用于提供改進的tcas方位測量的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】在空中防撞系統(tǒng)(TCAS)環(huán)境下改進方位精確度的系統(tǒng)和方法。從天線單元陣列傳送詢問信號。在陣列的第一單元對處接收來自目標的對所傳送的詢問信號的響應。所述第一單元對被分離最多所述響應信號的1/2λ。處理器確定所接收的響應的粗方位。所述天線單元陣列的第二單元對接收對所述詢問信號的響應。所述第二單元對被分離大約所述響應信號的Nλ。N為不等于0的整數。基于所確定的粗方位和在第二單元對上接收到的響應確定目標的第一方位值。所述陣列安裝在航行器或地面設施上。
【專利說明】用于提供改進的TCAS方位測量的系統(tǒng)和方法
【背景技術】
[0001]目前，通過四單元天線陣列從TCAS詢問響應信號中確定空中防撞系統(tǒng)(TCAS)的方位。所述單元相等地繞著該天線陣列的圓周隔開，幾何上呈90度間隔。通過測量相反單元對之間的響應信號的相位差來確定相對方位。
[0002]相反單元之間的長度短(在1090MHz XPDR信號的1/2波長內)，因此所述TCAS方位測量對噪聲敏感并且容易受耦合的影響。因此，TCAS II (建議規(guī)避機動)的方位測量可能是不準確的。通常，該誤差不大于5度，但是其可能大于30度。低的方位精確性引入TCAS位置的大的不確定性，該不確定性隨著范圍增加。因此，由于這些誤差/不精確性，所顯示的TCAS目標符號能夠表現出跳躍。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明包括用于在空中防撞系統(tǒng)(TCAS)環(huán)境中改進方位精確性的系統(tǒng)和方法。在示例性的方法中，從天線單元陣列傳送詢問信號。在所述天線單元陣列的第一單元對上接收來自目標的對所傳送的詢問信號的響應。第一單元對被分離最多所述響應信號的1/2 λ。處理器確定所接收的響應的粗方位。天線單元陣列的第二單元對接收對所傳送的詢問信號的響應。第二單元對被分離大約所述響應信號的Νλ。N是不等于O的整數?；谒_定的粗方位和在第二單元對所接收到的響應來確定用于目標的第一方位值。
[0004]在本發(fā)明的其他方面中，天線單元陣列被安裝在航行器或地面設施(groundinstallation)上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]下面參考以下附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選和可替代實施例:
[0006]圖1是如根據本發(fā)明形成的位于航行器上(located aboard an aircraft)的示例性系統(tǒng)的示意圖；
[0007]圖2示出了用于圖1所示系統(tǒng)的天線配置；
[0008]圖3是由圖1所示的系統(tǒng)執(zhí)行的示例性過程的流程圖；
[0009]圖4是根據本發(fā)明形成的位于地面上的示例性系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖5是由圖4所示的系統(tǒng)執(zhí)行的示例性過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0011]圖1示出了包括根據本發(fā)明的實施例形成的空中防撞系統(tǒng)(TCAS)的航行器20。所述TCAS包括與RF模塊26、顯示器28 (或其他輸出設備)，以及其他航行器系統(tǒng)34，例如大氣數據系統(tǒng)(ADS)，飛行管理系統(tǒng)(FMS)或者全球定位系統(tǒng)(GPS)進行信號通信的TCAS處理器24。所述RF模塊26附著到位于航行器20的頂部的第一四單元天線30和位于航行器20的底部的第二四單元天線32。
[0012]在一個實施例中，航行器20包括所述兩個四單元天線30、32中的僅一個。所述TCAS處理器24減少了利用與所述四單元天線30、32中的其他三個單元(兩對)所確定的粗方位值相關聯的信息而由四單元天線中的第一對產生的更精確的方位值中的誤差。因此，使用僅一個四單元天線30、32產生高精度方位。通過使用頂部和底部四單元天線30、32可減少進一步誤差。這將在下面進行更詳細的描述。
[0013]圖2示出了所述頂部和底部四單元天線30、32的示例配置。天線30、32的所有單元都附著到RF模塊26，RF模塊26與所述TCAS處理器24通信。
[0014]頂部天線單元En、Et2和En、Et4之間的間距相等(-A或更小)。λ是在1090MHz
的XPDR響應信號載波的波長。連接En、Et2和En、E14的線相互垂直。在一個實施例中，單元ET1、ET2和Et4被集成到一個定向天線中，而Et3是全向刀形天線。Et3位于到間距，并且到Et2和Et4具有相同間距。
[0015]所述底部天線單元具有與所述頂部單元類似的設置，并且具有由ET1、ET3和EB1、EB3確定的相互正交的軸。
[0016]在這種配置中，可通過利用外13和爐β13的正交明確確定從精細方位去除頻率漂移引入的誤差和由姿態(tài)(altitude)、范圍所促使的仰角誤差和姿態(tài)誤差。
[0017]圖3示出了使用圖2中所示的天線配置由圖1中所示的的系統(tǒng)執(zhí)行的示例性過程80的流程圖。首先，在塊84，從所述天線單元的任意一個傳送詢問信號。在塊86，在天線單元接收對所述詢問信號的響應。接著，在塊88，基于在所述天線單元的第一子集接收的響應確定粗方位值。所述粗方位值是從第一子集單元的相位差值獲得。在塊92，基于所接收的對所述詢問信號的響應和所述粗方位值確定所述天線單元的第二子集的相位差。最后，在塊94，基于天線單元的所述第二子集的確定的相位確定精細方位值。
[0018]用于改進所述TCAS方位測量的思想是通過擴展天線單元的一對(Ebi和Eb3 ；ET1和E13)之間的距離來修正所存在的定向天線，其中一個天線是定向天線，并且一個天線是全向刀形非定向天線。
[0019]Ebi和Eb2 (或En和Et2)確定正弦分量妁2 = Ksin(f)的相位偏移；EB1和Eb4 (或En和E14)確定余弦分量奶4 =欠Cos(P)的相位偏移，從而可以確定粗方位，β =tan-1 (K 8?η(β)/Kcos(fi3))。美國專利第5122808號公開了相似的方位確定，并通過引用結合于此。
[0020]例如，Ebi和Eb3測量相位差奶3m e (-π,π)。當考慮在第一方位象限(-Ji /4，/4)
內的解時，實際的相位差可以為:
[0021]
φ13= {2πn + φ13m，(2n + 1)π + φ13m} ’
[0022]η=0, I, 2...N-1 ο
[0023]N是E1和E3之間的波長數。
[0024]在航行器20的平面內，由仍3確定的精細方位分辨率具有非常高的精度，并且由粗方位值提供最終的明確性。同樣的方法可應用于其他三個象限。
[0025]當目標航行器與天線陣列在相同的平面(仰角=0)時，下列等式被簡化以用于精細方位確定:
[0026]對于底部天線，
[0027]β= Tr/4-細"如,V2ttA9，當粗方位落在(_ /4，3 /4)內，[0028]β= 5π/4+8--'(φ,3Ι2πΝ)，當粗方位落在(3 π/4，Ji )內，
[0029]β= -j7r/4+iY(^/27rA9，當粗方位落在(-Ji，- Ji /4)內。
[0030]對于頂部天線，
[0031 ] β= -ττ/4+咖-Υ%/2ττΛ9，當粗方位落在(-3 31 /4，π /4)內，
[0032]β= JW-1Y扣/2_，當粗方位落在(π /4，Ji)內，
[0033]β=-知/“/?々郎/27^，當粗方位落在(_ π，-3 Ji /4)內。
[0034]實際上，如果精細方位確定處理僅與頂部或底部天線單獨相關聯，仰角應當被包含在精細方位的計算中。
[0035]如果在同一時間可得到外m或(％1β3 )(通過雙向詢問或來自相距很短時間間隔的不同詢問周期)，可利用和外?η進一步確定精細方位,并且仰角不再包括在該解中。
[0036]/9=W-_ ?抑/8々777^)，其中粗方位 G (- JI /4, 3 31 /4),
[0037]/?=5π.Λ/-_-抑，其中粗方位 e (3π/4，π )，
[0038]β=-3κ/4-?αη' (ψΒ?Β3/ψτιτ3)，其中粗方似[(-Ji , - Ji /4) 0
[0039]目標仰角e=f ( α，β，y , r, Δ alt)，
[0040]其中α是自身航行器的俯仰角，
[0041]β是自身航行器的側傾角，
[0042]是目標到自身的粗方位，[0043]r是目標到自身的范圍，
[0044]Aalt是目標和自身之間的高度差(altitude `difference)。
[0045]確定精細方位的其他方法，例如利用外in或仏1S3或兩者計算每一個可能的精細方位，關聯該精細方位與粗方位，并且最后確定所述精細方位。
[0046]在一個實施例中，TCAS110(圖4)被用來取代用于小型機場的昂貴的輔助監(jiān)視雷達(SSR)，或者作為較大機場的備用監(jiān)視方案。所述TCAS110提供改進的精細方位輸出。
[0047]所述TCAS110包括處理器112，用于與RF模塊114和顯示器116或其他輸出設備進行數據通信。所述RF模塊114連接到四單元內部天線陣列118和四單元外部天線陣列120的所有單元。
[0048]外部天線陣列120包括在同一平面上圍繞內部天線陣列118的四個全向刀形(或相當的)天線單元EM_4。所述內部天線陣列118包括單元En_4。在天線單元EM和E()3、EQ2和已㈨之間的間距為Νλ。由單元Em和和Em確定的軸相互正交。所述內部天線陣列118可以是常規(guī)的TCAS定向發(fā)現天線。
[0049]圖5示出了由圖4所示的TCAS110執(zhí)行的示例過程130。首先，在塊134，從內部天線陣列118傳送詢問信號。以定向詢問能力為目的，該詢問信號被優(yōu)選地從所述內部天線陣列118的所有4個單元被傳送。
[0050]在塊136，在第一組天線單元接收對詢問信號的響應。接著，在塊138，基于在所述內部天線陣列118接收到的響應確定粗方位值。然后，在塊142，從外部天線陣列120傳送詢問信號。在塊144，在外部天線陣列120接收對該詢問信號的響應。最后，在塊150，基于與內部天線陣列118相關聯的粗方位值從在外部天線陣列120接收的響應中確定(無歧義)精細方位值。
[0051]在另一個實施例中，精細方位通過利用?^β|β3和仏254計算每一個可能精細方位，關聯該精細方位與粗方位，并且最后確定所述精細方位來確定精細方位。另外，不限于外和cPoiba，妒0104和Ρ0102，E0201和E0203, E0203和E0403以及E0104和E0304的相位測量對也可以被用于計算。天線安裝的較高精度和地面設施的較少變形將進一步提高所述精度以及減輕稱合偏置。
[0052]如上所述，雖然已經說明和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下能夠作出很多改變。相應地，本發(fā)明的范圍不限于優(yōu)選實施例的公開。相反，應該參考隨后的權利要求書來完整地確定本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種方法，包括: 從天線單元陣列的至少一部分傳送詢問信號； 在所述天線單元陣列的至少第一單元對接收來自目標的對所述傳送的詢問信號的第一響應，所述至少第一單元對被分離最多所述第一響應信號的1/2 λ ； 確定所接收的第一響應的粗方位； 在所述天線單元陣列的至少第二單元對接收對所述傳送的詢問信號的第二響應，所述至少第二單元對被分離大約所述響應信號的N λ，N為不等于O的整數；以及 基于所述粗方位和在所述至少第二單元對接收的所述第二響應確定用于所述目標的第一方位值。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述至少第一單元對包括兩個單元對，所述兩個單元對共享共用單元，鏈接所述兩個單元對的每一個中的元件的軸相互垂直，以及 其中所述至少第二單元對包括一個單元對，所述至少第二單元對的所述單元對的單元之一為所述共用單元。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述天線單元陣列的所有單元對都位于航行器上近似相同的平面中。
4.如權利要求3所述的方法，進一步包括: 從第二天線單元陣列傳送詢問信號； 在第二天線單元陣列的至少第`一單元對接收來自目標的對所述傳送的詢問信號的第三響應，所述至少第一單元對被分離最多所述響應信號的1/2 λ ； 確定所接收的第三響應的粗方位； 在第二天線單元陣列的至少第二單元對接收對所述傳送的詢問信號的第四響應，所述至少第二單元對被分離大約所述響應信號的N λ，N為不等于O的整數； 基于與所接收到的第三響應相關聯的粗方位和在所述第二單元對接收到的第四響應確定用于目標的第二方位值；以及 基于從所述第二方位值得到的相位差和從所述第一方位值得到的相位差確定第三方位值。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述第二天線單元陣列的所述至少第一單元對包括兩個單元對，所述兩個單元對共享共用單元，鏈接所述兩個單元對的每一個的軸相互垂直，以及 其中所述第二天線單元陣列的所述至少第二單元對包括一個單元對，所述至少第二單元對的所述單元對的單元之一為共用單元。
6.如權利要求5所述的方法，其中，所述第二天線單元陣列的所述至少第一單元對和所述至少第二單元對的單元對位于航行器上近似相同的平面中，其中，所述第一天線單元陣列位于航行器的頂部，以及所述第二天線單元陣列位于航行器的底部。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述天線單元陣列的所述至少第一單元對包括被分離最多所述響應信號的1/2 λ的兩個單元對，以及其中所述天線單元陣列的所述至少第二單元對包括被分離大約所述響應信號的N λ的兩個單元對，N為不等于O的整數。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述天線單元陣列的第一和第二單元對位于相同的平面。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述天線單元陣列的第一和第二單元對位于地面上并且所述第二單元對環(huán)繞所述第一單元對。
10.一種系統(tǒng),包括: 包括至少第一單元對和至少第二單元對的天線單元陣列，所述至少第一單元對被分離最多所述響應信號的1/2 λ，所述至少第二單元對被分離大約所述響應信號的Νλ，N為不等于O的整數； 用于從所述天線單元陣列的至少一部分傳送詢問信號的裝置； 用于在所述至少第一單元對接收來自目標的對所述傳送的詢問信號的響應的裝置； 被配置為確定所接收到的響應的粗方位的處理器；以及 用于在至少第二單元對接收對所傳送的詢問信號的響應的裝置， 其中，所述處理器進一步被配置為基于所述確定的粗方位和在所述至少第二單元對接收的響應確定用于目標的第一方位值。
11.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述至少第一單元對包括兩個單元對，所述兩個單元對共享共用單元，鏈接所述兩個單元對的每一個中的元件的軸相互垂直，以及 其中所述至少第二單元對包括一個單元對，所述至少第二單元對的所述單元對的單元之一為所述共用單元。
12.如權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述至少第一單元對的兩個單元對和所述至少第二單元對的所述單元對的所有對都位于航行器上近似相同的平面中。
13.如權利要求12所述的系統(tǒng)，進一步包括:` 包括至少第一單元對和至少第二單元對的第二天線單元陣列，所述至少第一單元對被分離最多所述響應信號的1/2 λ，所述至少第二單元對被分離大約所述響應信號的N λ，N為不等于O的整數； 用于從第二天線單元陣列的至少一部分傳送詢問信號的裝置； 用于在所述第二天線單元陣列的所述至少第一單元對接收來自目標的對所述傳送的詢問信號的響應的裝置； 用于在所述第二天線單元陣列的所述至少第二單元對接收對所述傳送的詢問信號的響應的裝置； 處理器，被配置為: 確定在所述第二天線單元陣列的所述至少第一單元對上接收的響應的粗方位； 基于與所述第二天線單元陣列相關聯的所述確定的粗方位和在所述第二天線單元陣列的第二單元對接收的響應確定用于目標的第二方位值；以及 基于從所述第二方位值得到的相位差和從所述第一方位值得到的相位差確定第三方位值。
14.如權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述第二天線單元陣列的所述至少第一單元對包括兩個單元對，所述兩個單元對共享共用單元，鏈接所述兩個單元對的每一個中的元件的軸相互垂直，以及 其中所述第二天線單元陣列的所述至少第二單元對包括一個單元對，所述至少第二單元對的所述單元對的單元之一為所述共用單元。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，所述第二天線單元陣列的所述至少第一單元對和所述至少第二單元對的單元對位于航行器上近似相同的平面中，其中，第一天線單元陣列位于航行器的頂部，以及第二天線單元陣列位于航行器的底部。
16.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其中.所述天線單元陣列的所述至少第一單元對包括被分離最多所述響應信號的1/2λ的兩個單元對，以及其中，所述天線單元陣列的所述至少第一單元對包括被分離大約所述響應信號的N λ的第二單元對，N為不等于O的整數。
17.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述天線單元陣列的第一和第二單元對位于相同的平面。
18.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述天線單元陣列的第一和第二單元對位于地面上。
【文檔編號】G01S13/93GK103493293SQ201180068474
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2011年2月25日 優(yōu)先權日:2011年2月25日
【發(fā)明者】G·王, J·軒 申請人:霍尼韋爾國際公司