本申請(qǐng)要求于2014年5月21日提交的名為“經(jīng)由無人機(jī)/UAV平臺(tái)的寬帶接入系統(tǒng)”的美國申請(qǐng)第14/284,375號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)要求于2014年2月17日提交的名為“經(jīng)由無人機(jī)/UAV平臺(tái)的寬帶接入系統(tǒng)”的第61/940,805號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)和于2014年3月24日提交的名為“經(jīng)由無人機(jī)/UAV平臺(tái)的寬帶接入系統(tǒng)”的第14/223,705號(hào)美國專利申請(qǐng)的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開描述了用于將空中平臺(tái)比如無人機(jī)(drone)、UABV、氣球、飛艇、無人直升機(jī)(robocopters)用作平臺(tái)以在不同種類的終端間中繼互聯(lián)網(wǎng)流量的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)的多個(gè)方面。

背景技術(shù)：

多年來隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的增長，需要新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)以較低成本的寬帶接入家庭和企業(yè)以及尚未覆蓋的地方。目前寬帶傳送系統(tǒng)的示例包括地面有線網(wǎng)絡(luò)比如雙絞線上的DSL(數(shù)字用戶線路)、光纖傳送系統(tǒng)比如Verizon的FiOS(光纖服務(wù))以及比如由ViaSat和Hughes網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的地球同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)。目前的寬帶接入系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)。問題之一是缺少在偏遠(yuǎn)和人煙稀少地區(qū)的服務(wù)。地球同步軌道衛(wèi)星確實(shí)在發(fā)達(dá)國家的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供服務(wù)，比如美國。但世界上的貧困地區(qū)比如非洲還缺少足夠的衛(wèi)星容量。

在世界上的貧困區(qū)域未充分提供衛(wèi)星容量的顯著原因之一就是衛(wèi)星系統(tǒng)相對(duì)較高的成本。由于衛(wèi)星軌道中不利的大氣影響，衛(wèi)星硬件必須是空間級(jí)別的且十分昂貴。將衛(wèi)星送入軌道的運(yùn)載火箭也很昂貴。而且，由于衛(wèi)星的發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)和高昂成本，給衛(wèi)星和發(fā)射投保的成本也很可觀。因此，寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)相對(duì)比較昂貴且難以用于世界貧困地區(qū)。在人煙稀少地區(qū)部署地面系統(tǒng)比如光纖或微波鏈路也很昂貴。低用戶密度無法證明部署成本的合理性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開描述了用于在地面終端與一個(gè)或多個(gè)無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)之間的寬帶無線接入通信的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括位于每個(gè)無人機(jī)上的至少一個(gè)天線固定裝置，其能夠生成朝向地面的至少一個(gè)波束，從而形成朝向位于地面廣泛區(qū)域中的終端以及朝向網(wǎng)絡(luò)中其他無人機(jī)的波束。系統(tǒng)還包括位于每個(gè)無人機(jī)上的至少一個(gè)無線電子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)具有用于解調(diào)并解碼從地面終端接收的信號(hào)的接收器以及具有發(fā)射器，發(fā)射器用于調(diào)制數(shù)據(jù)并將調(diào)制的信號(hào)通過至少一個(gè)無人機(jī)天線傳送至地面終端、向地面終端發(fā)送至少一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)并控制及配置無人機(jī)天線以形成特定方向的波束。系統(tǒng)還包括至少一個(gè)無人機(jī)切換子系統(tǒng)，以將在無人機(jī)處從一組地面終端接收的數(shù)據(jù)切換至另一組地面終端。

此外，系統(tǒng)具有位于地面終端處的天線子系統(tǒng)和位于地面終端處的無線電子系統(tǒng)，天線子系統(tǒng)能夠?qū)⒉ㄊ蛱囟o人機(jī)定位，無線電子系統(tǒng)具有用于解調(diào)并解碼從無人機(jī)接收的信號(hào)的接收器以及具有發(fā)射器，發(fā)射器用于調(diào)制地面終端數(shù)據(jù)并將信號(hào)通過地面終端天線傳送至無人機(jī)、向無人機(jī)發(fā)送至少一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)并控制及配置地面終端天線以形成特定方向的波束。

本公開描述了包含多個(gè)天線孔的無人機(jī)天線固定裝置，每個(gè)天線孔定位為覆蓋不同區(qū)域。系統(tǒng)包括檢測(cè)無人機(jī)的位置、翻滾、俯仰、偏航定向的改變以及指示天線固定裝置相應(yīng)地操控?zé)o人機(jī)波束定位至地面的相同位置，并且檢測(cè)無人機(jī)的位置或定向是否已足夠移動(dòng)以使定位至地面上的給定位置的天線固定裝置或天線孔可切換/改變至不同的天線固定裝置或相同天線固定裝置的不同天線孔。位于每個(gè)無人機(jī)上的至少一個(gè)天線固定裝置放置為能夠操控波束朝向網(wǎng)絡(luò)中至少一個(gè)其他無人機(jī)。

本公開的其他方面描述了一種地面終端天線，其天線孔安裝在能夠以方位角和仰角方向移動(dòng)孔以將天線大致定位朝向無人機(jī)的結(jié)構(gòu)上；天線孔具有帶電子束的元件，其能夠形成方位角和仰角以精細(xì)地將波束朝向無人機(jī)定位?？蛇x的地面終端天線由至少兩個(gè)天線孔構(gòu)成，其中至少一個(gè)孔朝向低仰角定位，至少第二個(gè)孔朝向高仰角定位；天線孔安裝在僅以方位角方向轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)上，每個(gè)天線孔能夠形成方位角和仰角以精細(xì)地將波束朝向無人機(jī)定位的每個(gè)天線孔。地面終端天線孔具有僅在仰角電操控波束的元件，方位角波束操控僅通過孔的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。在本公開的另一方面，地面終端天線孔不能操控電波束，方位角和仰角的波束操控通過將孔以方位角和仰角軸線朝向無人機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)。

地面終端天線固定裝置的另一方面包括具有多個(gè)天線孔的單個(gè)天線固定裝置，其中每個(gè)孔面對(duì)方位角或仰角的不同方向，地面終端無線電子系統(tǒng)選擇從無人機(jī)接收最強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)的孔。

本公開的另一方面描述了用于儲(chǔ)存較接近地面終端的無人機(jī)列表的方法和系統(tǒng)，該列表稱為無人機(jī)鄰居列表，根據(jù)無人機(jī)的導(dǎo)頻強(qiáng)度，儲(chǔ)存無人機(jī)的位置，并將地面終端天線朝向無人機(jī)鄰居列表上的無人機(jī)定位。地面終端檢測(cè)來自無人機(jī)的導(dǎo)頻信號(hào)，評(píng)估導(dǎo)頻信號(hào)質(zhì)量，并將所測(cè)量的信號(hào)質(zhì)量與配置值相比較以確定所有無人機(jī)中特定無人機(jī)是否提供最高的信號(hào)質(zhì)量。在本公開的另一方面，描述了用于地面終端將終端周圍空間劃分為角錐并尋找用于無人機(jī)導(dǎo)頻的每個(gè)角錐的系統(tǒng)和方法。終端選擇具有最強(qiáng)無人機(jī)導(dǎo)頻的角錐和相應(yīng)的無人機(jī)作為最佳無人機(jī)。

此外，地面終端發(fā)送消息至無人機(jī)以登記無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送地面終端的位置信息和其他配置參數(shù)至無人機(jī)，并且將地面終端旨在與其通信的無人機(jī)的標(biāo)識(shí)通知網(wǎng)絡(luò)。

本公開的另一方面描述了用于形成多個(gè)無人機(jī)波束以覆蓋無人機(jī)足跡的方法和系統(tǒng)，用于將無人機(jī)的足跡劃分為一組固定的連續(xù)虛擬無人機(jī)波束、在一個(gè)時(shí)間間隔中基于地面終端的位置開啟多個(gè)虛擬無人機(jī)波束并關(guān)閉剩余虛擬波束、并改變?cè)诓煌臅r(shí)間間隔中開啟的波束組的方法和系統(tǒng)。系統(tǒng)的另一方面包括用于形成具有可調(diào)整波束中心的多個(gè)非重疊無人機(jī)波束的方法和系統(tǒng)。

該系統(tǒng)描述了這樣的方法和系統(tǒng)，其用于無人機(jī)天線通過一個(gè)無人機(jī)天線固定裝置的一個(gè)天線孔朝向參考地面終端傳送導(dǎo)頻信號(hào)，用于地面終端測(cè)量從無人機(jī)接收的導(dǎo)頻信號(hào)的至少一個(gè)信號(hào)質(zhì)量度量，并將測(cè)量的無人機(jī)導(dǎo)頻信號(hào)質(zhì)量發(fā)送至無人機(jī)，以及用于無人機(jī)使用從地面終端接收的導(dǎo)頻信號(hào)質(zhì)量測(cè)量更新傳送天線元件的系數(shù)以優(yōu)化地面終端從無人機(jī)接收的導(dǎo)頻信號(hào)的至少一個(gè)信號(hào)質(zhì)量度量。

本公開的另一方面描述了這樣的方法和系統(tǒng)，其用于無人機(jī)天線朝向參考地面終端一次一個(gè)元件地傳送天線孔的每個(gè)元件上的導(dǎo)頻信號(hào)，用于地面終端測(cè)量從無人機(jī)接收的導(dǎo)頻信號(hào)的振幅和相位，并將所測(cè)量的無人機(jī)導(dǎo)頻信號(hào)振幅和相位發(fā)送至無人機(jī)，以及用于無人機(jī)使用從地面終端接收的振幅和相位信息以校正傳送天線元件。此外，系統(tǒng)具有位于無人機(jī)處的接收器以從地面終端接收信號(hào)，并測(cè)量所接收信號(hào)的至少一個(gè)信號(hào)質(zhì)量度量，以及用于能夠基于優(yōu)化準(zhǔn)則更新接收天線元件系數(shù)。

該系統(tǒng)還從用于校正地面終端的傳送和接收天線元件(如描述無人機(jī)天線子系統(tǒng)校正那樣)的相同方法和系統(tǒng)獲益。這些方法和系統(tǒng)與用于無人機(jī)天線校正的方法和系統(tǒng)相同，但是其中地面終端和無人機(jī)的角色互換。

本公開描述了用于在地面終端與一個(gè)或多個(gè)無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)之間提供寬帶無線接入通信的方法。該方法包括使用每個(gè)無人機(jī)的至少一個(gè)天線固定裝置生成朝向地面的至少一個(gè)波束，動(dòng)態(tài)形成并操控波束朝向位于地面的廣泛區(qū)域中的特定終端并朝向網(wǎng)絡(luò)中其他無人機(jī)。該方法還包括發(fā)送至少一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)至地面終端，并控制及配置無人機(jī)天線以特定方向操控波束。

此外，系統(tǒng)包括使用地面終端處的天線子系統(tǒng)朝向特定無人機(jī)動(dòng)態(tài)定位波束的方法，用于使用地面終端處的無線電子系統(tǒng)解調(diào)并解碼從無人機(jī)接收的信號(hào)，用于調(diào)制地面終端數(shù)據(jù)并將信號(hào)通過地面終端天線傳送至無人機(jī)，用于發(fā)送至少一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)至無人機(jī)，以及控制和配置地面終端天線以在特定方向操控其波束。

系統(tǒng)包括這樣的方法，其用于檢測(cè)無人機(jī)的位置、翻滾、俯仰、偏航定向的改變以及指示天線固定裝置相應(yīng)地操控?zé)o人機(jī)波束定位至地面的相同位置，并且檢測(cè)無人機(jī)的位置或定向是否已足夠移動(dòng)以使定位至地面上的給定位置的天線固定裝置或天線孔可切換/改變至不同的天線固定裝置或相同天線固定裝置的不同天線孔。

本公開的其他方面描述了這樣的方法，其用于以方位角和仰角方向機(jī)械移動(dòng)地面終端的孔以使用可移動(dòng)終端天線孔的地面終端結(jié)構(gòu)將天線大致朝向無人機(jī)定位；以及用于以方位角和仰角形成電波束以使用天線孔的元件精細(xì)地將波束朝向無人機(jī)定位的方法。本公開可選的方面包括用于將一個(gè)地面終端天線孔朝向低仰角定位，將至少第二個(gè)孔朝向高仰角定位的方法，以使用安裝有孔的結(jié)構(gòu)以方位角方向機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)至少兩個(gè)天線孔，并用于電波束以方位角和仰角形成從而精細(xì)地將波束朝向無人機(jī)定位。本公開的另一方面包括用于以方位角和仰角機(jī)械操控地面終端天線孔的波束而沒有任何電波束形成的方法。本公開的另一方面包括用于確定覆蓋不同方位角和仰角的地面終端天線的另一方面的多個(gè)天線孔中哪一個(gè)具有向無人機(jī)最高增益，并將地面終端發(fā)射器和接收器切換至所選的孔。

附圖說明

附圖連同詳細(xì)描述有助于闡明本公開的特征和優(yōu)點(diǎn)。在圖中，相似的部件使用相同的參考標(biāo)記來加以標(biāo)識(shí)。一幅圖中相同部件的多個(gè)示例通過在參考標(biāo)記后插入破折號(hào)或添加第二參考標(biāo)記來加以區(qū)分。

圖1是使用無人機(jī)作為平臺(tái)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)的框圖。

圖2示出了地面終端天線固定裝置的不同方面。

圖3示出了無人機(jī)天線固定裝置的示意圖。

圖4是基于示出無人機(jī)的多天線固定裝置方面的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)的無人機(jī)的框圖。

圖5示出了管理遍及無人機(jī)足跡覆蓋區(qū)域之上的無人機(jī)波束的一個(gè)方面。

圖6示出了由地面終端用來尋找其接收最強(qiáng)信號(hào)的無人機(jī)的過程。

圖7示出了用于校正無人機(jī)天線子系統(tǒng)的設(shè)備。

圖8示出了校正無人機(jī)的接收天線元件的過程。

圖9示出了根據(jù)本公開的一個(gè)方面的校正無人機(jī)的傳送天線元件的過程。

圖10示出了根據(jù)本公開的一個(gè)方面校正無人的傳送天線元件的過程。

具體實(shí)施方式

圖示和下文以及用于描述本發(fā)明原理的各個(gè)實(shí)施方式僅作為示例說明而不理解為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員(PHOSITA)會(huì)很容易地認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的原理可在任何類型的適當(dāng)布置的裝置或系統(tǒng)中實(shí)施。特別地，當(dāng)關(guān)于在地面終端和其中的網(wǎng)絡(luò)之間的寬帶無線接入通信的使用描述本發(fā)明時(shí)，PHOSITA會(huì)很容易地認(rèn)識(shí)到其他類型的網(wǎng)絡(luò)和其他應(yīng)用而不背離本發(fā)明的范圍。

在更詳細(xì)地描述本發(fā)明之前，要理解的是，發(fā)明不限于描述的特定實(shí)施方式，當(dāng)然就其本身而言可相應(yīng)變化。還要理解的是，本文中所用術(shù)語只是為了描述特定實(shí)施方式，而不是想要限定，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍只會(huì)通過所附權(quán)利要求來限定。

對(duì)于所提供的值的范圍，應(yīng)理解，在該范圍上限和下限之間的每個(gè)中間值，除非上下文另有指明否則至下限單位的第十個(gè)，和在該規(guī)定范圍中任何其他規(guī)定的或介于其中的值都包含在本發(fā)明內(nèi)。這些較小范圍的上限和下限可獨(dú)立包括在較小范圍內(nèi)，同樣包含在本發(fā)明內(nèi)，復(fù)合規(guī)定范圍中任何特別排除的界限。在規(guī)定范圍包括一個(gè)或兩個(gè)界限時(shí)，排除那些包括的一個(gè)或兩個(gè)界限的范圍同樣包含在本發(fā)明內(nèi)。

除非另有定義，本文中所用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的PHOSITA通常所理解的相同的含義。雖然與本文中所描述的那些相似或相同的任何方法和材料也能夠用于實(shí)踐和檢驗(yàn)本發(fā)明，但在本文中僅描述了有限數(shù)量的示例性方法和材料。

必須注意的是，當(dāng)在本文中和所附權(quán)利要求中使用時(shí)，單數(shù)形式“一個(gè)(a)”、“一個(gè)(an)”和“一個(gè)(the)”包括復(fù)數(shù)的所指對(duì)象，除非上下文另有指明。

本文提及的所有公開文本都通過引用并入本文以公開和描述與所引用的公開文本有關(guān)的方法和/或材料。本文中討論的公開文本僅為其先于本申請(qǐng)?zhí)峤蝗掌诘墓_而提供。本文中沒有任何內(nèi)容會(huì)被理解為承認(rèn)本發(fā)明無資格憑借先前的發(fā)明而先于這樣的公開文本。而且，所提供的公開文本日期可能不同于實(shí)際公開文本日期，這可能需要單獨(dú)確認(rèn)。

鑒于在花費(fèi)和接入偏遠(yuǎn)、貧困或其他服務(wù)不及地區(qū)這兩方面的挑戰(zhàn)和障礙，存在著改進(jìn)寬帶接入的需要。因此，需要具有低得多的硬件成本、具有低得多的發(fā)射/部署成本并且更易于擴(kuò)展的系統(tǒng)。

近來，無人機(jī)(drone)，又名UAV，廣泛用于軍事以及一些科學(xué)應(yīng)用，比如氣象信息收集。無人機(jī)/UAV的商業(yè)應(yīng)用包括包裹遞送系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)和用于通信的平臺(tái)。本公開描述了使用無人機(jī)/UAV作為通信平臺(tái)而優(yōu)化的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因?yàn)闊o人機(jī)/UAV在比衛(wèi)星低得多的高度飛行，無人機(jī)系統(tǒng)不需要衛(wèi)星系統(tǒng)昂貴的空間資格。無人機(jī)/UAV也不需要昂貴的發(fā)射系統(tǒng)。因?yàn)闊o人機(jī)/UAV硬件成本相比于衛(wèi)星較小且發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)小，因此不需要或較少需要昂貴的保險(xiǎn)。因此，本公開的原理提供了基于高性能無人機(jī)/UAV的寬帶通信系統(tǒng)。就其本身而言，無人機(jī)/UAV硬件相對(duì)較低的成本和運(yùn)行成本及其高性能促使了低成本的寬帶傳送系統(tǒng)。

因此，在一個(gè)實(shí)施方式中，UVA即無人機(jī)。貫穿整個(gè)說明書，無人機(jī)或UAV可互換使用，除非上下文就一般術(shù)語、UAV或更專用的術(shù)語drone而另有指明。在其他實(shí)施方式中，UAV包括由水平旋翼推動(dòng)的無人直升機(jī)。本公開的實(shí)施方式可能應(yīng)用的其他空中平臺(tái)有氣球、小型飛船和飛艇。無人機(jī)/UAV可包括推進(jìn)系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)以及機(jī)載航行和控制系統(tǒng)。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，無人機(jī)包括與推進(jìn)器組合的固定翼機(jī)身等。UAV可隨機(jī)攜帶燃料或使用太陽能運(yùn)行。在本公開的其余部分我們使用術(shù)語空中平臺(tái)和無人機(jī)指任何上述平臺(tái)，比如無人機(jī)、UAV、氣球、小型飛船、飛艇等等。

無人機(jī)/UAV超越衛(wèi)星系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)是無人機(jī)/UAV系統(tǒng)的低延遲。例如，地面軌道同步衛(wèi)星具有從地面到衛(wèi)星再返回地面的約0.5秒的往返延遲，這顯著影響了需要低往返延遲的服務(wù)質(zhì)量。即使是高空無人機(jī)/UAV，在25千米的高度，到地面上距無人機(jī)約300千米的終端會(huì)有約2msec的往返延遲?；跓o人機(jī)/UAV的系統(tǒng)允許如地面寬帶接入系統(tǒng)一般的實(shí)時(shí)質(zhì)量。

無人機(jī)的另一主要優(yōu)點(diǎn)是其能夠在300km或更小半徑的區(qū)域中一次部署一個(gè)并立即向無人機(jī)的足跡提供服務(wù)。反之，衛(wèi)星系統(tǒng)在可提供服務(wù)前需要覆蓋大范圍區(qū)域，比如在地球同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)情況下的CONUS(美國大陸)很大一部分，或在LEO(近地軌道)衛(wèi)星系統(tǒng)情況下的地球大部分地區(qū)。因此，基于無人機(jī)的系統(tǒng)規(guī)模恰好為能夠發(fā)送一個(gè)無人機(jī)并在其足跡中開始服務(wù)，測(cè)試服務(wù)的市場(chǎng)接受度，然后在需要服務(wù)的區(qū)域發(fā)送更多的無人機(jī)。人們能夠在僅對(duì)服務(wù)有高需求的國家的區(qū)域中部署無人機(jī)。

在不同子系統(tǒng)的描述中，一般子系統(tǒng)的標(biāo)記后跟后綴-j，j是指示系統(tǒng)子系統(tǒng)的不同事件的整數(shù)。例如，110-j是指第j個(gè)無人機(jī)，圖1示出了無人機(jī)的兩個(gè)事件，對(duì)于j＝1的110-1和對(duì)于j＝2的110-2。每個(gè)無人機(jī)110-j具有無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112-j和至少一個(gè)無人機(jī)天線子系統(tǒng)114-j。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112-j由4個(gè)子系統(tǒng)組成：對(duì)來自天線子系統(tǒng)114-j的信號(hào)解調(diào)和解碼的接收器318-j；發(fā)射器子系統(tǒng)316-j調(diào)制從處理器314-J接收的數(shù)據(jù)并通過天線子系統(tǒng)114-j發(fā)送生成的信號(hào)；處理器子系統(tǒng)314-j執(zhí)行的職能諸如配置接收器318-j和發(fā)射器316-j子系統(tǒng)，處理從接收器318-j子系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)通過發(fā)射器子系統(tǒng)316-j傳送，以及控制天線子系統(tǒng)114-j；存儲(chǔ)器子系統(tǒng)312-j包含程序代碼和配置，以及由處理器318-j存取的系統(tǒng)參數(shù)信息。每個(gè)無人機(jī)還具有無人機(jī)轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)116-j。轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)116-j可在無人機(jī)的足跡中將從一個(gè)GT接收的數(shù)據(jù)路由至另一GT，比如在無人機(jī)110-2的足跡中從GT 120-1至GT 120-2，如果兩個(gè)GT互相發(fā)送數(shù)據(jù)的話。如果GT的數(shù)據(jù)指定給互聯(lián)網(wǎng)，則無人機(jī)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從GT路由數(shù)據(jù)至GTW，GTW路由數(shù)據(jù)至互聯(lián)網(wǎng)。例如，圖2中GT 120-3發(fā)送其數(shù)據(jù)至無人機(jī)110-2，無人機(jī)110-2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至GTW 130-1，GTW 130-1依次發(fā)送數(shù)據(jù)至互聯(lián)網(wǎng)132。

根據(jù)無人機(jī)的高度，每個(gè)無人機(jī)或UAV可覆蓋地面上幾公里大小到至少200km或400km甚至更大的半徑的區(qū)域。無人機(jī)與至少兩種地面終端通信：一種是用戶地面終端(GT)120-j，比如家庭或企業(yè)終端提供互聯(lián)網(wǎng)連通性給家庭或企業(yè)；第二種是我們所指的連接至互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(GTW)130-j。GT使用無人機(jī)作為媒介來傳送并接收來自互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。無人機(jī)的無線電子系統(tǒng)聚合從至少兩個(gè)GT接收的流量并可聚合從所有GT接收的流量并通過GTW之一發(fā)送聚合數(shù)據(jù)至互聯(lián)網(wǎng)。因此，GTW需要提供比GT提供的更高的無人機(jī)的接收/發(fā)送數(shù)據(jù)速率。這意味著GTW天線子系統(tǒng)的天線增益需要大于GT的天線增益，并且GTW發(fā)射器需要以比GT功率更高的功率來傳送。當(dāng)所討論的設(shè)計(jì)問題應(yīng)用于GT和GTW兩者時(shí)，地面終端(GT)指的是系統(tǒng)描述中的兩種終端。當(dāng)問題專門應(yīng)用于GT或GTW時(shí)，就使用相應(yīng)的術(shù)語。

類似于無人機(jī)系統(tǒng)，GT 120-j具有兩個(gè)主要的子系統(tǒng)，地面終端無線電子系統(tǒng)122-j和地面終端天線子系統(tǒng)124-j。GT無線電子系統(tǒng)122-j由4個(gè)子系統(tǒng)組成：對(duì)來自無人機(jī)天線子系統(tǒng)的信號(hào)解調(diào)和解碼的接收器418-j；發(fā)射器子系統(tǒng)416-j調(diào)制數(shù)據(jù)并通過天線子系統(tǒng)124-j發(fā)送生成的信號(hào)；處理器子系統(tǒng)414-j執(zhí)行的職能諸如配置接收器418-j和發(fā)射器416-j子系統(tǒng)，處理從接收器418-j子系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)通過發(fā)射器子系統(tǒng)416-j傳送，以及控制天線子系統(tǒng)124-j；存儲(chǔ)器子系統(tǒng)412-j包含程序代碼和配置數(shù)據(jù)，以及由處理器418-j存取的系統(tǒng)參數(shù)信息。

在一個(gè)實(shí)施方式中，無人機(jī)和GT天線具有高天線增益以達(dá)到高系統(tǒng)能力。而且，裝置將無人機(jī)和GT天線精準(zhǔn)地指向彼此以使來自傳送和接收天線的組合增益最大化。GT天線子系統(tǒng)可具有高天線增益以使無人機(jī)和GT之間的數(shù)據(jù)速率/容量最大化，這意味著天線會(huì)高度定向。因此，天線可能能夠操控其波束要么電子地要么機(jī)械地指向不同的無人機(jī)以找出GT從其接收最強(qiáng)信號(hào)的無人機(jī)，下文中被稱為“最佳”無人機(jī)。如果GT天線子系統(tǒng)波束不可自動(dòng)操控，則在安裝時(shí)技術(shù)人員可小心地將GT天線子系統(tǒng)波束指向“最佳”無人機(jī)，這是個(gè)耗時(shí)且昂貴的過程。如果GT天線子系統(tǒng)自身操控其波束以找出最佳無人機(jī)，GT天線子系統(tǒng)部署會(huì)更快且成本更低。此外，如果無人機(jī)改變其在天空中的位置，比如當(dāng)更多的無人機(jī)加入網(wǎng)絡(luò)以增加容量時(shí)，對(duì)于GT天線子系統(tǒng)來說操控其波束自動(dòng)朝向新的無人機(jī)位置或找出新的最佳無人機(jī)是非常可取的。如果希望系統(tǒng)以2°大小的低仰角支持GT，則有可能GT和其最佳無人機(jī)之間的路徑將由于新結(jié)構(gòu)而在之后的時(shí)間被阻塞。如果那樣，能夠自動(dòng)(電子地或機(jī)械地)操控其波束并確定新的最佳無人機(jī)的GT天線子系統(tǒng)系統(tǒng)將不需要技術(shù)人員訪問GT現(xiàn)場(chǎng)以調(diào)整GT天線子系統(tǒng)波束。

GT位于與無人機(jī)的360°方位角相關(guān)的任何地方。而且，從無人機(jī)到GT的距離能夠從幾千米，即從GT到無人機(jī)接近90°的高仰角，到遠(yuǎn)達(dá)300km或更遠(yuǎn)，即從GT到無人機(jī)仰角2°或更小。因此，GT天線子系統(tǒng)需要在關(guān)于無人機(jī)的仰角及方位角上操控其波束。我們先來描述提供要求朝向無人機(jī)的波束的GT天線子系統(tǒng)的孔。

在圖2A中所示的GT天線設(shè)計(jì)的一個(gè)方面中，圖2A的天線孔126呈矩形，其會(huì)選取導(dǎo)致期望增益的尺寸。天線孔可具有不同的形狀因子，比如圓形。然而，優(yōu)先選擇孔尺寸來達(dá)到要求的增益。天線孔126包含天線元件125-j。天線元件125-j能夠在孔上二維構(gòu)造，并能夠適當(dāng)組合以在方位角及仰角上操控波束?？赡艿奶炀€元件結(jié)構(gòu)有塊、角、槽結(jié)構(gòu)、CTS(連續(xù)橫向短線)、異向介質(zhì)及其他介質(zhì)材料。天線元件125-j和波束操控技術(shù)允許將波束在仰角上指向某范圍內(nèi)，比如45°，這取決于孔的尺寸。在方位角上，在限定的角度范圍內(nèi)能夠操控波束，比如在60°以內(nèi)，這取決于孔的尺寸。如圖2A所示，天線孔126可在方位角上繞結(jié)構(gòu)142而在仰角上繞結(jié)構(gòu)144旋轉(zhuǎn)。在方位角和仰角上的機(jī)械操控用于近似地將天線孔126指向無人機(jī)110-j。朝向無人機(jī)110-j更精確的波束操控在方位角和仰角上通過電子波束成形來實(shí)現(xiàn)。在圖2A中，為了能夠以較低仰角在給定范圍內(nèi)電子地操控波束，天線孔126僅在承托結(jié)構(gòu)上稍向上傾斜。為了覆蓋更高的仰角，孔126可機(jī)械地再向上傾斜以允許在更高仰角處的電子波束操控。

在GT天線設(shè)計(jì)的另一方面中，圖2B示出了天線結(jié)構(gòu)124b，第二較小孔128b添加在結(jié)構(gòu)頂部。孔128b可比孔126b小得多，因?yàn)榭?28b覆蓋更高的仰角，即從無人機(jī)到GT的距離小得多，需要更低的天線增益來關(guān)閉鏈接。例如，考慮無人機(jī)在20km的高度和距GT 300km的水平距離。在距離300km處，從GT到無人機(jī)的仰角約為2°。當(dāng)從GT到20km高度處的無人機(jī)仰角為10°時(shí)，那么從GT到無人機(jī)的距離約為115km。在距離115km處14GHz的路徑損耗約為8.5dB，小于距離300km處的路徑損耗。這就是為何天線孔128b能夠遠(yuǎn)小于天線孔126b。因此，孔126b在較低仰角處操控波束，而孔128b在較高仰角處操控波束。為了使用圖2B的天線結(jié)構(gòu)124b在方位角上充分操控波束，天線孔126b和天線孔128b所安裝的結(jié)構(gòu)142b可機(jī)械地繞其軸旋轉(zhuǎn)。波束在方位角和仰角上的繼續(xù)微調(diào)通過將電子波束成形技術(shù)應(yīng)用于天線元件125-j來達(dá)成。無線電子系統(tǒng)根據(jù)從無人機(jī)到GT的仰角GT選擇孔126b或128b。

圖2C中示出了GT天線的另一個(gè)方面，天線元件125-j只在仰角上操控波束。在GT天線子系統(tǒng)124c設(shè)計(jì)中，方位角波束操控通過使用結(jié)構(gòu)142會(huì)完全機(jī)械化；這消除了方位角電子波束成形需求并簡(jiǎn)化了電子器件。

圖2D中示出了GT天線的另一個(gè)方面，波束操控在仰角和方位角上都機(jī)械地實(shí)施。圖2D示出了附著于結(jié)構(gòu)142和結(jié)構(gòu)144的信號(hào)天線孔126d。結(jié)構(gòu)142沿方位軸旋轉(zhuǎn)以在方位角上提供波束操控，結(jié)構(gòu)144沿仰角軸旋轉(zhuǎn)以在仰角上操控波束。

圖2E示出了GT天線的另一個(gè)方面。圖2E的天線固定裝置124e具有多個(gè)孔，孔126-1面朝上以覆蓋非常高的仰角。其他孔，126-2至126-7每個(gè)都在方位角上覆蓋約60°。要注意的是，盡管在圖2E中只示出了6個(gè)邊的孔，但實(shí)際上可使用更多邊和不同的形狀。圖2E的結(jié)構(gòu)旨在展示使用覆蓋方位角和仰角的不同部分的天線孔來覆蓋方位角和仰角上全部360度的天線固定裝置的示例。該天線結(jié)構(gòu)不需要任何機(jī)械結(jié)構(gòu)來形成所有方位角和仰角方向上的高增益波束。終端無線電子系統(tǒng)選擇孔，地面終端從該孔接收來自無人機(jī)的最強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)。終端無線電子系統(tǒng)可利用對(duì)終端的位置和終端要通信的無人機(jī)的位置的認(rèn)知來選擇孔。可選地，終端接收器可評(píng)價(jià)每個(gè)天線孔上從無人機(jī)接收的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度，從而選擇接收最強(qiáng)信號(hào)的孔。在一個(gè)實(shí)施方式中，這示例為其表面由天線元件組成的半球形并會(huì)根據(jù)待服務(wù)的方位角和仰角在半球形天線孔的一部分上激活。

在本公開的另一個(gè)方面中，如圖3中所示，描述了無人機(jī)天線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先考慮每個(gè)無人機(jī)上只安裝一個(gè)天線固定裝置的情況。單天線固定裝置的一個(gè)問題就是天線孔的尺寸需要很大，以便掃描跨越從45°的高仰角或更高到2°的低仰角的覆蓋范圍的從GT到無人機(jī)的波束，以避免顯著的波束掃描損耗。掃描損耗問題可利用圖3的天線固定裝置結(jié)構(gòu)來緩解。圖3的天線固定裝置114具有中央天線孔116-1，其設(shè)計(jì)以覆蓋在關(guān)于無人機(jī)的高仰角處的區(qū)域，即靠近無人機(jī)的位置。圖3中的天線孔116-j，j＝2、……、7，置于相對(duì)于中央孔116-1成角度的地方，在某種程度上更好地覆蓋低仰角和更遠(yuǎn)離無人機(jī)的區(qū)域。圖3的天線固定裝置會(huì)安裝在無人機(jī)的下部中央處，其具有附著至無人機(jī)的較大基座并且孔116-1向下俯視。然后，因?yàn)榭?16-2、……、116-7傾斜向更遠(yuǎn)的距離，它們朝向低仰角具有的波束掃描損耗少于單孔設(shè)計(jì)所具有的波束掃描損耗。每個(gè)天線孔可由用來電子地形成并操控波束的許多天線元件115-j組成。

此外，當(dāng)無人機(jī)翻滾或俯仰時(shí)，地面上的一些覆蓋區(qū)域可能以極少或沒有覆蓋而告終。每個(gè)無人機(jī)設(shè)計(jì)的單天線固定裝置會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)翻滾和俯仰時(shí)顯著的覆蓋損失。因此，圖3中天線設(shè)計(jì)的多天線孔有助于減輕波束掃描損耗，并有助于減小天線固定裝置的總體尺寸。多天線固定裝置手段緩解了與無人機(jī)翻滾或俯仰有關(guān)的問題。

在圖4中示出的無人機(jī)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一方面中，至少兩個(gè)單獨(dú)的天線固定裝置114a和114c在無人機(jī)的每側(cè)各安裝一個(gè)。至少兩個(gè)天線固定裝置114b和114d，一個(gè)安裝在無人機(jī)的前面，一個(gè)安裝在無人機(jī)的后面。至少一個(gè)天線固定裝置114e安裝在無人機(jī)的頂部。當(dāng)不同的鄰近無人機(jī)的高度可能不同時(shí)，天線固定裝置114e將有助于無人機(jī)對(duì)無人機(jī)的通信。要注意的是，多于五個(gè)天線固定裝置114a-114e可置于無人機(jī)上的適當(dāng)位置。圖4的五個(gè)天線固定裝置114a-114e演示了如何覆蓋無人機(jī)的前面、后面和側(cè)面的示例。于是，當(dāng)無人機(jī)翻滾時(shí)，無人機(jī)的機(jī)體并不阻礙天線固定裝置朝向覆蓋區(qū)域。而且，甚至在無人機(jī)翻滾時(shí)，無人機(jī)每側(cè)的天線固定裝置還能夠?qū)臒o人機(jī)該側(cè)可見的大片區(qū)域掃描波束。不過，當(dāng)無人機(jī)翻滾時(shí)，指向地面上特定區(qū)域的波束將會(huì)移動(dòng)，這可導(dǎo)致在該區(qū)域中缺乏覆蓋或極少覆蓋。因此，波束需要操控回到原始區(qū)域，這能夠機(jī)械地或電子地進(jìn)行，因?yàn)樵搮^(qū)域從無人機(jī)該側(cè)上的天線固定裝置仍然可見。電子波束操控能夠比機(jī)械手段更快地重新指向波束而在重新指向期間數(shù)據(jù)速率損失更少。陀螺儀用來評(píng)估無人機(jī)翻滾、俯仰或偏航?；跓o人機(jī)翻滾、俯仰或偏航中的變化，波束視軸被操控指回到GT在地面上的位置。

在無人機(jī)上安裝多個(gè)天線固定裝置的另一原因是允許無人機(jī)至無人機(jī)的通信能力。如上所述，每個(gè)無人機(jī)需要通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(GTW)與互聯(lián)網(wǎng)通信，比如圖4的GTW 130-1。當(dāng)一個(gè)無人機(jī)的足跡中沒有GTW時(shí)，即圖4中的110-1，可能有多種情況。GT 120-1、GT 120-2和GT 120-3使用無人機(jī)110-1的天線固定裝置114a-1發(fā)送其數(shù)據(jù)224-1、224-2和224-3至無人機(jī)110-1。無人機(jī)110-1聚合來自GT 120-1、GT 120-2和GT 120-3的數(shù)據(jù)并使用無人機(jī)110-2的天線子系統(tǒng)114d-2將來自三個(gè)GT的聚合數(shù)據(jù)214-1從其無人機(jī)天線子系統(tǒng)114b-1發(fā)送至無人機(jī)110-2。無人機(jī)110-2從而會(huì)通過GTW的天線子系統(tǒng)134-1將聚合數(shù)據(jù)214-1從無人機(jī)天線子系統(tǒng)114a-2發(fā)送至GTW 130-1。GTW 130-1會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)214-1至互聯(lián)網(wǎng)。類似地，指定至無人機(jī)110-1的GT的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)會(huì)通過GTW 130-1發(fā)送至無人機(jī)110-2，然后從無人機(jī)110-2發(fā)送至無人機(jī)110-1，然后再到無人機(jī)110-1的足跡中的GT。

為了有效說明其他無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，比如無人機(jī)波束和無人機(jī)系統(tǒng)無線電及天線架構(gòu)，我們從無人機(jī)系統(tǒng)的示例鏈路預(yù)算開始。表1示出了示例鏈路預(yù)算。優(yōu)選地，無人機(jī)PA tx功率優(yōu)選地選擇以減少無人機(jī)的DC功率要求。表1假設(shè)PA帶有1dB壓縮點(diǎn)功率輸出10瓦特和3dB補(bǔ)償，導(dǎo)致5瓦特功率進(jìn)入無人機(jī)天線子系統(tǒng)的天線端口。假設(shè)PA效率25％，PA的DC功率要求約為40瓦特。借助按照表1的C/N約11dB，應(yīng)該能夠達(dá)到約3bits/秒/Hz的帶寬效率，即在500MHz的帶寬上數(shù)據(jù)速率約為1.5Gbps(千兆比特每秒)。借助20個(gè)同時(shí)從無人機(jī)到不同GT的波束，能夠達(dá)到對(duì)于消耗800瓦特DC功率(20個(gè)PA每個(gè)40瓦特)的一個(gè)無人機(jī)總?cè)萘考s30Gbps。這僅為示例且不應(yīng)被理解為限制，但這演示了在選擇PA功率、波束數(shù)量、總?cè)萘亢涂侱C功率要求中應(yīng)考慮的權(quán)衡?？梢院苋菀椎贸龅囊粋€(gè)結(jié)論是無人機(jī)天線子系統(tǒng)的天線增益需要合理地高，即按照表1的28dB或更多，以便保持無人機(jī)的DC功率要求在可接受范圍內(nèi)。例如，如果無人機(jī)天線增益降低了5dB并且通過增加PA tx功率來補(bǔ)償EIRP，則對(duì)于20個(gè)效率為25％的PA的無人機(jī)的總DC功率要求上升至多2.5千瓦，這會(huì)對(duì)用于無人機(jī)的電池和太陽能板的尺寸有重大影響。本公開的另一方面描述了形成了多少波束以及如何管理波束以覆蓋無人機(jī)足跡中的所有GT。一個(gè)問題是無人機(jī)的一個(gè)天線固定裝置會(huì)同時(shí)形成的波束數(shù)量。如果天線固定裝置同時(shí)形成N個(gè)波束，則輸入至附于每個(gè)天線元件的PA的將是N個(gè)波形的和，N個(gè)波束的每個(gè)都對(duì)應(yīng)一個(gè)；這導(dǎo)致高峰平比信號(hào)，并要求無人機(jī)PA倒回差不多10dB以避免信號(hào)失真和頻譜增生進(jìn)入鄰帶。PA倒回差不多10dB將導(dǎo)致PA功率非常低效的使用，這反而要求來自無人機(jī)電池系統(tǒng)的高DC功率。如果無人機(jī)天線固定裝置一次只形成一個(gè)波束，則波形可設(shè)計(jì)為具有低峰平比并顯著減小DC功率要求。使用一個(gè)天線固定裝置一次形成單波束的缺點(diǎn)是會(huì)需要與同時(shí)發(fā)生的波束一樣多的天線固定裝置，即無人機(jī)上需要的天線固定裝置數(shù)量等于需要的同時(shí)發(fā)生的波束的數(shù)量。

表格1無人機(jī)到地面終端(下行鏈路)鏈路預(yù)算

對(duì)配備無人機(jī)天線固定裝置的選擇產(chǎn)生一次僅有一個(gè)的波束還是多個(gè)同時(shí)發(fā)生的波束取決于更低的DC功率對(duì)多個(gè)天線固定裝置需求的相對(duì)效益。目標(biāo)是減少整體無人機(jī)成本。為了減少成本，需要減少無人機(jī)有效載荷的重量和組件成本。多個(gè)同時(shí)發(fā)生的波束促使每個(gè)PA增大至10dB，反過來意味著對(duì)于單波束情況用于PA的更多DC功率。更大的PA需要更大的外殼來應(yīng)對(duì)熱量，這意味著更大的重量。更高的DC功率還需要更大的電池，和因此而來的更大的太陽能電池板以給電池充電，這也意味著更大的重量。無人機(jī)上更重的有效載荷將反過來增加無人機(jī)載具尺寸和成本。在上文討論的帶有20個(gè)同時(shí)發(fā)生的波束的示例中，即使每個(gè)天線固定裝置會(huì)形成多個(gè)同時(shí)發(fā)生的波束，仍將需要至少四個(gè)天線固定裝置以便緩解如上所述無人機(jī)翻滾、俯仰和偏航時(shí)朝向地面終端，其中四個(gè)天線裝置布置為無人機(jī)兩側(cè)各一個(gè)，前部一個(gè)，后部一個(gè)。圖4中在無人機(jī)頂部的第五個(gè)天線不覆蓋地面終端，而用于無人機(jī)對(duì)無人機(jī)的通訊。因此，每個(gè)天線固定裝置只形成一個(gè)波束的無人機(jī)系統(tǒng)將需要相當(dāng)于每個(gè)固定裝置中帶有5個(gè)波束的四個(gè)固定裝置5倍之多的天線固定裝置。還應(yīng)注意的是，當(dāng)只用4個(gè)天線固定裝置時(shí)，每個(gè)天線孔需要大于使用20個(gè)固定裝置時(shí)，因?yàn)橐褂酶贁?shù)量的天線則每個(gè)天線必須掃描更廣闊的區(qū)域。如果需要掃描更廣闊的區(qū)域，則會(huì)有更高的天線掃描損耗。要減少天線掃描損耗，需要使用更大的天線孔尺寸和/或更復(fù)雜的天線固定裝置設(shè)計(jì)。換言之，4個(gè)固定裝置情況下的每個(gè)天線有望比20個(gè)天線固定裝置情況下的每個(gè)天線更大且更重。因此，很可能每個(gè)天線一次只形成一個(gè)波束的系統(tǒng)將比每個(gè)天線形成多個(gè)同時(shí)發(fā)生的波束的系統(tǒng)重量更輕且成本更少。完整的硬件設(shè)計(jì)以及部件重量和成本的評(píng)估需要選擇正確的天線數(shù)量。

下面討論本公開關(guān)于用于無人機(jī)系統(tǒng)的波束設(shè)計(jì)和管理的方面。在無人機(jī)波束設(shè)計(jì)和管理的一個(gè)方面中，無人機(jī)天線固定裝置形成覆蓋無人機(jī)足跡的連續(xù)波束集合。為了使毗鄰波束邊緣處的干擾最小化，可采用頻率復(fù)用方案，毗鄰波束據(jù)此使用不同的頻率?？捎玫念l帶將分成若干頻率通道，不同的頻率通道將根據(jù)一些頻率復(fù)用模式分配給不同的波束。每個(gè)地面終端將以特定的頻率通道和時(shí)隙從無人機(jī)接收數(shù)據(jù)/向無人機(jī)傳送數(shù)據(jù)，即FDM(頻分雙工)或TDM(時(shí)分雙工)方式。以下，將討論一些可選的無人機(jī)波束構(gòu)成和管理。

用于表1的無人機(jī)天線示例的6.5°的3dB波束寬度意味著在地面上距無人機(jī)300km處3dB波束的直徑約為34km。如果這些波束在3dB波束寬度點(diǎn)處緊挨彼此放置，則很容易看到約有55個(gè)波束將覆蓋半徑300km的圓周。對(duì)于距無人機(jī)較小的距離，所需的無人機(jī)天線增益由于較小的路徑損耗而減小，而相應(yīng)的天線3dB波束寬度變大?？紤]到實(shí)際上波束在靠近無人機(jī)的距離變大，能計(jì)算出要達(dá)到表1的鏈路預(yù)算，覆蓋半徑300km的無人機(jī)足跡需要超過300個(gè)固定波束。因此，如果無人機(jī)波束不可操控至GT所在的位置，即如果無人機(jī)天線子系統(tǒng)波束固定在地面上，則需要多達(dá)300個(gè)波束用于以上示例。形成300個(gè)波束將需要大量電子器件，這將增加天線系統(tǒng)的重量、功耗和尺寸。確實(shí)如果形成300個(gè)波束且所有300個(gè)波束占用流量，則產(chǎn)生的系統(tǒng)將具有大量的容量，但所需的無人機(jī)的DC功率和天線系統(tǒng)尺寸及復(fù)雜性將太過巨大。將M作為完全覆蓋無人機(jī)的足跡所需的波束數(shù)量。如上所述，M可大至300或更多，取決于所要求的無人機(jī)足跡。為了控制系統(tǒng)復(fù)雜性，無人機(jī)將設(shè)計(jì)為支持?jǐn)?shù)量遠(yuǎn)小于上面界定的數(shù)字M的波束N。然而，假定在需要M＝300個(gè)波束完全覆蓋的區(qū)域中只有N＝20個(gè)波束，就無法同時(shí)覆蓋整個(gè)無人機(jī)足跡。在無人機(jī)足跡中的GT間對(duì)于無人機(jī)的N個(gè)可用波束需要分時(shí)機(jī)制。

在無人機(jī)波束設(shè)計(jì)和管理的一個(gè)方面中，指定了M個(gè)虛擬波束以便其會(huì)完全覆蓋無人機(jī)的足跡。無人機(jī)無線電和天線子系統(tǒng)一次僅形成N個(gè)活躍的波束，N<M，并將N個(gè)活躍波束置于有GT服務(wù)的一些虛擬波束地點(diǎn)的位置中。換言之，在給定時(shí)間只打開出自M的N個(gè)波束(活躍波束)，其他M-N個(gè)虛擬波束都是關(guān)閉的。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)在若干高數(shù)據(jù)速率時(shí)隙期間服務(wù)于N個(gè)活躍波束覆蓋區(qū)域中的GT。然后，關(guān)閉這些N個(gè)波束，打開/激活M個(gè)虛擬波束中相較之前的活躍波束在可能不同地點(diǎn)中的N個(gè)其他波束。例如在圖5A的N＝1的情況下，M＝10，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112打開波束150-1，以實(shí)線所示的六邊形區(qū)域。無人機(jī)110在若干高數(shù)據(jù)速率時(shí)隙期間在下行鏈路(無人機(jī)至GT的方向)上發(fā)送數(shù)據(jù)流124至GT 120-1、120-2和120-3。如本公開稍后部分中將更詳細(xì)描述的那樣，GT 120-1、120-2和120-3在若干高數(shù)據(jù)速率時(shí)隙期間在上行鏈路(GT至無人機(jī)的方向)上發(fā)送數(shù)據(jù)流224-1、224-2和224-3至無人機(jī)110。然后，如圖5B所示，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112關(guān)閉波束150-1，虛線中所示的六邊形區(qū)域，打開波束150-9并向/從GT 120-4、120-5傳送/接收數(shù)據(jù)。

使用N個(gè)的若干波束與GT通信的另一方面一次生成N個(gè)波束并動(dòng)態(tài)地移動(dòng)N個(gè)波束至有GT的地點(diǎn)，該N個(gè)波束只部分地覆蓋需要M>N個(gè)波束來完全覆蓋的無人機(jī)的足跡。在給定的時(shí)間，無人機(jī)形成N個(gè)波束遍及具有GT的N個(gè)不同地點(diǎn)上。在向/從N個(gè)波束中的GT傳送/接收后，無人機(jī)停用之前的N個(gè)波束，并在帶有要服務(wù)的GT的N個(gè)新地點(diǎn)形成N個(gè)波束。這種方法超過上文所述的方法的優(yōu)點(diǎn)是其能夠更佳地放置波束。然而，需要為每個(gè)新的波束集合重新計(jì)算天線子系統(tǒng)波束形成系數(shù)，反之，以前的方法使用預(yù)先計(jì)算的波束形成系數(shù)。兩種方法非常類似，區(qū)別在于波束形成系數(shù)的計(jì)算。

在本公開的另一方面中，當(dāng)無人機(jī)無線電子系統(tǒng)將波束指向緊密靠近的一些GT時(shí)，以時(shí)間和空間分割復(fù)用(TSDMA)方案服務(wù)于GT，并在一些高速時(shí)隙期間以時(shí)分復(fù)用(TDM)方式服務(wù)于這些地點(diǎn)中的GT，然后以空分復(fù)用(SDM)方式將波束移向不同地點(diǎn)以用TDM方式服務(wù)于新地點(diǎn)中的GT。

每個(gè)下行鏈路FDM通道上的某些下行鏈路時(shí)隙用于常用信令，稱為下行鏈路常用信令時(shí)隙(DCSTS)。DCSTS攜帶系統(tǒng)參數(shù)消息、上行鏈路保留請(qǐng)求授權(quán)、上行鏈路分組的確認(rèn)和關(guān)于上行鏈路通道信號(hào)質(zhì)量的信息，比如SINR(信干噪比)。如下文將要討論的，GT需要上行鏈路信號(hào)質(zhì)量的知識(shí)，比如上行鏈路在無人機(jī)處接收的SINR，以確定高數(shù)據(jù)速率GT可在上行鏈路上向無人機(jī)進(jìn)行傳送。其余的下行鏈路時(shí)隙是用于發(fā)送數(shù)據(jù)至GT的專用下行鏈路數(shù)據(jù)時(shí)隙(DDDTS)。當(dāng)波束置于一組附近的GT上時(shí)，比如圖5A的GT 120-1、120-2和120-3，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)可將指定給波束150-1的覆蓋區(qū)域中的多個(gè)GT的數(shù)據(jù)214多路傳送至一個(gè)DDDTS內(nèi)，稱為多用戶時(shí)隙，或在不同的DDDTS中向不同的GT發(fā)送數(shù)據(jù)214，稱為單用戶時(shí)隙。每個(gè)DCSTS或DDDTS包含已知的參考信號(hào)，也稱為下行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)。GT搜索從無人機(jī)無線電子系統(tǒng)發(fā)送的下行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)，一旦其獲得下行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)，GT無線電子系統(tǒng)就開始解碼DCSTS和DDDTS的時(shí)隙。

在本公開的一個(gè)方面中，多頻通道以FDM(頻分雙工)方式用于每個(gè)波束中的下行鏈路上。每個(gè)FDM通道可分配給一個(gè)地面終端，或者以TDM方式(時(shí)分雙工)可在不同時(shí)隙中的每個(gè)FDM通道上服務(wù)于若干地面終端，同樣如上所述?？蛇x的方法將是在每個(gè)波束中使用單個(gè)寬帶頻率通道。下行鏈路上帶有低峰平比波形設(shè)計(jì)的單個(gè)寬帶信號(hào)更有效地利用了無人機(jī)處的PA。在上行鏈路(GT至無人機(jī))方向上可用的帶寬可分成較小的上行鏈路頻率通道(UFC)。這些UFC中的大部分分配給上行鏈路專用數(shù)據(jù)通道(UDDC)，在此GT借助先前的保留傳送其數(shù)據(jù)至無人機(jī)。UFC之一指定為上行鏈路常用信令通道(UCSC)，GT在其上向無人機(jī)無線電子系統(tǒng)發(fā)送登記消息、用于上行鏈路UDDC保留的請(qǐng)求、用于下行鏈路數(shù)據(jù)打包的確認(rèn)、下行鏈路信號(hào)質(zhì)量測(cè)量比如下行鏈路SINR，以及其他信令消息。GT通過在UCSC上發(fā)送請(qǐng)求來請(qǐng)求UDDC。請(qǐng)求的授權(quán)在DCSTS中發(fā)送給GT。UCSC還可用于為突發(fā)通信量發(fā)送小數(shù)據(jù)包，其中數(shù)據(jù)包沒長到足以值得保留UDDC所需的開銷。

將上行鏈路頻率分成較小的通道即UFC并分配每個(gè)UFC給不同GT的可選方案是在上行鏈路上共享單個(gè)寬帶通道并基于時(shí)隙保留分配機(jī)制將上行鏈路上的不同時(shí)隙分配給不同GT。某些上行鏈路時(shí)隙用于上行鏈路常用信令時(shí)隙(UCSTS)，其余時(shí)隙用于上行鏈路數(shù)據(jù)傳送，稱為上行鏈路專用數(shù)據(jù)時(shí)隙(UDDTS)。用于UDDTS時(shí)隙的保留授權(quán)在DCSTS上發(fā)送給GT。注意，因?yàn)镚T在半徑300km或更多的區(qū)域中傳播，不同GT將具有多達(dá)1msec或更多的相對(duì)單向延遲。因此，為了及時(shí)避免具有在無人機(jī)處從不同GT接收的上行鏈路時(shí)隙重疊，不同GT的上行鏈路傳送需要關(guān)于最大單向延遲適當(dāng)?shù)匮舆t。UCSC或UCSTS是隨機(jī)存取通道，比如Aloha、時(shí)隙Aloha、或CDMA(碼分多址)Aloha通道。

因?yàn)镚T和無人機(jī)一般使用高增益定向天線以達(dá)到高數(shù)據(jù)速率，兩個(gè)天線之間的傳播是瞄準(zhǔn)線(LOS)；此外，實(shí)際上沒有由于多路徑而產(chǎn)生數(shù)據(jù)衰落。然而，當(dāng)無人機(jī)翻滾和俯仰時(shí)，無人機(jī)天線增益可由于無人機(jī)定向的改變而改變。而且，當(dāng)無人機(jī)在其準(zhǔn)靜止位置中繞圓周行進(jìn)時(shí)，正服務(wù)于GT的天線將改變其定向朝向GT，并且因此其增益將改變。此外，大氣變化比如雨和雪將引起額外的信號(hào)衰減。然而，在無人機(jī)的不同運(yùn)動(dòng)期間無人機(jī)天線增益變化將是秒的級(jí)別并還將是幾dB的級(jí)別。換言之，從無人機(jī)到GT的信號(hào)強(qiáng)度改變和從GT到無人機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度改變都相對(duì)較慢，即每秒幾dB而不是每msec幾dB。在下雨期間雨致衰減也將隨時(shí)間緩慢變化。然而，因?yàn)镚T或無人機(jī)將接收的SINR將隨時(shí)間變化幾dB，則為了使系統(tǒng)容量最大化，GT或無人機(jī)傳送所用的數(shù)據(jù)速率可選擇為對(duì)于接收器處SINR盡可能最高。GT無線電子系統(tǒng)從下行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)評(píng)估SINR。GT無線電子系統(tǒng)向無人機(jī)無線電子系統(tǒng)發(fā)送下行鏈路數(shù)據(jù)速率指數(shù)(DDRI)值，該值是GT無線電子系統(tǒng)能夠?qū)τ谒鶞y(cè)量的下行鏈路SINR在下行鏈路上高概率解碼的最高數(shù)據(jù)速率指數(shù)。DDRI要么在UCSTS/UCSC上發(fā)送要么在UDDTS上負(fù)載于數(shù)據(jù)包上。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)同理測(cè)量在上行鏈路上從GT接收的SINR并發(fā)送給DCSTS上每個(gè)GT的或在DDDTS上的數(shù)據(jù)包上負(fù)載的上行鏈路數(shù)據(jù)速率指數(shù)(UDRI)，這是對(duì)于所測(cè)量的SINR在上行鏈路上最高可解碼數(shù)據(jù)速率的指數(shù)。

在本公開的一個(gè)方面中，在初始GT安裝或后續(xù)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)改變期間，GT應(yīng)找出其能夠接收最強(qiáng)信號(hào)的無人機(jī)，并通過發(fā)送登記消息、GT的地點(diǎn)和某些系統(tǒng)參數(shù)來登記系統(tǒng)。GT假設(shè)要么具有能夠找出GT的地點(diǎn)坐標(biāo)的GPS接收器，要么人為安裝的GT手動(dòng)輸入GT的地點(diǎn)坐標(biāo)。GT無線電子系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)中鄰居的無人機(jī)的列表，稱為無人機(jī)鄰居列表(DNL)152-j。DNL包含無人機(jī)的位置以及信號(hào)質(zhì)量度量的評(píng)估，比如在瞄準(zhǔn)線(LOS)傳播條件下預(yù)計(jì)從每個(gè)無人機(jī)接收的SINR(信干噪比)。LOS是當(dāng)無人機(jī)和GT之間沒有諸如建筑物、丘陵或樹木等障礙物時(shí)的條件。用于GT無線電子系統(tǒng)122-j的DNL 152-j以信號(hào)強(qiáng)度遞減的順序分類。每個(gè)無人機(jī)120-j發(fā)送下行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)作為DCSTS 212-j的一部分，所有GT由此評(píng)估接收到的導(dǎo)頻信號(hào)上的信號(hào)質(zhì)量。GT無線電子系統(tǒng)122-j搜索其接收最強(qiáng)下行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)的無人機(jī)110-k，稱為“最佳”無人機(jī)。GT無線電子系統(tǒng)122-j在LOS條件下能夠從DNL 152-j首位的無人機(jī)接收最強(qiáng)信號(hào)。然而，如果碰巧有一些障礙物在GT無線電子系統(tǒng)122-j和DNL首位的無人機(jī)之間，比如圖1中的建筑物140，則DNL 152-j首位的無人機(jī)可能不是GT無線電子系統(tǒng)將從其接收最強(qiáng)信號(hào)的那個(gè)。因此，如稍后將討論的那樣，需要用于每個(gè)GT無線電子系統(tǒng)測(cè)量從DNL上的無人機(jī)接收的導(dǎo)頻信號(hào)并找出“最佳”無人機(jī)的機(jī)制。無人機(jī)的無線電子系統(tǒng)確保每個(gè)特定時(shí)期T，無人機(jī)足跡中的每個(gè)區(qū)域都受無人機(jī)的DCSTS/導(dǎo)頻信號(hào)照射。在每個(gè)T秒周期中，無人機(jī)的足跡中許多區(qū)域?qū)⒁蛟跓o人機(jī)服務(wù)的那些區(qū)域中有已登記的GT而受到照射。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)保持追蹤在時(shí)期T期間受到照射的所有區(qū)域，然后將為新GT照射其余區(qū)域足夠長的時(shí)間以探測(cè)無人機(jī)無線電子系統(tǒng)的信號(hào)并登記無人機(jī)。

要評(píng)估在特定的GT120-j處從DNL上每個(gè)無人機(jī)接收的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度，可計(jì)算當(dāng)以最佳方式指向彼此時(shí)的GT和無人機(jī)天線的增益，以及無人機(jī)和GT之間的傳播路徑損耗。當(dāng)無人機(jī)和GT天線定向時(shí)，除非在兩者之間有障礙物，否則兩者間的傳播路徑損耗遵循帶有路徑損耗指數(shù)為2的自由空間傳播模型。因此，在大多數(shù)情況下，當(dāng)在最接近的無人機(jī)的路徑中有障礙物時(shí)；或當(dāng)無人機(jī)和GT的天線在特定的GT和無人機(jī)的地點(diǎn)具有相對(duì)較低的組合增益時(shí)，GT 120-j應(yīng)與最接近其期望的無人機(jī)110-k通信。因此，就上文解釋的意義而言，為了使GT無線電子系統(tǒng)122-j確定“最佳”無人機(jī)110-k，GT無線電子系統(tǒng)122-j應(yīng)具有GT天線子系統(tǒng)124-j和無人機(jī)天線子系統(tǒng)114-k當(dāng)以最佳方式指向彼此時(shí)的天線增益模式的知識(shí)。GT無線電子系統(tǒng)122-j使用無人機(jī)110-k和GT 120-j之間的自由空間傳播損耗和天線增益值由無人機(jī)110-k的導(dǎo)頻信號(hào)212-k計(jì)算所期望接收到的信號(hào)強(qiáng)度。然而，如果無人機(jī)110-k和GT 120-j之間有障礙物，比如圖1中GT 120-1和無人機(jī)110-1之間的建筑物140，評(píng)估的無人機(jī)導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度將偏離LOS評(píng)估。首先，GT無線電子系統(tǒng)122-1指向DNL 152-1首位的無人機(jī)，碰巧是圖1中的無人機(jī)110-1。然后，GT無線電子系統(tǒng)122-1導(dǎo)向GT 120-1的天線子系統(tǒng)114-1以指向無人機(jī)110-1，并搜索由無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112-1發(fā)送的DCSTS/導(dǎo)頻信號(hào)212-1，并測(cè)量其信號(hào)質(zhì)量，比如SINR。因?yàn)樗鶞y(cè)量的212-1信號(hào)強(qiáng)度比DNL上的LOS評(píng)估值大幅減小，GT無線電子系統(tǒng)122-1搜索無人機(jī)110-2的DCSTS/導(dǎo)頻信號(hào)212-2。然后，GT無線電子系統(tǒng)122-1操控GT 120-1的天線子系統(tǒng)124-1指向無人機(jī)110-2，并重復(fù)以上過程探測(cè)和評(píng)估無人機(jī)110-2的導(dǎo)頻信號(hào)212-2的信號(hào)強(qiáng)度。因?yàn)镚T 120-1具有到無人機(jī)110-2的LOS，導(dǎo)頻信號(hào)212-1測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度接近DNL 152-1上的LOS評(píng)估，并且GT 120-1選擇無人機(jī)110-2作為“最佳”無人機(jī)進(jìn)行通信。在GT 120-3的情況下，由于在GT 120-3和無人機(jī)110-1之間沒有障礙物，在GT120-3的DNL列表首位的無人機(jī)110-1也是對(duì)于GT 120-3的“最佳”無人機(jī)。GT無線電子系統(tǒng)122-3測(cè)量來自無人機(jī)無線電子系統(tǒng)122-1的導(dǎo)頻信號(hào)212-1，并且因?yàn)闇y(cè)量的無人機(jī)導(dǎo)頻212-1信號(hào)強(qiáng)度接近DNL 152-3上的LOS評(píng)估，GT 120-3選擇無人機(jī)110-1作為“最佳”無人機(jī)進(jìn)行通信。

一般而言，GT可能為了兩個(gè)無人機(jī)必須與若干無人機(jī)重復(fù)上述程序直到找出帶有最強(qiáng)接收的DCSTS/導(dǎo)頻信號(hào)的無人機(jī)。注意，如果從GT至無人機(jī)的路徑完全阻塞，則GT可能不能探測(cè)來自無人機(jī)的DCSTS/導(dǎo)頻信號(hào)。如果在某段時(shí)期后GT無線電子系統(tǒng)不探測(cè)來自其波束指向的無人機(jī)的DCSTS/導(dǎo)頻信號(hào)，則如上所述，GT無線電子系統(tǒng)將GT天線子系統(tǒng)的波束指向DNL中的下一個(gè)無人機(jī)。

下面描述地面終端確定最佳無人機(jī)而不用無人機(jī)地點(diǎn)的知識(shí)的方法。每個(gè)無人機(jī)發(fā)送覆蓋整個(gè)無人機(jī)足跡的有區(qū)別的導(dǎo)頻信號(hào)，以便其可被無人機(jī)足跡中的任何地面終端接收。地面終端無線電子系統(tǒng)將圍繞終端的半球形的方位角和仰角分成一組角域。地面終端將其波束指入每個(gè)角域的中央并搜索由無人機(jī)發(fā)送的導(dǎo)頻信號(hào)。如果探測(cè)到無人機(jī)導(dǎo)頻信號(hào)，則地面終端無線電子系統(tǒng)記錄探測(cè)到的導(dǎo)頻信號(hào)的強(qiáng)度。地面終端循序地搜索圍繞終端的半球形上的所有角域。一旦搜索了所有角域，則終端無線電子系統(tǒng)確定其接收最強(qiáng)無人機(jī)導(dǎo)頻信號(hào)的角域，選擇相應(yīng)的無人機(jī)作為最佳無人機(jī)，并將地面終端波束指向該區(qū)域。

一旦GT無線電子系統(tǒng)按照以上程序確定要通信的最佳無人機(jī)，則其如前所述發(fā)送登記消息至無人機(jī)無線電子系統(tǒng)。登記消息包括GT位置坐標(biāo)以及其他相關(guān)信息。登記信息在上行鏈路(GT至無人機(jī))常用信令通道(UCSC)或上行鏈路常用信令時(shí)隙(UCSTS)上發(fā)送。無人機(jī)在下行鏈路常用信令通道上發(fā)送其位置地點(diǎn)坐標(biāo)至所有波束，從而地面終端可在無人機(jī)可能移入小區(qū)域時(shí)利用無人機(jī)位置更新來保持其波束集中在無人機(jī)上。地面終端追蹤無人機(jī)的另一方面包括地面終端對(duì)其波束的瞄準(zhǔn)線制造小擾動(dòng)，并為每個(gè)波束位置擾動(dòng)進(jìn)行無人機(jī)導(dǎo)頻信號(hào)測(cè)量。地面終端天線子系統(tǒng)利用在不同波束擾動(dòng)位置中的無人機(jī)導(dǎo)頻強(qiáng)度測(cè)量來確定最佳終端天線波束位置。

圖6示出了描述GT無線電子系統(tǒng)用來確定在上述意義上“最佳”無人機(jī)的方法的流程圖?；仡櫼幌?，對(duì)于GT的“最佳”無人機(jī)是GT從其接收最強(qiáng)導(dǎo)頻信號(hào)的無人機(jī)。在步驟602中，GT無線電子系統(tǒng)將GT天線子系統(tǒng)指向DNL首位的無人機(jī)并測(cè)量無人機(jī)導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度。在步驟604中，如果測(cè)量的導(dǎo)頻信號(hào)質(zhì)量比得上DNL上的下一個(gè)無人機(jī)的LOS評(píng)估，則GT無線電子系統(tǒng)移至步驟606并發(fā)送登記消息給DNL首位的無人機(jī)。否則過程繼續(xù)至步驟608。步驟608檢查DNL上是否剩有尚未測(cè)量其信號(hào)的無人機(jī)。如果不剩有無人機(jī)，則過程移至步驟610，GT無線電子系統(tǒng)選擇帶有最強(qiáng)測(cè)量導(dǎo)頻信號(hào)的無人機(jī)并發(fā)送登記消息給相應(yīng)的無人機(jī)。否則，過程移至步驟612，在此GT無線電子系統(tǒng)將GT天線指向列表上的下一個(gè)無人機(jī)并測(cè)量相應(yīng)的無人機(jī)的導(dǎo)頻信號(hào)強(qiáng)度。過程移回步驟604。

需要一種校正無人機(jī)天線子系統(tǒng)和GT天線子系統(tǒng)的機(jī)制以便其將其波束的瞄準(zhǔn)線指向地面上要求的地點(diǎn)或無人機(jī)。實(shí)時(shí)校正的優(yōu)點(diǎn)是所有偽像比如無人機(jī)的天線和機(jī)體的互相作用、任何環(huán)境影響、老化、溫度等都能夠自動(dòng)校正出來。實(shí)驗(yàn)室校正不能解釋實(shí)際部署中所面對(duì)的許多偽像。

首先，我們討論無人機(jī)接收天線元件校正。圖7A示出了無人機(jī)天線子系統(tǒng)的一個(gè)孔116-1。為了無人機(jī)天線子系統(tǒng)114接收天線校正將GT 120選為參照GT。使用系數(shù)117-r_j調(diào)整每個(gè)天線元件115-j(1<j>N，N為天線元件數(shù)量)。如下將述，通過無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112計(jì)算并發(fā)送117-r_j給無人機(jī)天線孔116-1以應(yīng)用于元件115-j。GT 120發(fā)送無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112在其上進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量測(cè)量比如SINR(信干噪比)的信號(hào)222以用于校正目的。基于收到的SINR相較用于系數(shù)117-r_j先前設(shè)置的SINR測(cè)量的改變，天線元件接收系數(shù)117-r_j根據(jù)眾所周知的適應(yīng)優(yōu)化方案更新，比如使諸如SINR的判斷標(biāo)準(zhǔn)最大化的最速下降法。其次，更新的系數(shù)117-r_j應(yīng)用于天線元件115-j。GT 120發(fā)送信號(hào)222、無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112測(cè)量信號(hào)質(zhì)量并計(jì)算系數(shù)117-r_j新設(shè)置并將系數(shù)應(yīng)用于天線元件115-j的該過程持續(xù)至接收天線系數(shù)根據(jù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)收斂。注意，在校正過程中計(jì)算系數(shù)用于無人機(jī)的實(shí)際位置和其方向。因此，在隨后的數(shù)據(jù)傳送階段，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)應(yīng)通過考慮來自陀螺儀/加速計(jì)讀數(shù)的無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置和方向坐標(biāo)對(duì)系數(shù)117-r_j做出適當(dāng)調(diào)整。在校正過程中，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)利用加速計(jì)/陀螺儀讀數(shù)測(cè)量無人機(jī)關(guān)于GT的定向，并在校正過程末期記錄無人機(jī)的位置和定向坐標(biāo)，以用作對(duì)于后續(xù)系數(shù)調(diào)整的無人機(jī)參照位置/定向。

如果無人機(jī)天線子系統(tǒng)機(jī)械地操控其波束，則無人機(jī)天線子系統(tǒng)能夠機(jī)械地逐步移動(dòng)其波束，為每個(gè)步驟進(jìn)行SINR測(cè)量以找出最佳天線機(jī)械位置。

圖8是用于適應(yīng)性地調(diào)整無人機(jī)無線電子系統(tǒng)天線元件接收系數(shù)的流程圖。在步驟802中，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)基于無人機(jī)和GT的地點(diǎn)設(shè)定初始接收系數(shù)。GT在步驟804中發(fā)送參考信號(hào)給無人機(jī)。在步驟806中，無人機(jī)的無線電子系統(tǒng)評(píng)估信號(hào)質(zhì)量度量比如SINR并使用適應(yīng)濾波算法比如最速下降根據(jù)最優(yōu)化度量比如一些信號(hào)質(zhì)量度量的MMSE(最小均方差)最小化或SINR最大化調(diào)整接收系數(shù)。在步驟808中，無人機(jī)無線電系統(tǒng)發(fā)送系數(shù)至無人機(jī)天線以調(diào)整天線元件。在步驟810中，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)驗(yàn)證信號(hào)質(zhì)量度量是否在閾值內(nèi)，即接收系數(shù)是否已收斂。如果系數(shù)已收斂，則無人機(jī)無線電子系統(tǒng)在步驟812中記錄系數(shù)、無人機(jī)的位置坐標(biāo)、無人機(jī)在校正時(shí)朝向GT的方向比如翻滾、俯仰和偏航以及用于校正的GT的位置坐標(biāo)。如果在步驟810中系數(shù)未收斂，則過程移回步驟804。

按照?qǐng)D7B，無人機(jī)天線子系統(tǒng)天線元件傳送系數(shù)119-t_j可如下進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。無人機(jī)天線孔116使用傳送系數(shù)119-t_j的初始設(shè)置形成傳送波束，并傳送參考/導(dǎo)頻信號(hào)212至GT 120。GT 120在信息224中發(fā)送測(cè)量的SINR或另一信號(hào)質(zhì)量度量回到無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112。類似于接收天線元件系數(shù)優(yōu)化，無人機(jī)的無線電子系統(tǒng)單元112使用由GT 120報(bào)告的測(cè)量信號(hào)質(zhì)量來擾動(dòng)無人機(jī)天線子系統(tǒng)天線元件傳送系數(shù)119-t_j。系數(shù)擾動(dòng)使用眾所周知的適應(yīng)優(yōu)化算法比如最速下降方案來計(jì)算。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)、GT進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量測(cè)量并發(fā)送測(cè)量回到無人機(jī)、無人機(jī)天線子系統(tǒng)調(diào)整其天線元件傳送系數(shù)的以上過程持續(xù)至傳送系數(shù)根據(jù)一些性能度量比如最大化SINR收斂至“最優(yōu)”值。在無人機(jī)天線子系統(tǒng)112校正其天線系數(shù)期間，GT 120天線子系統(tǒng)應(yīng)保持其波束固定以避免為無人機(jī)天線子系統(tǒng)校正過程引入額外變量。

在校正測(cè)量時(shí)間間隔中，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)利用加速計(jì)/陀螺儀測(cè)量來保持追蹤無人機(jī)的方向。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)記錄無人機(jī)的位置坐標(biāo)和無人機(jī)的方向比如朝向GT翻滾、俯仰和偏航以及傳送和接收天線元件系數(shù)的最優(yōu)設(shè)置。在向GT傳送數(shù)據(jù)期間，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)利用加速計(jì)/陀螺儀測(cè)量無人機(jī)關(guān)于GT的定向并基于校正系數(shù)及無人機(jī)的位置和定向以及用于校正的GT位置坐標(biāo)來調(diào)整天線元件系數(shù)。

圖9是用于適應(yīng)性地調(diào)整無人機(jī)無線電子系統(tǒng)天線元件傳送系數(shù)的流程圖。在步驟902中，無人機(jī)天線子系統(tǒng)基于無人機(jī)和GT的地點(diǎn)設(shè)置初始傳送系數(shù)。無人機(jī)天線子系統(tǒng)在步驟904中發(fā)送參考/導(dǎo)頻信號(hào)至GT。在步驟906中，GT的無線電子系統(tǒng)評(píng)估信號(hào)質(zhì)量度量比如SINR，并發(fā)送測(cè)量的信號(hào)質(zhì)量值回到無人機(jī)。在步驟908中，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)使用適應(yīng)濾波算法比如最速下降根據(jù)最優(yōu)化度量比如一些信號(hào)質(zhì)量度量的MMSE(最小均方差)最小化調(diào)整傳送系數(shù)。在步驟910中，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)驗(yàn)證信號(hào)質(zhì)量度量是否在閾值內(nèi)，即傳送系數(shù)是否已收斂。如果系數(shù)已收斂，則無人機(jī)無線電子系統(tǒng)在步驟912中記錄系數(shù)、無人機(jī)的位置坐標(biāo)、無人機(jī)在校正時(shí)朝向GT的方向比如翻滾、俯仰和偏航以及用于校正的GT的位置坐標(biāo)。如果在步驟910中系數(shù)未收斂，則過程移回步驟904。

GT天線子系統(tǒng)可使用如無人機(jī)天線子系統(tǒng)所使用的一些方法和設(shè)備來校正其天線元件系數(shù)，但在每個(gè)步驟中GT和drone的角色相反。GT無線電子系統(tǒng)在從無人機(jī)無線電子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)或任何其它信號(hào)時(shí)測(cè)量接收的信號(hào)質(zhì)量度量比如SINR。GT無線電子系統(tǒng)使用測(cè)量的信號(hào)質(zhì)量值以利用如用于上述無人機(jī)天線子系統(tǒng)同樣的優(yōu)化方法來適應(yīng)性地調(diào)整天線元件系數(shù)。要校正GT天線子系統(tǒng)傳送天線元件系數(shù)，GT無線電子系統(tǒng)和無人機(jī)無線電子系統(tǒng)校正周期一致。GT天線子系統(tǒng)傳送天線元件系數(shù)優(yōu)化也與上述用于無人機(jī)天線子系統(tǒng)的一樣。在校正期間，GT天線子系統(tǒng)在傳送信號(hào)至無人機(jī)時(shí)在天線元件傳送系數(shù)中制造擾動(dòng)。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)對(duì)從GT無線電子系統(tǒng)接收的信號(hào)測(cè)量信號(hào)質(zhì)量度量比如SINR并發(fā)送測(cè)量的度量回到GT無線電子系統(tǒng)。GT無線電子系統(tǒng)使用來自無人機(jī)無線電子系統(tǒng)報(bào)告的信號(hào)質(zhì)量度量測(cè)量以利用眾所周知的適應(yīng)優(yōu)化算法比如最速下降方案來確定逐次系數(shù)擾動(dòng)。因此，圖9和圖10的流程圖適用于GT天線元件傳送和接收系數(shù)的校正，但在每個(gè)步驟中GT由無人機(jī)替代，而無人機(jī)由GT替代。

注意，如果在模擬域中實(shí)現(xiàn)接收側(cè)上的波束形成，就只需要接收天線元件系數(shù)校正。然而，如果將每個(gè)天線元件上接收的信號(hào)在接收器處進(jìn)行數(shù)字化并且將每個(gè)天線元件的數(shù)字化樣本都發(fā)送至基帶處理器，則最優(yōu)波束形成可通過使用眾所周知的算法比如MMSE(最小均方評(píng)估)評(píng)估最佳組合系數(shù)來數(shù)字化地實(shí)施。

下面按照?qǐng)D7C描述校正用于無人機(jī)天線子系統(tǒng)和GT天線子系統(tǒng)的天線元件傳送系數(shù)的另一方法。校正時(shí)間間隔在GT無線電子系統(tǒng)和無人機(jī)無線電子系統(tǒng)之間取得一致。我們首先描述用于校正無人機(jī)天線子系統(tǒng)114的機(jī)制。在校正期間，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112在朝向GT 120的每個(gè)無人機(jī)天線元件115-j上傳送參考信號(hào)213，一次一個(gè)元件。GT無線電子系統(tǒng)122評(píng)估總通道增益和相位，其包括無人機(jī)傳送RF鏈路、傳播路徑和GT無線電子系統(tǒng)處接收RF鏈路的效果。然后GT無線電子系統(tǒng)122在信息224中發(fā)送回評(píng)估的通道增益和相位至無人機(jī)無線電子系統(tǒng)。然后無人機(jī)無線電子系統(tǒng)112能夠使用在消息224中接收的對(duì)于每個(gè)傳送天線元件的通道增益/相位的知識(shí)來校正傳送波束形成系數(shù)，以便將波束瞄準(zhǔn)線置于地面上所要求的地點(diǎn)。在剛剛描述的傳送天線元件校正方案中沒有迭代優(yōu)化過程。因?yàn)閰⒖夹盘?hào)在每個(gè)天線元件上一次發(fā)送一個(gè)，那么傳送信號(hào)并不得益于天線孔增益因子并具有較小的EIRP(有效全向輻射功率)。因此，參考/導(dǎo)頻信號(hào)可在持續(xù)時(shí)間上發(fā)送得足夠長，以便接收器可整合信號(hào)以獲得足夠的處理增益來補(bǔ)償傳送孔天線增益損耗。而且，這有利于使用比較窄帶的波形來發(fā)送頻譜某些部分中的校正參考信號(hào)，以便避免干擾常規(guī)數(shù)據(jù)傳送會(huì)話并避免損失系統(tǒng)容量。GT天線子系統(tǒng)傳送天線元件的校正遵循如上相同的程序但在每個(gè)步驟中互換無人機(jī)和GT子系統(tǒng)的角色。在圖7A、7B和7C中，在無人機(jī)上只示出了一個(gè)天線固定裝置。如之前所討論，無人機(jī)可具有多個(gè)天線固定裝置。在該情況下，上面討論的校正過程可重復(fù)用于無人機(jī)的每個(gè)天線固定裝置。

圖10中的流程圖1100示出了根據(jù)圖7C的設(shè)備校正無人機(jī)天線元件傳送系數(shù)的步驟。在步驟1002中，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)按順序在每個(gè)傳送天線元件上一次發(fā)送一個(gè)參考/導(dǎo)頻信號(hào)。在步驟1004中，GT無線電子系統(tǒng)測(cè)量通道增益和相位用于從無人機(jī)天線子系統(tǒng)的不同天線元件接收的信號(hào)。GT無線電子系統(tǒng)在步驟1006中發(fā)送消息至無人機(jī)無線電子系統(tǒng)，包括通道增益和相位測(cè)量。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)在步驟1008中記錄通道測(cè)量以及無人機(jī)的位置坐標(biāo)和無人機(jī)的方向比如翻滾、俯仰和偏航。記錄的校正信息被無人機(jī)無線電子系統(tǒng)/無人機(jī)天線子系統(tǒng)用來設(shè)置數(shù)據(jù)傳送期間的無人機(jī)傳送天線系數(shù)。在數(shù)據(jù)傳送期間，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)可利用無人機(jī)的實(shí)時(shí)地點(diǎn)以及無人機(jī)的翻滾、俯仰和偏航信息和校正信息以確定最優(yōu)傳送系數(shù)。用于校正GT傳送天線元件的流程圖與圖10的相同但無人機(jī)和GT子系統(tǒng)的角色互換。

當(dāng)無人機(jī)在其準(zhǔn)靜止位置中繞圓周行進(jìn)時(shí)，正服務(wù)于給定GT的無人機(jī)天線孔的定向隨時(shí)間改變。當(dāng)無人機(jī)朝向GT的服務(wù)天線孔改變時(shí)，來自服務(wù)天線孔的波束能夠朝向GT電子地或機(jī)械地操控。然而，最終朝向GT的服務(wù)天線孔的定向改變太多以至于其將有太多的朝向GT的掃描損耗。此時(shí)，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)將需要要么使用無人機(jī)上的不同天線固定裝置，如果有多個(gè)天線固定裝置可用，要么使用單個(gè)可用天線固定裝置上的不同天線孔，比如圖2中那樣，以形成朝向GT的波束。換言之，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)可能需要在無人機(jī)天線子系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行天線孔或天線固定裝置“切換”。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)還利用加速計(jì)/陀螺儀信息了解無人機(jī)的方向。無人機(jī)無線電子系統(tǒng)使用來自加速計(jì)/陀螺儀的信息以及無人機(jī)和地面終端天線的天線方向圖上的信息以確定朝向地面終端提供最高增益的無人機(jī)天線孔。無人機(jī)天線子系統(tǒng)如上文所討論也進(jìn)行校正。然后，無人機(jī)無線電子系統(tǒng)確定正確的天線元件系數(shù)以使用不同的天線固定裝置和/或不同的天線孔將波束的瞄準(zhǔn)線指向GT的地點(diǎn)。

在無人機(jī)天線子系統(tǒng)和GT天線子系統(tǒng)的以上描述中，我們主要涉及使用天線孔的不同天線元件的電子波束成形。單個(gè)的天線元件可由各種技術(shù)組成，比如塊、角、槽、CTS(連續(xù)橫向短線)、異向介質(zhì)及其他介質(zhì)材料。無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，比如選擇要通信的最佳無人機(jī)、將無人機(jī)天線以最佳方式指向地面終端、校正無人機(jī)天線、隨無人機(jī)移動(dòng)而操控波束，適用于任何天線元件技術(shù)或材料。

雖然本公開已描述了某些實(shí)施方式和一般有關(guān)的方法，但這些實(shí)施方式和方法的改動(dòng)和變更對(duì)PHOSITA是顯而易見的。因此，示例實(shí)施方式的以上描述并非界定或約束本公開。其他變化、替換和改動(dòng)也有可能不背離如所附權(quán)利要求限定的本公開的精神和范圍。