用于对天线进行精确定向的系统和方法

专利名称：用于对天线进行精确定向的系统和方法
技术领域：
本发明属于定向天线领域。更具体地，本发明涉及用于将定向天线对准至预定方位的方法。
背景技术：
在诸如例如蜂窝通信天线的定向天线领域，不精确的天线对准导致天线至所需地区的较弱的信号发射和天线从所需地区的较弱的信号接收以及总体较小的覆盖范围。这影响传递的信息的质量，特别是通过3G蜂窝装置传送的信息的质量。例如，这引起较低的数据传送率和更多的错误和干扰。例如对于蜂窝公司，这通常导致增加的操作成本和收入的损失。由于初始未精确对准、在重新对准至相同或不同方向期间缺乏精确的方向测量、以及由于诸如风、雨和天线附近的人的有意或无意的动作，天线能够变得与预定方向未对准，预定方向是天线期望瞄准的方向。
典型地，天线由到达天线所在的部位的技术员对准。现有技术的对准方法主要依赖于具有已知大地坐标的外部参考。也相当多地使用磁罗盘。根据范例通常实践，由攀爬天线塔并旋转天线的第一技术员来执行对准，该天线枢轴地连接至典型地竖直的轴。第二技术员使用具有内建罗盘的双目镜将他从地引导开，以确定天线所需的瞄准方向。一些最近的现有技术方法和系统开始使用GPS (全球定位系统)信号。通过处理取得GPS读数的两个不同位置的经度和纬度参数并使用例如大圆方法，GPS定位数据信号能够用于精确地确定方位方向或方位(地球表面上的任何水平矢量与通过真北的子午线之间的角度)。专用装备或容易得到的计算机软件，如例如GPS公用程序，能够用于处理该双(double) GPS定位数据并提供精确的方位信息。Boucher的US6897828教导了通过处理来自至少一个GPS接收器盘(dish)的定位数据来在预定方位方向内对准天线的方法，所述至少一个GPS接收器盘连接至该天线并可位于离开该天线的预定第一和第二位置。接收器盘用于确定天线方位，然后被朝向预定方位移动以便对准天线。也属于Boucher的US7180471描述了将天线与预定方位方向对准的系统和方法。结合连接至GPS接收器盘并且可操作地耦合至固定至天线的至少两个参考目标的参考工具来处理由可位于离开天线的预定第一和第二位置的GPS接收器盘接收的定位数据。接收器盘用于确定天线方位，然后被朝向预定方位移动，以便借助于参考工具和参考目标来对准天线。然而，以上和其它现有技术系统受到许多缺点的影响I.如公知的，地球的磁北的方向与真北的方向(其对应于地球的旋转轴)不相同。从而，在例如蜂窝网络设计在地图上与真北的方向对准时，其物理对准当前通过磁罗盘来执行，磁罗盘示出了磁北。这将内在的错误引入到了对准处理中，这是进一步难以校正的，因为地球的磁场是不均匀的并且其方向在地球表面上的不同位置能够改变许多度。2.由于天线塔附近的潜在地强的电磁场，使用罗盘的通常实践还是有问题的，并且能够使罗盘的读数劣化。作为此干扰以及磁北与真北未对准的结果，由技术员使用磁罗盘进行对准导致的典型的天线未对准在5-20度的范围中，取决于执行对准的技术员的技术。并且，天线的总的未对准在10-30度的范围中。3.使用计算机化的工程设计工具需要精确的网络的参数(位置、海拔、每个天线的类型和方向以及其它数据)。今天，对于例如蜂窝网络，初始不精确参数手动馈入计算机，这导致故障和缺乏生存(live)，或至少日常的更新。在时间上，此状况导致计算机记录和现场实际天线瞄准方向之间的相当大的差异，从而使得通信或蜂窝工程师最佳地设计通信网络几乎不可能，并且可能需要例如更多天线塔形式的额外冗余，导致较高的成本。4.现场天线的瞄准方向的不精确可以导致差的接收和发射覆盖度。虽然这些问题在过去不重要，但是对于现今的通信，它们变为非常重要的因素，现今的通信日益增长地使用大量宽带数字数据传输，诸如多媒体内容和因特网浏览。差的覆盖度不仅导致干扰，而且也减小数据传送率和误差。这进一步转变为对于通信和蜂窝公司以及终端用户的较高操作成本和收入的损失。5.由于与由天线发出的电磁辐射相关的环境问题，特别是对于诸如蜂窝天线的定 向天线的更集中的形式，每一个现场采用的天线针对其安装和操作接收分开的许可。天线的瞄准方向的内在的不精确减小了可能的安装部位和位置的范围，并且天线操作期间的瞄准方向的不精确能够影响其许可并引起对发射部位和/或通信公司的一般的法律问题。6.涉及在能够找出其方位的天线附近安装复杂的系统的方案通常是不实用的并且涉及非常高的成本和其它复杂性。本发明的目的因此是提供用于对天线精确地进行定向的系统和方法，其克服了与现有技术相关联的问题。本发明的目的是使得能够实现天线的精确定向。本发明的另一目的是使得能够实现天线的在校准过程中不易受到归因于地球的非均匀磁场的误差的影响的精确定向。本发明的另一目的是使得能够实现天线的不易受到天线经常引起的电磁干扰的影响的精确定向。本发明的另一目的是使得能够实现基于天线的通信网络的更好和更简单的工程和设计。本发明的可选目的是使得能够在仅一个不复杂的初始校准程序之后实现天线的更简单和精确的后续重定向。本发明的另一可选目的是使得能够实现对天线的瞄准方向的精确和简单的监视。本发明的另一目的是减小成本、提升性能、减小负面环境影响并总体改善基于天线的通信网络的操作。随着描述的进行，本发明的其它目的和优点将变得明显。

发明内容
本发明涉及用于对天线进行精确定向的系统和方法。利用与天线相邻且距天线一距离顺序安置的GPS接收器，或安置于那两个不同位置处的两个GPS接收器，以找出任意方位。与所述天线相邻安装的可旋转光学构件，诸如例如经纬仪或甚至仅是具有水平旋转传感器的简单望远镜，从初始位置旋转至借助于单个GPS接收器/多个GPS接收器确定的并标记在远离GPS接收器的位置处的任意方位，初始位置是沿天线瞄准的方向预对准的。从而测量所述任意方位与所述天线瞄准的方向之间的相对角度，并且能够确定天线的方位。然后能够使用旋转传感器，以通过旋转该旋转传感器以便它如所需地沿预定方位的方向定向来校准天线。可选地，所述旋转传感器(诸如例如电位计)永久地连接至所述天线，并且校准至所述天线的初始方位且其后用于提供所述天线的更新的方位的连续指示。天线的方位的知识使得能够在任何时间进行所述天线的精确且时间高效的重定性，而无需执行任何进一步的测量。一种用于对定向天线进行精确定向的系统可以包括a.初始校准系统，包括-一个或两个GPS接收器； -可旋转光学构件，与所述天线相邻安置并至少用于设置标记；-用于根据两个GPS位置读数来找出方位的构件；以及b.旋转传感器，连接至所述天线。在实施例中，所述旋转传感器永久地连接至所述天线，使得所述旋转传感器在初始校准之后，提供所述天线的方位的连续指示。在实施例中，所述系统还包括耦接至所述旋转传感器的通信构件，用于发送由所述旋转传感器提供的方位指示至远程监视站。在实施例中，所永久地连接的旋转传感器还可以包括GPS接收器。在实施例中,所述旋转传感器包括电位计。在实施例中，用于从两个GPS位置读数来找出方位的构件作为所述一个或两个GPS接收器中的至少一个的部分集成。在实施例中，用于从两个GPS位置读数来找出方位的构件是以下之一a.形成所述初始校准系统的附加部件的专门装置；b.具有足够软件的标准电子装置。在实施例中，所述光学构件还包括旋转传感器。在实施例中，所述GPS接收器或所述旋转传感器至少包括以下之一屏幕；键盘；以及触摸屏。在实施例中，本发明可以与现存天线塔安装装备结合，所述现存天线塔安装装备诸如例如是RET (远程电倾斜)系统。本发明还涉及用于对天线进行精确定向的方法，包括以下步骤a.获取距所述天线一距离并在与所述天线相邻设置的光学构件的视距(line ofsight)内的第一位置的第一 GPS数据；b.获取对应于所述天线的位置的第二位置的第二 GPS数据；c.使用所述第二 GPS数据和所述第一 GPS数据来找出所述第二位置和所述第一位置之间的第一方位；
d.将与所述天线相邻设置的光学构件沿平行于所述天线的瞄准方向的第一方向对准；e.通过与所述第一位置相邻设置标记来沿第二方向重新对准所述光学构件；f.测量所述一方向和所述第二方向之间的角度；g.借助于至少所述第一方位、所述角度以及可能地所述相邻的校正来计算对应于所述天线的所述瞄准方向的第二方位；h.将所述天线和连接至所述天线的旋转传感器校准至所述第二方位。在实施例中，所述方法还包括在需要所述天线的重定向的任何时候，基于由所述旋转传感器提供的方位指示来根据所需的方位来旋转所述天线。在实施例中，所述方法还包括借助于所述旋转传感器提供的方位指示来远程监视 所述天线的所述瞄准方向。


通过参照附图的本发明的实施例的以下示例性和非限制性的详细描述，将可以更好地理解本发明的以上和其它特征和优点，其中图I示意性地示例本发明的实施例；图2a示意性地示例本发明的实施例；图2b示例本发明的方法的流程图；以及图3示意性地示例本发明的实施例。
具体实施例方式图I示意性地示例本发明的实施例。定向天线I枢轴连接至安装在天线塔4上的竖直轴7。天线I具有由对应箭头标记的其主要传输方向。图I示例系统用于执行初始校准时的初始状态。第一 GPS接收器2与天线I以及光学构件6相邻安置，并且第二 GPS接收器3安置于距天线塔4 一距离处。旋转传感器5连接至天线I。可选地，旋转传感器5意在在天线I的操作寿命期间保持连接至天线1，除可能的故障之外。对于该情况，存在以下可能性天线I原始地制造为包括系统的部件中的一些，至少包括旋转传感器5。为了执行至预定方位的天线I的初始定向，方位必需首先由现场技术员有效地找出。如先前提到的，在现有技术中，这典型地通过依赖于本地地理参考并耦合至诸如罗盘的磁性构件的光学构件来实现。天线I于是瞄准所需的方向。本发明通过首先精确地找出天线I的实际初始瞄准方向的方位并且然后将天线I旋转该实际初始瞄准方向与所需的方向之间的精准的角度差到达所需的方位来执行天线I的初始定向，天线I的实际初始瞄准方向甚至能够是完全随机的，该角度差能够借助于旋转传感器5来测量。可选地，旋转传感器5随后也可以用于连续监视天线瞄准方向。图2a示意性地示例本发明的实施例，并且图2b示例本发明的方法的流程图。通过首先借助于GPS接收器2和3来接收定位数据来找出天线I的初始瞄准方向的方位。然后处理定位数据，以提供方位A(图2中相应地标记)，GPS接收器2和3均沿该方位A安置，并且由于第一 GPS接收器2与天线I相邻，该方位A实际上与天线I和GPS接收器3所安置的方位相同。由于GPS接收器2与3之间的海拔差，以及天线I与GPS接收器3或与其位置相邻的标记之间的海拔差，竖直分量在大多数情况下由于它们典型地对由提出的系统执行的各定向计算具有不显著影响的事实而能够被忽略。例如，GPS接收器2和3之间的典型距离应当大于100米，以便以足够高的经度找出方位A。当然，此最小距离是GPS的当前易于得到的能力的结果，并且考虑到此技术或替代全球导航卫星系统的将来改进，从而不是意在限制本发明。应当理解，能够由相同GPS接收器以任何顺序，或借助于两个GPS接收器2和3并行地，执行获取与天线相邻或距天线一距离的GPS定位数据的步骤。通过使用可旋转光学构件6来执行下一步骤或并行的步骤，可旋转光学构件6包括或耦接至旋转传感器并且安置为与天线I相邻。初始地，能够例如是与如本领域技术人员所易于明白的简单机械角度计耦接的简单单目望远镜的光学构件6与天线I的瞄准方向对准。然后相应地校准光学构件6的旋转传感器，或由天线技术员记录其角度位置指示器的读数。其后，光学构件6旋转，直至其瞄准第二 GPS接收器3的方向或接收器3的当前或 过去(获取GPS读数期间)位置处的一些种类的物理标记。标记能够是例如某些种类的特殊符号、树、建筑物角落等。现在能够借助于包括的或耦接至光学构件6的旋转传感器的角度指示来找出天线I的瞄准方向与从天线I起的方位A的方向之间的角度B。结果，现在能够通过从方位A简单地减去角度B来找出天线I的瞄准方向的方位。角度B当然能够是正的或负的，取决于光学构件6的旋转传感器的旋转的方向(对于顺时针旋转为正，且对于逆时针旋转为负)。现在能够如所需地将旋转传感器5校准至例如真北的方向或天线I的预定瞄准方向。替代地，能够通过记录其当前角度读数并与其现在已知的方位一起作为参考使用来间接地执行其校准。如果所需的预定方向与天线的初始指向方向不相似的话，则通过旋转天线I直至旋转传感器5指示天线I的瞄准方向的必需的方位，天线I现在能够定向至所需的预定方向。本发明容许在紧接天线的方向的处理之后，将天线的瞄准方向的误差减小至约I度。应当理解，光学构件6的旋转传感器可以是光学构件6的组成部分或以分开的装置的形式耦合至光学构件6，分开的装置也能够是旋转传感器5，在此情况下，仅需要一个旋转传感器5为系统的部分。对于耦接的装置，耦接能够是机械的。例如，双目望远镜能够物理地且临时连接至固定至天线的旋转传感器5，并且与旋转传感器5 —起旋转。替代地，其能够是通过足够的有线或甚至是无线的电子器件，如本领域所公知的。第一 GPS接收器2能够是分开的，或例如直接耦接至旋转传感器5，如图3中可以看到的。在此配置中，导线9用于电耦接于具有连接的光学构件6的GPS接收器2与旋转传感器5之间。光学构件6与GPS接收器2还能够包括处理构件，用于计算GPS接收器2和3的第一方位A以及光学构件6的旋转角度A，并用于经由导线9电子地校准旋转传感器
5。在该配置中，GPS接收器2和具有其旋转传感器的光学构件6能够是单天线校准和控制单元。能够由技术员将可能增加有第二 GPS接收器3的此单元引入到该部位，并将其用于初始地对旋转传感器5和天线I进行校准和定向。然后，能够将它们从该部位移除，用于其它部位的重复使用。替代地，旋转传感器5、光学构件6以及GPS接收器3也能够形成单个校准和控制单元，并且被重复地引入到该部位以执行天线瞄准方向对准。另一实施例要求在具有永久耦接的旋转传感器5的每个天线的寿命期间，除发生各种故障外，仅校准每个天线一次。相对于服务天线的量，控制和校准单元的所需量相当小，这是经济上高效的。还有，技术员能够通过使用旋转传感器5提供的方位指示在需要的任何时候容易地对天线进行重定向，从而使得此处理非常有时间效率。校准和控制单元还可以包括用户接口，其中，能够输入坐标用于方位计算并且指示了瞄准方向，诸如天线的所需的瞄准方向和其初始瞄准方向。用户接口可以包括屏幕、触控屏、键盘等，这对于本领域技术人员是明显的。然而，应当理解，本发明的系统也能够通过，除旋转传感器外，使诸如GPS接收器2和光学构件6的一些或所有部件在初始校准程序之后连接至天线来运作。还应当理解，如先前描述的，如果仅一个GPS接收器用于获取与天线相邻并距天线塔4 一距离处的GPS信号读数，两个GPS接收器2和3的使用不是必需的。在该情况下，能够顺序地获取GPS信号读数，并且随后能够如所需地处理GPS数据。 还应当理解，能够接收和处理GPS信号，并且能够通过多个可能的构件来如所需地计算方位A。例如，通过膝上型计算机、移动电话、包括GPS接收器的专门单元以及具有其自己的旋转传感器(可能也具有耦接的屏幕和/或触摸屏和/或键盘)的耦接的光学构件
6。还有，GPS位置数据也能够用于在接收来自现场的技术员的位置数据之后在具有足够软件的远程计算机上计算方位A。旋转传感器5、GPS接收器2和光学构件6典型地未安置于天线I前面，以便不受到其传输影响或与其传输相干扰、以及不将天线定向技术员暴露于辐射危险。例如，GPS接收器2也能够位于地上，在天线I以下，而不是也被提升到天线塔4上，同时仍然提供精确的位置数据用于方位A的计算。旋转传感器5的方位指示能够发送至远程监视站，诸如蜂窝公司的操作中心。为了实现这个，能够如图3中所示例地通过配线8从旋转传感器5电子地发送方位指示。配线8随后能够连接至发送器，该发送器典型地与天线塔4底部相邻并耦接至天线塔4上的用于无线发送方位指示的一个天线。替代地，其能够耦接至有线网络，有线网络承载来自天线塔的接收的信号并且从而也能够提供至监视中心的连接。天线方位的可选远程监视使得能够消除由技术人员进行的常规天线方向检查。仅在旋转传感器5的方位指示示出了天线的瞄准方向与所需的方位偏离某一值(诸如例如5度)时，才派遣技术人员至该部位以迅速和容易地如所需地对天线进行重定向。基于由传感器5就地(on-site)提供的方位指示，进行这个，而无需任何进一步的测量和计算，这是现有技术所需要的。监视程序能够是连续的、周期性的或控制器触发的。能够以数种方式来实施旋转传感器5。其能够包括诸如电位计和应变计的公知部件或其能够是机械的。对于电位计，能够通过电池或通过配线8从天线塔4的电源提供电功率。能够由调制解调器或合适的电子通信部件，以及由模拟盘或数字显示器提供信号输出，用于在该部位的技术员进行读数。还有，用户接口可以包括有旋转传感器5或光学构件的旋转传感器，在天线的方位被找出或执行校准和控制单元的全部功能之后，其还能够示出天线的所需的瞄准方向。能够以多种方式实施光学构件6，这对于本领域技术人员是明显的。作为对诸如具有可能的变焦选项的单目望远镜或双目望远镜的可视构件的替代，光学构件6也能够包括激光束发射体，例如实施为LED，并且包括在远离的第二 GPS接收器3的位置处形成标记的反射镜。用于找出天线的瞄准方向的非磁性构件的提出的使用使得能够实现不受从天线发出的电磁场的影响的高精度。其通过设置真北而不是磁北来操作，从而清楚地顺从地形的地图。系统能够被蜂窝和各种通信公司以及天线安装、维护和制造公司采用。通过具有精确的天线方位输入来进行工作，计划和维护通信网络的工程师能够优化其性能以及降低其成本。现场安装能够更精确，得到的天线的瞄准方向具有显著较小的误差。此外，对天线瞄准方向的周期性验证和测量的需要得到了简化并且减少了，或对于包括瞄准方向的实况更新的系统被完全去除。由于不需要额外冗余，以以上方式优化通信网络的性能还使得能够降低天线的量，减少负面环境影响，使得能够在由于电磁辐射危险，天线曾经不被批准的区域安装天线，以及使得能够实现与天线操作容许的条件的改善的兼容性。在实施例中，本发明可以与现存的天线塔安装装备组合。例如，RET (远程电倾斜) 系统，现有技术中存在多个RET系统，并且它们是公知的。或者，例如，诸如用于旋转天线的步进马达的马达和用于接收来自操作员的命令以使天线瞄准所需的方向的通信构件。例如，本发明的旋转传感器5可以与该范例系统组合，其中，在精确的天线瞄准方向数据可用时，系统能够使用其通信构件来将精确的天线瞄准方向数据发送回操作员。提出的系统可以实施为天线的背侧的组成部分，使得其固定地连接至天线的非辐射表面。当然仅是为示例目的提供了以上范例和描述，并且不是意在限制本发明。如本领域技术人员所理解的，除以上描述的外，本发明能够以许多方式来执行，所有这些方式均不超出本发明的范围。
权利要求
1.一种用于对定向天线进行精确定向的系统，包括 a.校准系统，用于找出所述天线的当前方位，所述校准系统包括 a. I)第一 GPS接收器，设置于所述天线的位置处； a. 2)第二 GPS接收器，与距所述天线最小距离的可见物体相邻设置且相对于所述第一GPS接收器沿任意方向设置； a. 3)可旋转光学构件，沿平行于所述天线的当前方向的初始方向与所述天线相邻安置，所述光学构件耦接至仪表，所述仪表用于通过旋转所述光学构件直至看见所述可见物体，来测量所述当前方向与至所述可见物体的方向之间的角度； a.4)用于计算从所述第一 GPS接收器的位置至所述第二 GPS接收器的位置的第一方位并通过从所述第一方位减去所述角度来计算所述天线的所述当前方位的构件；以及 b.可选旋转传感器，连接至所述天线，用于测量从所述天线的所述当前方位的偏离。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述旋转传感器永久地连接至所述天线，使得所述旋转传感器在所述初始校准之后，提供所述天线的方位的连续指示。
3.根据权利要求I所述的系统，还包括耦接至所述旋转传感器的通信构件，用于发送由所述旋转传感器提供的方位指示至远程监视站。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所永久地连接的旋转传感器包括GPS接收器。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所永久地连接的旋转传感器包括电位计。
6.根据权利要求I所述的系统，其中，用于根据两个GPS位置读数来找出方位的所述构件作为所述一个或两个GPS接收器中的至少一个的部分集成。
7.根据权利要求I所述的系统，其中，用于根据两个GPS位置读数来找出方位的所述构件是以下之一 a.形成所述初始校准系统的附加部件的专门装置；以及 b.具有足够软件的标准电子装置。
8.根据权利要求I所述的系统，其中，所述光学构件还包括旋转传感器。
9.根据权利要求I所述的系统，其中，所述GPS接收器或所述旋转传感器至少包括 屏眷; 键盘；以及 触摸屏。
10.根据权利要求I所述的系统，其结合现存天线塔安装装备操作，所述现存天线塔安装装备包括RET (远程电倾斜)系统。
11.根据权利要求I所述的系统，其是所述天线的背侧的组成部分。
12.一种用于对天线进行精确定向的方法，包括以下步骤 a.获取距所述天线一距离并在与所述天线相邻设置的光学构件的视距内的第一位置的第一 GPS数据； b.获取对应于所述天线的位置的第二位置的第二GPS数据； c.使用所述第一GPS数据和所述第二GPS数据来找出所述第二位置和所述第一位置之间的第一方位； d.将与所述天线相邻设置的光学构件沿平行于所述天线的瞄准方向的第一方向对准；e.通过设置与所述第一位置相邻的标记来沿第二方向重新对准所述光学构件； f.测量所述一方向和所述第二方向之间的角度； g.借助于至少所述第一方位、所述角度以及可能地所述相邻的校正来计算对应于所述天线的所述瞄准方向的第二方位；以及 h.将所述天线和连接至所述天线的旋转传感器校准至所述第二方位。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在需要所述天线的重定向的任何时候，基于由所述旋转传感器提供的方位指示来根据所需的方位来旋转所述天线。
14.如权利要求12所述的方法，还包括借助于所述旋转传感器的方位指示来远程监视所述天线的所述瞄准方向。
全文摘要
一种用于对定向天线进行精确定向的系统。所述系统可以包括校准系统，用于找出所述天线的当前方位；旋转传感器，连接至所述天线，用于测量从所述天线的所述当前方位的偏离。所述校准系统包括第一和第二GPS接收器；以及可旋转光学构件，可旋转光学构件与所述天线相邻安置并且耦接至一仪表，所述仪表用于测量所述当前方向与至可见物体的方向之间的角度以安置所述天线。
文档编号H04B7/185GK102859903SQ201080062771
公开日2013年1月2日 申请日期2010年12月30日 优先权日2009年12月31日
发明者T·布鲁彻尔 申请人:T·布鲁彻尔