本公开涉及非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对象的仰角的装置和方法以帮助用户适当地定位用户终端，使得其具有天空的无阻挡视野。
背景技术：
当前正在开发的是用于将低成本宽带互联网服务带至地球上的任何位置的卫星系统。此类系统通常包括网关天线，该网关天线将互联网链接至非静止卫星的集群，该非静止卫星的集群继而链接至位于地球上的不昂贵用户终端。用户终端将互联网连接性递送至住宅和商业建筑。
上文所述及的不昂贵用户终端包括天线，该天线需要在所有方位角方向(北方、南方、东方和西方)上的大截面的天空的无阻挡视野，以从卫星接收不中断服务。树、建筑物和山在所有方位角方向上必须保持低于特定仰角(地平线之上的角度，即地球和天空看起来交汇的线)。在世界的一些部分，最大仰角可低至约45°。此类用户终端的一个实例描述于提交于2015年2月20日的标题为“具有线性阵列天线与电子和机械致动系统的用户终端(userterminalhavingalineararrayantennawithelectronicandmechanicalactuationsystem)”的美国申请序列no.14/627,577中。
具有最低专业水平的个体用户可能安装和装配用户终端，因此，必要的是他们能够以用户终端具有天空的无阻挡视野的方式将用户终端定位于其住宅、商业建筑等。
为保持低成本互联网服务，用户应能够安置、安装、装配和定位其用户终端而无需专业协助。因为用户终端必须在所有方位角方向上具有天空的无阻挡视野(在一些应用中低至水平线之上约45°的仰角)，所以用户正确地安置和定位其用户终端的能力为重大挑战。目前，用户通过视觉上估计用户终端是否具有天空的无阻挡视野来安置和定位其用户终端，这通常导致至多10°的误差并产生失灵期(dropoutperiod)问题。勘测设备可用于帮助正确地安置和定位用户终端，但此类设备为昂贵的并且需要专业技术人员来操作。
关于向用户终端提供天空的无阻挡视野的问题在电信领域中为新问题。较老无线通信网络利用较低射频，该较低射频不受树、建筑物和类似障碍物影响。以较高频率操作的较新通信系统仅需要天线沿着静止卫星的一个不变视线具有清晰视野。然而，不昂贵用户终端(诸如美国申请序列no.14/627,577中所描述的一者)在所有方位角方向上需要天空的无阻挡视野，以避免由于天空的阻隔部分所致使的不可接受长失灵期。
因此，需要不昂贵且易使用系统和方法以用于允许用户准确地估计一个或多个周围对象的仰角，使得用户可安置和定位非静止卫星通信系统的用户终端，使得其在所有方位角方向上具有天空的无阻挡视野(低至约45°的仰角)
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对象的仰角的系统。在各种实施例中，该系统可包括用于捕获天空图像的相机装置和用于显示由相机装置所捕获的天空图像的显示装置，其中相机装置和显示装置中的一者在由显示装置所显示的天空图像中生成高度限制标记，其中高度限制标记限定地球地平线之上的仰角，相机装置的视场中的一个或多个对象均必须保持低于该仰角，使得用户终端在所有方位角方向上具有无阻挡视野。
本文还公开了一种用于估计用户终端周围的一个或多个对象的仰角的相机装置。在各种实施例中，相机装置可包括捕获天空图像的图像传感器。相机装置在将由显示装置显示的天空图像中生成高度限制标记。
本文还公开了一种用于估计用户终端周围的一个或多个对象的仰角的显示装置。在各种实施例中，显示装置可包括用于显示由相机装置所捕获的天空图像的显示屏和处理器。在一些实施例中，显示装置可包括软件应用程序，该软件应用程序当由处理器执行时将高度限制标记添加至显示于显示屏上的天空图像。在其它实施例中，显示装置可包括将高度限制标记添加至显示于显示屏上的天空图像的固件、硬件、软件或其任何组合。
在一些实施例中，由高度限制标记所限定的仰角可包括最大仰角。
在一些实施例中，相机装置可包括用于捕获天空图像的图像传感器。
在一些实施例中，图像传感器可包括电荷耦合装置。
在一些实施例中，图像传感器可包括cmos有源像素装置。
在一些实施例中，相机装置可包括用于将光线聚焦在图像传感器上的光学系统，该光线代表相机装置的视场中的天空和一个或多个对象。
在一些实施例中，光学系统可包括广角透镜。
在一些实施例中，光学系统可包括标线片，该标线片生成高度限制标记，该高度限制标记叠加于显示在显示装置上的天空图像上。
在一些实施例中，相机装置可包括图像处理和通信电子器件。
在一些实施例中，图像处理和通信电子器件可包括固件、硬件、软件或其任何组合以用于图像获取和将天空图像无线传输至显示装置。
在一些实施例中，天空图像可为实时视频图像，并且其中图像处理和通信电子器件生成该实时视频图像。
在一些实施例中，天空图像可为静态图像，并且其中固件生成该静态图像。
在一些实施例中，图像处理和通信电子器件允许天空图像至显示装置的蓝牙、wi-fi、互联网和蜂窝数据传输中的一者或多者。
在一些实施例中，图像处理和通信电子器件可包括固件、硬件、软件或其任何组合以用于将天空图像有线传输至显示装置。
在一些实施例中，用于有线传输的图像处理和通信电子器件允许相机装置与显示装置的通用串行总线连接。
在一些实施例中，系统还可包括适于相机装置与显示装置的有线连接的usbotg适配器。
在一些实施例中，图像处理和通信电子器件将高度限制标记添加至显示于显示装置上的天空图像。
在一些实施例中，相机装置可包括用于控制图像处理和通信电子器件的功能的处理器。
在一些实施例中，显示装置可包括具有显示屏的便携式或移动式装置，该显示屏用于显示由相机装置所捕获的天空图像。
在一些实施例中，便携式或移动式装置可包括手持式装置。
在一些实施例中，手持式装置可包括智能手机或平板计算机。
在一些实施例中，便携式或移动式装置可包括膝上型计算机。
在一些实施例中，显示装置可包括固件、硬件、软件或其任何组合以用于由相机装置所传输的天空图像的无线接收。
在一些实施例中，固件、硬件、软件或其任何组合允许从相机装置所传输的天空图像的蓝牙、wi-fi、互联网和蜂窝数据接收中的一者或多者。
在一些实施例中，显示装置可包括固件、硬件、软件或其任何组合以用于由相机所传输的天空图像的有线接收。
在一些实施例中，用于有线接收的固件、硬件、软件和其任何组合提供了显示装置和相机装置之间的通用串行总线连接。
在一些实施例中，显示装置可包括软件应用程序，该软件应用程序当由显示装置的处理器执行时将天空图像显示于显示装置上。
在一些实施例中，当软件应用程序由处理器执行时，该软件应用程序将高度限制标记添加至显示于显示装置上的天空图像。
在一些实施例中，显示装置可包括将高度限制标记添加至显示于显示装置上的天空图像的固件、硬件、软件或其任何组合。
在一些实施例中，高度限制标记可包括圆圈。
在一些实施例中，如果一个或多个对象大体在高度限制标记之外，那么该一个或多个对象估计低于仰角。
在一些实施例中，如果一个或多个对象的一部分大体在高度限制标记之内，那么该一个或多个对象估计高于仰角。
在一些实施例中，相机装置和显示装置包括集成单元。
本文还公开了用户终端，该用户终端在各种实施例中可包括外壳、与外壳相关联的天线、和设置于外壳上或集成至外壳中的上述相机装置。
本文还公开了用户终端，该用户终端在各种其它实施例中可包括外壳、与外壳相关联的天线、和设置于外壳上或集成至外壳中的上述系统。
本文还公开了一种用于估计用户终端周围的一个或多个对象的仰角的方法。在各种实施例中，该方法可包括：以相机装置捕获天空图像，该相机装置设置于用户终端上、附接至用户终端、设置于用户终端中或设置成邻近用户终端；将高度限制标记叠加于天空图像上，该高度限制标记限定地球地平线之上的仰角，相机装置的视场中的一个或多个对象均必须保持低于该仰角，使得用户终端在所有方位角方向上具有天空的无阻挡视野；和
将天空图像显示于显示装置上以探知图像中的一个或多个对象的任一者相对于高度限制标记的位置。
附图说明
图1为根据本公开的仰角估计系统的一个实施例的功能框图。
图2a为用户终端的一个实施例的透视图，该用户终端并入仰角估计系统的相机装置的一个实施例。
图2b为用户终端的另一个实施例的透视图，该用户终端具有可移除地安装在其上的仰角估计系统的相机装置的另一个实施例。
图2c为用户终端的另一个实施例的透视图，该用户终端并入仰角估计系统的另一个实施例。
图2d为图2b所示用户终端的透视图，该用户终端具有可移除地安装在其上的仰角估计系统的另一个实施例。
图3为相机装置的一个实施例的示意图，示出了仰角估计系统的相机装置的光学系统和图像传感器。
图4为仰角估计系统的显示装置的一个实施例的俯视平面图，示出了天空图像；当用户终端已适当地安置并定位时，该天空图像由相机装置捕获并且传输至显示装置。
图5为图4所示显示装置的俯视平面图，示出了天空图像；当用户终端已不当地安置并定位时，该天空图像由相机装置捕获并且传输至显示装置。
图6为示出方法的一个实施例的流程图，该方法用于以本公开的系统估计用户终端周围的一个或多个对象的仰角。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的仰角估计系统10的一个实施例，仰角估计系统10用于允许用户准确地估计一个或多个周围对象的仰角。系统10包括相机装置20和显示装置40，相机装置20用于捕获天空(天空图像)的实时视频图像或静态图像，显示装置40与相机装置20通信以向用户显示天空的实时视频图像或静态图像。
如图1所示，系统10的相机装置20和显示装置40可配置为独立部件或单元。显示装置40可包括具有显示屏42的便携式或移动式装置，诸如膝上型计算机或手持式装置(诸如智能手机或平板计算机)。在其它实施例中，显示装置40可包括能够与相机装置20通信并且向用户显示由相机装置20所捕获的天空图像的任何装置。
系统10的相机装置20可包括图像传感器22、光学系统24、图像处理/通信(ipc)电子器件26、功率源28、启动按钮30和处理器32。相机装置20可为用户终端的一部分。此类用户终端的一个实例描述于提交于2015年2月20日的标题为“具有线性阵列天线与电子和机械致动系统的用户终端(userterminalhavingalineararrayantennawithelectronicandmechanicalactuationsystem)”的美国申请序列no.14/627,577中。美国申请序列no.14/627,577的全部公开内容以应用方式并入本文。在此类实施例中，如图2a所示，系统10的相机装置20可集成至相邻于其天线54的用户终端50的外壳52中并且定位成使得其向上面向天空。相机装置20优选地应装配于约1.0cm3的体积内。在此类实施例中，该体积的优选长度、宽度和高度各自为约1.0cm。
系统10的相机装置20的其它实施例可配置为便携式单元21，便携式单元21可移除地安装于用户终端50的外壳52上(靠近天线54，向上面向天空)，如图2b所示。
在其它实施例中，系统10的相机装置20和显示装置40可集成至相邻于其天线54的用户终端50的外壳52中并且定位成使得系统10的相机装置20向上面向天空，如图2c所示。另选地，如图2d所示，系统10可配置为便携式单元11，便携式单元11可移除地安装于用户终端50的外壳52上(靠近天线54，相机装置20向上面向天空)。图2c和图2d的实施例所示的显示装置40可配置成从图2c和图2d所示的位置向上旋转约45°至90°，使得用户在观察显示装置40时不阻挡相机装置20的视野。
再次参考图1，相机装置20的图像传感器22可包括数字图像传感器，诸如电荷耦合装置(cdd)图像传感器或cmos有源像素传感器(aps)图像传感器。能够捕获天空的实时视频图像或静态图像的任何其它合适图像传感器可用于相机装置20的其它实施例中。
参考图3，相机装置20的光学系统24可包括设置于图像传感器22的前方的一个或多个透镜的广角透镜机构25，广角透镜机构25具有焦距f，焦距f大体小于标准透镜的焦距，其中焦距为从透镜机构25的中心c至图像传感器22的图像交点或表面22s的距离，并且其中标准透镜的焦距f为约50mm(转换成35mm胶片相机格式)。广角透镜机构25向图像传感器22提供广角视野，该广角视野允许将至少90°的天空的必要边缘至边缘视场(fov)包括于由图像传感器22所捕获的实时视频图像或静态图像中。透镜机构25的焦距f将取决于fov和图像传感器22的像素22p的数量和尺寸。在一个示例性实施例中，广角透镜机构25可具有约5mm和约35mm(转化成35mm胶片相机格式)之间的焦距f。
再次参考图1，相机装置20的ipc电子器件26可包括视频/静态图像获取固件、硬件和/或软件以及固件、硬件和/或软件以用于允许相机装置20将天空图像无线地传输至显示装置40。例如但非限制，ipc电子器件26可包括用于天空图像至显示装置40的蓝牙、wi-fi、互联网和/或蜂窝数据无线传输60。在此类实施例中，对应显示装置40(例如，智能电话、平板计算机和膝上型计算机)可包括用于接收由相机装置20的ipc电子器件26所传输的天空图像的蓝牙、wi-fi、互联网和/或蜂窝数据的固件，和允许在显示装置40的显示屏42上观察天空图像的视频或相片软件应用程序。
在其它实施例中，相机装置20的ipc电子器件26可另选地或额外地包括固件、硬件和/或软件以用于允许相机装置20经由有线连接62将天空图像传输至显示装置40。用于有线传输62的固件可包括但不限于用于利用通用串行总线(usb)连接的固件。在此类实施例中，usb运行(otb)适配器(未示出)可提供用于相机装置20与显示装置40的有线usb连接。
相机装置20的功率源28可包括可充电电池或可置换电池。另选地或除电池之外，功率源28可包括(或还可包括)至显示装置40的usb连接(其也可用于对可充电电池进行再充电，如果配备的话)和/或标准功率插头连接。
相机装置20的处理器32可包括微处理器，该微处理器控制ipc电子器件26、启动按钮30和图像传感器22的功能。
如图4所示，系统10还配置成将圆圈等标记50(高度限制圆圈)叠加于或添加至显示于显示装置40的显示屏42上的天空图像70。高度限制圆圈50表示点轨迹，阻碍在该点轨迹处超出最大可允许仰角。换句话讲，高度限制圆圈50限定地平线之上的最大仰角，相机装置20(并且因此，用户终端)周围的对象(诸如树、建筑物、山和相机装置的图像传感器22的fov中的其它结构)必须保持为低的，使得用户终端在所有方位角方向上具有天空的无阻挡视野，并且因此可从卫星接收不中断服务。在一个优选实施例中，高度限制圆圈50限定45°(+/-1.0°)的最大仰角ea(图3)。在其它实施例中，高度限制圆圈50可限定高于或低于45°的任何其它期望最大仰角ea。系统10的其它实施例可在显示于显示装置40的显示屏42上的天空图像上生成对应于地平线之上的不同最大仰角(相机装置20周围的对象必须保持为低的)的两个或更多个同心圆标记或高度限制圆圈50。
在一些实施例中，高度限制圆圈50通过将圆形线提供于光学系统24中可生成于天空图像中。在其它实施例中，高度限制圆圈可具有其它形状，取决于卫星的集群或星区的参数和每个卫星在该星区中的指向取向。例如但非限制，光学系统24可包括圆形标线片，该圆形标线片生成高度限制圆圈50，该高度限制圆圈50叠加于天空图像之上或天空图像上，该天空图像显示于显示装置40的显示屏42上。
在其它实施例中，高度限制圆圈50通过相机装置的ipc电子器件26的视频获取固件可电子地添加至实时视频图像或静态图像。在其它实施例中，高度限制圆圈50通过在显示装置40上运行的软件应用程序可电子地添加至实时视频图像或静态图像。
再次参考图3，叠加于或添加至天空图像的高度限制圆圈50的尺寸可通过计算高度限制圆圈50的直径d来确定，直径d利用下述公式以图像传感器22的像素的数量为单位来测量：
d(以像素数量为单位)＝2*(90-最大仰角(以°为单位))/α；
其中a为通过图像传感器22的一个像素所看到的角度(单位为°)。一个像素所看到的弧度角度α'利用下述公式来确定：
tan(α')＝p/f；
其中p为图像传感器的每个像素的尺寸(单位为mm)并且f为焦距(单位为mm)，并且其中从α'至a的转换关系如下：
α＝α'*180°/pi。
现将描述仰角估计系统10的用途和操作。在使用系统10之前，用户将安置并定位用户终端，使得天线为水平的(相对于地面)。任何常规水平指示仪器(诸如气泡水平仪)可用于确定天线是否为水平的。此类天线可独立于或并入用户终端的外壳。如果相机装置20或仰角估计系统10并入用户终端50中，分别如图2a和图2c所示，那么当天线54为水平的时，相机装置20应为水平的。如果相机装置20或系统10独立于用户终端50，分别如图2b和图2d所示，那么相机装置20或系统10应放置于用户终端50的外壳52上并且连同天线54一起保持水平。
一旦系统10的用户终端50和相机装置20已保持水平，那么相机装置20通过启动按钮30来启动。然后，相机装置20捕获天空的实时视频图像或静态图像，并且将其无线地或有线地传输至显示装置40。如图4所示，如果用户终端50周围的天空图像70中的一个或多个对象o的每一者大体在高度限制圆圈50的外部，那么确认用户终端50的适当地方和位置，从而指示相机装置的图像传感器22(和因此，用户终端50)的fov中的对象估计低于期望最大仰角。因此，用户终端50在所有方位角方向上具有天空的无阻挡视野。如果天空图像70中的一个或多个对象o中的至少一者的一部分大体在高度限制圆圈50之内，如图5所示，那么对象o估计高于期望最大仰角。因此，用户终端50在至少一个方位角方向上具有天空的阻挡视野。因此，用户终端应进行重新定位，或重新安置和定位成使得，天空图像70中的对象o的每一者大体在高度限制圆圈50之外。
本公开的仰角估计系统10允许用户估计周围对象的仰角(精度为约1至2°)，假定用户终端为水平的。因此，系统10允许用户估计周围对象的仰角，精度为现有技术估计方法(其中用户仅利用其眼睛直接地估计对象的仰角)的约10倍。
图6为示出方法的一个实施例的流程图，该方法用于以本公开的系统10估计用户终端周围的一个或多个对象的仰角。在框80，天空图像以相机装置20来捕获，相机装置20设置于用户终端50上、附接至用户终端50、设置于用户终端50中、或设置成邻近用户终端50。在框82，高度限制标记生成于天空图像中。在框84，天空图像显示于显示装置40上以探知图像中的一个或多个对象的任一者相对于高度限制标记的位置。如果一个或多个对象的每一者大体在高度限制标记之外，那么一个或多个对象均估计低于仰角，并且如果一个或多个对象的任一者的一部分大体在高度限制标记的反射图像之内，那么该对象估计高于仰角。
尽管仰角估计系统和方法已根据示例性实施例进行描述，但它们不限于此。相反，附属权利要求书应广义地视为包括其它变体和该变体的实施例，这些变体可由本领域的技术人员做出而不脱离系统和方法的等同物的领域和范围。