CN101091121A - 具有双操作模式的天线定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种控制器构造成操作以双操作模式定位天线以在掠过期间跟踪移动物体的天线定位器。该控制器确定掠过期间的最大预期仰角。如果最大预期仰角大于或等于预定角，控制器停用方位驱动组件并激活x－轴线驱动组件和y－轴线驱动组件。如果最大预期仰角小于预定角，控制器停用x－轴线驱动组件并激活方位驱动组件和y－轴线驱动组件。

Description

具有双操作模式的天线定位系统
相关申请
本申请根据并要求Theodore Young、Stephen W.White、Kevin Davis、JosephFahle、Jeffrey Hertig、Richard Van Pelt、Earl Jones、John Schaumann和CaryBedford于2004年10月28日提交的、题目为“X-Y上方方位角优化的运动定位系统”美国临时申请第60/622,676号的权益。该临时申请的全部内容援引于此以供参考。
本发明还涉及Theodore Young、Stephen W.White、Kevin Davis、JosephFahle、Jeffrey Hertig、Richard Van Pelt、Earl Jones、John Schaumann和CaryBedford于2005年10月28日提交的、题目为“天线定位系统”美国申请第11/XXX,XXX，律师案号072039-0013。
背景技术
可使用卫星通信系统以便于全球信息交换。尤其是，预期将来卫星通信会以更高的发送频率范围(以20-30GHz的阴极带)并以更高的数据比率的显著增长。例如，低环地轨道(LEO)卫星通常需要高的发送频率。这些LEO卫星可彼此链接并链接到地面基站以提供地球表面上的无线访问。
为了通过用天线跟踪LEO卫星和其它高频率卫星与它们通信，必须符合严格的跟踪要求。第一步，用于天线的定位器必须能够精确、整个半球地跟踪。
当跟踪低环地轨道(LEO)卫星时，常规两轴线全运动天线定位器可具有操作锁眼或静锥区。尽管一些三轴线设计可克服许多锁眼问题，但是它们还需要相对高的速度和加速度能力。一些构造还可能操作地受到地面站纬度和卫星倾斜角的限制。
需要一种可提供对任何卫星倾斜角且对任何地面站纬度位置覆盖整个半球而没有锁眼的天线定位系统，同时最小化跟踪速度和加速度要求。
发明内容
一种控制器控制定位天线以在掠过期间跟踪移动物体的天线定位器。该天线定位器包括使得天线围绕方位轴线方位旋转以改变天线方位角的方位驱动组件、使得天线围绕X-轴线旋转以改变天线仰角的x-轴线驱动组件；以及使得天线围绕Y-轴线旋转以改变天线的仰角余角(elevation complementangle)的y-轴线驱动组件。该控制器确定掠过期间的最大预期仰角。如果最大预期仰角大于或等于预定角，控制器停用方位驱动组件并激活x-轴线驱动组件和y-轴线驱动组件。如果最大预期仰角小于预定角，控制器停用x-轴线驱动组件并激活方位驱动组件和y-轴线驱动组件。
一种计算机可用介质，将处理系统的计算机可用指令存储在其中。这些指令在由处理系统执行时引起处理系统确定移动物体掠过天线上方期间天线的最大预期仰角。当最大预期仰角大于或等于预定角时，这些指令还引起处理系统停用方位驱动组件并激活x-轴线驱动组件和y-轴线驱动组件。当最大预期仰角小于预定角时，这些指令还引起处理系统停用x-轴线驱动组件并激活方位驱动组件和y-轴线驱动组件。方位驱动组件、x-轴线驱动组件和y-轴线驱动组件中的每个包括在定位天线以跟踪移动物体的天线定位器中。方位驱动组件构造成使得天线围绕方位轴线方位旋转以改变天线方位角。x-轴线驱动组件构造成使得天线围绕X-轴线旋转以改变天线仰角。y-轴线驱动组件构造成使得天线围绕Y-轴线旋转以改变天线的仰角余角。
一种用天线跟踪移动物体的方法包括确定移动物体掠过天线上方期间目标的最大预期仰角。该方法还包括当最大预期仰角大于或等于预定角时，停用方位驱动组件并激活x-轴线驱动组件和y-轴线驱动组件。该方法还包括如果最大预期仰角小于预定角，停用x-轴线驱动组件并激活方位驱动组件和y-轴线驱动组件。方位驱动组件、x-轴线驱动组件和y-轴线驱动组件中的每个包括在定位天线以跟踪移动物体的天线定位器中。方位驱动组件构造成使得天线围绕方位轴线方位旋转以改变天线方位角。x-轴线驱动组件构造成使得天线围绕X-轴线旋转以改变天线仰角。y-轴线驱动组件构造成使得天线围绕Y-轴线旋转以改变天线的仰角余角。
附图说明
图1A示出了具有X-Y上方方位角构造的三轴线天线定位系统的一实施例。
图1B示出了包括反射器和馈给器的天线，且其由如图1A所示的三轴线天线定位系统支撑。
图2A示出了如图1所示的天线定位系统中的基架座。
图2B示出了方位角驱动组件的一实施例。
图2C示出了将方位角驱动组件耦合到X-和Y-轴线驱动组件的立管焊接件的一实施例。
图3A示出了X-轴线驱动组件的一实施例。
图3B示出了Y-轴线驱动组件的一实施例。
图3C示出了用于图1A中所示天线的反射器支撑臂。
图4示出了围绕最优化的x-轴线、最优化的y-轴线、方位轴线、和仰角轴线的角速度作为在一掠过期间最大仰角的函数的图。
具体实施方式
所示的三轴线天线定位系统具有XY上方方位构造。XY上方方位构造提供了整个地平线到地平线的半球覆盖，对任何卫星倾斜角且对任何地面站纬度位置没有操作锁眼。XY上方方位设计可提供在单个单元内的三个独立操作模式，并还可最小化跟踪速度和沿每根轴线的加速度要求。天线定位系统可每根轴线使用两个驱动器以产生提供零侧隙和最大指示和跟踪精确度的偏置驱动模式。用于天线定位器的控制器可自动地在两最优化的双轴线跟踪模式之间选择，以构成用于最小跟踪动力的定位系统。
图1A示出了具有三个点相交于一点的X-Y上方方位构造的三轴线天线定位系统100的一个实施例。总的来说，天线定位系统100可包括：基架座105、安装到基架座上的方位驱动组件300、立管(riser)焊接件115、附连到立管焊接件115的X-轴线驱动组件400、附连到X-轴线驱动组件400的Y-轴线驱动组件500、以及将天线的反射器附连到定位系统100的反射器支撑臂135。控制器(例如天线控制单元或ACU140)可控制方位驱动组件300、X-轴线驱动组件400、和Y-轴线驱动组件500的操作以最优化天线跟踪动力。三个驱动组件中的每个可彼此独立地操作。
图1B示出了支撑、定位并移动天线组件200以指向和/或跟踪移动物体的天线定位系统100。该移动物体可包括(但不限于)卫星、其它航天器(例如航天飞机或太空站)、运载火箭、导弹和飞行器。在图1B所示实施例中，天线组件200包括抛物面反射器210和馈给器220。当然应当理解，定位系统100可用于天线组件而不是所示具有反射器的抛物线天线，包括但不限于扇形天线、扁平板天线和八木天线。
再参见图1A，用于图1所示天线定位器100的X-Y上方方位构造产生与常规两轴线EL/AZ(水平-上方-方位)构造一样的扫掠体积，同时消除使用诸如EL/AZ和X-上方-Y之类两轴线构造是通常产生的操作锁眼或静锥区。操作锁眼或静锥区是通常需要轴线角动力的高值以精确地将天线指向诸如LEO卫星的动态目标的有角覆盖区域。
当两轴线EL/AZ构造用于天线定位器时，天线可通过围绕两旋转轴线(即用于跟踪其方位角的方向轴线和用于相对于地平线跟踪卫星高度的仰角轴)旋转反射器跟踪卫星。用该构造，反射器可在方位上移至360度，且在高度上0-90度。在两轴线X-Y跟踪构造中，可独立操作的X-和Y-轴线驱动可安装在彼此顶部，并相对于彼此90度。
诸如EL/AZ和XY之类的两轴线设计可呈现操作锁眼，取决于卫星轨道的倾斜角，产生临界数据的损失。EL/ZA设计的使用会在顶部掠过的最高点(即很高仰角处)或附近产生竖直静锥区。必须使用很高的回转速度以最小化操作锁眼。XY设计的使用可基本上克服最高点掠过锁眼问题，但操作锁眼可能在靠近水平面的仰角处发生。这时因为XY跟踪构造在低仰角处可能要求高跟踪动力。
在天线定位系统100的所示实施例中，方位驱动组件300可安装在基架座105上，并可赋予天线组件以围绕方向轴线的方向旋转运动。X-轴线驱动组件400可赋予天线以围绕与方向轴线成直角的水平X-轴线的旋转运动。围绕X-轴线旋转改变天线相对于水平测得的仰角。Y-轴线驱动组件500可赋予天线组件以围绕Y-轴线的交叉轴线旋转运动。围绕Y-轴线旋转改变天线的仰角余角。Y-轴线垂直于X-轴线和方向轴线。X-轴线、Y-轴线和方向轴线都相交于一共同交点。
因为X-和Y-轴线驱动组件安装在方位驱动组件300上的方式是三根轴线都交于一共同点，如EL/ZA定位器中的典型情况那样，所以可产生天线的最小扫掠体积。如图1中所示及上述XY上方方位构造将两轴线构造的每个的最佳能力组合进单个单元的整体3轴线设计。
沿每根轴线的每个驱动组件可以是使用两驱动系的双驱动组件。该驱动系可包括内嵌的伺服系统控制。每个驱动系可包括一体式DC伺服电动机、内部伺服控制器、和伺服精密变速箱。双驱动系与伺服偏置驱动技术结合，可提供高度可靠、零后冲、和较高的伺服稳定性。
图2A示出了在天线定位器100的一实施例中使用的天线基架座105。基架座可以是圆柱形钢焊接件，尽管天线定位器100的其它实施例可使用不同材料和不同形状用于基架座105。在所示实施例中，基架座105示出在三点安装在天线基座上以提供定位器的支撑，尽管在天线定位系统100的其它实施例中可使用不同的安装构造。三点安装也可提供方位轴线垂直性的安置和保持。
图2B示出了方位驱动组件300的一实施例，其可安装在如图2A所示的基架座105的顶部。在一示例性实施例中，方位驱动组件300可包括方位驱动轴305、方位运动编码器310、方位从动齿轮320、驱动板330、和两个独立驱动系340。方位驱动轴305可以是圆柱形焊接件，尽管在方位驱动组件300的其它实施例中可使用不同的形状和材料。方位驱动组件可构造成赋予天线组件200以±270°的方位旋转运动。可设置电缆缠绕链以提供±270°的方位传播。两独立驱动系340中的每个可包括与精确星形变速箱耦合的DC伺服电动机和限位开关。方位驱动组件300中的运动编码器310可构造成探测方位位置，并提供过量行进保护以及到控制器140的位置反馈。在一实施例中，运动编码器310可直接安装在方位驱动轴轴线上，由此基本上消除缠绕、发送误差和后冲。如下文更详细解释的那样，成对驱动系340可提供智能偏置-驱动能力，产生零后冲、较高稳定性和高精确定位。
图2C示出了立管焊接件115的一实施例，其可用于将方位驱动组件300附连到X-Y驱动器上。在图2C所示的实施例中，立管焊接件115可以是矩形截面，并可定形成提供用于平衡物支撑臂135的间隔，同时以最小的重量最大化硬度。
图3A示出了X-轴线驱动组件400的一实施例。总的来说，X-轴线驱动组件400可包括：X-轴线驱动轴405、X-轴线运动编码器410、限位开关417、X-轴线从动齿轮420、两个X-轴线驱动系440和X-轴线驱动壳体450。X-轴线驱动组件400可构造成赋予天线围绕X-轴线±90°的水平旋转，由此改变天线的仰角。这可使用耦合到从动齿轮420的双驱动系440实现。每个驱动系440可包括伺服电动机/变速箱组件。
在一示例性实施例中，X-轴线驱动轴405可以是圆柱形钢焊接件，并可在两接触点由精密滚珠轴承支撑。X-轴线运动编码器410可构造成探测X-轴线位置，并将位置反馈提供给ACU140。编码器410可在驱动组件400后部直接安装在X-轴线驱动轴405上，以消除缠绕、发送误差和后冲。在一实施例中，X-轴线运动编码器410可以是16位编码器，尽管在驱动组件400的不同实施例中可使用其它类型的编码器。限位开关417可位于从动齿轮420上方。限位开关417与安装在从动齿轮上的弹性阻挡件结合可提供过量行进保护。
图3B示出了Y-轴线驱动组件500的一实施例。总的来说，Y-轴线驱动组件500可包括：Y-轴线轴和壳体505、Y-轴线运动编码器510、Y-轴线从动齿轮520和两个Y-轴线驱动系540。Y-轴线驱动组件500可构造成赋予天线组件以-2°至+105°的交叉轴线旋转运动，由此改变天线组件的仰角余角。与X-轴线驱动组件400类似，其可使用耦合到从动齿轮520的双驱动系540(即电动机/变速箱组件)实现。编码器510可位于Y-轴线轴505的一端，并可用于探测Y-轴线运动。
定位系统100可以纯EL/AZ模式运行，或以纯X-Y模式运行，取决于卫星跟踪。这是因为上述具有三轴线共同交点的X-Y上方方位构造提供了X-Y和EL/AZ两种跟踪能力。该双运行模式能力消除了对全运动(180度)Y-轴线行进的需要。因此ACU140可构造成将围绕Y-轴线的旋转运动限制在仰角余角约-2°至约+105°之间。Y-轴线旋转运动的限制可降低旋转天线扫掠的体积，并可简化天线反射器的安装。同样，其还可使其更易于平衡反射器的重量，并可降低定位系统100的成本。
所有旋转质量可在轴线交点被平衡。可设置反射器支撑臂135以抗衡天线反射器。图3C示出了用于图1B中所示天线组件200的反射器支撑臂135。在天线定位系统100的一实施例中，一对同样的反射器支撑臂135可安装到Y-轴线轴505的端部。支撑臂135可将天线组件200的反射器210附连到定位系统100。支撑臂135也可构造成提供用于反射器210的抗衡。在所示实施例中，反射器支撑臂135是用标准结构形状构造的钢焊接件。在一示例性实施例中，左支撑臂可螺栓连接到Y-轴线从动齿轮上，同时右支撑臂可附连到Y-轴线轴上。
用于X-Y上方方位定位器的控制器，例如位于定位轴线底部的图1A中所示ACU140可提供沿三轴线驱动组件的实时控制。ACU140可自动配置用于最小化跟踪动态的定位系统，并消除整个半球覆盖的所有锁眼。尤其是，ACU140可自动在两优化双轴线跟踪模式之间选择，使得跟踪速度总是接近它们的理论最小值，如下文更详细描述的那样。
ACU140可与嵌入在驱动系中的内部伺服控制器一起实施伺服控制回路。沿着每根轴线的驱动系可构造成使用来自相应轴线处电动机编码器的反馈关闭内部速度或定位控制回路。ACU140可使用用于状态、控制和监视的TCP/IP(传输控制协议/网际协议)接口。
ACU140可构造成自动在两最优双轴线跟踪模式之间选择，并自动配置用于最小化跟踪动态的定位系统100。换言之，ACU140可以纯EL/AZ模式运行，或以纯X-Y模式运行，取决于卫星跟踪。这是因为上述具有三轴线共同交点的X-Y上方方位构造提供了X-Y和EL/AZ两种跟踪能力，这使得定位系统100能够对任何给定掠过最小化所要求的跟踪速度和加速度。这可增加跟踪性能和精确性，同时最小化功率消耗和机械部件的磨损，因此延长了系统寿命。
在一实施例中，ACU140可构造成通过对任何给定掠过通过计算在最高仰角的定向和高度实施模式最优化。如果ACU140确定在该掠过期间最高期望仰角大于或等于45度，则ACU140可选择X-Y模式并可将活动的方位轴线锁定在最小化整个掠过中的跟踪速度和加速度的角度。然后ACU140可通过实现沿X-轴线和Y-轴线的旋转运动支持该掠过。
如果ACU140确定在该掠过期间最高期望仰角小于45度，则ACU140可选择Y上方方位模式，类似于纯高度上方方位系统。同样，ACU140可将该模式优化成最小化所要求的该掠过的跟踪速度和加速度的角度。ACU140可静态地将X-轴线设置和锁定到零仰角(即“顶点”)，然后可通过实现沿活动的方位轴线和Y-轴线的旋转运动支持该掠过。
在任一模式运行的能力可消除水平和顶点位置的锁眼影响。这在图4中示出，其示出了围绕最优化的x-轴线、最优化的y-轴线、方向轴线、和仰角轴线的角速度作为该掠过期间最大仰角的函数的图。如图4中的图所示，对0度到90度范围(即从顶点到水平线)的所有仰角消除了操作锁眼。对所有仰角，围绕所有轴线的角速度在约0.7弧度每秒以下。
上述双模式操作可显著地降低跟踪速度和加速度，并可产生优化的跟踪性能。通过最小化跟踪动态，可大大减小能量需要和所有驱动部件上的应力，产生更长的寿命和更低的生命周期成本。
总言之，描述了具有双操作模式和X-Y上方活动方位构造的天线定位系统。天线定位系统提供了水平线以上所有高度的整个半球覆盖，不受卫星倾斜角和地面站纬度的限制，消除了所有的操作锁眼。双操作模式定位系统的操作可由控制器控制以基本上消除后冲、最小化跟踪动态并最大化定位精确性。
尽管描述了天线定位系统的某些实施例，但是应当理解这些实施例中暗示的概念可也可用于其它实施例。该申请的保护仅限于以下权利要求书。
在这些权利要求中，以单数提到的构件除非特别说明并不表示“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。对本技术领域的技术人员已知的或稍后就已知的所有与整个内容描述的各实施例的构件等同的结构和功能特别援引于此以供参考，并被权利要求书所包含。此外，这里揭示内容都公布于众，无论这些内容是否在权利要求书中明确叙述。没有声明的构件在35U.S.C.§112第六段的规定中进行了揭示，除非该部件使用“用于...的装置”的短语来表达叙述，或在方法权利要求情况下，该构件用“用于...的步骤”的短语来叙述。

Claims (18)

1.一种用于定位天线以在掠过期间跟踪移动物体的天线定位器的控制器，所述天线定位器包括：使得所述天线围绕方位轴线方位旋转以改变天线方位角的方位驱动组件；使得所述天线围绕x-轴线旋转以改变所述天线仰角的x-轴线驱动组件；以及使得所述天线围绕y-轴线旋转以改变所述天线的仰角余角的y-轴线驱动组件；
其中所述控制器配置成：
确定所述掠过期间的最大预期仰角；
当所述最大预期仰角大于或等于预定角时，停用所述方位驱动组件并激活所述x-轴线驱动组件和所述y-轴线驱动组件；以及
当所述最大预期仰角小于预定角时，停用所述x-轴线驱动组件并激活所述方位驱动组件和所述y-轴线驱动组件。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述预定角约为四十五度。
3.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，还配置成相应于所述预期最大仰角确定预期方位角，且如果所述最大预期仰角大于或等于预定角则将所述方位轴线锁定在所述预期方位角。
4.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，还配置成如果所述最大预期仰角小于所述预定角，则将所述x-轴线锁定在具有零度仰角的天顶位置。
5.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述方位轴线、所述x-轴线和所述y-轴线相互垂直，且其中所述方位轴线、所述x-轴线和所述y-轴线都相交于一共同交点。
6.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，还配置成将围绕Y-轴线的旋转限定在约-2度至约+105度之间的仰角余角。
7.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，还配置成以约-90度至约+90度之间的仰角实现围绕所述X-轴线的旋转。
8.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，还配置成以约-270度至+270度之间的方位角实现围绕所述方位轴线的旋转。
9.一种具有将处理系统用计算机可用指令存储在其中的计算机可用介质，其中所述指令在由所述处理系统执行时引起所述处理系统：
确定移动物体掠过所述天线上方期间所述天线的最大预期仰角；
当所述最大预期仰角大于或等于预定角时，停用所述方位驱动组件并激活x-轴线驱动组件和y-轴线驱动组件；以及
当所述最大预期仰角小于预定角时，停用所述x-轴线驱动组件并激活所述方位驱动组件和所述y-轴线驱动组件；
其中所述方位驱动组件、所述x-轴线驱动组件和所述y-轴线驱动组件中的每个包括在定位所述天线以跟踪所述移动物体的天线定位器中；以及
其中所述方位驱动组件构造成使得所述天线围绕方位轴线方位旋转以改变天线方位角，所述x-轴线驱动组件构造成使得所述天线围绕x-轴线旋转以改变所述天线仰角，以及所述y-轴线驱动组件构造成使得所述天线围绕y-轴线旋转以改变所述天线的仰角余角。
10.如权利要求9所述的计算机可读介质，其特征在于，所述预定角约是四十五度。
11.如权利要求9所述的计算机可读介质，其特征在于，所述指令还引起所述处理系统：
相应于所述预期最大仰角确定预期方位角；以及
如果所述最大预期仰角大于或等于预定角则将所述方位轴线锁定在所述预期方位角。
12.如权利要求9所述的计算机可读介质，其特征在于，所述指令还引起所述处理系统：
如果所述最大预期仰角小于所述预定角，则将所述x-轴线锁定在具有零度仰角的天顶位置。
13.如权利要求9所述的计算机可读介质，其特征在于，所述方位轴线、所述x-轴线和所述y-轴线相互垂直，且其中所述方位轴线、所述x-轴线和所述y-轴线都相交于一共同交点。
14.如权利要求9所述的计算机可读介质，其特征在于，所述指令还引起所述处理系统：
将围绕Y-轴线的旋转限定在约-2度至约+105度之间的仰角余角；
以约-90度至约+90度之间的仰角实现围绕所述X-轴线的旋转；并且以约-270度至+270度之间的方位角实现围绕所述方位轴线的旋转。
15.一种用天线跟踪移动物体的方法，所述方法包括：
确定移动物体掠过所述天线上方期间所述物体的最大预期仰角；
当所述最大预期仰角大于或等于预定角时，停用所述方位驱动组件并激活x-轴线驱动组件和y-轴线驱动组件；以及
当所述最大预期仰角小于预定角时，停用所述x-轴线驱动组件并激活所述方位驱动组件和所述y-轴线驱动组件；
其中所述方位驱动组件、所述x-轴线驱动组件和所述y-轴线驱动组件中的每个包括在定位所述天线以跟踪所述移动物体的天线定位器中；以及
其中所述方位驱动组件构造成使得所述天线围绕方位轴线方位旋转以改变天线方位角，所述x-轴线驱动组件构造成使得所述天线围绕x-轴线旋转以改变所述天线仰角，以及所述y-轴线驱动组件构造成使得所述天线围绕y-轴线旋转以改变所述天线的仰角余角。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述预定角约是四十五度。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下运作：
相应于所述预期最大仰角确定预期方位角；以及
如果所述最大预期仰角大于或等于预定角则将所述方位轴线锁定在所述预期方位角。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下运作：
如果所述最大预期仰角小于所述预定角，则将所述x-轴线锁定在具有零度仰角的天顶位置。
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