一种用于移动通信天线指向监测的测向测姿装置的制作方法
本发明涉及一种用于移动通信天线指向监测的测向测姿装置，属于移动通信基站通信天线指向的测量技术领域。
背景技术：
当今移动通信天线已广泛应用，基站通信天线装在铁塔上，或装在建筑物顶部的小铁架上。由于天线安装时的指向角度与通信的覆盖范围有关，天线安装的指向角度有要求，但允许的角度误差偏离要求的指向角度1°—5°。特别是移动通信正在向4g和5g发展，则对基站通信天线指向角度的要求会提高，更需要对铁塔上通信天线指向角度实现远程监控和调整。
为了达到这一目的，遥控改变基站通信天线的指向，改变通信天线覆盖范围，必须对基站铁塔上通信天线进行合理的指向及合适的指向分布实现调整，从而提高移动通信的信道分配效果，改善用户体验。为此，电信运营商提出要在基站通信天线上装置天线测向测姿装置的要求。
移动通信天线提出了测向要求，装什么样的测向装置其方案有多种，有磁指向装置方案；利用太阳光指示方向的方案和基于gnss的指向装置方案。其中，磁指向装置结构简单、十分廉价，但磁指向装置易受铁介质的影响，而天线和铁塔实际上均有较多的铁介质材料，所以测向精度会受到影响；光指示方向的方案，原理上也比较简单，方法比较原始，且因为太阳光受天气影响，阴天及雨天难以保证使用要求。故应该说基于gnss的载波相位干涉测量方案最合适，这一方法精度高，完全能满足通信天线指向的要求，但是由于载波相位测量所使用的器材比较贵，算法比较复杂，所以价格比较贵的测向测姿装置难以满足移动通信运行商低成本的要求。
公开号为cn204256185u的专利公开了一种电磁特征接收测向系统，包括信号接收系统，信号接收系统电连接有电磁信号运算识别仪和杂波信号采集器，杂波信号采集器电连接有杂波信号服务器，杂波信号服务器电连接电磁信号运算识别仪；所述电磁信号运算识别仪电连接有杂波信号服务器，杂波信号服务器电连接有信号源测向仪，同时电磁信号运算识别电连接有显示器，并且显示器电连接波形突变判读仪。
公开号为cn102016623a的专利公开了一种确定目标是否位于测向仪关注区域的方法，其包括：(a)将关注区域预定义为r值和n值的特定阈值差；(b)在测向仪上设置至少两个天线，该至少两个天线呈船舷状排列；(c)使用至少一个天线生成同相参考模式，并在测向仪和目标之间建立无线通讯；(d)衰减测向仪和目标之间的无线通讯信号，直到无线通讯丢失；记录衰减值作为r值，该衰减值与失去无线通讯相对应；(e)使用至少两个天线生成异相n值模式，并在测向仪和目标之间重新建立无线通讯；(f)衰减测向仪和目标之间的无线通讯信号，直到无线通讯丢失；记录衰减值作为n值，该衰减值与失去无线通讯相对应；(g)确定r-n的差值高于或低于阈值差，其中，r-n的差值高于阈值代表目标位于关注区域之内，r-n的差值低于阈值则代表目标位于关注区域之外。
公开号为cn101652942a的专利公开了对到全向地发送信号的远程对象的方向的确定。本发明包括在用户位置处的手持式定向天线和全向天线，以及耦合到所述天线的手持式电路，以确定这两个天线从远程对象接收到的信号的场强。对在扫描观察场期间在所述天线处接收到的信号进行比较，从数据扫描中选出该远程对象相对于用户位置的可能方向。该设备进一步包括数字罗盘，该数字罗盘生成相应于定向天线所指的每个方向的罗盘航向。该电路利用罗盘航向来存储场强数据，并根据预定的协议取多个罗盘航向上的场强数据的平均值。
综上所述，目前现有的实现gnss高精度载波相位测量的测向测姿装置测量精度很高，基线长2米左右的测向测姿装置测角分辨率能够达到0.01度量级，基线测量精度能够达到毫米量级。但必须采用高精度载波相位测量芯片及模块，但因价格高昂，所以不能满足电信运行商控制一定成本的要求。为此，为了改变这一状态，满足电信通信运行商的要求，必须研发出新的测向测姿装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的用于移动通信天线指向监测的测向测姿装置。即本发明要提供一种在性能上能满足测向测姿精度要求的而在成本和价格上低廉的天线测向测姿装置。本发明的技术解决方案是：不采用全球导航卫星系统(gnss：globalnavigationsatellitesystem)载波相位高精度测量用的芯片以及经典的算法软件系统，能够满足移动通信基站通信天线工参控制要求，所以，本发明采用卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片，所述卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片包括systemonachip芯片(soc)，本发明对所述卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片进行改造以实现高精度载波相位相干测量要求。
本发明是针对中国电信、移动、联通运营商基站天线测向测姿需求研发的基于全球卫星导航系统(gnss，globalnavigationsatellitesystem)载波信号相位相干测量方法基础上的测量方向和姿态的一种测量装置，本发明有别于现有的基于卫星导航系统信号的测向测姿装置，本发明没有采用目前用于精准测量应用的基于卫星导航系统的载波相位精准测量模块，而是采用了现有的卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片，在所述卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片中采用广义延拓精化逼近算法，提高了芯片中锁频环、时延锁定环和载波锁相环的寻优精度。同时本发明实现了天线与接收芯片之间的一体化耦合匹配设计，还采用增强去噪算法软件，降低了链路噪声，提高了芯片和模块的载波相位测量精度。模块采用低成本普通伪距测量芯片并发挥算法及软件的作用以满足低成本的要求，这是为了使所采用的所述卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片能提高测量性能并达到高性能精准测量芯片和模块的性能要求。本发明采用极短基线的设计方案，极短基线的长度短于1米，甚至能够短于1个波长，从而能够简化模糊度的求解，还能使测向测姿装置的结构变得极其紧凑实用。
为了达到上述目的，本发明利用了gnss信号，采用的是高精度卫星导航信号的载波相位干涉测量方法，不但适用的覆盖区域极广，而且获得的测向角度数据是相对于正北方向的绝对偏角值，使用直观方便，它不像惯性器件测得的角度值是相对变化的角度值，不是相对于正北方向的绝对偏角值，相对误差会随时间推移产生误差累积，影响使用效果，而且使用时也不方便。而本发明的俯仰角测量能够采用重力传感芯片与加速度传感芯片的传感测量模块，也能采用gnss测向方案，但需要改变基线方向，与测方位的基线成90°。
本发明的用于移动通信天线指向监测的测向测姿装置包括：两个接收卫星导航信号的天线单元、卫星导航信号和载波相位接收测量模块、载波相位干涉测量处理解算模块、测量姿态角的惯性传感测量模块和对外接口模块。所述测量姿态角的惯性传感测量模块包括：陀螺、加速度传感芯片、重力传感芯片与磁力计。所述对外接口模块包括输出接口、输入接口。所述天线单元、卫星导航信号和载波相位接收测量模块、载波相位干涉测量处理解算模块、输出接口依次连接；所述测量姿态角的惯性传感测量模块与载波相位干涉测量处理解算模块连接。
所述两个接收卫星导航信号的天线单元间隔放置，所述两个接收卫星导航信号的天线单元相位中心间分开的距离称为基线，本发明的用于移动通信天线指向监测的测向测姿装置采用长度短于1米或短于1个波长的基线，这样能简化模糊度的求解，且能使结构紧凑实用。
本发明所述装置的载波相位干涉测量处理解算模块采用了现有的卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片；为了能使所述载波相位干涉测量处理解算模块改变测量范围，增加测量功能，并能实现高精度载波相位相关测量要求，在卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片中加入了改善锁频环、延时锁定环、载波锁相环的广义延拓精化逼近算法软件、广义延拓滤波及增强去噪算法软件，载波锁相环的广义延拓精化逼近算法软件能够改善环路的相关测量最优点的搜索与跟踪，广义延拓滤波及增强去噪算法软件具有滤波及去噪能力。
所述两个接收卫星导航信号的天线单元、卫星导航信号和载波相位接收测量模块、载波相位干涉测量处理解算模块安装到同一个底盘上并加装一个外罩，以便保护两个接收卫星导航信号的天线单元。外罩材料选择对电磁波衰减小的材料。所述底盘侧面有输入接口、输出接口，用于输入控制指令和电源、输出测向测姿的数据及基线长度及基线长度的投影分量，形成独立的一个整机单元，能够外置在移动天线整机装置的上方，上述安置方式适用于在原来已安装的移动通信天线整机设备上实行加装，而新的通信天线设备则将本发明所述装置直接内置安装在通信天线整机内，这样能够省去所述装置所要加的外罩，使通信天线设备与所述装置直接构成一个完整的整机设备。
本发明所述装置采用长度短于1米或短于1个波长的基线，以有利于简化模糊度的求解，而且使所述装置的结构也能适应天线单元的结构尺寸要求，从而使所述装置的结构更加紧凑实用并具有精度较高、成本低、性能好、适应性强的特点并能满足移动通信基站通信天线工参控制的应用需求，同时也能适用于需要姿态角和天线安装位置测量的应用要求。本发明所述装置除了应用于通信天线上作为所述装置用于移动通信基站通信天线工参控制应用以外，还能够应用于其他领域：如天文望远镜指向角的捕获、用于船舶航向角的测量及航向导引、铁塔的安全监控应用领域，本发明所述装置的另外一个优点是输出的角度值是相对于正北的绝对角度指示值，绝对角度指示值不会产生累积误差，而这是利用传统的惯性传感器件测向所不具备的优点。本发明所述装置也同样适用于其它需要角度测量的一些应用环境。然而所述装置有一个技术难点就是要克服多径信号的影响。为此本发明所述装置采用广义优化求解算法能减轻多径信号对解的影响。本发明所述装置采用了学科交叉的理念和多种智能算法来增强测向测姿功能及其效果，优点如下：
1.系统结构简单，所用器件少，且价格低。设备成本低，通过算法程序和软件来提高性能和测量精度。
2.设备精度高，能实现角分量级测向测姿精度且运行可靠。
3.能实现实时测向测姿，从而能够实现通信天线指向的实时监控与调整。
附图说明
图1是本发明所述装置的天线单元与基线组成方案的结构示意图；
其中，图1a是本发明所述装置的两个天线单元和一条基线组成的方案结构示意图；
图1b是本发明所述装置的三个天线单元和两条基线组成方案的结构示意图；
图1c是本发明所述装置的四个天线单元和两条基线组成方案的结构示意图；
图2是本发明所述装置的原理示意图；
图3是本发明所述装置的结构示意图。
图中所示：1-天线单元；2-卫星导航信号和载波相位接收测量模块；3-测量姿态角的惯性传感测量模块；4-载波相位干涉测量处理解算模块；5-输出接口；6-输入接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式例进行详细描述。
如图3所示，本发明所述装置包括：天线单元1、卫星导航信号和载波相位接收测量模块2、测量姿态角的惯性传感测量模块3、载波相位干涉测量处理解算模块4、输出接口5、输入接口6。当天线单元1、卫星导航信号和载波相位接收测量模块2、测量姿态角的惯性传感测量模块3；载波相位干涉测量处理解算模块4、输出接口5、输入接口6安装在移动通信天线罩里面时，安置在移动通信天线罩内天线组件的上端部要添加一块安装上述部件的底板，不需要再加保护罩；但是，当上述部件要安置到移动通信天线罩外时是安置在移动通信天线罩上端，这时需要把上述部件安置在一块底盘上且还需要由一个外罩作保护。
所述天线单元1、卫星导航信号和载波相位接收测量模块2、载波相位干涉测量处理解算模块4、输出接口5依次连接；所述测量姿态角的惯性传感测量模块3与载波相位干涉测量处理解算模块4连接。
所述测量姿态角的惯性传感测量模块3为惯性传感测量器件，包括：陀螺、加速度传感芯片、重力传感芯片与磁力计。
天线单元1要求具有比较好的信噪比和信号增益，所以采用有源天线单元；也能够采用无源天线单元。在现有技术中，接收卫星导航信号的接收测量芯片均采用高精度载波相位测量芯片，本发明采用卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片，只需要在所述卫星导航用的低成本普通伪距测量芯片中加入部分算法和软件提高锁频环、时延锁定环与载波相位锁相环的功能和性能，以提升芯片和模块的高精度测量能力；为了改善信号的信噪比，采用了天线和接收测量芯片之间的一体化耦合设计，并用软件增强去噪方法去除噪声；仰角测量采用测量姿态角的惯性传感测量模块3，测量姿态角的惯性传感测量模块3由加速度传感芯片、陀螺仪、重力传感芯片和磁力计组成，在移动通信基站通信天线上使用时，能够采用单轴重力加速度计方案。
卫星导航信号接收测量和载波相位干涉测量模块2和测量姿态角的惯性传感测量模块3输出的信号传输至载波相位干涉测量处理解算模块4，在载波相位干涉测量处理解算模块4中完成天线基线和基线姿态的解算，演算出天线指向角，即方位角与仰角，然后通过传输网络的接口，通过传输网络把测量数据传输至网络侧的业务数据汇总运行平台。
本发明所述装置能够得到方位角、俯仰角和横滚角，由于基站通信天线只要求测量并输出方位角和俯仰角两个角度，发明所述装置采用两个天线单元和一条基线的方案。两个天线单元、卫星导航信号和载波相位接收测量模块2、载波相位干涉测量处理解算模块4安装在同一个底盘上。在底盘上安装一个外罩用于防风沙和雨水。将本发明所述装置罩在外罩里，外罩采用对电磁波衰减小的材料。所述底盘侧面有输入接口6、输出接口5，输入接口6用于输入控制指令和电源，输出接口5用于输出测向测姿的数据并能够输出基线长度及基线长度的坐标投影分量。
本发明所述装置能够放置在通信天线整机顶部，也能够内置在移动通信天线整机的内部。这样能够测量天线方位角和横滚角。测量俯仰角也能够采用gnss测向方案，但需要增加测量基线。发明所述装置的另一种方案是采用增加惯性传感器件方案，如采用陀螺、加速度传感芯片、重力传感芯片与磁力计。
如附图2所示，是基于gnss的天线测向仪的原理：l是基线矢量，与以往的测向仪不同的是不直接去测方向而是通过两个或多个天线接收卫星导航信号，把多路信号进行相位比较，求出相位差，利用这些相位差去反演求出天线间基线的方向来示意方向。
gps基线矢量是通过载波相位差分的方式来实现精密测量，固连在载体上的gps基线为几十公分到几米，相位差分几乎消除掉了存在于空间相关性的所有误差源。以单基线为例：gps卫星到达两gps天线时可视为平行波，两天线的相位差为：
式中：e为gps天线至卫星的单位矢量，天线的位置坐标由gps伪距定位求得，卫星的坐标由卫星星历解算可得，b＝[xyz]t为未知基线矢量在地球坐标系中的坐标，t表示为转置矩阵，x,y,z为坐标分量，λ为载波波长，n为整周模糊度。
如果在某一时刻同时观测到n颗卫星，那么就能够得到n组基线矢量坐标，所得到的观测方程组如下：
上式中，
从上式能够看出，只需要求解出正确的一组整周模糊度n，著名的整周模糊度求解算法有：最小二乘模糊度搜索算法(lsast)、优化cholesky分解算法、lambda算法、快速模糊度搜索算法(fasf)；在这些搜索算法中，lambda算法不但有着较好的性能而且理论体系也比较完善。选择整周模糊度求解算法就能够解算出基线矢量l。将解算出的基线矢量l进行坐标转换，得到基线矢量lbfs载体坐标系、llls地理坐标系和两基线矢量的变换矩阵，姿态角也就很容易解算出来了。
在图2中，b为基线矢量，ρ1、ρ2为伪距，δρ为伪距差，β为导航信号入射方向与基线矢量的夹角。天线单元1、天线单元2分别表示两个天线单元。
如图1所示，根据不同的需求，本发明所述装置的天线单元1及基线配置方案有多种组合方案：其中有两天线单元一条基线方案,见图1a，有三天线单元两条基线方案,见附图1b，或四个天线单元两条基线方案,见图1c。其中，a1、a2、a3、a4是指天线单元；l、l1、l2是指基线。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。
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