仰角和方位角平面驱动对准机构105，藉以自动地将天线103沿着最优增益的方向对准。以此方式，过程200能够利用定向搜索能力来自动地和精确地引导用户天线103指向至少一个定位发射机114。
在将用户天线103精确地指向至少一个定位发射机114的情况下，随后过程200在方框B216中可以建立一个准确和可靠的矢量参考空间。作为例子，考虑图2C中所描绘的基于卫星的数据通信网络的属性。在此示范例子中，可以相对于地球中心，将用户天线103以及至少一个定位发射机114的定位位置分别定义为位置矢量U＝(us，uy，uz)和S＝(sx，sy，sz)。相应于位置矢量U、S的确定，过程200建立一个参考矢量R，它从用户天线103的位置指向发射机114的位置S。用位置矢量U、S以及参考矢量R，过程200随后可以建立一个矢量参考空间，它作为一个推导取向信息的参照系。
矢量参考空间包括单位矢量u＝U/|U|，其中|U|表示矢量U的大小。矢量参考空间还包括单位矢量n以及单位矢量e，单位矢量n从用户位置U指向北，单位矢量e从U指向东。注意三个单位矢量u、n和e是两两正交的。单位矢量r从U指向S，它被定义为r＝(S-U)/|S-U| (1)其中|S-U|表示S-U的大小。进而，矢量参考空间还包括单位矢量z，它被定义为从地球中心指向北，z＝(zs＝0，zy＝0，zz＝1)，即，与ECEF的Z轴平行。
应该理解的是，单位矢量e在地球的表面上从用户位置U指向东，它可以由下式给出e＝(z×U)/|z×U| (2)其中z×U表示z和U的叉积。类似地，单位矢量n在地球的表面上从用户位置U指向北，它可以由下式给出n＝U×e/|U| (3)等式(2)和(3)建立了包括单位矢量n以及单位矢量e的矢量参考空间，单位矢量n从用户位置U指向北，单位矢量e指向东。注意当矢量u和z是平行的，即，当用户位于北极或南极时，等式(2)和(3)将不再有效。
根据单位参考矢量r和矢量参考空间，过程200能够推导出校准和恰当地取向用户天线103所需的取向信息。该取向信息包括仰角方向和方位角方向分量。具体而言，过程200在方框B218中确定在恰当的仰角方向上取向用户天线103所需的仰角定向信息。这是通过计算仰角偏移量Δθ实现的，该仰角偏移量定义了用户天线103沿着矢量u所需的角度调整量。仰角偏移量Δθ与矢量r在u上的投影有关，且可以如下地计算Δ0＝sin-1(r·u) (4)其中r·u是矢量r和u之间的点积。
在方框B216中，过程200还确定在恰当的方位角方向上取向用户天线103所需的方位角定向信息。具体而言，过程200首先计算矢量r在经过点U的水平平面上的投影p。由于经过点U的水平面与矢量u垂直，那么投影p可以被计算为p＝r-u(r·u) (5)其中u(r·u)是u和(r·u)的点积结果的乘积。根据投影p，过程200通过计算方位角偏移量ΔΦ确定方位角方向信息，该方位角偏移量定义了用户天线103沿着真北矢量n所需的角度调整量。如此，方位角偏移量ΔΦ可以如下地计算ΔΦ＝cos-1[(n·p)/|p|] (6)sign(ΔΦ)＝sign(e·p) (7)其中n·p和e·p分别是n与p和e与p的点积，|p|表示p的大小。
在计算出仰角和方位角方向信息之后，过程200取得了恰当地校准和取向用户天线103所需的取向信息。换言之，依据参考矢量r、矢量参考空间、仰角偏移量Δθ和方位角偏移量ΔΦ，用户天线103可以调整和修正以实现恰当地取向。因此，在示范实施例中，这可以通过让处理机构108A根据仰角偏移量Δθ和方位角偏移量ΔΦ产生第二组控制信号，以沿着恰当的方向驱动对准机构105来取向用户天线103。
如果修正沿着恰当的方向来进行，则根据仰角偏移量Δθ和方位角偏移量ΔΦ的那些修正将实现希望的天线取向。这假设对准机构105的物理方位角平面Pa，即，进行物理天线方位角调整的平面，与用户位置U处的真实水平平面是平行的。此条件等效于矢量u平行于矢量v，其中v是与平面Pa平行的矢量。即使在矢量u和v不平行但u、v和矢量r都处于同一平面的情况下，如上所述地，根据仰角偏移量Δθ和方位角偏移量ΔΦ的修正也将实现希望的天线取向。另一方面，若矢量v不处于由矢量u和r所确定的平面内，那么将测量矢量v和矢量u在平面Pr上的投影之间的角偏移量Δα，其中Pr是与矢量r垂直的平面。为了在所有接下来的天线取向操作中使用，该角偏移量Δα必须被额外地修正。所述修正可以由处理机构108A在将所需的仰角和方位角动作转换成驱动对准机构105的信号时通过使用合适的坐标变换来进行。
如上所述，在某些情况下，即，在不能保证矢量u和v的初始平行取向时，可能需要确定角偏移量Δα。则可以如下地实现，例如，重复方框B214中的操作来将用户天线103对准第二定位发射机114，或者在它移动至不同位置之后将用户天线103对准与以前相同的定位发射机，并根据仰角偏移量Δθ和方位角偏移量ΔΦ计算角偏移量Δα(从两个方框B214的操作得到)。
确定Δα的一种更加有效的方法是利用在对准到第一定位发射机期间获得的信息来帮助第二定位发射机114的对准。在一个较佳实施例中，首先，选择一个合适的第二定位发射机114，它的位置使得从用户位置U指向它的矢量与指向第一定位发射机的矢量不平行。第二定位发射机114的定位信息被转换成在用户位置U处有效的相应的目标仰角和方位角方向信息。过程200随后沿着该目标仰角和方位角方向信息对准天线103，试图将它指向所选的第二定位发射机114。若第二定位发射机被精确地发现处在该方向上，则Δα为零，且不需要进一步的修正。否则，可以通过改变在Pr平面上测得的方位角而保持相对于Pr常量所测得的仰角来搜索第二定位发射机，其中Pr是与矢量r垂直的平面。一旦通过此过程用户天线103被准确地对准到了第二定位发射机114，Δα将容易被确定为要在Pr平面上相对于初始位置所进行的方位角调整量。注意由于角偏移量Δα被确定为Pr平面上的一个方位角差，因此不需要在Pr平面上指定一个基准“0”方位角方向。还应注意确定Δα的最佳几何排列是从用户位置U处所看到的第一和第二定位发射机之间的角度大约为90°的情况。
最后，一旦用户天线103已恰当地加以取向，过程200可以随后对准天线103以指向所希望的网络通信收发信机，即，卫星通信天线110A或地面通信天线110B。具体而言，在方框B220中，过程200使用网络收发信机天线110A、110B的定位信息，它们可以被转换成相应的目标仰角和方位角方向信息。过程200随后遵循目标仰角和方位角方向信息对准天线103来指向所希望的网络通信收发信机。在一个示范实施例中，这可以通过让处理机构108A根据目标仰角和方位角方向信息产生第三组控制信号，驱动对准机构105来自动地沿着所希望的方向调整和对准天线103来实现。
在上面解释的根据第二和第三组控制信号所进行的独立对准可以在单个步骤中根据单组控制信号来完成。此单组信号是通过将第三组控制信号减去第二组控制信号来获得的。
以上对本发明实施例的描述提供了示范和描述，但并不是穷举或将本发明精确地限制于所揭示的形式。修改和变化是可能与上面的启发相符，或者可以从本发明的实践中获得。例如，为了清楚的目的在各独立实施例的背景下所描述的本发明的各特征也可以组合在单个实施例中。相反地，为了简明而在单个实施例的背景下所描述的本发明的各特征也可以独立地或以任何适当组合的形式来提供。因此，本领域普通技术人员将会理解本发明并不限于上面所具体呈现和描述的，而是本发明的范围应该仅由所附的权利要求及其等效物来定义。
权利要求
1.一种自动引导通信天线指向希望的无线通信收发信机的系统，包括定位接收机，配置成接收指明所述天线以及至少一个定位发射机的定位信息的信号；处理机构，耦合至所述定位接收机，配置成根据所述天线以及所述定位发射机的定位信息确定所述天线的校准信息；以及对准机构，耦合至所述处理机构和所述天线，配置成根据所述校准信息自动取向所述天线，并根据所述无线收发信机的定位信息自动引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个定位发射机根据具有符合预定阈值的信号等级而从多个定位发射机中选出。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括定向搜索机构，该定向搜索机构将所述天线指向所述至少一个定位发射机，藉以确定所述校准信息。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述定向搜索机构包括波束形成网络，耦合至所述天线，配置成处理被辐射的发射和接收波束图，收发信机构，耦合至所述波束形成网络，配置成处理将被发射至所述波束形成网络的信号以及从所述波束形成网络接收到的信号，以及设置在所述天线上的校准天线单元阵列，所述校准天线单元阵列形成两个正交的辐射波束图，使得一个所述辐射波束图沿着仰角平面形成而另一个所述辐射波束图沿着方位角平面形成。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述波束形成网络形成仰角和方位角平面的所述两个正交辐射波束图、代表沿着一个平面的所述辐射波束图的合成的和波束图以及代表沿着相同平面的所述辐射波束图之间的差的差波束图。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述收发信机构跟踪所述仰角平面和方位角平面的差波束图，以确定沿着每个平面的最大增益以及与该最大增益相关的仰角和方位角方向信息，其中所述收发信机构将所述仰角和方位角方向信息发送给所述处理机构。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，响应于接收到与所述最大增益相关的所述仰角和方位角方向信息，所述处理机构产生第一组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的调整，藉以自动地引导所述天线指向所述至少一个定位发射机。
8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，响应于将所述天线指向所述至少一个定位发射机，所述天线位置信息被定义为一个位置矢量U＝(us，uy，uz)，所述定位发射机位置信息被定义为一个位置矢量S＝(sx，sy，sz)，其中所述处理机构依据以下关系在定义矢量参考空间的基础上确定校准信息单位矢量u＝U/|U|，定义经过U的一个平面的单位矢量；单位矢量r＝(S-U)/|S-U|，从U指向S的单位矢量；单位矢量z＝(zs＝0，zy＝0，zz＝1)，从地球中心指向北的单位矢量；单位矢量e＝(z×U)/|z×U|，从U指向真东的单位矢量；单位矢量n＝U×e/|U|，从U指向真北的单位矢量，其中单位矢量u、n和e两两正交。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述校准信息包括仰角分量Δθ和方位角分量ΔΦ，所述处理机构根据以下关系计算所述仰角分量Δθ和方位角分量ΔΦΔθ＝sin-1(r·u)，其中r·u是矢量r和u的点积；ΔΦ＝cos-1[(n·p)/|p|]，其中n·p是矢量n与p的点积，|p|是p的大小；sign(ΔΦ)＝-sign(e·p)，其中e·p是e与p的点积，其中p＝r-u(r·u)，p是矢量r在经过点U的水平平面上的投影，u(r·u)是u和(r·u)的点积结果的乘积。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述处理机构产生第二组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的取向调整，藉以自动地根据所校准信息取向所述天线。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述无线收发信机的所述定位信息包括将所述无线收发信机的定位信息转换成收发信机仰角和方位角方向信息。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述处理机构产生第三组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的定向调整，藉以自动地根据所述收发信机仰角和方位角方向信息引导所述取向的天线指向所述无线收发信机。
13.一种自动引导通信天线指向希望的无线通信收发信机的方法，包括由定位接收机获取所述天线以及至少一个定位发射机的定位信息；由处理机构根据所述天线以及所述定位发射机的定位信息确定所述天线的校准信息；由对准机构根据所述校准信息取向所述天线；以及由所述对准机构根据所述无线收发信机的定位信息自动引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一个定位发射机根据具有符合预定阈值的信号等级而从多个定位发射机中选出。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由定向搜索机构将所述天线指向所述至少一个定位发射机，藉以确定所述校准信息。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述定向搜索机构包括波束形成网络，耦合至所述天线，配置成处理被辐射的发射和接收波束图，收发信机构，耦合至所述波束形成网络，配置成处理将被发射至所述波束形成网络的信号以及从所述波束形成网络接收到的信号，以及设置在所述天线上的校准天线单元阵列，所述校准天线单元阵列形成两个正交的辐射波束图，使得一个所述辐射波束图沿着仰角平面形成而另一个所述辐射波束图沿着方位角平面形成。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由所述波束形成网络形成仰角和方位角平面的所述两个正交辐射波束图、代表沿着一个平面的所述辐射波束图的合成的和波束图以及代表沿着相同平面的所述辐射波束图之间的差的差波束图。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由所述收发信机构跟踪所述仰角平面和方位角平面的差波束图，以确定沿着每个平面的最大增益以及与该最大增益相关的仰角和方位角方向信息；以及由所述收发信机构将所述仰角和方位角方向信息发送给所述处理机构。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括响应于接收到与所述最大增益相关的所述仰角和方位角方向信息，由所述处理机构产生第一组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的调整，藉以自动地引导所述天线指向所述至少一个定位发射机。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，响应于将所述天线指向所述至少一个定位发射机，所述天线位置信息被定义为一个位置矢量U＝(us，uy，uz)，所述定位发射机位置信息被定义为一个位置矢量S＝(sx，sy，sz)，其中所述处理机构依据以下关系在定义矢量参考空间的基础上确定校准信息单位矢量u＝U/|U|，定义经过U的一个平面的单位矢量；单位矢量r＝(S-U)/|S-U|，从U指向S的单位矢量；单位矢量z＝(zs＝0，zy＝0，zz＝1)，从地球中心指向北的单位矢量；单位矢量e＝(z×U)/|z×U|，从U指向真东的单位矢量；单位矢量n＝U×e/|U|，从U指向真北的单位矢量，其中单位矢量u、n和e两两正交。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述校准信息包括仰角分量Δθ和方位角分量ΔΦ，所述处理机构根据以下关系计算所述仰角分量Δθ和方位角分量ΔΦΔθ＝sin-1(r·u)，其中r·u是矢量r和u的点积；ΔΦ＝cos-1[(n·p)/|p|]，其中n·p是矢量n与p的点积，|p|是p的大小；sign(ΔΦ)＝-sign(e·p)，其中e·p是e与p的点积，其中p＝r-u(r·u)，p是矢量r在经过点U的水平平面上的投影，u(r·u)是u和(r·u)的点积结果的乘积。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由所述处理机构产生第二组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的取向调整，藉以自动地根据所校准信息取向所述天线。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述无线收发信机的所述定位信息包括将所述无线收发信机的定位信息转换成收发信机仰角和方位角方向信息。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由所述处理机构产生第三组控制信号，代表所述对准机构所将要执行的定向调整，藉以自动地根据所述收发信机仰角和方位角方向信息引导所述取向的天线指向所述无线收发信机。
全文摘要
这里提出了一种自动引导通信天线指向希望的无线通信收发信机的系统和方法。该系统包括定位接收机，它接收指明所述天线以及定位发射机的定位信息的信号；处理机构，它确定所述天线的校准信息。该校准信息是如下地实现的，首先建立所述天线和定位发射机的位置之间的参考矢量以及建立矢量参考空间，然后在该矢量参考空间内计算需要的仰角和方位角分量来确定天线的恰当校准。一旦确定了校准信息，一个对准机构自动地取向所述天线。该对准机构随后根据所述无线收发信机的定位信息自动地引导所述取向的天线来指向所述无线收发信机。
文档编号H01Q1/12GK1554136SQ02817541
公开日2004年12月8日 申请日期2002年7月9日 优先权日2001年7月10日
发明者S·S·索利曼, E·T·扎基, P·加尔, S S 索利曼, 扎基 申请人:高通股份有限公司