DE102012007200B4

DE102012007200B4 - Verfahren zur Steuerung des Signalflusses in einer rotierenden Antennenanordnung und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102012007200B4
Application number: DE102012007200.7A
Authority: DE
Inventors: Hans L. Trautenberg
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: DE102012007200A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung des Signalflusses in einer rotierenden Antennenanordnung (2) mit einer Mehrzahl von um eine Rotationsachse (X) herum angeordneten Antennen (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27), die über jeweils zumindest eine Signalleitung mit einer Empfangseinrichtung (4) elektrisch verbunden sind; dadurch gekennzeichnet,- dass die empfangenen Signale von zumindest zwei Antennen permanent jeweils einem Signaleingang der als Mehrkanalempfänger ausgebildeten Empfangseinrichtung (4) zugeführt werden, wobei die Signale der einzelnen Antennen jeweils einem Kanal der Empfangseinrichtung (4) zugeordnet werden- dass die Empfangsfrequenz und die Empfangsphase der Signale im jeweiligen Kanal der Empfangseinrichtung (4) unter Anwendung einer bekannten Abhängigkeitsformation gesteuert und in einer Signalverarbeitungseinrichtung (48) der Empfangseinrichtung (4) zusammengeführt und zu einem Ausgangssignal verarbeitet werden und- dass das Ausgangssignal an eine nachgeordnete Weiterverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Steuerung des Signalflusses in einer rotierenden Antennenanordnung mit einer Mehrzahl von um eine Rotationsachse herum angeordneten Antennen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei spin-stabilisierten Raketen, die Signale von einem bezüglich des Spins der Rakete im Wesentlichen stationären Sender, beispielsweise einem Navigationssatelliten, empfangen können sollen, besteht das Problem, dass der Signalempfang durch den Spin der Rakete, das heißt durch ihre Rotation um die Längsachse, nicht beeinträchtigt werden darf, um einen permanenten Signalempfang zu gewährleisten.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 10 2008 035 887 A1 ist eine spin-stabilierte Rakete bekannt, auf deren Hülle als Antennensystem zum Empfang von Satellitennavigationssignalen mehrere längs des Umfangs der Rakete versetzt angeordnete Antennen angebracht sind, die an einen Satellitennavigationsempfänger über eine Antennenumschalteinrichtung angeschlossen sind. In Abhängigkeit von der Spin-Rate, also von der Rotationsgeschwindigkeit der Rakete um ihre Rollachse, steuert die Antennenumschalteinrichtung den Eingang des Satellitennavigationsempfängers derart, dass stets die Signale nur einer Antenne an den Satellitennavigationsempfänger geleitet werden, so dass sich während der Rotation der Rakete ein im Wesentlichen gleichbleibendes Antennendiagramm ergibt. Problematisch bei dieser bekannten Lösung ist die phasengenaue Umschaltung der Antennensignale. Zudem muss ein derartiger Umschaltvorgang mit dem Satellitennavigationsempfänger synchronisiert sein, da sich mit dem Umschalten der Antennen auch der Doppler sprunghaft ändert.
Aus der DE 324 36 73 C2 ist eine an einem Fahrzeug, beispielsweise einem Luftfahrzeug vorgesehene Antennenanlage bekannt, bei der eine Mehrzahl von in unterschiedlicher Richtung ausgerichteten Antennen vorgesehen ist, deren Signale mittels eines Antennenumschalters und einer Multiplexschaltung so umschaltet werden, dass stets die Antenne mit der größten Empfangs-Signalstärke für die Versorgung eines Empfängers ausgewählt wird.
Aus der EP 840 393 B1 ist ein umschaltbares Antennensystem mit längs des Umfangs eines rotierenden zylindrischen Körpers angeordneten Antennen bekannt. Die Abstrahlrichtung des Antennensystems kann über einen Multiplexer vorgegeben werden, der eine Anzahl einander benachbarter Antennen mit einem Navigationsempfänger durch Umschalten der Signalleitungen nacheinander verbindet.
Aus der US 3,133,328 A ist ein Kommunikationssatellit mit entlang des Umfangs angeordneten Antennenelementen bekannt, die über Antennenumschalter gesteuert mit entsprechenden Radiosendern an Bord des Satelliten sequentiell umschaltbar sind, um den Satellitenspin zu kompensieren.
Auch die US 3,531,803 A offenbart eine kreisförmige rotierende Anordnung von Richtantennenelementen. Die Richtantennenelemente sind über steuerbare Schalteinrichtungen mit entsprechenden Stromversorgungseinrichtungen für die Antennenelemente verbunden. Auch hier erfolgt eine sequentielle Umschaltung der Verbindungen zwischen den einzelnen Antennenelementen und einem Stromverstärker.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, bei welchem ohne größeren schaltungstechnischen Aufwand während des gesamten Umlaufs der rotierenden Antennenanordnung ein zuverlässiger Signalempfang gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden die empfangenen Signale von zumindest zwei Antennen permanent der Empfangseinrichtung zugeführt, wobei die Signale der einzelnen Antennen jeweils einem Kanal der Empfangseinrichtung zugeordnet werden.
VORTEILE
Die Empfangseinrichtung empfängt somit zeitgleich die Signale aller Antennen, die dann in der Empfangseinrichtung jeweils auf einem Kanal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Dadurch kann auf komplizierte Umschalt-Hardware verzichtet werden und die Komplexität des Gesamtsystems ist deutlich reduziert. Besonders wirksam ist das Verfahren, wenn drei oder mehr Antennen vorgesehen sind.
Vorzugsweise wird zum Zweck der weiteren Signalverarbeitung der Kanal der Empfangseinrichtung selektiert, der das rauschärmste Signal aufweist. Diese Auswahl des rauschärmsten Signals für die Weiterverarbeitung ist ohne größeren Aufwand umsetzbar und liefert ein klares Entscheidungskriterium, anhand dessen eine zuverlässige Signalauswahl erfolgt.
Alternativ kann in einer anderen bevorzugten Ausführungsform zum Zweck der weiteren Signalverarbeitung ein Mittelwert aus den Signalen aller Kanäle der Empfangseinrichtung gebildet und verwendet werden. Durch diese Mittelwertbildung erfolgt eine wirksame Dämpfung von Störeinflüssen und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems wird dadurch erhöht.
Dabei ist es besonders von Vorteil, wenn die Bildung des Mittelwerts gewichtet erfolgt. Die Position und/oder die geometrische Anordnung der jeweils zugeordneten Antenne geht zu diesem Zweck in die Mittelwertbildung ein. Eine derartige Mittelwertbildung verringert weiter das Risiko, dass Störeinflüsse, die über Antennen eingefangen werden, welche nicht unmittelbar das eigentliche Nutzsignal empfangen, die nachfolgende Signalverarbeitung beeinträchtigen.
Vorzugsweise ist die Antennenanordnung an einem rotierenden Flugkörper vorgesehen und die Antennenanordnung und die Empfangseinrichtung sind zum Empfang von Navigationssignalen eines Satelliten-Navigationssystems ausgebildet. Dieser besonders bevorzugte Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert die Navigationsqualität von automatisch fliegenden unbemannten Flugkörpern.
Auch dabei ist es von Vorteil, wenn der das rauschärmste Signal aufweisende Kanal der Empfangseinrichtung von einem Navigationsrechner zur Pseudorangemessung benutzt wird.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn die in einem Navigationsrechner durchgeführte Pseudorangemessung unter Verwendung eines Mittelwerts aus den Signalen aller Kanäle der Empfangseinrichtung gebildet und dieser Mittelwert für die Navigationsberechnung verwendet wird.
Vorteilhaft ist dabei, wenn die Gewichtung proportional zur Signalstärke oder zum Signal-Rausch-Verhältnis der einzelnen Kanäle erfolgt.
Die Erfindung ist weiterhin gerichtet auf eine Vorrichtung zum Signalempfang, die ausgestaltet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Figurenliste
Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Signalempfangsvorrichtung.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist schematisch ein Querschnitt durch einen als Rakete ausgebildeten Flugkörper 1 mit einem vereinfacht kreisrund dargestellten Raketenrumpf 10 gezeigt. Die Rakete 1 rotiert im Flug um ihre Längsachse X, die somit eine Rollachse bildet. Die Rakete 1 ist in einem Abschnitt ihres Rumpfs 10 mit einer Antennenanordnung 2 versehen, die eine Mehrzahl von über den Umfang, also um die Rotationsachse X herum, gleichmäßig verteilt angeordneten Antennen 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 aufweist, die somit in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind. Zwar sind in 1 beispielhaft acht Antennen dargestellt, doch können auch mehr oder weniger Antennen (mindestens jedoch zwei) über den Umfang verteilt angeordnet sein.
Die Antennen sind dafür ausgebildet, Satellitensignale von Satelliten eines Satelliten-Navigationssystems, für das in 1 stellvertretend ein Satellit 3 gezeigt ist, zu empfangen.
2 zeigt symbolisch die Antennen 20 bis 27, die über entsprechende Antennenleitungen mit einer Empfangseinrichtung 4 verbunden sind, die als Mehrkanalempfänger ausgebildet ist. Dabei ist jede der Antennen 20 bis 27 mit einem zugeordneten Kanaleingang 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 der Empfangseinrichtung 4 zur Signalübertragung verbunden. Die Empfangseinrichtung 4 weist weiterhin eine Signalverarbeitungseinrichtung 48 auf, in der die Signale der einzelnen Kanäle zusammengeführt und verarbeitet werden. Die Signalverarbeitungseinrichtung 48 stellt zudem ein Ausgangssignal zur Verfügung, das an eine nachgeordnete Weiterverarbeitungseinrichtung 5, beispielsweise einen Satellitennavigationscomputer, weitergeleitet wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem ein Empfänger vorgesehen ist, der die von den Antennen empfangenen Signale nacheinander verarbeitet, ist gemäß der Erfindung ein Mehrkanalempfänger vorgesehen, der gleichzeitig die Signale aller Antennen separat, jeweils einem seiner Kanäle zugeordnet, erhält. Die Empfangsfrequenz und die Empfangsphase sind durch die Rotation der Rakete 1 zwar für die einzelnen Antennen unterschiedlich, doch kann dieser relative Unterschied als Funktion der Flugbahn und der Rotation der Rakete berechnet werden. Somit werden zwar die Signale der unterschiedlichen Antennen getrennt voneinander empfangen, doch sind die Empfangsparameter in einer bekannten Weise voneinander abhängig. Diese dem Fachmann allgemein bekannte Abhängigkeitsinformation wird nun erfindungsgemäß genutzt, um die Empfangsparameter der einzelnen Kanäle der Empfangseinrichtung 4 auch dann richtig zu steuern, wenn das Signal in einem Kanal nicht richtig verfolgt werden kann, weil die an diesen Kanal angeschlossene Antenne das Signal zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht empfängt.
Zu Zeitpunkten, in denen ein Kanal das Signal des Satelliten 3 nicht empfangen kann, wird dann noch zusätzlich sichergestellt, dass die lokal erzeugte Kopie des zu empfangenden Signals konstant Null ist und somit kein Korrelatorausgangssignal erzeugt wird. Die Korrelatorsignale aller Kanäle, die ein bestimmtes Signal - beispielsweise das Signal des Satelliten 3 - über unterschiedliche Antennen verfolgen, werden dann gewichtet zur Steuerung der gemeinsamen Anteile der Empfangsparameter verwendet.
Dadurch, dass jeder einer Antenne zugeordnete Empfangskanal mit genau dem der Rotation entsprechenden Doppler versorgt wird, tritt zwischen den Antennensignalen kein Dopplersprung mehr auf, wie dies im Stand der Technik der Fall ist.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
Bezugszeichenliste
Es bezeichnen:

1: Flugkörper
2: Antennenanordnung
3: Satellit
4: Empfangseinrichtung
5: Weiterverarbeitungseinrichtung
10: Raketenrümpf
20: Antenne
21: Antenne
22: Antenne
23: Antenne
24: Antenne
25: Antenne
26: Antenne
27: Antenne
40: Kanaleingang
41: Kanaleingang
42: Kanaleingang
43: Kanaleingang
44: Kanaleingang
45: Kanaleingang
46: Kanaleingang
47: Kanaleingang
48: Signalverarbeitungseinrichtung
X: Längsachse der Rakete

Claims

Verfahren zur Steuerung des Signalflusses in einer rotierenden Antennenanordnung (2) mit einer Mehrzahl von um eine Rotationsachse (X) herum angeordneten Antennen (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27), die über jeweils zumindest eine Signalleitung mit einer Empfangseinrichtung (4) elektrisch verbunden sind; dadurch gekennzeichnet, - dass die empfangenen Signale von zumindest zwei Antennen permanent jeweils einem Signaleingang der als Mehrkanalempfänger ausgebildeten Empfangseinrichtung (4) zugeführt werden, wobei die Signale der einzelnen Antennen jeweils einem Kanal der Empfangseinrichtung (4) zugeordnet werden - dass die Empfangsfrequenz und die Empfangsphase der Signale im jeweiligen Kanal der Empfangseinrichtung (4) unter Anwendung einer bekannten Abhängigkeitsformation gesteuert und in einer Signalverarbeitungseinrichtung (48) der Empfangseinrichtung (4) zusammengeführt und zu einem Ausgangssignal verarbeitet werden und - dass das Ausgangssignal an eine nachgeordnete Weiterverarbeitungseinrichtung (5) weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die empfangenen Signale Satellitensignale von Satelliten (3) eines Satelliten-Navigationssystems sind und - dass das Ausgangssignal an einen Satellitennavigationscomputer weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der weiteren Signalverarbeitung ein Mittelwert aus den Signalen aller Kanäle der Empfangseinrichtung (4) gebildet und verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung des Mittelwerts gewichtet erfolgt, wobei die Position und/oder die geometrische Anordnung der jeweils zugeordneten Antenne in die Mittelwertbildung eingeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenanordnung (2) an einem rotierenden Flugkörper (1) vorgesehen ist und dass die Antennenanordnung (2) und die Empfangseinrichtung (4) zum Empfang von Navigationssignalen eines Satelliten-Navigationssystems ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der das rauschärmste Signal aufweisende Kanal der Empfangseinrichtung (4) von einem Navigationsrechner (5) zur Pseudorangemessung benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Navigationsrechner (5) des Flugkörpers (1) durchgeführte Pseudorangemessung unter Verwendung eines Mittelwerts aus den Signalen aller Kanäle der Empfangseinrichtung gebildet und verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zur im Navigationsrechner (5) durchgeführten Pseudorangemessung herangezogene Mittelwert durch Gewichtung der Signale der einzelnen Kanäle erfolgt, wobei die Position und/oder die geometrische Anordnung der jeweils zugeordneten Antenne in die Mittelwertbildung eingeht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtung proportional zur Signalstärke oder zum Signal-Rausch-Verhältnis der einzelnen Kanäle erfolgt.
Vorrichtung ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.