專利名稱：測量有源信號發射無線電探空儀的方位角和仰角的方法和天線系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1的序言的天線結構。
本發明還涉及一種根據權利要求12的序言的方法。
本發明還涉及一種用于測量有源信號發射無線電探空儀的方位角和仰角的方法。
本發明涉及一種大氣探測系統，其中通過獨立的自供電有源元件(activecomponent)通常稱之謂包括無線電發射機的無線電探空儀現場測量大氣的性質。這種解決方案的典型特征是無源地(不發射)接受天線以及測量裝置(無線電探空儀)穿過被測量的空間提起或者落下的事實。
背景技術：
通過無線電探空儀的傳感器現場測量的參數例如氣壓、溫度和相對濕度經由連接于接收站的遙測裝置來傳輸。可以通過使用導航輔助系統網絡例如GPS或勞蘭-C導航系統、通過一次雷達或二次雷達、或者通過無源(不發射)和獨立的(不使用導航輔助系統網絡)無線電經緯儀來測量所關心的其它參數風速和風向。無線電探空儀的高度可以通過計算氣壓、溫度和濕度數據而獲得。
本發明的目的是使用無源(不發射)天線結構而不依賴于導航輔助系統網絡在三維空間確定有源無線電探空儀的方位角和仰角。本發明通常應用于定位借助充滿氫氣或氦氣的氣球進入大氣的無線電探空儀。無線電探空儀的方位角和仰角由接收到的無線電探空信號來確定。
風速和風向可以通過計算無線電探空儀的連續的方位角和仰角以及高度來獲得。
現有解決方案在1680MHz氣象頻帶在方位方向和豎直方向上機械地跟蹤無線電探空儀。這種方法的缺點是復雜和昂貴的機械接收天線結構。
現有解決方案的另一缺點是當接受來低仰角的無線電探空信號時不能充分地衰減地面反射。

發明內容
本發明的目的旨在克服現有解決方案中的問題并且提供一種用于確定無線電探空儀的方位角和仰角的全新型的天線結構和方法。
本發明的目標是通過固定向后傾斜的天線場來實現的，其中天線元件安裝在天線架上。在一個典型實施例中天線場圍繞接近當仰角保持實質上不變時無線電探空儀的方向的垂直軸旋轉。
在本發明的另一個實施例中具有指向不同的固定方位方向的至少三個這種固定傾斜天線場。這種解決方案沒有運動部件。
更特別地，根據本發明的天線系統的特征由權利要求1的特征部分闡述。
此外，根據本發明的方法的特征由權利要求12的特征部分闡述。
本發明提供有效的好處。
通過衰減地面反射無線電探空儀的方位角和仰角可以更準確地測量，尤其是當無線電探空儀處于低仰角時。
天線結構的機械部分可以以更低的成本來簡化和制造。而且，由于運動部件減少所以系統的可靠性增加。


下面，通過參考附加的附圖借助于典型實施例將對本發明進行更詳細的檢驗，其中圖1a示出根據本發明的可旋轉天線結構的透視圖。
圖1b示出圖1a的實施例的簡圖。
圖2示出根據本發明的第二實施例的固定天線結構的透視圖。
圖3示意性地示出在地面反射方向具有增益模式最小值(零)的用探測氣球升起的無線電探空儀、直接信號、地面反射、可旋轉天線結構以及典型輻射模式。
圖4示出在地面反射方向具有增益模式最小值(零)的用于雙元件(two-element)天線陣列的典型輻射模式的極座標圖。
圖5示意性地示出雙元件天線陣列的調整相位的側視圖。
具體實施例方式
根據圖1基本上平面的天線場1包括垂直天線群12和水平天線群13。垂直天線群12包括在上方彼此配置的至少兩個天線陣列10a和10b。在這種解決方案中每一陣列列包括三個天線元件9。這些陣列10a和10b的方向模式(direction pattern)在仰角平面是寬的。
垂直天線群10a和10b用于根據在天線陣列10a、10b之間接受到的無線電探空信號的相位差來確定無線電探空儀的仰角。
各個水平天線群13包括圍繞天線場1的縱向中心線至少實質上對稱配置的兩個水平天線陣列11a和11b。在這種解決方案中每一陣列包括兩個或兩個以上天線元件9。這些陣列11a和11b的方向模式在仰角平面也是寬的。
無線電探空儀的方位角由陣列11a和11b根據在天線陣列11a、11b之間的相位差和天線場1的旋轉位置來確定。
本發明的一個優選實施例1包括分為上部6和下部14的僅僅一個旋轉支撐架。具有它的架子2的天線場1被安裝在在它的腳5的端部具有圓形支撐盤4的固定三角架3上。單獨的天線8用于無線電探空儀遙測。為了將天線場1指向接近無線電探空儀的方向，天線架圍繞垂直軸7是可旋轉的。方位角可以使用在架子的下部14上的水平天線群13來測量，仰角可以借助設置在架子的上部6和下部14上的垂直天線群12來測量。圖1b給出了角度測量必需的天線群的簡化型式。傾斜角α通常為30°。在上下文中術語“固定傾斜”或“固定的傾斜角”還意味著解決方案，其中允許傾斜角的小振動偏差例如由于風產生的。
由于天線群13用于方位測量，天線場1形成反轉T型或L型。使用這種解決方案可以實現重力和風力載荷的低中心(low center)。顯然，在發明的思想范圍內方位天線群13也可以設置在天線場1的上部6或中心，其中形成T型、倒轉L型或加號(+)型。本發明沒有限制方位角和仰角天線群以彼此垂直或與地面垂直，由此允許例如還可以是X型天線場。
無線電探空儀遙測接受不依賴于方位角和仰角測量。遙測信號通過分離的(high)高增益定向天線8來接收。天線8的方向模式通常在方位平面是窄的而在仰角平面是寬的。
圖1b給出了圖1a的天線結構的簡化型式。在這種型式中每一天線陣列被單個的天線元件9取代。
圖2給出了以具有四個傾斜天線場14的固定棱錐體型天線形成的本發明的另一實施例。使用在棱錐體的底部包括兩個天線陣列18a和18b的水平天線群20來測量方位角。陣列包括兩個或兩個以上天線元件16。使用在棱錐體的上部和下部包括兩個垂直設置的天線陣列17a和17b的垂直天線群19來測量仰角。遙測信號通過設置在棱錐體頂部的分離定位天線15來接收。
在之前描述的兩個解決方案中，通過測量至少兩個天線元件或陣列在水平方向(水平群13或20)上的相位差和天線場14的方向來確定方位角。
通過測量至少兩個天線元件或陣列實質上在垂直方向上(垂直群12或19)的相位差來確定仰角。
根據圖3，天線系統34的作用在于獲得來自無線電探空儀31的直接(direct)無線電信號32。當無線電探空儀31在低仰角時，來自(負)反射角的地面反射30曾經是降低現有技術性能的主要因素。本發明通過將輻射模式33的增益模式最小值35(零)對準地面反射30的方向來減少這個問題。通常對于不同的仰角通過根據相位陣列技術對準主射束用實驗方法來確定該方向，使得地面反射最小化。
根據圖4，增益模式最小值(零)通過有至少兩個天線元件(9或16)組成的天線陣列(10a、10b、11a、11b或者17a、17b、18a、18b)來形成。增益模式最小值(零)30通過修改在陣列中(波形)每一天線元件的信號相位和信號幅度來定向。
根據圖5，修改的信號的和代表現在可以作為具有更多適合的輻射模式的單個天線元件的天線陣列。對于在水平和垂直群(12、13或19、20)中的每一天線陣列增益模式最小值(零)單獨形成。
s=sa1Aejφ180π+sa2Ae-jφ180π,]]>其中φ是相移。
對于不同的仰角(輻射模式)相移用實驗方法來設計。更詳細的解釋天線波束形成，舉例來說，參考Robert J.Mailloux，相位陣列天線手冊，第2章和第3章，1994Artech House，Inc，ISBN0-89006-502-0。
根據圖6，入射角可以使用兩個同樣的天線A1和A2利用干涉測量原理來測量，該原理更詳細的解釋，舉例來說，參考Englar，Mango，Roettcher，Watters，FINAL REPORT FOR THE MININTRACK TRACKING FUNCTIONDESCRIPTION，卷1，1973年3月，NASA-TMX-66213。如果基線長度(b)小于或者等于半波長(λ/2)可以測量明確的入射角(-90°＜α＜90°)。當天線A1和A2之間的相位差(φ)已經被測量(-180°＜φ＜180°)，該入射方向(DOA)可以被計算出
α=arcsin(xb),]]>其中 c＝光速和f＝信號頻率。
代替圖1a、1b和2示出的平面天線場1或14，天線場也可以是凸狀的、凹狀的或者例如階梯形。在圖1a和1b的旋轉實施例中所有的天線、天線陣列和天線元件被設置在這種統一的剛性天線場1而不管天線場的形狀。在圖2的實施例中遙測天線15不包括在這種天線場14中。
在這種具有寬束的應用中意味著束寬大于120°。
各個窄束意味著束寬小于30°。
權利要求
1.一種用于測量有源信號發射無線電探空儀(31)的方位角和仰角的天線系統，該天線系統包括第一無源天線群(13)，其包括至少兩個天線陣列(11a、11b)，為了根據天線陣列(11a、11b)之間的相位差來測量無線電探空儀(31)的方位角其方向模式至少在仰角平面是寬的，第二無源天線群(12)，其包括至少兩個天線天線陣列(10a、10b)，為了根據天線陣列(10a、10b)之間的相位差和天線場(1)的旋轉位置來測量無線電探空儀(31)的仰角其方向模式至少在仰角平面是寬的，和至少一個具有高增益的第三天線元件(8)用于接受遙測信號，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是寬的，其特征在于第一(13)和第二(12)天線群構成立體天線場(1)，以及天線場(1)以預定仰角位置固定傾斜。
2.權利要求1的天線系統，特征在于第三天線(8)屬于天線場(1)。
3.權利要求1或2的天線系統，特征在于天線場實質上是平面。
4.上述權利要求或它們的結合中的任何一個的天線系統，特征在于每一天線陣列(10a、10b、11a、11b)的增益模式最小值(35)(零)對準地面反射(30)的方向。
5.根據任何上述權利要求或它們的結合的天線系統，特征在于天線系統包括用于當仰角實質上保持恒定時接近無線電探空儀(31)的方向圍繞垂直軸(7)旋轉天線場(1)的裝置。
6.根據任何上述權利要求或它們的結合的天線系統，特征在于無線電探空儀(31)遙測接受不依賴于方位角和仰角測量。
7.根據任何上述權利要求或它們的結合的天線系統，特征在于天線場(14)固定在方位角和仰角方向，并且該系統包括指向不同方位方向的至少三個天線場(14)。
8.權利要求7的天線系統，特征在于每一天線陣列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)對準地面反射的方向。
9.權利要求7或8的天線系統，特征在于無線電探空儀遙測接受(15)不依賴于方位角和仰角測量。
10.根據任何上述權利要求或它們的結合的天線系統，特征在于天線場(1)傾斜朝后固定。
11.根據任何上述權利要求或它們的結合的天線系統，特征在于天線場(1)形成反轉字母T。
12.一種用于測量有源、信號發射無線電探空儀(31)的方位角和仰角的方法，其中該方法根據在天線陣列(11a、11b)之間接收的無線電探空儀信號的相位差和天線場(1)的旋轉位置使用包括至少兩個天線陣列(11a、11b)的第一無源天線群(13)來測量無線電探空儀(31)的方位角，其方向模式至少在仰角平面是寬的，根據在天線陣列(10a、10b)之間接受的無線電探空儀信號的相位差使用包括至少兩個天線天線陣列(10a、10b)的第二無源天線群(12)來測量無線電探空儀(31)的仰角，其方向模式至少在仰角平面是寬的，和使用至少一個具有高增益的第三天線元件(8)來接收遙測信號，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是寬的，其特征在于第一(13)和第二(12)天線群構成立體天線場(1)，以及天線場(1)以預定仰角位置固定傾斜。
13.權利要求12的方法，特征在于第三天線(8)屬于天線場(1)。
14.根據任何上述權利要求或它們的結合的方法，特征在于每一天線陣列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)對準地面反射的方向。
15.根據任何上述權利要求或它們的結合的方法，特征在于無線電探空儀遙測接受不依賴于方位角和仰角測量。
16.根據任何上述權利要求或它們的結合的方法，特征在于當仰角實質上保持恒定時接近無線電探空儀(31)的方向圍繞垂直軸(7)旋轉天線系統。
17.根據任何上述權利要求或它們的結合的方法，特征在于天線場(1)傾斜朝后固定。
18.根據任何上述權利要求或它們的結合的方法，特征在于天線場(14)固定在方位角和仰角方向，并且該系統包括指向不同方位角方向的至少三個天線場(14)。
19.根據權利要求18的方法，特征在于每一天線陣列(17a、17b、18a、18b)的增益模式最小值(零)對準地面反射的方向。
20.權利要求18或19的方法，特征在于無線電探空儀遙測接受(15)不依賴于方位角和仰角測量。
全文摘要
本發明涉及一種和方法。用于測量有源信號發射無線電探空儀(31)的方位角和仰角的天線系統包括第一無源天線群(13)，其包括至少兩個天線陣列(11a、11b)，為了根據天線陣列(11a、11b)之間的相位差來測量無線電探空儀(31)的方位角其方向模式至少在仰角平面是寬的，第二無源天線群(12)包括至少兩個天線陣列(10a、10b)，為了根據天線陣列(10a、10b)之間的相位差和天線場(1)的旋轉位置來測量無線電探空儀(31)的仰角其方向模式至少在仰角平面是寬的，和至少一個具有高增益的第三天線(8)用于接受遙測信號，元件(8)的方向模式在方位角平面是窄的而在仰角平面是寬的。根據本發明第一(13)和第二(12)天線群構成立體天線場(1)，以及天線場(1)以預定仰角位置固定傾斜。
文檔編號H01Q21/00GK1726616SQ200380106246
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月16日 優先權日2002年12月16日
發明者H·安德森, P·卡胡寧, J·科爾特, J·亞蒂寧 申請人:威易拉有限公司