一种高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种利用GNSS与惯导组合导航接收机实现高铁高动态转换系统(HIDT‑LTE)的微波开关型多入多出天线(MS‑MIMO)控制方法，是一种把卫星导航和LTE通信技术相结合的方法。该方法采用天线控制系统，包括GNSS与惯导组合导航接收机、数据处理模块、微波开关型多入多出天线(MS‑MIMO)、天线控制器。GNSS与惯导组合导航接收机用于实时采集列车的位置和前进方向等信息，并通过串行通信接口与数据处理模块连接；数据处理模块优选通信基站，并计算出列车天线指向通信基站的方位角和俯仰角；在弯道和隧道内，可以根据地形情况选择机械传动方式，实现车载MIMO通信天线与地面基站固定天线的对准；在平坦开阔地天线控制器可以通过电子开关切换车载MS‑MIMO通信天线，实现车载MIMO天线与地面基站固定通信天线的对准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于移动通信领域的天线
，主要涉及一种适用于高动态运动环境下的通信天线控制方法，尤其涉及一种高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法。
技术介绍
目前，我国运营高铁总里程已达2万公里，居世界首位，未来到2020年，运营里程数将达到14.5万公里以上。中国高铁是我国在全球竞争中的一张王牌，未来必将掀起一股中国高铁风暴。但是高铁列车运营速度达到350km/h以上，导致常规的地面移动网络无法为乘客提供满意的2G/3G通信服务，对多媒体、intemet网络等更没有实现完美支持。先进的高铁动力技术与落后的高铁信息服务技术方面的巨大矛盾，成为制约高铁进一步发展和走出去的瓶颈。列车高速运行带来的多普勒频移、信令风暴和信号穿透车厢损耗是导致2G/3G地面移动网通信性能恶化的主要原因。通过改造现有通信基站布局，缩短地面通信基站间距离，构造近似直射穿透车厢的通信模型，可以降低穿透损耗，同时可以缓解多普勒频移对通信链路的影响；采用现有的小区合并技术可以用于解决信令风暴问题。但用这种方法极大的增加了基站数量，导致系统建设成本暴涨，后续维护费用也成倍增加。中国科学院国家天文台提出了高铁宽带专网高动态LTE转换技术，有望以较低的成本解决上述技术问题。在列车高速移动过程中，列车上的高铁宽带专网高动态转换器(HIDT)的微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)必须保持指向地面通信基站。在通信基站边界处实现天线切换时，对车载天线方位电机的旋转速度要求极高。因此，急需提供一种方法来实现对高铁宽带专网高动态LTE转换器(HIDT-LTE)的微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)的控制，以满足高铁列车告诉运行下的通信网络要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述不足，针对高铁宽带专网高动态LTE转换器(HIDT)的微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)，提出一种控制方法，可以满足该天线在高速运动的情况下实现快速的基站切换，并且系统成本较低，具有较好的经济效益。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法，采用天线控制系统，所述天线控制系统包括GNSS与惯导组合导航接收机、数据处理模块、微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)、天线控制器；该天线控制方法包括以下步骤：步骤1：GNSS与惯导组合导航接收机测量列车位置信息C和航向角信息φ，并通过串行通信接口发送至数据处理模块；步骤2：数据处理模块根据列车位置信息C，结合内置的高铁专网电子地图，查询列车位置附近可用的通信基站位置信息B，通信基站的覆盖半径R，通信基站天线的高度H，通信基站距离路轨的距离D，并通过覆盖半径R和列车航向角信息φ优选通信基站；步骤3：计算列车距离通信基站垂足的距离L，并计算L和D的比例关系K＝L/D；步骤4：结合微波开关型多入多出天线的波束方向图，结合选择的通信基站位置B，参考K值，通过电子开关的切换，在平原地区可以实现定向天线和全向天线之间的快速切换；步骤5：结合地形地貌，通过列车前进方向与列车基站连线的夹角，确定是否驱动选定高增益通信天线的方位轴电机来实现天线波束的对准。其中，所述GNSS与惯导组合导航接收机包括卫星导航接收机，用于测量高速运动的列车位置信息和航向信息，通过串行输入输出接口与数据处理模块相连，还包括测量型GNSS天线，测量型GNSS导航接收机和惯性测量器件，惯性测量器件可以为MEMS器件组合或高精度战术级的惯导器件组合。其中，所述数据处理模块，包括存储器、CPU、供电电源及输入输出接口，用于存储高铁专网电子地图和实时解算通信天线指向通信基站的方位角和俯仰角，通过串行通信接口与导航接收机相连接。其中，所述微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)包括两组高增益天线(TANT1、TANT2)、一组全向天线(TANT 3)和一组独立控制电子开关。其中，所述独立控制电子开关包括3个独立的电子开关，具有毫秒级别的响应能力，可以独立的控制每组天线的接通和关闭，与天线控制器的IO管脚相连。其中，所述天线控制器可以是单片机、单板机、工控机以及其它具有控制步进电机能力的MCU，具有多个串行通信接口和多个独立可控的IO口。其中，所述高铁专网电子地图显示形状为随高铁路轨而变化的狭长形状；其显示内容为高铁路轨及路轨沿线的通信基站详细信息，包括：铁路路轨的经度、纬度、高度信息，通信基站的有效覆盖半径、基站铁塔高度、基站天线高度、基站铁塔距离路轨最短距离信息等，高铁电子地图可以存储在数据处理模块内。本专利技术的有益效果：本专利技术的高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法，有效解决了高铁列车高速运动带来的HIDT-LTE的天线跟踪控制问题。通常情况下，不需要启动车载MS-MIMO通信天线的方位俯仰驱动系统，通过电子开关的简单切换，实现了车地通信链路的畅通；本专利技术的高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法，提高了MS-MIMO通信天线的可靠性，降低了高铁列车车载HIDT机械部件的设计要求，有效降低了HIDT-LTE系统的成本。附图说明图1为MS-MIMO天线控制系统示意图；图2为高铁车载天线系统原理示意图；图3为高铁车载天线与地面通信基站的空间角度关系示意图。其中，TANT1、TANT2-车载高增益天线；TANT3-车载全向天线；MS-微波开关；RICM-射频中频转换模块；BBM-室内基带模块。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。如图1所示，本专利技术的天线控制系统包括GNSS与惯导组合导航接收机、数据处理模块、微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)和天线控制器。其中，GNSS与惯导组合导航接收机包括卫星导航接收机，用于测量高速运动的列车位置信息、航向信息，通过串行输入输出接口与数据处理模块相连；还包括测量型GNSS天线，测量型GNSS导航接收机和惯性测量器件，惯性测量器件可以为MEMS器件组合或高精度战术级的惯导器件组合。数据处理模块，包括存储器、CPU、供电电源及输入输出接口，用于存储高铁专网电子地图和实时解算MS-MIMO天线指向通信基站的方位角和俯仰角，通过串行通信接口与导航接收机、天线控制器相连接；高铁专网电子地图，包括铁路路轨和沿线高铁专网通信基站的详细信息，存储在数据处理模块的存储器内。如图2所示，微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)包括两组高增益天线(TANT1、TANT2)、一组全向天线(TANT3)和一组独立控制电子开关。独立控制电子开关包括3个独立的电子开关，具有毫秒级别的响应能力，可以独立的控制每组天线的接通和关闭，与天线控制器的IO管脚相连。天线控制器通过串行通信接口与数据处理模块相连接，通过I/O口和电机驱动器、电子开关相连接。通过5个IO口与电机驱动器相连，实现与控制器相连的两台步进电机运动的控制，包括转速、转向和转动角度；通过3个独立的IO管脚分别控制3个电子开关，每个电子开关独立控制天线的选通与中断。如图3所示，通信LTE基站安装的通信天线距离地面高度为H，基站与路轨的垂直距离为D，列车距离基站铁轨垂足距离为L，基站全向天线覆盖半径为r，定向天线的覆盖半径为R，列车天线的高度为h。其中R是H和h以及地球半径的函数。列车上天线安装方式为：高增益天线TANT1放在靠近车本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法，其特征在于，采用天线控制系统，所述天线控制系统包括GNSS与惯导组合导航接收机、数据处理模块、微波开关型多入多出天线(MS‑MIMO)、天线控制器；该天线控制方法包括以下步骤：步骤1：GNSS与惯导组合导航接收机测量列车位置信息C和航向角信息φ，并通过串行通信接口发送至数据处理模块；步骤2：数据处理模块根据列车位置信息C，结合内置的高铁专网电子地图，查询列车位置附近可用的通信基站位置信息B，通信基站的覆盖半径R，通信基站天线的高度H，通信基站距离路轨的距离D，并通过覆盖半径R和列车航向角信息φ优选通信基站；步骤3：计算列车距离通信基站垂足的距离L，并计算L和D的比例关系K＝L/D；步骤4：结合微波开关型多入多出天线的波束方向图，结合选择的通信基站位置B，参考K值，通过电子开关的切换，在平原地区可以实现定向天线和全向天线之间的快速切换；步骤5：结合地形地貌，通过列车前进方向与列车基站连线的夹角，确定是否驱动选定高增益通信天线的方位轴电机来实现天线波束的对准。

【技术特征摘要】
1.一种高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法，其特征在于，采用天线控制系统，所述天线控制系统包括GNSS与惯导组合导航接收机、数据处理模块、微波开关型多入多出天线(MS-MIMO)、天线控制器；该天线控制方法包括以下步骤：步骤1：GNSS与惯导组合导航接收机测量列车位置信息C和航向角信息φ，并通过串行通信接口发送至数据处理模块；步骤2：数据处理模块根据列车位置信息C，结合内置的高铁专网电子地图，查询列车位置附近可用的通信基站位置信息B，通信基站的覆盖半径R，通信基站天线的高度H，通信基站距离路轨的距离D，并通过覆盖半径R和列车航向角信息φ优选通信基站；步骤3：计算列车距离通信基站垂足的距离L，并计算L和D的比例关系K＝L/D；步骤4：结合微波开关型多入多出天线的波束方向图，结合选择的通信基站位置B，参考K值，通过电子开关的切换，在平原地区可以实现定向天线和全向天线之间的快速切换；步骤5：结合地形地貌，通过列车前进方向与列车基站连线的夹角，确定是否驱动选定高增益通信天线的方位轴电机来实现天线波束的对准。2.根据权利要求1所述的高铁宽带专网高动态转换系统的天线控制方法，其特征在于，所述GNSS与惯导组合导航接收机包括卫星导航接收机，用于测量高速运动的列车位置信息和航向信息，通过串行输入输出接口与数据处理模块相连，还包括测量型GNSS天线，测量型GNSS导航接收机和惯性测量器件，惯性测量器件可以为MEMS器件组合或高精度战术级的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡超，庞峰，万庆涛，崔君霞，艾国祥，金声震，
申请(专利权)人：中科凯普天津卫星导航通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12