阅读说明：本技术 包括天线元件面板的无人驾驶的飞行器 (Unmanned aerial vehicle comprising an antenna element panel ) 是由 A·尼尔森 于 2018-03-06 设计创作，主要内容包括：本公开涉及一种无人驾驶的飞行器(200),其包括控制单元(201)、主体部件(202)和天线装置(100),该天线装置(100)包括天线元件面板(101)和至少一个天线端口(102、103),该天线端口适于提供至少一个天线波束(104、105),该天线波束可电动转向到至少两个不同的方向(104、104a、104b、104c、104d；D1-D25)。飞行器(200)还包括将天线元件面板(101)连接到主体部件(202)的方向单元(203),其中,方向单元(203)适于将天线元件面板(101)设置到相对于主体部件(202)的至少两个不同的位置。(The present disclosure relates to an unmanned aerial vehicle (200) comprising a control unit (201), a body part (202) and an antenna arrangement (100), the antenna arrangement (100) comprising an antenna element panel (101) and at least one antenna port (102, 103) adapted to provide at least one antenna beam (104, 105) which is electrically steerable into at least two different directions (104, 104a, 104b, 104c, 104D; D1-D25). The aircraft (200) further comprises a direction unit (203) connecting the antenna element panel (101) to the body part (202), wherein the direction unit (203) is adapted to set the antenna element panel (101) to at least two different positions relative to the body part (202).)

包括天线元件面板的无人驾驶的飞行器

技术领域

本发明涉及一种无人驾驶的飞行器，其包括控制单元、主体部件和包括天线元件面板的天线装置。

背景技术

无人驾驶的飞行器(UAV)，以下称为无人机，在社会上变得越来越普及。无人机的一些使用案例是例如航空监视、专业航空测量、商业和电影影片摄制、新闻工作的新闻采集、警察部队的观察、搜寻和救援行动、科学研究、灾难救援、旅客运输、货物运输等。

出于安全和性能的原因，预计未来的无人机将连接到无线网络，因此3GPP已开始进行针对LTE(长期演进)的无人机相关的标准化工作。预计将对NR(新无线电)进行类似的标准化工作。但是，由于潜在的问题，还存在在不同国家/地区中的限制/法规会禁止无人机的未来使用的风险。

主要关注点之一涉及所连接的无人机可能在网络中产生太多干扰，从而导致普通的手机服务的功能降低。无人机会产生干扰，因为它通常会在空中飞的相对高，然后同时经历到达多个基站的视线信道。因此，每当无人机通过所附接的天线装置来传输信号时，都会对所有相邻基站产生明显的干扰。

减轻无人机所产生的干扰问题并同时改善覆盖范围的一种方法是在无人机的天线装置上利用波束成形(beamforming)，该天线装置包括天线面板。天线面板可以向服务基站生成窄的高增益波束，并以此方式将能量集中在该方向上。然而，产生窄波束通常需要相对于波长而言大的天线孔径，这实际上很难为较低频率实现这种天线面板。但是，对于更高的频率，即使对于高增益天线，天线孔径也可以做得很小。因此，预计未来的无人机将使用NR以相对高的频率(通常高于6GHz)连接到网络。

设计适合于在任意方向上产生波束的波束成形架构(这对于此类天线面板是必需的)是困难的，这是因为基站基本上可位于任意方向上，而典型的角度覆盖范围不够。在无人机上使用指向不同方向的多个天线面板是不希望的，因为保持成本和重量都尽可能低是很重要的。

发明内容

本公开的目的是提供一种无人驾驶的飞行器，该无人驾驶的飞行器在通过天线元件面板与诸如基站的另一物体通信时不会产生不期望的干扰信号。

所述目的是通过一种无人驾驶的飞行器来实现的，该无人驾驶的飞行器包括控制单元、主体部件和天线装置，该天线装置包括天线元件面板和至少一个天线端口，该天线端口适于提供至少一个天线波束，该天线波束可电动转向到至少两个不同的方向。该飞行器还包括将天线元件面板连接到主体部件的方向单元。该方向单元适于将天线元件面板设置到相对于主体部件的至少两个不同位置。

这赋予了以下优点，该优点是关于：即使天线元件面板的波束成形能力不足的情况下仍能够经由包含在飞行器中的天线元件面板使飞行器与另一物体接触。

根据一些方面，天线装置包括：第一天线端口，其适于至少提供第一极化的第一天线波束；以及，第二天线端口，其适于至少提供正交于第一极化的第二极化的第二天线波束。

这赋予了通过正交的极化来提供通信的优点。

根据一些方面，方向单元包括连接到天线元件面板的步进电动机组件，其中，控制单元适于控制步进电动机组件，从而保持天线元件面板的期望位置。

这赋予了能够稳定且准确地控制天线元件面板的位置的优点。

根据一些方面，步进电动机组件包括两个独立可控制的步进电动机。

这赋予了能够在二维上稳定且准确地控制天线元件面板的位置的优点。

根据一些方面，控制单元适于将每个天线波束转向到至少两个不同方向，并确定使每个天线端口能够在哪个方向上接收最高信号强度的信号。控制单元还适于取决于所确定的方向将天线元件面板设置到适当的位置。

根据一些方面，控制单元适于将天线元件面板设置到以下位置，即使得每个可转向波束在接收最高信号强度的信号的方向上相对于天线元件面板具有最小化的倾斜角。

这赋予通过天线元件面板使自动控制接触成为可能的优点。

根据一些方面，每个天线端口经由用于每个天线元件的相应的相位改变设备而连接到多个天线元件。控制单元适于控制每个相位改变设备。

根据一些方面，每个天线端口连接到数字波束成形(DBF)网络。

这赋予了使数字波束成形成为可能的优势。

本文还公开了与上述优点相关的方法和计算机程序。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本公开，其中：

图1A示意性地示出了天线装置的正视图；

图1B示意性地示出了天线装置的第一立体图；

图1C示意性地示出了天线装置的第二立体图；

图2A示意性地示出了一无人驾驶的飞行器，其中天线元件面板具有相对于飞行器的主体部件的第一位置；

图2B示意性地示出了一无人驾驶的飞行器，其中天线元件面板具有相对于飞行器的主体部件的第二位置；

图2C示意性地示出了一无人驾驶的飞行器，其中天线元件面板具有相对于飞行器的主体部件的第三位置；

图2D示意性地示出了一无人驾驶的飞行器，其中天线元件面板具有相对于飞行器的主体部件的第四位置；

图3A示意性地示出了可能的固定波束方向的波束栅格的第一视图；

图3B示意性地示出了可能的固定波束方向的波束栅格的第二视图；

图4示意性地示出了一无人驾驶的飞行器，其中窄的天线波束朝着多个基站中的服务基站进行定向；

图5示意性地示出了无人驾驶的飞行器的另一示例；

图6示出了根据本发明的方法的流程图；以及

图7示意性地示出了控制单元的示例。

具体实施方式

在下文中，参考示出天线装置100的正视图的图1A、示出天线装置100的第一立体图的图1B、示出天线装置100的第二立体图的图1C，以及示出了无人驾驶的飞行器200的图2A。

飞行器200包括控制单元201、主体部件202和天线装置100，该天线装置100包括天线元件面板101和两个天线端口102、103。第一天线端口102适于提供第一极化P1的第一天线波束104，以及，第二天线端口103适于提供第二极化P2的第二天线波束105，第二极化正交于第一极化(P1)。如图1C中关于第一天线波束104所示，每个天线波束可电动转向到不同方向104、104a、104b、104c、104d的多个天线波束104。如图1B所示，根据一些方面，每个天线波束104、105沿方位角方向111和仰角方向112是可电动转向的。

为了能够进行这种转向，每个天线端口102、103经由用于每个天线元件106、107的相应的相位改变设备108、109(为了清楚起见，对于两个天线元件仅用参考符号表示)而连接到多个天线元件106、107(为了清楚起见，每个极化中仅一个以附图标记表示)。控制单元201适于控制每个相位改变设备108、109。

根据一些方面，每个天线端口102、103连接到数字波束成形(DBF)网络110。

根据本公开，飞行器200还包括将天线元件面板101连接到主体部件202的方向单元203，其中如图2A-2D所示，方向单元203适于将天线元件面板101设置到相对于主体部件202的多个位置。

为此，方向单元203包括连接到天线元件面板101的步进电机组件204。控制单元201适于控制步进电动机组件204，使得维持天线元件面板101的期望位置。

根据一些方面，如图2A所示，步进电动机组件204包括两个可独立控制的步进电动机204a、204b，从而能够沿着两个分开的轴线独立地运动。

如图4所示，以这种方式，对于天线元件面板101而言可以向多个基站402中的服务基站401提供窄的天线波束104、105，而与服务基站401所处的方向无关。

方向单元203还包括将步进电动机组件204附接到主体部件202的保持构件207和将步进电动机组件204连接到天线元件面板101的操控杆208。因此，步进电动机组件204适于移动操控杆208，并因此也使天线元件面板101也移动。

在图3A和图3B中，示出了第一天线波束104的示例，其中在栅格301中沿着方位角方向111和仰角方向112示出了多个可能的固定波束方向D1-D25。控制单元201适于将第一天线波束104转向到所述固定波束方向D1-D25，并确定在哪里接收最高信号强度。在该示例中，从位于栅格301的***中的某个确定的波束方向D20接收最高信号强度的信号。控制单元201适于基于所确定的方向D20将天线元件面板101设置到适当的位置。

根据一些方面，控制单元201适于将天线元件面板101设置到如下位置，即使得第一天线波束104在接收最高信号强度的信号的方向D13上相对于天线元件面板具有最小化的倾斜角。在该示例中，这意味着如图3B所示，移动天线元件面板101，使得接收最高信号强度的固定波束方向从栅格301的***移动到栅格301的中心。

随着飞行器200的移动，重复该过程，使得接收最高信号强度的波束方向保持在栅格301的中心。

实际上，还参考图4，这意味着天线元件面板101的机械倾斜的转向可以基于用于服务基站401的当前最强波束的方向的输入，这通常将在被适当标准化的常规波束管理程序过程期间被确定。如图3A所示，假设天线元件面板101到服务基站104的最强波束位于天线元件面板101的角覆盖的边界，则控制单元201可以设置天线元件面板101，即，改变其机械倾斜，使得到服务基站401的最强方向将指向天线元件面板101的角覆盖的中间，如图3B所示。

通过连续地调整天线元件面板101的位置，即其机械倾斜，以这种方式，会显著降低服务基站401在天线元件面板101的角覆盖范围之外的方向上结束的风险。同样，在失去服务基站401的覆盖范围的情况下，控制单元201可以控制天线元件面板101的位置以便在可用基站402中搜索新的候选基站。

通常，控制单元201适于将天线元件面板101设置到以下位置，即使得只要通信信道合适就保持与服务基站401或类似基站的接触。因此，根据一些方面，不必将天线元件面板101保持在以下位置，即使得借助于当前最强的波束来维持与服务基站401方向的接触，而是仅仅使得维持通信即可。

在更高的频率上将需要窄的波束传输和接收方案，以补偿高传播损耗。发现和维持合适的所谓波束对链路(beam pair link)的任务称为波束管理。

本公开不限于以上示例，而是可以在所附权利要求的范围内自由变化。例如，方向单元203可以是任何合适的设计。根据一些方面，方向单元203可以包括任何类型的电动机组件，该电动机组件可以包括任何合适数量的任何合适类型的可控电动机，诸如一个或多个压电电动机。电动机组件可以直接安装到主体202上，甚至可以集成到主体202中。

根据一些方面，参考图5，飞行器200'包括天线元件面板101，该天线元件面板101连接至可控电动机204'，该可控电动机204'仅允许天线元件面板101在水平面内旋转，使得天线元件面板101在所有方位角方向111上得到覆盖。每当接收具有最高信号强度的信号的天线波束的方向接近天线元件面板101的角覆盖的边界时，控制单元201控制电动机204'机械地旋转天线元件面板101，以确保接收最高信号强度的信号的天线波束保持在天线元件面板101的角覆盖范围内，如先前参考图3A和图3B所述。根据一些方面，电动机204'是步进电动机。

根据一些方面，参考图2A，该飞行器被布置为遥控的无人驾驶的飞行器200，其中控制单元201包括通信模块205，该通信模块205被布置成从远程收发器206接收控制命令。

通常，天线装置100包括天线元件面板101和至少一个天线端口102、103，该天线端口适于提供至少一个天线波束104、105，该天线波束可电动转向到至少两个不同方向104、104a、104b、104c、104d；D1-D25。根据本公开的飞行器可以包括多个天线装置和对应的方向单元。

根据一些方面，飞行器200被配置为至少部分地用于自主操作，其中控制单元201被配置为自主地生成用于控制飞行器200的控制命令。

这些图示仅是示意性的，例如，天线元件面板101的尺寸将基于例如所使用的频率带、天线元件面板的阵列增益、天线元件106、107的数量以及天线元件间隔d1、d2而变化，如图1A所示。

参考图6，本公开还涉及一种用于控制无人驾驶的飞行器200中的天线元件面板101的方法，该方法包括：

在至少两个不同方向104、104a、104b、104c、104d；D1-D25上对天线元件面板的至少一个天线波束104、105进行定向S1；

对导致用于每个天线波束的最高接收信号强度的方向D20进行确定S2；以及

取决于所确定的方向D20对天线元件面板101进行定向S3。

根据一些方面，对天线元件面板进行定向S3包括将天线元件面板在如下位置进行设置S31，即使得每个可转向波束104、105在接收最高信号强度的方向D13上相对于天线元件面板101具有最小化的倾斜角。

根据一些方面，该方法包括至少提供第一极化P1的第一天线波束104和正交于第一极化P1的第二极化P2的第二天线波束105。

根据一些方面，对天线元件面板101进行定向S3包括对步进电动机组件204进行控制S32，使得维持天线元件面板的期望位置。

图7示出了控制单元201的一个示例，其包括计算机可读存储介质701和处理电路702，其中用于控制无人驾驶的飞行器200中的天线元件面板101的计算机程序703包括存储在计算机可读存储介质702上的计算机代码。

当在控制单元201的处理电路702上运行时，计算机程序导致控制单元201：

在至少两个不同的方向104、104a、104b、104c、104d；D1-D25上对天线元件面板的至少一个天线波束104、105进行定向；

对导致用于每个天线波束的最高接收信号强度的方向D20进行确定；以及

取决于所确定的方向D20对天线元件面板101进行定向。

计算机可读存储介质701被适当地实现为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)；并且更特别地实现为在外部存储器(诸如USB(通用串行总线)存储器)或闪存(诸如紧凑型闪存)中的设备的非易失性存储介质。

控制单元201由单个单元或由两个或更多个分离的单元构成。

一般而言，本公开还涉及一种无人驾驶的飞行器200，其包括控制单元201、主体部件202和天线装置100，该天线装置100包括天线元件面板101和至少一个的天线端口102、103，该天线端口适于提供至少一个天线波束104、105，该天线波束可电动转向到至少两个不同方向104、104a、104b、104c、104d；D1-D25，其中，飞行器200还包括将天线元件面板101连接到主体部件202的方向单元203，其中，方向单元203适于将天线元件面板101设置到相对于主体部件202的至少两个不同的位置。

根据一些方面，天线装置包括第一天线端口102和第二天线端口103，第一天线端口102适于至少提供第一极化P1的第一天线波束104，第二天线端口103适于至少提供正交于第一极化P1的第二极化P2的第二天线波束105。

根据一些方面，方向单元203包括连接到天线元件面板101的步进电动机组件204，其中控制单元201适于控制步进电动机组件204，从而维持天线元件面板101的期望位置。

根据一些方面，步进电动机组件204包括两个独立可控的步进电动机204a、204b。

根据一些方面，控制单元201适于将每个天线波束104、105转向到至少两个不同方向D1-D25，并确定使每个天线端口102、103能够在哪个方向D20上接收最高信号强度的信号，并取决于所确定的方向D20将天线元件面板101设置到适当的位置。

根据一些方面，控制单元201适于将天线元件面板101设置到以下位置，即使得每个可转向波束104、105在接收最高信号强度的信号的方向D13上相对于天线元件面板具有最小化的倾斜角。

根据一些方面，每个天线端口102、103经由用于每个天线元件106、107的对应的相位改变设备108、109连接到多个天线元件106、107，其中控制单元201适于控制每个相位改变设备108、109。

根据一些方面，每个天线端口102、103连接到数字波束成形(DBF)网络110。