用于估计天线的偏斜的方法和设备以及用于基于谐波分析对实现这种方法和设备的天线的指向进行跟踪的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于精确估计电信接收天线的角度偏差的方法和设备。当天线是发射天线时，该信息基本上使得能够就对与离轴辐射相关的标准的符合性做出决定。

背景技术：

地面电信站通过天线与诸如卫星的移动设备通信。该天线必须正确地指向移动设备，以确保良好的通信质量，但不干扰在上行链路上在相同的频带工作的其它用户。

在通信期间，移动设备可漂移，或者天线置于其上的载体可运动并遭受到运动，使得天线不再正确地指向移动设备。

除了通信衰退之外，这种偏差可导致接收不想要的信号，或者当天线是发射天线时干扰由相邻的通信设备或相邻的卫星中继的通信。

此外，存在多个方案，用于在一方面估计天线的偏差以及在另一方面使天线重新正确地指向以补偿估计的偏差，。在后一种情况下，涉及对构成控制环的指向或角度误差测量进行跟踪。

由于最便宜因而最流行的角度偏差测量通过被称为“步进跟踪”或“边扫描边跟踪”的技术实现。就其本身而言，可参考文献us6433736和us7633432。

该技术包括给天线施加在发射器(卫星或移动设备)的预期方向周围预定的低幅度偏差运动(“抖动运动”)。接收器测量沿着该路径接收的信号的电平的变化，并根据其配置文件估计与相对于该预期方向的偏差角成比例的量。

在这种情况下，最简单的可能的接收器被称为“不相干的”并直接计算在其带宽内接收的信号的瞬时功率，但不对该信号进行解调。

问题在于这种技术对信噪比非常敏感，这种技术尤其提供一响应，该响应的比例因子或增益(功率响应与偏差之比)取决于该值。整合该方案的天线系统，具有两个主要缺点。

第一个缺点是不知道如何确定是否超过了根据能够进行发射的规则可允许的最大指向误差。于是拒绝给设备签发使该设备在市场流通所需的认证。

第二个缺点是在合成用于跟踪的控制环的传递函数时产生主要误差。在最好的情况下，跟踪带宽大大减小(增益低于估计值)，而在最坏的情况下，跟踪变得完全不稳定，设备不能用(增益高于估计值)。

这些困难越来越关键，原因是新的通信技术(采用扩展频谱，采用越来越复杂的信息编码)需要在非常弱的或者甚至负的信噪比(以分贝表示)情况下操作。在这种情况下，值s/(s+n)大大偏离于1，增益极大地减小。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服前面提到的缺点。

为此，根据第一方面，本发明提出一种用于估计沿着天线轴指向卫星或远程移动设备的天线的角度偏差x的方法，天线与该移动设备进行无线电通信，移动设备通过处于给定频带的消息在连续幅度/相位调制的载波上进行发射，该方法包括如下步骤：

-给天线的轴施加预定周期性运动；

-接收在施加的路径的周期期间来源于移动设备的射频信号，该信号在小于或等于发射信号的频率的频带上被接收；

-基于对数尺度确定接收到的信号的瞬时功率，所述瞬时功率通过如下步骤获得：

-对从移动设备到达的信号的全部或部分频谱的中频或基带信号进行滤波；

-计算接收到的射频信号的rms电压或进行平方律检波；

-对该rms电压进行滤波；

-计算滤波后的rms电压的对数；

-在每个周期，对由此确定的功率进行谐波分解，得到基波分量和至少一个谐波分量；

-根据基波项与谐波分量之比估计角度偏差x。

本发明有利地通过如下特征完成，这些特征单独地实施或以其技术上可行的组合中的任何组合实施。

感兴趣的谐波分量是谐波分量2(h2)，根据基波分量与谐波分量2之比获得角度偏差x的估计。

运动类似于正弦曲线或者两个正交轴上的正弦型的基本运动的2d组合，该2d组合是优选地是椭圆型或利萨如型。

根据第二方面，本发明涉及一种用于跟踪天线的指向的方法，通过根据本发明的估计方法测量天线的角度偏差的步骤，所述方法包括如下步骤：

-将偏差与阈值比较，以及

-如果偏差大于所述阈值，则在天线是发射天线的情况下，该方法包括停止天线朝向卫星的发射的步骤。

根据本发明的第二方面的方法可包括将谐波2与两个阈值比较的步骤，以及如果所述谐波2介于所述两个阈值之间，则该方法包括生成指令以使天线运动来抵消估计的偏差的步骤。

根据第三方面，本发明涉及一种用于精确测量天线的角度指向误差的设备，该设备包括处理器，该处理器配置成实现根据本发明的第一方面的方法。

根据第四方面，本发明涉及一种用于跟踪天线的指向的设备，该设备包括用于控制天线的单元和根据本发明的第三方面的用于估计天线的角度偏差的设备，并且该设备包括处理器，该处理器配置成实现根据本发明的第二方面的方法。

附图说明

本发明的其它特征、目的和优点将通过如下描述而显现，如下描述是纯说明性的而非限制性的，并且应该与附图相关地阅读，在附图中：

-图1示出了包括用于跟踪天线的指向的设备的本发明的情景图；

-图2示出了根据本发明的用于确定天线的指向的方法的步骤。

在所有附图中，相似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于跟踪天线1朝向移动通信设备(例如卫星s)的指向的系统。卫星s通常是对地静止卫星且通常是电信卫星。

移动通信设备或卫星s有利地通过随机消息在连续幅度/相位调制的载波上(即，使得其发射功率恒定)发射处于给定频带的无线电信号。

天线1属于已知类型的地面站。

人们认为天线1沿着天线轴1a指向卫星s。天线轴1a与卫星s形成角度x。该角度x是天线1的角度偏差。天线轴1a通常限定为天线参考系中的方向，在该方向上，该天线的增益最大。

天线轴1a通过马达2机动，马达2从用于确定天线的指向的设备3接收指令。

用于确定天线1的指向的设备3能够估计天线的角度偏差，根据该角度偏差生成使天线指向的指令来传达给马达21。

这种测量设备包括处理器31，处理器31配置成实现用于估计偏差的方法和与图2相关地描述的用于跟踪指向的方法。

在初始步骤(步骤e0)，通过用于控制天线并包括马达21的单元2给天线轴1a施加周期性偏差和受控制的动态运动。该周期性路径具有幅度x1和角频率ω。

可以是正弦型、椭圆形等运动。

天线1接收(步骤e1)射频信号。信号被接收长达一时段，该时段对应于偏差运动的周期。

另外，信号在小于或等于由移动设备发射的信因为原因是频谱对应于发射的频谱。

这些接收信号被转换(步骤e2)成为具有实部分量和虚部分量的复数信号，实部分量和虚部分量分别表示为i和q，在基带中是数字的。

然后，执行信号i和q的预处理(步骤e3)。在该预处理步骤结束时，获得信号的瞬时功率。

该预处理包括对每个通道i和q进行相同基带滤波(步骤e31和e32)，使得宽度小于或等于接收信号的宽度，然后测量瞬时rms电压(步骤e33)，然后进行视频窄带滤波(步骤e34)，最后根据该rms电压执行以对数尺度限定的信号功率的计算(e35)。

以分贝表示的瞬时功率是对应于常数的rms电压的对数的函数，该常数接近于滤波后的rms电压的对数功率(e35)的对数：

瞬时功率＝20.log(rms电压)＝10.log(功率)+常数。

通过具有截止频率fc的滤波器实现窄带滤波，fc通常约为10赫兹至几百赫兹(典型地，100hz)。

然后，执行由此获得的功率的谐波分解(步骤e4)，以获得基波分量h1和至少一个感兴趣的谐波分量2(记为h2)或者甚至获得dc分量(记为h0)。

通过在一个周期计算检测的功率和偏差运动的对应谐波之间的相关积(produitsdecorrélation)，来执行谐波分解。

因此，通过计算在链e3结束时获得的信号在偏差周期期间的平均值，来获得dc分量h0。该平均值表示从移动设备接收的平均信号功率。

通过在一个周期计算在链e3结束时获得的信号和控制天线围绕预期方向运动的函数之间的相关积(步骤e41)，来获得基波分量h1。

在正弦运动施加到天线的情况下，相关性通过函数x1.sin(ω(t))获得。

通过计算信号的功率和函数cos(2.ω(t))之间的相关积(步骤e42)，来获得谐波分量2h2。

能够额外估计更高阶的谐波，例如h3、h4等，这可使得在下一个步骤进行的偏差计算的精度能够得到改善。

然后，根据h0、h1和h2的值或者甚至h3或更高阶的值，估计角度误差x(步骤e5)，之前已根据误差x、周期性偏差的幅度x1、在-3dbx0处天线波瓣的宽度以及基带中的信噪比s/n，通过解析计算确立h0、h1和h2的值或者甚至h3或更高阶的值。

具体地，这些计算表明：分量之比h1/h2构成与信噪比的值和波瓣宽度无关的误差x的估计量<x>，这使得能够以最简单的方式执行估计步骤e5。

该估计<x>可与阈值s1比较(步骤e6)。如果角度偏差大于或等于该阈值s1，则在天线是发射天线的情况下，做出控制以停止天线朝向移动设备或卫星的发射(步骤e8)。否则，发射继续进行(步骤e7)。这些决定传达给天线控制单元2。

替代地或作为补充，谐波2h2可与两个阈值s2和s3比较(步骤e9)。如果谐波2h2介于这两个阈值之间(也就是说，s2≤h2≤s3)，则确定重新指向指令-<x>(步骤e10)。否则，不执行补偿(步骤e11)。再次，这些决定传达给天线控制单元2。

指令使得能够对计算的角度偏差进行补偿，使得天线正确地指向卫星。

下文表明，比值x/x1与基波分量1和谐波分量2的商成比例，该比值与该商以固定常数相关联，该固定常数仅取决于所执行的与信噪比无关的运动的幅度。

即，天线1具有大于10λ的尺寸(λ是由天线接收的射频信号的波长)。

天线具有天线增益：

其中x＝x+x1.sin(ω(t))(描述天线的总路径)。

通过考虑施加给天线1的等式为x1.sinω(t)的周期性运动(天线遭受到运动x1.sinω(t)+x)，得到：

通过将s记为由沿着轴指向的天线接收的平均有用信号功率以及将n记为在整个基带上收集的固定噪声，计算在预处理步骤(步骤e2)结束时获得的接收信号的平均功率(以分贝表示)w(db)，如下式给出：

w(db)＝10*log(n+s*exp(-2.77*[(x+x1*sin(ωt))/x0]²))

w(db)＝cte+10*log[1+s/(s+n)*(exp(-2.77*[(x+x1*sin(ωt))/x0]²)-1)]

如果s<n以及如果天线运动是围绕其轴的小幅度运动，则进行如下近似：

w(db)≈cte+10/m*s/(s+n)*(exp(-2.77*[(x+x1*sin(ωt))/x0]²)-1)

w(db)≈cte-12.04*s/(s+n)*[(x+x1*sin(ωt))/x0]²

w(db)≈cte-12.04*s/(s+n)*[x²+2x*x1*sin(ωt))/x0+x1²/x0²sin²(ωt)]

w(db)＝cte'-12.04*s/(s+n)*(x1/x0)²*[2*x/x1*sin(ωt)-cos(2ωt)/2]

m＝in(10)＝2.3

即，基波项h1的表达式通过如下表达式给出：

谐波2h2通过接收信号的功率与在0和2π之间的周期计算的余弦项的相关性给出，即：

然后，获得比值：

可以看出，基波和谐波2之比与信噪比无关。还注意到，该比值与使用的对数换算比例(纳皮尔，以10、2或其它数为底数)无关。然而，如果功率h1和h2不通过对数尺度表示，则该比例不再准确。因此，在此不是根据工程约定而使用对数换算，而是因为对数换算是在不需要校准或确定比例增益，或者不需要校正非线性的情况下，使得能够获得正确的偏差值的方法。

当然，对于施加到天线1并具有周期性的任何类型的路径，这些特性保持有效，而不管天线波瓣的尺寸、搜索运动的幅度x1、轴向指向误差x。

因此，估计量<x>通过如下函数限定：