BG64406B1

BG64406B1 - Антенно устройство

Info

Publication number: BG64406B1
Application number: BG105248A
Authority: BG
Inventors: Mats Nilsson
Original assignee: C2Sat Communications Ab
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2004-12-30
Also published as: EE200100090A; LV12710A; JP2002523005A; NO20010735D0; AU5662899A; LT4860B; KR100666768B1; US6611236B1; IL141077A; IL141077A0; PL196954B1; NO322651B1; SE513732C2; NO20010735L; CN1126189C; WO2000010224A1; SE9802720L; AU764861B2; CN1322389A; CA2339222C

Abstract

Антенното устройство включва антенен рефлектор (10), приемо-предавателен елемент (11), звено за откриване на сигнал (12) със сигнален преобразувател (121-122) и изчислително звено (123) за генериранена реакция към постъпващите управляващи сигнали за управление съосието на антенния рефлектор (10) с целевия обект. Преобразувателят (121-122) е пригоден да намалява автоматично и постепенно своята ширина на обхвата от зададен максимален честотен диапазон до честотен диапазон с тесен обхват. Промените в посоката на антенния рефлектор се проследяват чрез средата на звено за следене на посоката (13), включващо тримерни сензори (131, 132, 133). Механичното управление на посоката на съосие на рефлектора (10) се осъществява с помощта на задвижващо звено (15). а

Description

Област на техниката

Изобретението представлява антенна конструкция, която включва антенен рефлектор, звено, закрепващо антената, приемо-предавателен елемент, сензорно звено и звено за откриване на сигнала, за обработване на сигнали, пристигащи от целта, и за генериране на базата на тези сигнали, на управляващи сигнали за насочване на антенния рефлектор в съосие с целта.

Антенната конструкция може да бъде стационарна или да е монтирана на подвижна носеща повърхнина. Тя е предназначена за стационарно оборудване и за подвижно оборудване по суша и вода. Звеното за откриване на сигнала включва сигнален преобразувател и изчислително звено, свързани последователно.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е употребата в антенни устройства от този вид на отделни насочващи и проследяващи системи, чиято цел е да се оптимизира засичането между, например наземно базирана антенна конструкция и сателити, така че да се постигне правилно съосие между тях. Инвестиционните разходи за постигане на оптимална динамична точност на насочването с антенната конструкция при такива системи са много високи. Точността на насочване на антената може да се повлияе от външно действащи сили, например, движението на повърхнината за закрепване на антената, вятъра, движението на вълните.

Тъй като проблемът се отнася до антенна конструкция и цел, които се движат относително една спрямо друга, към насочващата система се поставят високи изисквания. Тези високи изисквания, от своя страна, ограничават избора на оборудване за откриване на сигнали, пристигащи от целта, само до изключително скъпо оборудване.

Поради изискването за висока точност на динамичното насочване, се използва моноимпулсна технология. При това, тази тех нология обикновено изисква високи инвестиции за оборудване, предназначено за откриване на сигнала, като високообхватни спектрални анализатори и подобни за постигане на желания ефект.

При известните системи отсъства възможността за коригиране на дрейфа и нестабилността на първоначално нелинейни компоненти, използвани за осигуряване на информация за сравнителни данни, като впоследствие тези системи имат продължителен дрейф във времето, в зависимост от температурата и тока.

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде антенно устройство от описания тип, което да разреши проблема за непрекъснато следене на подвижен източник на сигнал, разположен над хоризонта, с подвижно антенно устройство, което е монтирано на подвижен обект на обосновано приемлива цена, т.е. на цена, която е значително по-ниска от тази, която се постига с известните системи.

При антенно устройство от посочения вид, което включва сигнален преобразувател и изчислително звено, съгласно изобретението се предлага сигналният преобразувател да се пригоди така, че да се намали автоматично и постепенно неговата ширина на обхвата, като с това се активира и поддържа дадена ширина на обхвата, докато може да се открие желан входящ сигнал в границите на тази ширина на обхвата. Съгласно изобретението антенното устройство включва система от сензори за откриване на нежелани промени в съосието на антенния рефлектор и за настройка и поддържане на желаното положение на антената относно целевия обект, като група сензори са разположени от задната страна на рефлектора, а друга група сензори са разположени на съответните ротационни оси. Двете групи сензори са пригодени за настройка на нула, когато се постигне оптимално откриване на сигнала, така че честотният диапазон на преобразувателя на сигнала е подложен на постепенно намаляване от определен обхват до следващ по-нисък обхват, докато се постигне възможно най-добрата стойност на сигнала.

Системата от сензори осигурява информация, свързана с промените в положението на антенното устройство, предизвикани от външни сили. Тази промяна в положението се определя на базата на данни за скоростта (AVx; AVy; AVz), които се въвеждат в изчислителното звено, за да се получат данните за положението. Като се знаят данните, отнасящи се до промените в скоростта, които са се появили за един установен период от време, определени от сензорната система по време на отчет, посочената информация може да се използва като входящи стойности към звеното със суперординатна компютризирана система за управление, което изпраща тези стойности към звено за задвижване, с цел компенсиране промените в положението на антенното устройство, причинени от посочените външни сили.

Сензорната система съгласно изобретението може да се използва поне за две различни цели: да компенсира действието на външните сили върху антенното устройство в резултат от движението на повърхнината, върху която е монтирана антенната конструкция, и за откриване на една предопределена и желана форма за движение на антенния рефлектор и проследяване от него на сигнална цел, която е с известна орбита и/или начин на движение, изчислени с помощта на изчислителното звено по време на един текущ период от време.

По този начин, сензорната система носи цялостна отговорност за способността на антенното устройство непрекъснато да компенсира влиянието на всички външни сили върху конструкцията.

Съответно, важно е да се получат верни данни за компенсиране на зависимостта от температурата, стареенето и други фактори на електронните компоненти, включени в конструкцията, които иначе биха генерирали дрейф на системата по отношение на изходящите данни от всички електронни компоненти, включени в системата.

Пояснение на приложените фигури

Изобретението е пояснено по-подробно с приложените фигури, от които:

фигура 1 показва антенно устройство съгласно изобретението;

фигура 2 - блокова схема, показваща звеното за откриване на сигнала и звената на сензорната система за откриване и за компенсиране на движение, включени в антенното устройство.

Примери за изпълнение на изобретението

Антенното устройство, показано на фиг. 1, включва антенен рефлектор 10, приемо-предавателен рупор 11, закрепен към задната страна на рефлектора с рамо 110, звено за откриване на сигнал 12 и сензорно звено 13 със сензори 131, 132, 133 (виж фиг. 2) за тримерно проследяване движението на рефлектора, като тези две звена също са закрепени като комбинирано звено към задната страна на рефлектора 10. Сензорите са пригодени да следят движението около съответни оси на въртене под влияние на външни сили.

Приемо-предавателният рупор е подходящо подбран от тип, наличен в спецификация на SE заявка 9402587-1, “Захранващ рупор, предназначен специално за оборудване на двупътни спътникови комуникации”. Антенният рефлектор 10 е механично закотвен към основен елемент 16, който например е закрепен към кораб или към превозно средство и включва задвижващо или захранващо звено 15 с двигатели 151, 152, 153, 154 за механично управление съосието на антенния рефлектор 10 с желаната цел, например спътник, със задача да управлява сигнали, генерирани от изчислително звено 123, включено в звеното за откриване на сигнал 12. Антенният рефлектор 10 и приемо-предавателният рупор са комбинирани, като оформят едно компактно антенно звено, конструирано подходящо, както е описано в спецификация на SE заявка 9702269-5 “Устройство, включващо антенен рефлектор и приемо-предавателен рупор, комбинирани в компактно звено”.

Блок-схемата на фиг. 1 показва звеното за откриване на сигнал 12 с последователно свързан високочестотен сигнален преобразувател 121, междинен честотен сигнален преобразувател 122 и изчислителното звено 123. Също е показано звеното за следене на движението 13 от сензорната система за антенния рефлектор, включващо сензори за скорост и сензори за ускорение, за следене в три координати (AVx; AVy; AVz) и (Дах, Аау, Aaz), действащи съответно с влакнеста оптика и полупроводникови елементи. Цялото електронно оборудване е подложено на дрейф и нестабилност във времето. Това изисква непрекъсната корекция, за да се отстранят грешки в изходящите данни. Съгласно изобретението звеното за откриване на сигнал 12 създава възможност необходимите данни за корекция да се получат от всички сензори от системата. Изходящата страна на високочестотния преобразувател 121 е свързана към частта за междинна честота 122, където се организира провеждане на описаното автоматично намаляване ширината на обхвата.

Приемо-предавателният рупор lie със сигнални изходи, свързани към сигналните входове от високочестотния сигнален преобразувател 121, а звеното за следене на движението 13 от сензорната система за откриване движение на антенния рефлектор има сигнални изходи, свързани към сигналните входове на изчислителното звено 123 чрез проводници 130. Изчислителното звено има изходи, свързани към системата за управление 14, която е свързана от входящата страна към задвижващото звено 15. По този начин изчислителното звено 123 е свързано от своята изходяща страна към входа на задвижващото звено 15, което включва управляващите двигатели 151-154 за пренасяне на въртеливи движения към подвижните части на антенната конструкция.

Изходът за сигнал 170 от второто звено за откриване на движение 17 има сензори 171-174 и е свързан към входа за сигнал 1240 на второто изчислително звено 124, имащо изход на сигнал 1241, свързан към входа за сигнал 140 от звеното на системата за управление 14. Звеното на системата за управление към вход за сигнал 141, свързан към изхода за сигнал 1231 от звеното за изчисление 123, и изход за сигнал 142, свързан към вход за сигнал 150 на звеното за задвижване 15.

Трето звено за откриване на движение 18 със сензори 181-184 е предназначено за откриване действително компенсиране на движение, задействано по отношение всяка от ротационните оси у, х, ζ, р в конструкцията, в резултат от данните за компенсация, въведени през звеното на системата за уп равление 14, имащо изход за сигнал 180, свързан към вход за сигнал 1250 от трето изчислително звено 125, което е с изход за сигнал 1251, свързан към вход за сигнал 143 на звеното на система за управление 14.

Първоначално антенният рефлектор е в грубо съосие с целта с помощта на сензори, които действат, за да определят географската дължина и ширина на посоченото положение (GPS), инклинометър и компас. В същото време непрекъснато се компенсира ефектът от външни сили, действащи върху антената, като антенният рефлектор се поставя в грубо съосие с целта. Това компенсиране на движението се влияе от звеното за откриване на движение от сензорната система по различните ротационни оси на компактното антенно звено (азимут ζ, повдигане у, повдигане х, полярност pol).

Приема се, че целта подава спомагателна честота например от 12.541 GHz, с известен дрейф в диапазон от +/- 40 kHz. Сигналният преобразувател за междинна честота 122 е настроен на максимален честотен диапазон от +/- 8 kHz. Звеното за откриване на сигнал 12 е пригодено да работи при максимална стойност на входящия сигнал (пик, сигнална крива на целта ” 0). Веднага след появяване на тази максимална стойност (AVx; AVy; AVz) и (Аах, Аау, Aaz) се отчитат като нови коригирани входящи стойности и се изпращат в системата за управление 14, докато в същото време сигналният преобразувател за междинна честота 122 автоматично намалява своя честотен диапазон до следващото по-ниско ниво, например 3.75 kHz. Междувременно, спомагателната честота може да дрейфира леко и закрепващата повърхнина на антената може да се придвижи в някоя посока, (например, в резултат от действие на външни сили върху закрепващата повърхнина и от там върху антенната разстановка), но в случая сканирането се извършва в един по-тесен обхват, следователно при намален шум във входящия сигнал, така че сигналът се открива с по-голяма точност.

В един вариант честотният диапазон може още да се намали до по-ниско ниво, например от 1.9 kHz. При всяка максимална стойност от звеното за откриване на движение 13 от сензорната система се получа ва (по същия начин) една нова изходяща стойност.

Предимството при това автоматично “определяне в мащаб” към най-близката (пониска) избрана ширина на обхвата, управлявана на база получената и открита спомагателна честота, е в това, че силно се потиска шумът в сигнала, тъй като все по-слаб шум в сигнала, свързан с амплитудата (пикова стойност) на спомагателната честота, се допуска да смущава откриването на спомагателната честота.

Ако спомагателната честота се загуби в рамките на диапазона за определяне на мащаба, сканирането се връща към най-ниската, по-висока ширина на обхвата.

Тъй като предложеният метод за откриване на сигнал изисква време, за да се получи стабилен резултат от измерването, е задължително вътрешният дрейф и нестабилността на суперординатната сензорна система и нейното звено за откриване на движение да са с много малка продължителност, за да се даде време на системата да осигури добър резултат по отношение на откриването на сигнала и да се създаде възможност за коригиране на дрейфа и нестабилността във всички компоненти на системата. Съществена база за икономическата ефективност, която характеризира изпълнението на антенната конструкция съгласно изобретението и ограниченото изискване за използване на скъпи компоненти, се дължат на възложената на сензорната система роля на суперордината по отношение на звеното за откриване на сигнала, чиято главна задача е да коригира изходящите данни от звеното за откриване на движение по отношение на дрейфа и нестабилността в компонентите.

В описанието са включени само тези звена, които са необходими за разясняване на концепцията на изобретението. Антенната конструкция също включва и тези звена, които са в нормалната компановка и са необходими за оборудване за търговски комуникации, например по сателит. Триизмерните сензори 131-133 от суперординатното звено за откриване на движение, които са монтирани в един и същ корпус със звеното за откриване на сигнал 12 върху антенния рефлектор 10, съвместно със сензорите 171174 и сензорите 181-184, монтирани на съ ответните ротационни оси, всички те непрекъснато изпращат корекционни данни към задвижващото звено 15 през системата за управление 14 с периодичност, не по-малка от 15 ms.

Оборудването в някои приложения може да бъде допълнително снабдено с трето триизмерно сензорно звено, което да се монтира на основата за закрепване на антенното устройство. С него се осигурява по-голяма разделителна способност на изходящите данни (AVx; AVy; AVz) и (Аах, Аау, Aaz) и се дава възможност механичната еластичност на антенната конструкция да се измерва динамично и непрекъснато, като се коригират нежеланите движения в нея.

Когато звеното за откриване на сигнал 12 открие съответстващ спомагателен сигнал от самостоятелните измерващи рупори в приемателния рупор 11 и изчисли корекционни данни, които изпраща с периодичност, не по-малка от 92 ms, може да се постигне задоволително добра корекция на текущото положение на антенното устройство. Това означава, че изходящите данни от звеното за откриване на сигнал 12 се използват като т.нар. “истинска стойност”, в която са отбелязани стойностите на изходящите данни от звеното за откриване на движение 13. В този смисъл звеното за откриване на движение 13 отново възприема функция на суперордината, по отношение на компенсационните данни за сили, действащи външно върху антенната конструкция.

Описаното взаимодействие се осъществява непрекъснато и дава възможност за употреба на звеното за откриване на сигнал, което е с променлива ширина на обхвата и създава възможност много тясна ширина на обхвата да се използва за оптимална корекция на посоката на база стабилен, но относително слаб спомагателен сигнал. Тясната ширина на обхвата позволява откриването на много слаби спомагателни сигнали, които при по-големи ширини на обхвата нормално се поглъщат от околния шум на сигнала. Това може да се осъществи чрез стабилна суперординатна функция на сензорната система във времето.

Сензорната система на антенното устройство включва и други сензори, а именно инклинометър със свързан към него цифров компас, които са монтирани в пряка връзка с носещата основа на разстановката, над междинната връзка от вградени ударни и вибрационни демфери, които разделят останалите части на разстановката от носещата основа и от съединенията към монтажната основа. Разстановката включва и външен сензор, състоящ се от звено GPS (глобална система за позициониране) със свързан цифров компас. Заедно със съхранените данни от системата за управление за програмните данни за положението на целевия обект може да се получи теоретично изчислена стойност за посоката по отношение целевия обект, на база действителното географско положение, което се постига с точност, не по-висока от получената със сензорната система и отделните й сензори. Двойният цифров компас дава възможност датчиците, показани тук отделно, да се калиброват, което означава, че деклинацията на компаса ще бъде по-малка, отколкото в друг случай. В резултат от това, методът за изчисляване на дирекционната стойност към целевия обект може да се каже, че представлява груба настройка. Когато се разполага с жирокомпас, компасът се свързва към системата за управление и по този начин се засилва точността на определяния по компаса курс. Това грубо регулиране или настройка е достатъчно за звеното за откриване на сигнал да намери спомагателния сигнал за оптимално съосие с целевия обект.

Когато не може да се използва жирокомпас, поради условията на околната среда, засичането може да се постигне с помощта на инклинометър и известното повдигане спрямо целевия предавател. С въртенето на антената се анализират данните за сигнала от широкообхватен спектрален анализатор, като тази уникална предавателна комбинация е в състояние да установи идентичността и да засече съответното местоположение.

Звеното за откриване на движение 13 и сензорите за движение, монтирани на съответните оси, непрекъснато предават данни за компенсиране на силите, действащи външно на антенната конструкция по време на цялата встъпителна фаза и продължават да предават тези данни, така че да поддържат хоризонталната равнина, обозначена от инклинометрите, която естествено образува предпоставка за настройка на желаната височина на повдигане към желания обект. (Ако това не се постигне правилно, не може с увереност да се твърди, че звеното за откриване на сигнал 12 е достигнало диапазон на откриване от +/- 2 ъглови градуса).

В същото време непрекъснато се получава информация, свързана с разликата между изчислените начални компенсационни данни, т.нар. “регулировъчни точкови стойности” и действително постигнатите стойности, т.нар. “истински стойности”, чрез средата на сензорите 181-184.

От изключителна важност е да се инвестира по отношение качеството на отделните сензорни звена и главно в триразмерните сензори (AVx; AVy; AVz) и (ах, Аау, az), и двуразмерните инклинометри (х; у), от които зависи антенната разстановка.

Изборът на цифрови компоненти намалява до минимум риска, че външен източник на смущаващ сигнал спрямо основния сигнал ще има негативен ефект върху функцията на антенната разстановка. Технологията CAN-Bus е в състояние да превърне разстановката в по-малко чувствителна към смущения и нарушения и да превърне споменатата разстановка в икономически изгодна, въпреки че е очевидно, че тази технология не е предпоставка за изобретението.

Нагледно представеното и описано примерно изпълнение на антенното устройство включва приемо-предавателен рупор от определен специфичен вид. При това изобретението не е ограничено до този вид приемо-предавателен рупор. Например, антенният елемент може да включва една мозаечна антена с линии от микроленти, разположени във фокалната равнина на рефлектора, покриващи абсолютния фокус на рефлектора и прилежащите му околности.

Claims

Патентни претенции

1. Антенно устройство, включващо антенен рефлектор (10), приемо-предавателен елемент (11) и звено за откриване на сигнал (12) за обработка на сигнали, постъпващи от цел, и за генериране на базата на тези постъпващи сигнали на управляващи сигнали за управление съосието на антенния рефлектор (10) и целта, като звеното за откриване на сигнал (12) включва сигнален преобразувател (121-122) и свързано последователно изчислително звено (123), характеризиращо се с това, че сигналният преобразувател (121-122) е пригоден да намалява ширината на обхвата автоматично и постъпателно от един необходим максимален честотен диапазон до един теснообхватен честотен диапазон, чиято ширина на обхвата се задейства и поддържа, докато в тази ширина на обхвата може да се открие един желан входящ сигнал, като се постига най-високата чувствителност за откриване на посочения входящ сигнал, при това антенното устройство включва и звено за откриване на движение (13), което включва триразмерни сензори (131, 132, 133), пригодени да откриват промени в съосието на антенния рефлектор (10), като триразмерните сензори са разположени от задната страна на антенния рефлектор (10), и изход на сигнал (130), свързан към вход за сигнал (1230) на изчислителното звено (123) за генериране на допълнителни управляващи сигнали; и звено за задвижване (15) за механично управление съосието на антенния рефлектор (10) като реакция на външни управляващи сигнали, произхождащи от антенния рефлектор, от една страна, и на допълнителни управляващи сигнали, произхождащи от звеното за откриване на движение (13), от друга страна.
2. Антенно устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че има второ звено за откриване на движение (17) със сензори (171-174), предназначено да открива положителни промени по всяка рота ционна ос (у, х, z, р) в устройството, в резултат от действие на външни сили върху и във конструкцията, като второто звено за откриване на движение (17) има изход за сигнал (170), свързан към вход за сигнал (1240) от второ изчислително звено (124), което има изход за сигнал (1241), свързан към вход за сигнал (140) от звеното на системата за контрол (14), което от своя страна има вход за сигнал (141), свързан към изход за сигнал (142), свързан към вход за сигнал (150) от звеното за задвижване (15).
3. Антенно устройство съгласно претенция 2, характеризиращо се с това, че има трето звено за откриване на движение (18) със сензори (181-184) за откриване компенсация на движение, което действително се задейства по всяка ротационна ос (у, х, z, р) от конструкцията като реакция на данни за компенсация, задействана чрез звеното на системата за контрол (14), имаща изход за сигнал (180), свързан към вход за сигнал (1250) от трето изчислително звено (125), което има изход за сигнал (1251), свързан към вход за сигнал (143) от звеното на системата за контрол (14).
4. Антенно устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че сигналният преобразувател (121-122) включва високочестотна част (121), чиято входяща страна е свързана към приемната страна на приемо-предавателния елемент (11), чиято изходяща страна е свързана към една междинночестотна част (122), в която се осъществява автоматично намаляване ширината на обхвата.