本公开涉及基站天线，并且更具体而言涉及用于确定基站天线的方位角指向方向的装置。
为了在整个定义的区域内提供无线电信号，蜂窝通信系统中的每个定向天线都旨在相对于正北方面向具体的方向(被称为“方位角”)，相对于方位角的平面中的水平面以具体的向下角度倾斜(称为“倾斜角(tilt)”又称“俯仰角(pitch)”)，并且相对于该水平面垂直地对准(称为“翻滚角(roll)”又称“偏斜角(skew)”)。
目前存在的对准工具便于对准基站天线的方位角指向方向。一种常规的对准工具使用全球定位系统(“gps”)卫星。更具体地，一个或多个gps天线可以附接到基站天线。基于从gps卫星接收到的信号和gps天线在基站天线上的位置，对准工具可以确定基站天线的方位角指向方向。然而，由于高成本，这些对准工具通常在安装基站天线之后被移除。
不幸的是，方位角、倾斜角和翻滚角中不期望的改变可能不利地影响诸如基站天线之类的定向天线的覆盖范围。除其他特性外，由于存在强风、腐蚀、初始安装不良、振动、飓风、龙卷风、地震或其他因素，天线的方位角指向方向可能随时间而改变。
因此，如果存在安装后监测天线的方位角指向方向的技术，则将是期望的。
技术实现要素：
本公开的各方面可以通过采用定位在基站天线上的多于两个的gnss天线来提高已知的方位角指向方向确定技术的准确性。在一方面，技术可使用gnss天线的一个或多个组合来确定基站天线的方位角指向方向。
附图说明
结合附图阅读将更好地理解本发明的以下详细描述。然而，应该理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。附图中：
图1是具有两个全球导航卫星系统(“gnss”)天线的基站天线示意性俯视图，该两个全球导航卫星系统(gnss)天线可用于确定基站天线方位角指向方向；
图2是根据本公开的方面采用四个gnss天线的基站天线的示意性俯视图，该四个gnss天线用于确定基站天线的方位角指向方向；
图3是试图从gps卫星接收信号的基站天线示意性图示；
图4是根据本公开的方面采用四个gnss天线的基站天线的示意性俯视图，该四个gnss天线用于创建用于确定基站天线的方位角指向方向的相控阵列；以及
图5是根据本公开的方面采用gnss天线的基站天线的示意性图示，这些gnss天线被配置为引导波束以接收来自gps卫星的信号。
具体实施方式
在以下描述中使用了某些术语，仅为了方便而非限制性的。词语“下”、“底”、“上”和“顶”指定所参考的图中的方向。除非在本文中特别阐述，否则术语“一”，“一个”和“该”不限于一个元素，而是应该被解读为意思是“至少一个”。术语包括以上指出的词语、其衍生词和类似含义的词语。还应该理解的是，当涉及本发明的部件的尺寸或特性时，在此使用的术语“约”、“大约”、“一般地”、“基本上”和相似的术语指示所描述的尺寸/特性不是严格的边界或参数，并且不由此排除功能上相似的细微变化。至少，包括数字参数的这样的引用将包括在使用本领域所接受的数学和工业原理(例如取整、测量或其他系统误差，制造公差等)时不会改变最低有效位的变化。
如以上所讨论的，在安装基站天线之后，可能发生基站天线的指向方向中的不期望的改变。为解决这些安装后的问题，技术可以包括全球导航卫星系统(gnss)天线。例如，如图1所示，一种技术可以采用安装在基站天线100顶部的两个gnss天线101、103。两个gnss天线101、103中的每一个可包括接收器，并且，使用这些部件可以确定gnss天线101、103中的每一个的精确位置。两个gnss天线101、103中的每一个均可从一个或多个gps卫星接收信号。
在gnss天线101、103中的一个或多个天线内或与gnss天线101、103分离的处理器(未示出)可解析接收到的gps卫星信号以获得载波相位信息、载波波长信息和卫星星历信息。通过使用gnss天线101、103中的每一个的位置信息和解析的卫星信号信息，处理器可以获得从gnss天线101延伸到gnss天线103的虚构基线105的方位角指向方向。然后，可以基于gnss天线101、103的固有的机械放置，根据已知的方位角角度偏差来计算基站天线100的方位角指向方向。这样的计算的进一步的细节可以在boucher的第2013/0127657号美国专利公开中查到，该专利公开的全部内容整体并入本文。
以上所讨论的技术的准确性可以至少部分取决于gnss天线101、103之间的距离。更具体地，gnss天线101、103分开越远，基站天线100的方位角指向方向确定就越准确。一般地，如果gnss天线101、103相隔数十米，则基于gnss天线101、103的单组位置读数的单次方位角计算可以是相对准确的，误差小于1°。然而，随着两个gnss天线101、103之间的距离缩短，方位角指向方向确定的准确性降低。
为了补偿这些不准确性，可以采用gnss天线101、103的多个位置采样以及gnss天线101、103之间的多次方位角指向方向确定。这多个采样可以被平均以提供平均的方位角指向方向，该平均的方位角指向方向在统计上可以比基于单个采样的方位角指向方向确定准确得多。如果在较长时间内采样并取平均值，则所确定的方位角指向方向的不准确性可以进一步降低。
本公开的各方面可以通过采用多于两个gnss天线来提高已知的方位角指向方向确定技术的准确性。现在参考图2，示出了包括四个gnss天线201、203、205、207的基站天线200的顶部。利用四个gnss天线，可以计算至少六个不同的方位角角度，即图2中示出的基线202、204、206、208、210和212的方位角角度。一个或多个处理器209可耦合到gnss天线201、203、205、207中的每一个。与本发明保持一致，处理器209也可以定位在基站天线200附近的任何地方，或者远离基站天线200。
处理器209可以在任意给定时刻监测gnss天线201、203、205、207中的每一个从其接收信号的卫星的数量，并且选择gnss天线201、203、205、207中的正在跟踪最大数量的gps卫星的两个gnss天线。然后可以通过使用所选择的两个gnss天线来确定方位角指向方向。
可替代地，通过使用四个gnss天线201、203、205、207可以确定所有六个方位角角度，其包括以下各项的方位角角度：基线202(使用gnss天线201、203)、基线204(使用gnss天线203、205)、基线206(使用gnss天线205、207)、基线208(使用gnss天线201、207)、基线210(使用gnss天线201、205)和基线212(使用gnss天线203、207)。
在一些实施例中，可以应用加权因子以对使用跟踪最大数量的卫星的gnss天线的方位角角度进行“加权”。然后可以应用算法来计算加权平均值以确定基站天线200的最可能的方位角指向方向。
作为另一种替代，可以计算所有以上所讨论的方位角角度的平均值，并且可以根据该平均值直接确定基站天线方位角指向方向。应该指出的是，在与本公开保持一致情况下，可以使用以上计算的其他变形，例如，使用gnss天线201、203、205、207中的一个或多个天线的任意组合来确定基站天线200的方位角指向方向。还应该指出的是，根据本公开的各方面，可以在基站天线200上提供更多或更少的gnss天线并将该更多或更少的gnss天线用于方位角指向方向确定。
在基站天线和一个或多个卫星之间的视线由于建筑物或其他结构而被遮挡的情况下，确定基站天线的方位角指向方向的准确性可能会受到损害。这样的障碍物可能使得由gps卫星中的一个或多个卫星发送的信号在最终到达基站天线之前从这些结构反射，或者换句话说，产生不期望的多径效应，而不是通向基站天线的优选直接路径。
图3中示出了这样的场景的图示，图3是安装在结构300附近的基站天线200的示意性侧视图。结构300可以是例如建筑物、塔或其他人造结构、或者诸如树、小丘或山之类的地形特征。由于结构300，从基站天线200的有利位置观察时天空的一部分可能被遮挡。因此，被遮挡的天空部分的卫星在计算基站天线200的方位角指向方向时可能不会一样有效。此外，由于存在结构300，来自gps卫星303的一些信号可能只有在从结构300反射之后才到达基站天线300上的(例如在图2或图4中示出的)一个或多个gnss天线。该多径效应可能在计算基站天线200的方位角指向方向时产生误差。
因为来自gps卫星301的任何信号会被结构300遮挡，使得这些信号不在基站天线处被接收，所以这些信号对于确定基站天线200的方位角指向方向可能是无用的。而且，如以上所讨论的，任何反射信号可能会损害方位角指向确定的准确性。照此，忽略或以其他方式屏蔽来自gps卫星301的任何信号可能是期望的。增加从gps卫星303在直接路径中接收到的信号的信号强度也可能是期望的。
为了完成这一点，可以使用在基站天线200上提供的gnss天线来形成相控阵列。例如，gnss天线接收到的信号的幅度和/或相位可以通过使用本领域已知的复权重和/或其他相位调整手段来调整，使得gnss天线一起作为单一相控阵列天线操作。当gnss天线作为相控阵列天线操作时，来自gps卫星的从以上所讨论的屏蔽区域到达的信号的数量和/或信号强度可以被降低，并且/或者通过开阔天空区域接收到的信号的信号强度可能会增加。现在参考示例，图4是具有四个gnss天线401、403、405、407以及耦合到其的处理器409的基站天线400的顶部的示意性视图。通过使用处理器409，gnss天线401、403、405、407可以被组合在一起以提供两个2×1相控阵列天线。例如，gnss天线401和403可以组合在一起以提供两个2×1相控阵列天线。相控阵列天线可以被用来接收来自gps卫星的信号，并且被用来基于计算的位置信息(例如，相控阵列天线的位置信息)以类似于以上所讨论的针对单个gnss天线的技术的方式来确定基站天线的方位角指向方向。与本公开的精神保持一致，可以使用gnss天线401、403、405和407的其他组合来创建其他相控阵列天线。此外，可以采用更多或更少的gnss天线。即使认为处理器409被示为位于基站天线400的顶部，但是在与本公开保持一致的情况下，处理器409可以被定位在基站天线400附近的任何地方，或者远离基站天线400。如果处理器409远离基站天线，则它可以通过本领域已知的任何通信形式(诸如经由通信接口)与gnss天线401、403、405、407进行通信。
在每个gnss天线401、403、405、407处接收到的信号的相位可以被调整以创建更高增益的天线波束并且电子地引导该天线波束直接在头顶上、向左倾斜或向右倾斜到以最佳地避免多径的源，并增加直接视线路径中接收的信号的强度。例如，如图5所示，相控阵列可以被配置为使基站天线400生成的天线波束501倾斜以远离结构300，从而增加通过gnss天线401、403、405、407沿从gps卫星303起的直接视线路径接收的信号的信号强度，同时降低由gnss天线401、403、405、407接收的来自gps卫星303的在一个或多个障碍物的反射之后的信号的信号强度。
应该指出的是，这些相控阵列天线可以在信号在被处理时在硬件或软件中构建。通过使用至少两个分离的相控阵列天线的组合，可以确定至少两个计算出的位置，根据这至少两个计算出的位置可以计算方位角指向方向。
为了将相控阵列天线生成的天线波束引导在期望的方向上(诸如例如远离障碍物)，在制造或安装相控阵列天线之前可能需要知道障碍物的方向。照此，根据本公开的各方面，可以由例如基站天线的安装者来输入障碍物的方向或由相控阵列天线生成的天线波束的期望指向方向。可替代地，系统可以随时间收集关于用于gps信号接收的最佳方向的信息，并相应地进行调整或随时间“学习”。例如，计算基站天线的方位角指向方向的处理器可以知道gps卫星的位置。如果经过一段时间，处理器“学习到”它只能看到天空的一定区域中的卫星，它可以创建相控阵列天线来利用这些知识以最小化来自多径信号的误差。此外，应该指出的是，可以周期性地电子地引导相控阵列天线的天线波束来查看特定障碍物的存在或位置是否已经改变，并且然后可以基于这样的改变来构造新的相控阵列天线。
应该指出的是，本文所述的技术和装置可以允许在基站天线被安装在诸如例如天线塔之类的相关装置上之后确定基站天线的方位角指向方向。这样的技术和装置可以结合天线接口标准组(aisg)一起工作，其可以允许诸如由一个或多个控制器来查询以获得用于基站天线的方位角指向方向或者从中可以确定方位角指向方向的其他信息，并且当方位角指向方向已经移动超过一定阈值位置时提供警报。还应该注意的是，本文所述的技术和装置对于更准确的初始安装也可能是有益的。
载波相位
如以上所讨论的，使用多个gnss天线来确定基站天线的方位角指向方向可以涉及针对视野中每个gps卫星对gnss天线之间的载波相位的差进行测量。载波相位差数据可以与天线和卫星的位置数据(例如，从每个卫星的星历获得)组合。为了确定用于每个gnss天线的载波相位，常规方法可以使用跟踪锁相环(pll)，如例如c.o'driscoll在2010年7月/8月的insidegnss的“用于gnss的载波相位及其测量”中所述的那样，该文章的全部内容以整体并入本文中。然而，该常规方法可能容易受到周跳或半周跳的影响，周跳或半周跳可能在pll短暂失锁时出现，这可能导致丢失相位信息的一个周期或其一部分。
为获得准确的载波相位确定，可能需要检测和校正这样的整周跳和半周跳。用于这样的检测和校正的技术在s,.mohiuddin和m.l.psiaki的文章“high-altitudesatelliterelativenavigationusingcarrier-phasedifferentialglobalpositioningsystemtechniques(使用载波相位差分全球定位系统技术的高空卫星相对导航)”journalofguidance，control，anddynamics，(制导、控制和动力学杂志)vol.30，no.5，2007年8-9月中描述，其全部内容整体合并到本文中。然而，这些技术可能会导致显著的数据处理复杂性。
根据本公开的各方面，可以避免周跳和半周跳。更具体地，两个gnss的载波相位差可以从两个gmnn天线的中频(if)或基带输出中直接获得。为了完成这一点，使用用于卫星的伪随机码和从每个卫星信号的捕获或卫星信号的跟踪环中确定的码相位，可以对从每个gps卫星接收到的信号进行解括(de-spread)。如果卫星信号是实数值，则可以使用如本领域已知的技术将该信号转换为复数值的解析信号。
以下公式可用来确定由第一gnss接收器s1(n)接收的和来自第二gnss接收器s2(n)的卫星信号，其中n是采样编号，“*”表示矩阵乘法，并且s2h(n)表示s2(n)的厄密(hermitian)转置。
s＝s1(n)*s2h(n)
载波相位差“theta”的最小二乘法最佳拟合估计可以从以下公式获得：
theta＝arctan(i(s)/r(s)),
其中i(s)是s的虚部，并且r(s)是s的实部。应该指出的是，所计算出的载波相位差theta可以被过滤以减少噪声的影响。例如，可以将一个或多个带通滤波器应用于用来获得载波相位差的if信号。可替代地，可以将一个或多个低通滤波器应用于用来获得载波相位差的基带信号。为了减少滤波器系数的数量，在滤波之前，将中频和/或基带信号抽取到较低的采样率可能是有益的。
本领域的技术人员将理解，可以使用各种不同技术和技艺中的任何一种来表示信息和信号。例如，可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光学场或粒子或者其任何组合来表示可能在整个以上描述中引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片。
本领域技术人员还将了解，结合本文公开的实施例所描述的各种说明性框、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。计算机软件可以存储在计算机可读存储介质中。计算机可读存储介质可以是磁盘、光盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)或随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)等。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，以上已经就其功能一般地描述了各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤。这样的功能是被实现为硬件还是软件取决于特定的应用和对整个系统施加的设计约束。熟练的技术人员可以针对每个特定的应用以不同的方式实现所描述的功能，但这样的实现决定不应该被解释为引起背离本发明的范围。
可以使用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其他可编程逻辑设备，离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或其经设计以执行本文所述功能的任何组合，来实现或执行结合本文所公开的实施例描述的各种说明性框。通用处理器可以是微处理器、但是可替代的，处理器可以是任何常规的处理器、控制器，微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、结合dsp内核的一个或多个微处理器或者任何其它这样的配置。
现已详细讨论了本发明的各种实施例；然而，本发明不应被理解为限于这些实施例。还应该了解的是，可以在本发明的范围和精神内做出各种修改、适应及其替代实施例。