基于北斗的接力机天线自动对准方法及系统

技术领域

本发明涉及无线电通信技术领域，更具体地说涉及一种基于北斗的接力机天线自动对准方法及系统。

背景技术

天线自动对准技术用于点对点微波通信系统或毫米波通信系统，当两端接力机进行点对点通信时，由于天线波束窄，方向性强，导致传统的对准技术建立通信困难。

目前采用的对准方式是通过查看两端接力机的接收信号强度来标识天线是否对准，即先将一个点位设备安装固定好并开机，然后走到下一个点位位置，查找信号并根据信号强度指示确定天线方位。这样带来的问题是上一个点位的设备要正常运行，但是由于其信号强度标识比较粗略，如果上一个点位设备有一点异常，就要返回去调试，因此需要来回往返进行调试，费时费力，或者需要更多施工人员在各个点位上等待同时调试，不仅增加了人力成本，同时对准精度也不高。

如公开日为2023年9月5日，公开号为CN116706541A，名称为“一种基于北斗测向的远距离自组网定向天线对准装置”的发明专利申请，该发明专利申请至少包括相邻的一对自组网定向天线，每个自组网定向天线上均设置有北斗测向装置，所述北斗测向装置用于测量每个自组网定向天线的方位角，至少调节其中一个自组网定向天线的方位使一对北斗测向装置分别测量的方位角在一定的匹配范围内实现一对自组网定向天线。

上述现有技术通过北斗测向装置测量每个自组网定向天线的方位角，从而调节两端定向天线的方位角在一定的匹配范围内对准。但是上述现有技术所采用的对准方式，没有考虑接力机存在电机等设备装配误差，在计算坐标时也会存在精度误差，因此，当根据北斗测向装置实现对准时，会存在一定的误差，并不是最佳位置，会对通信造成一定的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种基于北斗的接力机天线自动对准方法及系统，本发明的发明目的在于提供一种新的天线对准方法，以克服现有基于北斗对准时因没有考虑到的设备装配误差及计算误差，而造成对准位置不是最佳位置，对通信造成影响的问题。本发明在对接力机进行对准时，首先基于北斗定位通讯模块获取对端设备的位置信息，根据两端设备的坐标信息计算对准方位角，然后转动到对准角度，然后再通过互控扫描调制天线到信号最大方向，扫描时一端保持静置状态，另一端在设定水平角度范围内和设定俯仰角度范围内进行扫描，经过多次扫描后，就可以精确找到最佳位置。本发明在北斗定位对准的基础上，增加了对两端设备的互控扫描，可以克服现有仅根据北斗测量方位角进行对准时存在的找不到最佳位置，对通信造成影响的问题，可以克服设备装配误差和计算误差，本发明的对准方法，对准精度高、操作方便，可以实现接力机的自动最佳位置对准。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

本发明第一方面提供了一种基于北斗的接力机天线自动对准方法，该方法包括以下步骤：

S1、由北斗定位单元获取两端接力机设备的位置信息，并通过北斗通信单元将接力机设备的位置信息发送给对端接力机设备；

S2、根据两端接力机设备位置信息计算对准方位角和对准俯仰角；

S3、根据计算得到的对准方位角和对准俯仰角控制两端接力机设备转动至对准位置；

S4、两端接力机设备通过接力机设备的天线建立通信连接；

S5、两端接力机设备进行互控扫描，扫描时一端接力机设备保持静置状态，另一端接力机设备在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，寻找信号最大点；控制另一端接力机设备保持静置状态，一端接力机设备在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，寻找信号最大点；经过多次互控扫描找到两端接力机设备天线对准的最佳位置。

进一步优选的，S5步骤中，两端接力机设备进行互控扫描时，两端接力机设备的射频发射功率均设置为最大发射功率。

更进一步优选的，经过两次互控扫描即可确定两端接力机设备天线对准的最佳位置。

更进一步优选的，假设两端接力机设备分别为A端设备和B端设备，则两端接力机设备进行互控扫描的具体过程为：

S501、设置A端设备和B端设备的射频功率为最大功率；

S502、B端设备保持不动，A端设备开始第一次扫描，A端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S3步骤对准位置的基础上，在水平角度±3度，俯仰角度±1.5度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；A端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，A端设备的主控单元控制A端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向B端设备发送扫描指令；

S503、B端设备接收到A端设备发出的扫描指令后，B端设备开始第一次扫描，B端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S3步骤对准位置的基础上，在水平角度±3度，俯仰角度±1.5度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；B端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，B端设备的主控单元控制B端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向A端设备发送扫描结束指令；

S504、A端设备接收到B端设备发出的扫描结束指令后，A端设备开始第二次扫描，A端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S502步骤对准位置的基础上，在水平角度±2度，俯仰角度±1度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；A端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，A端设备的主控单元控制A端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向B端设备发送扫描指令；

S505、B端设备接收到A端设备发出的扫描指令后，B端设备开始第二次扫描，B端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S503步骤对准位置的基础上，在水平角度±2度，俯仰角度±1度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；B端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，B端设备的主控单元控制B端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向A端设备发送扫描结束指令；

S506、A端设备和B端设备停止扫描，A端设备和B端设备的对准位置即为天线对准的最佳位置。

进一步优选的，S1步骤中，通过A端设备的北斗定位单元定位A端设备的位置信息，通过B端设备的北斗定位单元定位B端设备的位置信息；通过A端设备和B端设备的北斗通信单元进行通信，A端设备将其位置信息发送给B端设备，B端设备将其位置信息发送给A端设备。

进一步优选的，S2步骤中，所述位置信息包含A端设备的经纬度坐标和B端设备的经纬度坐标，根据A端设备和B端设备的经纬度坐标，利用球体几何原理，计算得到方位角；由A端设备和B端设备的经纬度坐标可以得到A端设备和B端设备之间的距离，根据三角函数原理计算得到A端设备和B端设备之间的俯仰角。

本发明第二方面提供了一种基于北斗的接力机天线自动对准系统，该系统包括两台接力机设备，分别为A端设备和B端设备；每台接力机设备均至少包括北斗定位单元、北斗通信单元、主控单元、射频天线、调制解调单元和电机机构；其中，北斗定位单元、射频天线、调制解调单元、北斗通信单元和电机机构均与主控单元连接，射频天线与调制解调单元连接；

通过A端设备的北斗定位单元定位A端设备的位置信息，通过B端设备的北斗定位单元定位B端设备的位置信息；通过A端设备和B端设备的北斗通信单元进行通信，将定位到的位置信息发送给对端设备；

A端设备和B端设备的主控单元根据A端设备和B端设备的位置信息计算对准方位角和对准俯仰角；A端设备和B端设备的主控单元根据其计算得到的对准方位角和对准俯仰角，分别控制A端设备和B端设备的电机机构将射频天线转动到对准角度；

A端设备和B端设备的主控单元控制调制解调单元和射频天线建立通信连接；

A端设备和B端设备的主控单元均控制调制解调单元通过与其连接的射频天线发出并接收无线电波，且射频发射功率为最大功率；

A端设备和B端设备的主控单元控制A端设备和B端设备进行多次互控扫描；最后一次互控扫描确定的位置即为A端设备和B端设备的射频天线对准的最佳位置；

所述互控扫描是指，B端设备保持不动，A端设备在设定水平角度在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，当找到最大信号时，A端设备的天线转动至最大信号方向并保持不动；B端设备在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，当找到最大信号时，B端设备转动至最大信号方向。

进一步优选的，A端设备和B端设备进行两次互控扫描后即可确定最佳对准位置。

进一步优选的，所述电机机构包括水平旋转电机和俯仰电机，通过水平旋转电机控制射频天线的方位角，通过俯仰电机控制射频天线的俯仰角。

更进一步优选的，A端设备和B端设备进行互控扫描时，A端设备和B端设备的调制解调单元均处于BPSK模式。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明在北斗定位对准的基础上，增加了对两端设备的互控扫描，可以克服现有仅根据北斗测量方位角进行对准时存在的找不到最佳位置，对通信造成影响的问题，可以克服设备装配误差和计算误差，本发明的对准方法，对准精度高、操作方便，可以实现接力机的自动最佳位置对准。

2、现有采用北斗定位时，误差已经控制在一定范围内，但是未考虑装配误差，因此其水平误差可能在1度以内。由于天线波束在1.8度以内，因此当根据北斗坐标转动到对准位置时，两端接力机设备理论上已经建立通信，此时不是最佳方向。本发明在此基础上，对两端接力机设备的信号进行精细扫描，在BPSK模式下，两端设备设置射频发射功率为最大功率，一端设备保持不动，另一端在水平6度范围内，俯仰3度范围内进行扫描，经过2次扫描后，就可以精确找到最佳位置。

3、本发明之所以将互控扫描的范围设置在水平6度范围和俯仰3度范围内，是基于北斗定位的精度考虑的，北斗坐标定位时，方位角误差在2度以内，在BPSK模式下，会存在5度的误差，因此设置互控扫描的范围在水平6度范围和俯仰3度范围内就可以克服北斗误差和装配误差。

4、经过验证，本发明基于北斗自动对准时，效果如下：通过北斗短信获取对端设备位置信息耗时90s；转动到对准位置耗时20s，两端接力机设备进行互控扫描耗时360s，共耗时470s。即采用本发明的对准方法和系统即可在470s完成接力机设备的自动对准，大大提高了对准效率。

附图说明

图1为本发明基于北斗的接力机天线自动对准方法的流程图；

图2为本发明基于北斗的接力机天线自动对准方法中经纬度坐标获取流程图；

图3为本发明基于北斗的接力机天线自动对准方法中方位角计算示意图；

图4为本发明基于北斗的接力机天线自动对准方法中对准角度计算流程图；

图5为本发明基于北斗的接力机天线自动对准方法中转动对准位置的流程图；

图6为本发明基于北斗的接力机天线自动对准方法中两端接力机设备互控扫描的流程图；

图7为本发明基于北斗的接力机天线自动对准系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1所示，本实施例公开了一种基于北斗的接力机天线自动对准方法，该方法包括以下步骤：

S1、由北斗定位单元获取两端接力机设备的位置信息，并通过北斗通信单元将接力机设备的位置信息发送给对端接力机设备；

S2、根据两端接力机设备位置信息计算对准方位角和对准俯仰角；

S3、根据计算得到的对准方位角和对准俯仰角控制两端接力机设备转动至对准位置；

S4、两端接力机设备通过接力机设备的天线建立通信连接；

S5、两端接力机设备进行互控扫描，扫描时一端接力机设备保持静置状态，另一端接力机设备在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，寻找信号最大点；控制另一端接力机设备保持静置状态，一端接力机设备在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，寻找信号最大点；经过多次互控扫描找到两端接力机设备天线对准的最佳位置。

作为本实施例的一种实施方式，S5步骤中，两端接力机设备进行互控扫描时，两端接力机设备的射频发射功率均设置为最大发射功率。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，本实施例是在上述实施例1的基础上，对本发明的技术方案做出的进一步详细地补充和阐述。在本实施例中，参照说明书附图6所示，经过两次互控扫描即可确定两端接力机设备天线对准的最佳位置。

具体的，假设两端接力机设备分别为A端设备和B端设备，则两端接力机设备进行互控扫描的具体过程为：

S501、设置A端设备和B端设备的射频功率为最大功率；

S502、B端设备保持不动，A端设备开始第一次扫描，A端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S3步骤对准位置的基础上，在水平角度±3度，俯仰角度±1.5度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；A端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，A端设备的主控单元控制A端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向B端设备发送扫描指令；

S503、B端设备接收到A端设备发出的扫描指令后，B端设备开始第一次扫描，B端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S3步骤对准位置的基础上，在水平角度±3度，俯仰角度±1.5度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；B端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，B端设备的主控单元控制B端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向A端设备发送扫描结束指令；

S504、A端设备接收到B端设备发出的扫描结束指令后，A端设备开始第二次扫描，A端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S502步骤对准位置的基础上，在水平角度±2度，俯仰角度±1度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；A端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，A端设备的主控单元控制A端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向B端设备发送扫描指令；

S505、B端设备接收到A端设备发出的扫描指令后，B端设备开始第二次扫描，B端设备的主控单元控制其电机，带动天线在S503步骤对准位置的基础上，在水平角度±2度，俯仰角度±1度的范围内进行扫描，并寻找信号最大方向；B端设备扫描到信号最大点并确认信号最大方向后，B端设备的主控单元控制B端设备天线转动至信号最大方向后保持不动，并向A端设备发送扫描结束指令；

S506、A端设备和B端设备停止扫描，A端设备和B端设备的对准位置即为天线对准的最佳位置。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，本实施例是在上述实施例1或实施例2的基础上，对本发明的技术方案做出的进一步详细地补充和阐述。

作为本实施例的一种实施方式，参照说明书附图2所示，S1步骤中，通过A端设备的北斗定位单元定位A端设备的位置信息，通过B端设备的北斗定位单元定位B端设备的位置信息；通过A端设备和B端设备的北斗通信单元进行通信，A端设备将其位置信息发送给B端设备，B端设备将其位置信息发送给A端设备。

作为本发明又一种实施方式，参照说明书附图3和附图4所示，S2步骤中，所述位置信息包含A端设备的经纬度坐标和B端设备的经纬度坐标，根据A端设备和B端设备的经纬度坐标，利用球体几何原理，计算得到方位角；由A端设备和B端设备的经纬度坐标可以得到A端设备和B端设备之间的距离，根据三角函数原理计算得到A端设备和B端设备之间的俯仰角。

具体的，如附图3和图4所示，P1点为本端设备所处位置，其经纬度为J1、W1，P2点为对端设备所处位置，其经纬度为J2、W2，根据球体几何的原理，可以得到方位角。再由P1，P2点可以得到两点距离，通过三角函数可以得到俯仰角。

实施例4

作为本发明又一较佳实施例，本实施例是在上述实施例1、实施例2或实施例3的基础上，提供了一种实现上述实施例中自动对准方法的系统，即本实施例公开了一种基于北斗的接力机天线自动对准系统，参照说明书附图7所示。

该系统包括两台接力机设备，分别为A端设备和B端设备；每台接力机设备均至少包括北斗定位单元、北斗通信单元、主控单元、射频天线、调制解调单元和电机机构；其中，北斗定位单元、射频天线、调制解调单元、北斗通信单元和电机机构均与主控单元连接，射频天线与调制解调单元连接。

通过A端设备的北斗定位单元定位A端设备的位置信息，通过B端设备的北斗定位单元定位B端设备的位置信息；通过A端设备和B端设备的北斗通信单元进行通信，将定位到的位置信息发送给对端设备；

A端设备和B端设备的主控单元根据A端设备和B端设备的位置信息计算对准方位角和对准俯仰角；A端设备和B端设备的主控单元根据其计算得到的对准方位角和对准俯仰角，分别控制A端设备和B端设备的电机机构将射频天线转动到对准角度；

A端设备和B端设备的主控单元控制调制解调单元和射频天线建立通信连接；

A端设备和B端设备的主控单元均控制调制解调单元通过与其连接的射频天线发出并接收无线电波，且射频发射功率为最大功率；

A端设备和B端设备的主控单元控制A端设备和B端设备进行多次互控扫描；最后一次互控扫描确定的位置即为A端设备和B端设备的射频天线对准的最佳位置；

所述互控扫描是指，B端设备保持不动，A端设备在设定水平角度在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，当找到最大信号时，A端设备的天线转动至最大信号方向并保持不动；B端设备在设定水平角度和俯仰角度范围内进行扫描，当找到最大信号时，B端设备转动至最大信号方向。

A端设备和B端设备进行两次互控扫描后即可确定最佳对准位置。互控扫描的具体过程参照上述实施例2和说明书附图6所示，在此不再赘述。A端设备和B端设备进行互控扫描时，A端设备和B端设备的调制解调单元均处于BPSK模式。

作为本实施例的一种实施方式，参照说明书附图5所示，所述电机机构包括水平旋转电机和俯仰电机，通过水平旋转电机控制射频天线的方位角，通过俯仰电机控制射频天线的俯仰角。