專(zhuān)利名稱(chēng)：用于引導(dǎo)自適應(yīng)天線陣列的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明要求根據(jù)協(xié)議申請(qǐng)60/076,666(申請(qǐng)日3/3/98)和60/076,610(申請(qǐng)日3/3/98)的優(yōu)先權(quán)，兩者由此均作為參考。
在飛行遙測(cè)技術(shù)中的遇到的一個(gè)重要問(wèn)題涉及頻率，而特別涉及遙測(cè)設(shè)備能發(fā)射RF信號(hào)的功率。直到由聯(lián)幫通信委員會(huì)(FCC)頒布FCC規(guī)則和細(xì)則的15,247部分，飛行器遙測(cè)系統(tǒng)首先限制到VHF頻段(174-216MHz)，并且僅僅可以工作在低于0.1毫瓦(mw)的非常低的發(fā)射功率(FCC部分15.241)。這種限制發(fā)射功率已經(jīng)明顯地限制了飛行器遙測(cè)設(shè)備的傳輸范圍(即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的最大距離)。
例如那些用在常規(guī)RF通信接收機(jī)中的有方向性的天線具有前向波瓣或波束，其代表了接收機(jī)最大增益的范圍。當(dāng)這些波束對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源方向時(shí)，接收機(jī)增益通常最大，這種天線也有零點(diǎn)，或最低增益范圍，例如處在其旁邊。零點(diǎn)能按它們到達(dá)的方向配置對(duì)不需的信號(hào)起降低靈敏度作用。在這種天線中的波瓣和零點(diǎn)的位置根據(jù)安裝通常是固定的并不隨時(shí)間變化。
但是一個(gè)飛行著的飛行器的位置相對(duì)一個(gè)給定的地基接收天線是不斷改變的。因此，在遙測(cè)技術(shù)中存在著在一個(gè)飛行著的飛行器和一個(gè)地基接收機(jī)之間關(guān)于建立可靠通信鏈路問(wèn)題，特別是在飛行中的飛行器儀表上的發(fā)射天線的輸出功率受到限制的情況下。
發(fā)明的簡(jiǎn)要概述本發(fā)明將通過(guò)按飛行中的飛行器方向提供電控一個(gè)接收機(jī)天線陣列方向圖的主波瓣而同時(shí)使對(duì)來(lái)自其他方向的信號(hào)，包括來(lái)自其他方向的干擾信號(hào)和其他方向的背景熱噪聲信號(hào)的接收機(jī)靈敏度減至最小的系統(tǒng)和方法來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，用于將一個(gè)自適應(yīng)天線陣列的一主接收波瓣對(duì)準(zhǔn)一個(gè)飛行著的飛行器的一個(gè)系統(tǒng)和相關(guān)方法包括一個(gè)飛行器位置矢量計(jì)算器和一個(gè)天線加權(quán)矢量發(fā)生器。飛行器位置矢量計(jì)算器從一個(gè)飛行器跟蹤裝置例如一個(gè)飛行器跟蹤服務(wù)器接收對(duì)一個(gè)飛行器的飛行器位置信息。飛行器位置矢量計(jì)算器對(duì)選擇的一個(gè)飛行中的飛行器計(jì)算一個(gè)飛行器位置矢量g，并在一個(gè)輸出端提供位置矢量g。天線加權(quán)矢量發(fā)生器從該飛行器位置矢量計(jì)算器接收飛行器位置矢量g，并基于位置矢量g產(chǎn)生一個(gè)天線加權(quán)矢量w。該加權(quán)矢量發(fā)生器對(duì)該自適應(yīng)天線陣列的天線單元提供天線加權(quán)矢量w，使得該自適應(yīng)天線陣列的一個(gè)接收波瓣對(duì)準(zhǔn)飛行中的飛行器。
圖2是按本發(fā)明一實(shí)施例的用于計(jì)算飛行器位置矢量g的方法步驟的流程圖。
圖3表示示例性說(shuō)明按本發(fā)明一實(shí)施例的通信鏈路。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明

圖1說(shuō)明按本發(fā)明一實(shí)施例的一個(gè)自適應(yīng)天線陣列50和用于引導(dǎo)該自適應(yīng)天線陣列系統(tǒng)(在以下稱(chēng)作天線引導(dǎo)系統(tǒng)300)的方塊圖。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)“自適應(yīng)天線陣列”系指能電控一個(gè)波束指向一個(gè)要求的信號(hào)從而使要求的信號(hào)的信噪比最大的一個(gè)天線陣列。對(duì)于普通自適應(yīng)陣列的一般性討論，參見(jiàn)Antennas,John D.Krauss，二版，11-13部分，標(biāo)題“Adaptive Arrays and Smart Antennas(自適應(yīng)陣列和智能天線)”。
本發(fā)明的天線引導(dǎo)系統(tǒng)300包括一個(gè)飛行器位置矢量計(jì)算器315，連接到一個(gè)加權(quán)矢量發(fā)生器320。一個(gè)控制單元330連接到加權(quán)矢量發(fā)生器320使得控制單元把加權(quán)矢量發(fā)生器320的輸出W分配到陣列50的單個(gè)元件。為此，說(shuō)明書(shū)黑體字是用來(lái)指示矢量值的。矢量值W包括n個(gè)復(fù)元素(n是陣列50中的單元數(shù))，即，n個(gè)幅值和相位對(duì)，其中每對(duì)相應(yīng)陣列50的單個(gè)元件。例如，wi控制陣列50的單元i。以這種方式，天線引導(dǎo)系統(tǒng)300使天線陣列50能夠電改變或自適應(yīng)其輻射圖并全天候地使在一個(gè)飛行器350的方向的信號(hào)接收最佳化。
飛行器位置矢量計(jì)算器315是一個(gè)可編程計(jì)算器，或處理器，可以編程計(jì)算由控制單元330所選擇的飛行器的位置矢量g。一個(gè)位置矢量g在此定義成為沿一條軸從天線陣列50指向所選飛行器350的一個(gè)矢量。位置矢量g是根據(jù)指示所選飛行器350位置的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。這里所使用的術(shù)語(yǔ)“飛行器”包括所有航空飛行器。例如直升機(jī)，飛機(jī)，滑翔機(jī)，靶機(jī)以及探測(cè)氣球。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，位置數(shù)據(jù)包括但不限于緯度，經(jīng)度以及高度這些與飛行器350位置相關(guān)的信息。位置數(shù)據(jù)還應(yīng)包括飛行器350的距離和方位數(shù)據(jù)，例如它們借助飛行器350。由在操縱臺(tái)上的VHF全向測(cè)距(VOR)設(shè)備，或其他方向或位置的探測(cè)儀器所取得的數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，飛行器350的位置數(shù)據(jù)是由飛行器跟蹤服務(wù)器310向系統(tǒng)300提供的。適合用于本發(fā)明的飛行器跟蹤軟件的供應(yīng)商例是馬薩諸塞州波士頓的RLM軟件。飛行器跟蹤服務(wù)器310的另一例是Airtrak，飛行器跟蹤程序已經(jīng)容易從英格蘭，Y018 8HL，North Yorkshire,Pickering,Cropton的METSYS軟件和服務(wù)器購(gòu)買(mǎi)到。該Airtrak程序使用戶產(chǎn)生用于全球任一地區(qū)的地圖，用緯/經(jīng)柵格重疊該地圖，報(bào)告位置，城鎮(zhèn)和機(jī)場(chǎng)。
Airtrak程序標(biāo)繪請(qǐng)求飛行路線作為飛行進(jìn)程。但是將意識(shí)到，該Airtrak只不過(guò)是適合本發(fā)明的許多可利用的飛行器位置跟蹤裝置之一個(gè)。另一些適合裝置包括全球定位系統(tǒng)(GOS)跟蹤裝置，衛(wèi)星跟蹤裝置。
位置矢量計(jì)算器315基于緯度，經(jīng)度和高度信息應(yīng)用導(dǎo)航技術(shù)中應(yīng)用的普通的計(jì)算來(lái)計(jì)算一個(gè)目標(biāo)相對(duì)于另一目標(biāo)的相對(duì)位置。圖2中說(shuō)明由本發(fā)明一實(shí)施例中的位置矢量計(jì)算器315執(zhí)行的一例計(jì)算。
首先，位置信息333，即飛行器350的高度(E)，緯度(L1)和經(jīng)度(r1)從飛行器跟蹤服務(wù)器310得到并儲(chǔ)存在如由方框400表示的存儲(chǔ)器中。同樣如由方框410表示的天線陣列50的緯度(L2)，經(jīng)度(r2)和高度(A)也儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。天線陣列50到飛行器350的距離D按關(guān)系式計(jì)算D=60COS-1[SinL1SinL2+COSL1COSL2COS(r1-r2)]，表示在方框420中，其中L1系指飛行器350的緯度，L2系指陣列50的緯度，r1系指飛行器350的經(jīng)度和r2系指陣列50的經(jīng)度。
一旦得到D，偏離天線陣列50的飛行器350的方位H按關(guān)系式計(jì)算H=COS-1[SinL2-SinL1COS(D/60)Sin(D/60)COSL2],]]>表示在方框430中。
對(duì)于南緯和東經(jīng)的方位調(diào)整按方框440中所示的進(jìn)行。最后，高度角α按關(guān)系式計(jì)算α=tan-1[E-A6076*D],]]>如方框450中所示的。因此，位置矢量g包括高度角和方位。如在圖2中所計(jì)算的。
如果一架飛機(jī)在移動(dòng)，其位置矢量g在改變。以及最佳陣列加權(quán)被反復(fù)進(jìn)行計(jì)算以跟蹤這些改變。天線引導(dǎo)系統(tǒng)300的自適應(yīng)性質(zhì)使其能在非靜態(tài)環(huán)境情況下很好地執(zhí)行。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用一種可編程數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)天線引導(dǎo)系統(tǒng)300。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用從得克薩斯儀器公司可得到的DSP-TMS320C50。
一般應(yīng)用波束控制計(jì)算，算法和裝置通過(guò)加權(quán)天線陣列的各個(gè)單元來(lái)按要求方向引導(dǎo)自適應(yīng)天線陣列的天線波束。參見(jiàn)，例如，RadarHandbook,Merrill I.Skolnik，第二版，七章，“Phased Array ArrayRadar Antennas”。按在此所使用的，施加到天線陣列的一個(gè)單元的術(shù)語(yǔ)“加權(quán)”系指施加的一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)包括一個(gè)相位移角和幅度，使得天線陣列的波束按一個(gè)要求方向進(jìn)行電控。
本發(fā)明的系統(tǒng)300是通過(guò)加權(quán)天線50運(yùn)行的。按本發(fā)明，系統(tǒng)300根據(jù)g，即關(guān)于飛行器350的緯度，經(jīng)度和高度數(shù)據(jù)確定這些加權(quán)。即，加權(quán)矢量發(fā)生器320根據(jù)飛行器位置矢量g提供輸出w，以便向天線陣列50給出要求的輻射特性。這些特性包括方向性和在飛行器350的方向g的主波瓣位置，同時(shí)沿其他方向的低的旁瓣。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，加權(quán)矢量w包括各個(gè)加權(quán)wi，即用于自適應(yīng)陣列50的各個(gè)單元的各個(gè)相位和幅度值，或者控制值，使得自適應(yīng)陣列50的一個(gè)主接收波瓣或波束按方向g引導(dǎo)或控制，即朝向飛行器350引導(dǎo)或控制。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，加權(quán)矢量發(fā)生器320應(yīng)用執(zhí)行控制計(jì)算的一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，這種計(jì)算將產(chǎn)生加權(quán)矢量w。該DSP可以是用來(lái)實(shí)施位置矢量計(jì)算器315的相同的DSP。本發(fā)明另一些實(shí)施例包括另外一些產(chǎn)生加權(quán)矢量w的計(jì)算裝置，例如計(jì)算器或微處理器。
在運(yùn)行中，當(dāng)要求從一個(gè)具體的飛行中的飛行器例如飛行器350接收通信時(shí)，控制單元330向飛行器跟蹤服務(wù)器310發(fā)送請(qǐng)求與飛行器350有關(guān)的位置信息的消息332。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如一般應(yīng)用在航空工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)化航線識(shí)別碼包括在消息332中，以便識(shí)別請(qǐng)求位置信息的特定的飛行器。
如上所述，基于接收消息332，飛行器跟蹤服務(wù)器310開(kāi)始將包括飛行器350的緯度，經(jīng)度和高度數(shù)據(jù)的位置信息333施加到位置矢量計(jì)算器315。飛行器位置矢量計(jì)算器315接收位置信息333并根據(jù)位置信息333和已知的陣列50的緯度，經(jīng)度和高度的位置信息計(jì)算飛行器位置矢量g。加權(quán)矢量發(fā)生器320接收飛行器位置矢量g并產(chǎn)生加權(quán)矢量w。加權(quán)矢量w通過(guò)控制單元330加到天線陣列50，由此導(dǎo)至天線陣列50的單元被引導(dǎo)朝向飛行器350?？刂茊卧?30的結(jié)構(gòu)在雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)中是已知的，通常使用從矢量的一數(shù)組得到的相位和幅度信號(hào)對(duì)來(lái)電控一個(gè)陣列的每個(gè)單元。
根據(jù)1995年分冊(cè)15.247的規(guī)定，F(xiàn)CC受權(quán)使用902-928MHz,2400-2483.5MHz和5725-5850MHz于工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例采用ISM頻段的優(yōu)點(diǎn)，要求無(wú)需許可的RF頻譜，以及該頻譜是相當(dāng)不擁擠的并希望保持到合理的時(shí)間周期為止。對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，天線陣列50適合于同飛行器350建立一個(gè)ISM頻段通信鏈路。
圖3給出典型的通信鏈路的技術(shù)條件，用于包括適合于同飛行器350建立ISM頻段飛行狀態(tài)空對(duì)地通信鏈的一個(gè)接收機(jī)的系統(tǒng)300的一個(gè)實(shí)施例。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，沒(méi)有模型化反相鏈路(地對(duì)空鏈路)，以及該模型假定在技術(shù)中通常了解的一種數(shù)字象限相移鍵控(DQPSK)調(diào)制方案類(lèi)型。表示出用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的典型發(fā)射功率，載頻波長(zhǎng)，發(fā)射天線增益和有效全向輻射功率(EIRP)。
還表示出接收天線(在圖1中表示50)的單元直徑，接收天線增益和天線效率。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，典型自適應(yīng)陣列50包括16個(gè)單元。如圖3中所示的，期待數(shù)據(jù)率在大約1Mbit/s的一般范圍中。
本發(fā)明另一實(shí)施例包括具有標(biāo)稱(chēng)的和FCC允許的參數(shù)值的一個(gè)地對(duì)空鏈路。該鏈路建立了除一個(gè)空對(duì)地鏈路外的相反鏈路。該地對(duì)空數(shù)據(jù)鏈路用來(lái)發(fā)送遙測(cè)命令到飛行器350。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)典型的控制協(xié)議使用已經(jīng)在使用的窄頻段地對(duì)飛行器通信鏈路來(lái)實(shí)施；本發(fā)明的另一實(shí)施例使用一個(gè)天線和裝載在一個(gè)地面站上用于其他目的一個(gè)天線和調(diào)制解調(diào)器。
本發(fā)明的另一實(shí)施例展望5.7GHz頻段的無(wú)線電收發(fā)機(jī)。不管是2.4GHz還是5.7GHz頻段都是所希望的實(shí)施例，這是因?yàn)槟壳霸谶@些頻段沒(méi)有多的業(yè)務(wù)。此外，在2.4GHz頻段中最成問(wèn)題的干擾源是微波爐，據(jù)此，干擾是可忽略的。
本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員將明白，在此按本發(fā)明情況已說(shuō)明和描述了本發(fā)明的同時(shí)，可以對(duì)公開(kāi)的實(shí)施例進(jìn)行改進(jìn)和變化而不脫離本發(fā)明的真實(shí)的精神和范圍。由此理解附加的權(quán)利要求被認(rèn)為覆蓋所有落在本發(fā)明真實(shí)精神范圍內(nèi)的這些改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1．一種用于引導(dǎo)自適應(yīng)天線陣列的一接收波瓣指向一飛行中的飛行器的系統(tǒng)包括一個(gè)飛行器位置矢量計(jì)算器，用于從一個(gè)飛行器跟蹤服務(wù)器接收飛行器位置信息，并根據(jù)所說(shuō)飛行器位置信息用于計(jì)算飛行器位置矢量g；一個(gè)天線加權(quán)矢量發(fā)生器，適合于從所說(shuō)飛行器位置矢量計(jì)算器接收所說(shuō)飛行器位置矢量g，并根據(jù)所說(shuō)飛行器位置矢量g產(chǎn)生天線單元加權(quán)矢量w；以及一個(gè)自適應(yīng)天線陣列，包括多個(gè)天線單元，這些單元適合于接收所說(shuō)天線單元加權(quán)矢量w，并按照所說(shuō)加權(quán)矢量w調(diào)整所說(shuō)單元各自的加權(quán)，使得所說(shuō)自適應(yīng)天線陣列的一接收波瓣引向所說(shuō)的飛行中的飛行器。
2．權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所說(shuō)飛行器位置信息包括所說(shuō)飛行器的緯度，經(jīng)度和高度。
3．權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所說(shuō)飛行器位置信息由基于因特網(wǎng)的飛行器跟蹤服務(wù)器提供。
4．權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所說(shuō)天線陣列適合于接收ISM頻段的射頻通信。
5．權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所說(shuō)位置矢量計(jì)算器和所說(shuō)加權(quán)矢量發(fā)生器由一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)實(shí)施。
6．一種用于將一個(gè)自適應(yīng)天線陣列的一接收波瓣引向一個(gè)飛行中的飛行器的系統(tǒng)包括一個(gè)飛行器跟蹤裝置，用于提供飛行中飛行器的飛行器位置信息；一個(gè)飛行器位置矢量計(jì)算裝置，用于從所說(shuō)飛行器跟蹤裝置接收所說(shuō)飛行器位置信息，并根據(jù)所說(shuō)飛行器位置信息計(jì)算飛行器位置矢量g；一個(gè)天線加權(quán)矢量發(fā)生裝置，適合于從所說(shuō)飛行器位置矢量計(jì)算裝置接收所說(shuō)飛行器位置矢量g，并根據(jù)所說(shuō)飛行器位置矢量g產(chǎn)生天線單元加權(quán)矢量w；以及一個(gè)自適應(yīng)天線陣列裝置，包括多個(gè)天線單元，這些單元適合于接收所說(shuō)天線單元加權(quán)矢量w，并按照所說(shuō)加權(quán)矢量w調(diào)整所說(shuō)單元各自的加權(quán)，使得所說(shuō)自適應(yīng)天線陣列裝置的一接收波瓣引向所說(shuō)飛行中的飛行器。
7．一種用于將一個(gè)自適應(yīng)天線陣列的一接收波瓣引向一個(gè)飛行中的飛行器的系統(tǒng)包括一個(gè)天線陣列包括M個(gè)陣列單元，用于接收ISM頻段的射頻能量，其中第Mi個(gè)陣列單元的增益正比于一個(gè)加權(quán)wi；一個(gè)飛行器跟蹤裝置，用于提供一個(gè)飛行中的飛行器的飛行器位置信息，其中所說(shuō)位置信息包括所說(shuō)飛行中的飛行器的緯度，經(jīng)度和高度；一個(gè)飛行器位置矢量計(jì)算器，用于從所說(shuō)飛行器跟蹤服務(wù)器接收飛行器位置信息，并根據(jù)所說(shuō)飛行器位置信息計(jì)算飛行器位置矢量g；一個(gè)天線加權(quán)矢量，適合于從所說(shuō)飛行器位置矢量計(jì)算器接收所說(shuō)飛行器位置矢量g，并根據(jù)所說(shuō)飛行器位置矢量g產(chǎn)生包括每個(gè)單元加權(quán)wi的一個(gè)天線單元加權(quán)矢量w；以及所說(shuō)陣列的所說(shuō)第Mi個(gè)單元接收所說(shuō)加權(quán)wi，使得所說(shuō)自適應(yīng)天線陣列裝置的一接收波瓣引向所說(shuō)飛行中的飛行器。
8．一種用于將一個(gè)自適應(yīng)天線陣列的一接收波瓣引向一個(gè)飛行中的飛行器的方法包括步驟提供一個(gè)飛行器跟蹤服務(wù)器并從其得到飛行器位置信息；根據(jù)所說(shuō)位置信息計(jì)算一個(gè)位置矢量g，所說(shuō)飛行器位置矢量g代表一個(gè)飛行器偏離所說(shuō)自適應(yīng)天線陣列的方向；根據(jù)所說(shuō)位置矢量g計(jì)算一個(gè)加權(quán)矢量w；以及提供所說(shuō)加權(quán)矢量w到所說(shuō)自適應(yīng)天線陣列的單元，使得所說(shuō)自適應(yīng)天線陣列的一接收波瓣引向所說(shuō)飛行器。
全文摘要
用于將一個(gè)自適應(yīng)天線陣列的接收波瓣引導(dǎo)指向一個(gè)飛行中的飛行器的一種系統(tǒng)包括一個(gè)飛行器位置矢量計(jì)算器和一個(gè)天線加權(quán)矢量發(fā)生器。飛行器位置矢量計(jì)算器從一個(gè)飛行器跟蹤服務(wù)器接收飛行器位置信息和根據(jù)它接收的該飛行器的位置信息計(jì)算飛行器位置矢量g。天線加權(quán)矢量發(fā)生器從該飛行器位置矢量計(jì)算器接收該飛行器位置矢量g和根據(jù)該飛行器位置矢量g產(chǎn)生天線單元加權(quán)矢量W。天線加權(quán)矢量w加到一個(gè)自適應(yīng)天線陣列的單元,以引導(dǎo)該陣列的接收波瓣指向一個(gè)飛行中的飛行器。
文檔編號(hào)H04B7/10GK1298560SQ99803618
公開(kāi)日2001年6月6日 申請(qǐng)日期1999年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月3日
發(fā)明者J·A·F·羅斯, J·E·赫爾舍伊, R·A·科爾科斯茲, N·M·W·阿爾－達(dá)希爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司