一种通信基站天线监测方法与流程

本发明涉及卫星导航定位服务技术领域，涉及一种通信基站天线监测方法。

背景技术：

卫星导航技术是目前最常用的导航定位技术，已经广泛应用于陆地、海洋、天空、太空的各类军事及民用领域。仅使用导航卫星进行实时单点定位，其定位精度在10米左右，若通过地面若干基准站对导航卫星实时观测，基于观测值对卫星的钟差、轨道，电离层延迟等信息进行修正，将修正信息封装至差分数据产品中，再通过各种途径将差分数据产品播发至用户，用户结合差分数据产品与导航卫星的原始观测值可将实时定位精度提升至米级、分米级甚至厘米级，在极大地提高用户定位精度的同时也会催生更多高精度位置服务应用。

随着移动通信网络的迅猛发展，目前三大运营商仅存量通信基站天线数就超过350万，随着时间的推移，基站天线的功能参数、天线方位角与俯仰角都会发生变化，会导致基站天线实际覆盖区域偏离规划的范围，将直接影响通信质量，尤其是沿海台风多发地带，其基站天线变化更为频繁。因此天线方位角的实时监测尤其重要，但是，由于对其工作状况缺乏有效的监控手段，基站天线系统的工作参数管理一直是维护的难点。随着4g网络规模的不断扩大，依靠传统的巡检手段进行天线管理，不仅消耗了大量的人力物力，维护成本高，而且现场采集的数据实时性和准确性较差。

现有的通信基站通常会配备有3个朝向不同方向的通信天线。通信天线数量增多了以后，如果遇到大风暴雨等极端环境时，很难了解天线面板是否发生了波动。通常情况下单个通信天线面板的信号会覆盖以面板为中心的约120°的区域，一旦通信天线的朝向角度发生了变化就会直接影响覆盖范围内的手机信号质量，甚至会出现没有信号的情况。利用人工排查的方法需要花费较长的时间才能定位到具体的问题天线。现有人工方法费时费力。

在一个服务区域中，通信运营商为了实现该区域内的数据通信通常需要架设一组或多组通信天线，每组通信天线通常由3个通信天线组成，每个通信天线的覆盖范围约120°，利用3个通信天线就能实现一个区域内通讯信号的全覆盖。现有的监测通信天线的方法，一种是根据客户的反馈来大致确定发生故障的一组通信面板，然后在可能的范围内查找问题面板，效率较低；另一种方法是采用定位装置加惯性器件的方式，即在每个天线面板上固定放置两个定位装置和惯性器件通过计算两个定位装置的方位角和倾角来监测通信面板。此外现有的方法多采用24小时不间断方式监测，需要额外添加供电设备，安装使用较复杂。除了发生特殊紧急情况外，不需要实时对天线面板监测，只需要在指定时刻对定位装置数据进行采集并分析其动态情况就能做到对天线面板的监测。同时根据本地区的天气和地质情况合理调节每日上报数据的时间，在遇到突发情况时，通过云端控制系统对数据上报模块的上报时间做出调整，根据调整时间后采集的数据进行分析就能确定通信面板是否发生了变动。而且现有的方法多采用本地计算，然后将结果上报云端的方式，虽然在本地计算时将参与计算的原始观测数据也保存到了本地，但一旦有异常事件发生，需要对监测结果进行核实时，只能事后待取出本地数据，才能对数据做进一步验证，不能实现实时验证，对结果的验证具有一定的滞后性。同时现有的利用定位装置监测同一组通信天线的方法，多采用双天线模组的方式，利用两个定位装置独立地对每个通信天线进行监测，没有通过联合解算3个通信天线面板上的定位装置数据的方式来对整体进行监测。相对于独立监测，整体监测需要的天线数更少，同时当查到某一组通信天线发生变动后，第一时间通知工作人员，工作人员利用专业设备即可很快确定出发生变动的通信天线面板。在降低成本的同时也提高了监测工作的效率。

专利申请201610569468.1提出了一种通过两块采集终端加多个定位天线的通信天线形变监测方法，该方法提出在一个通信天线上放置两个定位天线，3个通信天线面板上共放置6个定位天线模块，但公用2个射频子板，需要时将待监测的通信天线面板上的2个定位天线连接到射频板上，再采集数据计算方位角，这样做虽然降低了采集终端的数量，但耗费了较多的定位天线。

论文《基站天线工参监测方案研究》提出了一种双定位天线加射频前段加主控板加陀螺仪和加速度传感器的方法，但一次只能监测一个终端，同时利用多模块协同监测成本较高，且耗电较大，遇到供电异常时不能保证长时间连续监测。

传统的方法是直接在每个通信天线上方放置2个定位天线、2个射频子板和1个主控板。这意味着，通常的通信基站需要使用6个定位装置；同时，使用数目众多的定位天线也意味着误差积累，造成结果不精准。可见，目前的方法存在缺点：耗费更多的定位天线，积累了误差。

技术实现要素：

为解决前述的技术问题，本发明提出了一种通信基站天线监测方法。

包括步骤：

步骤1，在通信基站的每个通信天线上分别安装一个定位装置；

步骤2，获取任意3个定位装置的位置坐标；

步骤3，计算任意3个定位装置定义的向量对应基线的初始方位角；

步骤4，计算任意3个定位装置定义的向量对应基线的工作方位角；

步骤5，状态分析，报告。

具体地，在基站的3个通信天线上分别安装1个定位装置。

具体地，状态分析通过计算方位角变化量的绝对值，并与设定的阈值做比较进行分析。

具体地，状态分析执行规则如下：

如所有基线方位角变化量的绝对值均小于设定的阈值，则认为基线未发生变动；

如3条基线中只有2条基线方位角变化量的绝对值大于设定的阈值，则可以确定同一组定位装置中该两条基线的公共定位装置的位置发生了变动；

如3条基线的方位角变化量的绝对值都大于设定阈值，则认为至少有2个天线的位置发生了变动。

具体地，根据每条基线的方位角计算出3条基线所构成的三角形各角的角度值；对计算得到的内角值求和并与180°作差，取差值为δp；若δp小于1°，则认为各条基线方位角计算正确，停止解算；反之，则对模糊度重新解算，重新计算方位角，直至δp小于1°为止。

具体地，设置验证步骤：监测方位角进行状态分析后，再通过监测基线长度变化来验证通信天线是否发生形变。

本发明的一些技术效果在于：在监测同样数量的通信基站天线的前提下，通过本发明可以减少定位装置的使用数量，极大压缩和减少了成本；同时，监测系统的定位装置减少，也能降低监测系统的误差积累。

附图说明

为更好地理解本发明的技术方案，可参考下列的、用于对现有技术或实施例进行辅助说明的附图。这些附图将对现有技术或本发明部分实施例中，涉及到的产品或方法有选择地进行展示。这些附图的基本信息如下：

图1一种通信基站天线检测方法流程图

图2通信基站天线形变的监测示意图

其中，附图标记为：

图二

a/b/c/c’为定位装置，定位装置外接长方形为通信天线。

具体实施方式

下文将对本发明涉及的技术手段或技术效果作进一步的展开描述，显然，所提供的实施例仅是本发明的部分实施方式，而并非全部。基于本发明中的实施例以及图文的明示或暗示，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所能获得的所有其他实施例，都将在本发明保护的范围之内。

现对实施例做说明：现有的通讯基站通常由3个通信天线组成，故本实施例中以3个通信天线为监测标的；但应该预见的是，对于4个以上的通信天线，采用本技术方案也能很好地实现监控目的。发明中提到的形变包括三维坐标变化、位移变化、方位角变化等。

实施例1

本发明中，多个步骤中均涉及模糊度解算，因此在这里先交待步骤中共用的数据处理方法。

部分一模糊度解算

以一条基线方位角的计算为例。假设解算时刻为t，两个天线的编号为1,2，卫星编号为m,n。卫星m对应的伪距和载波相位站间单差观测方程为：

卫星n对应的单差方程和上式类似。在卫星m和卫星n之间做一次差得到站星双差方程：

公式(1)至(4)中δ和δ▽分别表示单差和双差算子，p和分别表示伪距和载波相位观测值，δt表示接收机钟差，c和f分别为常量，表示光速和载波的频率值。表示以米为单位的对流层延迟误差和电离层延迟误差。n为载波相位观测值对应的整周模糊度。

由于3个通信面板的距离通常非常近，多数在2米以内，所以双差后的电离层延迟误差和对流层延迟误差通常可以忽略不计。在单点定位中利用序贯最小二乘的方法求解出定位装置1和定位装置2的近似坐标值，拿到定位装置的近似坐标后，对定位装置和卫星之间的几何距离进行一阶泰勒级数展开。对应的泰勒级数展开值为：

上式中表示根据定位装置1和定位装置2的近似坐标计算得到的站星之间距离，x表示位置误差改正数，a表示对应的系数矩阵

在利用载波相位观测值进行解算时，对于周跳问题，本方法中直接根据数据采集模块给出的周跳标志对周跳进行判断，一旦检测到数据发生了周跳不会对周跳进行修复，而是把周跳当成是模糊度的一部分，重新计算模糊度的值。在计算时，以截止高度角10°为阈值筛选可用的卫星。假设同一时刻定位装置1和定位装置2同时观测到p个相同的卫星，那么在同一时刻就可以同时组成p-1个双差方程。而在做双差时，这里根据卫星的高度角和锁定时长综合选择参考卫星。

部分二模糊度检验

本方法中采用lambda方法对整周模糊度进行搜索并采用ratio检验对搜索出的模糊度候选组合进行检验，ratio检验的阈值设置为3。

部分三计算基线向量

根据固定后的整周模糊度可以计算出基线12的向量值(δx,δy,δz)，它表示的是天线1和天线2之间的坐标差值。δx,δy,δz对应的坐标系为wgs-84坐标系，为了计算基线的方位角还需要对基线向量值作一次坐标系转换，将它转换到本地坐标系-北东天坐标系下，假设转换后的坐标值为(n,e,u)，则转换公式为：

基线12对应的方位角为：

由于α为正切值，而根据正切函数的定义，同一个正切值可能会对应两个角度值。为了避免出现多值的问题，这里需要还需要根据e、n的取值对α所在的象限进行判断。假设最终输出的方位角值为αfinal，则αfinal的最终取值对应4种情况：

①当α＞0时，若e＞0，则表示α位于第一象限，αfinal＝α；

②当α＞0时，若e＜0，则表示α位于第二象限，αfinal＝α+180；

③当α＜0时，若e＜0，则表示α位于第三象限，αfinal＝α+180；

④当α＜0时，若e＞0，则表示α位于第四象限，αfinal＝360+α。

实施例二

本文提出一种新的基站天线监测方法。和常用的一个通信天线配置一个定位模块监测通信天线的位置的方法不同，本方案采用多个定位装置同步算多个定位装置的位置的方法来监测通信天线的变化。

将每个定位装置安装固定在指定的通信天线上。由于定位装置是和通信天线固定在一起的，所以当检测到定位装置的位置发生变化后即可认为通信天线发生了变动。首次安装定位装置后需要在云端或本地对每个定位装置的初始位置进行长时间的计算，取多次计算结果的均值作为该定位装置的初始位置，在没有发生人为移动通信天线的情况下，这个初始位置被作为通信天线是否移动的参考的位置。

利用初始位置坐标可以计算出每条基线的初始方位角值，这个角度值可以作为定位装置在静止状态下未发生位移时的参考值。在一个通信抱杆上，同一平面内通常配备有3个通信天线面板，且三个通信面板通常距离比较近，所以当检测到一条基线的方位角值和对应的初始方位角值差值比较大时就可以同时对这条基线所在的平面内的三个通信天线都作一次检查。但我们这里也可以根据计算的结果来确认是哪一个通信天线面板发生了变动。例如一个通信天线发生了位置的变动的情况。以附图为例，假设在外部因素的作用下只有c点的定位装置发生了移动，移动后的位置为c’。对定位装置a、定位装置b和定位装置c’的原始观测数据进行解算就可以得到基线ab、基线ac’和基线bc’的方位角。将当前计算得到的三条基线的工作方位角值和它们对应的初始方位角值作差，若角度差大于设定的角度误差阈值σα时，就可以确定出发生位移的基站天线c’。这里误差阈值σα的大小与天线的性能和实际工程的精度要求有关。

步骤1，在通信基站的每个通信天线上分别安装1个定位装置；

具体地，在基站的通信天线上通过任意一种安装固定方式，包括但不限于螺栓连接、焊接、铆接、粘贴固定，将定位装置固定在通信天线上。一般地，基站的通信天线为3个，故这里分别在3个通信天线上各安装1个定位装置。其中，定位装置在通信天线上的固定位置不做要求。应该预见的是，使用本发明，在4个以上的通信天线上，其技术效果也能得到实现。

步骤2，获取任意3个定位装置的位置坐标；

具体地，通过定位装置接收卫星电文数据，按照实施例1的数据处理方法，在本地或者云端解算模糊度并校验，以获得3个定位装置的位置坐标。

步骤3，计算任意3个定位装置定义的向量对应基线的初始方位角；

具体地，3个定位装置分别命名为定位装置a、定位装置b、定位装置c。3个定位装置首尾闭环连接成三角形，并且生成向量ab、向量bc、向量ca，分别对应基线ab、基线bc、基线ca。通过实施例1中的数据处理，分别获得基线ab、基线bc、基线ca的初始方位角。

步骤4，计算任意3个定位装置定义的向量对应基线的工作方位角；

具体地，通过实施例1中的数据处理，分别获得基线ab、基线bc、基线ca的工作方位角。

步骤5，状态分析，报告。

具体地，状态分析通过计算方位角变化量的绝对值，并与设定的阈值做比较进行分析。

状态分析执行规则如下：如所有基线方位角变化量的绝对值均小于设定的阈值，则认为三个定位装置未发生形变；如三条基线中只有两条基线方位角变化量的绝对值大于设定的阈值，则可以确定同一组定位装置中该两条基线的公共定位装置发生了形变；如三条基线的方位角变化量的绝对值都大于设定阈值，则认为至少有两个定位装置发生形变。将分析结果在控制终端或者本地，通过警报、短信等方式进行报告。

进一步地，对于初始方位角和工作方位角的计算，设置校验环节：即根据每条基线的方位角计算出三条基线所构成的三角形各角的角度值；对计算得到的内角值求和并与180°作差，取差值为δp；若δp小于阈值，则认为各条基线方位角计算正确，停止解算；反之，则对模糊度重新解算，重新计算方位角，直至δp小于阈值为止。

特殊地，这里的阈值设置为1°。

进一步地，设置验证步骤：监测方位角进行状态分析后，再通过监测基线长度变化来验证通信天线是否发生形变。

当通过计算基线方位角判断通信天线发生变动后，为了更准确地确认天线是否发生了变动，再采用比较各基线长度的变化的方法来确认天线的位移情况。与利用方位角判断通信天线面板上定位装置是否移动的方法不同的是，利用基线长度判断天线是否移动时需要借助于连续运行参考站系统(cors)。取定位装置a为例。根据定位装置a的大致坐标虚拟出一个靠近定位装置a的虚拟参考站(vrs)，利用这个虚拟参考站的观测值和定位装置a的观测值采用相对定位的方法就可以求解得到定位装置a的精确位置。由于定位装置之间的距离通常比较短，可以被视为是超短基线，所以可通过相对定位的方法根据定位装置a的位置和观测数据准确确定剩余两个定位装置的位置。以定位装置a为基准站，计算基线ab,基线ac的基线长度值。然后再根据b点的概略位置参照同样的方法，计算出b点的精确坐标位置，然后利用相对定位的方法计算基线bc的长度值。这样就完成了一组定位装置各基线长度值的确定。

例如，定义当前历元基线ac的长度值为lac(t)，初始安装时基线长度值为lac(t0)。定义基线长度变化值δl为：

δl＝|lac(t)-lac(t)|

上式中||表示取绝对值。当δl超过阈值时，则认为基线发生变动。

一般地，现实中，当通过方位角变化量检测到仅某一个定位装置发生形变，此时相应地，通过基线长度可以监测到以该定位装置为公共定位装置的两条基线的变动情况。当存在两个或三个定位装置发生形变，此时三条基线均会发生变动。

在符合本领域技术人员的知识和能力水平范围内，本文提及的各种实施例或者技术特征在不冲突的情况下，可以相互组合而作为另外一些可选实施例，这些并未被一一罗列出来的、由有限数量的技术特征组合形成的有限数量的可选实施例，仍属于本发明揭露的技术范围内，亦是本领域技术人员结合附图和上文所能理解或推断而得出的。

最后再次强调，上文所列举的实施例，为本发明较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本发明的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本发明的保护范围或者应用。

因此，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本发明的保护范围之内。