CN1298561A - 跟踪非同步卫星的天线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及跟踪沿预定轨道的非同步卫星(21,22)的天线系统。它的特征在于:所述系统包括第一和第二发送/接收部件(11和12),这些部件沿焦点线在系统(1)的聚焦面附近移动,第一部件(11)有源地跟踪第一卫星(21),第二部件(12)准备有源地跟踪第二卫星(22)。对跟踪非同步卫星特别有用,尤其是对低轨道和中轨道卫星,以及对地静止卫星。

Description

跟踪非同步卫星的天线系统
本发明涉及发送和(或)接收信号的系统，特别是涉及跟踪跟踪非同步卫星天线系统。
至今，利用卫星的商用电信几乎全部是通对地静止卫星来实现的，由于它们在天空的相对位置不变，所以是特别有利的。但是，对地静止卫星显出较大的缺点，例如不可忽视的衰减(它和用户天线与对地卫星的距离有关，距离的量级为36,000公里，相应的损失在Ku波段大约为205dB)，以及传输滞后(一般为250ms至280ms的量级)，这些显然是可感觉出的，也会格外扰乱例如电话、电视会议等等的实时应用。再有，位于赤道平面的对地静止卫星轨道，对高纬度区来说有一个视界问题，靠近地极区的仰角变得很小。
用以替代对地静止卫星的方法是：
一使用倾斜椭圆轨道的卫星，这样，在可能长至几小时的时间内，卫星对位于其远地点纬度区来说，几乎是静止的。
一在圆轨道上实现卫星的星座，特别是低轨道(“低地球轨道(LowEarth Orbit)”或LEO)，或中轨道(“中地球轨道(Mid Earth Orbit)”或MEO)，在约数十分钟至一小时左右的时间内，星座中的卫星依次在用户终端的视界范围内飞过。
在这两种情况下，单个卫星不能持久地提供服务，服务的连续性要求几个卫星一个接一个地飞过服务区。
在美国专利文件US 4531129描绘了包括几个源的楞勃(Luneberg)透镜扫描系统，但这个系统太复杂了。
所以，本发明的目的是提出一种用于跟踪卫星的天线系统，使它能在系统视界范围内至少捕获两个相随的卫星，并弥补现有技术系统的缺点。
为此，本发明的主题是一个利用非同步卫星在通信系统中发送和(或)接收信号的系统，这个系统包括多方向聚焦装置，它具有包含多元焦点的聚焦面，还包括：第一信号发送机和(或)接收机部件，和第二信号发送机和(或)接收机部件，第一部件的第一支持装置和第二部件的第二支持装置，这些支持装置是彼此独立的，并分别沿焦点的第一和第二连续线配置，其特征在于：所述系统进一步包括：
第一部件沿焦点的第一连续线位移的第一位移装置，和第二部件沿焦点的第二线位移的第二位移装置，第一和第二位移位置分别处在第一和第二支持装置上，
第一和第二位移装置的控制装置，用于使第一和第二部件沿所述第一和第二焦点线位移。
由此，根据本发明的系统，有可能发送和(或)获取至少两束空间独立的波束，并且在从第一卫星向另一卫星转换时，不发生转换滞后，这种滞后是由于观测到第一卫星的接收装置要重新定位到观测第二卫星的装置造成的。在本专利申请中，术语“有源”指的是与同样所谓的“有源”卫星交换至少大部分有用数据的任何部件。术语“无源”指的是与所谓“无源”卫星交换信号数据和较少有用数据的任何其他部件。因为支持装置是独立的，所以第一和第二部件可以沿聚焦面移动，而不会互相干扰。
根据一个实施例，本发明的系统包括对控制系统进行监控的装置，以便确定要与其进行有用数据交换的发送机和(或)接收机部件，并且转接这个部件至处理所接收的和(或)发送的信号的装置，以便将这些信号链接至外部单元加以利用。
根据一个实施例，在确定的周期中，两个部件被循环地转接至所述处理装置。
根据一个实施例，监控装置被包括在系统的固定设备中。
因此，第一和第二部件的移动不会被现场的电缆打扰，所述第一和第二部件，分别包括用于接收和(或)发射信号的第一和第二天线，所述设备包括第三和第四发射和(或)接收天线，并且在工作时，所述第一和第二部件以及所述设备由无线电链路链接起来。
根据一个实施例，所述支持装置被设置在聚焦面的任意一侧。
根据一个实施例，所述聚焦装置包括一个球形楞勃型透镜。
根据一个实施例，所述支持装置包括半圆形轨道，它的曲率中心与透镜的中心几乎重合，并被偶联至所述支持装置的执行装置。
根据一个实施例，所述执行装置包括卫星方位跟踪用的第一和第二支持装置的旋转装置。
根据一个实施例，这些旋转装置包括通过楞勃透镜中心的旋转轴，所述第一和第二支持装置可围绕该轴旋转。
根据一个实施例，所述第一和第二支持装置包括轨道，所述第一和第二部件被配以马达，使它们能在所述轨道上移动。
根据一个实施例，监控装置控制部件的马达和轨道的执行装置。
根据一个实施例，所述第一和第二部件包括印刷电路板天线。
根据一个实施例，所述第一和第二发送和(或)接收部件，分别包括发送信号用的频率变换块和(或)接收信号用的频率变换块。
根据一个实施例，本发明的系统进一步包括至少一个第三发送机和(或)接收机部件，它处于系统的一个焦点的附近，以便在同一焦点与至少一个对地静止卫星通信。
根据一个实施例，本发明的系统是要沿预定的轨道跟踪非同步卫星，其中，所述第一和第二焦点线与第一和第二卫星的轨道相对应。
在本专利申请中，术语“下行信号”将被解释为从卫星向系统与其链接的单元内部处所的方向上传输的信号，而术语“上行信号”将涉及从处所内部的单元向卫星的方向上传输的信号。
本发明的其他特征和优点，从下参考附图对实施例(非限定的例子)的描述中将有所显示，图中：
图1表示根据本发明的实施例的纵剖面简图；
图2表示根据图1的横剖面的系统部分视图；
图3.a,4.a和5.a分别表示第五/第六发射/接收天线的三个实施例，而图3.b,4.b和5.b分别表示图3.a,4.a和5.a所示衬垫的横剖面图；
图6表示根据本发明的发送机和(或)接收机部件的实施例。
为了简化叙述，在后面的图中对满足同样功能的部件使用同样的参考号码。
图1表示根据本发明的系统1的纵剖面简图，该系统用于跟踪非同步卫星21,22，图2则表示根据图1的横剖面的跟踪系统部分视图。根据在图1和图2所表示的实施例，跟踪系统1被集中在外部单元的罩子3内，所述外部单元一般位于处所(未被表示)之外和卫星21,22飞越的空间视界之内。这个外部单元通常被链接至处所内的单元即解码器。朝向卫星21,22所定位的自由径向空间的系统1的上部，显现已知的固定式楞勃型透镜4和圆柱形旋转轴5的两个部分，旋转轴的轴线51通过透镜4的中心O。经过轴线51的图1的横剖面是两上半球41,42的分界，半球41面向自由径向空间，而半球42则处于罩3之内。透镜4具有聚焦面6，在它的两侧配有轨道7、8的任何一侧。透镜4的选择方法是要在透镜4的物理表面的外侧得到聚焦面6。轨道7、8在图1的剖面上有靠近聚焦面6的半圆形轮廓，它的中心与透镜4的中心O几乎重合，它的相应端通过参考标号为(71,72)和(81,82)的连接装置，分别被链接至轴5的两个部分。轨道7的半径小于轨道8的半径。每个轨道7、8是独立的，并分别凭借马达9、10围绕轴5的轴线旋转。轨道7、8基本上沿两条焦点线配置。
两个发送机/接收机部件或中继设备11、22，(它的运动由控制系统13或微控制器13控制)，能凭借齿轮3801和3802在轨道7、8上运动，齿轮分别与轨道7、8带有的凹槽啮合。这个微控制器控制轨道7、8的马达9、10，使马达围绕它们的旋转轴51旋转，同时也控制马达50,51，从而能控制中继设备11、12沿轨道7、8位移。对中继设备11、12的所述马达50、51的控制是借助于天线501,511，通过无线传输信号来实现的，这些信号由所述微控制器13发出，并是由中继设备11,12所接收到的信息和(或)事先已知的有关卫星21,22轨道的信息，系统1的地理位置等等信息产生的。这个信息被记录在微控制器13的存储器(未描绘)中。
每个中继设备11,12分别包括印刷衬垫141,142，分别用于发送/接收与卫星21,22交换的信号。
图3.a,4.a和5.a分别表示用于发送/接收的所述印刷衬垫141,142的三个实施例，而图3.b,4.b和5.b则分别表示图3.a,4.a和5.a所示衬垫的横剖面图。
这三个印刷衬垫的实施例，把技术上本来已知的微波带电路具体化了。图3a,4a和5a描绘衬底层15的使用，例如用特氟隆玻璃，其上设有面向卫星21,22定位的径向空间的补片(patch)16。层15的反面形成金属表面18，构成接地平面层15。
根据图3a和3b的实施例，与补片16相联系并详示在图6中的发送/接收电路17以两个正交的极化激励补片16。根据这个实施例，补片16和发送/接收电路17被设置在层15的同一上表面。不难了解，一个极化专用于系统发送信号的通道，而第二个极化专用于系统接收信号的通道。
根据图4a和4b的实施例，印刷衬垫包括两层15和19。第一层衬底层15包括其上表面的补片16和其下表面的接地面18，接地面18中设有联接槽20。第二层19被设置成面对接地表面18。发送/接收电路17被设置在层19的下表面，即与层15相接触的表面的相对面。
根据图5.a和5.b的实施例，印刷衬垫现在包括三层，15,21和22。如同前面，第一层衬底层15包括其上表面的补片16和其下表面的接地面18，接地面18中设有联接槽20。第二层21被设置成面对表面18。成为电路17一部分的发送电路171被设置在层21的下表面，即与层15相接触的表面的相对面。第三层22被设置成面对层21的下表面。成为以两个正交的极化激励补片16的电路17的一部分的接收电路172，被设置在层22的下表面，即与层21相接触的表面的相对面。
根据最后这三个实施例，发送和接收以两种极化方式进行，以便使接收通道23(为发源于卫星21,22的信号所用)和发送通道24(为被发送到所述卫星21,22的信号所用)之间的隔离最佳化。
附带说明，在第一层衬底层15上设置单个补片16这样的结构，可以用包括两个补片的结构来代替，这两个补片与衬底层分开，互相面对，在偏移的频率上谐振以加宽通频带。
图6表示根据本发明的，包含在中继设备11,12内的发送/接收电路17。发送电路171处于发送通道24，而接收电路172处于接收通道23。
在这个实施例中，发送/接收电路17一方面被链接至用以激励发送/接收信号用的第一补片16的电路，另一方面也被链接至用以激励发送/接收信号用的第二补片25的电路，补片25也是以两个正交的极化被激励的。补片25对信号的发送和接收能按照图3.a,3.b,4.a,4.b,5.a和5.b中所示的实施例进行。因此，中继设备11,12分别包括形式为印刷衬垫的发射/接收天线381,382，印刷衬垫可类似于所述图中所示的那样。
接收电路172的输入被链接至补片16的输出端口，沿补片16的第一侧以极化P1激励后者，电路172的输出被链接至补片25的输入端口，沿补片25的第一侧极化P1’激励后者。同样，发送电路171的输入被链接至补片25的输出端口，沿补片25第一侧的正交侧，以正交于P1’的极化P2’激励后者，电路171的输出被链接至补片25的输入端口，沿补片25的第一侧的正交则，以正交于P1的极化P2激励后者。接收电路172包括其输入部分的低噪声放大器26，它的输出被链接至带通滤波器27，其通带的中心被定在卫星接收频率上。这个滤波器27的输出被链接至第一混频器28的第一输入，第一混频器的第二输入被来自本地振荡器29的泵激信号激励。混频器28的输出被链接至带通滤波器30的输入，带通滤波器30的中心频率被定为补片25的发送频率。如此被滤波的信号被放大器31放大，然后再次被带通滤波器32滤波，滤波器32消除在包含混频器28和振荡器29在内的变换过程中产生的寄生频率。滤波器32的输出被链接至补片25的发送激励电路的输入。
用同样的方法，发射电路171包括其输入部分的放大器33，它的输出被链接至带通滤波器34，其通带的中心被在补片25的接收频率上。这个滤波器34的输出链接至第一混频器35的第一输入，第一混频器的第二输入被来自本地振荡器29的泵激信号激励。混频器35的输出被链接至带通滤波器36的输入，其中心频率被定为补片16的发送频率。如此滤波的信号被功率放大器37放大，它的输出被链接至补片16的发射馈送电路的输入。
系统1在其底部包含固定的发送/接收装置，以后称其为终端39，它包括两个发射/接收天线391,392，它们与天线381,382通信，所述终端39通过同轴电缆40被链接至包括电视解码器的处所(未被示出)。每个天线391,392分别被链接至频率变换电路3911,3921，其输出被链接至开关53的终端531。这个终端531能根据卫星(21,22)的视界，在电路3911的输出和电路3921的输出之间转接。这种转接被监控系统13控制。开关的另一个终端被链接至频率变换电路54，它的输出被链接至去向处所内部单元的输出电缆40。能够设想，在预测期间，由两个部件接收到的信号在解码器的层次上被利用，也就是说，例如由两个部件接收到的数据帧被认为是有用的数据，而且两个部件被转接到处理电路54。例如，这些信号被叠加，以便在从第一卫星向第二卫星过渡时优化信号质量。
进一步，系统包括第三个固定的发送/接收部件或中继设备120，其处于系统的聚焦面(6)的附近，并能持久地与对地静止卫星(23)通信。
根据本发明的跟踪系统1能以下列与完全非限定的工作模式一致的方式工作：
专用于外部单元和有源卫星之间交换的频谱能够被减小，例如在卫星发送/接收系统框架内，在中继设备11,12中传送频率时，对装置39接收信号来说，可减小至700MHz的频带，对装置39发射信号来说，可减小至300MHz的频带。可以确认所谓“有源频带”频谱的主要部分被贡献于有源卫星和装置39之间的链接。只有所谓“有源频带”频谱的极小部分被贡献于与跟踪卫星有关的信息交换和从一个卫星到另一个卫星的转换(或“移交”)的控制。本质上已知的电子开关具有将有源部件11，12的工作频带转换至有源频带的作用，而无源部件11,12的工作频带被减少至无源频带。
即将离开系统1的视界范围的卫星，或即将处于系统1的视界范围之内的卫星，按从那里发送的数据的顺序派送一个或多个信息项。指挥系统1进行中继设备11,12的转接。在这个转接时刻，信息被发送至两个中继设备11,12。后者交换它们的角色，一个变成有源的，另一个则进入待机状态并在适当场所就位，以便处于下一个卫星的视界之内，准备下次转接。包含在装置39中的监控系统13，通过啮合于有槽的齿条中的齿轮3801和3802的动作，控制各个中继11,12的轨道，同时也对被链接(例如通过同轴电缆411和412)至监控系统13的执行装置9,10进行控制。这些执行装置例如马达9,10。这些控制能分别调整中继11,12的仰角和方位角。因此，当轨道相对于预置的卫星21,22轨道存在偏移时，从所述卫星21,22接收信息以便使轨道得以校正的监控系统，控制马达50,51的动作，使中继11,12在轨道7,8上移动，并控制马达9，10的动作，使中继11,12在正交于轨道7,8的平面内移动，这是通过使轨道7,8围绕它们的轴51旋转而实现的。
补片25的无线发送/接收频率以这样的方法来选择，即得到的频谱足够接收和发送信号所用。为避免任何干扰，每个中继11,12都在它自己的副频带内进行发射和接收。
当然，本发明不限于上面描述的实施例。因此，楞勃透镜可以是圆柱面的。同样，可以设想任何别的监控装置，用以改变部件11,12的仰角和方位角以及任何其他位置。
最后，从卫星21向卫星22转接的管理，可以用任何有别于用于解释本发明操作的方式进行。它能包括所有已知的能够对所述至少两个卫星21,22的多路接入的方法。

Claims (16)

1．利用非同步卫星在通信系统中发送和(或)接收信号的系统，包括多方向聚焦装置(14)，它具有包含多元焦点的聚焦面，还包括第一信号发送机和(或)接收机部件(11)，和第二信号发送机和(或)接收机部件(12)，支持第一部件的第一装置(7)和支持第二部件的第二装置(8)，这些支持装置是彼此独立的，并分别沿焦点的第一和第二连续线配置，其特征在于所述系统进一步包括：
使第一部件(11)沿焦点的第一连续线位移的第一位移装置(3801)和使第二部件(12)沿焦点的第二线位移的第二位移装置(3802)，第一和第二位移位置分别处在第一和第二支持装置上，
第一(3801)和第二(3802)位移装置的控制装置(50,51)，用于使第一和第二部件(11,12)沿所述第一和第二焦点线位移。
2．根据权利要求1的系统，其特征在于：它包括对控制装置进行监控的装置(13)，以便确定要与其进行有用数据交换的发送机和(或)接收机部件(11,12)，并且转接这个部件至装置(54)用于处理所接收的和(或)发送的信号，从而传送这些信号至系统外部的单元加以利用。
3．根据权利要求2的系统，其特征在于：在确定的周期内，两个部件被循环地转接至所述处理装置(54)。
4．根据权利要求3的系统，其特征在于：监控装置(13)被包括在系统的固定设备(39)中。
5．根据权利要求4的系统，其特征在于：所述第一部件(11)和第二部件(12)分别包括第一和第二天线(381,382)，用于接收和(或)发送信号；所述设备(39)包括第三(391)和第四(392)发射和(或)接收天线，在工作时，所述第一部件(11)和第二部件(12)以及所述设备(39)通过无线电链路链接起来。
6．根据权利要求1至5中的任何一个所述的系统，其特征在于：所述支持装置(7,8)被设置在聚焦面(6)的任何一侧。
7．根据权利要求1至6中任何一个所述的系统，其特征在于：所述聚焦装置包括球形楞勃型透镜(4)。
8．根据权利要求7的系统，其特征在于：所述支持装置(7,8)包括半圆形轨道，它的曲率中心与透镜(4)的中心几乎重合，并被偶联至所述支持装置(7,8)的执行装置。
9．根据权利要求8的系统，其特征在于：所述执行装置(9,10)包括第一支持装置(7)和第二支持装置(8)的旋转装置，用于跟踪卫星的方位。
10．根据权利要求9的系统，其特征在于：这些旋转装置包括通过楞勃透镜(4)中心的旋转轴(5)，并且所述第一和第二支持装置(7,8)能围绕该轴旋转。
11．根据权利要求1至10中的任何一个所述的系统，其特征在于：所述第一支持装置(7)和第二支持装置(8)包括轨道(7,8)，所述第一部件(11)和第二部件(12)被配以马达(50,51)，使它们能在所述轨道上移动。
12．根据权利要求11的系统，其特征在于：监控装置(13)控制部件(11,12)的马达和轨道(7,8)的执行装置(9,10)。
13．根据权利要求1至12之一的系统，其特征在于：所述第一部件(11)和第二部件(12)包括印刷电路板天线。
14．根据权利要求1至13之一的系统，其特征在于：所述第一和第二发送和(或)接收部件(11和12)，分别包括发送信号用的频率变换块(171)，和(或)接收信号用的频率变换块(172)。
15．根据权利要求1至14之一的系统，其特征在于：它进一步包括至少一个第三发送机和(或)接收机部件(120)，它处于系统的一个焦点附近，在该同一焦点与至少一个对地静止卫星(23)通信。
16．根据权利要求1至15之一的系统，其特征在于：所述系统要沿预定轨道跟踪非同步卫星，即所述第一和第二焦点线与第一卫星(21)和第二卫星(22)的轨道相对应。
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