專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量有源信號(hào)發(fā)射無(wú)線電探空儀的方位角和仰角的方法和天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的序言的天線結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求12的序言的方法。
本發(fā)明還涉及一種用于測(cè)量有源信號(hào)發(fā)射無(wú)線電探空儀的方位角和仰角的方法。
本發(fā)明涉及一種大氣探測(cè)系統(tǒng)，其中通過(guò)獨(dú)立的自供電有源元件(activecomponent)通常稱(chēng)之謂包括無(wú)線電發(fā)射機(jī)的無(wú)線電探空儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大氣的性質(zhì)。這種解決方案的典型特征是無(wú)源地(不發(fā)射)接受天線以及測(cè)量裝置(無(wú)線電探空儀)穿過(guò)被測(cè)量的空間提起或者落下的事實(shí)。
背景技術(shù)：
通過(guò)無(wú)線電探空儀的傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的參數(shù)例如氣壓、溫度和相對(duì)濕度經(jīng)由連接于接收站的遙測(cè)裝置來(lái)傳輸。可以通過(guò)使用導(dǎo)航輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)例如GPS或勞蘭-C導(dǎo)航系統(tǒng)、通過(guò)一次雷達(dá)或二次雷達(dá)、或者通過(guò)無(wú)源(不發(fā)射)和獨(dú)立的(不使用導(dǎo)航輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò))無(wú)線電經(jīng)緯儀來(lái)測(cè)量所關(guān)心的其它參數(shù)風(fēng)速和風(fēng)向。無(wú)線電探空儀的高度可以通過(guò)計(jì)算氣壓、溫度和濕度數(shù)據(jù)而獲得。
本發(fā)明的目的是使用無(wú)源(不發(fā)射)天線結(jié)構(gòu)而不依賴(lài)于導(dǎo)航輔助系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在三維空間確定有源無(wú)線電探空儀的方位角和仰角。本發(fā)明通常應(yīng)用于定位借助充滿(mǎn)氫氣或氦氣的氣球進(jìn)入大氣的無(wú)線電探空儀。無(wú)線電探空儀的方位角和仰角由接收到的無(wú)線電探空信號(hào)來(lái)確定。
風(fēng)速和風(fēng)向可以通過(guò)計(jì)算無(wú)線電探空儀的連續(xù)的方位角和仰角以及高度來(lái)獲得。
現(xiàn)有解決方案在1680MHz氣象頻帶在方位方向和豎直方向上機(jī)械地跟蹤無(wú)線電探空儀。這種方法的缺點(diǎn)是復(fù)雜和昂貴的機(jī)械接收天線結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有解決方案的另一缺點(diǎn)是當(dāng)接受來(lái)低仰角的無(wú)線電探空信號(hào)時(shí)不能充分地衰減地面反射。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有解決方案中的問(wèn)題并且提供一種用于確定無(wú)線電探空儀的方位角和仰角的全新型的天線結(jié)構(gòu)和方法。
本發(fā)明的目標(biāo)是通過(guò)固定向后傾斜的天線場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中天線元件安裝在天線架上。在一個(gè)典型實(shí)施例中天線場(chǎng)圍繞接近當(dāng)仰角保持實(shí)質(zhì)上不變時(shí)無(wú)線電探空儀的方向的垂直軸旋轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中具有指向不同的固定方位方向的至少三個(gè)這種固定傾斜天線場(chǎng)。這種解決方案沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件。
更特別地，根據(jù)本發(fā)明的天線系統(tǒng)的特征由權(quán)利要求1的特征部分闡述。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征由權(quán)利要求12的特征部分闡述。
本發(fā)明提供有效的好處。
通過(guò)衰減地面反射無(wú)線電探空儀的方位角和仰角可以更準(zhǔn)確地測(cè)量，尤其是當(dāng)無(wú)線電探空儀處于低仰角時(shí)。
天線結(jié)構(gòu)的機(jī)械部分可以以更低的成本來(lái)簡(jiǎn)化和制造。而且，由于運(yùn)動(dòng)部件減少所以系統(tǒng)的可靠性增加。


下面，通過(guò)參考附加的附圖借助于典型實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的檢驗(yàn)，其中圖1a示出根據(jù)本發(fā)明的可旋轉(zhuǎn)天線結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖1b示出圖1a的實(shí)施例的簡(jiǎn)圖。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的固定天線結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖3示意性地示出在地面反射方向具有增益模式最小值(零)的用探測(cè)氣球升起的無(wú)線電探空儀、直接信號(hào)、地面反射、可旋轉(zhuǎn)天線結(jié)構(gòu)以及典型輻射模式。
圖4示出在地面反射方向具有增益模式最小值(零)的用于雙元件(two-element)天線陣列的典型輻射模式的極座標(biāo)圖。
圖5示意性地示出雙元件天線陣列的調(diào)整相位的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1基本上平面的天線場(chǎng)1包括垂直天線群12和水平天線群13。垂直天線群12包括在上方彼此配置的至少兩個(gè)天線陣列10a和10b。在這種解決方案中每一陣列列包括三個(gè)天線元件9。這些陣列10a和10b的方向模式(direction pattern)在仰角平面是寬的。
垂直天線群10a和10b用于根據(jù)在天線陣列10a、10b之間接受到的無(wú)線電探空信號(hào)的相位差來(lái)確定無(wú)線電探空儀的仰角。
各個(gè)水平天線群13包括圍繞天線場(chǎng)1的縱向中心線至少實(shí)質(zhì)上對(duì)稱(chēng)配置的兩個(gè)水平天線陣列11a和11b。在這種解決方案中每一陣列包括兩個(gè)或兩個(gè)以上天線元件9。這些陣列11a和11b的方向模式在仰角平面也是寬的。
無(wú)線電探空儀的方位角由陣列11a和11b根據(jù)在天線陣列11a、11b之間的相位差和天線場(chǎng)1的旋轉(zhuǎn)位置來(lái)確定。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例1包括分為上部6和下部14的僅僅一個(gè)旋轉(zhuǎn)支撐架。具有它的架子2的天線場(chǎng)1被安裝在在它的腳5的端部具有圓形支撐盤(pán)4的固定三角架3上。單獨(dú)的天線8用于無(wú)線電探空儀遙測(cè)。為了將天線場(chǎng)1指向接近無(wú)線電探空儀的方向，天線架?chē)@垂直軸7是可旋轉(zhuǎn)的。方位角可以使用在架子的下部14上的水平天線群13來(lái)測(cè)量，仰角可以借助設(shè)置在架子的上部6和下部14上的垂直天線群12來(lái)測(cè)量。圖1b給出了角度測(cè)量必需的天線群的簡(jiǎn)化型式。傾斜角α通常為30°。在上下文中術(shù)語(yǔ)“固定傾斜”或“固定的傾斜角”還意味著解決方案，其中允許傾斜角的小振動(dòng)偏差例如由于風(fēng)產(chǎn)生的。
由于天線群13用于方位測(cè)量，天線場(chǎng)1形成反轉(zhuǎn)T型或L型。使用這種解決方案可以實(shí)現(xiàn)重力和風(fēng)力載荷的低中心(low center)。顯然，在發(fā)明的思想范圍內(nèi)方位天線群13也可以設(shè)置在天線場(chǎng)1的上部6或中心，其中形成T型、倒轉(zhuǎn)L型或加號(hào)(+)型。本發(fā)明沒(méi)有限制方位角和仰角天線群以彼此垂直或與地面垂直，由此允許例如還可以是X型天線場(chǎng)。
無(wú)線電探空儀遙測(cè)接受不依賴(lài)于方位角和仰角測(cè)量。遙測(cè)信號(hào)通過(guò)分離的(high)高增益定向天線8來(lái)接收。天線8的方向模式通常在方位平面是窄的而在仰角平面是寬的。
圖1b給出了圖1a的天線結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化型式。在這種型式中每一天線陣列被單個(gè)的天線元件9取代。
圖2給出了以具有四個(gè)傾斜天線場(chǎng)14的固定棱錐體型天線形成的本發(fā)明的另一實(shí)施例。使用在棱錐體的底部包括兩個(gè)天線陣列18a和18b的水平天線群20來(lái)測(cè)量方位角。陣列包括兩個(gè)或兩個(gè)以上天線元件16。使用在棱錐體的上部和下部包括兩個(gè)垂直設(shè)置的天線陣列17a和17b的垂直天線群19來(lái)測(cè)量仰角。遙測(cè)信號(hào)通過(guò)設(shè)置在棱錐體頂部的分離定位天線15來(lái)接收。
在之前描述的兩個(gè)解決方案中，通過(guò)測(cè)量至少兩個(gè)天線元件或陣列在水平方向(水平群13或20)上的相位差和天線場(chǎng)14的方向來(lái)確定方位角。
通過(guò)測(cè)量至少兩個(gè)天線元件或陣列實(shí)質(zhì)上在垂直方向上(垂直群12或19)的相位差來(lái)確定仰角。
根據(jù)圖3，天線系統(tǒng)34的作用在于獲得來(lái)自無(wú)線電探空儀31的直接(direct)無(wú)線電信號(hào)32。當(dāng)無(wú)線電探空儀31在低仰角時(shí)，來(lái)自(負(fù))反射角的地面反射30曾經(jīng)是降低現(xiàn)有技術(shù)性能的主要因素。本發(fā)明通過(guò)將輻射模式33的增益模式最小值35(零)對(duì)準(zhǔn)地面反射30的方向來(lái)減少這個(gè)問(wèn)題。通常對(duì)于不同的仰角通過(guò)根據(jù)相位陣列技術(shù)對(duì)準(zhǔn)主射束用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)確定該方向，使得地面反射最小化。
根據(jù)圖4，增益模式最小值(零)通過(guò)有至少兩個(gè)天線元件(9或16)組成的天線陣列(10a、10b、11a、11b或者17a、17b、18a、18b)來(lái)形成。增益模式最小值(零)30通過(guò)修改在陣列中(波形)每一天線元件的信號(hào)相位和信號(hào)幅度來(lái)定向。
根據(jù)圖5，修改的信號(hào)的和代表現(xiàn)在可以作為具有更多適合的輻射模式的單個(gè)天線元件的天線陣列。對(duì)于在水平和垂直群(12、13或19、20)中的每一天線陣列增益模式最小值(零)單獨(dú)形成。
s=sa1Aejφ180π+sa2Ae-jφ180π,]]>其中φ是相移。
對(duì)于不同的仰角(輻射模式)相移用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)設(shè)計(jì)。更詳細(xì)的解釋天線波束形成，舉例來(lái)說(shuō)，參考Robert J.Mailloux，相位陣列天線手冊(cè)，第2章和第3章，1994Artech House，Inc，ISBN0-89006-502-0。
根據(jù)圖6，入射角可以使用兩個(gè)同樣的天線A1和A2利用干涉測(cè)量原理來(lái)測(cè)量，該原理更詳細(xì)的解釋?zhuān)e例來(lái)說(shuō)，參考Englar，Mango，Roettcher，Watters，F(xiàn)INAL REPORT FOR THE MININTRACK TRACKING FUNCTIONDESCRIPTION，卷1，1973年3月，NASA-TMX-66213。如果基線長(zhǎng)度(b)小于或者等于半波長(zhǎng)(λ/2)可以測(cè)量明確的入射角(-90°＜α＜90°)。當(dāng)天線A1和A2之間的相位差(φ)已經(jīng)被測(cè)量(-180°＜φ＜180°)，該入射方向(DOA)可以被計(jì)算出
α=arcsin(xb),]]>其中 c＝光速和f＝信號(hào)頻率。
代替圖1a、1b和2示出的平面天線場(chǎng)1或14，天線場(chǎng)也可以是凸?fàn)畹?、凹狀的或者例如階梯形。在圖1a和1b的旋轉(zhuǎn)實(shí)施例中所有的天線、天線陣列和天線元件被設(shè)置在這種統(tǒng)一的剛性天線場(chǎng)1而不管天線場(chǎng)的形狀。在圖2的實(shí)施例中遙測(cè)天線15不包括在這種天線場(chǎng)14中。
在這種具有寬束的應(yīng)用中意味著束寬大于120°。
各個(gè)窄束意味著束寬小于30°。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量有源信號(hào)發(fā)射無(wú)線電探空儀(31)的方位角和仰角的天線系統(tǒng)，該天線系統(tǒng)包括第一無(wú)源天線群(13)，其包括至少兩個(gè)天線陣列(11a、11b)，為了根據(jù)天線陣列(11a、11b)之間的相位差來(lái)測(cè)量無(wú)線電探空儀(31)的方位角其方向模式至少在仰角平面是寬的，第二無(wú)源天線群(12)，其包括至少兩個(gè)天線天線陣列(10a、10b)，為了根據(jù)天線陣列(10a、10b)之間的相位差和天線場(chǎng)(1)的旋轉(zhuǎn)位置來(lái)測(cè)量無(wú)線電探空儀(31)的仰角其方向模式至少在仰角平面是寬的，和至少一個(gè)具有高增益的第三天線元件(8)用于接受遙測(cè)信號(hào)，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是寬的，其特征在于第一(13)和第二(12)天線群構(gòu)成立體天線場(chǎng)(1)，以及天線場(chǎng)(1)以預(yù)定仰角位置固定傾斜。
2.權(quán)利要求1的天線系統(tǒng)，特征在于第三天線(8)屬于天線場(chǎng)(1)。
3.權(quán)利要求1或2的天線系統(tǒng)，特征在于天線場(chǎng)實(shí)質(zhì)上是平面。
4.上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合中的任何一個(gè)的天線系統(tǒng)，特征在于每一天線陣列(10a、10b、11a、11b)的增益模式最小值(35)(零)對(duì)準(zhǔn)地面反射(30)的方向。
5.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的天線系統(tǒng)，特征在于天線系統(tǒng)包括用于當(dāng)仰角實(shí)質(zhì)上保持恒定時(shí)接近無(wú)線電探空儀(31)的方向圍繞垂直軸(7)旋轉(zhuǎn)天線場(chǎng)(1)的裝置。
6.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的天線系統(tǒng)，特征在于無(wú)線電探空儀(31)遙測(cè)接受不依賴(lài)于方位角和仰角測(cè)量。
7.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的天線系統(tǒng)，特征在于天線場(chǎng)(14)固定在方位角和仰角方向，并且該系統(tǒng)包括指向不同方位方向的至少三個(gè)天線場(chǎng)(14)。
8.權(quán)利要求7的天線系統(tǒng)，特征在于每一天線陣列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)對(duì)準(zhǔn)地面反射的方向。
9.權(quán)利要求7或8的天線系統(tǒng)，特征在于無(wú)線電探空儀遙測(cè)接受(15)不依賴(lài)于方位角和仰角測(cè)量。
10.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的天線系統(tǒng)，特征在于天線場(chǎng)(1)傾斜朝后固定。
11.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的天線系統(tǒng)，特征在于天線場(chǎng)(1)形成反轉(zhuǎn)字母T。
12.一種用于測(cè)量有源、信號(hào)發(fā)射無(wú)線電探空儀(31)的方位角和仰角的方法，其中該方法根據(jù)在天線陣列(11a、11b)之間接收的無(wú)線電探空儀信號(hào)的相位差和天線場(chǎng)(1)的旋轉(zhuǎn)位置使用包括至少兩個(gè)天線陣列(11a、11b)的第一無(wú)源天線群(13)來(lái)測(cè)量無(wú)線電探空儀(31)的方位角，其方向模式至少在仰角平面是寬的，根據(jù)在天線陣列(10a、10b)之間接受的無(wú)線電探空儀信號(hào)的相位差使用包括至少兩個(gè)天線天線陣列(10a、10b)的第二無(wú)源天線群(12)來(lái)測(cè)量無(wú)線電探空儀(31)的仰角，其方向模式至少在仰角平面是寬的，和使用至少一個(gè)具有高增益的第三天線元件(8)來(lái)接收遙測(cè)信號(hào)，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是寬的，其特征在于第一(13)和第二(12)天線群構(gòu)成立體天線場(chǎng)(1)，以及天線場(chǎng)(1)以預(yù)定仰角位置固定傾斜。
13.權(quán)利要求12的方法，特征在于第三天線(8)屬于天線場(chǎng)(1)。
14.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的方法，特征在于每一天線陣列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)對(duì)準(zhǔn)地面反射的方向。
15.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的方法，特征在于無(wú)線電探空儀遙測(cè)接受不依賴(lài)于方位角和仰角測(cè)量。
16.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的方法，特征在于當(dāng)仰角實(shí)質(zhì)上保持恒定時(shí)接近無(wú)線電探空儀(31)的方向圍繞垂直軸(7)旋轉(zhuǎn)天線系統(tǒng)。
17.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的方法，特征在于天線場(chǎng)(1)傾斜朝后固定。
18.根據(jù)任何上述權(quán)利要求或它們的結(jié)合的方法，特征在于天線場(chǎng)(14)固定在方位角和仰角方向，并且該系統(tǒng)包括指向不同方位角方向的至少三個(gè)天線場(chǎng)(14)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，特征在于每一天線陣列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)對(duì)準(zhǔn)地面反射的方向。
20.權(quán)利要求18或19的方法，特征在于無(wú)線電探空儀遙測(cè)接受(15)不依賴(lài)于方位角和仰角測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種和方法。用于測(cè)量有源信號(hào)發(fā)射無(wú)線電探空儀(31)的方位角和仰角的天線系統(tǒng)包括第一無(wú)源天線群(13)，其包括至少兩個(gè)天線陣列(11a、11b)，為了根據(jù)天線陣列(11a、11b)之間的相位差來(lái)測(cè)量無(wú)線電探空儀(31)的方位角其方向模式至少在仰角平面是寬的，第二無(wú)源天線群(12)包括至少兩個(gè)天線陣列(10a、10b)，為了根據(jù)天線陣列(10a、10b)之間的相位差和天線場(chǎng)(1)的旋轉(zhuǎn)位置來(lái)測(cè)量無(wú)線電探空儀(31)的仰角其方向模式至少在仰角平面是寬的，和至少一個(gè)具有高增益的第三天線(8)用于接受遙測(cè)信號(hào)，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是寬的。根據(jù)本發(fā)明第一(13)和第二(12)天線群構(gòu)成立體天線場(chǎng)(1)，以及天線場(chǎng)(1)以預(yù)定仰角位置固定傾斜。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK1726616SQ200380106246
公開(kāi)日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2003年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月16日
發(fā)明者H·安德森, P·卡胡寧, J·科爾特, J·亞蒂寧 申請(qǐng)人:威易拉有限公司