優(yōu)先權和相關申請

本申請要求2014年10月16日提交且標題為“unmannedaerialvehicle(uav)beamformingandpointingtowardgroundcoverageareacellsforbroadbandaccess”的共同擁有、共同待決的美國專利申請序列號14/516,491的優(yōu)先權，所述申請的全文以引用方式并入本文。

本申請還涉及以下申請：2014年9月15日提交的標題為“antennabeammanagementandgatewaydesignforbroadbandaccessusingunmannedaerialvehicle(uav)platforms”的共同擁有、共同待決的美國專利申請序列號14/486,916；2014年6月3日提交的標題為“methodsandapparatusformitigatingfadinginabroadbandaccesssystemusingdrone/uavplatforms”的共同擁有、共同待決的美國專利申請序列號14/295,160；2014年3月21日提交的標題為“broadbandaccesstomobileplatformsusingdrone/uav”的共同擁有、共同待決的美國專利申請序列號14/222,497；以及2014年3月24日提交的標題為“broadbandaccesssystemviadrone/uav”的共同擁有、共同待決的美國專利申請序列號14/223,705，前述申請中的每個的全文以引用方式并入本文。

本公開描述了用于使用無人駕駛飛行器(uav)使互聯(lián)網流量在不同類型終端內中繼而進行寬帶互聯(lián)網接入的系統(tǒng)的方面。本公開描述了用于進行以下各項的系統(tǒng)和方法：最佳地使uav的波束朝向地面上的覆蓋區(qū)域指向，并且基于uav的高度、移動和運動(諸如側傾/俯仰)調節(jié)朝向地面覆蓋區(qū)域的波束。

背景技術：

隨著互聯(lián)網流量增大，需要新的技術來以更低成本遞送去往家庭和企業(yè)的寬帶接入并且將其置于未覆蓋的地方。當前寬帶遞送系統(tǒng)的示例包括地面有線網絡諸如雙絞線上的dsl(數字訂戶線路)、光纖遞送系統(tǒng)諸如fios(光纖服務)和對地靜止同步衛(wèi)星系統(tǒng)。當前寬帶接入系統(tǒng)具有多個缺點。一種問題在于在偏遠和/或人煙稀少區(qū)域沒有提供服務。對地靜止同步衛(wèi)星確實在發(fā)達國家諸如美國的偏遠區(qū)域提供服務。然而，世界上較貧窮區(qū)域缺少充足的衛(wèi)星容量。

尚未在世界上的貧窮區(qū)域提供充足衛(wèi)星容量的值得注意的原因是衛(wèi)星系統(tǒng)成本相對較高。由于衛(wèi)星軌道中的不利大氣效應，衛(wèi)星硬件必須是空間適用的，并且是昂貴的。用來將衛(wèi)星送入軌道的運載火箭同樣是昂貴的。此外，由于衛(wèi)星的發(fā)射風險和較高成本，衛(wèi)星和發(fā)射可能存在極大保險成本。因此，寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)和服務是相對昂貴的，并且難以證明其合理性，在世界上的較貧窮的區(qū)域尤其如此。在人煙稀少區(qū)域中部署地面系統(tǒng)諸如光纖或微波鏈路也是昂貴的。小密度的訂戶不能證明部署成本的合理性。

因此，需要改進用于向消費者提供寬帶接入的方法和設備。理想地，此類方法和設備將依賴于廉價技術，從而避免與發(fā)射和維修衛(wèi)星相關聯(lián)的成本。

技術實現要素：

本公開尤其描述了用于進行以下各項的系統(tǒng)和方法：最佳地使無人駕駛飛行器(uav)的波束朝向地面上的覆蓋區(qū)域指向，并且基于uav的高度、移動和運動(諸如側傾/俯仰)調節(jié)朝向地面覆蓋區(qū)域的波束。

在第一方面中，公開一種被配置來朝向至少一個目標覆蓋小區(qū)形成天線波束的無人駕駛飛行器(uav)設備。在一個實施方式中，uav設備包括：天線固定裝置，所述天線固定裝置被配置來形成至少一個波束；一組無線電發(fā)射器和接收器，所述一組無線電發(fā)射器和接收器被配置來傳輸和接收去往至少一個目標覆蓋小區(qū)內的一組地面終端的信號；處理器子系統(tǒng)；以及非暫態(tài)計算機可讀介質。在一個示例性的實施方式中，非暫態(tài)計算機可讀介質包括一或多個指令，所述一或多個指令在由處理器子系統(tǒng)執(zhí)行時被配置來致使uav設備：生成覆蓋至少一個目標覆蓋小區(qū)的至少一個波束，其中所生成的至少一個波束包圍地面終端組中的至少一個地面終端。

在一個變型中，一或多個指令進一步配置來致使uav設備：計算在多種uav高度和取向角度下覆蓋至少一個目標覆蓋小區(qū)所需的固定波束的數目；以及所生成的至少一個波束包括所計算數目的固定波束。

在另一變型中，非暫態(tài)計算機可讀介質進一步配置來存儲對應于一或多個覆蓋區(qū)域的一或多個第一位置坐標；

其中對于一或多個覆蓋區(qū)域中的至少一個覆蓋區(qū)域，非暫態(tài)計算機可讀介質進一步配置來存儲目標小區(qū)相對于所述至少一個覆蓋區(qū)域的中心的一或多個第二位置定位坐標；并且其中非暫態(tài)計算機可讀介質還包括一或多個指令，所述一或多個指令被配置來致使uav設備：基于陀螺儀、加速度儀和位置定位子系統(tǒng)中的至少一個獲得uav設備的一或多個第三位置定位坐標和取向角度；以及至少部分地基于uav設備的第二位置定位坐標、第三位置定位坐標和取向角度計算從天線固定裝置朝向目標小區(qū)的一或多個指向角度。

在又一變型中，天線固定裝置被配置來從與至少一個目標覆蓋小區(qū)相關聯(lián)的參考終端接收參考信號；基于從參考終端接收的參考信號測量一或多個信號質量測量結果；以及確定朝向參考終端的一或多個指向角度，從而優(yōu)化測量到的一或多個信號質量測量結果。

在另一變型中，一或多個指令進一步配置來致使uav設備來確定一或多個小區(qū)在圍繞與至少一個目標覆蓋小區(qū)相關聯(lián)的中心小區(qū)的一或多個小區(qū)環(huán)中的一或多個相對位置坐標。在一個此類情況下，一或多個指令進一步配置來致使uav設備確定uav設備與參考終端之間的環(huán)路時延(rtd)；至少部分地基于rtd估計uav的高度；以及至少部分地基于以下各項計算來自uva設備的每個波束的一或多個指向角度：一或多個取向角度、所估計的高度、以及一或多個小區(qū)在圍繞中心小區(qū)的一或多個小區(qū)環(huán)中的一或多個相對位置坐標。

在又一這種實現方式中，天線固定裝置包括多個天線孔徑，其中每個孔徑被配置來形成至少一個波束；每個孔徑由致動器控制；并且一或多個指令進一步配置來致使致動器：根據計算出的指向角度來使每個子孔徑朝向對應小區(qū)指向。

在其他此類變型中，天線固定裝置包括以基本上半波長距離間隔開的多個天線元件；天線子系統(tǒng)包括電路，所述電路被配置來對多個天線元件進行定相以形成波束并且為其指向；并且一或多個指令進一步配置來致使天線子系統(tǒng)根據計算出的指向角度來為波束指向。例如，在一個此類變型中，天線固定裝置包括以基本上半波長距離間隔開的多個天線元件；天線子系統(tǒng)被配置來對多個天線元件進行定相以形成波束并且為其指向。

在本公開的一個方面中，公開了一種參考終端設備，所述參考終端設備被配置來生成參考信號。在一個實施方式中，參考終端設備包括：天線固定裝置，所述天線固定裝置被配置來傳輸參考信號；處理器子系統(tǒng)；以及

非暫態(tài)計算機可讀介質，所述非暫態(tài)計算機可讀介質包括一或多個指令。在一個示例性的實施方式中，一或多個指令在由處理器子系統(tǒng)執(zhí)行時被配置來致使參考終端設備：傳輸參考信號；搜索由無人駕駛飛行器(uav)發(fā)送的參考信號響應；測量參考信號響應的信號質量；以及基于參考信號響應確定uav與參考終端設備之間的環(huán)路時延(rtd)。

在一個變型中，天線固定裝置被配置來生成比uav的軌道更窄的波束。在此類變型中，天線固定裝置可另外配置來在uav的軌道的至少一個子區(qū)內來反復地生成波束。在一個這種示例性情況下，在至少一個子區(qū)內反復都生成的波束持續(xù)生成基本上等于uav的巡航軌道持續(xù)時間的一段時間。

在另一變型中，天線固定裝置被配置來生成完全包圍uav的軌道的波束。

其他變型可進一步配置來傳輸對應于一或多個目標小區(qū)覆蓋區(qū)域的一或多個位置坐標。

在第三方面中，公開了一種用于形成朝向至少一個目標覆蓋小區(qū)的天線波束的方法。在一個實施方式中，所述方法包括：確定空中平臺的第一位置坐標；確定空中平臺的取向；識別與至少一個目標覆蓋小區(qū)相關聯(lián)的一或多個第二位置坐標；至少部分地基于第一位置坐標以及一或多個第二位置坐標和取向計算一或多個取向角度；以及基于計算出的一或多個指向角度生成覆蓋至少一個目標覆蓋小區(qū)的至少一個波束。

在一個此類變型中，第一位置坐標包括緯度坐標、經度坐標和高度中的一或多個。

在另一此類變型中，通過從與至少一個目標覆蓋小區(qū)相關聯(lián)的參考終端發(fā)送的消息接收一或多個第二位置坐標。在其他實現方式中，基于預定布局確定一或多個第二位置坐標。

在又一方面中，公開了一種用于協(xié)調由一或多個空中平臺提供的對至少一個目標覆蓋小區(qū)的覆蓋的系統(tǒng)。在一個此類實施方式中，所述系統(tǒng)包括：一或多個空中平臺，所述一或多個空中平臺被配置來在至少一個目標覆蓋小區(qū)附近繞軌道運行；至少一個參考小區(qū)，所述至少一個參考小區(qū)與至少一個目標覆蓋小區(qū)相關聯(lián)；其中一或多個空中平臺被配置來接收由至少一個參考小區(qū)生成的參考信號并且響應性地確定優(yōu)化接收到的參考信號的信號質量度量的至少一個指向角度并且基于至少一個指向角度生成一或多個波束。

在根據本文中提供的公開內容考慮時，這些和其他方面應變得清楚。

附圖說明

在以下附圖中，在適當情況下使用相同附圖標記標識類似部件。附圖中相同部件的多個示例通過在附圖標記后插入破折號或添加第二附圖標記來進行區(qū)分。

圖1是可結合本文所述各個實施方式使用的示例性基于空中平臺的通信系統(tǒng)的圖形描繪。

圖2a是可結合本文所述各個實施方式使用的空中平臺的示例性無線電設備的圖形描繪。

圖2b是可結合本文所述各個實施方式使用的地面終端的示例性無線電設備的圖形描繪。

圖3是由空中平臺/uav在地面上形成的一組示例性波束的圖形描繪。

圖4是空中平臺/uav的示例性巡航區(qū)域以及地面上的相關覆蓋區(qū)域的圖形描繪。

圖5是處于給定高度的示例性空中平臺/無人駕駛飛行器(uav)以及在地面上的覆蓋區(qū)域上方形成的波束網絡的圖形描繪。

圖6a是被配置來通過機械致動器而形成朝向覆蓋區(qū)域的波束的示例性無人駕駛飛行器(uav)天線結構的圖形描繪。

圖6b是被配置來通過電子波束形成而形成朝向覆蓋區(qū)域的波束的示例性無人駕駛飛行器(uav)相控陣列天線結構的圖形描繪。

圖6c是可結合圖6b的相控陣列天線結構使用的相控陣列波束形成方法的圖形描繪。

圖7是用于確定從無人駕駛飛行器(uav)朝向地面上的不同小區(qū)的波束指向角度的一個示例性過程的邏輯流程圖。

圖8是根據本公開的方面的用于確定無人駕駛飛行器(uav)的高度的一個示例性過程的邏輯流程圖。

圖9是用于確定從uav朝向地面上的不同小區(qū)的波束指向角度的一個示例性的過程的流程圖。

所有圖copyright2014ubiqomm,llc。保留所有權利。

具體實施方式

本公開描述了設計來提供寬帶接入的系統(tǒng)的方面。如本文所使用的，術語“無人駕駛飛行器(uav)”、“空中平臺”、“無人機”一般是指并且不限于：無人機、無人駕駛飛行器(uav)、氣球、軟式飛艇、飛艇等。空中平臺可包括推進系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)以及機載導航和控制系統(tǒng)。在一個示例性的實施方式中，空中平臺包括與螺旋槳等相結合的固定翼機身。在其他實施方式中，空中平臺包括由轉子推進的無人駕駛直升機(robocopter)?？罩衅脚_可搭載燃油或者使用太陽能工作。

圖1示出無人駕駛飛行器(uav)110的一個示例性的實施方式。如圖所示，示例性的uav110具有無人機無線電子系統(tǒng)112、消息切換子系統(tǒng)116、和至少一個無人機天線孔徑子系統(tǒng)114。uav與至少兩種地面終端通信：一種類型是用戶地面終端(gt)120，諸如用來提供到家庭或企業(yè)的互聯(lián)網連接的家庭或企業(yè)處的終端(例如像因特網)，第二種類型被稱為連接到因特網的互聯(lián)網網關(gtw)130。應注意，以下所描述的實施方式適用于地面上的固定終端/裝置，和附接到平臺(諸如車輛、輪船、船舶、飛機、卡車等)的移動終端/裝置，以及獨立式移動裝置(例如，手持式裝置等)。如以下使用的術語“裝置”可廣泛地涵蓋上述平臺中的任一種(例如，無人機110、gt120、和/或gtw130)。在操作過程中，uav被配置來巡航或巡邏“軌道”，并且在地面終端(gt)120與其他gt120和/或網關終端(gtw)130之間提供連接。gtw130可連接到更寬的互聯(lián)網網絡136，由此允許gt120互聯(lián)網接入和/或接入其他gt或gtw。

圖2a示出無人駕駛飛行器(uav)無線電子系統(tǒng)112的一個示例性的實施方式，其包括五個(5)子系統(tǒng)：接收器318，其被配置來對從無人機天線孔徑子系統(tǒng)114接收的信號進行解調和解碼；發(fā)射器316，其被配置來對從處理器314接收的數據進行調制并且通過無人機天線子系統(tǒng)114發(fā)送所得信號；處理器子系統(tǒng)314，其被配置來進行功能諸如：(i)對接收器318和發(fā)射器316子系統(tǒng)進行配置；(ii)處理從接收器318子系統(tǒng)接收的數據；(iii)確定傳輸通過發(fā)射器子系統(tǒng)316的數據；以及(iv)控制天線子系統(tǒng)114；非暫態(tài)計算機可讀存儲器子系統(tǒng)312，其被配置來存儲一或多個程序代碼指令、數據、和/或配置、以及由處理器314訪問的系統(tǒng)參數信息；和陀螺儀/加速度儀/全球定位系統(tǒng)(gps)子系統(tǒng)319，其被配置來確定uav的位置和取向(諸如側傾角/俯仰角)。

根據uav的高度，每個uav覆蓋地面上具有低至幾十千米(km)并且高至200km或更大半徑的區(qū)域，gt120使用uav110作為媒介從互聯(lián)網接收數據并且將其傳輸至gtw130。uav的無線電子系統(tǒng)聚合從uav的覆蓋一群gt的區(qū)域內的gt接收的流量(在一些實現方式中uav可聚合來自多至全部gt并且少至一個gt的流量)并且通過gtw中的一或多個將聚合數據發(fā)送給互聯(lián)網。由于gtw處理從多個gt聚合的數據，本公開的實際實現方式在uav與gtw之間可支持比在uav與gt之間更高的數據速率。因此，在一個實施方式中，gtw天線子系統(tǒng)的增益遠大于gt的增益，并且gtw發(fā)射器以高于gt的功率進行傳輸。相關領域的普通技術人員將容易了解，可用來提高增益的廣泛多種技術包括但不限于提高傳輸/接收功率、提高帶寬、提高處理增益、提高編碼增益等。

返回參考圖1，gt120具有兩個主子系統(tǒng)：地面終端無線電子系統(tǒng)122和地面終端天線子系統(tǒng)124。如圖2b所示，gt無線電子系統(tǒng)122包括4個子系統(tǒng)：接收器418，其對來自無人機天線子系統(tǒng)的信號進行解調并解碼；發(fā)射器子系統(tǒng)416，其對數據進行調制并且通過天線子系統(tǒng)124發(fā)送所得信號；處理器子系統(tǒng)414，其進行以下功能，諸如：對接收器子系統(tǒng)418和發(fā)射器子系統(tǒng)416進行配置、處理從接收器子系統(tǒng)418接收的數據、確定傳輸通過發(fā)射器子系統(tǒng)416的數據、以及控制天線子系統(tǒng)124和存儲器子系統(tǒng)412，所述存儲器子系統(tǒng)412包含由處理器414訪問的程序代碼、配置數據和系統(tǒng)參數信息。

地面上的期望目標覆蓋區(qū)域被分成多個小區(qū)；一個此類的示例性分區(qū)在圖3中示出為三十七(37)個六邊形小區(qū)的布置?？罩衅脚_形成覆蓋地面上的位于其目標覆蓋區(qū)域中的每個小區(qū)的波束。如圖所示，uav生成對應于地面上的六邊形小區(qū)的三十七(37)個波束，例如，一(1)個“中心波束”和圍繞中心波束的三(3)個波束環(huán)。六邊形示出每個波束的理想覆蓋區(qū)。事實上，波束如虛線圓所示發(fā)生重疊。在此示例性的示例中，可用頻率帶寬被分成三(3)個波段(f1、f2和f3)，并且所述三(3)個頻段被分配給鄰近波束，其方式為使得沒有任何兩個相鄰波束使用同一頻率。上述頻率分配方案被描述為具有三(3)次“頻率復用”。三(3)個不同的點線圓類型指示使用異頻段的波束。相關領域的普通技術人員在考慮到本公開的內容的情況下，將容易地了解其他頻率復用方案和/或小區(qū)分區(qū)可同樣成功地互換使用。

空中平臺諸如uav在三維空間中(例如，緯度、經度和高度)巡航/巡邏。當空中平臺/uav在其巡航軌道(例如，圓、八字形、苜蓿葉形等)內水平且豎直移動時，空中平臺/uav相對于地面上的終端的位置發(fā)生改變。

普通技術人員將容易了解，由uav生成的波束根據與uav的距離的函數輻射出去，因此如果尚未基于uav的移動對由uav生成的波束進行調節(jié)，那么波束覆蓋區(qū)將比期望的大(或小)。例如，如果uav豎直移動，那么地面上被空中平臺/uav的天線子系統(tǒng)114照亮的覆蓋區(qū)域將發(fā)生改變。圖4示出空中平臺的巡航區(qū)域。頂部實心圓610示出當空中平臺/uav處于其最高可能高度下時平臺的巡航軌道。下部點線圓612示出當平臺處于其最低巡航高度下時的巡航軌道。為了簡潔起見，覆蓋區(qū)域中未示出全部的六邊形小區(qū)以便簡化圖4并且允許覆蓋對應于與如本文稍后描述的情形不同的情形的多個覆蓋區(qū)域。在正常操作過程中，空中平臺在特定高度的軌道內巡航；然而，在一天當中，空中平臺將根據當日時間豎直向上或向下移動。例如，太陽能動力無人機在夜晚可能需要以電池電量滑行；因為無人機必須保存能量，所以其可能會降低高度。

考慮一個示例性的uav天線子系統(tǒng)，所述示例性的uav天線子系統(tǒng)被設計成以便在地面上形成用來當uav處于最高高度時覆蓋圖4底部的實心圓形614所示的某個區(qū)域的一組固定波束。接著，當uav向下移動到最低高度時，由固定波束組提供的覆蓋區(qū)域將收縮成如圖4底部的點線圓形616所示的較小區(qū)域。例如，在一個實際實現方式中，uav的最高高度是25km并且uav在地面上的覆蓋半徑計劃為25km。如果空中平臺的天線波束是靜態(tài)的/固定的，那么當uav向下移動到20km高度時，uav在地面上的覆蓋區(qū)域同樣將收縮成20km。為了抵消這種覆蓋減小，空中平臺天線系統(tǒng)應被設計(如此公開稍后描述)來確保期望目標覆蓋區(qū)域在uav高度改變時一直被照亮。雖然在高度變化的上下文中呈現上述示例，但是相關領域的普通技術人員在考慮到本公開的內容的情況下，將容易地了解，當空中平臺/uav在其軌道內巡航時，其取向(諸如其側傾/俯仰/偏航)同樣會發(fā)生改變。如果由空中平臺的天線子系統(tǒng)形成的波束是靜態(tài)的/固定的，那么當空中平臺朝向一側向上側傾時，由uav的天線子系統(tǒng)110照亮的覆蓋區(qū)域將對應地偏移并且目標覆蓋區(qū)域中的某些區(qū)域可能失去覆蓋。圖4底部的點線形狀618示出當空中平臺朝向右側向上側傾時覆蓋區(qū)域偏移到右側的方式。

因此，為了始終在地面上的期望目標區(qū)域中提供覆蓋，空中平臺波束生成和波束指向機構必須將至少三種類型的空中平臺/uav移動(或者六種自由度)考慮在內：(i)水平運動(例如，圓形巡航軌道)，(ii)豎直運動，和(iii)取向(側傾、俯仰、偏航)。

靜態(tài)的固定波束示例#1-

為此，在本公開的一個示例性的方面中，空中平臺靜態(tài)地配置有固定波束以便適應由于例如以下變化所致的覆蓋偏差：(i)水平運動(例如，圓形巡航軌道)，(ii)豎直運動，和(iii)取向(側傾、俯仰、偏航)。在一個此類實施方式中，空中平臺的天線子系統(tǒng)基于平臺的取向或高度形成不會動態(tài)改變的靜態(tài)的/固定的波束；相反，空中平臺通過當平臺處于最低高度(或者最壞情況下的高度)時生成更多波束來確保覆蓋不受高度和取向影響。換句話講，固定的/靜態(tài)的波束被設計來確保處于最低高度(或取向)時的覆蓋。

在另一實施方式中，空中平臺在以下情況下形成足以覆蓋地面上的目標覆蓋區(qū)域的波束：空中平臺處于最高高度與最低高度之間的中間高度下。應注意通常波束在小區(qū)邊緣處的增益比在小區(qū)中心處的峰值增益低2至3db，并且波束的增益衰減超過小區(qū)邊緣。因此，空中平臺波束將對超過小區(qū)邊緣放置的終端提供覆蓋，但是處于比在小區(qū)邊緣處低的增益下。在此情況下，當空中平臺移動到最低高度時，波束的覆蓋區(qū)域收縮，但是如以上所提及的，因為波束確實在大于具體小區(qū)的區(qū)域中提供覆蓋，所以目標覆蓋區(qū)域將接收到服務但卻處于較低波束增益下。當空中平臺移動到最高高度時，波束擴展并且覆蓋大于目標覆蓋區(qū)域的區(qū)域。在最高高度與最低高度之間的差值相對較小的情況下，則當空中平臺處于最高高度時無需關閉波束，這是因為超過目標區(qū)域的額外覆蓋將會變小。

在一些實現方式中，靜態(tài)的固定波束進場可產生其他問題；例如，當uav移動到最高高度時，其波束將擴展到目標覆蓋區(qū)域外，這會導致uav通信資源的無效使用。另外，必須增加更多波束以便將平臺在最低高度下可能經歷的最大側傾考慮在內。當平臺處于最高高度和較低側傾角時不使用這些額外波束，從而進一步降低效率。出于說明的目的，考慮以下示例：最高可能的平臺高度為25km并且最低可能的平臺高度為20km，并且地面上的目標覆蓋區(qū)域的半徑為25km。根據上述靜態(tài)的/固定的平臺波束設計，無人機必須設計成帶有當平臺處于25km高度時足以覆蓋地面上半徑～31.25km的區(qū)域的波束，以使得當平臺下降至20km高度時，地面上將維持至少25km的覆蓋區(qū)域。在此示例中，無人機在最高高度必須提供比所需多56％的覆蓋，以便確保在最低高度下的充足的覆蓋。應注意如果最高平臺高度與最低平臺高度之間的差值超過5km，那么其原因是此無效率變得甚至更加擴大。還將需要額外的波束以便將平臺側傾考慮在內。在這種設計方法學下，無人機針對不合乎希望的情況(例如，處于最低高度和交稿uav側傾角)可能需要支持兩倍數目的波束，最佳情況(例如，處于最高高度和較低uav側傾角)將同樣需要如此。

因此，以下變型為空中平臺波束形成技術提供改進的方案以便根據平臺的水平位移、高度和取向動態(tài)地調節(jié)空中平臺/uav的波束，以便最小化所需波束的數目。首先考慮空中平臺圍繞圓的移動效應。經投射波束網絡(諸如圖5所示的經投射波束網絡)將沿著空中平臺圍繞其圓形巡航軌道610的移動。例如，地面上的覆蓋區(qū)域519的中心是空中平臺/uav518的圓形軌道的中心的投影。安裝在空中平臺/uav下方的天線固定裝置114是固定的，并且將不會直接朝向地面上的覆蓋區(qū)519的中心指向。因此，考慮到天線平臺/uav及其天線固定裝置相對于地面上的期望覆蓋區(qū)域的中心519的相對位置，空中平臺天線波束形成和波束指向機構應被設計來確保由空中平臺形成的波束覆蓋地面上的覆蓋區(qū)域614。

在一個此類的變型中，當平臺處于最高高度和/或較低側傾角時，額外波束是不必要的。為此，空中平臺可簡單地基于高度和/或取向角度實現/禁止額外波束。例如，高于第一高度閾值時禁止額外波束，低于第二高度時實現額外波束。第一和第二閾值可進一步被選擇來提供某種滯后(例如，以防止波束“閃爍”)。類似地，可基于取向角度實現/禁止額外波束。

在另一示例性的變型中，空中平臺可形成波束/為其指向以便抵消高度/取向。例如，在一個此類的實施方式中，空中平臺形成用來覆蓋圖5中由虛線示出的中心小區(qū)1的波束。一個此類的實現方式可基于對空中平臺的位置定位坐標和側傾的了解來使波束朝向覆蓋區(qū)域中心指向。例如，空中平臺可使用機載陀螺儀/加速度儀/全球定位系統(tǒng)(gps)子系統(tǒng)319來確定空中平臺的取向和位置坐標?？罩衅脚_處理器子系統(tǒng)314使用經確定的空中平臺的位置定位和取向以及覆蓋區(qū)域的中心的位置坐標來計算從空中平臺至覆蓋區(qū)域的中心的直線相對于來自空中平臺的垂直于地面的直線的角度810，并且指示無線電子系統(tǒng)112和天線子系統(tǒng)114以計算出的角度使其波束朝向中心小區(qū)1指向。

雖然圖5所示的情形未示出任何空中平臺側傾、俯仰或偏航，但是普通技術人員在考慮到本公開的內容的情況下，將容易地了解波束與空中平臺的角度除了角度810之外同樣必須將平臺的取向角度考慮在內。根據平臺取向必須減去或者向角度810添加取向角度。

接著，空中平臺可計算地面上的期望目標覆蓋區(qū)域的剩余小區(qū)的適當波束投射。首先，可基于期望目標覆蓋區(qū)域計算剩余小區(qū)環(huán)中的小區(qū)相對于中心小區(qū)的中心的中心(圖5所示)。當計算小區(qū)環(huán)中的小區(qū)的中心時，通過計算從空中平臺處的天線至每個小區(qū)的中心的所需指向角度可使來自空中平臺的波束朝向每個小區(qū)的中心指向。當已為波束網絡指向時，當空中平臺圍繞圓移動時，地面上的波束網絡同樣圍繞中心波束的中心移動。換句話講，當空中平臺/uav圍繞圓形軌道移動時，波束網絡將繼續(xù)覆蓋期望覆蓋區(qū)域。

參考小區(qū)示例#2-

在本公開的第二方面中，空中平臺由位于接近覆蓋區(qū)域的期望中心的位置(例如，基本上位于圖5中的小區(qū)1的中心)的參考終端120協(xié)助。在一些變型中，參考終端合并到gt120或gtw130內，在其他變型中參考終端是獨立式終端。雖然關于定位在中心的參考終端提供了以下示例，但是應了解未定位在中心的參考終端可同樣合適，只要無人機評定參考終端從覆蓋中心的位移。在一些情況下，位移可由參考終端本身提供；在其他情況下，中心小區(qū)位移可由無人機(或者例如網絡操作員)動態(tài)地確定。

在一個此類的實施方式中，參考終端具有貫穿空中平臺/uav巡航的三維空間發(fā)射參考信號的天線?？罩衅脚_天線子系統(tǒng)114朝向覆蓋區(qū)的中心的一般區(qū)域形成波束以便搜索參考終端。確切地，參考終端120傳輸由空中平臺110無線電子系統(tǒng)112接收的參考信號222?？罩衅脚_無線電子系統(tǒng)112測量已接收參考信號222的信號質量度量，諸如信號與干擾加噪聲比(sinr)。信號質量度量的其他示例包括但不限于：接收信號強度指示(rssi)、位錯誤率(ber)、塊錯誤率(bler)等。

接著，空中平臺110天線子系統(tǒng)114擾亂或調節(jié)朝向參考終端的中心波束的位置并且對已接收參考信號222的信號質量進行測量。如果已測量信號質量(諸如sinr)在被擾亂波束位置處較高，那么空中平臺天線子系統(tǒng)114使用新的波束位置作為中心波束的標稱波束位置?？罩衅脚_110無線電子系統(tǒng)112繼續(xù)測量來自參考信號222的信號質量并且指示天線子系統(tǒng)114通過搜索圖案(例如，網格搜索等)擾亂位置以便找到中心波束的“最佳”位置。最佳中心波束位置應最大化從參考終端120接收的信號質量。在一些實施方式中，由無線電子系統(tǒng)112在不同中心波束位置作出的信號質量測量結果可發(fā)送給處理器子系統(tǒng)314以用于分析。處理器子系統(tǒng)314接著可運行關于已測量信號質量值的多個算法以便找到對中心小區(qū)的最佳波束指向角度。

當中心波束朝向如上所述的覆蓋區(qū)域(圖5中的小區(qū)1)的中心指向時，空中平臺110無線電子系統(tǒng)112和處理器子系統(tǒng)314確定波束朝向圍繞中心小區(qū)的其他環(huán)中的小區(qū)的指向角度。在本公開的一個實施方式中，處理器子系統(tǒng)314已經了解空中平臺的位置定位坐標和取向角度，以及其他小區(qū)的期望中心的位置坐標。接著，處理器子系統(tǒng)314可計算波束從天線仔細歐婷114朝向不同小區(qū)的所需指向角度，并且指示天線子系統(tǒng)114以計算出的指向角度來使波束朝向每個小區(qū)指向。

相對定位示例#3-

在本公開的又一方面中，空中平臺無線電子系統(tǒng)112和處理器314可確定網絡中的每個波束相對于中心波束的波束指向角度，而無需直接了解空中平臺的位置坐標?？罩衅脚_無線電子系統(tǒng)112對參考終端無線電子系統(tǒng)124進行環(huán)路時延(rtd)測量。為了測量rtd，空中平臺無線電子系統(tǒng)112測量由參考終端120傳輸的參考信號222的到達時間，并且進而將消息212傳輸給參考終端120。參考終端120測量消息212的到達時間并且基于參考信號222的傳輸時間和消息212的到達時間計算rtd。相關領域的普通技術人員將容易了解，可以多種其他方式執(zhí)行rtd測量，上述方式純粹是說明性的。

因為在消息212響應于參考信號222的接收而傳輸給參考終端120之前空中平臺無線電子系統(tǒng)112可能存在處理和傳輸排隊時延，所以為了提高精度，無線電子系統(tǒng)112可包括發(fā)送給參考終端的消息212中的處理和傳輸時延(或其最佳估計值)。此后,參考終端120可適當地校準由于計算rtd值時處理/排隊時延所致的時延。

處理器你314使用rtd測量結果來估計從空中平臺110到參考終端120的距離(例如，基于無線電波的傳播速度)。圖5示出空中平臺/uav的巡航軌道以及地面上的相對于uav的波束網絡。因為空中平臺/uav在圍繞高于覆蓋中心的點518的小圓610中巡航并且空中平臺/uav的高度遠大于巡航軌道的半徑516，所以如由rtd測量的從uav到覆蓋區(qū)512的中心的距離非常接近空中平臺514的實際高度。因此，如上所述由rtd測量的距離可用作與uav110的高度的逼近值。處理器314已經了解地面上的不同波束針對uav的給定高度的期望中心。例如，當空中平臺110已經在參考終端上形成波束時，參考終端120可將關于小區(qū)的數目和不同高度小區(qū)的中心的信息發(fā)送給空中平臺110。接著，空中平臺314使用周圍小區(qū)環(huán)中的每個小區(qū)的中心相對于中心小區(qū)的位置坐標、uav的取向角度、和uav的高度來計算來自空中平臺天線子系統(tǒng)114的波束朝向每個小區(qū)的中心的所需指向角度。當從天線子系統(tǒng)114朝向每個小區(qū)中心的指向角度由處理器314計算得出時，天線子系統(tǒng)以計算出的指向角度使波束朝向每個小區(qū)指向。

窄波束參考小區(qū)示例#4-

在本公開的另一方面中，參考終端可具有窄波束寬度天線波束，所述窄波束寬度天線波束可能不會覆蓋空中平臺巡航的整個三維空間。根據空中平臺的相對位置和參考終端指向其波束的方向，空中平臺無線電子系統(tǒng)112可能不能夠檢測到來自參考終端120的參考信號222。

在一個示例性的實施方式中，為了確保參考終端120正使波束朝向uav的巡航軌道的至少一部分指向，參考終端處理器子系統(tǒng)314將包含uav的三維巡航區(qū)域的空間分成子區(qū)。每個子區(qū)足夠小，以使得當空中平臺的波束接收到參考信號時，空中平臺的波束可在子區(qū)內進行響應。在搜索過程中，參考終端天線子系統(tǒng)124使其波束反復地朝向不同子區(qū)指向，并且在每個子區(qū)中參考終端無線電子系統(tǒng)122搜索由空中平臺110發(fā)送的參考信號響應212。在一個此類變型中，參考終端使其波束在每個子區(qū)中保持固定持續(xù)uav的繞軌運行持續(xù)時間，以使得uav將在搜索過程中完成至少一次完整的繞軌運行。這確保uav和參考終端波束將足夠長地對齊以便允許參考終端無線電子系統(tǒng)122檢測到參考信號212，并且確保當空中平臺進入子區(qū)時參考終端120將能夠檢測到空中平臺的參考信號212。此搜索過程繼續(xù)，直到參考終端的無線電子系統(tǒng)122檢測到來自空中平臺110的參考信號響應212為止。當參考終端120已經檢測到參考信號響應212時，所述參考終端120將消息222發(fā)送給空中平臺。此后，空中平臺110可使用上述實施方式中的一個優(yōu)化其中心波束朝向中心小區(qū)的指向。因為空中平臺正在其巡航軌道中移動，所以空中平臺中心波束指向過程和rtd測量必須在以下時間階段過程中進行：當參考終端的波束正朝向空中平臺指向時。

在使用以上實施方式中描述的系統(tǒng)和方法使空中平臺的波束朝向地面上的不同小區(qū)初始指向之后，空中平臺110子系統(tǒng)將繼續(xù)更新平臺的位置定位坐標、取向角度和高度。基于uav位置定位和取向角度的更新，空中平臺子系統(tǒng)可計算朝向每個小區(qū)的新的波束指向角度并且相應地對每個波束進行調節(jié)。

波束指向技術-

以上實施方式描述了用于確定空中平臺的波束中的每個朝向地面上的期望目標覆蓋區(qū)域中的不同小區(qū)的指向角度的系統(tǒng)和方法?，F在更加詳細地描述用于使天線波束指向的各種方案。

圖6a示出用于基于致動器的波束形成的示例性的天線固定裝置。如圖所示，示例性的天線固定裝置包括7個面，標號為116-j，其中j是不同面j＝1,...,7的指數。面160-1覆蓋空中平臺下的更接近覆蓋中心的區(qū)域。天線固定裝置的梯形底座附接到空中平臺下面。面116-2至116-6覆蓋遠離uav的覆蓋中心的區(qū)域。每個天線面116-j包括多個天線子孔徑117-k，其中k是不同子孔徑的標號。每個子孔徑117-k朝向覆蓋區(qū)域的一個小區(qū)生成一個波束。每個天線子孔徑116-j附接到致動器119-k，這由處理器314控制。當處理器314已經計算每個天線子孔徑116-k的指向角度時，其指示致動器119-k根據計算出的指向角度使子孔徑117-k傾斜。

在天線系統(tǒng)設計的一個方面中，天線波束通過例如相控陣列以電子方式形成以為覆蓋地面上的每個小區(qū)的波束指向。如圖6b所示，每個天線面包含基本上以半傳輸和/或接收波長間隔開的多個天線元件115-j，其中j是不同天線元件的標號。在最實際的應用中，傳輸和接收波長并不是明顯不同的(例如，僅通過少量兆赫加以區(qū)分，處于千兆赫頻率載波范圍下)，因此半波長距離主要基于載波頻率。然而，相關領域的普通技術人員在考慮到本公開的內容的情況下，將容易地了解，當傳輸和接收波長基本上分離時，不同傳輸和接收天線固定裝置的半波長距離將會不同。

當處理器314已經計算波束朝向地面上的每個小區(qū)的指向角度時，所述處理器314指示天線子系統(tǒng)114以對應的指向角度朝向每個小區(qū)形成波束。圖6c示出相控陣列波束形成方式，其中天線子系統(tǒng)114通過以下方式形成每個波束：使指定用于第k個波束的信號乘以系數cjk(j＝l,...,n)并且將結果發(fā)送給天線元件115-1至115-n的n個子集。

相關領域的普通技術人員在考慮到本公開的內容的情況下，將容易地了解，其他機械和/或電子波束形成/指向天線結構可互換使用和/或另外結合上述機械和/或電子波束形成/指向天線設計一起使用。各種其他天線元件結構諸如超材料、隙縫天線陣等也可同樣成功地使用。

圖7是用于確定從空中平臺/uav朝向每個小區(qū)的指向角度的一種示例性的方法的流程圖。

在步驟702中，處理器314獲得空中平臺的取向。在一個示例性的實施方式中，取向包括側傾角、俯仰角和/或偏航角中的一或多個。

在一個示例性的實施方式中，基于全球定位系統(tǒng)(gps)、加速度儀、陀螺儀等中的一或多個來確定空中平臺的取向。

相關領域的普通技術人員在考慮到本公開的內容的情況下，會容易地了解用于確定位置的各種其他機構。

在步驟704中，處理器314獲得關于空中平臺的位置定位的信息。在一個示例性的實施方式中，位置包括水平(例如，緯度、經度)和豎直(例如，高度)坐標中的一或多個。在一個示例性的實現方式中，從全球定位系統(tǒng)(gps)獲得位置坐標。在其他實現方式中，可通過對從無線電子系統(tǒng)122接收的到達時間測量結果進行三角測量來獲得位置坐標，所述到達時間測量結果是從例如多個參考終端接收到的信號。

在步驟706中，處理器子系統(tǒng)314確定目標小區(qū)的一或多個位置坐標。在一個示例性的實施方式中，可從由地面終端發(fā)送的消息中獲得一或多個位置坐標。在其他實施方式中，可基于例如預定布局獨立地導出一或多個位置坐標。在一個示例性的預定布局中，一或多個位置坐標對應于布置成具有三(3)個同心環(huán)圍繞中心小區(qū)的六邊形圖案的三十七(37)個小區(qū)。在另外其他的實施方式中，處理器子系統(tǒng)314可獨立地確定何時實現/禁止目標小區(qū)以便例如減少功率、提高小區(qū)覆蓋效率、減少干擾等。

在步驟708中，處理器381計算從空中平臺天線系統(tǒng)朝向每個小區(qū)的指向角度。在一個示例性的實施方式中，基于三角函數特性使用經確定的位置坐標和取向角度來確定指向角度。在其他實施方式中，基于搜索(例如，通過測試多個擾動以便確定最佳指向角度)確定最佳指向角度。

在步驟710中，空中平臺天線子系統(tǒng)根據計算出的指向角度為其波束指向。在一個實施方式中，指向是機械致動的。在其他實施方式中，指向是通過相控陣列以電子方式執(zhí)行的。

圖8是用于確保具有窄波束寬度的參考終端的天線將指向空中平臺的巡航區(qū)域的子區(qū)以使得至少對于某一時間段來說空中平臺和參考終端無線電子系統(tǒng)可通信并且進行rtd測量的一種示例性的方法的流程圖。

在步驟802中，參考終端處理器子系統(tǒng)將平臺的巡航區(qū)域分成相連子區(qū)并且產生子區(qū)列。在一個實施方式中，分區(qū)基于地形平均分裂。在其他實施方式中，分許基于uav的估計可能性不平均地分裂。例如，如果參考終端認為uav位于某一空間內(基于最近歷史、帶外信令等)，那么參考終端可相應地分配不成比例數目的搜索資源(例如，時間、功率、帶寬等)。

當空中平臺成功地接收到參考信號時，所述空中平臺響應性地傳輸響應。相應地，在步驟804處，參考終端使其天線波束朝向子區(qū)指向，并且搜索由空中平臺發(fā)送的對參考信號的響應。在一個示例性的實施方式中，參考終端在子區(qū)內搜索持續(xù)基本上等于空中平臺的巡航繞軌運行持續(xù)時間的一段時間。在其他實施方式中，持續(xù)時間被選擇成以便最大化接收到來自空中平臺的對參考信號的響應的可能性。在存在多個空中平臺的實施方式中，可能無法使搜索階段與任何單一無人機的在軌持續(xù)時間一致；然而，參考終端可智能地選擇某個階段以最大化搜索。

在步驟806中，參考終端確定是否已檢測到來自空中平臺的參考信號。如果已檢測到空中平臺的參考信號，那么過程進入步驟810，在所述步驟810中空中平臺和參考終端執(zhí)行環(huán)路時延(rtd)測量以便確定uav的高度。

如果在804中參考終端未檢測到來自空中平臺的參考信號，那么過程移動到步驟808，在所述步驟808中將最近檢查的子區(qū)從子區(qū)列的頂部移除。過程接著移動到步驟804，在所述步驟804中參考終端搜索在新的列表頂部的子區(qū)。

圖9是用于使用參考終端協(xié)助使波束指向來確定從空中平臺/uav朝向地面上的每個小區(qū)的指向角度的一種示例性的方法的流程圖。

在步驟902中，處理器314獲得來自陀螺儀/加速度儀子系統(tǒng)319的空中平臺的取向。在一個示例性的實施方式中，基于全球定位系統(tǒng)(gps)、加速度儀、陀螺儀等中的一或多個來確定空中平臺的取向。相關領域的普通技術人員在考慮到本公開的內容的情況，將容易地了解用于確定位置的各種其他機構。

在步驟904中，處理器314使用空中平臺的無線電子系統(tǒng)112與參考終端的無線電子系統(tǒng)124之間的環(huán)路時延(rtd)測量來估計空中平臺的高度。

在步驟906中，處理器子系統(tǒng)314確定目標小區(qū)的一或多個位置坐標。在一個示例性的實施方式中，可從由地面終端發(fā)送的消息中獲得一或多個位置坐標。在其他實施方式中，可基于例如預定布局獨立地導出一或多個位置坐標。在一個示例性的預定布局中，一或多個位置坐標對應于布置成具有三(3)個同心環(huán)圍繞中心小區(qū)的六邊形圖案的三十七(37)個小區(qū)。在另外其他的實施方式中，處理器子系統(tǒng)314可獨立地確定何時實現/禁止目標小區(qū)以便例如減少功率、提高小區(qū)覆蓋效率、減少干擾等。

在步驟908中，處理器314使用小區(qū)的估計的高度、取向和位置坐標計算從空中平臺天線系統(tǒng)朝向地面上的每個小區(qū)的指向角度。

在步驟910中，空中平臺天線子系統(tǒng)以機械方式或以電子方式基于計算出的指向角度調節(jié)朝向目標小區(qū)的每個波束的位置。

將了解雖然本公開的某些實施方式根據方法步驟的具體順序進行描述，但是這些描述僅僅是說明本公開的更廣泛方法，并且可根據需要由特定應用修改。在某些情況下，某些步驟可視為不必要的或任選的。另外，某些步驟或功能可添加到所公開實施方式，或者可置換兩個或更多個步驟的執(zhí)行次序。全部此類變型被認為涵蓋在所公開和本文要求保護的公開內。

雖然上文的詳細說明已經在應用于各種實施方式時展示、描述并指出本公開的新穎特征，但應理解，在所示出裝置或過程的形式和細節(jié)上的各種省略、代替和改變可由本領域的技術人員在不背離本公開的情況下做出。此描述絕不意味著是限制性的，而是應被認為說明本公開的一般原理。本公開的范圍應參考權利要求書來確定。

應進一步了解雖然本文描述的各種方法和設備的某些步驟和方面可由人執(zhí)行，但是所公開的方面以及單獨的方法和設備一半是計算機化的/計算機實現的。計算機化的設備和方法出于任何數目的原因必須完全實現這些方面，所述原因包括但不限于商業(yè)生存能力、實用性和甚至可行性(即，某些步驟/過程不能簡單地由人以任何可行方式執(zhí)行)。