ES2350328T3 - CORRECTION OF THE SATELLITE BEAMING ERROR IN A DIGITAL BEAM FORMATION ARCHITECTURE. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de formación de haz para una antena de una nave espacial, formando parte la nave espacial de un sistema que incluye estaciones terrestres que se comunican con un sistema de antena de la nave espacial por medio de señales de enlace ascendente y señales de enlace descendente, cada una en un canal de frecuencia respectivo, incluyendo el sistema de antena una antena de recepción que tiene una pluralidad de elementos de antena (24) dispuestos en un array, proporcionando cada elemento una señal de elemento de antena (26) respectiva, e incluyendo al menos una de dichas señales de enlace ascendente una señal de baliza, comprendiendo el procedimiento: la digitalización de cada dicha señal de elemento de antena (26) de dicha antena de recepción, y el procesamiento de cada señal de elemento de antena digitalizada para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia (34) respectivos presentes en la señal del elemento, la ponderación digital, con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, de los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena de recepción, y la evaluación de tales componentes ponderados de la señal de baliza de tal manera que se derive una señal de error de apuntamiento de haz (52); y el empleo de dicha señal de error (52) para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicho sistema de antena.A beam forming procedure for an antenna of a spaceship, the spacecraft being part of a system that includes ground stations that communicate with a spacecraft antenna system by means of uplink signals and downlink signals , each in a respective frequency channel, the antenna system including a receiving antenna having a plurality of antenna elements (24) arranged in an array, each element providing a respective antenna element signal (26), and including at least one of said uplink signals a beacon signal, the method comprising: the digitization of each said antenna element signal (26) of said receiving antenna, and the processing of each digitized antenna element signal for separate the components of the uplink signals into respective frequency channels (34) present in the element signal, the weighting n digital, with respective beam aiming error weighting values, of the components of said beacon signal present in at least some of the signals of the receiving antenna elements, and the evaluation of such weighted components of the signal beacon such that a beam pointing error signal (52) is derived; and using said error signal (52) to adjust the pointing direction of at least one communications signal beam provided by said antenna system.
Description
Corrección del error de apuntamiento de haz de satélite en una arquitectura de formación de haz digital.Correction of beam pointing error satellite in a digital beam formation architecture.
La presente invención se refiere a un procedimiento y aparato para el apuntamiento de haz exacto para satélites espaciales, en el contexto de la formación de haz digital de carga útil.The present invention relates to a procedure and apparatus for accurate beam aiming for space satellites, in the context of digital beam formation Payload
Las tendencias clave en las comunicaciones por satélite incluyen el uso de una arquitectura de formación de haz digital dentro del diseño de carga útil y la provisión de cobertura por regiones globales en la forma de haces puntuales estrechos. La cobertura de haces puntuales múltiples proporciona ventajas de ganancia y reutilización de frecuencia. Se conoce con exactitud la definición de tales haces puntuales estrechos, con un sistema de antena de elementos múltiples, mediante técnicas de formación de haz digital que suponen la asignación de ponderaciones digitales complejas a cada canal de frecuencia de comunicación para controlar los parámetros de los haces puntuales: véase A. M. Bishop y col. "The INMARSAT 4 Digital Processor and Next Generation Developments", 23rd AIAA ICSSC, Roma, Italia, septiembre de 2005. Mejoras adicionales son no obstante deseadas, particularmente en la exactitud del apuntamiento de haz, el cual es en la actualidad exacto sólo en teoría, ya que los errores de apuntamiento de haz pueden afectar significativamente a la ganancia.The key trends in communications by satellite include the use of a beam formation architecture digital within the payload design and coverage provision by global regions in the form of narrow point beams. The Multiple spot beam coverage provides advantages of gain and frequency reuse. It is known exactly the definition of such narrow point beams, with a system of multi-element antenna, using beam formation techniques digital assuming the assignment of digital weights complex to each communication frequency channel to control the parameters of the specific beams: see A. M. Bishop et al. "The INMARSAT 4 Digital Processor and Next Generation Developments ", 23rd AIAA ICSSC, Rome, Italy, September 2005. Additional improvements are nonetheless desired, particularly in the accuracy of beam aiming, which is currently accurate only in theory, since beam pointing errors They can significantly affect the gain.
Como técnica, es bien conocida la provisión de balizas terrestres para proveer a un satélite de señales de referencia de posiciones conocidas con exactitud, que permite al satélite medir el error de apuntamiento con relación a las balizas por medio de un sistema de detección de RF y corregir el error de apuntamiento mediante el ajuste de su posición y/u orientación de la antena.As a technique, the provision of land beacons to provide a satellite with signals from reference of known positions with accuracy, which allows the satellite measure the pointing error in relation to the beacons by means of an RF detection system and correct the error of pointing by adjusting its position and / or orientation of the antenna.
Véase el documento WO-A-01/24409 (Lockheed Martin Corporation).See the document WO-A-01/24409 (Lockheed Martin Corporation).
La presente invención proporciona, en un primer aspecto, un procedimiento de formación de haz para una antena de una nave espacial, formando parte la nave espacial de un sistema que incluye estaciones terrestres que se comunican con un sistema de antena de la nave espacial por medio de señales de enlace ascendente y señales de enlace descendente, cada una en un canal de frecuencia respectivo, cuyo sistema de antena incluye una antena de recepción que tiene una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, proporcionando cada elemento una señal de elemento de antena respectiva, comprendiendo el procedimiento:The present invention provides, in a first aspect, a beam formation procedure for an antenna of a spacecraft, the spacecraft being part of a system that includes ground stations that communicate with a system of Spaceship antenna by means of uplink signals and downlink signals, each on a frequency channel respective, whose antenna system includes a receiving antenna which has a plurality of antenna elements arranged in a array, providing each element an antenna element signal respectively, comprising the procedure:
la digitalización de cada dicha señal de elemento de antena, y el procesamiento de cada señal de elemento de antena digitalizada para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia respectivos presentes en la señal del elemento;the digitization of each said signal of antenna element, and the processing of each element signal of digitized antenna to separate the components of the signals from uplink in respective frequency channels present in the signal of the element;
la ponderación digital, con valores de ponderación de formación de haz respectivos, de dichos componentes de las señales de enlace ascendente en al menos un canal de frecuencia, y la combinación de los componentes ponderados para sintetizar la señal de enlace ascendente en dicho un canal de frecuencia;digital weighting, with values of respective beam formation weighting of said components of the uplink signals on at least one channel of frequency, and the combination of weighted components for synthesize the uplink signal in said a channel of frequency;
en el que al menos una de dichas señales de enlace ascendente incluye una señal de baliza, y en el que el procedimiento comprende además:wherein at least one of said signals of uplink includes a beacon signal, and in which the procedure further comprises:
la ponderación digital, con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, de los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena, y la evaluación de tales componentes ponderados de la señal de baliza de tal manera que se derive una señal de error de apuntamiento de haz; ydigital weighting, with values of weighting of respective beam aiming error, of the components of said beacon signal present in at least some of the signals of the antenna elements, and the evaluation of such weighted components of the beacon signal such that it derives a beam pointing error signal; Y
el empleo de dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicho sistema de antena.the use of said error signal to adjust the pointing direction of at least one signal beam of communications provided by said antenna system.
De acuerdo con la invención, los valores de ponderación de error de apuntamiento de haz son tales que los componentes de la señal de baliza, de algunas o todas las señales de los elementos de antena, cuando se ponderan con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, proporcionan un medio para evaluar o medir un error de apuntamiento de haz, como se explicará en más detalle más abajo. Se deriva una señal de error de apuntamiento de haz, que contiene información de la medición del error de apuntamiento de haz, y esto se emplea para ajustar la dirección del apuntamiento de uno o más haces de comunicaciones.According to the invention, the values of weighting of beam pointing error are such that components of the beacon signal, of some or all of the signals of the antenna elements, when weighted with values of respective beam aiming error weighting, provide a means to evaluate or measure a pointing error beam, as will be explained in more detail below. One is derived beam pointing error signal, which contains information on measurement of beam pointing error, and this is used to adjust the pointing direction of one or more beams of communications
En un segundo aspecto, la invención proporciona un aparato para formar un haz de una nave espacial para el uso en el procedimiento mencionado, que comprende:In a second aspect, the invention provides an apparatus for forming a beam of a spaceship for use in the mentioned procedure, comprising:
una antena de recepción que incluye una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, proporcionando cada elemento de antena una señal de elemento de antena respectiva en respuesta a señales de enlace ascendente recibidas en canales de frecuencia respectivos,a receiving antenna that includes a plurality of antenna elements arranged in an array, providing each antenna element an element signal of respective antenna in response to uplink signals received on respective frequency channels,
un medio de síntesis de las señales de enlace ascendente que incluye un medio de procesamiento digital para digitalizar cada dicha señal de elemento de antena, y para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en cada canal de frecuencia presente en cada dicha señal de elemento de antena, y un medio de ponderación de la formación de haz para ponderar digitalmente dichos componentes de las señales de enlace ascendente en al menos un canal de frecuencia con valores de ponderación de formación de haz respectivos, y un medio de combinación para combinar tales componentes seleccionados para sintetizar al menos una señal de enlace ascendente en un canal de frecuencia respectivo;a means of synthesis of link signals ascending that includes a digital processing medium for digitize each said antenna element signal, and to separate the components of the uplink signals in each channel of frequency present in each said antenna element signal, and a weighting medium of the beam formation to be weighted digitally said uplink signal components in at least one frequency channel with weighting values of respective beam formation, and a combination means for combine such selected components to synthesize at least an uplink signal on a frequency channel respective;
un medio de evaluación de la dirección de la baliza sensible a una señal de baliza que comprende una de dichas señales de enlace ascendente en un canal de frecuencia respectivo, y que incluye un medio de ponderación de errores de apuntamiento de haz para ponderar digitalmente los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, y un medio de evaluación para evaluar los componentes ponderados de la señal de baliza para derivar una señal de error de apuntamiento de haz; ya means of assessing the direction of the beacon sensitive to a beacon signal comprising one of said uplink signals on a respective frequency channel, and which includes a means of weighting pointing errors of beam to digitally weigh the components of said signal of beacon present in at least some of the elements signals antenna with beam weighting error weighting values respective, and a means of evaluation to evaluate the components weighted from the beacon signal to derive an error signal from beam aiming; Y
un medio de ajuste para emplear dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por la nave espacial.an adjustment means for using said signal of error to adjust the aiming direction of at least one beam of communications signal provided by the spacecraft.
En un tercer aspecto, la invención proporciona un procedimiento de formación de haz para una antena de una nave espacial, formando parte la nave espacial de un sistema que incluye estaciones terrestres que se comunican con un sistema de antena de la nave espacial por medio de señales de enlace ascendente y señales de enlace descendente, cada una en un canal de frecuencia respectivo, cuyo sistema de antena incluye una antena de recepción y una antena de transmisión, incluyendo cada dicha antena una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, teniendo cada elemento una señal de elemento de antena respectiva asociada, comprendiendo el procedimiento:In a third aspect, the invention provides a beam formation procedure for a ship's antenna space, being part of the spacecraft of a system that includes ground stations that communicate with an antenna system the spacecraft by means of uplink signals and signals downlink, each in a frequency channel respective, whose antenna system includes a receiving antenna and a transmitting antenna, each said antenna including a plurality of antenna elements arranged in an array, having each element an associated respective antenna element signal, Understanding the procedure:
la digitalización de cada dicha señal de elemento de dicha antena de recepción, y el procesamiento de cada señal de elemento de antena digitalizada para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia respectivos presentes en la señal del elemento,the digitization of each said signal of element of said receiving antenna, and the processing of each digitized antenna element signal to separate the components of uplink signals in channels respective frequencies present in the element signal,
la provisión de señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos y de forma digital, las cuales son ponderadas digitalmente de forma selectiva, con valores de ponderación de formación de haz respectivos, para sintetizar señales de elementos de antena de enlace descendente para los elementos de antena de dicha antena de transmisión;the provision of downlink signals in respective frequency channels and digitally, which are digitally weighted selectively, with values of respective beam formation weighting, to synthesize signals of downlink antenna elements for the elements of antenna of said transmission antenna;
en el que al menos una de dichas señales de enlace ascendente incluye una señal de baliza, y en el que el procedimiento comprende además:wherein at least one of said signals of uplink includes a beacon signal, and in which the procedure further comprises:
la ponderación digital, con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, de los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena de dicha antena de recepción, y la evaluación de tales componentes ponderados de la señal de baliza de tal manera que se derive una señal de error de apuntamiento de haz; ydigital weighting, with values of weighting of respective beam aiming error, of the components of said beacon signal present in at least some of the signals of the antenna elements of said receiving antenna, and the evaluation of such weighted components of the signal of beacon such that an error signal is derived from beam aiming; Y
el empleo de dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicha antena de transmisión.the use of said error signal to adjust the pointing direction of at least one signal beam of communications provided by said transmission antenna.
En un cuarto aspecto, la invención proporciona un aparato para la formación de un haz de una nave espacial para el uso en el procedimiento mencionado, que comprende:In a fourth aspect, the invention provides an apparatus for forming a beam of a spaceship for the use in the aforementioned procedure, which comprises:
una antena de recepción y una antena de transmisión, incluyendo cada antena una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, y proporcionando cada elemento de antena una señal de elemento de antena respectiva en respuesta a las señales de enlace ascendente/enlace descendente en canales de frecuencia respectivos,a receiving antenna and an antenna transmission, each antenna including a plurality of elements of antenna arranged in an array, and providing each element of antenna a respective antenna element signal in response to uplink / downlink signals on channels respective frequency,
un medio de síntesis de las señales de enlace ascendente que incluye un medio de procesamiento digital para digitalizar cada señal de elemento de la antena de recepción, y para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en cada canal de frecuencia presente en cada dicha señal de elemento de antena,a means of synthesis of link signals ascending that includes a digital processing medium for digitize each element signal of the receiving antenna, and to separate the uplink signal components in each frequency channel present in each said element signal of antenna,
un medio de síntesis de las señales de enlace descendente que incluye un medio digital para formar selectivamente señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos, y un medio de ponderación de la formación de haz para ponderar digitalmente de forma selectiva señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos con valores de ponderación de formación de haz respectivos, para proporcionar señales de los elementos de antena a dicha antena de transmisión;a means of synthesis of link signals descending that includes a digital medium to selectively form downlink signals on respective frequency channels, and a weighting means of the beam formation to be weighted digitally selectively downlink signals in respective frequency channels with weighting values of respective beam formation, to provide signals from the antenna elements to said transmission antenna;
un medio de evaluación de la dirección de la baliza sensible a una señal de baliza que comprende una de dichas señales de enlace ascendente en un canal de frecuencia respectivo, y que incluye un medio de ponderación de errores de apuntamiento de haz para ponderar digitalmente los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena de la antena de recepción con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, y un medio de evaluación para evaluar los componentes ponderados de la señal de baliza para derivar una señal de error de apuntamiento de haz; ya means of assessing the direction of the beacon sensitive to a beacon signal comprising one of said uplink signals on a respective frequency channel, and which includes a means of weighting pointing errors of beam to digitally weigh the components of said signal of beacon present in at least some of the elements signals antenna of the receiving antenna with weighting values of respective beam pointing error, and a means of evaluation to evaluate the weighted components of the beacon signal for derive a beam pointing error signal; Y
un medio de ajuste para emplear dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por la nave espacial.an adjustment means for using said signal of error to adjust the aiming direction of at least one beam of communications signal provided by the spacecraft.
La presente invención como se expone anteriormente es aplicable a una nave espacial que tiene antenas de transmisión y de recepción separadas, o alternativamente que tiene una antena que combina ambas funciones de recepción y de transmisión.The present invention as set forth It is previously applicable to a spaceship that has antennas separate transmission and reception, or alternatively that has an antenna that combines both reception and reception functions transmission.
La presente invención proporciona un medio de corrección de la dirección de un haz de un modo muy exacto, y esto puede hacer posible que la ganancia de señal sea maximizada para las señales de enlace ascendente como de enlace descendente.The present invention provides a means of correction of the direction of a beam in a very exact way, and this can make it possible for signal gain to be maximized for uplink signals as downlink.
La presente invención está comprendida en un mecanismo de formación de haz digital que puede ser del tipo mencionado en la referencia citada anteriormente. Ya que la presente invención incluye un medio de formación de haz digital que asigna valores de ponderación a los componentes de las señales en canales de frecuencia respectivos, la asignación de valores de ponderación adicionales a los componentes de la señal de baliza en un mecanismo de medición del error de apuntamiento de haz representa sólo una pequeña sobrecarga de procesamiento adicional. Como se prefiere para mayor comodidad, el mecanismo de medición del error de apuntamiento de haz está integrado físicamente con el mecanismo de formación de haz digital de enlace ascendente.The present invention is comprised in a digital beam formation mechanism that can be of the type mentioned in the reference cited above. Since I present it invention includes a digital beam forming means that allocates weighting values to the components of the signals in channels respective frequency, the assignment of weighting values additional to the beacon signal components in a mechanism Beam pointing error measurement represents only one Small additional processing overhead. As preferred for greater comfort, the mechanism of measurement of pointing error beam is physically integrated with the formation mechanism of uplink digital beam.
La presente invención es aplicable a cualquier tipo de antena de recepción de elementos múltiples que se pueda usar en la tecnología de comunicaciones por satélite, en particular los Arrays de radiación directa (DRA), el Reflector alimentado por arrays (AFR), los Arrays controlados por fase de imágenes (IPA).The present invention is applicable to any type of multi-element receiving antenna that can be used in satellite communications technology, in particular the Direct Radiation Arrays (DRA), the Reflector powered by arrays (AFR), the Array controlled by phase of images (IPA).
En el caso de un DRA, la antena puede estar compuesta por una matriz bidimensional de elementos de antena, habitualmente pero no necesariamente idénticos, y cada elemento de antena proporciona una señal de elemento respectiva.In the case of a DRA, the antenna can be composed of a two-dimensional array of antenna elements, usually but not necessarily identical, and each element of antenna provides a respective element signal.
En el caso de un AFR, un array bidimensional de bocinas de alimentación, que comprende dichos elementos de antena, está dirigido a un gran reflector, proporcionando cada elemento o bocina de alimentación una señal de elemento de antena respectiva. El array de elementos de alimentación está descentrado del plano focal del reflector de tal manera que el patrón de haz de campo lejano asociado con una alimentación dada es direccional. El array puede comprender habitualmente 100 o más bocinas de alimentación, pero con el fin de formar un haz puntual, se puede usar sólo un subconjunto de bocinas de alimentación, por ejemplo 20.In the case of an AFR, a two-dimensional array of feeding horns, comprising said antenna elements, It is aimed at a large reflector, providing each element or power horn a respective antenna element signal. The array of power elements is off center focal length of the reflector such that the field beam pattern Far associated with a given feed is directional. Array can usually comprise 100 or more feeding horns, but in order to form a point beam, only one can be used subset of feeding horns, for example 20.
En un IPA, el diámetro de apertura de un DRA primario es magnificado por medio de "ópticas" de antena. A efectos de la presente invención, un IPA opera de una manera similar a un DRA, teniendo elementos de antena que proporcionan cada uno una señal de elemento.In an IPA, the opening diameter of a DRA Primary is magnified by means of "optical" antenna. TO effects of the present invention, an IPA operates in a similar manner to a DRA, having antenna elements that each provide a element signal.
Los valores de ponderación proporcionados de acuerdo con la invención serán valores complejos, que tengan componentes reales e imaginarios, equivalentes a tener información de amplitud y fase (A, \varphi).The weighted values provided from according to the invention will be complex values, which have real and imaginary components, equivalent to having information of amplitude and phase (A, var).
Dichos valores de ponderación de error de apuntamiento de haz se eligen preferentemente para sintetizar un patrón de radiación para la antena de recepción (por el cual se entiende el lugar de la ganancia y la fase de la antena para todas las posibles direcciones de una señal recibida) que varia rápidamente al menos por una cierta propagación de ángulos de dirección, correspondiente a los errores de apuntamiento de haz que se producen comúnmente. Esta variación es lo suficientemente significativa como para proporcionar una resolución aumentada de los errores de apuntamiento de haz en comparación a las técnicas conocidas de formación de haz descritas anteriormente.These error weighting values of beam aiming are preferably chosen to synthesize a radiation pattern for the receiving antenna (by which understand the place of gain and the antenna phase for all the possible addresses of a received signal) that varies quickly at least by a certain spread of angles of address, corresponding to the beam pointing errors that They occur commonly. This variation is enough significant to provide an increased resolution of beam aiming errors compared to techniques known beam formation described above.
Mientras que tales patrones de radiación sintetizados para el error de apuntamiento de haz pueden tomar una amplia variedad de formas, se ha comprobado, especialmente para las Antenas de radiación directa (DRA) y los Reflectores alimentados por arrays (AFR) que una función adecuada sintetiza un patrón de radiación de diferencia a lo largo de un eje del array de antenas con un nulo de amplitud, con un rápido ascenso de amplitud en cada lado del nulo, habitualmente con una diferencia de fase de 180º. Un patrón de diferencia similar se puede sintetizar para un eje perpendicular. Un patrón de radiación de suma se puede emplear para normalizar los patrones de radiación de diferencia. Los términos "patrón de radiación de diferencia" y "patrón de radiación de suma" serán reconocidos como términos de la técnica por los expertos en la materia, y se explican a continuación.While such radiation patterns synthesized for the beam pointing error can take a wide variety of forms, it has been proven, especially for Direct radiation antennas (DRA) and Reflectors powered by arrays (AFR) that a proper function synthesizes a pattern of difference radiation along an axis of the antenna array with a null amplitude, with a rapid rise in amplitude in each side of the null, usually with a phase difference of 180º. A similar difference pattern can be synthesized for an axis perpendicular. A sum radiation pattern can be used to normalize the difference radiation patterns. The terms "difference radiation pattern" and "radiation pattern of sum "shall be recognized as terms of the technique by the subject matter experts, and are explained below.
Alternativamente, un único punto nulo puede estar provisto de un aumento de ganancia en dirección radial hacia fuera del mismo por igual para todas las direcciones de acimut pero con una variación de fase por un intervalo de 360º según el ángulo acimut.Alternatively, a single null point can be provided with a gain in radial direction towards out of it equally for all azimuth addresses but with a phase variation by an interval of 360º according to the angle azimuth
Una vez que se ha determinado la señal de error de apuntamiento resultante, una dirección de haz se puede corregir de varios modos. Por ejemplo, la posición del satélite se puede ajustar en el cabeceo y balanceo. Alternativamente el error de apuntamiento se puede ajustar mediante un mecanismo de apuntamiento de antena mecánico.Once the error signal has been determined of resulting pointing, a beam direction can be corrected in several ways. For example, the position of the satellite can be adjust in pitch and roll. Alternatively the error of pointing can be adjusted using a pointing mechanism Mechanical antenna
Sin embargo como se prefiere ya que la invención se incorpora en un mecanismo de formación de haz digital, donde la señal de error toma la forma de señales de error de apuntamiento, para ambos ejes (x, y) de la antena de recepción, las señales de error se aplican a un dispositivo de control de ponderaciones de la DBFN, con el fin de ajustar dichos valores de ponderación de formación de haz, con el fin de cambiar la dirección del haz, como se describirá en más detalle más abajo.However as preferred since the invention it is incorporated into a digital beam formation mechanism, where the error signal takes the form of pointing error signals, for both axes (x, y) of the receiving antenna, the signals of error apply to a weighting control device of the DBFN, in order to adjust these weighting values of beam formation, in order to change the direction of the beam, such as It will be described in more detail below.
El haz de satélite que se corrige puede ser un haz de la antena de recepción; alternativamente puede ser un haz de transmisión de una antena de recepción/transmisión común, o de una antena de transmisión separada. Cualquier número de haces se puede corregir de este modo.The corrected satellite beam can be a receiving antenna beam; alternatively it can be a beam of transmission of a common reception / transmission antenna, or of a separate transmission antenna. Any number of beams can be correct in this way.
Más de una estación terrestre puede proporcionar una señal de baliza; dos señales de baliza separadas pueden ser necesarias donde se debe ajustar el ángulo de guiñada de la nave espacial además del cabeceo y balanceo. Alternativamente, las dos señales de baliza separadas pueden proporcionar una corrección electrónica del error de apuntamiento de haz en base a un haz individual usando valores del error de apuntamiento de haz calculados a partir de las dos mediciones del error de apuntamiento de baliza según cálculos trigonométricos simples.More than one ground station can provide a beacon signal; two separate beacon signals can be necessary where the yaw angle of the ship must be adjusted space in addition to pitching and balancing. Alternatively, both separate beacon signals can provide correction Beam pointing error electronics based on a beam individual using beam pointing error values calculated from the two measurements of the pointing error of beacon according to simple trigonometric calculations.
La señal de baliza se puede proporcionar por una estación terrestre dedicada, con una señal de baliza codificada. Alternativamente la señal de baliza puede comprender un haz de comunicación de enlace ascendente de una estación terrestre con una posición conocida con exactitud.The beacon signal can be provided by a dedicated ground station, with a coded beacon signal. Alternatively the beacon signal may comprise a beam of uplink communication of a ground station with a position known exactly.
Donde se proporciona un gran número de haces puntuales, el error de apuntamiento de cada haz puede no estar correlacionado con los otros. En este caso, cada señal de comunicación de enlace ascendente puede servir como baliza para corregir el apuntamiento de haz para esa señal de enlace ascendente.Where a large number of beams is provided point, the aiming error of each beam may not be correlated with the others. In this case, each signal of uplink communication can serve as a beacon for correct the beam aiming for that link signal upward.
Las formas de realización preferidas de la invención se describirán ahora con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:Preferred embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings Attachments, in which:
la fig. 1 es un diagrama de bloques esquemático de una forma conocida del procesamiento de señales de enlace ascendente y de enlace descendente en un satélite de comunicaciones, que incorpora un mecanismo de formación de haz;fig. 1 is a schematic block diagram in a known way of link signal processing uplink and downlink on a communications satellite, which incorporates a beam formation mechanism;
la fig. 2 es un diagrama de bloques esquemático de un mecanismo de formación de haz, que incorpora un mecanismo de detección y corrección de errores de apuntamiento de haz, según una forma de realización preferida de la invención;fig. 2 is a schematic block diagram of a beam-forming mechanism, which incorporates a mechanism of detection and correction of beam pointing errors, according to a preferred embodiment of the invention;
la fig. 3 es un diagrama de bloques más detallado del mecanismo de error de la figura 2;fig. 3 is a block diagram detailed of the error mechanism of figure 2;
la fig. 4 es un patrón de radiación de diferencia para un DRA, como lo sintetizan ponderaciones digitales, mediante el mecanismo de la figura 3;fig. 4 is a radiation pattern of difference for a DRA, as synthesized by digital weights, by the mechanism of figure 3;
la fig. 5 es un corte por el patrón de radiación de diferencia de la figura 4 a lo largo de una dirección x, y con un patrón de suma correspondiente superpuesto;fig. 5 is a cut by the radiation pattern difference of figure 4 along an x direction, and with a corresponding sum pattern overlaid;
la fig. 6 muestra un patrón de error normalizado, que muestra lineas de contorno para valores del error en la dirección x, para variar las direcciones de haz x e y; yfig. 6 shows an error pattern normalized, which shows contour lines for error values in the x direction, to vary the x and y beam directions; Y
la fig. 7 muestra un corte por el patrón de error de la figura 6 para la posición de error nulo en el eje y; yfig. 7 shows a cut by the pattern of error of figure 6 for the position of null error on the y axis; Y
la fig. 8 es un patrón de radiación de diferencia para un AFR, como lo sintetizan ponderaciones digitales.fig. 8 is a radiation pattern of difference for an AFR, as weights synthesize digital
Una arquitectura de formación de haz digital, junto con un sistema de antena de elementos múltiples, proporciona una reconfiguración flexible e independiente de haces asociados con diferentes canales de frecuencia. Esto se puede usar para proporcionar haces globales, en forma regional o puntual estrecha en base a un canal de frecuencia individual. La habilidad de cambiar la ubicación de los haces puntuales proporciona un medio de capacidad de enrutamiento entre diferentes ubicaciones terrestres.A digital beam formation architecture, Together with a multi-element antenna system, it provides a flexible and independent reconfiguration of beams associated with Different frequency channels. This can be used to provide global beams, in a narrow regional or timely manner in based on an individual frequency channel. The ability to change the spot beam location provides a means of capacity routing between different land locations.
Cuando los canales se usan dentro de haces puntuales estrechos la cuestión de pérdida de ganancia debido al error de apuntamiento se hace importante; esto es especialmente importante en el borde del haz donde la pendiente de ganancia es elevada.When channels are used within beams narrow point the question of loss of profit due to pointing error becomes important; this is especially important at the edge of the beam where the gain slope is high.
La invención se refiere a una mejora para la arquitectura de formación de haz digital, que hace posible que se mantenga una exactitud elevada del apuntamiento de haz. Las características clave de una forma de realización preferida de la invención son la inclusión de un sistema de detección de RF (que usa una o más balizas terrestres) dentro de tal arquitectura de formación de haz digital con el fin de medir el error de apuntamiento y la corrección del error de apuntamiento mediante la actualización de las ponderaciones complejas dentro de la formación de haz digital que se usa para definir propiedades de haz (o mediante otros medios como el control de posición de la nave espacial o un mecanismo de apuntamiento de antena mecánico). La corrección del apuntamiento de haz electrónica es instantánea de forma efectiva mientras que la corrección mecánica está sujeta a retardos de tiempo.The invention relates to an improvement for the digital beam formation architecture, which makes it possible to maintain high accuracy of beam aiming. The key features of a preferred embodiment of the invention are the inclusion of an RF detection system (which uses one or more land beacons) within such architecture of digital beam formation in order to measure the error of pointing and correcting the pointing error by update of complex weights within the training of digital beam that is used to define beam properties (or by other means such as ship position control space or a mechanical antenna pointing mechanism). The correction of the electronic beam pointing is instantaneous of effective way while mechanical correction is subject to time delays
La corrección del apuntamiento es aplicable a una antena de transmisión que comparte las mismas alimentaciones o plataforma (de tal manera que los errores de apuntamiento de recepción y de transmisión están correlacionados).Point correction is applicable to a transmitting antenna that shares the same feeds or platform (such that pointing errors of reception and transmission are correlated).
Una única baliza (ó 2 si se incluye el control de guiñada) es suficiente si los errores de apuntamiento de haz de comunicaciones están correlacionados con el error de apuntamiento de baliza. En una variación en la invención las señales de enlace ascendente de comunicaciones son usadas por el procesamiento de detección de RF de tal manera que múltiples haces puntuales pueden experimentar un control de haz independiente.A single beacon (or 2 if control is included yaw) is enough if the beam pointing errors of communications are correlated with the pointing error of beacon. In a variation on the invention the link signals Upstream communications are used by the processing of RF detection such that multiple point beams can Experience independent beam control.
Una clase importante de antena de recepción de satélite supone elementos múltiples donde el control independiente de la ponderación de amplitud y fase sirve para determinar las propiedades del haz. Específicamente dentro de esta clase se incluye el array de radiación directa (DRA) (donde la apertura está formada por un array bidimensional de elementos radiantes), un Array controlado por fase de imágenes (IPA) (donde el diámetro de apertura de un DRA primario es magnificado por medio de "ópticas" de antena), y el reflector alimentado por arrays (AFR), (donde un array de elementos de alimentación está descentrado del plano focal de un reflector de tal manera que el patrón de haz de campo lejano asociado con una alimentación dada es direccional).An important kind of receiving antenna of satellite involves multiple elements where independent control of the amplitude and phase weighting is used to determine the beam properties. Specifically within this class is included the direct radiation array (DRA) (where the opening is formed by a two-dimensional array of radiant elements), an Array Image phase controlled (IPA) (where the opening diameter of a primary DRA is magnified by means of "optics" of antenna), and the array-fed reflector (AFR), (where an array of power elements is offset from the focal plane of a reflector such that the far field beam pattern associated with a given feed is directional).
Una forma de realización preferida de la invención se puede incorporar en una arquitectura de formación de haz digital de banda estrecha, un ejemplo de la cual se muestra en la figura 1 donde la formación de haz se realiza de forma independiente para cada canal de frecuencia. Un procesador de enlace directo 2 soporta el enlace desde un enlace ascendente de banda C de estación terrena fija (4-8 GHz) hasta un enlace descendente de banda L de terminal móvil (1-2 GHz), y un procesador de enlace de retorno 3 soporta el enlace desde un enlace ascendente de banda L de terminal móvil hasta el enlace descendente de banda C de estación terrena fija. Las señales en el enlace directo 2 se entregan al procesador en un número de sub-bandas de 12,6 MHz 4 que corresponden a subdivisiones del espectro en cada una de las dos polarizaciones en el enlace ascendente. Cada sub-banda es muestreada por un convertidor A/D 6. Cada sub-banda es demultiplexada en 8 a canales de banda estrecha (100 kHz) usando un banco de filtros eficiente de la Transformada rápida de Fourier (FFT). Se requiere una función de conmutación 10 para permitir la selección de los canales requeridos del espectro de sub-bandas total y para proporcionar un mapeo de frecuencia flexible entre el enlace ascendente y el enlace descendente. También en este punto los canales individuales tienen una ganancia programable aplicada a los mismos.A preferred embodiment of the invention can be incorporated into a training architecture of narrowband digital beam, an example of which is shown in Figure 1 where the beam formation is performed independent for each frequency channel. A link processor Direct 2 supports the link from a C-band uplink of fixed earth station (4-8 GHz) up to one link L-band downlink of mobile terminal (1-2 GHz), and a return link processor 3 supports the link from a uplink L band from mobile terminal to link C-band downstream of fixed earth station. The signs in the direct link 2 are delivered to the processor in a number of 12.6 MHz subbands 4 corresponding to spectrum subdivisions in each of the two polarizations in the uplink Each sub-band is sampled by an A / D converter 6. Each sub-band is demultiplexed into 8 to narrowband channels (100 kHz) using a efficient filter bank of the Fast Fourier Transform (FFT) A switching function 10 is required to allow selection of the required channels of the spectrum of total subbands and to provide a mapping of flexible frequency between uplink and link falling. Also at this point the individual channels have a programmable gain applied to them.
Los canales son enrutados entonces a algunos o todos los elementos de alimentación de la antena de transmisión de enlace descendente donde las propiedades del haz se definen en 12 mediante el control flexible de las ponderaciones complejas de la formación de haz digital. Se incluye en el procesamiento de formación de haz la combinación de los canales que usan la misma frecuencia en el enlace descendente. A las señales de los elementos individuales se les multiplexa la frecuencia en 13 usando el mismo tipo de función de filtro de la FFT. Las señales de los elementos son convertidas en D/A en 14 e introducidas a cadenas de procesamiento posterior.The channels are then routed to some or all power elements of the transmitting antenna of downlink where beam properties are defined in 12 by flexible control of the complex weights of the digital beam formation. It is included in the processing of beam formation the combination of the channels that use it frequency in the downlink. At the signals of the elements individual multiplexes the frequency in 13 using the same FFT filter function type. The signs of the elements they are converted into D / A in 14 and introduced to chains of post processing
El procesador de enlace de retorno 3 soporta el enlace desde un enlace ascendente de banda L de terminal móvil hasta el enlace descendente de banda C de estación terrena fija. Se realizan el mismo tipo de funciones de procesamiento pero la dirección del flujo de datos es invertida. Las entradas del procesador son de los elementos de antena de recepción móvil 16 donde las señales analógicas son convertidas a muestras digitales, que son demultiplexadas a canales individuales (200 kHz) antes de la función formadora de haz. La función formadora de haz 18 aplica la ponderación compleja y después una suma a través de los elementos produce la señal de canal con haz formado final. Antes de multiplexar las señales en 20 para el enlace descendente alimentador, se puede aplicar un ajuste de ganancia programable en 10.The return link processor 3 supports the link from a mobile terminal L band uplink to the downlink C band of fixed earth station. Be perform the same type of processing functions but the Data flow direction is reversed. The entrances of processor are of the mobile reception antenna elements 16 where analog signals are converted to digital samples, which are demultiplexed to individual channels (200 kHz) before the beam forming function. The beam forming function 18 applies the complex weighting and then a sum across the elements Produces the channel signal with final formed beam. Prior to multiplex the signals by 20 for the downlink feeder, a programmable gain adjustment can be applied in 10.
Como se describirá, al mecanismo de medición y corrección del error de apuntamiento de haz de la invención se le puede incorporar la función formadora de haz 18, para ajustar la dirección del haz de la antena de recepción (móvil) para el enlace de retorno. Alternativamente o además, al mecanismo de corrección del apuntamiento de la invención se le puede incorporar la función formadora de haz 12, para ajustar la dirección del haz de la antena de transmisión (móvil) para el enlace directo.As will be described, to the measuring mechanism and correction of the beam aiming error of the invention will be You can incorporate the beam forming function 18, to adjust the beam direction of the receiving antenna (mobile) for the link return. Alternatively or in addition, to the correction mechanism the function of the invention can incorporate the function beam former 12, to adjust the direction of the antenna beam of transmission (mobile) for the direct link.
Con referencia a la figura 2, ésta muestra esquemáticamente una disposición de formación de haz para el enlace de retorno 3 de la figura 1, pero en una representación algo diferente, con más detalle de la función de formación de haz, y que muestra un mecanismo de corrección del error de apuntamiento de haz. En la figura 2, una antena del array de radiación directa (DRA) tiene un gran número de elementos de antena 24, proporcionando cada uno una de señal de elemento 26.With reference to figure 2, it shows schematically a beam forming arrangement for the link of return 3 of figure 1, but in a representation something different, in more detail of the beam formation function, and that shows a correction mechanism of the beam pointing error. In Figure 2, a direct radiation array (DRA) antenna It has a large number of antenna elements 24, providing each one one of element signal 26.
El DRA recibe múltiples portadoras en diferentes frecuencias de una serie de estaciones terrestres de transmisión en diferentes ubicaciones en la tierra. Cada elemento 24 del DRA (supongamos N elementos) recibe el espectro del sistema completo que comprende la suma de las portadoras individuales. Después de la amplificación de bajo ruido en 28, la conversión descendente y el filtrado para rechazar señales fuera de la banda, cada señal de elemento es muestreada en un convertidor de analógico a digital (ADC) 30 de tal manera que el espectro del sistema total se define en la forma de una secuencia de muestras digitales (a una tasa acorde con el ancho de banda del sistema). A la señal muestreada para cada elemento se le demultiplexa digitalmente la frecuencia en 32 para proporcionar representaciones independientes muestreadas digitalmente (muestras complejas) para cada uno de una serie de canales de frecuencia 34 individuales que constituyen el ancho de banda del sistema general (supongamos K canales). Un canal de frecuencia dado puede contener una única portadora o múltiples portadoras o una portadora de banda ancha dada se puede compartir por múltiples canales.The DRA receives multiple carriers in different frequencies of a series of transmitting ground stations in different locations on earth. Each item 24 of the DRA (suppose N elements) receives the full system spectrum that It comprises the sum of the individual carriers. After the Low noise amplification at 28, down conversion and the filtered to reject signals outside the band, each signal from element is sampled in an analog to digital converter (ADC) 30 such that the spectrum of the total system is defined in the form of a sequence of digital samples (at a rate according to the system bandwidth). To the sampled signal for each element the frequency is digitally demultiplexed in 32 to provide sampled independent representations digitally (complex samples) for each of a series of individual frequency channels 34 constituting the width of general system band (suppose K channels). A channel of given frequency can contain a single carrier or multiple carriers or a given broadband carrier can be shared through multiple channels
Una Red de formación de haz digital (DBFN) 36 respectiva se asocia con cada uno de los K canales. Una DBFN dada recibe las señales especificas del canal de cada uno de los N elementos, multiplica las muestras por una ponderación compleja que es especifica para un elemento dado y suma las contribuciones del elemento ponderado para formar la salida del canal final 38. Las propiedades del haz asociado con un canal de frecuencia dado son controladas por la elección de las ponderaciones complejas y pueden ser modificadas con el transcurso del tiempo modificando simplemente las ponderaciones. Por ejemplo, si se requiere formar un haz puntual de ganancia máxima en una dirección dada, las ponderaciones son elegidas de tal manera que se forme un gradiente de fase lineal a través de la apertura del array (que se asume que es plano) de tal manera que las contribuciones de todos los elementos se añaden de forma coherente con el fin de maximizar la ganancia en la dirección requerida (equivalente a la formación de un haz puntual de ancho de haz mínimo). Alternativamente las ponderaciones se pueden elegir para formar haces más anchos o conformados. Una salida de canal de frecuencia dada del demultiplexor de frecuencia 32 puede alimentar múltiples DBFNs correspondientes a haces en diferentes direcciones que comparten la misma banda de frecuencia (cuando el sistema incluye una reutilización de frecuencia espacial). Al conjunto general de canales formados de este modo se les multiplexa entonces, en esta forma de realización, la frecuencia en 40, convertida a la forma analógica en un DAC 42, para formar una señal de enlace descendente 44.A Digital Beam Training Network (DBFN) 36 respective is associated with each of the K channels. A given DBFN receives the specific channel signals of each of the N elements, multiply the samples by a complex weighting that It is specific to a given item and adds the contributions of the weighted element to form the output of the final channel 38. The beam properties associated with a given frequency channel are controlled by the choice of complex weights and can be modified over time by simply modifying the weights For example, if it is required to form a spot beam of maximum gain in a given direction, the weights are chosen in such a way that a linear phase gradient is formed to through the opening of the array (which is assumed to be flat) of such so that the contributions of all the elements are added from consistent way in order to maximize management gain required (equivalent to the formation of a specific beam with a width of minimum beam). Alternatively weights can be chosen to form wider or shaped beams. A channel output of given frequency of frequency demultiplexer 32 can feed multiple DBFNs corresponding to beams in different directions that share the same frequency band (when the system includes a spatial frequency reuse). To the whole In general, channels formed in this way are then multiplexed, in this embodiment, the frequency at 40, converted to the analog form on a DAC 42, to form a link signal descending 44.
La descripción anterior también es aplicable a un IPA. Para el caso del AFR la arquitectura es similar excepto en que el haz asociado con un canal de frecuencia dado está formado habitualmente por la combinación ponderada de un subconjunto de las señales de las alimentaciones (habitualmente con un conjunto limitado de alimentaciones que tienen una ponderación de amplitud elevada para formar el lóbulo principal y otras alimentaciones ponderadas para limitar los niveles de lóbulo lateral).The above description also applies to an IPA. In the case of the AFR the architecture is similar except in that the beam associated with a given frequency channel is formed usually by the weighted combination of a subset of the feed signals (usually with a set limited of feeds that have an amplitude weighting elevated to form the main lobe and other feeds weighted to limit lateral lobe levels).
La misma arquitectura también es aplicable a un sistema de antena de transmisión con los circuitos de formación de haz digital teniendo la multiplicación de ponderación compleja después de una separación en N trayectorias de la señal del canal de enlace descendente y con un conjunto de N multiplexores de frecuencia digital (y Convertidores de digital a analógico (DAC) asociados) que combinan las contribuciones de la frecuencia de canal a cada uno de los elementos del DRA.The same architecture is also applicable to a transmission antenna system with the training circuits of digital beam having complex weighting multiplication after a separation in N channels of the channel signal downlink and with a set of N multiplexers of digital frequency (and digital to analog converters (DAC) partners) that combine the contributions of the channel frequency to each of the elements of the DRA.
La arquitectura de recepción descrita se usa normalmente en el contexto de un sistema que produce una cobertura de múltiples haces puntuales con el control de las ponderaciones de la DBFN proporcionando un enrutamiento flexible de los canales de frecuencia a diferentes ubicaciones de las estaciones terrestres de acuerdo con las variaciones en la distribución del tráfico. La ventaja de ganancia elevada de la cobertura de haces puntuales sólo se puede aprovechar si la dirección del apuntamiento de haz es lo suficientemente exacta. El error de apuntamiento resulta en una pérdida de ganancia, que es máxima en el borde del haz donde la pendiente de ganancia es la mayor. Habitualmente una exactitud de apuntamiento del 10% del ancho de haz a mitad de potencia se considera aceptable. El apuntamiento se controla convencionalmente en satélites a través del sistema de control de posición con las antenas estando montadas rígidamente en el satélite. Para sistemas que suponen haces puntuales estrechos (habitualmente por debajo de 1 grado) este planteamiento no aporta una exactitud suficiente. Esta forma de realización se refiere a una extensión de la arquitectura de formación de haz digital anterior que hace posible que se mantenga el apuntamiento de haz exacto.The described reception architecture is used normally in the context of a system that produces coverage of multiple point beams with the control of the weights of the DBFN providing flexible routing of the channels of frequency to different locations of ground stations of according to variations in traffic distribution. The High gain advantage of spot beam coverage only it can be used if the direction of the beam aiming is what accurate enough The pointing error results in a loss of gain, which is maximum at the edge of the beam where the Profit pending is the largest. Usually an accuracy of 10% beam width aiming at half power is considered acceptable. The pointing is controlled conventionally on satellites through the position control system with the antennas being rigidly mounted on the satellite. For systems which involve narrow point beams (usually below 1 grade) this approach does not provide sufficient accuracy. This embodiment refers to an extension of the architecture of previous digital beam formation that makes it possible to keep accurate beam pointing.
La invención se basa en el uso de una o más balizas de RF en ubicaciones conocidas en el terreno. Las balizas pueden ser habitualmente de banda estrecha en una frecuencia que se halla dentro del ancho de banda del sistema como se usa por las señales de comunicaciones de enlace ascendente. Una de las ranuras de frecuencia que se emite del conjunto de N demultiplexores de frecuencia puede contener habitualmente la frecuencia de la baliza. El conjunto de N salidas del demultiplexor 46, que contiene los componentes de la señal de frecuencia de la baliza de las señales de los elementos de antena, se introduce en un procesador de detección de RF 50. Estas señales pueden experimentar potencialmente una etapa adicional de filtrado digital si el ancho de banda de la baliza es más pequeño que el ancho de banda de las salidas del demultiplexor con el fin de mejorar la relación señal a ruido. La baliza también puede ser modulada con una señal codificada especifica que sea conocida para el sistema de apuntamiento de haz integrado con el fin de garantizar que ninguna otra señal sea identificada incorrectamente como la baliza. El procesador de detección de RF 50 comprende un número de redes de formación de haz digital (figura 3), que se usan para construir señales de error 52 en 2 dimensiones que definen el error entre la dirección del apuntamiento real de la baliza y la dirección del apuntamiento ideal de la baliza. Las señales de error se aplican a un dispositivo de control de ponderaciones de la DBFN 54, que también acepta datos de la ubicación nominal del haz, y que actúa para modificar los valores complejos de la DBFN 36 en dependencia de la información actualizada del error de apuntamiento.The invention is based on the use of one or more RF beacons in known locations on the ground. Beacons they can usually be narrowband at a frequency that is within the system bandwidth as used by the uplink communications signals. One of the slots of frequency that is emitted from the set of N demultiplexers of frequency can usually contain the beacon frequency. The set of N outputs of demultiplexer 46, which contains the components of the beacon frequency signal of the signals the antenna elements, is introduced into a detection processor of RF 50. These signals can potentially experience a stage Additional digital filtering if the beacon bandwidth is smaller than the bandwidth of the demultiplexer outputs in order to improve the signal to noise ratio. The beacon too can be modulated with a specific coded signal that is known for the integrated beam aiming system in order to ensure that no other signal is identified incorrectly as the beacon. The RF 50 detection processor it comprises a number of digital beam formation networks (figure 3), which are used to construct error signals 52 in 2 dimensions that define the error between the direction of the actual pointing of the beacon and the direction of the ideal beacon pointing. The Error signals are applied to a control device weights of the DBFN 54, which also accepts data from the nominal location of the beam, and that acts to modify the values DBFN 36 complexes depending on the updated information of the pointing error.
En el detector de RF 50, un patrón de radiación proporcionado por un DRA se define por la elección de ponderaciones de error de apuntamiento de haz digital aplicadas a las señales de los elementos, para que se midan los errores de apuntamiento de haz. Por "patrón de radiación" se entiende el lugar de los valores de ganancia y fase de la antena, cuando se representa de forma gráfica, para todas las direcciones entrantes de la radiación. Para un DRA, tal patrón se representa convenientemente como una gráfica cartesiana tridimensional, como se explicará más abajo.In the RF 50 detector, a radiation pattern provided by a DRA is defined by the choice of weights of digital beam pointing error applied to the signals of the elements, so that beam pointing errors are measured. The "radiation pattern" means the place of the values of gain and phase of the antenna, when represented graphic, for all incoming directions of radiation. For a DRA, such a pattern is conveniently represented as a graph Three-dimensional Cartesian, as will be explained below.
En el contexto del DRA las señales de error se pueden formar habitualmente como sigue, con referencia a la figura 3, que muestra el detector de RF 50 en más detalle, como proporcionando un patrón de radiación de "haz de diferencia en x" (donde x e y se refieren a direcciones ortogonales a través de la cara de la antena) formado por una primera DBFN 62. La DBFN 62 recibe los componentes de la señal de frecuencia de la baliza de las señales de los elementos de antena, y multiplica cada componente por una ponderación de haz de diferencia en x predeterminada, y suma los componentes ponderados para formar la señal de salida 68. La elección de las ponderaciones es tal que un patrón de radiación resultante tiene un nulo de amplitud en un eje perpendicular a la dirección x con un ascenso de amplitud en cada lado del nulo habitualmente con una diferencia de fase de 180 grados; habitualmente la baliza se puede hallar en el nulo cuando no hay ningún error de apuntamiento en x (aunque esto no es necesario). Una representación de tal patrón de radiación se muestra en la figura 4, para un DRA. Las ponderaciones complejas requeridas para formar tal patrón se pueden derivar, por ejemplo como la suma compleja de las ponderaciones de 2 haces puntuales con una diferencia de fase de 180 grados y separados en la dirección x con la intersección en la ubicación requerida del nulo; esto aporta ponderaciones apropiadas mediante un cálculo relativamente simple. De ahí el término "haz de diferencia en x".In the context of the DRA the error signals are they can usually form as follows, with reference to the figure 3, which shows the RF 50 detector in more detail, such as providing a radiation pattern of "beam of difference in x "(where x e y refer to orthogonal directions through the face of the antenna) formed by a first DBFN 62. The DBFN 62 receives the components of the beacon frequency signal from the signals from the antenna elements, and multiply each component by a default beam weighting in x, and add the weighted components to form the output signal 68. The choice of weights is such that a radiation pattern resulting has a null amplitude in an axis perpendicular to the x direction with a rise in amplitude on each side of the null usually with a phase difference of 180 degrees; usually the beacon can be found in the null when there is no No pointing error in x (although this is not necessary). A representation of such radiation pattern is shown in figure 4, for a DRA. The complex weights required to form such pattern can be derived, for example as the complex sum of the weights of 2 point beams with a phase difference of 180 degrees and separated in the x direction with the intersection in the required null location; this provides appropriate weights by a relatively simple calculation. Hence the term "do of difference in x ".
De forma similar una segunda DBFN 64 recibe los componentes de la señal de frecuencia de la baliza de las señales de los elementos de antena, y multiplica cada componente por una ponderación de dirección y predeterminada, y suma los componentes ponderados para formar la señal de salida 70, para proporcionar un patrón de radiación de "haz de diferencia en y" ortogonal al eje x, similar al mostrado en la figura 4.Similarly, a second DBFN 64 receives the components of the beacon frequency signal of the signals the antenna elements, and multiply each component by one address weighting and default, and add the components weighted to form the output signal 70, to provide a radiation pattern of "beam of difference in y" orthogonal to x axis, similar to that shown in figure 4.
Una tercera DBFN 66 recibe los componentes de la señal de frecuencia de la baliza de las señales de los elementos de antena, y multiplica cada componente por las ponderaciones predeterminadas, y suma los componentes ponderados para formar una señal de salida 71, formando un patrón de radiación de "haz de suma" de normalización (figura 5), mediante la suma de las señales ponderadas. La ganancia máxima está habitualmente en la intersección de los nulos en x e y.A third DBFN 66 receives the components of the beacon frequency signal of the signals of the elements of antenna, and multiply each component by the weights default, and add the weighted components to form a output signal 71, forming a radiation pattern of "beam of sum "of normalization (figure 5), by adding the weighted signals. The maximum gain is usually in the intersection of the nulls in x and y.
El patrón de suma se usa para normalizar los patrones de diferencia en x e y en 68, 70 mediante la división compleja de los patrones de diferencia por el patrón de suma como en 72, 74. Los resultados de la división son promediados por un intervalo de tiempo predeterminado como en 76, y la parte real del promedio se toma como en 78, para formar señales de error en x e y 80, 82 (52, figura 2) . Las señales de error en x e y se usan, dentro del dispositivo de control de ponderaciones de la DBFN 54, con el fin de calcular actualizaciones requeridas de ponderaciones de la DBFN que corregirán los errores de apuntamiento en x e y. Los valores de ponderación actualizados son alimentados a las DBFNs de formación de haz 36 (figura 2) para ajustar o actualizar las ponderaciones complejas de tal manera que se vuelvan a apuntar los haces, para compensar el error de apuntamiento.The sum pattern is used to normalize the difference patterns in x and y in 68, 70 by division complex of the difference patterns by the sum pattern as in 72, 74. The results of the division are averaged by a default time interval as in 76, and the real part of the average is taken as in 78, to form error signals in x and y 80, 82 (52, figure 2). Error signals in x and y are used, within the weighting control device of the DBFN 54, in order to calculate required updates of weights of the DBFN that will correct the pointing errors in x and y. The updated weighting values are fed to the DBFNs of beam formation 36 (figure 2) to adjust or update the complex weights such that the points are re-pointed you do, to compensate for the pointing error.
Una representación de tal señal de error en x se muestra en la figura 6, para un DRA. La señal de error en x, tiene signo contrario a cada lado del nulo y la amplitud es independiente de la potencia de la señal de baliza debido al proceso de normalización (es decir no está afectada por desvanecimientos atmosféricos en la potencia de la señal de baliza).A representation of such an error signal in x is shown in figure 6, for a DRA. The error signal in x has opposite sign on each side of the null and the amplitude is independent of the power of the beacon signal due to the process of normalization (i.e. not affected by fainting atmospheric in the power of the beacon signal).
La amplitud de las señales de error en x e y medidas definen únicamente el error en la dirección del apuntamiento de haz y se pueden usar como base para la corrección del apuntamiento dentro del sistema en bucle cerrado, 50, 54, 36. Las señales de error físico 80, 82 se forman como un promedio de las muestras de patrones de diferencia normalizados (parte real) con el periodo de promediación optimizado para conseguir el mejor equilibrio entre el impacto de ruido en los valores de error y el tiempo en el establecimiento del error.The amplitude of the error signals in x and y measures define only the error in the direction of the pointing of beam and can be used as a basis for the correction of aiming within the closed loop system, 50, 54, 36. The Physical error signals 80, 82 are formed as an average of the samples of standardized difference patterns (real part) with the averaging period optimized to get the best balance between the impact of noise on the error values and the time in error setting.
Las ponderaciones complejas requeridas para formar el patrón mostrado en la figura 4 son derivadas, como se expuso anteriormente, pero se pueden derivar de cualquier manera conveniente.The complex weights required for form the pattern shown in figure 4 are derived, as set out above, but can be derived in any way convenient.
La figura 5 muestra un corte de patrón por el patrón de diferencia a lo largo de la dirección x. También se muestra el corte correspondiente por un haz de suma formado por ponderaciones seleccionadas que proporcionan un único haz puntual ubicado en la intersección de los 2 lóbulos del haz de diferencia (51 grados en este ejemplo).Figure 5 shows a pattern cut by the difference pattern along the x direction. I also know shows the corresponding cut by a sum beam formed by Selected weights that provide a single spot beam located at the intersection of the 2 lobes of the difference beam (51 degrees in this example).
La figura 6 muestra el patrón de contorno de la señal de error en x formado por la normalización del patrón de rastreo en x mediante el patrón de suma. La amplitud asciende en cada lado del nulo pero con signo contrario. Obsérvese también que los contornos son aproximadamente paralelos en la región central del patrón que indica un desacoplamiento aproximado de la estimación del error en x del error en y.Figure 6 shows the contour pattern of the error signal in x formed by the standardization of the pattern of x tracking using the sum pattern. The amplitude amounts to each side of the null but with opposite sign. Note also that the contours are approximately parallel in the central region of the pattern indicating an approximate decoupling of the estimate of error in x of error in y.
La figura 7 muestra el corte por el trazado del contorno de la señal de error en x para el caso en el que el error en y es cero (y = 51 grados). Obsérvese que la señal de error es de signo contrario a cada lado del nulo central y la variación cuasi lineal de la señal de error con un ángulo de error de la baliza, para una región central, de 5 grados aproximadamente a cada lado del error cero, posición alineada del haz.Figure 7 shows the cut by plotting the contour of the error signal in x for the case in which the error in y is zero (y = 51 degrees). Note that the error signal is from opposite sign on each side of the central null and the quasi variation linear error signal with a beacon error angle, for a central region, approximately 5 degrees on each side of the zero error, aligned beam position.
Patrones de rastreo alternativos se pueden formar mediante la elección alternativa de ponderaciones del DRA. En otro ejemplo un único patrón de diferencia comprende un único punto nulo con un aumento de ganancia radialmente hacia fuera del mismo por igual para todas las direcciones de acimut pero con una variación de fase por un intervalo de 360 grados según el ángulo acimut. La normalización de tal patrón, es decir la división compleja del patrón de diferencia por el patrón de suma, proporciona directamente ambos errores de apuntamiento en x e y derivados de la parte real e imaginaria del patrón de error resultante.Alternative tracking patterns can be train through the alternative choice of DRA weights. In another example a single difference pattern comprises a single point null with an increase in gain radially out of it equally for all azimuth addresses but with a phase variation over a 360 degree interval according to the angle azimuth The normalization of such a pattern, that is the division complex of the difference pattern by the sum pattern, provides directly both pointing errors in x and y derived from the real and imaginary part of the resulting error pattern.
Las DBFNs dentro del procesador de detección de RF pueden usar algunas o todas las señales de los elementos en el caso del DRA con el fin de optimizar la pendiente de ganancia en los patrones de diferencia.DBFNs within the detection processor of RF can use some or all of the elements signals in the DRA case in order to optimize the slope of profit in the difference patterns.
Las señales de error de apuntamiento en x e y se usan como base para corregir el apuntamiento de los haces electrónicamente mediante el empleo de actualizaciones de las ponderaciones de la formación de haz. En el caso de una antena de DRA los errores de apuntamiento en x e y se pueden usar para generar actualizaciones de los conjuntos de ponderaciones de la formación de haz digital (36, figura 2) para proporcionar una actualización incremental del gradiente de fase lineal a través de la apertura de la antena de tal manera que se corrija la dirección del haz. Tal planteamiento asume que el error en x e y de la baliza es aplicable a todos los haces formados por el DRA. Una baliza adicional se puede usar para proporcionar datos del error de guiñada y requiere un cómputo más complejo de los errores de ponderación de la formación de haz en cuanto a que la actualización en el gradiente de fase dependerá de la ubicación del haz relativa a las ubicaciones de las balizas.The pointing error signals at x and y are use as a basis to correct the aiming of the beams electronically by using updates of the weights of beam formation. In the case of an antenna of DRA pointing errors in x and y can be used to generate updates of the sets of weights of the formation of digital beam (36, figure 2) to provide an update incremental linear phase gradient through the opening of the antenna in such a way that the direction of the beam is corrected. Such approach assumes that the error in x and y of the beacon is applicable to all the beams formed by the DRA. An additional beacon can be use to provide yaw error data and requires a more complex computation of training weighting errors beam as for the update in the phase gradient will depend on the location of the beam relative to the locations of the beacons
En el caso de una antena de recepción de AFR, donde el reflector implementa una etapa de formación de haz de tal manera que una alimentación dada se asocia con un haz direccional en el campo lejano, se puede emplear un concepto similar para formar patrones de radiación de suma y de diferencia en x, y. En particular se puede emplear el circuito de la figura 3. Se pueden formar patrones de suma y de diferencia adecuados con DBFNs simplistas que utilizan un pequeño número de alimentaciones (potencialmente sólo 2 para formar un patrón de diferencia en una dimensión que enlaza las direcciones de campo lejano asociadas con las 2 alimentaciones). La elección de alimentaciones para producir los patrones de diferencia dependerá de la geometría de la alimentación dentro del AFR (por ejemplo si tiene simetría cuadrada o hexagonal). Un ejemplo de un patrón de radiación de ganancia de diferencia en x adecuado para un AFR se muestra en la figura 8 formado por una DBFN simplista que proporciona la adición de antifases de las señales de dos alimentaciones adyacentes que están separadas en la dirección x. Se observará que para la dirección x hay un nulo de señal en la dirección en la que los haces de las 2 alimentaciones se cruzan con el ascenso de ganancia en cada lado del nulo ya que domina la ganancia de una de las alimentaciones; la fase difiere en 180 grados a cada lado del nulo. El intervalo angular mostrado en la figura 8 excede de forma significativa el error de apuntamiento máximo esperado de tal manera que, para errores de apuntamiento realistas, la señal estará cerca de la región del nulo en x = 0 donde se observa que la ganancia aumenta de forma monótona. De forma similar un patrón de diferencia en y se forma por una segunda DBFN simplista que usa habitualmente 2 alimentaciones desplazadas en la dirección y ortogonal. Un patrón de suma de normalización se forma por una tercera DBFN simple que proporciona habitualmente la adición en fase de un subconjunto limitado de alimentaciones cuya dirección del haz está cerca de la intersección de los nulos de los patrones de diferencia.In the case of an AFR receiving antenna, where the reflector implements a beam forming stage of such so that a given feed is associated with a directional beam in the far field, a similar concept can be used to form radiation patterns of sum and difference in x, y. In particular the circuit of figure 3 can be used. They can be formed appropriate addition and difference patterns with simplistic DBFNs that use a small number of feeds (potentially only 2 to form a difference pattern in a dimension that links the far field addresses associated with the 2 feeds). The choice of feeds to produce difference patterns will depend on the geometry of the feed within the AFR (for example if it has square or hexagonal symmetry). An example of a radiation pattern gain difference in x suitable for a AFR is shown in Figure 8 formed by a simplistic DBFN that provides the addition of two phase antiphases adjacent feeds that are separated in the x direction. Be you will notice that for the x direction there is a signal null in the direction in which the beams of the 2 feeds intersect with the gain rise on each side of the null since it dominates the gain of one of the feeds; the phase differs by 180 degrees on each side of the null. The angular range shown in Figure 8 significantly exceeds the maximum pointing error expected in such a way that, for realistic pointing errors, the signal will be near the null region at x = 0 where Note that the gain increases monotonously. Similarly a difference pattern in and is formed by a second simplistic DBFN which usually uses 2 feedings displaced in the direction and orthogonal. A normalization sum pattern is formed by a third simple DBFN that usually provides phase addition of a limited subset of feeds whose beam direction is near the intersection of the nulls of the patterns of difference.
Para el caso de un AFR la actualización de las ponderaciones del haz es menos sencilla que la del DRA, requiriendo una actualización de los conjuntos de ponderaciones usadas para formar cada uno de los haces puntuales. Esto se puede conseguir, por ejemplo, mediante el cómputo previo de conjuntos de ponderaciones optimizadas para implementar varios cambios de apuntamiento de haz con la selección de conjuntos de ponderaciones según el error de apuntamiento medido. Con el fin de limitar el número de conjuntos de ponderaciones, esto puede estar complementado por un proceso de interpolación adicional entre conjuntos de ponderaciones con el fin de aportar una mayor resolución del control del apuntamiento. El error de apuntamiento establecido para una antena de recepción se puede usar para corregir el error de apuntamiento de una antena de transmisión si se conoce que los errores de apuntamiento de ambas antenas están correlacionados, por ejemplo pueden compartir los mismos elementos o el error de apuntamiento se puede deber completamente a la posición de la nave espacial afectando por igual de ese modo a ambas antenas.In the case of an AFR the update of the beam weights are less simple than that of the DRA, requiring an update of the sets of weights used for form each of the specific beams. This can be achieved by example, by prior calculation of sets of weights optimized to implement several beam aiming changes with the selection of sets of weights according to the error of measured point. In order to limit the number of sets of weights, this may be complemented by a process of additional interpolation between sets of weights in order to provide a greater resolution of the control of the aiming. He pointing error set for a receiving antenna is you can use to correct the pointing error of an antenna transmission if it is known that the pointing errors of both antennas are correlated, for example they can share same elements or the pointing error may be due completely to the position of the spaceship affecting equally that way to both antennas.
En una forma adicional de la invención las señales de error de apuntamiento en x e y se usan como base de la corrección del apuntamiento de la antena por medios convencionales. Al realizar tal corrección se asume que el error de apuntamiento para la baliza está correlacionado con el error de apuntamiento para todos los haces de comunicaciones formados por la antena. En un planteamiento de ese tipo la corrección se implementa modificando la posición de la nave espacial. Si hay una única baliza los errores de apuntamiento en x e y en la dirección de la baliza se pueden corregir mediante el ajuste del cabeceo y balanceo de la nave espacial. Tal planteamiento no servirá sin embargo para corregir el error de apuntamiento de haz debido al error de guiñada de la nave espacial para el caso de haces que están espacialmente distantes de la dirección de la baliza. La invención se puede extender en este caso para incluir una segunda baliza en una ubicación diferente en la tierra. Las señales de error en x e y asociadas con las 2 balizas se pueden procesar según reglas trigonométricas simples para dar un error de apuntamiento de guiñada adicional que se puede corregir mediante el sistema de control de posición de la nave espacial junto con el cabeceo y el balanceo.In a further form of the invention the Pointing error signals in x and y are used as the basis of the correction of antenna pointing by conventional means. When making such correction it is assumed that the pointing error for the beacon is correlated with the pointing error for all communication beams formed by the antenna. In a such an approach the correction is implemented by modifying the Spaceship position. If there is a single beacon the errors of pointing in x and y in the direction of the beacon can be correct by adjusting the pitch and roll of the ship space. Such an approach will not however serve to correct the beam pointing error due to ship yaw error spatial in the case of beams that are spatially distant from The direction of the beacon. The invention can be extended in this case to include a second beacon in a different location in the earth. Error signals in x and y associated with the 2 beacons can be processed according to simple trigonometric rules to give a additional yaw pointing error that can be corrected using the spacecraft's position control system together with nodding and balancing.
Alternativamente el error de apuntamiento puede ser corregido por un mecanismo de apuntamiento de antena mecánico. Éste puede emplear las inclinaciones del cabeceo y balanceo para la antena (o sólo el reflector en el caso del AFR) . La corrección del error de guiñada es menos sencilla requiriendo una rotación de la antena alrededor del eje óptico.Alternatively the pointing error may be corrected by a mechanical antenna pointing mechanism. This one can use the inclinations of the pitching and balancing for the antenna (or only the reflector in the case of the AFR). The correction of yaw error is less simple requiring a rotation of the antenna around the optical axis.
El análisis anterior ha asumido que los errores
de apuntamiento de los haces estarán correlacionados, por ejemplo
debido a los errores de cabeceo y balanceo de la nave espacial que
afectan por igual a todos los haces. En una variación adicional en
la invención se reconoce que el error de apuntamiento de diferentes
haces puntuales puede no estar correlacionado. Los errores de
apuntamiento no correlacionados se pueden deber a errores de
ponderación en un DRA o errores de alineación de las alimentaciones
en un AFR o la incerteza en la ubicación de los terminales en el
terreno. Las señales de comunicaciones de enlace ascendente pueden
servir en este caso como balizas con errores de apuntamiento en x e
y que se usan para controlar electrónicamente el apuntamiento en
base a un haz individual. En este caso cada canal de frecuencia
requerirá redes adicionales de formación de haz de patrón de
diferencia en x e y. La red principal de formación de haz de
comunicaciones puede formar una señal de suma de normalización
adecuada. La corrección del apuntamiento de haz será implementado
necesariamente mediante las ponderaciones de las DBFNs puesto que la
corrección diferirá entre los haces. Tal sistema tiene el potencial
de apuntar un haz puntual de ganancia elevada a un terminal
terrestre especifico para el cual no se conoce con exactitud la
ubicación y de hecho puede proporcionar datos de ubicación por el
sistema de telemetría por
satélite.The previous analysis has assumed that the pointing errors of the beams will be correlated, for example due to the errors of pitching and balancing of the spacecraft that affect all beams equally. In a further variation in the invention it is recognized that the pointing error of different point beams may not be correlated. Uncorrelated pointing errors may be due to weighting errors in a DRA or misalignment of feeds in an AFR or uncertainty in the location of terminals in the field. Uplink communications signals can in this case serve as beacons with pointing errors in xe and are used to electronically control the pointing based on an individual beam. In this case each frequency channel will require additional networks of beam formation of difference pattern in x and y. The main communication beam formation network may form an appropriate normalization sum signal. The correction of the beam aiming will necessarily be implemented by means of the weights of the DBFNs since the correction will differ between the beams. Such a system has the potential to point a high gain point beam to a specific terrestrial terminal for which location is not known exactly and in fact can provide location data by the telemetry system by
satelite.
La implementación física de la invención toma la forma de una extensión de la implementación del procesamiento digital que se requiere para el sistema de formación de haz digital con la adición de los algoritmos de procesamiento asociados con la evaluación del error de apuntamiento y las actualizaciones de los conjuntos de ponderaciones de la formación de haz requeridos para corregir el apuntamiento. Esto representa una adición mínima a la complejidad del sistema de formación de haz digital en términos de la tasa de procesamiento aritmético. La implementación es por lo tanto en la forma de una tecnología de chip endurecido por radiación adecuada para el uso en el entorno espacial, estando basada habitualmente en un ASIC, una FPGA o tecnologías de microprocesadores.The physical implementation of the invention takes the form of an extension of the processing implementation digital required for the digital beam training system with the addition of the processing algorithms associated with the evaluation of the pointing error and the updates of the sets of beam formation weights required for Correct the pointing. This represents a minimal addition to the complexity of the digital beam formation system in terms of the arithmetic processing rate. The implementation is so both in the form of a radiation-hardened chip technology suitable for use in the space environment, being based usually in an ASIC, an FPGA or technologies microprocessors
Claims (15)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB0704189A GB0704189D0 (en) | 2007-03-03 | 2007-03-03 | Sattellite beam pointing error correction in digital beam forming architecture |
| GB0704189 | 2007-03-03 | ||
| EP07250900 | 2007-03-05 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2350328T3 true ES2350328T3 (en) | 2011-01-21 |
Family
ID=37965911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES08709659T Active ES2350328T3 (en) | 2007-03-03 | 2008-02-29 | CORRECTION OF THE SATELLITE BEAMING ERROR IN A DIGITAL BEAM FORMATION ARCHITECTURE. |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2350328T3 (en) |
| GB (1) | GB0704189D0 (en) |
-
2007
- 2007-03-03 GB GB0704189A patent/GB0704189D0/en not_active Ceased
-
2008
- 2008-02-29 ES ES08709659T patent/ES2350328T3/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB0704189D0 (en) | 2007-04-11 |
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