用于用户终端放置的仰角估计设备和方法与流程

本公开涉及一种非对地静止卫星通信系统的用户终端。更具体地，本公开涉及一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角以帮助用户正确定位用户终端使得其具有无遮挡的天空视野的设备和方法。

背景技术：

目前正在开发用于将低成本宽带互联网服务带到地球上任何位置的卫星系统。这样的系统通常包括将互联网链接到非对地静止卫星队的网关天线，非对地静止卫星队又链接到位于地球上的廉价用户终端。用户终端将互联网连接传递到住宅和企业。

上述便宜的用户终端包括天线，该天线需要在所有方位角方向(北、南、东、西方向)上的大部分天空上方的无遮挡视野，以便从卫星接收不间断的服务。在所有的方位角方向上，树木、建筑物和山脉必须保持在特定的仰角以下(地平线以上的角度，即地球和天空看起来相遇的线)。在世界某些地方，最大仰角可以低至45度左右。2015年2月20日提交的标题为“userterminalhavingalineararrayantennawithelectronicandmechanicalactuationsystem”的美国申请序列号14/627,577中描述了这样的用户终端的示例。

具有最少专业知识的个人用户很可能正在安放和安装用户终端，因此，至关重要的是他们能够将用户终端定位在他们的住宅、公司等处以使得用户终端具有无遮挡的天空视野。

为了维持低成本的互联网服务，用户应该能够在没有专业帮助的情况下定位、安放、安装和放置他们的用户终端。由于在一些应用中用户终端必须在所有方位角方向上、下至在地平线上约45度的仰角具有无遮挡的天空视角，所以用户正确定位和放置其用户终端的能力是重大的挑战。目前，用户通过视觉上估计终端是否具有无遮挡的天空视野来定位和放置他们的用户终端，这往往导致高达10度的误差以及退出时间的问题。测量设备可以用来帮助正确定位和放置用户终端，但是这样的设备是昂贵的并且需要专门的技能来操作。

关于为用户终端提供无遮挡的天空视野的问题在电信领域是新的。较早的无线通信网络使用较低的射频，其不受树木、建筑物和类似障碍物的影响。以较高频率操作的较新的通信系统仅需要天线沿着不变的视线清晰地观看对地静止卫星。然而，诸如美国申请序列号14/627,577中描述的便宜的用户终端在所有方位角方向上需要无遮挡的天空视野，以避免由被遮挡的天空部分引起的无法接受的长时间的退出时间。

因此，需要便宜且易于使用的设备和方法以允许用户准确地估计一个或多个周围物体的仰角，使得用户能够定位和放置非对地静止卫星通信系统的用户终端，使得其在下至约45度的仰角在所有方位角方向上具有无遮挡的天空视野。

技术实现要素：

本文公开了一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的设备。在各种实施例中，该设备可以包括用于从广角收集天空场景光的光收集透镜装置，用于准直由光收集透镜装置收集的天空场景光的目镜透镜装置，以及叠加在天空的场景光上的标高(elevation)限制标记。标高限制标记限定了高于地球的地平线的仰角，设备的视场中的所有一个或多个物体必须保持在所述仰角下方以使得用户终端在所有方位角方向上具有无遮挡的天空视野。

在一些实施例中，由标高限制标记限定的仰角包括最大仰角。

在一些实施例中，该设备可以进一步包括用于将天空场景光反射到光收集透镜装置上的图像反射表面。

在一些实施例中，图像反射表面可以包括标高限制标记。

在一些实施例中，图像反射表面的周边可以限定标高限制标记。

在一些实施例中，标高限制标记可以具有椭圆形状。

在一些实施例中，该设备还可以包括图像反射表面，用于将使用目镜透镜装置准直的天空场景光反射到用户的眼睛上。

在一些实施例中，该设备可以进一步包括图像反射表面，用于将使用光收集透镜装置收集的天空场景光反射到目镜透镜装置上。

在一些实施例中，该设备可以进一步包括透明瞄准表面，所述透明瞄准表面包括标高限制标记。

在一些实施例中，标高限制标记可以具有圆形形状。

在一些实施例中，图像反射表面可以包括镜子。

在一些实施例中，光收集透镜装置可以包括凹透镜。

在一些实施例中，凹透镜可以包括单透镜或复合透镜。

在一些实施例中，目镜透镜装置可以包括凸透镜。

在一些实施例中，凸透镜可以包括单透镜或复合透镜。

在一些实施例中，该设备还可以包括用于延伸该设备的视场的辅助透镜装置。

在一些实施例中，辅助透镜装置可以包括凸凹透镜。

在一些实施例中，凸凹透镜可以包括单透镜或复合透镜。

在一些实施例中，该设备可以进一步包括外壳，光收集透镜装置和目镜透镜装置设置在所述外壳中，所述外壳、所述光收集透镜装置和所述目镜透镜装置形成光学单元。

在一些实施例中，辅助透镜装置可以设置在光学单元的外壳中。

在一些实施例中，该设备还包括基座，所述光学单元安装在基座上。

在一些实施例中，图像反射表面可以安装在基座上并与光学单元光学对准。

在一些实施例中，该设备还可以包括支架，所述基座安装在所述支架上，所述支架允许所述基座相对于所述支架旋转。

本文进一步公开了一种用户终端。在各种实施例中，用户终端可以包括外壳、与外壳相关联的天线以及设置在用户终端的外壳上或集成到用户终端的外壳中的上述设备。

本文进一步公开的是一种用于估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法。在各种实施例中，该方法可以包括在天空场景光上叠加标高限制标记，标高限制标记限定高于地球的地平线的仰角，所有一个或多个物体必须保持在所述仰角下方以使得用户终端在所有的方位角方向上具有无遮挡的天空视野；使用设置在用户终端上、附接到用户终端、设置在用户终端中或设置在用户终端附近的光收集透镜装置从广角收集天空场景光；以及观看天空场景光以确定图像中的一个或多个物体中的每一个相对于标高限制标记的位置。

附图说明

图1是根据本公开的仰角估计设备的实施例的示意图。

图2a是包含仰角估计设备的实施例的用户终端的实施例的透视图。

图2b是仰角估计设备的另一个实施例的透视图。

图2c是仰角估计设备的另一个实施例的透视图。

图3是仰角估计设备的另一个实施例的示意图。

图4a是仰角估计设备的另一个实施例的示意图。

图4b是图4a的仰角估计设备的透明瞄准表面的实施例的俯视平面图。

图4c是图4a的仰角估计设备的实施例的俯视平面图。

图5a是仰角估计设备的另一个实施例的示意图。

图5b是图5a的仰角估计设备的实施例的俯视平面图。

图6a是用户通过设备的目镜看到的天空场景或用户在设备的倾斜的平面反射表面中看到的天空场景的视图，其示出了何时用户终端已被适当地定位和放置。

图6b是用户通过设备的目镜看到的天空场景或用户在设备的倾斜的平面反射表面中看到的天空场景的视图，其示出了当用户终端被不恰当地定位和放置时的设备。

图7是示出用于使用本公开的设备来估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出了本公开的仰角估计设备10的实施例。设备10允许用户通过设备10观看天空来准确地估计一个或多个周围物体的仰角。设备10包括平面图像反射表面20、与该图像反射表面光学对准的光收集透镜装置30以及与光收集透镜30装置光学对准的目镜透镜装置40。

平面图像反射表面20相对于光收集和目镜透镜装置30、40的光轴oa倾斜角度θ，从而它将天空场景光l(包括图像反射表面20的视场(fov)内的任何物体)横向地反射到光收集透镜装置30上。在一些实施例中，图像反射表面20可以相对于光轴oa倾斜45度角(角度θ)。在各种实施例中，平面图像反射表面20可以包括平坦的圆形镜子或能够将天空场景光l反射到光收集透镜装置30上的任何其它合适的设备或装置。

在一些实施例中，图像反射表面20可以包括标高限制标记22(图2a-2c)，其表示高于地平线的最大仰角，设备10周围(并且因此是用户终端)的物体(诸如设备10的fov中的树木、建筑物、山脉和其他结构)必须保持在所述最大仰角下方以使得用户终端在所有方位角方向上具有无遮挡的天空视野，因此能够从卫星接收不间断的服务。因为图像反射面20相对于光轴op以角度θ设置，所以标高限制标记可以是具有预定的长轴和短轴的椭圆形标记，使得标记作为光收集透镜装置30的圆形标记而出现。

光收集透镜装置30收集从图像反射表面20反射的天空场景光l并将光l引导到目镜透镜装置40上。光收集透镜装置30被配置为从广角(fov)收集天空场景光l。在一些实施例中，光收集透镜装置30可以包括凹透镜。凹透镜可以被配置为包括单片玻璃或塑料的单透镜，或者作为包括两个或更多个单透镜元件的复合透镜。在优选实施例中，凹透镜具有提供大于90度的fov的焦距，使得它可以从广角或fov收集天空场景光l。因为跨fov来自远处物体的光线被广角分开，所以光线将在光收集透镜装置30和目镜透镜装置40之间的空间中更加平行。在通过目镜透镜装置40之后，来自远处物体的光线在其进入眼睛时再次会聚，但分离角度小得多。因此，眼睛将远处和广泛分离的物体感知为看起来较不分离。

来自任何单个远点的光几乎准直地进入光收集透镜装置30。光收集透镜装置30具有当这些光线接近目镜透镜装置40时发散这些光线的效果。目镜透镜装置40使从光收集透镜装置30出射的发散光线准直或平行，使得用户可以容易地通过设备10观察或观看天空。具体地，物体将仍然看起来很远，使得用户的放松的眼睛e可以看到它们。在一些实施例中，目镜透镜装置40可以包括凸透镜。凸透镜可以被配置为包括单片玻璃或塑料的单透镜，或者作为包括两个或更多个单透镜元件的复合透镜。

仍然参考图1，在设备10的一些实施例中，光收集透镜装置30可以具有约0.50英寸的直径d1，并且目镜透镜装置40可以具有约0.50英寸的直径d2。在这样的实施例中，光收集透镜30装置的焦距fl1(在光收集透镜装置30的焦点fp1与中心之间测量)可以是约0.25英寸，并且目镜透镜装置40的焦距fl2(在目镜透镜装置40的焦点fp2和中心之间测量)可以是约1.25英寸。光收集透镜装置30和目镜透镜装置40之间的间隔sp1可以是约1.0英寸。图像反射表面20与光收集透镜装置30的中心之间的间距sp2可以是约0.5英寸。光反射表面20的直径dm可以是约2.0英寸或者足够大以至于占据设备的fov的至少+/-45度(等同于90度)的直径。在该设备的其他实施例中，部件直径、焦距和间距可以是其他尺寸。

标高限制标记22(在图2a-2c中示出)表示障碍物超过最大允许仰角的点的轨迹。换句话说，标高限制标记22限定了高于地平线的最大仰角，在设备10的fov中的设备(以及因此用户终端)周围的物体(诸如，树木、建筑物、山脉和其他结构)必须保持在所述最大仰角下方以使得用户终端在所有方位角方向上具有无遮挡的天空视野，因此可以从卫星接收不间断的服务。

标高限制标记22可以包括但不限于印刷在图像反射表面20的外表面20o上的深色标记。在其他实施例中，标高限制标记22可以包括形成在图像反射表面20的外表面20o中或上的隆起、珠状物或凹槽，以及其任何组合。在优选实施例中，选择椭圆形标高限制标记22的长轴和短轴以及倾斜图像反射表面20的直径dm，以当用户在目镜透镜装置40(其限定最大仰角45度+/-1.0度)中观看时形成标高限制标记22的圆形反射图像。在其他实施例中，可以选择标高限制标记22的长轴和短轴以及图像反射表面20的直径dm以形成标高限制标记22(其限定上述的任何其他期望的最大仰角高于或低于45度)的圆形反射图像。在图像反射表面20的一些实施例中，可以包括具有不同尺寸的两个或更多个同心标高限制标记(未示出)，其对应于高于地平线的不同最大仰角，设备周围的物体必须保持在所述最大仰角下方。

在一些实施例中，可以省略标高限制标记，并且平面图像反射表面20可以被配置为具有椭圆形周边边缘，该周边边缘表示最大仰角(在优选实施例中，其限定最大仰角45度+/-1.0度)。由于图像反射表面20相对于光收集透镜装置30的倾斜角度，图像反射表面的椭圆形周边边缘将在目镜透镜装置40中呈圆形。

如图2a所示，仰角估计设备10-1的一些实施例可以是用户终端100的集成组件，如图2a所示。在2015年2月20日提交的标题为“userterminalhavingalineararrayantennawithelectronicandmechanicalactuationsystem”的美国申请序列号14/627,577中描述了这样的用户终端的示例。美国申请序列号14/627,577的整个公开通过引用并入本文。在这样的实施例中，仰角估计设备10-1可以被集成到与其天线120相邻的用户终端100的外壳110中。在图2a所示的实施例中，光收集和目镜透镜装置(未示出)可以安装在管状外壳60中(彼此光学对准)，由此形成光学单元70。图像反射表面20和光学单元70可以被集成到用户终端的外壳110中，使得光学单元70的图像反射表面20和光收集透镜装置彼此光学对准。

参考图2b，仰角估计设备10-2的其他实施例可以被配置为便携式设备，其可移除地安装在用户终端上或用户终端旁边。在一个实施例中，设备10-2可以具有约2.5英寸的长度l和约1.5英寸的高度(集成到用户终端中的设备可以具有相似的尺寸的实施例)。在任何情况下，应该理解，在其他实施例中，该设备可以具有其他尺寸。在图2b所示的实施例中，光收集和目镜透镜装置(未示出)也可以安装在前述管状外壳60中以形成光学单元70。图像反射表面20和光学单元70可以安装在平台80上使得图像反射表面20和光收集透镜装置(不可见)彼此光学对准。

如图2c所示，设备10-3可以设有可选的支架或方位旋转台90，设备10-3的平台80安装在该支架或方位旋转台90上。方位台90允许设备10-3的平台80相对于方位台90围绕轴线a旋转至少360度。方位台90在可能有少量的自我阻塞的设备的紧凑实施例(例如长度小于2.0英寸)中特别有用。方位台90允许用户以不同的旋转角度进行多次瞄准以克服自我阻塞。方位台90还可以在自阻塞不是问题的实施例中提供，例如，如果设备10-3位于用户终端的一侧而用户位于另一侧。

在其他实施例中，可以通过增加图像反射表面20和光收集透镜装置30之间的间隔来避免自阻塞。在这样的实施例中，图像反射表面20的直径dm将可能必须增加以覆盖相同的fov。

如图3所示，在设备10-4的实施例中，可以在倾斜的图像反射表面20与光收集透镜装置30之间的光路op中提供辅助透镜装置50，以在期望扩展的fov的情况下补充光收集透镜装置30。在这样的实施例中，辅助透镜装置50可以包括凸凹透镜。凸凹透镜50可以被配置为包括单片玻璃或塑料的单透镜，其中凸面面向图像反射面并且凹面面对光收集透镜装置30。在其他实施例中，凸凹透镜50可以包括包含两个或更多个单透镜元件的复合透镜。辅助透镜装置50可以沿着具有光收集和目镜透镜装置30、40的单元70(图2a-2c)安装在前述的光学器件的管状外壳60中。

图4a示出了本公开的仰角估计设备10-5的另一个实施例。在该实施例中，倾斜的平面图像反射表面20被设置在目镜透镜装置40与用户的眼睛e之间。图像反射表面20将从目镜透镜装置40出射的准直的天空场景光l横向地朝向用户的眼睛e反射。此外，在该实施例中提供透明的瞄准表面55。瞄准表面55与光收集透镜装置30光学对准并垂直设置在光收集透镜装置30上方。在一些实施例中，瞄准表面55可以包括平面透明玻璃或塑料屏幕。如图4b所示，瞄准表面55还包括预定直径的圆形标高限制标记57。标高限制标记57的直径被选择为使得当用户在图像反射表面20中观看标高限制标记57时，标高限制标记57限定高于地平线的最大仰角，设备10-5(以及因此用户终端)周围的物体(诸如，设备10的视野(fov)中的树木、建筑物、山脉和其他结构)必须保持在所述最大仰角下方以使得用户终端在所有的方位角方向上具有无遮挡的天空视野，因此可以从卫星接收不间断的服务。标高限制标记57可以包括但不限于打印在瞄准表面55的外表面55o或内表面55i上的深色圆圈、形成在瞄准表面55的外表面55o或内表面55i中或上的隆起、珠状物或凹槽，以及其任何组合。在一些实施例中，瞄准表面55可以包括不同直径的两个或更多个环形同心标高限制标记(未示出)，其对应于高于地平线的不同最大仰角，设备10-5周围的物体必须保持在所述最大仰角下方。在一些实施例中，设备10-5可以包括提供了延伸的fov的前述的辅助透镜装置(例如，凸凹透镜)。在透明瞄准表面55和光收集透镜装置30之间的光路中可以提供辅助透镜装置。

如图4c所示，瞄准表面55、光收集透镜装置30、目镜透镜装置40和倾斜的平面图像反射表面20可以安装在管状外壳160中以形成光学单元170。管状外壳160可以包括设置在倾斜的平面图像反射表面20附近用于观看由图像反射表面20反射的天空场景的横向用户观看窗口或光圈162。光学单元170可以安装在基座或平台180上(如图所示)或集成到用户终端的外壳中。提供延伸的fov的辅助透镜装置也可以设置在光学单元170的管状外壳160内。

图5a示出了本公开的仰角估计设备10-6的另一个实施例。设备10-6的这个实施例与图4a-4c所示的实施例类似在于其包括具有圆形标高限制标记57(图4b)的前述瞄准表面55、光收集透镜装置30、倾斜的平面图像反射表面20和目镜透镜装置40。然而，设备10-6的倾斜的平面图像反射表面20被设置在光收集透镜装置30和目镜透镜装置40之间。图像反射表面20将从光收集透镜装置30出射的发散的天空场景光l-朝着目镜透镜装置40横向地反射。

如图5b所示，瞄准表面55、光收集透镜装置30、倾斜的平面图像反射表面20和目镜透镜装置40可以安装在管状外壳260中以形成光学单元270。管状外壳260可以包括用于观看与目镜透镜装置40准直的天空场景光的用户观看窗口或光圈262。光学单元270可以安装在基座或平台280(如图所示)上或者集成到用户终端的外壳中。提供延伸的fov的辅助透镜装置也可以设置在光学单元270的管状外壳260内。

现在将描述本公开的仰角估计设备的使用和操作。在使用设备之前，用户应该定位和放置用户终端，使得天线是水平的(相对于地面)。可以使用任何常规的水平指示仪器(诸如气泡水平)来确定天线是否水平。这种仪器可以与用户终端的外壳分离或者集成在外壳中。如图2a所示，如果设备10-1被集成到用户终端100中，则当天线120处于水平时，设备10-1应该是水平的。如图2b、图2c、图4c和图5b所示，如果设备10-2、10-3、10-4和10-5与用户终端50分离，则设备10-2、10-3、10-4、10-5应该放在用户终端的外壳上，并与天线一起调平。

一旦用户终端和设备已经被调平，用户通过设备10、10-4和10-6(图1、图3和图5a)的目镜透镜装置40或者在设备10-5的倾斜的平面反射表面20中(图4a)观看天空场景。如图6a所示，如果用户终端周围的天空场景s中的一个或多个物体o中的每一个基本上位于叠加的标高限制标记m之外，则由此指示设备(以及因此用户终端)的fov中的物体被估计低于期望的最大仰角，用户终端的适当定位和放置被确认。因此，用户终端在所有方位角方向上具有无遮挡的天空视野。如果天空场景s中的一个或多个物体o中的至少一个的一部分基本上位于叠加的标高限制标记m之内，如图6b所示，则估计该物体o高于期望的最大仰角。因此，用户终端在至少一个方位角方向上具有遮挡的天空视野。因此，用户终端应该被重新定位，或者被重新定位和放置，使得天空场景s中的每个物体o基本上位于叠加的标高限制标记m之外。

假设用户终端是水平的，则本公开的仰角估计设备允许用户估计周围物体的仰角至约1至2度的精确度。因此，该设备允许用户以大约10倍的现有技术估计方法的精度来估计周围物体的仰角，其中用户仅使用他们的眼睛直接估计物体的仰角。

图7是示出用于利用本公开的设备来估计用户终端周围的一个或多个物体的仰角的方法的实施例的流程图。在框300中，将标高限制标记叠加在天空场景光上。如之前所述，标高限制标记限定高于地球的地平线的仰角，所有的一个或多个物体必须保持在所述仰角下方以使得用户终端在所有方位角方向上具有无遮挡的天空视野。在框302中，利用设置在用户终端上、附接到用户终端、设置在用户终端中或设置在用户终端附近的光收集透镜装置从广角收集天空场景光。在框304中，观看天空场景光和标高限制标记以确定图像中的一个或多个物体中的每一个相对于标高限制标记的位置。如果一个或多个物体中的每一个物体基本上在标高限制标记之外，则估计所有一个或多个物体低于仰角，并且如果一个或多个物体中的任何一个的一部分基本上在标高限制标记的反射的图像内部，则估计该物体高于仰角。

虽然已经根据说明性实施例描述了仰角估计设备和方法，但是它们不限于此。相反，所附权利要求应被广泛地解释为包括本领域技术人员在不偏离该设备和方法的等同物的领域和范围的情况下可以做出的其他变型和实施例。