一種隨動(dòng)跟蹤wifi傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，包括云臺(tái)控制器，以及與之連接的加速度傳感器、地磁傳感器、北斗導(dǎo)航接收機(jī)、無(wú)線通信單元、WIFI單元和天線云臺(tái)；還包括設(shè)置在天線云臺(tái)上的定向天線，定向天線連接到WIFI單元。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了WIFI的遠(yuǎn)距離通信，并解決了使用定向天線時(shí)多接入點(diǎn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)組網(wǎng)問(wèn)題；使WIFI在提升通信距離、提升通信隱蔽性、提升網(wǎng)絡(luò)抗毀性、降低電磁干擾等方面效果明顯；能夠適合野外使用，大大地拓展了WIFI的用途與范圍；采用4陣元雙激勵(lì)MIMO定向天線結(jié)構(gòu)可使定向天線獲得高增益，窄主瓣波束、低旁瓣等優(yōu)良特性。
【專利說(shuō)明】
一種隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[00011本實(shí)用新型涉及WIFI通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] WIFI通信是當(dāng)代社會(huì)應(yīng)用非常普及的一種無(wú)線通信方式。WIFI通信具有諸多優(yōu) 點(diǎn)，例如用戶容量大、傳輸速度高、接入方便、使用廣泛、組網(wǎng)靈活等顯著的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代智能 終端，如手機(jī)、移動(dòng)筆記本等通常都把WIFI通信功能作為標(biāo)準(zhǔn)配置之一。
[0003] 民用無(wú)人飛行器尤其是多軸旋翼飛行器，具有成本低、開(kāi)發(fā)容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用途 廣泛的特點(diǎn)，得到了相當(dāng)?shù)钠占?。但目前多?shù)無(wú)人飛行器主要通過(guò)專門的遙控器實(shí)現(xiàn)控制， 使用WIFI通信的無(wú)人機(jī)一般僅能在100米以內(nèi)通信。如果無(wú)人飛行器能用WIFI實(shí)現(xiàn)數(shù)公里 的通信，將是非常方便的。這種情況下，使用現(xiàn)代智能終端設(shè)備就能很方便地與對(duì)飛行器實(shí) 現(xiàn)通信聯(lián)系，借助智能終端的平臺(tái)能方便地開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)新功能，無(wú)疑將極大地拓展無(wú)人飛 行器應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。
[0004] 另一方面，隨著汽車的普及，許多汽車上已具備了WIFI功能。如果汽車之間能以某 種方式實(shí)現(xiàn)WIFI組網(wǎng)，在數(shù)百米范圍實(shí)現(xiàn)WIFI互聯(lián)，這無(wú)疑將是非常有價(jià)值的事情。
[0005] 但遺憾的是，目前以上兩種場(chǎng)合應(yīng)用均未實(shí)現(xiàn)。主要原因是WIFI通信采用多進(jìn)制 寬帶數(shù)字調(diào)制，存在頻帶占用寬、信號(hào)的峰平功率比高，導(dǎo)致發(fā)射效率低等缺點(diǎn)。特別是由 于信號(hào)的峰平功率比高，導(dǎo)致發(fā)射器效率很低，使用寬帶通信導(dǎo)致接收機(jī)靈敏度低等，因此 WIFI通常只用作短距離通信?，F(xiàn)代移動(dòng)終端上的小功率WIFI通信距離一般在數(shù)十米范圍 內(nèi)，發(fā)射效率通常低于25 %，根本不適合遠(yuǎn)距離通信。要提高通信距離，就需要提高發(fā)射功 率，由于發(fā)射效率低，要求發(fā)射機(jī)總消耗功率很大，電源消耗增加程度就十分顯著。此外，通 信功耗過(guò)高也不利于使用電池供電的系統(tǒng)使用。目前，在提高線性發(fā)射器效率方面，不少研 究者已提出了一些列諸如:前饋、預(yù)失真等新技術(shù)，在一定程度上改善了發(fā)射效率，在窄帶 通信方面獲得一定程度應(yīng)用，寬帶通信具有復(fù)雜性目前仍舊處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未能 達(dá)到實(shí)用化水平。
[0006] 鑒于以上原因，WIFI通常僅作為短距離通信使用，許多戶外通信只得使用其他方 式代替。例如，民用型無(wú)人飛行器的通信方式多采用模擬通信和部分?jǐn)?shù)字通信相混合的方 式。圖像和聲音傳輸使用模擬調(diào)頻FM方式，命令控制則使用數(shù)字頻移鍵控FSK方式。地面車 輛間的通信甚至是采用傳統(tǒng)的對(duì)講機(jī)。一些性能更好的通信系統(tǒng)則使用全數(shù)字的⑶FDM、 QPSK等方式。這些通信方式，雖然能解決飛行器、車輛等遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題，但它屬于專用性 質(zhì)的通信與現(xiàn)代智能終端使用的WIFI有很大的差異，由于通信體制完全不同，失去了使用 WIFI的便利性優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 目前使用定向天線擴(kuò)展WIFI通信距離已有一定應(yīng)用，定向天線陣具有比常規(guī)WIFI 系統(tǒng)所用的全向天線有更高的增益，加上它是定向傳輸?shù)?，因此信?hào)傳輸時(shí)能量高度集中， 降低了噪聲干擾，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。在相同發(fā)射功率與相同接收機(jī)靈敏度情況下，定向天 線陣能有效地提高通信質(zhì)量，使WIFI傳輸距離成倍增加成為可能。在定向通信方式下，由于 傳輸能量集中在所指方向上，對(duì)其它非傳輸方向的設(shè)備干擾也會(huì)很小。但是，定向天線具有 方向性，需要收發(fā)系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)才能建立通信，而且由于定向通信系統(tǒng)組網(wǎng)的復(fù)雜度高，所 以目前都限于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)固定位置之間的通信，例如2個(gè)高樓之間使用定向網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)WIFI通信 等。但這些常規(guī)設(shè)計(jì)要么采用增大發(fā)射功率，要么增加天線方向性和增益來(lái)提升通信距離， 沒(méi)有在WIFI信號(hào)本身上尋求解決方案。并且這些設(shè)計(jì)也無(wú)法滿足移動(dòng)、隨機(jī)、多接入點(diǎn)組網(wǎng) 等實(shí)際需要。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種能隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置設(shè)計(jì)方案，該方案 采用具有自動(dòng)跟蹤能力的定向WIFI通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了任意移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)間的WIFI定向通 信，并使通信距離成倍增加，主要技術(shù)方案如下：
[0009] 一種隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，包括云臺(tái)控制器，以及與云臺(tái)控制器連接的加速度 傳感器、地磁傳感器、北斗導(dǎo)航接收機(jī)、自組織低功耗無(wú)線通信單元、WIFI單元和第1天線云 臺(tái)；還包括設(shè)置在第1天線云臺(tái)上的第1定向天線，第1定向天線連接到WIFI單元。
[0010] 進(jìn)一步的，所述WIFI單元包括WIFI主處理器和與之連接的第1射頻單元，WIFI主處 理器連接所述云臺(tái)控制器，第1射頻單元連接所述第1定向天線。
[0011]更進(jìn)一步的，還包括第2定向天線，第2定向天線設(shè)置在第2天線云臺(tái)上，第2天線云 臺(tái)連接云臺(tái)控制器;所述WIFI單元還包括WIFI協(xié)處理器和第2射頻單元，WIFI協(xié)處理器連接 WIFI主處理器，第2射頻單元連接第2定向天線。
[0012] 更進(jìn)一步的，所述第1定向天線和第2定向天線均為四陣元雙輸入激勵(lì)MMO結(jié)構(gòu)， 其包括底層激勵(lì)輸入層，所述底層激勵(lì)輸入層下方設(shè)有金屬底面反射層，上方依次設(shè)有兩 個(gè)或兩個(gè)以上的引向器。
[0013] 更進(jìn)一步的，所述第1射頻單元和第2射頻單元為雙頻模式，工作頻段為2.4GHz頻 段和5GHz頻段。
[0014] 更進(jìn)一步的，所述5GHz頻段的射頻單元包括由射頻濾波器UFl、功率放大器PAdi 頻收發(fā)切換電子開(kāi)關(guān)S1、射頻濾波器UF2、天線Pl順次連接構(gòu)成的發(fā)射通路;還包括接收通 路，接收通路包括順次連接到射頻收發(fā)切換電子開(kāi)關(guān)Sl的低噪聲放大器LNA和射頻濾波器 UF3;所述功率放大器PA為平衡放大器結(jié)構(gòu);還包括用于驅(qū)動(dòng)收發(fā)切換的隔離驅(qū)動(dòng)器。
[0015] 本實(shí)用新型的有益效果是：
[0016] 1)本實(shí)用新型采用自組織定向WIFI通信網(wǎng)絡(luò)與自組織全向低功耗輔助網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ) 組合的系統(tǒng)構(gòu)架，不但解決了當(dāng)前高速WIFI網(wǎng)絡(luò)不能遠(yuǎn)距離使用的問(wèn)題，最重要的是解決 了定向WIFI多接入點(diǎn)隨機(jī)動(dòng)態(tài)移動(dòng)組網(wǎng)問(wèn)題，使WIFI的用途獲得巨大拓展。自組織全向低 功耗輔助通信網(wǎng)絡(luò)是低速窄帶通信網(wǎng)絡(luò)，主要是輔助WIFI確定天線指向，不承擔(dān)用戶數(shù)據(jù) 傳輸。盡管是低功耗發(fā)射，但它屬于窄帶通信接收機(jī)靈敏度很高，具有比定向WIFI更遠(yuǎn)的傳 輸距離，其高效率特性保障了整個(gè)WIFI系統(tǒng)能建立起精準(zhǔn)的定向通信。
[0017] 2)本實(shí)用新型采用新的定向天線結(jié)構(gòu)，使WIFI在定向傳輸方面提升了收發(fā)性能， 使發(fā)射信號(hào)雜散與諧波更小、接收信噪比更高。使用多層疊合PCB方式設(shè)計(jì)，具有取材容易、 加工簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。
[0018] 3)本實(shí)用新型采用多濾波器方式的射頻前后端電路結(jié)構(gòu)，有效提升了 WIFI長(zhǎng)距離 通信性能。發(fā)射電路使用平衡放大器作為功率合成，提高了 WIFI發(fā)射功率;使用噪聲系數(shù)低 于IdB的超低噪聲放大器采用損耗低于0.5dB的電子切換開(kāi)關(guān)提升接收機(jī)靈敏度;多濾波器 設(shè)計(jì)有效抑制帶外信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，并阻止發(fā)射機(jī)諧波和雜散輻射。多種措施提高了發(fā)射 信號(hào)質(zhì)量和接收靈敏度。這個(gè)設(shè)計(jì)解決了WIFI長(zhǎng)距離通信問(wèn)題，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，本專利的 WIFI收發(fā)性能提升巨大。
[0019] 4)本實(shí)用新型提出了一種可拆分式硬件結(jié)構(gòu)，最大程度降低不同使用環(huán)境下的成 本，同時(shí)也不需要改變現(xiàn)有WIFI的基本體制，也能和現(xiàn)有WIFI實(shí)現(xiàn)正常通信，極具實(shí)用價(jià) 值。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本實(shí)用新型隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖2為本實(shí)用新型隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置中WIFI單元的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022] 圖3為2個(gè)WIFI系統(tǒng)組網(wǎng)的最小通信鏈路示意圖。
[0023] 圖4為3個(gè)WIFI系統(tǒng)組網(wǎng)的最小通信鏈路示意圖。
[0024]圖5為4個(gè)或4個(gè)以上WIFI系統(tǒng)組網(wǎng)的最小通信鏈路示意圖。
[0025]圖6為本實(shí)用新型5G頻段射頻單元結(jié)構(gòu)框圖。
[0026]圖7為本實(shí)用新型5G頻段射頻單元電路原理圖。
[0027] 圖8為本實(shí)用新型空間大地坐標(biāo)系示意圖。
[0028] 圖9為本實(shí)用新型空間直角坐標(biāo)系示意圖。
[0029] 圖10為通信節(jié)點(diǎn)布局及通信鏈路規(guī)劃示意圖。
[0030] 圖11為本實(shí)用新型具有2個(gè)通信方向的通信鏈路規(guī)劃示意圖。
[0031 ]圖12為本實(shí)用新型繞開(kāi)障礙物的通信鏈路選擇示意圖。
[0032]圖13為本實(shí)用新型最優(yōu)通信鏈路確定方法流程框圖。
[0033]圖14為本實(shí)用新型定向MBTO天線結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，一種隨動(dòng) 跟蹤WIFI傳輸裝置，包括云臺(tái)控制器，以及與云臺(tái)控制器連接的加速度傳感器、地磁傳感 器、北斗導(dǎo)航接收機(jī)、自組織低功耗無(wú)線通信單元、第1天線云臺(tái)，構(gòu)成天線輔助控制系統(tǒng)； 還包括設(shè)置在第1天線云臺(tái)上的第1定向天線，第1定向天線連接到WIFI單元。如圖2所示，所 述WIFI單元包括WIFI主處理器和與之連接的第1射頻單元，WIFI主處理器連接所述云臺(tái)控 制器，第1射頻單元連接所述第1定向天線。其中，WIFI輸出信號(hào)通過(guò)可旋轉(zhuǎn)連接的電纜與定 向天線相連，確保WIFI信號(hào)能通過(guò)定向天線實(shí)現(xiàn)傳輸。
[0035]本實(shí)用新型采用北斗衛(wèi)星對(duì)收發(fā)系統(tǒng)位置進(jìn)行定位，天線控制系統(tǒng)根據(jù)收發(fā)通信 機(jī)衛(wèi)星定位信息進(jìn)行方向角計(jì)算，并使用一種具有運(yùn)動(dòng)能力的云臺(tái)將天線方向進(jìn)行自動(dòng)調(diào) 節(jié)，實(shí)現(xiàn)方向?qū)?zhǔn)。工作原理如下：云臺(tái)控制器通過(guò)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)確認(rèn)自身位置坐標(biāo)， 并把自身位置坐標(biāo)通過(guò)低功耗無(wú)線通信單元組成的網(wǎng)絡(luò)傳輸給所有云臺(tái)控制器。這里的無(wú) 線通信單元采用全向天線，使用窄帶GFSK調(diào)制，并組成自組織網(wǎng)絡(luò)，在此工作方式下無(wú)線通 信效率很高，因此只需要很小的功耗就能實(shí)現(xiàn)非常遠(yuǎn)的通信距離。采用自組織方式的好處 是，當(dāng)多個(gè)接入點(diǎn)通信時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以相互通信，僅需要較小的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距 離通信。對(duì)于整個(gè)通信系統(tǒng)而言，通過(guò)這個(gè)低功耗無(wú)線通信網(wǎng)，每個(gè)云臺(tái)控制器實(shí)際上知道 所有接入點(diǎn)的位置坐標(biāo)，因此它能精確計(jì)算出自身定向天線應(yīng)該的指向。加速度傳感器的 作用是系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，云臺(tái)會(huì)出現(xiàn)起伏顛簸導(dǎo)致天線不能實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)，但加速度傳感器 能檢測(cè)這個(gè)起伏變化，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整云臺(tái)可使定向天線保持精確對(duì)準(zhǔn)。地磁傳感器所起作 用是實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)自身方位的確認(rèn)，以便能控制天線云臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)。這里用戶信息傳輸交給 WIFI系統(tǒng)完成，對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)通過(guò)低功耗窄帶傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置感知，協(xié)調(diào)天線系統(tǒng)之間的相 互對(duì)準(zhǔn)。本系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如下：
[0036] 1)遠(yuǎn)程通信。采用模式控制、定向天線以及改進(jìn)射頻電路3個(gè)基本措施提升WIFI的 通信距離。但使用定向天線后帶來(lái)移動(dòng)通信過(guò)程中的對(duì)準(zhǔn)與組網(wǎng)困難等問(wèn)題，本方案通過(guò) 設(shè)計(jì)輔助通信系統(tǒng)解決這些問(wèn)題。
[0037]通信模式控制使WIFI適合遠(yuǎn)程移動(dòng)通信。如圖1所示，云臺(tái)控制器和WIFI單元之間 具有相互連接。云臺(tái)控制器通過(guò)北斗定位確定收發(fā)雙方距離和信號(hào)質(zhì)量控制WIFI單元的通 信模式。避免在移動(dòng)過(guò)程中WIFI系統(tǒng)自己根據(jù)信號(hào)情況切換通信模式，從而帶來(lái)通信中斷 問(wèn)題。在遠(yuǎn)距離通信模式下，WIFI的MCS值需要設(shè)定為較低數(shù)值，調(diào)整為較窄的通信帶寬。 [0038]定向天線應(yīng)用提升通信距離。定向天線提高了天線增益，并使收發(fā)能量集中在天 線所指方向上，提高了信號(hào)傳輸?shù)男旁氡?。在相同接收機(jī)靈敏度和發(fā)射功率的情況下，大大 提高通信距離。
[0039]改進(jìn)射頻電路提升通信距離。如圖6,圖7所示。常規(guī)WIFI發(fā)射功率小，通常使用單 放大器。本設(shè)計(jì)使用平衡放大器結(jié)構(gòu)，使用雙放大器，并用混合器進(jìn)行功率分配和合成耦 合，實(shí)現(xiàn)較大功率輸出。在接收方面，使用了超低噪聲前置放大，并使用多濾波器結(jié)構(gòu)。在接 收和發(fā)射通路都有2個(gè)濾波器。如圖6所示，5GHz頻段的射頻單元包括由射頻濾波器UF1、功 率放大器PA、射頻收發(fā)切換電子開(kāi)關(guān)S1、射頻濾波器UF2、天線Pl順次連接構(gòu)成的發(fā)射通路， 還包括接收通路，接收通路包括順次連接到射頻收發(fā)切換電子開(kāi)關(guān)Sl的低噪聲放大器LNA 和射頻濾波器UF3。工作原理圖如圖7所示，這里使用了 3個(gè)射頻濾波器UFl、UF2、UF3，其目的 是降低發(fā)射時(shí)的雜散輻射，抑制接收時(shí)的其它干擾信號(hào)，這樣設(shè)置可使收發(fā)系統(tǒng)信噪比提 高，有利于遠(yuǎn)程通信。U6及其外圍元件構(gòu)成低噪聲放大器LNAWl、^、^、^及其外圍元件構(gòu) 成功率放大器PA，這里采用平衡放大器，U2、U3為3dB混合橋，混合橋可使Ul與U4輸出的功率 合成，并使Ul與U4之間實(shí)現(xiàn)隔離，即便其中一只損壞了也不會(huì)影響另一只的正常工作，該電 路能提高WIFI通信的可靠性。Sl及其外圍元件構(gòu)成射頻收發(fā)切換電子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)電路 的天線共享。U5構(gòu)成隔離驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)際工作工程中U5不但是實(shí)現(xiàn)邏輯控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，更 重要的是對(duì)來(lái)自WIFI處理器的雜散信號(hào)實(shí)現(xiàn)隔離，不讓數(shù)字系統(tǒng)脈沖雜波進(jìn)入射頻電路， 提高射頻通信質(zhì)量。此外，每個(gè)濾波器的兩端都用高精度電阻設(shè)計(jì)了η型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如 圖7中射頻濾波器UF1-端的RF9、RFl 0、RF 11這樣的網(wǎng)絡(luò)，RFl 0-端連接到射頻濾波器UF1， 另一端用于連接其它元件，同時(shí)RFlO的兩端分別通過(guò)RF9和RFll接地。在一般應(yīng)用中不用這 樣設(shè)計(jì)，因?yàn)槠ヅ潆娮钑?huì)帶來(lái)一定的損耗。但這里考慮定向遠(yuǎn)程傳輸，匹配電阻網(wǎng)絡(luò)可使陶 瓷濾波器性能做到最佳，工作時(shí)收發(fā)通路都有2個(gè)濾波器起作用，使射頻信號(hào)的帶外抑制能 大于50dB，兩組濾波器雖然增加了傳輸信號(hào)的損耗，但是也降低了收發(fā)電路的帶寬有利于 抑制帶外信號(hào)提高接收靈敏度，并降低系統(tǒng)噪聲，適當(dāng)選擇濾波器的帶寬控制好插入損耗 就能最大程度提高通信的信噪比，有利于遠(yuǎn)程通信應(yīng)用。
[0040]圖7中發(fā)射通路為:5G_TX_1發(fā)射輸入一 UFl濾波器一 U3混合橋功率分配一 U1/U4功 率放大器一 U2混合橋功率合成一 Sl收發(fā)電子開(kāi)關(guān)一 UF2濾波器一 Pl天線；
[0041 ] 接收通路為:Pl天線一 UF2濾波器一 Sl收發(fā)電子開(kāi)關(guān)一 U6低噪聲放大器一 UF3濾波 器一 5G_RX_1接收輸出。
[0042] 上述措施解決了遠(yuǎn)程通信問(wèn)題，但是使用定向天線后動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)、初始對(duì)準(zhǔn)成為新 的問(wèn)題。一種情況是，當(dāng)收發(fā)系統(tǒng)處于定向通信距離以內(nèi)，但由于天線系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì) 準(zhǔn)，通信暫時(shí)沒(méi)有建立起來(lái)，實(shí)際上會(huì)一直無(wú)法獲知對(duì)方位置信息，最終無(wú)法建立天線對(duì) 準(zhǔn)，也就無(wú)法建立通信。另外一種可能是正常通信過(guò)程中，因?yàn)槭瞻l(fā)系統(tǒng)均在移動(dòng)，可能被 突然出現(xiàn)的障礙物遮擋而使通信中斷，即便脫離遮擋區(qū)由于雙方的位置已經(jīng)改變，因?yàn)闊o(wú) 法獲知對(duì)方當(dāng)前位置也會(huì)導(dǎo)致通信無(wú)法建立。其次，當(dāng)多個(gè)WIFI系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)時(shí)遇到相 當(dāng)?shù)睦щy，如何確定天線的方向？
[0043] 這些問(wèn)題的解決需要設(shè)計(jì)2個(gè)獨(dú)立的定向天線，即設(shè)置第2定向天線，以及輔助通 信系統(tǒng)才能獲得解決。本系統(tǒng)中第2定向天線設(shè)置在第2天線云臺(tái)上，第2天線云臺(tái)連接云臺(tái) 控制器;相應(yīng)的，WIFI單元需包括WIFI協(xié)處理器和第2射頻單元，WIFI協(xié)處理器連接WIFI主 處理器，第2射頻單元連接第2定向天線。圖1中給出了低功耗無(wú)線通信單元，這個(gè)輔助系統(tǒng) 能實(shí)現(xiàn)各個(gè)云臺(tái)處理器之間的相互通信，由于有北斗定位接收機(jī)，因此每個(gè)云臺(tái)輔助系統(tǒng) 知道所有組網(wǎng)WIFI的位置，因此能選擇出最佳方式實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向的天線指向。
[0044] 圖3為2個(gè)WIFI系統(tǒng)組網(wǎng)的最少通信鏈路示意圖，圖4為3個(gè)WIFI系統(tǒng)組網(wǎng)的最少通 信鏈路示意圖，圖5為4個(gè)或以上WIFI系統(tǒng)組網(wǎng)的最少通信鏈路示意圖，該方法可實(shí)現(xiàn)多個(gè) 系統(tǒng)的組網(wǎng)，當(dāng)WIFI接入數(shù)量不大時(shí)能很好地解決組網(wǎng)問(wèn)題。
[0045] 實(shí)際上，定向天線具有波瓣寬度，它輻射的信號(hào)是發(fā)散的，這在一定程度上可以減 小衛(wèi)星定位誤差帶來(lái)的影響，也使多個(gè)WIFI在通信時(shí)盲區(qū)更少，實(shí)際應(yīng)用中可能建立起更 多組合的通信鏈路，圖5只是極端情況下的通信鏈路組建模式，圖中箭頭表示定向天線的指 向。
[0046]定向天線結(jié)構(gòu)如圖14所示，該圖使用MMO方式，用雙輸入激勵(lì)，在圖14的左圖為底 層激勵(lì)輸入布局圖，該層的下方還有一個(gè)金屬底面反射層，中圖和右圖為引向器，分別在激 勵(lì)輸入層的上方順次排列。該天線尺寸小，使用PCB制作具有低成本、加工簡(jiǎn)單、安裝方便的 優(yōu)點(diǎn)，使用多引向器結(jié)構(gòu)使波束匯聚更集中，與一般4單元陣列天線相比具有更窄的主瓣波 束、更低的旁瓣，使WIFI信號(hào)在長(zhǎng)距離通信方面獲得優(yōu)秀性能。本專利中將天線的2個(gè)激勵(lì) 分別做水平極化和垂直極化有利于提升通信速率。
[0047] 2)位置坐標(biāo)感知。天線的指向取決于需要通信的方向，系統(tǒng)根據(jù)自身坐標(biāo)和需要 通信的坐標(biāo)可計(jì)算出天線指向。下面對(duì)定向天線的控制方法做進(jìn)一步的說(shuō)明，其工作過(guò)程 如下：
[0048]每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)北斗導(dǎo)航接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，確定自身位置坐標(biāo)；
[0049] 檢測(cè)與其它通信接入點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度確認(rèn)信道通信質(zhì)量；
[0050] 發(fā)布自身坐標(biāo)信息和自身接收信號(hào)強(qiáng)度信息給其它接入點(diǎn)；
[0051] 根據(jù)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的坐標(biāo)信息、信道質(zhì)量信息結(jié)合路由算法確定最優(yōu)通信鏈路；
[0052] 通過(guò)地磁傳感器確定自身姿態(tài)信息；
[0053]根據(jù)自身位置坐標(biāo)、自身姿態(tài)和最優(yōu)通信鏈路中需要指向的接入點(diǎn)的位置坐標(biāo)計(jì) 算天線方位角，控制天線云臺(tái)實(shí)現(xiàn)天線對(duì)準(zhǔn)；
[0054]通過(guò)加速度傳感器檢測(cè)自身運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的起伏變化，隨時(shí)調(diào)整天線云臺(tái)使定向天 線保持精確對(duì)準(zhǔn)。
[0055]由于北斗接收機(jī)輸出信息是海拔高度、經(jīng)度、維度等，是大地坐標(biāo)系方式，不利于 快速計(jì)算，本系統(tǒng)使用坐標(biāo)變換方法實(shí)現(xiàn)大地坐標(biāo)與直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，其計(jì)算方法為： [0056]圖8為北斗衛(wèi)星所用的空間大地坐標(biāo)系，P點(diǎn)表示某個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的位置點(diǎn)，P點(diǎn)的角 度B表示煒度信息，角度L表示經(jīng)度信息，高度H表示海拔高度，空間大地坐標(biāo)系中P點(diǎn)的坐標(biāo) 為(B，L，H)，將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖9所示的空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)：以地心為原點(diǎn)，建立空間直 角坐標(biāo)系，z軸指向北極，X軸是起始子午面與赤道平面的交線，y軸位于赤道平面上且按右 手系與X軸呈90°夾角，則在空間直角坐標(biāo)系中點(diǎn)P的坐標(biāo)為(X，Y，Z)。
[0057] 利用在相同的原點(diǎn)與坐標(biāo)方向的空間大地坐標(biāo)系向空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式 (1)，可求出直角空間坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的位置定位。
[0058]
[0059] 式（1)中，心J1 - /sin2 g，Ν為橢球的卯酉圈曲率半徑;^ e為橢球的第一 偏心率;a = 6377.830km，b = 6356.9088km，a為橢球長(zhǎng)半軸即地球赤道半徑，b為橢球短半軸 即地球極半徑。
[0060] 根據(jù)上述計(jì)算原理，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都能計(jì)算出自身在直角坐標(biāo)系中的位置，通過(guò) 組網(wǎng)通信即可描繪出整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)在三維立體空間中的節(jié)點(diǎn)位置圖。這就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò) 的坐標(biāo)感知。
[0061] 3)最佳組網(wǎng)。選擇整體最佳傳輸質(zhì)量的鏈路實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。
[0062] 在通信鏈路規(guī)劃方面，本實(shí)用新型涉及的問(wèn)題與傳統(tǒng)通信方式存在巨大差別。原 因是傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)使用全向天線，通信覆蓋范圍內(nèi)數(shù)據(jù)鏈路都能建立，路由規(guī)劃上不存在 受限問(wèn)題。但定向天線只能是有限方向上的通信，多個(gè)接入點(diǎn)即便在覆蓋范圍內(nèi)也必需給 定優(yōu)先通信。此外，傳統(tǒng)通信中由于使用全向天線，在通信距離不遠(yuǎn)的情況下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)即 便有位置高度的不同，但是由于能實(shí)現(xiàn)通信可以看成是平面上的點(diǎn)組成的通信網(wǎng)，其通信 路徑規(guī)劃相對(duì)簡(jiǎn)單。而定向通信方式下，起伏的高度在通信網(wǎng)中就變成立體空間問(wèn)題，在 空一地通信、空一空通信更是如此。如圖10所示，假設(shè)晶格中的黑色點(diǎn)為通信節(jié)點(diǎn)，顯然每 個(gè)節(jié)點(diǎn)如果有前、后、左、右、上、下6個(gè)方向是最優(yōu)的方式，但構(gòu)成6天線的成本會(huì)很高，不易 實(shí)現(xiàn)。若只有2個(gè)方向，那么整個(gè)通信網(wǎng)的組建必需按圖5所示的原理構(gòu)成串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn) 的方式有多種可能。如圖11所示。實(shí)際使用中顯然可以根據(jù)信號(hào)質(zhì)量選擇其中一種作為最 佳通信鏈路從而保障通信，如圖12所示。這正是本定向通信系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
[0063] 由圖10還可以知道，相比只用2個(gè)通信方向的問(wèn)題，若每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)通信方向，這 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路就更容易規(guī)劃，方向數(shù)越多越能方便地組網(wǎng)，全向通信顯然是最簡(jiǎn)單的 模式。但在有限通信方向情況下，如果節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，總會(huì)有節(jié)點(diǎn)需要其它節(jié)點(diǎn)給予中繼才 能建立起通信，這是定向通信帶來(lái)的又一個(gè)問(wèn)題。本系統(tǒng)建立了一種能根據(jù)通信信號(hào)質(zhì)量、 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置、節(jié)點(diǎn)通信方向數(shù)等為參考變量的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得天線指向問(wèn)題得到很 好的解決。其流程如圖13所示，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)最佳規(guī)劃實(shí)現(xiàn)過(guò)程是這樣的：
[0064]獲取所有接入點(diǎn)的基本信息，計(jì)算出所有可能的通信鏈路；
[0065]檢驗(yàn)每條通信鏈路的可行性；
[0066]將所有可行的通信鏈路根據(jù)信號(hào)通信質(zhì)量排序；
[0067]選擇數(shù)據(jù)通信速度最快的鏈路作為最優(yōu)通信鏈路。
[0068] 最后將最優(yōu)鏈路作為云臺(tái)控制參數(shù)。上述鏈路規(guī)劃中，每個(gè)天線輔助系統(tǒng)都通過(guò) 低功耗無(wú)線單元獲得相同的各種信息，在相同算法情況下各節(jié)點(diǎn)獲得的處理結(jié)果相同，因 此每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以按最佳通信鏈路實(shí)現(xiàn)天線的指向。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最佳鏈路處理是各自獨(dú)立 實(shí)現(xiàn)的，只要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就能知道自身應(yīng)該建立的鏈路，因此 具有抗毀性能。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)或者損壞停止工作時(shí)，不會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
[0069] 4)可拆分設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際需要組建系統(tǒng)，最大程度節(jié)約成本。
[0070] 在具體實(shí)施中，很多應(yīng)用情況下系統(tǒng)不需要那么復(fù)雜，例如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式。點(diǎn) 對(duì)點(diǎn)模式下系統(tǒng)中的定向天線系統(tǒng)實(shí)際上只需要一路就能滿足要求，第二路可作為本地設(shè) 備無(wú)線接入端，也不需要云臺(tái)，在這種情況下可以省去一路云臺(tái)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地面固定通信時(shí)， 可以不需要任何云臺(tái)，云臺(tái)輔助控制系統(tǒng)也就不需要，這就是常見(jiàn)的WIFI系統(tǒng)。移動(dòng)模式 下，如果終端接入使用有線通信，第2射頻單元以及WIFI協(xié)處理器都可以省去。對(duì)于3G/4G通 信卡單元，有的情況也是不需要的，也可以省去。因此考慮實(shí)際情況將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可拆 分使用的結(jié)構(gòu)比較合理，可以降低使用成本。整機(jī)按可拆卸單元主要分成圖1、圖2中虛線所 示A~H8個(gè)硬件部分。圖1中A~E5個(gè)單元主要為云臺(tái)輔助控制系統(tǒng)，圖2中F~H3個(gè)部分為 WIFI部分。8個(gè)模塊在硬件上是相互獨(dú)立的單元，通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)組成系統(tǒng)。
[0071]第1射頻單元和第2射頻單元都為雙頻模式，射頻可工作于2.4GHz~2.5GHz以及 5. IGHz~5.8GHz可選擇;在無(wú)人機(jī)上可使用5GHz頻段，這樣可以縮小天線尺寸，并降低重 量，2.4GHz頻段更適合車載使用。圖2中3G/4G通信卡的作用是實(shí)現(xiàn)WIFI與3G/4G網(wǎng)絡(luò)的通 信，使得WIFI系統(tǒng)能在移動(dòng)中接入Internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享。在一些情況下也可以使用交 換機(jī)接口采用有線方式接入。
[0072]與傳統(tǒng)單個(gè)隨動(dòng)跟蹤天線方式相比，本系統(tǒng)采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，且具有多個(gè)隨動(dòng) 天線，控制更為復(fù)雜，適應(yīng)性更好。在無(wú)人機(jī)上，本系統(tǒng)主要考慮2類布局結(jié)構(gòu):第一種情況， 多個(gè)隨動(dòng)天線處于同一水平平面上;另一種情況，多個(gè)隨動(dòng)天線處于垂直分布的方向上。多 個(gè)隨動(dòng)天線處于同一水平平面上，這個(gè)布局適合地面移動(dòng)平臺(tái)上應(yīng)用，也適合空一地通信 問(wèn)題，可節(jié)約占用空間；多個(gè)隨動(dòng)天線處于垂直分布的方向上，更適合空中無(wú)人機(jī)之間的通 信使用，處于上方的云臺(tái)可解決比自身坐標(biāo)位置更高的通信，處于下方的云臺(tái)可解決比自 身坐標(biāo)位置低的通信。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，包括云臺(tái)控制器，以及與云臺(tái)控制器連接 的加速度傳感器、地磁傳感器、北斗導(dǎo)航接收機(jī)、自組織低功耗無(wú)線通信單元、WIFI單元和 第1天線云臺(tái)；還包括設(shè)置在第1天線云臺(tái)上的第1定向天線，第1定向天線連接到WIFI單元。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述WIFI單元包括WIFI 主處理器和與之連接的第1射頻單元，WIFI主處理器連接所述云臺(tái)控制器，第1射頻單元連 接所述第1定向天線。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，還包括第2定向天線，第 2定向天線設(shè)置在第2天線云臺(tái)上，第2天線云臺(tái)連接云臺(tái)控制器;所述WIFI單元還包括WIFI 協(xié)處理器和第2射頻單元，WIFI協(xié)處理器連接WIFI主處理器，第2射頻單元連接第2定向天 線。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述第1定向天線和第2 定向天線均為四陣元雙輸入激勵(lì)MMO結(jié)構(gòu)，其包括底層激勵(lì)輸入層，所述底層激勵(lì)輸入層 下方設(shè)有金屬底面反射層，上方依次設(shè)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的引向器。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述第1射頻單元和第2 射頻單元為雙頻模式，工作頻段為2.4GHz頻段和5GHz頻段。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的隨動(dòng)跟蹤WIFI傳輸裝置，其特征在于，所述5GHz頻段的射頻單 元包括由射頻濾波器UF1、功率放大器PA、射頻收發(fā)切換電子開(kāi)關(guān)S1、射頻濾波器UF2、天線 Pl順次連接構(gòu)成的發(fā)射通路;還包括接收通路，接收通路包括順次連接到射頻收發(fā)切換電 子開(kāi)關(guān)Sl的低噪聲放大器LNA和射頻濾波器UF3;所述功率放大器PA為平衡放大器結(jié)構(gòu)；還 包括用于驅(qū)動(dòng)收發(fā)切換的隔離驅(qū)動(dòng)器。
【文檔編號(hào)】H01Q3/00GK205545968SQ201620290434
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】王力豪, 麥文, 仰石, 張亮晶
【申請(qǐng)人】四川師范大學(xué)