DE60008458T2

DE60008458T2 - Entfalten eines Doppelreflektorsystems

Info

Publication number: DE60008458T2
Application number: DE60008458T
Authority: DE
Inventors: Stephen D. Garden Grove Nguyen; Leonard A. Rolling Hills Hoey; Joseph G. Scarangello; Dean R. Simi Valley Huebert; Mark R. El Segundo Wilken
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: US6124835A; DE60008458D1; EP1067623B1; JP2001060812A; CA2311013C; CA2311013A1; EP1067623A2; EP1067623A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Entfalten von Doppelreflektoren und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Entfalten eines in Verbindung mit einem Ka-Band-Satelliten verwendeten Seitenschub-Doppelreflektorsystems.
2. Diskussion des verwandten Stands der Technik
Verschiedene Kommunikationssysteme wie z. B. bestimmte Telefonsysteme, Fernsehrundfunksysteme, Internetsysteme, militärische Kommunikationssysteme, usw. verwenden Satelliten, welche die Erde in einer geosynchronen Umlaufbahn, wo die Satelliten relativ zur Erde am selben Ort gehalten werden, oder in einer nichtgeosynchronen Umlaufbahn umkreisen, wo die Satelliten nicht dieselbe relative Position beibehalten. Ein Satelliten-Uplink-Kommunikationssignal wird von einer oder mehreren Bodenstationen zum Satelliten gesendet und dann vom Satelliten zur Erde als Downlink-Kommunikationssignal zurückgesendet, um, je nach spezieller Verwendung, eine wünschenswerte Empfangsfläche abzudecken. Die Uplink- und Downlink-Signale werden bei einer bestimmten Frequenzbandweite, wie z. B. der Ka-Frequenzbandweite, gesendet und sind frequenzkodiert. Der Satellit ist mit einem oder mehreren Antennensystemen ausgestattet, die eine Vielzahl von Antenneneinspeisungen umfassen, welche die Uplink-Signale empfangen und die Downlink-Signale zur Erde leiten. Die Anordnung der Antenneneinspeisungen und der angeschlossenen Antennenoptiken des Antennensystems ist entworfen, um für die Abdeckung einer speziell definierten Fläche auf der Erde, wie z. B. dem Festland der Vereinigten Staaten, zu sorgen, obwohl die Abdeckung auch global sein könnte.
Bestimmte Antennensystemkonstruktionen verwenden mehrere Reflektoren, um die Downlink-Signale von den Antenneneinspeisungen zur Erde oder die Uplink-Signale von der Erde zu den Antenneneinspeisungen zu leiten. Z. B. kann eine Downlink-Antenneneinspeiseanordnung, welche eine Vielzahl von Antenneneinspeisungen umfasst, relativ zu einem Unter-Reflektor und einem Haupt-Reflektor aufgestellt werden, wo der Unter-Reflektor die Strahlen von den Einspeisungen empfängt und die Strah len in Richtung auf den Haupt-Reflektor leitet, um diese in Richtung auf die Erde zu leiten. Die Ausrichtung der Einspeiseanordnung, des Unter-Reflektors und Haupt-Reflektors kann verschiedene Gestaltungen und Anordnungen in Abhängigkeit von einer bestimmten Konstruktion annehmen. Diese Konstruktionen setzen voraus, dass der Unter-Reflektor und der Haupt-Reflektor an ausgewählten Orten und in ausgewählten Ausrichtungen relativ zur Einspeiseanordnung in Abhängigkeit von den Brennweiten der Konstruktion aufgestellt werden.
Ernsthafte Überlegungen werden bei der Konstruktion eines Antennensystems des hier diskutierten Typs angestellt, abgesehen von der tatsächlichen Gestaltung des Antennensystems zum Bereitstellen der gewünschten Erdabdeckungsfläche. Insbesondere müssen die Einspeiseanordnung und die Reflektoren auf einer Stützstruktur in einer Art und Weise befestigt werden, welche die Verwendung des verfügbaren Platzes auf dem Satelliten minimiert. Ferner muss das Antennensystem kompakt und leicht, aber stark genug sein, um den Satellitenstart und die Weltraumumgebung zu überstehen, als auch in die Verkleidung des Startfahrzeugs passen. Üblicherweise benötigen diese Konstruktionen, dass die Reflektoren während des Starts zumindest teilweise in eine gefalteten Position verstaut und später entfaltet werden, sobald der Satellit in der Umlaufbahn ist. Bekannte Entfaltungsstrategien würden entweder jeden Reflektor eines Doppelreflektorantennensystems auf einem separaten Ausleger oder Arm entfalten oder einen der Reflektoren auf einem beweglichen Arm entfalten und den anderen Reflektor an einer Schiene oder Antennenstruktur befestigt halten. Diese Konstruktionen nehmen üblicherweise einen erheblichen Raum ein, um die Start- und Entfaltungsanforderungen zu erfüllen. Moderne Doppelreflektorantennensysteme haben manchmal relativ lange Brennweiten und können erfordern, dass beide Reflektoren in einer gefalteten Position verstaut werden.
Benötigt wird eine verbesserte Entfaltungsstrategie zum Entfalten von mehreren Reflektoren, welche mit einem Antennensystem mit mehreren Reflektoren verbunden sind. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine solche Strategie zur Verfügung zu stellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und ein System zum Entfalten eines Antennensystems mit mehreren Reflektoren offenbart. Das Antennensystem umfasst eine an einem Satelliten befestigte Antennenstruktur, wo eine Antenneneinspeiseanordnung an der Antennenstruktur befestigt ist. Eine einzelne Schwenk-Antennenarmbaugruppe ist mittels einer ersten Entfaltungsvorrichtung, wie z. B. einem belasteten Federgelenk, an der Antennenstruktur befestigt. Die Armbaugruppe umfasst einen ersten Arm, an welchem ein erster Reflektor befestigt ist, und einen zweiten Arm, an welchem ein zweiter Reflektor befestigt ist. Die ersten und zweiten Arme sind mittels einer zweiten Entfaltungsvorrichtung, wie z. B. einem belasteten Federgelenk, miteinander verbunden, so dass sich die Reflektoren gegenüber befinden, wenn die Armbaugruppe in der verstauten Position ist. Eine Vielzahl von Startverriegelungen hält die Armbaugruppe in der verstauten Position gegen die Vorspannung der Gelenke vor der Entfaltung.
Wenn der Satellit im Weltraum und das Antennensystem zum Entfalten bereit ist, werden die Startverriegelungen in einer vorher bestimmten Reihenfolge gelöst, so dass sich zuerst die Armbaugruppe unter der Vorspannung des ersten Gelenks von der Einspeiseanordnung wegbewegt und sich dann der zweite Arm unter der Vorspannung des zweiten Gelenks vom ersten Arm wegbewegt. In einem Ausführungsbeispiel sind die Einspeiseanordnung und die ersten und zweiten Reflektoren relativ zueinander in einer Seitenschub-Gestaltung ausgerichtet, wenn das Antennensystem im völlig entfalteten Zustand ist.
Zusätzliche Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seiten-Draufsicht eines völlig verstauten Antennensystems, das mehrere Reflektoren umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Seiten-Draufsicht des in der 1 abgebildeten Antennensystems, das teilweise entfaltet ist; und
3 ist eine Seiten-Draufsicht des in den 1 und 2 gezeigten Antennensystems, das in einer Seitenschub-Gestaltung völlig entfaltet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die auf eine Strategie und eine Vorrichtung zum Entfalten eines Multi-Reflektorantennensystems von einem Satelliten zielen, ist bloß von beispielhafter Natur und beabsichtigt in keiner Weise, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Insbesondere betrifft die nachstehende Diskussion das Entfalten eines in Verbindung mit einem Satelliten benutzten Seitenschub-Multi-Reflektorantennensystems. Jedoch hat die Entfaltungsstrategie der vorliegenden Erfindung andere Verwendungen zum Entfalten von mehreren, von Seitenschub-Reflektoren für Satelliten abweichenden Reflektoren.
1 zeigt eine Seiten-Draufsicht eines Multi-Reflektorantennensystems 10, welches eine integrierte Antennenbefestigungsstruktur 12 umfasst, die an einer Satellitenplattform oder -sammelschiene 14 (hier teilweise gezeigt) an einem strategischen Ort, wie z. B. dem dem Nadir gegenüberliegenden Teil des Satelliten, gesichert ist, in Abhängigkeit von den bestimmten Konstruktionsanforderungen des Antennen- und Satellitensystems. In einer praktischen Anwendung ist das Antennensystem 10 eines einer Vielzahl von ähnlichen, an der Sammelschiene 14 befestigten Antennensystemen. Eine Einspeiseanordnung 16, welche eine Vielzahl von Antenneneinspeisetrichtern 18 umfasst, ist an einer Befestigungsplatte 20 gesichert, so dass die Trichter 18 entlang eines vorherbestimmten Umrisses, der mit der Antennenkonstruktion im Einklang ist, angeordnet sind. Die Befestigungsplatte 20 ist an der Antennenstruktur 12 befestigt, so dass die Einspeiseanordnung 16 an einem bestimmten Ort und in einer bestimmten Ausrichtung angeordnet ist, die auch im Einklang mit der Antennenkonstruktion ist. Eine geplante Stützhalterung 22 ist mit der Platte 20 und der Struktur 12 wie gezeigt verbunden.
Eine einzelne Schwenk-Antennenarmbaugruppe 26 ist mit der Antennenstruktur 12 mittels eines ersten Feder-vorgespannten Entfaltungsgelenks 28 verbunden. Das Entfaltungsgelenk 28 ist in einem Feder-belasteten Zustand, wenn die Anordnung 26 in der verstauten Position ist. Die Vorspannung des Entfaltungsgelenks 28 stellt eine solche Kraft zur Verfügung, dass sich die Armbaugruppe 26, wenn das Antennensystem 10 entfaltet wird, vom Satelliten mit einer vorherbestimmten Geschwindigkeit und Kraft wegbewegt. Die Antennenarmbaugruppe 26 umfasst einen ersten Antennenarm 30 und zweiten Antennenarm 32, die mittels eines zweiten Federvorgespannten Entfaltungsgelenks 34 miteinander verbunden sind. Die Entfaltungsgelenke 28 und 34 können beliebige Gelenke oder Mechanismen sein, die nach dem Stand der Technik vorhanden und für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wie hier beschrieben geeignet sind. Die Arme 30 und 32 können aus jedem geeigneten Material oder Legierung, wie z. B. einem Graphitverbundwerkstoff, hergestellt sein, welche die Umweltanforderungen erfüllen. Ein Haupt-Reflektor 38 ist an dem Arm 30 befestigt und ein Unter-Reflektor 40 ist an dem Arm 32 befestigt, so dass sich die Reflektoren 38 und 40 im verstauten Zustand unmittelbar gegenüber befinden und im Wesentlichen parallel sind. Die Reflektoren 38 und 40 können aus jedem geeigneten, dem Stand der Technik bekannten Reflektormaterial, wie z. B. einem Graphitverbundwerkstoff, hergestellt werden und können am jeweiligen Arm 30 oder 32 in jeder geeigneten, mit der hier genannten Diskussion übereinstimmenden Weise befestigt werden, wie z. B. von einer leichtgewichtigen mechanischen Verbindung.
Das Antennensystem 10 umfasst eine Vielzahl von Startverriegelungen, welche die Antennenarmbaugruppe 26 in der verstauten Position gegen die Vorspannung der Gelenke 28 und 34 halten, bevor sie entfaltet wird. In einer Konstruktion umfasst das Antennensystem 10 fünf Startverriegelungen zur geeigneten Verstauung. In einem Beispiel umfasst jede Startverriegelung eine elektrische Vorrichtung, die ein elektrisches Signal empfängt, das eine mechanische Verbindung löst. Natürlich kann jede für die hier beschriebenen Zwecke geeignete Startverriegelung benutzt werden. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine vordere Reflektorstartverriegelung 44 mit der Antenneneinspeisebefestigungsplatte 20 und dem Arm 32 wie gezeigt verbunden. Zusätzlich sind zwei hintere Reflektorstartverriegelungen 46 (an der nahe gelegenen und der fern gelegenen Seite) an den Reflektoren (38, 40) befestigt. Startverriegelungen 46 verbinden die Reflektoren mit der Startverriegelungsstützstruktur 48, welche z. B. aus drei Stützstreben besteht, die mit der Antennenstruktur 12 wie gezeigt verbunden sind. Ferner verbindet eine innere Reflektorstartverriegelung 50 den Haupt-Reflektor 38 und den Unter-Reflektor 40. Eine Struktur-Startverriegelung 54 ist vorgesehen, um die Antennenstruktur 12 mit der Satellitenschiene 14 zu verbinden.
In der verstauten Position werden alle Startverriegelungen 44, 46, 50 und 54 zurückgehalten (verriegelt) und die Gelenke 28 und 34 sind unter Federspannung. Wenn das Antennensystem 10 entfaltet werden soll, werden zuerst die Startverriegelungen 44 und 46 vom Arm 32 und den Reflektoren 38, 40 gelöst, so dass die Federvor spannung des Gelenks 28 die Armbaugruppe 26 veranlasst, sich von der Einspeiseanordnung 16 wegzubewegen, wie im teilweise entfalteten Zustand in 2 gezeigt. Wie es offensichtlich ist, ist die Startverriegelung 50 noch nicht gelöst worden, weil, wenn die Baugruppe 26 in der Nähe der Einspeiseanordnung 16 in der verstauten Position ist, der Arm 32 die Einspeiseanordnung 16 berührte, wenn er gelöst wäre. Sobald die Armbaugruppe 26 sich weit genug von der Einspeiseanordnung 16 wegbewegt hat, wird die Startverriegelung 50 gelöst, so dass der Arm 32 von der Vorspannung des Gelenks 34 entfaltet wird. Diese Arbeitsweise der Startverriegelung (50) kann auch durch die Steuerung der Entfaltungsgeschwindigkeit der Gelenke erreicht werden. Zusätzlich wird auch die Struktur-Startverriegelung 54 gelöst.
3 zeigt das Antennensystem 10, wenn alle Startverriegelungen 44, 46, 50 und 54 gelöst worden sind und die Armbaugruppe 26 völlig entfaltet ist. Die Startverriegelungen 44, 46, 50 und 54 und die Startverriegelungsstütrstruktur 48 sind in dieser Figur zum Zwecke der Klarheit nicht gezeigt. In dieser Anordnung ist die Ausrichtung der Einspeiseanordnung 16, des Unter-Reflektors 40 und des Haupt-Reflektors 38 in einer Seitenschub-Gestaltung. Im Fall einer Downlink-Antenne empfängt der Unter-Reflektor 40 die Strahlen von den Einspeisetrichtern 18 empfängt und lenkt die Strahlen in Richtung auf den Haupt-Reflektor 38 in einer Art und Weise, welche die Brennweite des Reflektors 38 erfüllt. Der Haupt-Reflektor 38 lenkt die Strahlen in Richtung auf die Erde über die gewünschte Abdeckungsfläche. In dieser Seitenschub-Konstruktion hat der Unter-Reflektor 40 einen hyperbolischen Umriss und der Haupt-Reflektor 38 hat einen parabolischen Umriss. Eine ausführlichere Diskussion eines Seitenschub-Antennensystems kann in der US-Patentanmeldung Seriennummer 09/232,452 gefunden werden, die den Titel „Side-Fed Dual Reflector System for Cellular Coverage" trägt und am 15. Januar 1999 eingereicht wurde. Natürlich können andere Antennenanordnungen und -konstruktionen innerhalb des Gültigkeitsbereichs der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden.

Claims

Doppelreflektorsystem, aufweisend: eine Stützstruktur; eine mittels eines ersten Betätigungsmechanismus an der Stützstruktur befestigte Schwenk-Armbaugruppe, welche einen ersten Arm und einen zweiten Arm umfasst, die mittels eines zweiten Betätigungsmechanismus miteinander verbunden sind; und einen ersten Reflektor, der am ersten Arm befestigt ist, und einen zweiten Reflektor, der am zweiten Arm befestigt ist, so dass sich die ersten und zweiten Reflektoren unmittelbar gegenüber befinden, wenn die Armbaugruppe in einem verstauten Zustand ist, wobei der erste Arm an dem ersten Betätigungsmechanismus schwenkt und der zweite Arm an dem zweiten Mechanismus schwenkt, um die Armbaugruppe und das Reflektorsystem in einen entfalteten Zustand zu entfalten.
System gemäß Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Betätigungsmechanismen Feder-belastete Gelenke sind.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Armbaugruppe im verstauten Zustand von einer Vielzahl von Verriegelungsmechanismen gehalten wird.
Doppelreflektorantennensystem zur Verwendung in Verbindung mit einem Nachrichtensatelliten, aufweisend: eine am Satelliten befestigte Stützstruktur; eine Antenneneinspeiseanordnung, die eine Vielzahl von auf einer Befestigungsplatte angeordneten Antenneneinspeisungen umfasst, wobei die Befestigungsplatte an der Stützstruktur befestigt ist; eine mittels eines ersten Betätigungsmechanismus an der Stützstruktur befestigte Schwenk-Armbaugruppe, welche einen ersten Arm und einen zweiten Arm umfasst, die mittels eines zweiten Betätigungsmechanismus miteinander verbunden sind; einen ersten Reflektor, der am ersten Arm befestigt ist, und einen zweiten Reflektor, der am zweiten Arm befestigt ist, so dass sich die ersten und zweiten Reflektoren unmittelbar gegenüber befinden, wenn die Armbaugruppe in einem verstauten Zustand ist; und eine Vielzahl von mit der Arm- und Reflektorbaugruppe verbundenen Startverriegelungsmechanismen, welche die Armbaugruppe in einem verstauten Zustand hält, wobei die Startverriegelungsmechanismen gelöst werden, um das Antennensystem, wo der erste Arm an dem ersten Betätigungsmechanismus schwenkt und der zweite Arm an dem zweiten Betätigungsmechanismus schwenkt, in einen entfalteten Zustand zu entfalten, der eine vorher bestimmte Antennenposition und -ausrichtung zwischen der Antenneneinspeiseanordnung und den ersten und zweiten Reflektoren definiert.
System gemäß Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Betätigungsmechanismen Feder-belastete Gelenke sind, die unter einer Federvorspannung gehalten werden, wenn die Armbaugruppe im verstauten Zustand ist, wobei die Gelenke die ersten und zweiten Arme veranlassen, sich zu bewegen, wenn die Startverriegelungsmechanismen gelöst werden.
System gemäß Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Startverriegelungsmechanismen einen ersten Satz von Startverriegelungen, der die Reflektoren und eine Startverriegelungsstützstruktur verbindet, welche wiederum mit der Antennenstützstruktur verbunden ist, eine zweite Startverriegelung, die den zweiten Arm und die Antenneneinspeisungsbefestigungsplatte verbindet, und eine dritte Startverriegelung umfasst, welche die ersten und zweiten Reflektoren verbindet.
System gemäß Anspruch 4, wobei die Antenneneinspeiseanordnung und die ersten und zweiten Reflektoren in einer Seitenschub-Ausrichtung angeordnet sind, wenn das System im entfalteten Zustand ist.
Verfahren zum Entfalten eines Doppelreflektorsystems, folgendes aufweisend: Bereitstellen einer Stützstruktur; Bereitstellen einer mittels eines ersten Betätigungsmechanismus an der Stützstruktur befestigten Schwenk-Arm und -Reflektorbaugruppe; Verbinden eines ersten Arms und eines zweiten Arms der Schwenk-Armbaugruppe mittels eines zweiten Betätigungsmechanismus; Anordnen des Reflektorsystems in einer verstauten Position durch Betätigen der ersten und zweiten Betätigungsmechanismen, so dass sich die ersten und zweiten Reflektoren unmittelbar gegenüber befinden und die Armbaugruppe in der Nähe der Stützstruktur angeordnet ist; Bereitstellen einer Vielzahl von Verriegelungsmechanismen, die mit der Arm- und Reflektorbaugruppe verbunden ist, um die Schwenk-Armbaugruppe in der verstauten Position zu halten; und Entfalten des Reflektorsystems von der verstauten Position in eine entfaltete Position, indem die Verriegelungsmechanismen gelöst werden, so dass die Armbaugruppe an dem ersten Betätigungsmechanismus schwenkt, um sich von der Stützstruktur wegzubewegen, und der zweite Arm an dem zweiten Betätigungsmechanismus schwenkt, um sich vom ersten Arm wegzubewegen.