CN103985964B - 用于赤道操作的低剖面天线的优化 - Google Patents

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Abstract

公开了用于赤道操作的低剖面天线的优化，包括用于优化被附加到移动的交通工具的低剖面SATCOM天线面板的系统和方法。在SATCOM天线面板保持平行于运载交通工具的运动轨迹的情况下，该长形SATCOM天线面板具有窄方位波束，该窄方位波束可选地具有不多于2度角的典型宽度。致动单元使SATCOM天线面板围绕以下三个正交轴旋转：纵向轴（滚动旋转）、垂直轴（偏航旋转）以及横向轴（俯仰旋转）。致动单元致动天线面板，以便保持该天线面板对准地球赤道平面，并且可选地具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束消除相邻卫星照射。

Description

用于赤道操作的低剖面天线的优化
技术领域
本发明在其一些实施例中涉及移动卫星通信（SATCOM）天线系统和用于卫星通信的优化方法，并且更特别地但非排他地涉及用于对用于地球赤道平面操作的低剖面长形SATCOM天线面板进行优化的系统和方法。
背景技术
当在本文中使用时，术语长形（elongated）指的是以与运载交通工具的纵向轴平行的方式来附加的纵向定向的天线，其中该运载交通工具在限定了使该交通工具在该纵向轴上向前行进的路径的连续轨迹中行进。
对地静止卫星通信技术提供了各种服务，这些服务包括：宽带通信、音频/视频分配网络、海上导航、陆地导航和空中导航以及对民用操作和军用操作的支持。
军用通信天线被武装部队用于静止卫星系统和移动卫星系统二者。除了常规天线之外，军用天线对来自远距离、空中、海上以及环境恶劣位置的战术通信也很关键。军用通信天线的一些特定要求是低剖面、高可靠性、耐用性、抗干扰性、便携性等。军用对地静止卫星系统的突出示例是军用策略和战术中继（MILSTAR）。
当在本文中使用时，术语天线指的是将定向电磁信号转换为在自由空间中传播的电磁波的装置。天线可以被用于接收信号和发送信号二者。
当在本文中使用时，术语对地静止（geostationary）或对地同步（geosynchronous）轨道（GSO）指的是沿着地球赤道并且在地球赤道上方约35,786千米的圆形轨道路径。对地静止轨道位于地球赤道平面上。
以与地球的旋转速度相同的速度进行轨道运动的卫星共享地球赤道平面上的共同纬度，并且在有时被称作为克拉克带（Clark belt）的轨道弧中沿纵向轴均匀地停泊（park）。在这种轨道处，卫星的轨道周期是1天，即与地球的旋转周期相等。
当在本文中使用时，术语通信卫星指的是主要提供数字和/或无线电和/或电视和/或电话覆盖的卫星。这种卫星被用作为在地球上方的轨道中的中继站，以用于接收、放大以及转发在特定电磁无线电频段上携带的信号。当卫星在对地静止轨道中围绕地球旋转时，该卫星保持在特定区域之上，在地球表面上具有特定的覆盖区（footprint）。
SATCOM天线系统（SAS）的设计和开发是通信领域中在过去的几十年中经历了显著增长的领域之一。现在，存在为地面、航天器、超音速、亚音速、海上、直升飞机以及无人驾驶飞行器（UAV）平台设计的一系列SAS模型。
可以将这种SAS附加到交通工具的主体或者机身上的各种位置，从而有利于交通工具与对地静止卫星之间的通信。
图1示出与被附加到飞行器的长形SATCOM天线面板进行通信的对地静止卫星的示例性环境900。图2是示出在采用阿尔塔方位（alta-azimuth）坐标系统的三维空间中的飞行动力学参数和旋转轴的环境902。这些图描述了三维空间中的示例性飞行器300和围绕该飞行器的质心的三个正交旋转轴400：纵向轴402、横向轴404以及垂直轴406。
当在本文中使用时，各轴分别指的是滚动旋转（roll rotation）、俯仰旋转（elevation rotation）以及偏航旋转（yaw rotation）（方位）。利用这种约定，滚动旋转指的是如围绕纵向轴进行动作；俯仰旋转是围绕横向轴进行动作，而偏航旋转是围绕垂直轴进行动作。
参照图1，如公知的那样，对地静止卫星100在约35,786千米的高度的轨道平面132中围绕地球进行轨道运动，在与地球表面垂直的平面110之间形成θ度角104。不管使用的信号类型如何，对地静止卫星100都是这样的通信中继装置：该通信中继装置位于空间中，以将信号转播（rebroadcast）到例如比仅通过局部区域传送（local area transmission）而可能实现的区域大得多的区域。
对地静止卫星的设计目的指定了操作的频段、传送的类型、发射的功率水平、以及对地静止卫星的信号被定向到哪里。由于在卫星和垂直于地球表面的平面110之间形成的有限制的角（limiting angle）104而导致了通过对地静止卫星不可到达地球上的一些区域，诸如区域108。还描绘了附加有可以与对地静止卫星100进行双向通信的SAS500的示例性飞行器300。
在对地静止轨道中的任何卫星位置由代表卫星的水平位置和垂直位置的两个坐标来确定。参照图2，通过从地平线上的最近点向上计算高度角414来求解垂直坐标，并且通过从正北向东沿地平线到该最近点计算方位角412来确定水平坐标。当在本文中使用时，上述坐标系统被称作为阿尔塔方位坐标系统并且在本领域中被公知作为天文坐标系和/或地平坐标系。
发明内容
根据本发明的一些实施例，提供有一种用于与对地静止卫星进行通信的系统，包括：
长形卫星通信（SATCOM）天线面板，长形卫星通信天线面板的尺寸和形状被设置成辐射具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束（NAB），以及
致动单元，致动单元使长形SATCOM天线面板围绕平行于长形SATCOM天线面板的纵向轴旋转以施加俯仰旋转，使长形SATCOM天线面板围绕正交于纵向轴的横向轴旋转以施加滚动旋转，并使长形SATCOM天线面板围绕正交于横向轴的垂直轴旋转以施加偏航旋转。
可选地，其中，致动单元独立控制多个正交的致动器，其中，多个正交的致动器中的每个致动器独立地使长形SATCOM天线面板围绕纵向轴、横向轴以及垂直轴中的至少一个轴而倾斜。
可选地，其中，致动单元施加第一旋转轴与正交的第二旋转轴的对换。
可选地，其中，具有不多于2度角的典型宽度的NAB被生成为被发射成与地静止轨道上的两个点相交的锥形波束，使得在沿锥形波束的投影的起点之间形成的具有不多于2度角的典型宽度的NAB仅瞄准一个卫星。
可选地，其中，长形SATCOM天线面板包括多个电磁作用区，多个电磁作用区中各自独立地接收和发射电磁信号相位和电磁信号幅度。
可选地，其中，长形SATCOM天线面板接收和发送感兴趣的频段中的多个电磁信号。
可选地，其中，致动单元接收运载交通工具的三维（3D）坐标；以及
其中，当长形SATCOM天线面板接近地球赤道平面时，通过致动单元保持长形SATCOM天线面板与地球赤道平面对准并且与运载交通工具的运动轨迹平行，从而保持长形SATCOM天线面板对准地球赤道平面并且平行于运载交通工具的运动轨迹。
可选地，其中，多个正交的致动器中的特定致动器包括：
电机，电机生成围绕运载交通工具的重心的旋转力和力矩，其中，多个正交的致动器中的每个特定致动器在三维空间中自主地施加力。
可选地，其中，致动单元调节多个正交的致动器中的特定致动器的定时、功率、扭矩和方向。
可选地，其中，上述对换将长形SATCOM天线面板操作为在地球赤道平面外部的路线上垂直于地球赤道平面并且沿天线罩对准，从而减少具有不多于2度角的典型宽度的NAB的劣化。
可选地，其中，电子操纵控制器独立调节多个电磁作用区中的特定电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度。
可选地，其中，感兴趣的频段中的多个电磁信号是Ku频段信号。
可选地，其中，感兴趣的频段中的多个电磁信号是以下频段中的至少一个频段：L频段（1GHz至2GHz）、S频段（2GHz至3GHz）、C频段（4GHz至7GHz）、X频段（8GHz至11GHz）、以及Ka频段（17GHz至21GHz和27GHz至31GHz）。
根据本发明的一些实施例，提供有一种用于将第一旋转轴与正交的第二旋转轴进行对换的计算机实现方法，包括：
使用处理器接收表示长形SATCOM天线面板是否在地球赤道平面外的状态信息，以及
发送用于对换第一轴和正交的第二轴的指令，以及
其中，该对换使得长形SATCOM天线面板能够在地球赤道平面外部的路线上垂直于地球赤道平面并且沿天线罩对准，从而减少具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束的劣化。
可选地，还包括：
接收运载交通工具的三维坐标。
可选地，还包括：
发送用于对长形SATCOM天线面板上的电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度进行操纵的指令。
根据本发明的一些实施例，提供有一种包括非暂态计算机可用存储介质的计算机程序产品，该非暂态计算机可用存储介质具有实现在该介质中的、用于将第一旋转轴与正交的第二旋转轴进行对换的计算机可读程序代码，计算机程序产品包括：
第一计算机可读程序代码，用于使得处理器能够接收表示长形SATCOM天线面板是否在地球赤道平面外的状态信息，
第二计算机可读程序代码，用于使得处理器能够对换第一轴和正交的第二轴，以及
其中，该对换使得长形SATCOM天线面板能够在地球赤道平面外部的路线上垂直于地球赤道平面并且沿天线罩对准，从而减少具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束的劣化。
根据本发明的一些实施例，提供有一种用于使用长形SATCOM天线面板的计算机实现的方法，该长形SATCOM天线面板对来自围绕地球的对地同步轨道上的卫星阵列中的单个卫星进行照射，该方法包括：
使用处理器定位卫星，
接收运载交通工具的坐标，
保持长形SATCOM天线面板与地球赤道平面对准并且与运载交通工具的运动轨迹平行，以及
使用长形SATCOM天线面板来辐射具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束（NAB），从而对来自围绕地球的对地同步轨道中的卫星阵列中的单个卫星进行照射。
可选地，还包括：发送用于对长形SATCOM天线面板上的电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度进行操纵的指令。
可选地，其中，定位包括：
跟踪从单个卫星发送的跟踪信号，
其中，从单个卫星上的发送器发送的跟踪信号表示单个卫星的位置，以及
其中，卫星阵列在围绕地球的对地同步轨道中进行轨道运动，使得长形SATCOM天线面板适合于跟踪处于以至少2度角分开的、预定的对地同步卫星停泊位置（parkingslot）内的单个卫星。
除非另外限定，否则本文中使用的所有技术术语和/或科学术语与本发明所属领域的技术人员所通常理解的含义相同。尽管与本文所述的那些方法和材料的类似者或等同者可以用于实践或检验本发明的实施例，但是以下所述的是示例性的方法和/或材料。在发生冲突的情况下以专利说明书及其包括的定义为准。此外，材料、方法以及示例仅是说明性的并且不一定意在进行限制。
附图说明
参照附图仅作为示例在本文中说明了本发明的一些实施例。现在具体参照详细的附图，强调的是所示细节仅作为示例并且用于说明性论述本发明的实施例的目的。在这方面，结合附图进行的描述使得可以如何实践本发明的实施例对于本领域的技术人员而言变得显然。
在附图中：
图1是用于与被耦接到飞行器的长形SATCOM天线面板进行通信的对地静止卫星的示例性环境的图解；
图2是示出在采用阿尔塔方位坐标系统的三维空间中的飞行动力学参数和正交旋转轴的环境；
图3是根据本发明的一些实施例的简化的长形SATCOM天线面板的框图；
图4是根据本发明的一些实施例的示例性SATCOM天线组件、面板、电磁作用区以及基座的三维视图的图解；
图5是根据本发明的一些实施例的示例性电子操纵处理的图解；
图6也是根据本发明的一些实施例的示例性电子操纵处理的图解；
图7是根据本发明的一些实施例的接近地球赤道平面或者在地球赤道平面外的示例性机械操纵处理和轴对换的图解；
图8也是根据本发明的一些实施例的接近地球赤道平面或者在地球赤道平面外的示例性机械操纵处理和轴对换的图解；
图9是根据本发明的一些实施例的在地球赤道平面上方的示例性方位波束扫描的图解；
图10A至图10B是示出根据本发明的一些实施例的用于对换两个选定的正交轴的方法的流程图；以及
图11是示出根据本发明的一些实施例的用于结合电子操纵来对换两个选定的正交轴的方法的流程图。
具体实施方式
本发明在其一些实施例中涉及SAS并且更具体地但非排他地涉及用于赤道操作的低剖面长形SATCOM天线面板。
根据本发明的一些实施例，提供了具有用于与对地静止卫星进行通信的一个或更多个长形SATCOM天线面板的系统、以及用于控制该（这些）长形SATCOM天线面板并针对对地静止操作而对该（这些）长形SATCOM天线面板进行优化的方法。
在本文中教示的系统和方法采用下述方案：期望对第三旋转轴即滚动旋转施加影响，从而扩展长形SATCOM天线面板的移动范围。
对第三旋转轴施加影响可以提供益处，诸如生成窄方位波束以及降低通信中断。可选地，所使用的长形SATCOM天线面板可以辐射窄方位波束（NAB），该窄方位波束（NAB）可选地具有不多于2度角的典型宽度。
由于通过致动单元施加到正确的轴上的主动反向旋转的形式的调整，，所以飞行器的任何旋转使发送到对地静止卫星的信号最低程度地劣化并且引起非常小的通信中断（如果引起通信中断的话）。
当在本文中使用时，术语天线罩指的是天线的壳体或外壳。外壳可透射电磁无线电信号并且可以将其尺寸和形状设置成适应各种性能和空气动力学考虑因素。外壳可以包括坚固的聚合物材料和/或复合材料等。
NAB可以是被发射成与对地静止轨道上的两个点相交的锥形波束，以使得NAB可选地具有在沿锥形波束的投影的起点之间形成的不多于2度角的宽度，从而瞄准单个卫星。卫星可以是在对地静止轨道上的停泊位置中的卫星阵列中的卫星的一部分。
当SAS在发送和/或接收操作模式下时，使用可选地具有不多于2度角的宽度的NAB可以减少相邻卫星干扰。因此，当运载交通工具在三维空间中自由移动时，系统可以保持与特定的卫星进行通信。
安装SAS，以使得长形SATCOM天线面板被放置成平行于运载交通工具的运动轨迹。如上文中所述，致动单元以机械方式在三个正交旋转轴上致动长形SATCOM天线面板。
在使用中，指示致动单元来使长形SATCOM天线面板沿滚动旋转轴旋转，以便将长形SATCOM天线面板保持为对准地球赤道平面并且所产生的NAB宽度可以消除相邻卫星照射（ASI）。因此，对在三个多轴上的机械致动的优化使得长形SATCOM天线面板能够在运载交通工具正在移动时继续保持对准地球赤道平面，并且使得能够对第三附加滚动旋转轴进行致动。
在本发明的一些实施例中，以下范围与围绕轴的角旋转相关联：0度至360度的方位（偏航旋转）、0度至90度的俯仰旋转、以及滚动旋转：-7度至+7度。
可选地，系统利用适合于将第一旋转轴与正交的第二旋转轴进行对换的轴对换。此外，致动单元控制并且触发轴对换。对换操作使得甚至在地球赤道平面外部的路线上或者在接近地球赤道平面的路线上长形SATCOM天线面板也能够垂直于地球赤道平面线并且沿天线罩对准，从而减少可选地具有不多于2度角的典型宽度的NAB的劣化。因此，在使用中，系统能够实现在整个对地静止轨道上都均匀的波束宽度分辨率（beam widthresolution）。
当在本文中使用时，术语接近赤道指的是以不多于25度或者更少的俯仰角在+/-（10至15）度纬度内（+N，-S）行进。
在一些实施例中，通过SATCOM天线面板的机械式重对准实现对换操作，例如，置换纵向轴和横向轴导致SATCOM天线面板的重对准，并且，随后纵向轴上的旋转现在在横向轴上执行并且横向轴上的旋转现在在纵向轴上执行。
轴对换被触发的实际纬度范围由系统动态确定，并且取决于实际天线参数（诸如方位）和实际NAB宽度以及其他因素。
可选地，系统包括电子操纵控制器，该电子操纵控制器独立控制长形SATCOM天线面板上的多个电磁作用区中的每个电磁作用区，并且独立调节每个电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度。电子操纵是一种可以提高对相邻卫星的辨别的优化。经提高的卫星辨别可以导致ASI的消除。可选地，与机械操纵相结合地使用电子操纵以进一步扩展电子操纵范围。
设计和生产上述安装于交通工具的长形SATCOM天线面板，使得其具有低剖面和/或重量轻，例如具有适合于安装在交通工具（诸如飞行器、船、潜艇和/或火车）的顶部上的低阻平板气体动力外壳。相对于具有类似能力的其他天线，低剖面设计在不牺牲NAB宽度分辨率的情况下提高了空气动力外壳的适用性。
应当注意的是，虽然本文中关于Ku频段中的电磁信号来描述本发明的实施例，但是技术人员将会理解这些实施例还可应用于其他无线电频段，诸如但不限于L频段（1千兆赫（GHz）至2GHz）、S频段（2GHz至3GHz）、C频段（4GHz至7GHz）、X频段（7GHz至11GHz）以及Ka频段（17GHz至21GHz和27GHz至31GHz）。
当在本文中使用时，术语Ku频段指的是对接收和发送分别使用约12GHz的频率和14GHz的频率的卫星通信的电磁频段。
在对本发明的至少一个实施例进行详细说明前，要理解的是本发明不一定将其应用限于在以下描述中阐明的和/或在附图和/或示例中示出的部件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施例或者能够以各种方式实施或实行。
如本领域的技术人员将会理解的那样，本发明的各方面可以被实施为系统、方法或者计算机程序产品。因此，本发明的各方面可以采取完全硬件实施方式、完全软件实施方式（包括固件、驻留软件、微代码等）或者结合软件和硬件方面的实施方式的形式，所有这些软件和硬件方面在本文中都可以一般地称作为“电路”、“模块”或者“系统”。此外，本发明的各方面可以采取在一个或更多个计算机可读介质中实现的计算机程序产品的形式，该一个或更多个计算机可读介质中实现有计算机可读程序代码。
可以利用一个或更多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或者半导体的系统、设备或装置或者前述的任何适合的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例（非穷举列表）可以包括以下：具有一个或更多个线的电连接、便携式计算机软磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式光盘只读存储器（CD-ROM）、光存储装置、磁存储装置或者前述的任何适合的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可以包含或者存储由指令执行系统、设备或装置使用或者与指令执行系统、设备或装置结合的程序的任何有形介质。
计算机可读信号介质可以包括实现有计算机可读程序代码的、例如在基带中的或作为载波的一部分的传播数据信号。这种传播信号可以采取多种形式中的任何形式，包括但不限于电磁、光或其任何适合的组合。计算机可读信号介质可以是下述任何计算机可读介质：该任何计算机可读介质不是计算机可读存储介质，并且可以传送、传播或传输由指令执行系统、设备或装置使用的或与所述指令执行系统、设备或装置结合的程序。
可以使用任何适当的介质（包括但不限于无线、有线、光缆、RF等或者前述的任何适合的组合）来传送计算机可读介质所具有的程序代码。
可以使用一种或更多种编程语言的任何组合来编写用于执行本发明的各个方面的操作的计算机程序代码，所述一种或更多种编程语言包括面向对象编码语言（诸如java、Smalltalk、C++等）和常规过程编程语言（诸如“C”编程语言或者类似的编程语言）。程序代码可以完全在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为独立软件包部分地在用户计算机上且部分地在远程计算机上执行、或者完全地在远程计算机或服务器上执行。在后者的情况下，远程计算机可以通过包括局域网（LAN）或广域网（WLAN）的任何类型的网络连接到用户的计算机，或者可以实现与外部计算机进行连接（例如，使用因特网服务提供商通过因特网连接）。
下面参照根据本发明的实施例的方法、设备（系统）以及计算机程序产品的流程图图解和/或框图来描述本发明的各个方面。要理解的是流程图图解和/或框图中的每个框以及流程图图解和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生机制，使得经由计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在一个或更多个流程图框和/或框图框中所指定的功能/动作的设备。
也可以将这些计算机程序指令存储在可以引导计算机、其他可编程数据处理设备或者其他装置以特定的方式执行功能的计算机可读介质中，以使得存储在计算机可读介质中的指令生成包括实现在一个或更多个流程图框和/或框图框中指定的功能/动作的指令的制造品。
也可以将计算机程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理设备或者其他装置上，以导致要在计算机、其他可编程数据处理设备或者其他装置上进行的一系列操作步骤生成计算机实现的处理，使得在计算机或者其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在一个或更多个流程图框和/或框图框中指定的功能/动作的处理。
根据本发明的一些实施例，提供了具有用于与对地静止卫星进行通信的一个或更多个长形SATCOM天线面板的系统以及控制这样的长形SATCOM天线面板的方法。在使用中，长形SATCOM天线面板具有可选地具有对应于2度角或更少的宽度的NAB。
应当注意的是，在下文中无论在何处涉及坐标系统，都假定运载交通工具（诸如飞行器）在限定下述飞行路径的连续轨迹中行进：该飞行路径使得飞行器在如图2的附图标记402所描绘的纵向轴上向前行进。
围绕其致动天线面板的各轴中的一个轴是滚动旋转轴。与两个其他正交轴相结合地使用滚动旋转轴，以减少至长形SATCOM天线面板的NAB与对地静止卫星之间形成的最小不可达区域。
可选地，长形SATCOM天线面板持续保持对准地球赤道平面，从而降低与对地静止卫星的间歇性通信中断的发生。
此外，致动单元指示致动机构来对换任意两个正交轴（例如俯仰和方位），以使得当运载交通工具在地球赤道平面外部的路线上或者在接近地球赤道平面的路线上时能够保持天线沿天线罩对准并且垂直于地球赤道平面，从而减少NAB宽度分辨率的劣化。
设计和生产长形SATCOM天线面板，使得其具有平的面板、低剖面并且重量轻，例如具有适合于安装在交通工具（诸如飞行器、船、潜艇和/或火车）的顶部上的低阻空气动力外壳。相对于具有类似能力的其他天线，低剖面设计在不牺牲NAB宽度分辨率的情况下提高了空气动力外壳的适用性。
在下文中结合飞行器来论述天线系统，然而应当理解的是可以结合其他交通工具（诸如UAV或者潜艇等）利用天线系统。
现在参照图3，图3是下述框图904：其示出根据本发明的一些实施例的具有围绕三个垂直轴致动的长形SATCOM天线面板560的SAS。围绕三个垂直轴致动长形SATCOM天线面板的能力使得SAS能够减少来自相邻卫星的干扰。
控制单元280接收表示长形SATCOM天线面板560是否在地球赤道平面外或接近地球赤道平面的状态信息，并且随后把用于将两个轴的作用对换的指令发送到致动单元270。
可选地，控制单元280可以发送用于改变长形SATCOM天线面板560上的电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度的指令。可以由一个或更多个源（未绘出）（诸如对长形SATCOM天线的作用区部分进行馈送的信号源）为系统提供动力。
致动单元270控制多个致动器、致动处理、轴对换机构、供应给每个致动器的动力以及各个致动器之间的协调。在使用中，由致动单元270来指示致动机构（未绘出），以使长形SATCOM天线面板围绕滚动旋转轴旋转，以便保持长形SATCOM天线面板对准地球赤道平面并且所产生的NAB宽度减少和/或消除ASI。根据本发明的一些实施例，每个轴由单独的伺服电机驱动，该伺服电机可以由单个电源或者多个电源（例如内部的或者外部的）来供电。
可选地，系统包括电子操纵控制器260，电子操纵控制器260独立地控制SATCOM天线面板560上的一个或更多个电磁作用区，并且独立调节每个电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度。动态调节电磁作用区的相位和幅度可以提高天线波束宽度的辨别能力，从而导致经优化的对ASI的消除。更可选地，通过机械操纵增强电子操纵，以扩展长形SATCOM天线面板560的角度范围。
现在参照图4，图4是根据本发明的一些实施例的示例性长形SATCOM天线组件、面板、基座以及电磁作用区的三维视图906的图解。
在休息时，长形SATCOM天线面板560垂直于长形SATCOM天线面板基座板590。长形SATCOM天线面板560可以包括在图5至图6中用附图标记550A、550B以及550C例示的多个电磁作用区。
长形SATCOM天线面板560的机械操纵基于围绕轴模型的三（3）个自由度。该配置包括彼此独立工作的三个分离的致动器。根据本发明的一些实施例，每个轴由其自己的致动器驱动：滚动致动器592、方位致动器596以及俯仰致动器594。
根据本发明的一些实施例，每个轴由单独的伺服电机驱动，该伺服电机可以由单个电源和/或多个电源（例如内部或者外部的）供电。
当在本文中使用时，术语伺服指的是作为用于机械运动的自动反馈控制系统的最后控制部分的、包括有刷或者无刷电机、直线电机和非直线电机、嵌入式电机等的任何电子、液压、核能、机电一体化或者其他类型的电机。
为了维持伺服致动和SATCOM天线面板560的旋转尽可能顺利，可以在致动器内部的机械齿轮接口中的一些或者全部机械齿轮接口处使用轴承。此外，为了使在与致动器的运动相反的方向上施加到该致动器上的外力最小化，致动器可以利用无齿隙齿轮（未绘出）。例如，也可以将飞行器上承受的阻力施予到致动器上。
根据本发明的一些实施例，每个致动器包括电机，该电机生成围绕运载交通工具的重心的旋转力和力矩。此外，每个致动器可以在三维空间中自主地施加力。
可以沿长形SATCOM天线面板560的外表面将致动器连接到长形SATCOM天线面板560，或者可以在制造期间将致动器集成到长形SATCOM天线面板560。不管每个致动器的特定配置如何，如所指出的那样，致动是由图3的致动单元280来控制。
根据本发明的一些实施例，每个齿轮和/或伺服可以例如使用陀螺仪而独立地稳定。当SATCOM天线面板560和运载交通工具旋转时，作为响应，可以单独地指示每个致动器来在一定方向上施加力和/或力矩，使得该致动器对运载交通工具围绕其旋转轴的旋转进行抵制和补偿。
现在参照图5至图6，图5至图6是根据本本发明的一些实施例的示例性电子操纵系统908和910的图解，以便展示相位和幅度的动态移位（dynamic shift）如何可以提高相邻卫星的辨别。图5描绘了在不利用电子操纵并且从作用区550A、550B以及550C中的每个作用区发射的波瓣552的幅度和相位均匀且相等的情况，而另一方面，图6描绘了通过电子操纵单元260对作用区之一550C在相位556和幅度562两个方面进行电子移位从而导致波瓣554的情况。如下文所述，方位分辨率在通过SAS的NAB宽度106来消除ASI的过程中具有作用。方位分辨率由以下各项确定：
（a）所描绘的由希腊字母Ω表示的、长形SATCOM天线面板的NAB宽度106的角102，
（b）长形SATCOM天线面板和卫星之间的距离，以及
（c）由长形SATCOM天线的NAB照射的卫星轨道带（orbit strip）的宽度。为了使NAB分辨两个卫星，这两个卫星必须在方位方向上以大于NAB宽度106的距离分开。
为了容纳通信工业所要求的卫星的数目，通信卫星被集群到紧密的二（2）度112停泊轨道中。在多于几百个卫星在对地同步轨道132中进行轨道运动的情况下，国际监管机构指定对地同步轨道上的可以放置通信卫星的位置。以经度来指明这些位置，并且这些位置被称为轨道位置（orbital slot）118。
响应于轨道位置118的需求，对地静止卫星之间所需的间隔是2度；然而，典型的陆地、空中以及SAS具有通常5度至8度的NAB宽度。由于倾角，这种天线在靠近地球赤道平面时可照射多于一个卫星。这会导致照射多于一个卫星，从而产生ASI。
此外，安装在飞行器上的小横截面天线（诸如长形SATCOM天线面板）可具有宽天线波束宽度和宽辐射图（radiation pattern）。如图2中所例示的那样，宽辐射图124（未按比例绘制）可转而导致照射相邻卫星126，即在本文中被称作为ASI的现象。因此，正确地指向天线对小型SAS而言变得更关键。
再一次参照图5至图6，电子操纵控制器260可选地独立控制长形SATCOM天线面板560上的一个或更多个电磁作用区（例如550A、550B以及550C）并且独立调节每个电磁作用区的相位和幅度。这可以通过使得从电磁作用区发射的波束能够精确瞄准卫星来提高相邻卫星的辨别，从而导致ASI的消除。可以通过机械操纵来增强电子操纵以扩展角度范围，例如，如果电子操纵在+/-180度相移的范围中进行操作，则与机械致动联合使用就可以实现更大的角度范围。如所描绘的那样，例示了三（3）个作用区，然而根据本发明的一些实施例，存在受到电子操纵的任何数目的作用区，并且每个作用区由电子操纵控制器来控制和致动。
由电子操纵单元260自动进行是否利用电子操纵的决定。与电磁信号幅度的减小或增加相结合的、电磁信号的相移可以产生改进的NAB宽度，从而使得能够更好地辨别卫星。
接下来参照图7至图8，图7至图8是根据本发明的一些实施例的、接近地球赤道平面的或者在地球赤道平面外的示例性机械操纵和轴对换操作912和914的图解。还参照图9，图9是根据本发明的一些实施例的在地球赤道平面上方的方位波束扫描916的示意性图解。
动态对换两个选定的正交轴使得能够进行可以实现典型地具有1度角的NAB宽度的机械操纵，因此照射单个卫星。在图9中例示了以下情况：长形SATCOM天线面板560A首先在地球赤道平面内，然后长形SATCOM天线面板560B在地球赤道平面外或者接近地球赤道平面并且如所描绘的那样受到轴对换。
如下文中所述的长形SATCOM天线面板560可以受到由上述阿尔塔方位坐标系统限定的相同的机械旋转规则的影响。
长形SATCOM天线面板560的机械操纵基于围绕如现在在图7中例示的以及先前在图2中例示的轴模型的3个自由度。该配置包括独立工作的三个分离的致动器。图7至图8描绘了为机械齿轮形式的致动器和致动机构的简化视图。
一个或更多个致动单元270可以控制致动器、致动处理、轴对换处理、供应给每个伺服的电力以及各个致动器之间的协调。
在使用中，由致动单元270指示致动机构（未绘出）来使长形SATCOM天线面板围绕滚动轴旋转，因此，使长形SATCOM天线面板保持对准地球赤道平面，并且所产生的NAB宽度消除了ASI。
典型的飞行器和SAS（诸如图5中描绘的SAS）具有下述NAB宽度：该NAB宽度具有典型的5度角至8度角102（由希腊字母Ω表示）。在正常情况下，这种天线可以仅照射一个卫星。
然而，当这种长形SATCOM天线面板靠近地球赤道平面时，由于倾角以及围绕纵向轴402、横向轴404以及垂直轴406的旋转过程中固有的限制，天线可能照射多于一个卫星。例如，横越地球赤道平面132均等地分隔开的诸如118A和118B的卫星。这种现象可导致ASI。
可选地，利用优化来解决上述照射现象。将优化描述如下：
（a）由致动单元270指示致动器来使长形SATCOM天线面板围绕滚动轴旋转，以便保持长形SATCOM天线面板对准地球赤道平面并且所产生的NAB宽度消除ASI。如所描述的那样，本发明使得第三旋转轴能够使SAS围绕滚动轴旋转。
（b）对致动机构进行操作的致动单元270控制用于使两个选定的正交轴（例如俯仰轴和方位轴）的作用对换的轴对换机构（未绘出）。
对换操作使得长形SATCOM天线面板的电磁作用区能够在地球赤道平面外部的路线上沿天线罩对准并且垂直于的地球赤道平面线，而不会不利地影响波束宽度分辨率。动态对换两个选定的轴的能力使得能够实现可选地具有下述宽度的优化的NAB，从而导致仅照射一个卫星118A：如所描绘的那样，该宽度具有典型的1度角102（由希腊字母Ω表示）。
接下来参照图10A至图10B，图10A至图10B是示出根据本发明的一些实施例用于对换两个选定的正交轴的方法的流程图918和流程图920。
轴对换是下述优化：该优化使得长形SATCOM天线面板560甚至在赤道外的路线上或接近赤道的路线上也能够沿天线罩对准并且垂直于赤道，从而减少可选地具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束的劣化。
首先参照图10A，方法涉及首先在1102处接收表示长形SATCOM天线面板560是否在地球赤道平面外或者接近地球赤道平面的状态信息。
例如可以使用本领域已知的、能够收集与三维空间中的交通工具的定向有关的信息的多个陀螺仪和/或光学传感器和/或磁力计和/或其他类型的传感器来获得三维坐标。
接下来，在信息的确表示长形SATCOM天线面板560在地球赤道平面外或者接近地球赤道平面的情况下，方法涉及在1104处发送用于对换第一旋转轴和正交的第二旋转轴（例如方位和俯仰）的指令。
否则，在信息不表示长形SATCOM天线面板560在地球赤道平面外或者接近地球赤道平面的情况下，方法涉及在1106处循环返回到1100。
现在参照图10B，方法可选地涉及首先在1100处接收长形SATCOM天线面板的三维坐标。例如可以使用本领域已知的、能够收集与三维空间中的交通工具的定向有关的信息的多个陀螺仪和/或光学传感器和/或磁力计和/或其他类型的传感器来获得三维坐标。
更可选地，现在参照图11的流程图922，在1108处示出了方法涉及发送用于对长形SATCOM天线面板560上的电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度进行操纵的指令。
示例
现在结合以上描述和附图参照以下示例；以非限制方式示出本发明的实施例。
应当理解的是在上文中提供的所有示例本质上是示例性的。例如，可以存在对表示运载交通工具的定向的测量值进行接收的其他方法，而不会脱离权利要求的范围。
示例1-飞行器单个轴调整
在本发明的一些实施例中，期望消除人类飞行员命令运载飞行器旋转（诸如围绕滚动轴旋转）的后果。所期望的响应是使长形SATCOM天线面板保持瞄准单个对地静止卫星，从而消除ASI。
由于以通过致动单元施加到正确的轴上的旋转的形式进行调整，所以飞行器围绕滚动轴的任何旋转既不会使发送到对地静止卫星的信号劣化也不会引起通信中断。因此，在本示例性情况下的结果是致动单元通过抵消飞行器经受的旋转的对应值而调整长形SATCOM天线面板的旋转。
可以在制造集成电路芯片的过程中使用上述方法。
图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施例的系统、方法以及计算机程序产品的架构、功能以及可能的实现操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、片段或者包含一个或更多个用于实现一个或更多个指定逻辑功能的可执行指令。还应当注意，在一些可替代的实现中，框中指出的功能可以以与图中指出的顺序不一样的顺序发生。例如，连续示出的两个框可以事实上基本同时执行，或者根据涉及到的功能，有时可以以相反的顺序来执行框。还要注意，框图和/或流程图图解中的每个框或框图和/或流程图图解中的框的组合可以由执行指定功能或动作的专用的基于硬件的系统或者专用的硬件与计算机指令的组合来实现。
本发明各种实施例的描述是为了说明的目的而呈现，而不意在穷举或者限于所公开的实施例。在不脱离所述实施例的范围和精神的情况下许多修改和变形对于本领域普通技术人员而言是显然的。在本文中使用的专门名词被选择成最好地说明实施例的原理、实践应用或对市场上出现的技术进行的技术改进，或者被选择成使得本领域的其他普通技术人员能够理解在本文中所公开的实施例。
预期在从本申请得到的专利的有效期期间将会开发出许多相关的长形SATCOM天线面板并且该术语长形SATCOM天线面板的范围意在包括所有这种演化的新技术。
当本文所使用时，术语“约”指的是±10%。
术语“包括（comprises）”、“包含（comprising）”、“包括（includes）”、“含有（including）”、“具有”及其同根词的意思是“包括但不限于”。本术语包含术语“由……组成”和“基本上由……组成”。
短语“基本上由……组成”的意思是该组合或方法可以包括附加的成分和/或步骤，但是是在当且仅当这些附加的成分和/或步骤不会在物质上改变所要求保护的组合或方法的基本特性和新颖特性时的情况下。
当本文使用时，单数形式“一个（a）”、“一个（an）”和“该（the）”包括复数指代，除非上下文另有明确指示。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。
本文使用的词语“示例性”的意思是“用作示例、实例或举例说明”。描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为相对于其他实施例是优选或有利的和/或不一定排除并入来自其他实施例的特征。
本文使用的词语“可选地”的意思是“在一些实施例中设置而在其他实施例中不设置”。本发明的任何特定实施例可以包括多个“可选的”的特征，除非这些特征冲突。
遍及本申请，本发明的各种实施例可以以范围形式呈现。应当理解，为范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，而不应当被说明为对本发明的范围的僵化限制。因此，范围的描述应被认为具体公开了所有可能的子范围以及在该范围内的单个数值。例如，诸如1到6的范围的描述应当被认为已具体公开子范围诸如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等以及在该范围内的单个数值例如1、2、3、4、5以及6。不管范围的宽度如何，这都是适用的。
无论什么时候在本文中指出数值范围时，它是指包括在所指出的范围内的任何引用的数（分数或整数）。短语在第一指示数字和第二指示数字“之间的范围”和“从”第一指示数字“至”第二指示数字的“范围”在本文可互换使用，并且意思是包括第一指示数字和第二指示数字以及第一指示数字与第二指示数字之间的所有分数和整数。
应当理解，为清晰起见在分离的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中以组合设置。相反，为简洁起见在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以分离地设置或以任何合适的子组合设置，或者合适地在本发明的任何其他描述的实施例中设置。在各个实施例的上下文中描述的某些特征不能被认为是那些实施例的必要特征，除非该实施例在没有这些要素的情况下是无效的。
虽然已经结合本发明的具体的实施例对本发明进行了描述，但是显然，许多替代方式、修改和变形对本领域技术人员将是明显的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这种替代方式、修改和变形。
本说明书提到的所有出版物、专利以及专利申请的全部内容通过引用并入本说明书中，其程度如同将每个单独的出版物、专利或专利申请具体地和单独地指明通过引用并入本文的程度一样。另外，本申请中的任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认这种参考文献作为本发明的现有技术可获得。就使用章节标题而言，章节标题不应被解释为一定为限制性的。

Claims (21)

1.一种用于与对地静止卫星进行通信的系统，其用于将第一旋转轴与正交的第二旋转轴对换，所述系统包括：
长形卫星通信SATCOM天线面板，所述长形SATCOM天线面板的尺寸和形状被设置成辐射具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束NAB；
致动单元，所述致动单元使所述长形SATCOM天线面板围绕所述第一旋转轴旋转，所述第一旋转轴是平行于所述长形SATCOM天线面板的纵向轴以用于施加俯仰旋转；以及
控制单元，所述控制单元基于所述长形SATCOM天线面板的位置是否处于地球赤道平面的预定纬度范围内，选择性地向所述致动单元发送用于对换所述第一旋转轴与所述正交的第二旋转轴的指令。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述正交的第二旋转轴包括正交于所述纵向轴的横向轴以及正交于所述横向轴的垂直轴，并且所述致动单元独立控制多个正交的致动器，其中，所述多个正交的致动器中的每个致动器独立地使所述长形SATCOM天线面板围绕所述纵向轴、所述横向轴以及所述垂直轴中的至少一个轴而倾斜。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统位于移动的交通工具上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，具有不多于2度角的典型宽度的所述NAB被生成为被发射成与对地静止轨道上的两个点相交的锥形波束，使得具有在沿所述锥形波束的投影的起点之间形成的不多于2度角的典型宽度的所述NAB仅瞄准一个卫星。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述长形SATCOM天线面板包括多个电磁作用区，其中，每个所述电磁作用区独立地接收和发射电磁信号相位和电磁信号幅度。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述长形SATCOM天线面板接收和发送感兴趣的频段中的多个电磁信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动单元接收运载交通工具的三维3D坐标；以及
其中，当所述长形SATCOM天线面板接近地球赤道平面时，通过所述致动单元保持所述长形SATCOM天线面板与所述地球赤道平面对准并且与所述运载交通工具的运动轨迹平行，从而保持所述长形SATCOM天线面板对准所述地球赤道平面并且平行于所述运载交通工具的运动轨迹。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个正交的致动器中的每个致动器包括：
电机，所述电机生成围绕运载交通工具的重心的旋转力和力矩，其中，所述多个正交的致动器中的每个致动器在三维空间中自主地施加力。
9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述致动单元调节所述多个正交的致动器中的每个致动器的定时、功率、扭矩以及方向。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对换将所述长形SATCOM天线面板操作为在所述地球赤道平面的预定纬度范围外的路线上垂直于所述地球赤道平面并且沿天线罩对准，从而减少具有不多于2度角的典型宽度的所述NAB的劣化。
11.根据权利要求5所述的系统，其中，电子操纵控制器独立调节所述多个电磁作用区中的特定电磁作用区的所述电磁信号相位和所述电磁信号幅度。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述感兴趣的频段中的多个电磁信号是Ku频段信号。
13.根据权利要求6所述的系统，其中，所述感兴趣的频段中的多个电磁信号是以下中的至少一个：L频段1GHz至2GHz、S频段2GHz至3GHz、C频段4GHz至7GHz、X频段8GHz至11GHz、以及Ka频段17GHz至21GHz和27GHz至31GHz。
14.根据权利要求3所述的系统，其中，当所述交通工具处于从南纬15度延伸至北纬15度的纬度范围内时，所述致动单元施加所述第一旋转轴与所述正交的第二旋转轴的对换。
15.一种用于将第一旋转轴与正交的第二旋转轴进行对换的计算机实现的方法，所述第一旋转轴是平行于长形SATCOM天线面板的纵向轴，所述方法包括：
使用处理器接收表示所述长形SATCOM天线面板是否处于地球赤道平面的预定纬度范围外的状态信息；以及
发送用于对换所述第一旋转轴和所述正交的第二旋转轴的指令；以及
其中，基于所述长形SATCOM天线面板的位置是否处于所述地球赤道平面的预定纬度范围外，进行用于对换所述第一旋转轴与所述正交的第二旋转轴的指令的发送。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
接收运载交通工具的三维坐标。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括：
发送用于对所述长形SATCOM天线面板上的电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度进行操纵的指令。
18.一种存储有计算机可读程序代码的非暂态计算机可用存储介质，所述计算机可读程序代码使得计算机执行用于将第一旋转轴与正交的第二旋转轴进行对换的方法，所述第一旋转轴是平行于长形SATCOM天线面板的纵向轴，所述方法包括：
接收表示所述长形SATCOM天线面板是否处于地球赤道平面的预定纬度范围外的状态信息；
对换所述第一旋转轴和所述正交的第二旋转轴；以及
其中，基于所述长形SATCOM天线面板的位置是否处于所述地球赤道平面的预定纬度范围外，进行所述第一旋转轴与所述正交的第二旋转轴的对换。
19.一种用于使用长形SATCOM天线面板的计算机实现的方法，所述长形SATCOM天线面板对来自围绕地球的对地同步轨道上的卫星阵列中的单个卫星进行照射，所述方法包括：
使用处理器定位所述卫星；
接收运载交通工具的坐标；
通过下述方式保持所述长形SATCOM天线面板与地球赤道平面对准并且与所述运载交通工具的运动轨迹平行：基于所述长形SATCOM天线面板的位置是否处于地球赤道平面的预定纬度范围内，发送用于对换第一旋转轴与正交的第二旋转轴的指令，其中所述第一旋转轴是平行于所述长形SATCOM天线面板的纵向轴；以及
使用所述长形SATCOM天线面板来辐射具有不多于2度角的典型宽度的窄方位波束NAB，从而对来自围绕地球的所述对地同步轨道中的卫星阵列中的所述单个卫星进行照射。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：发送用于对所述长形SATCOM天线面板上的电磁作用区的电磁信号相位和电磁信号幅度进行操纵的指令。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述定位包括：
跟踪从所述单个卫星发送的跟踪信号；
其中，从所述单个卫星上的发送器发送的所述跟踪信号表示所述单个卫星的位置；以及
其中，所述卫星阵列在围绕地球的所述对地同步轨道中进行轨道运动，使得所述长形SATCOM天线面板适合于跟踪处于以至少2度角分开的、预定的对地同步卫星停泊位置内的所述单个卫星。
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