-
Technisches
Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Satellitenkommunikation und insbesondere
ein Satellitenantennenausrichtungssystem.
-
Allgemeiner
Stand der Technik
-
US 4,630,058 A offenbart
ein Satellitenkommunikationssystem. Ein Testsignal [engl.: beacon
signal] wird sowohl von der Kommunikationsantenne als auch von einer
separaten Testantenne des Satelliten abgestrahlt, wobei die letztgenannte
ein breiteres Strahlungsmuster als das Muster der Kommunikationsantenne
besitzt und das Kommunikationsantennenmuster überlappt. Die ausgestrahlten
Signale werden von Bodenstationen erfasst, um Sensorsignale bereitzustellen,
die proportional zu den Verhältnissen
der beiden Signale sind. Die Sensorsignale werden miteinander verglichen,
um ein Fehlersignal zu liefern, das jede Abweichung des Kommunikationsantennenmusters
von dem gewünschten
Ausleuchtungsgebiet anzeigt. Ein Steuerungssystem in dem Satelliten
spricht auf dieses Fehlersignal an, um das Kommunikationsantennenstrahlungsmuster,
das auf das gewünschte
Ausleuchtungsgebiet auf der Erde gerichtet ist, aufrecht zu erhalten,
indem die Lage des Satelliten geregelt wird.
-
US 5,175,556 A betrifft
ebenfalls ein Regelungssystem für
ein Weltraumfahrzeug-Antennenmuster, das ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem
umfasst.
-
Allgemein
ist einer der Hauptzwecke von Satelliten die Kommunikation. Üblicherweise
wird ein Satellit Signale von Sendestationen empfangen, die sich
auf der Erde befinden, wird die Frequenz umsetzen und diese Signale
verstärken,
wird dann die Signale neu aussenden an Empfangsstationen, die sich auf
der Erde befinden. Satelliten benutzen normalerweise mehrere Antennen
für den
Empfang und das Übertragen
von Signalen aus einer Vielzahl von Gründen. Diese Gründe umfassen:
Trennen der Übertragungs-
und Empfangsfunktion und dann Bereitstellen mehrerer Strahlen, die
mit unterschiedlichen Abschnitten der Erde kommunizieren, Bereitstellen
einer Wiederbenutzung knapper Frequenzbänder durch Benutzung getrennter
Antennen, die in unterschiedliche Richtungen zeigen, während die gleiche
Frequenz verwendet wird, und viele andere.
-
Hochleistungskommunikationssatelliten
benutzen Antennen, die auf Signale aus einer Richtung sehr viel
stärker
ansprechen als von anderen Richtungen. Wenn folglich mehrere Antennen
benutzt werden, muss jede Antenne akribisch genau ausgerichtet werden,
um relativ schwache Kommunikationssignale von erdgestützten Übertragungsstationen zu
empfangen oder um Signale zurück
zu erdgestützten
Empfangsstationen zu senden, ohne übermäßig die Kommunikationsleistung
abzuschwächen.
-
Üblicherweise
benutzen Satellitenantennen Ausrichtungssystemantennen, die aus
einer Gruppe von Einspeisungen bestehen, die ein oder mehrere Reflektoren
bestrahlen, um Strahlen auszubilden. Diese Antennen sind so ausgerichtet,
dass sie Strahlen bereitstellen können, die in Richtung einer
Bodenstation auf der Erdoberfläche
ausgerichtet sind.
-
Ein
Sensor wird eingesetzt, um die Strahlausrichtungsrichtungen zu steuern.
Der Sensor besteht aus einer Gruppe von Einspeisungen, einem Nachführnetzwerk,
das spezielle Strahlen bildet, die als Nachführstrahlen bezeichnet werden,
und einem Nachführempfänger. Der
Sensor empfängt
Test- bzw. Beaconsignale, die von einer Station auf der Erde in eine
bekannte Ausrichtungsrichtung gesendet werden. Der Nachführempfänger arbeitet
mit den Nachführstrahlen,
um Fehlersignale zu erzeugen, die proportional zu dem Ausrichtungsfehler
der Antenne sind. Die Fehlersignale werden von dem Lageregelungssystem
verwendet, um einen Reflektorausrichtungsmechanismus zu steuern,
der den Reflektor relativ zu dem Satellitenkörper lenkt, um den Ausrichtungsfehler
zu minimieren.
-
Ein
Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass jeder Reflektor einen
robusten Reflektorausrichtungsmechanismus haben muss. Der Ausrichtungsmechanismus
muss so robust sein, dass er durchgehend über die typische Lebensdauer
von 10 bis 15 Jahren des Satelliten arbeitet. Folglich ist der Reflektorausrichtungsmechanismus üblicherweise schwer
und relativ teuer, um diese Zuverlässigkeit zu erzielen.
-
Ein
gemeinsames Ziel beim Entwurf von Satelliten besteht darin, Kosten
und Gewicht zu beseitigen und die Zuverlässigkeit aller Komponenten
zu verbessern, einschließlich
des Reflektorausrichtungsmechanismus. Um diese Ziele zu erreichen,
besitzen einige Satelliten Antennen, die auf einer gemeinsamen thermisch
stabilen Trägerstruktur
befestigt sind.
-
Das
Ausrichten der Antennen wird abhängig von
einem Richtungssensor durchgeführt,
der mit der Trägerstruktur
verbunden ist, um die Ausrichtungsrichtung der Struktur abzuschätzen. Der
Richtungssensor ist eine separate Antenne, die in Verbindung mit
dem Nachführnetzwerk
Nachführstrahlen
bildet. Diese werden dem Nachführempfänger eingespeist, um
Fehlersignale zu bilden, die zu dem Lageregelungssystem des Weltraumfahrzeugs
geführt
werden.
-
Das
Lageregelungssystem regelt die Satelliten-Impulsräder, die
wiederum das gesamte Weltraumfahrzeug lenken, um den Ausrichtungsfehler
zu minimieren, der von den Antennen gesehen wird. Ein Vorteil dieses
Systems besteht darin, dass die Reflektoren entfaltet werden können, indem
ein relativ einfacher Reflektorentfaltungsaktuator benutzt wird, der
nur einmal zum Zeitpunkt der Reflektorentfaltung arbeiten muss.
-
Unglücklicherweise
besitzt dieses System ebenfalls einige Nachteile. Ein Nachteil besteht
darin, dass die Trägerstruktur,
die alle Reflektoren und Einspeisungen verbindet, sehr temperaturstabil
sein muss, und folglich kostenaufwendig in der Herstellung ist.
Ein anderer Nachteil besteht darin, dass die Antennen gleichzeitig
gebaut und integriert werden müssen,
was den Integrationsvorgang komplex und zeitaufwendig macht.
-
Schließlich besteht
der Wunsch darin, Kosten und Gewicht eines Reflektorausrichtungsmechanismus
zu beseitigen, während
die Systemzuverlässigkeit
verbessert wird, und besteht darin, jede Antenne unabhängig bauen
zu können
und zu unterschiedlichen Zeiten integrieren zu können.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Gewicht
zu reduzieren und die Zuverlässigkeit
zu verbessern, indem ein Reflektorausrichtungsmechanismus beseitigt
wird. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
Gewicht zu reduzieren und die Zuverlässigkeit zu verbessern, indem
eine gemeinsame thermisch stabile Trägerstruktur beseitigt wird.
-
Nach
einem Gesichtspunkt der Erfindung besitzt ein Satellitenantennenausrichtungssystem
eine Reflektorantenne, um ein Uplink- bzw. Aufwärtssignal von einer erdbasierten
Bodenstation zu empfangen, und eine Satelliten-basierte phasengesteuerte Gruppenantennen-Anordnung
zum Senden eines Downlink- bzw. Abwärtssignals. Da eine extraterrestrische
Kommunikation signifikante Verluste während der Übertragung erfährt, ist
eine akkurate Ausrichtung sowohl der Uplink- als auch der Downlinkantennen
wünschenswert,
um die erforderliche Signalstärke
zu minimieren. Die vorliegende Erfindung benutzt zwei unterschiedliche
Verfahren zum Ausrichten der Uplink- und der Downlinkantennen.
-
Die
Reflektorantenne wird eingesetzt, um Uplinksignale zu empfangen.
Die Reflektorantenne der vorliegenden Erfindung ist ausgerichtet,
um den Empfang des Uplinksignals zu maximieren. Ein Reflektorausrichtungsfehlersensor,
der mit der Reflektorantenne gekoppelt ist, bestimmt die richtige
Ausrichtungsrichtung. Falls der Reflektorausrichtungsfehlersensor
bestimmt, dass die Reflektorantenne nicht richtig ausgerichtet ist, ändert dann
eine Reflektoreinstellungsvorrichtung physisch die Ausrichtungsrichtung
der Reflektorantenne durch Positionieren des Satellitenkörpers, bis
der Ausrichtungsfehler minimiert ist, um damit die Uplinksignalstärke zu maximieren.
-
Die
phasengesteuerte Gruppenantennenanordnung wird verwendet, um das
Downlinksignal zu senden. Da die phasengesteuerte Gruppenantennenanordnung
in einem festen Verhältnis
zu der Reflektorantenne befestigt ist, ist die phasengesteuerte Gruppenantennenanordnung
ausgerichtet, nachdem die Reflektorantenne erfolgreich ausgerichtet
wurde. Dies wird ausgeführt,
indem ein Gruppenantennenausrichtungsfehlersensor verwendet wird,
der an der phasengesteuerten Gruppenantennenanordnung angebracht
ist, um die richtige Ausrichtungsrichtung zu bestimmen. Falls der
Gruppenantennenausrichtungsfehlersensor bestimmt, dass die phasengesteuerte
Gruppenantennenanordnung nicht richtig ausgerichtet ist, ändert dann
eine phasengesteuerte Gruppenantennensteuerung elektronisch die
Strahlausrichtungsrichtung der phasengesteuerten Gruppenantennenanordnung,
bis der Ausrichtungsfehler minimiert ist. Da die Uplink- und die
Downlinkantennen unabhängig
ausgerichtet sind, ist eine gemeinsame Trägerstruktur nicht erforderlich.
-
Die
vorliegende Erfindung erreicht somit ein Satellitenantennenausrichtungssystem,
ohne einen Reflektorausrichtungsmechanismus oder eine gemeinsame
thermisch stabile Trägerstruktur
zu benötigen.
Dies ermöglicht
ein geringeres Gewicht und geringere Herstellungskosten und hat
den zusätzlichen
Vorteil einer verbesserten Systemzuverlässigkeit.
-
Zusätzliche
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen und können
mittels der Mittel und Kombinationen realisiert werden, die in den
angehängten
Ansprüchen
ausgeführt
sind.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Satellitenkommunikationssystems;
-
2 ist
ein Blockdiagramm eines Satellitenantennenausrichtungssystems entsprechend
der vorliegenden Erfindung; und
-
3 ist
ein Blockdiagramm einer phasengesteuerten Gruppenantennenanordnung.
-
BESTE MODI
ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
wird nun Bezug genommen auf 1. Ein Satellitenkommunikationssystem 10 entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist dargestellt. Das Satellitenkommunikationssystem 10 umfasst
einen oder mehrere Satelliten 12, die in Kommunikation
mit einer auf der Erde 16 befindlichen Bodenstation 14 stehen.
Jeder Satellit 12 hat einen Satellitenkörper bzw. Rumpf 13,
der ein Satellitenantennenausrichtungssystem 18 enthält.
-
Das
Satellitenantennenausrichtungssystem 18 ist verantwortlich
für die
Ausrichtung verschiedener Uplink- und Downlinkantennen für die Kommunikation.
Diese Kommunikation umfasst Video, Mono und Stereoaudio, Telefonnachrichten,
Nachrichtenreportagen und andere Datenformen, ist aber nicht beschränkt darauf.
Eine genaue Ausrichtung dieser Antennen wird eingesetzt, um die
Stärke
sowohl der gesendeten als auch der empfangenen Signale zu maximieren.
Je genauer diese Antennen ausgerichtet sind, desto geringere Leistung
wird zum Übertragen erforderlich.
Aufgrund der Größen- und
Gewichtsbeschränkungen,
die man beim Weltraumfahrzeugentwurf hat, ermöglicht eine genaue Antennenausrichtung,
die zu einer geringeren erforderlichen Signalstärke führt, den Designern, die Größe und das
Gewicht der Energiequellen und anderer Komponenten zu reduzieren,
die für
die extraterrestrische Kommunikation notwendig sind, um damit wertvolle
Ressourcen einzusparen.
-
Es
wird nun auf 2 Bezug genommen. Ein Blockdiagramm
eines Satellitenantennenausrichtungssystems 18 entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist dargestellt. Eine Reflektorantenne 20 wird als
Empfangs(Uplink)-Antenne verwendet, wobei eine phasengesteuerte
Gruppenantennenanordnung 22 als Sende(Downlink)-Antenne verwendet
wird. Diese Antennen stehen in Kommunikation mit einer Bodenstation 14.
-
Die
Reflektorantenne 20 ist an dem Satellitenkörper 13 angebracht
und ist entfaltet, indem ein Reflektorentfaltungsaktuator (RDA) 42 verwendet wird.
Der Reflektorentfaltungsaktuator 42 ersetzt einen Reflektorpositionsmechanismus
(nicht gezeigt), der üblicherweise
im Stand der Technik verwendet wird. Der Reflektorentfaltungsaktuator 42 wird
nur einmal während
der Lebenszeit eines Satelliten 12, für die anfängliche Entfaltung der Reflektorantenne 20 benutzt,
im Gegensatz zu einem Reflektorpositionsmechanismus, der robust
sein muss, da er kontinuierlich über
die typische Lebenszeit von 10 bis 15 Jahren eines Satelliten 12 betrieben
wird. Aufgrund dessen ist der Reflektorentfaltungsaktuator 42 relativ leicht
und kostengünstig
im Vergleich zu einem Reflektorpositionsmechanismus und führt zu einem
zuverlässigeren
Gesamtsystem.
-
Die
Reflektorantenne 20 wird positioniert, so dass sie ein
terrestrisches Uplinksignal 19 in Richtung eines Uplinkeinspeisearrays 26 fokussieren kann.
Im Gegensatz dazu ist die phasengesteuerte Downlink-Gruppenantennenanordnung 22 fest
mit dem weltraumfahrzeugkörper 13 verbunden.
Zur Vereinfachung ist der Satellit 12 mit einer einzelnen Uplinkantenne 20 und
einer Downlinkantenne 22 gezeigt. Selbstverständlich erkennt
ein Fachmann, dass die vorliegende Erfindung, die hier beschrieben wird,
sich in gleicher Weise auf Satelliten mit mehreren Antennen anwenden
lässt.
-
Ein
Reflektorausrichtungssensor 24 ist in oder auf dem Satellitenkörper 13 positioniert,
um das reflektierte Uplinksignal 19 von der Reflektorantenne 20 zu
empfangen. Bei der vorliegenden Erfindung umfasst der Reflektorausrichtungsfehlersensor 24 eine
Uplinkeinspeisegruppe 26, ein Uplinknachführnetzwerk 28 und
einen Uplinknachführungsempfänger 30.
Die Uplinkeinspeisegruppe 26 ist eine Sammlung aus Einspeisehörnern und
befindet sich am Brennpunkt der Reflektorantenne 20, um
das Uplink-Testsignal bzw. -Beaconsignal zu empfangen, das von der
Bodenstation 14 gesendet wurde (1). Das
Uplinknachführnetzwerk 28 erzeugt
einen oder mehrere Nachführstrahlen,
die nominal in Richtung des ankommenden Testsignals gerichtet werden.
Der Uplinknachführempfänger 30 kombiniert und
analysiert die Nachführstrahlsignale
von dem Nachführnetzwerk 28 und
erzeugt ein Reflektorausrichtungsfehlersignal.
-
Bei
der vorliegenden Ausführungsform
umfasst eine Reflektoreinstellvorrichtung 31 ein Satellitenlageregelungssystem 32 und
Satellitenlageimpulsräder 34.
Die Lage des Satelliten 12 wird eingestellt, um die Reflektorantenne 20 abhängig von
dem Reflektorausrichtungsfehlersignal auszurichten. Das Satellitenlageregelungssystem 32 regelt
die Satellitenlageimpulsräder 34,
um den Satelliten 12 durch Ändern des Impulses zwischen
Satellit 12 und den Satellitenimpulsrädern 34 zu lenken,
die den Satelliten 12 drehen. Das Satellitenlageregelungssystem 32 lenkt
den Satelliten 12, bis das Reflektorausrichtungsfehlersignal
minimal ist.
-
Ein
Gruppenausrichtungsfehlersensor 35 ist an der phasengesteuerten
Gruppenantennenanordnung 22 befestigt, um den Downlinkausrichtungsfehler
zu erfassen. Bei der vorliegenden Erfindung umfasst der Gruppenausrichtungsfehlersensor
eine Testnachführantenne 36 und
eine Downlinknachführnetzwerk/Empfängerkombination 38,
aber ein Fachmann wird erkennen, dass ein Sternnachführvorrichtung
oder andere Lageabschätzvorrichtungen
verwendet werden könnten.
-
Es
wird nun auf 3 Bezug genommen. Ein Blockdiagramm
einer phasengesteuerten Gruppenantennenanordnung 22 ist
dargestellt. Ein Signal, das in einen Eingangsanschluss 50 geführt wird,
wird über
Leistungsteiler 48 geteilt und zu Strahlerelementen 46 über Phasenschieber 44 verteilt.
Die Strahlrichtung wird elektronisch durch die Steuerung 40 geregelt,
die digital die einzelnen Phasenschieber 44 abhängig von
dem Downlinkausrichtungsfehler steuert, der von dem Gruppenausrichtungsfehlersensor 35 erzeugt
wird.
-
Im
Betrieb entfaltet der Satellit 12 beim Erreichen der Umlaufbahn
die Reflektorantenne 20, indem der Reflektorentfaltungsaktuator 42 verwendet wird.
Sobald die Reflektorantenne 20 entfaltet ist, benutzt das
Uplinknachführnetzwerk 28 einen
oder mehrere Nachführstrahlen,
die nominal in Richtung des ankommenden Testsignals ausgerichtet
sind. Der Uplinknachführempfänger 30 kombiniert
und analysiert die Nachführstrahlsignale
von dem Nachführnetzwerk 28 und
erzeugt ein Reflektorausrichtungsfehlersignal. Abhängig von
dieser Ausrichtungsfehlerabschätzung
lenkt das Lageregelungssystem 31 den Satelliten 12,
um die Reflektorantenne 20 in Richtung der Bodenstation 14 auszurichten. Beim
Erreichen dieser Position wird eine Abschätzung des Uplinkausrichtungsfehlers
von dem Reflektorausrichtungsfehlersensors 24 erzeugt und
der Satellit 12 wird über
das Lageregelungssystem 31 neu positioniert, um die Reflektorantenne 20 in
die richtige Richtung auszurichten.
-
Nachdem
die richtige Ausrichtungsrichtung der Reflektorantenne 20 erreicht
ist, wird eine Abschätzung
des Downlinkausrichtungsfehlers durch einen Gruppenausrichtungsfehlersensors 35 bestimmt.
Abhängig
von diesem Downlinkausrichtungsfehler steuert eine phasengesteuerte
Gruppenantennensteuerung 40 digital die einzelnen Phasenschieber 44,
um die Downlinkstrahlen elektronisch neu auszurichten, um den geschätzten Downlinkausrichtungsversatz
zu kompensieren.
-
Es
versteht sich, dass die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
rein erläuternd
steht für
einige der vielen spezifischen Ausführungsformen, die die Anwendungen
der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen.