專利名稱：使用極化控制的衛(wèi)星跟蹤的星載天線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
概括地說，本發(fā)明涉及星載天線系統(tǒng)，具體地說，本發(fā)明涉及用于衛(wèi)星通信的相控 陣天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
民用或軍用飛行器和地面之間的通信通常經(jīng)由衛(wèi)星信道。通常所稱的SATCOM通 信系統(tǒng)實現(xiàn)地球同步衛(wèi)星星群，并提供世界范圍的覆蓋。不同于固定地指向地球同步衛(wèi)星 的地面天線，安裝在飛行器上的天線必須在飛行期間追蹤衛(wèi)星，并且確保持續(xù)將其波束瞄 準用于通信的轉(zhuǎn)發(fā)器?，F(xiàn)有技術(shù)中考慮了一些類型的星載天線系統(tǒng)來實現(xiàn)這一追蹤。具 體地從文獻US-B-6483458中了解到的是使用動力天線，其能夠在方向角和仰角上定向， 實現(xiàn)圓錐掃描，也稱為“順序波瓣”，以便持續(xù)地將天線的口面瞄準轉(zhuǎn)發(fā)器。具體地從文獻 US-B-6650291和W0-A-92/21162 了解到的是使用相控陣天線進行電子瞄準。傳統(tǒng)方式是通 常通過向陣列的每個基元天線發(fā)送的或者接收的信號施加給定的相位偏移來使波束定向 到期望方向。這種天線的第一個優(yōu)勢在于，其允許極迅速的波束瞄準，而不存在機械慣性。 這種天線的第二個優(yōu)勢在于，能夠?qū)⑵湟暈楣残翁炀€，即，厚度很小并且適合機身的曲率的 平面天線。大多數(shù)衛(wèi)星根據(jù)兩個正交極化發(fā)射并接收信號，在一些情況下，是以嚴格一致的 頻率。從而，只有極化能夠分開不同轉(zhuǎn)發(fā)器的通信信道。例如，第一轉(zhuǎn)發(fā)器根據(jù)垂直極化發(fā) 射/接收，即使用垂直于地表的電場；并且，第二鄰近轉(zhuǎn)發(fā)器根據(jù)水平極化發(fā)射/接收，即使 用平行于地表的電場，其能夠發(fā)送第二信號。在特定的情況下，地球同步衛(wèi)星根據(jù)右圓極化 或者左圓極化發(fā)射和接收信號。正如必須確保波束動態(tài)地瞄準衛(wèi)星一樣，在飛行期間，保持發(fā)射信號的極化或者 根據(jù)其接收信號的極化是必要的。實際上，在飛行期間，該極化可取決于飛行器的位置以及 傾斜角和航向角。具體地說，對于具有較大覆蓋區(qū)域的衛(wèi)星，在飛行器的運動期間，極化的 方向會在該區(qū)域內(nèi)變化。在申請W0-A-92/21162中描述的星載天線系統(tǒng)能夠控制波束的極化。為了做到這 一點，其使用相控陣列，包括具有垂直和水平極化的基元天線。閉環(huán)控制控制兩個基元天線 之間的相位偏移，從而，保持信號的極化不變。上述天線系統(tǒng)在連接了閉環(huán)控制時運行正常。然而，在衛(wèi)星搜索階段，即，在初始 瞄準期間或者在切換期間，則很難直接獲得具有正確極化的發(fā)射或接收波束。由于鄰近衛(wèi) 星的轉(zhuǎn)發(fā)器或者甚至是相同衛(wèi)星的多個轉(zhuǎn)發(fā)器可使用具有不同極化的一致接收頻率，所以 在衛(wèi)星瞄準階段發(fā)射波束的不正確極化會導(dǎo)致所述轉(zhuǎn)發(fā)器處的串?dāng)_。同樣，在轉(zhuǎn)發(fā)器瞄準 衛(wèi)星期間，接收波束的不正確極化會導(dǎo)致在飛行器上的接收機處的串?dāng)_。因此，本發(fā)明的第一個目的在于在搜索階段或者切換期間，能夠以良好的初始極 化快速和準確地瞄準發(fā)射/接收波束。此外，隨著空中交通的增長，轉(zhuǎn)發(fā)器的占用率明顯增加。在給定的時刻，特定衛(wèi)星
3的特定轉(zhuǎn)發(fā)器可能已飽和，而其它的轉(zhuǎn)發(fā)器僅僅是略微占用。因此，本發(fā)明的另一個目的在 于提供一種能夠在飛行期間進行自適應(yīng)動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)器分配的星載天線系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種設(shè)計用于在飛行器中安裝的天線系統(tǒng)，包括由多個極化控制基 元天線構(gòu)成的相控陣天線，相控陣天線連接到至少一個波束形成器，該系統(tǒng)包括-計算器，其用于從飛行器的位置和姿態(tài)信息、通信衛(wèi)星的坐標(biāo)以及所述衛(wèi)星的轉(zhuǎn) 發(fā)器的極化特性中計算相位偏移值(外,徹)和衰減系數(shù)(αν，αΗ)；-極化控制模塊，其使用所述相位偏移值和所述衰減系數(shù)來控制所述基元天線的 極化。有利的是，所述系統(tǒng)包括RF調(diào)制/解調(diào)級，以便對基帶或者中頻天線信號進行調(diào) 制或者解調(diào)，該解調(diào)信號由所述計算器控制的VCO提供。波束形成器用于使用由計算器提供的多個相位偏移(Ψ/Λ/，￥ke/ake)形成發(fā)射 和接收波束，所述相位偏移很方便地由計算器從飛行器的位置和姿態(tài)信息以及目標(biāo)衛(wèi)星的 坐標(biāo)中獲得。發(fā)射或接收波束形成器更適宜對要在基帶中發(fā)射的信號或者在基帶中接收的信 號進行操作，并且使用復(fù)數(shù)乘法獲得相位偏移。根據(jù)一個實施例，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫，其包括可用地球同步衛(wèi)星的列表，其中有它 們相應(yīng)的坐標(biāo)、所述衛(wèi)星的不同轉(zhuǎn)發(fā)器的極化特性以及發(fā)射/接收頻率。該數(shù)據(jù)庫根據(jù)地面上的中央數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新，并且包括要用于發(fā)射和/或接收的 轉(zhuǎn)發(fā)器的實時分配。根據(jù)另一種選擇，該系統(tǒng)包括第一波束形成器，其用于在與其建立了通信的轉(zhuǎn)發(fā) 器的方向上形成波束；以及第二波束形成器，其用于在隨后將要與其建立通信的轉(zhuǎn)發(fā)器的 方向上形成波束。有利的是，系統(tǒng)的陣列天線為共形類型。


通過參照附圖來理解本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將會顯 現(xiàn)出來，其中圖1以圖示的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的星載天線系統(tǒng)；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的使用極化控制的波束瞄準方法。
具體實施例方式本發(fā)明的基本構(gòu)思是使用由飛行器的慣性單元或者導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置和姿態(tài) 信息，并且根據(jù)這些信息和目標(biāo)衛(wèi)星的坐標(biāo)來計算施加于要根據(jù)兩個正交極化發(fā)射或接收 的信號上的相位偏移，從而獲得在衛(wèi)星上的波束初始瞄準階段的波束的期望極化。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的星載天線系統(tǒng)。這一系統(tǒng)100包括相控陣 天線110。有利的是，這一天線可以是共形的，即具有平坦外形、較小高度并適應(yīng)于飛行器 的機身形狀。陣列天線110由基元天線120的排列構(gòu)成，每個基元天線的極化是可控制的。例如，將以由本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方式，使用具有兩個正交饋源探頭121、122的貼片天 線來制造基元天線120。每個基元天線120具有其自身的極化控制130，在需要時，作用于 相位偏移以及信道H和V中的每一個的振幅。例如，如果天線是上述的貼片類型，則對于每 個正交探頭(即信道H和V中的每一個)，極化控制模塊將包括移相器131、132以及振幅 控制器133、134 (例如，衰減器)。徹和外分別表示施加到信道H和V的相位偏移。同樣， α H和α v分別表示這兩個信道的加權(quán)系數(shù)。來自信道H和V的信號在發(fā)射到RF級140之 前組合為接收信號。相反地，來自于RF級140的天線激發(fā)信號被劃分為信道V和H的兩個 信號，以饋給該天線。組合/劃分操作由功率劃分器/組合器135完成。對于每個基元天線，RF發(fā)射/接收級包括收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)(未示出)以及基帶解 調(diào)模塊(未示出)，或者，如果情況需要，用于轉(zhuǎn)換成中頻的模塊?；鶐Щ蛘咧蓄l帶解調(diào)信號 由數(shù)控VCO提供。調(diào)制/解調(diào)頻率fm由計算器給出。在發(fā)射期間，基帶信號通過將來自發(fā)射波束形成器151的信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換得 到。相反地，在接收期間，去往不同基元天線的基帶信號在傳輸?shù)浇邮詹ㄊ纬善?52之前 受到數(shù)模轉(zhuǎn)換。波束形成器151和152對來自或去往不同天線的基帶信號施加相位偏移。有利的是，這些信號的幅度會受到加權(quán)，以便消減發(fā)射或接收波束的副波瓣。不同 信號的相應(yīng)相位偏移可通過將它們以已知的方式乘以復(fù)旋轉(zhuǎn)系數(shù)來獲得。復(fù)數(shù)字抽樣的幅 度加權(quán)和相位旋轉(zhuǎn)方便地利用與復(fù)系數(shù)的單次相乘操作來完成。更確切地說，如果S1,...，
Sn分別是來自N個天線的基帶數(shù)字信號抽樣，則接收波束形成器執(zhí)行操作r = Σβ〖·ν其中，
k=\
r是陣列天線信號，是所述復(fù)接收系數(shù)。雙向地，對于發(fā)射天線s，發(fā)射波束形成器生成 多個(N個)相位偏移和加權(quán)的信號a^s，a2es,... , a/s，其中，ak% k = 1，. .，N是復(fù)發(fā)射系
數(shù)。當(dāng)然，如果發(fā)射波束與接收波束瞄準相同的方向，則<，其中，*表示復(fù)共軛。計算器160 —方面為極化控制125提供相位偏移《^和外以及系數(shù)α α v，另一 方面提供相位偏移和Ψ/，或者更一般化的復(fù)系數(shù)ak%a/，以便在151和152中進行波 束形成。一方面，計算器確定用于根據(jù)與存儲在數(shù)據(jù)庫180中與衛(wèi)星有關(guān)的信息來瞄準波 束的極化相位偏移和復(fù)相位偏移/系數(shù)，包括-搜索到的衛(wèi)星的坐標(biāo)，S卩，其在地球同步軌道上的位置，-由轉(zhuǎn)發(fā)器使用的極化特征，例如，垂直、水平、右圓或左圓，并且，另一方面，計算器確定飛行器的位置和姿態(tài)信息，例如，由飛行器的慣性單 元或者導(dǎo)航系統(tǒng)通過Arinc 429或者AFDX (航空電子全雙工)型傳統(tǒng)航空總線170提供的 其空間坐標(biāo)以及其航向角、橫搖角以及傾斜角。通過實時獲知飛行器的位置和姿態(tài)信息，計算器能夠在任意時刻確定用于將發(fā)射 /接收波束瞄準目標(biāo)衛(wèi)星的相位偏移Ψ^/Ψ/。根據(jù)這些信息以及轉(zhuǎn)發(fā)器的極化特征，計算 器能夠確定加權(quán)系數(shù)α Η和α ν以及極化控制器的信道H和V上的相位偏移徹和外。因此， 波束的極化向量能夠恒定地指向期望的方向。數(shù)據(jù)庫180包括多個可用的地球同步衛(wèi)星的坐標(biāo)。根據(jù)一個特定的實施例，數(shù)據(jù) 庫與位于地面的中央數(shù)據(jù)庫同步實時更新。有利的是，中央數(shù)據(jù)庫包括對給定飛行器的不同天線的轉(zhuǎn)發(fā)器分配。這一分配可以動態(tài)地并且具體根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的占用率變化。此外，該 分配可取決于與客戶以合約方式訂立的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，也就是存儲在數(shù)據(jù)庫中的客戶配 置。因此，數(shù)據(jù)庫180包括要用于發(fā)射和/或接收的轉(zhuǎn)發(fā)器的實時分配，并且，因此，包括目 標(biāo)衛(wèi)星。為了能夠在不中斷服務(wù)的情況下進行切換，可提供兩個不同的波束形成器，第一 波束形成器在正在使用的轉(zhuǎn)發(fā)器的方向上執(zhí)行瞄準，第二波束形成器在將要使用的轉(zhuǎn)發(fā)器 的方向上準備瞄準。兩個波束形成同時完成，從而，一次切換等于波束形成器的各個輸入 (在發(fā)射期間)或輸出(在接收期間)的單次轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)庫180最后包括不同可用衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器的特征，尤其是與每個轉(zhuǎn)發(fā)器有關(guān)的 頻率、飽和功率和極化的特征。因此，計算器160從數(shù)據(jù)庫中提取或者從其中存儲的信息中確定當(dāng)前時刻分配的 轉(zhuǎn)發(fā)器/衛(wèi)星的身份。與分配的轉(zhuǎn)發(fā)器有關(guān)的特征，具體能夠確定用于控制RF級的VCO的 調(diào)制/解調(diào)頻率fm、能夠避免轉(zhuǎn)發(fā)器飽和的最大發(fā)射功率Pmax以及極化向量的定向。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用極化控制的波束瞄準方法的一個實施 例。如極化控制一樣，波束瞄準包括兩個階段第一階段，即衛(wèi)星/轉(zhuǎn)發(fā)器的初始瞄準 階段；以及第二追蹤階段。在搜索階段(I)，在210中，計算器確定用于保證波束指向衛(wèi)星方向的相位偏移， 在220中，計算器確定能夠根據(jù)飛行器的位置和姿態(tài)信息來調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)器上的極化方向的相 位偏移和加權(quán)系數(shù)。在230中，使用這些值來初始化波束形成器151、152以及極化控制電 路130。初始瞄準的良好精度與波束極化的良好初始定向相結(jié)合，能夠極大地降低本領(lǐng)域現(xiàn) 階段面臨的串?dāng)_現(xiàn)象。在衛(wèi)星的追蹤階段(II)，當(dāng)天線系統(tǒng)在接收模式下運行時，對瞄準的控制和對波 束的極化既可以如上文所述以開環(huán)的方式完成，也可以以閉環(huán)的方式完成。例如，使用本領(lǐng) 域已知的“單脈沖”型技術(shù)或者圓錐掃描，系統(tǒng)可自適應(yīng)地確定相位偏移ψΛ以及更一般化 的系數(shù)a/。實現(xiàn)系數(shù)a/或者相位偏移的實時自適應(yīng)，以便最大化接收的信號。或者， 以傳統(tǒng)的方式根據(jù)導(dǎo)頻序列實現(xiàn)參數(shù)的自適應(yīng)。特別地，可以使用梯度算法實現(xiàn)系數(shù)的自 適應(yīng)，從而使得接收序列和導(dǎo)頻序列之間的誤差最小化。
權(quán)利要求
一種用于安裝在飛行器中的天線系統(tǒng)(100)，包括由多個極化控制基元天線(120)構(gòu)成的相控陣天線(110)，所述相控陣天線(110)連接到至少一個波束形成器(151，152)，所述天線系統(tǒng)(100)的特征在于其包括計算器(160)，其用于根據(jù)所述飛行器的位置和姿態(tài)信息、通信衛(wèi)星的坐標(biāo)以及所述衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器的極化特性來計算相位偏移值( ，)和衰減系數(shù)(αV，αH)；極化控制模塊(130)，其使用所述相位偏移值和所述衰減系數(shù)來控制所述基元天線的極化。FPA00001126146500011.tif,FPA00001126146500012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于其包括RF調(diào)制/解調(diào)級(140)，用于對基帶或者中頻天線信號進行調(diào)制或解調(diào)，解調(diào)信號由所 述計算器控制的VCO提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線系統(tǒng)，其特征在于，所述波束形成器(151，152)用于 使用由所述計算器提供的多個相位偏移(Vk7a/，￥ke/ake)形成發(fā)射或接收波束，所述相位偏移由計算器根據(jù)所述飛行器的位置和姿態(tài)信息以及目標(biāo)衛(wèi)星的坐標(biāo)來獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線系統(tǒng)，其特征在于發(fā)射或接收波束形成器對要在基帶中發(fā)射的信號或者在基帶中接收的信號進行操作，以及所述相位偏移是利用復(fù)數(shù)乘法獲得的。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的天線系統(tǒng)，其特征在于其包括數(shù)據(jù)庫(180)，所述數(shù)據(jù)庫(180)包括可用的地球同步衛(wèi)星及其相應(yīng)的坐標(biāo)、所述衛(wèi) 星的不同轉(zhuǎn)發(fā)器的極化特征和發(fā)射/接收頻率的列表。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的天線系統(tǒng)，其特征在于 所述數(shù)據(jù)庫(180)根據(jù)地面上的中央數(shù)據(jù)庫動態(tài)地更新，以及 所述數(shù)據(jù)庫包括對要用于發(fā)射和/或接收的轉(zhuǎn)發(fā)器的實時分配。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的天線系統(tǒng)，其特征在于其包括第一波束形成器，其用于在與其建立通信的轉(zhuǎn)發(fā)器的方向上形成波束，以及 第二波束形成器，其用于在隨后要與其建立通信的轉(zhuǎn)發(fā)器的方向上形成波束。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的天線系統(tǒng)，其特征在于 所述陣列天線(110)是共形類型的。
全文摘要
本發(fā)明涉及設(shè)計安裝在飛行器中的天線系統(tǒng)(100)，包括由多個極化控制基元天線(120)構(gòu)成的相控陣天線(110)，相控陣天線(110)連接到至少一個波束形成器(151，152)，相控陣天線(110)包括計算器(160)，其用于從飛行器的位置和姿態(tài)信息、通信衛(wèi)星的坐標(biāo)以及所述衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)器的極化特性中計算相位偏移值和衰減系數(shù)(αV，αH)；極化控制模塊(130)，其使用所述相位偏移值和衰減系數(shù)來控制所述基元天線的極化。
文檔編號H01Q21/24GK101884138SQ200880114134
公開日2010年11月10日 申請日期2008年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月4日
發(fā)明者P·拉里格萊, T·帕約 申請人:阿克塞斯歐洲股份公司