专利名称：测量有源信号发射无线电探空仪的方位角和仰角的方法和天线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的序言的天线结构。
本发明还涉及一种根据权利要求12的序言的方法。
本发明还涉及一种用于测量有源信号发射无线电探空仪的方位角和仰角的方法。
本发明涉及一种大气探测系统，其中通过独立的自供电有源元件(activecomponent)通常称之谓包括无线电发射机的无线电探空仪现场测量大气的性质。这种解决方案的典型特征是无源地(不发射)接受天线以及测量装置(无线电探空仪)穿过被测量的空间提起或者落下的事实。
背景技术：
通过无线电探空仪的传感器现场测量的参数例如气压、温度和相对湿度经由连接于接收站的遥测装置来传输。可以通过使用导航辅助系统网络例如GPS或劳兰-C导航系统、通过一次雷达或二次雷达、或者通过无源(不发射)和独立的(不使用导航辅助系统网络)无线电经纬仪来测量所关心的其它参数风速和风向。无线电探空仪的高度可以通过计算气压、温度和湿度数据而获得。
本发明的目的是使用无源(不发射)天线结构而不依赖于导航辅助系统网络在三维空间确定有源无线电探空仪的方位角和仰角。本发明通常应用于定位借助充满氢气或氦气的气球进入大气的无线电探空仪。无线电探空仪的方位角和仰角由接收到的无线电探空信号来确定。
风速和风向可以通过计算无线电探空仪的连续的方位角和仰角以及高度来获得。
现有解决方案在1680MHz气象频带在方位方向和竖直方向上机械地跟踪无线电探空仪。这种方法的缺点是复杂和昂贵的机械接收天线结构。
现有解决方案的另一缺点是当接受来低仰角的无线电探空信号时不能充分地衰减地面反射。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有解决方案中的问题并且提供一种用于确定无线电探空仪的方位角和仰角的全新型的天线结构和方法。
本发明的目标是通过固定向后倾斜的天线场来实现的，其中天线元件安装在天线架上。在一个典型实施例中天线场围绕接近当仰角保持实质上不变时无线电探空仪的方向的垂直轴旋转。
在本发明的另一个实施例中具有指向不同的固定方位方向的至少三个这种固定倾斜天线场。这种解决方案没有运动部件。
更特别地，根据本发明的天线系统的特征由权利要求1的特征部分阐述。
此外，根据本发明的方法的特征由权利要求12的特征部分阐述。
本发明提供有效的好处。
通过衰减地面反射无线电探空仪的方位角和仰角可以更准确地测量，尤其是当无线电探空仪处于低仰角时。
天线结构的机械部分可以以更低的成本来简化和制造。而且，由于运动部件减少所以系统的可靠性增加。
下面，通过参考附加的附图借助于典型实施例将对本发明进行更详细的检验，其中图1a示出根据本发明的可旋转天线结构的透视图。
图1b示出图1a的实施例的简图。
图2示出根据本发明的第二实施例的固定天线结构的透视图。
图3示意性地示出在地面反射方向具有增益模式最小值(零)的用探测气球升起的无线电探空仪、直接信号、地面反射、可旋转天线结构以及典型辐射模式。
图4示出在地面反射方向具有增益模式最小值(零)的用于双元件(two-element)天线阵列的典型辐射模式的极座标图。
图5示意性地示出双元件天线阵列的调整相位的侧视图。
具体实施例方式
根据图1基本上平面的天线场1包括垂直天线群12和水平天线群13。垂直天线群12包括在上方彼此配置的至少两个天线阵列10a和10b。在这种解决方案中每一阵列列包括三个天线元件9。这些阵列10a和10b的方向模式(direction pattern)在仰角平面是宽的。
垂直天线群10a和10b用于根据在天线阵列10a、10b之间接受到的无线电探空信号的相位差来确定无线电探空仪的仰角。
各个水平天线群13包括围绕天线场1的纵向中心线至少实质上对称配置的两个水平天线阵列11a和11b。在这种解决方案中每一阵列包括两个或两个以上天线元件9。这些阵列11a和11b的方向模式在仰角平面也是宽的。
无线电探空仪的方位角由阵列11a和11b根据在天线阵列11a、11b之间的相位差和天线场1的旋转位置来确定。
本发明的一个优选实施例1包括分为上部6和下部14的仅仅一个旋转支撑架。具有它的架子2的天线场1被安装在在它的脚5的端部具有圆形支撑盘4的固定三角架3上。单独的天线8用于无线电探空仪遥测。为了将天线场1指向接近无线电探空仪的方向，天线架围绕垂直轴7是可旋转的。方位角可以使用在架子的下部14上的水平天线群13来测量，仰角可以借助设置在架子的上部6和下部14上的垂直天线群12来测量。图1b给出了角度测量必需的天线群的简化型式。倾斜角α通常为30°。在上下文中术语“固定倾斜”或“固定的倾斜角”还意味着解决方案，其中允许倾斜角的小振动偏差例如由于风产生的。
由于天线群13用于方位测量，天线场1形成反转T型或L型。使用这种解决方案可以实现重力和风力载荷的低中心(low center)。显然，在发明的思想范围内方位天线群13也可以设置在天线场1的上部6或中心，其中形成T型、倒转L型或加号(+)型。本发明没有限制方位角和仰角天线群以彼此垂直或与地面垂直，由此允许例如还可以是X型天线场。
无线电探空仪遥测接受不依赖于方位角和仰角测量。遥测信号通过分离的(high)高增益定向天线8来接收。天线8的方向模式通常在方位平面是窄的而在仰角平面是宽的。
图1b给出了图1a的天线结构的简化型式。在这种型式中每一天线阵列被单个的天线元件9取代。
图2给出了以具有四个倾斜天线场14的固定棱锥体型天线形成的本发明的另一实施例。使用在棱锥体的底部包括两个天线阵列18a和18b的水平天线群20来测量方位角。阵列包括两个或两个以上天线元件16。使用在棱锥体的上部和下部包括两个垂直设置的天线阵列17a和17b的垂直天线群19来测量仰角。遥测信号通过设置在棱锥体顶部的分离定位天线15来接收。
在之前描述的两个解决方案中，通过测量至少两个天线元件或阵列在水平方向(水平群13或20)上的相位差和天线场14的方向来确定方位角。
通过测量至少两个天线元件或阵列实质上在垂直方向上(垂直群12或19)的相位差来确定仰角。
根据图3，天线系统34的作用在于获得来自无线电探空仪31的直接(direct)无线电信号32。当无线电探空仪31在低仰角时，来自(负)反射角的地面反射30曾经是降低现有技术性能的主要因素。本发明通过将辐射模式33的增益模式最小值35(零)对准地面反射30的方向来减少这个问题。通常对于不同的仰角通过根据相位阵列技术对准主射束用实验方法来确定该方向，使得地面反射最小化。
根据图4，增益模式最小值(零)通过有至少两个天线元件(9或16)组成的天线阵列(10a、10b、11a、11b或者17a、17b、18a、18b)来形成。增益模式最小值(零)30通过修改在阵列中(波形)每一天线元件的信号相位和信号幅度来定向。
根据图5，修改的信号的和代表现在可以作为具有更多适合的辐射模式的单个天线元件的天线阵列。对于在水平和垂直群(12、13或19、20)中的每一天线阵列增益模式最小值(零)单独形成。
s=sa1Aejφ180π+sa2Ae-jφ180π,]]>其中φ是相移。
对于不同的仰角(辐射模式)相移用实验方法来设计。更详细的解释天线波束形成，举例来说，参考Robert J.Mailloux，相位阵列天线手册，第2章和第3章，1994Artech House，Inc，ISBN0-89006-502-0。
根据图6，入射角可以使用两个同样的天线A1和A2利用干涉测量原理来测量，该原理更详细的解释，举例来说，参考Englar，Mango，Roettcher，Watters，FINAL REPORT FOR THE MININTRACK TRACKING FUNCTIONDESCRIPTION，卷1，1973年3月，NASA-TMX-66213。如果基线长度(b)小于或者等于半波长(λ/2)可以测量明确的入射角(-90°＜α＜90°)。当天线A1和A2之间的相位差(φ)已经被测量(-180°＜φ＜180°)，该入射方向(DOA)可以被计算出
α=arcsin(xb),]]>其中 c＝光速和f＝信号频率。
代替图1a、1b和2示出的平面天线场1或14，天线场也可以是凸状的、凹状的或者例如阶梯形。在图1a和1b的旋转实施例中所有的天线、天线阵列和天线元件被设置在这种统一的刚性天线场1而不管天线场的形状。在图2的实施例中遥测天线15不包括在这种天线场14中。
在这种具有宽束的应用中意味着束宽大于120°。
各个窄束意味着束宽小于30°。
权利要求
1.一种用于测量有源信号发射无线电探空仪(31)的方位角和仰角的天线系统，该天线系统包括第一无源天线群(13)，其包括至少两个天线阵列(11a、11b)，为了根据天线阵列(11a、11b)之间的相位差来测量无线电探空仪(31)的方位角其方向模式至少在仰角平面是宽的，第二无源天线群(12)，其包括至少两个天线天线阵列(10a、10b)，为了根据天线阵列(10a、10b)之间的相位差和天线场(1)的旋转位置来测量无线电探空仪(31)的仰角其方向模式至少在仰角平面是宽的，和至少一个具有高增益的第三天线元件(8)用于接受遥测信号，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是宽的，其特征在于第一(13)和第二(12)天线群构成立体天线场(1)，以及天线场(1)以预定仰角位置固定倾斜。
2.权利要求1的天线系统，特征在于第三天线(8)属于天线场(1)。
3.权利要求1或2的天线系统，特征在于天线场实质上是平面。
4.上述权利要求或它们的结合中的任何一个的天线系统，特征在于每一天线阵列(10a、10b、11a、11b)的增益模式最小值(35)(零)对准地面反射(30)的方向。
5.根据任何上述权利要求或它们的结合的天线系统，特征在于天线系统包括用于当仰角实质上保持恒定时接近无线电探空仪(31)的方向围绕垂直轴(7)旋转天线场(1)的装置。
6.根据任何上述权利要求或它们的结合的天线系统，特征在于无线电探空仪(31)遥测接受不依赖于方位角和仰角测量。
7.根据任何上述权利要求或它们的结合的天线系统，特征在于天线场(14)固定在方位角和仰角方向，并且该系统包括指向不同方位方向的至少三个天线场(14)。
8.权利要求7的天线系统，特征在于每一天线阵列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)对准地面反射的方向。
9.权利要求7或8的天线系统，特征在于无线电探空仪遥测接受(15)不依赖于方位角和仰角测量。
10.根据任何上述权利要求或它们的结合的天线系统，特征在于天线场(1)倾斜朝后固定。
11.根据任何上述权利要求或它们的结合的天线系统，特征在于天线场(1)形成反转字母T。
12.一种用于测量有源、信号发射无线电探空仪(31)的方位角和仰角的方法，其中该方法根据在天线阵列(11a、11b)之间接收的无线电探空仪信号的相位差和天线场(1)的旋转位置使用包括至少两个天线阵列(11a、11b)的第一无源天线群(13)来测量无线电探空仪(31)的方位角，其方向模式至少在仰角平面是宽的，根据在天线阵列(10a、10b)之间接受的无线电探空仪信号的相位差使用包括至少两个天线天线阵列(10a、10b)的第二无源天线群(12)来测量无线电探空仪(31)的仰角，其方向模式至少在仰角平面是宽的，和使用至少一个具有高增益的第三天线元件(8)来接收遥测信号，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是宽的，其特征在于第一(13)和第二(12)天线群构成立体天线场(1)，以及天线场(1)以预定仰角位置固定倾斜。
13.权利要求12的方法，特征在于第三天线(8)属于天线场(1)。
14.根据任何上述权利要求或它们的结合的方法，特征在于每一天线阵列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)对准地面反射的方向。
15.根据任何上述权利要求或它们的结合的方法，特征在于无线电探空仪遥测接受不依赖于方位角和仰角测量。
16.根据任何上述权利要求或它们的结合的方法，特征在于当仰角实质上保持恒定时接近无线电探空仪(31)的方向围绕垂直轴(7)旋转天线系统。
17.根据任何上述权利要求或它们的结合的方法，特征在于天线场(1)倾斜朝后固定。
18.根据任何上述权利要求或它们的结合的方法，特征在于天线场(14)固定在方位角和仰角方向，并且该系统包括指向不同方位角方向的至少三个天线场(14)。
19.根据权利要求18的方法，特征在于每一天线阵列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)对准地面反射的方向。
20.权利要求18或19的方法，特征在于无线电探空仪遥测接受(15)不依赖于方位角和仰角测量。
全文摘要
本发明涉及一种和方法。用于测量有源信号发射无线电探空仪(31)的方位角和仰角的天线系统包括第一无源天线群(13)，其包括至少两个天线阵列(11a、11b)，为了根据天线阵列(11a、11b)之间的相位差来测量无线电探空仪(31)的方位角其方向模式至少在仰角平面是宽的，第二无源天线群(12)包括至少两个天线阵列(10a、10b)，为了根据天线阵列(10a、10b)之间的相位差和天线场(1)的旋转位置来测量无线电探空仪(31)的仰角其方向模式至少在仰角平面是宽的，和至少一个具有高增益的第三天线(8)用于接受遥测信号，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是宽的。根据本发明第一(13)和第二(12)天线群构成立体天线场(1)，以及天线场(1)以预定仰角位置固定倾斜。
文档编号H01Q21/00GK1726616SQ200380106246
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月16日 优先权日2002年12月16日
发明者H·安德森, P·卡胡宁, J·科尔特, J·亚蒂宁 申请人:威易拉有限公司