DE10310753A1

DE10310753A1 - Satellitenverfolgungssystem unter Verwendung von Bahnverfolgungstechniken

Info

Publication number: DE10310753A1
Application number: DE10310753A
Authority: DE
Inventors: John I Strickland; Steven Morris
Original assignee: Andrew LLC
Current assignee: ASC Signal International Corp
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2003-10-16
Also published as: US6657588B2; US20030174089A1; GB0302828D0; CN100422759C; CA2417026A1; CN1444053A; JP2003322676A; CA2417026C; GB2386477A

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bahnverfolgung einer Signalquelle unter Verwendung einer Antenne mit einer vorbestimmten Strahlbreite werden bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Messen eines Signalpegels von der Signalquelle entlang eines Bogens innerhalb der Strahlbreite der Antenne, Bestimmen einer Änderungsgeschwindigkeit des gemessenen Signalpegels entlang des Bogens und Auflösen zu einer Position am Bogen, wo die bestimmte Änderungsgeschwindigkeit des Signalpegels im wesentlichen gleich null ist.

Description

Gebiet der Erfindung

Das Gebiet der Erfindung betrifft Satelliten und insbesondere die Verfolgung von Satelliten auf nominell geostationären Bahnen um die Erde.

Hintergrund der Erfindung

Die Verwendung von Satelliten zur Nachrichtenübertragung ist bekannt. Im Prinzip kann ein Satellit in eine Kreisbahn in der Äquatorebene in einer solchen Entfernung vom Mittelpunkt der Erde gebracht werden, daß die Umlaufzeit gleich der Umdrehungszeit der Erde ist. Wenn die Drehrichtung um die Erde die gleiche ist wie die Drehrichtung der Erde, erscheint der Satellit für einen Beobachter auf der Erde bewegungslos zu sein.

Im allgemeinen kann die Bahn weder streng kreisförmig noch in der Äquatorebene sein, auch wenn ein Satellit anfangs in eine solche ideale Bahn gebracht werden könnte, wirken äußere Kräfte, z. B. die Schwerkraft des Mondes und der Sonne, Asymmetrien des Gravitationsfeldes der Erde und Strahlungsdrücke, auf die großen Solarzellenausleger des Satelliten alle derartig, daß sie die Bahnelemente gegen die Zeit allmählich ändern. Positionsstabilisierende Manöver können verwendet werden, um die scheinbare Position des Satelliten in definierten Grenzen zu halten.

Da sich der Satellit nach den Keplerschen Gesetzen bewegt, bewirkt jede Elliptizität der Bahn, daß sich der Satellit im Perigäum am schnellsten und im Apogäum am langsamsten bewegt. Im allgemeinen kann die Bahnebene des Satelliten zur Äquatorebene so geneigt sein, daß der Satellit, auch wenn er auf einer streng kreisförmigen Bahn ist, sich in erster Linie in einer Nord-Süd-Richtung zu bewegen scheint, mit einer kleinen Ost-West-Komponente, vom Mittelpunkt der Erde aus gesehen.

Die Strahlbreite der Bodenstationsantenne kann so breit sein, daß auch bei der unvermeidlichen scheinbaren Bewegung des Satelliten die Signalstärke so konstant bleibt, daß die Bodenstationsantenne fest bleiben kann.

Einige Anwendungen können eine Bodenstationsantenne mit einem größeren Gewinn erfordern. Dadurch wird die Antennenstrahlbreite reduziert, mit dem Ergebnis, daß es notwendig sein kann, daß die Bodenstationsantenne die Scheinbare Satellitenbewegung verfolgt, um große Schwankungen der empfängenen Signalstärke zu vermeiden. Zweitens kann es unwirtschaftlich oder unmöglich werden, den Satelliten durch positionsstabilisierende Manöver auf einer geostationären Bahn zu halten, obwohl der Satellit ansonsten betriebsfähig ist. In diesem Fall kann die Betriebslebensdauer des Satelliten dadurch erhöht werden, daß die Möglichkeit eingeräumt wird, die scheinbare Bewegung des Satelliten durch die Bodenstationsantenne zu verfolgen.

Bei einem nominell geostationären Satelliten ist die scheinbare Bewegung des Satelliten bei einer Periodizität von annähernd einem siderischen Tag relativ langsam. Im allgemeinen kann die empfangene Signalstärke jederzeit maximiert werden, indem eine Serie von Schritten in Azimut und Elevation ausgeführt wird, um die Position für die maximale Empfangssignalstärke zu "erklimmen". Diese Schritt-Bahnverfolgungstechniken erfordern viele Hin- und Herbewegungen der Antenne in Azimut und Elevation, die zu einem übermäßigen Verschleiß des Antriebssystems führen können. Da das Ergebnis jeder Messung im allgemeinen nur mit der unmittelbar vorausgehenden Messung verglichen wird, ist diese Technik nicht immer zuverlässig und kann bei schweren atmosphärischen Szintillationen oder bei Niederschlagsdämpfung ganz versagen. Eine Beseitigung dieser Zustände erfordert im allgemeinen einen Eingriff durch den Menschen.

Um die Zuverlässigkeit des Antriebssystems zu erhöhen und die Routinewartung zu reduzieren, ist es erwünscht, die Anzahl der Bewegungsaufforderungen, die erforderlich sind, um die Antenne auf ihren Höchstwert zu bringen zu reduzieren. Es ist auch erwünscht, die Satellitenrichtung mit größerer Genauigkeit zu bestimmen und die Empfindlichkeit des Prozesses der Antennenspitzenwerteinstellung gegen Szintillationen und andere Schwankungen des Empfangssignalpegels zu reduzieren.

Bei höheren Frequenzen und an vielen Orten kann die Antenne in Perioden bedeutender Niederschlagsdämpfung nicht auf ihren Spitzenwert für den Satelliten eingestellt werden. Ein Antennenpositionierungssystem erfordert eine Technik, die die Ausrichtung der Antenne nach dem Satelliten beibehält, wenn eine normale Antennenspitzenwerteinstellung aufgrund von Niederschlagsdämpfung nicht möglich ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein System zur Steuerung der Position einer Bodenstationsantenne, um einen nominell geostationären Satelliten entsprechend einer dargestellten Ausführungsform der Erfindung zu verfolgen.
Fig. 2 zeigt eine typische Azimutbewegung einer Bodenstationsantenne, die aus dem Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsalgorithmus resultiert, der in dem System in Fig. 1 in einem spezifischen Beispiel abläuft.
Fig. 3 zeigt Ergebnisse einer quadratischen Anpassung unter Verwendung einer quadratischen Gleichung, deren Koeffizienten vom System in Fig. 1 in dem spezifischen Beispiel von Fig. 2 bereitgestellt werden, und wobei der Spitzenazimut von diesen Koeffizienten bereitgestellt wird.
Fig. 4 zeigt eine typische Elevationsbewegung der Bodenstationsantenne, die aus dem Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsalgorithmus resultiert, der im System in Fig. 1 in dem gleichen spezifischen Beispiel wie in Fig. 2 abläuft.
Fig. 5 zeigt Ergebnisse einer quadratischen Anpassung unter Verwendung einer quadratischen Gleichung, deren; Koeffizienten vom System in Fig. 1 in dem spezifischen Beispiel von Fig. 4 bereitgestellt werden, und wobei die Spitzenelevation von diesen Koeffizienten bereitgestellt wird.
Fig. 6 zeigt eine typische Azimutbewegung einer Bodenstationsantenne unter Verwendung einer adaptiven kontinuierlichen Schritt-Bahnverfolgungstechnik im System in Fig. 1 in einem weiteren spezifischen Beispiel.
Fig. 7 zeigt eine typische Elevationsbewegung einer Bodenstationsantenne unter Verwendung der adaptiven kontinuierlichen Schritt-Bahnverfolgungstechnik im System von Fig. 1 in dem gleichen spezifischen Beispiel wie in Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine linear extrapolierte Azimut- und Elevationsbewegung einer Bodenstationsantenne unter Verwendung der adaptiven kontinuierlichen Schritt-Bahnverfolgungstechnik im System von Fig. 1 in dem gleichen spezifischen Beispiel wie in Fig. 6 und 7.
Fig. 9 zeigt die Azimutbewegung der Bahnverfolgung unter Verwendung der Bahnverfolgungstechnik im System von Fig. 1 in einem weiteren spezifischen Beispiel.
Fig. 10 zeigt die Elevationsbewegung der Bahnverfolgung unter Verwendung der Bahnverfolgungstechnik im System von Fig. 1 in dem gleichen spezifischen Beispiel wie in Fig. 9.

Ausführliche Beschreibung einer anschaulichen Ausführungsform der Erfindung

Ein Satellitenverfolgungssystem 10, das gemäß einer anschaulichen Ausführungsform allgemein dargestellt ist, kann eine Antenne 40, eine Antriebssteuereinrichtung 35, eine Signalverarbeitungsvorrichtung 30 und eine Steuereinrichtung 20 aufweisen (Fig. 1).
Die Antenne 40 kann eine HF-Achse 42 haben. Wenn der Satellit eine Signalquelle aufweist, kann die Antenne so ausgerichtet sein, daß eine nach außen gerichtete Verlängerung der HF-Achse 42, die durch den Satelliten 50 läuft, zu einer maximalen Empfangssignalstärke am Antennenausgang führt. Die Energie, die während einer ausreichenden Zeitdauer von der Antenne empfangen wird, kann von einem geeigneten Empfänger 31 gemessen werden.
Wenn der Satellit einen Empfänger aufweist und die terrestrische Antenne in Richtung des Satelliten sendet und wenn die Antenne so ausgerichtet wird, daß eine nach außen gerichtete Verlängerung der HF-Achse 42 durch den Satelliten 50 läuft, dann führt dies zu einer maximalen Empfangssignalstärke im Satelliten. Die Energie, die im Satelliten während einer ausreichenden Zeitdauer empfangen wird, kann von einem geeigneten Empfänger, der im Satelliten vorhanden ist, gemessen werden.
In einer Winkelposition θ kann die Reduzierung des Antennengewinns gegeben sein durch die Formel

G (θ) = 12 (|θ - θ₀|/θ_BW)² (1)

wobei θ₀ die Richtung der HF-Achse 42 ist und θ_BW der Winkel, der den Winkelbereich 44 einschließt, in dem der Gewinn um nicht mehr als 3 dB gegenüber dem in der Richtung der HF-Achse reduziert wird.
Im allgemeinen bedeutet Antennenspitzenwerteinstellung eine derartige Ausrichtung der Antenne, daß ihre HF-Achse mit dem Weg von der Antenne zum Satelliten ausgerichtet ist. Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik, die nachstehend beschrieben wird, stellt ein einmaliges Verfahren zur Ausrichtung der HF-Achse der Antenne 40 mit dem Satelliten 50 dar.
In der anschaulichen Ausführungsform kann die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik verwendet werden, um die Richtung eines Satelliten 50 zu bestimmen, der eine Signalquelle aufweist. Diese Bestimmung kann zu jeder Zeit erfolgen.
Wenn die Position eines Satelliten 50 in einem Zeitintervall zweimal bestimmt worden ist, kann seine künftige Position mit einer adaptiven kontinuierlichen Schritt- Bahnverfolgungstechnik geschätzt werden, die annimmt, daß sich der Satellit gleichmäßig gegen die Zeit bewegt, von der» Antenne 40 aus gesehen.
Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik kann jederzeit verbessert werden, um die Ausrichtung der HF-Achse 42 der Antenne 40 mit dem Satelliten 50 zu verbessern. Aufeinanderfolgende Bestimmungen der Position der HF-Achse 42 der Antenne 40 kann als Funktion der Zeit in einer Tabelle dargestellt werden.
Da die scheinbare Bewegung des Satelliten 50 gegen die Zeit periodisch ist, kann seine Bewegung durch die Bahnverfolgungstechnik vorhergesagt werden, die die tabellarisierten Positionen der Antenne 40 verwendet, um die Koeffizienten von Gleichungen zu bestimmen, die die Bahnbewegung des Satelliten 50 beschreiben. Die Genauigkeit ist so hoch, daß zusätzliche Bestimmungen der Satellitenposition, wie sie durch die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik ermittelt wird, nur erforderlich ist, um die Genauigkeit der Vorhersagegleichungen in der Bahnverfolgungstechnik zu verbessern.
Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik wird als nächstes beschrieben und der herkömmlichen Schritt- Bahnverfolgungstechnik gegenübergestellt.
Bei der herkömmlichen Schritt-Bahnverfolgungstechnik nach "Bergsteigerart" wird die Antenne in kleinen Schritten in beiden Richtungen entlang zweier orthogonaler Achsen bewegt. Der Bequemlichkeit und Einfachheit halber sind die Bewegungen normalerweise die Azimut- und die Elevationsbewegung. In jeder Position wird der empfangene Signalpegel für eine geeignete Zeitdauer gemittelt, um den mittleren Pegel zu ermitteln, der mit dem mittleren Pegel der vorherigen Position verglichen wird. Wenn der Pegel abgenommen hat, wird die Antenne um zwei Inkremente in der entgegengesetzten Richtung bewegt und die Messung wiederholt. Wenn der Pegel zugenommen hat, wird die Antenne um ein Inkrement in der gleichen Richtung bewegt. Der Prozeß wird wiederholt, bis bei einer Antennenbewegung in der gleichen Richtung auf eine Zunahme des mittleren Pegels eine Abnahme des mittleren Pegels folgt. Es wird angenommen, daß die optimale Position entlang dieser Achse die Position ist, die den maximalen mittleren Pegel liefert. Der gesamte Ablauf wird entlang der orthogonalen Achse wiederholt.
In jedem Antennenpositionierungssystem ist die Genauigkeit, mit der die HF-Achse der Antenne mit dem Weg zwischen der Antenne und dem Satelliten ausgerichtet werden kann, auf jeder der orthogonalen Achsen durch den größeren Betrag der jeweiligen Resolverauflösung und des kleinsten Inkrements der Antennenbewegung begrenzt, das durch das Antennenantriebssystem erreichbar ist. Daher kann bei der herkömmlichen Schritt- Bahnverfolgung nach "Bergsteigerart" die Position der HF-Achse nicht mit einer größeren Genauigkeit bestimmt werden, als diese Beschränkung zuläßt.
Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik bewegt die Antenne in jeder von zwei orthogonalen Achsen, normalerweise Azimut und Elevation, um feste Inkremente, die als ganzzahlige Vielfache der Resolverauflösung dargestellt werden können. Das feste Inkrement muß gleich oder größer als das kleinste Inkrement der Antennenbewegung sein, das durch das Antennenantriebssystem auf der jeweiligen Achse erreichbar ist.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung mißt die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik zunächst den mittleren Pegel, der von der Antenne in ihrer gegenwärtigen Position empfangen wird, indem das empfangene Signal für eine Dauer von normalerweise 10 s integriert wird.
Die Steuereinrichtung 20 berechnet die Azimutschrittgröße 25, die normalerweise 15% der vollen 3-dB-Strahlbreite ist. Wenn die HF-Achse der Antenne anfänglich mit dem Satelliten ausgerichtet wird, reduziert eine Abweichung von diesem Betrag die empfangene Signalstärke um einen meßbaren Betrag (0,27 dB).
Es wird angewiesen, daß die Antenne 40 sich im Azimut mit der Schrittgröße 25 in einer Richtung bewegt, die durch den Richtungsindex 26 bestimmt wird. Der mittlere Pegel, der von der Antenne in dem von der Antenne erreichten Ist-Azimut bestimmt wird, wird gemessen, indem das empfangene Signal für eine Dauer von normalerweise 10 s integriert wird. Der Ist- Azimut der Antenne wird aufgezeichnet. Wenn der mittlere Pegel abgenommen hat, wird der Richtungsindex 26 komplementiert (d. h. umgekehrt) und die Antenne wird angewiesen, sich mit der zweifachen Schrittgröße 25 in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen. Wenn der mittlere Pegel zugenommen hat, wird die Antenne angewiesen, sich mit der Schrittgröße 25 in der gleichen Richtung zu bewegen. Der Prozeß wird wiederholt, bis auf eine Zunahme des mittleren Pegels eine Abnahme des mittleren Pegels folgt. Die letzten drei Ist-Azimutpositionen klammern den Antennenazimut ein, der die Empfangssignalstärke maximiert. Eigentlich hat die Bewegung (d. h. die Drehung) der Antenne 40 bewirkt, daß der Satellit 50 einen Bogen durch die HF-Achse 42 der Antenne 40 macht. Nur diese drei Ist- Antennenpositionen und ihre entsprechenden Pegel werden festgehalten.
In der Gleichung (1) kann der Empfangssignalpegel durch die quadratische Gleichung L(α) = c₀+ c₁.α + c₂.α² dargestellt werden, wobei L(α) die empfangene Signalstärke und α der Antennenazimut oder die Antennenelevation ist. Durch Differenzierung und Gleichsetzen von dL(α)/dα = 0 wird eine Antennenrichtung der Spitzenwertsignalanzeige mit folgender Formel definiert: α_pk = -c₁/(2.c₂).
Obwohl die Ist-Azimutwinkel, die die quadratische Gleichung (1) bestimmen, um einen Winkel voneinander getrennt sind, der dem der Schrittgröße 25 nahekommt, wird der Spitzenazimut α_pk mit größerer Genauigkeit bestimmt als die Resolverauflösung.
Die Antenne 40 wird dann angewiesen, sich im Azimut zum Spitzenazimut α_pk zu bewegen, wie berechnet. Der resultierende Ist-Antennenazimut wird durch den größeren Betrag der Azimutresolverauflösung und des kleinsten Inkrements der Antennenbewegung begrenzt, das im Azimut durch das Antennenantriebssystem erreichbar ist.
Der Spitzenwerteinstellungsprozeß, wie er für die Azimutbewegung beschrieben ist, wird dann in der Elevation wiederholt. Wie oben beschrieben und entsprechend der Gleichung (1) kann der Empfangssignalpegel durch die quadratische Gleichung L(ε) = c₀+ c₁.ε + c₂.ε² dargestellt werden, wobei L(ε) der empfangene Signalpegel ist, ε die Ist-Antennenelevation ist und die Koeffizienten c₀, c₁ und c₂ die quadratische Gleichung der Elevation definieren. Bei der Antennenelevation ε_pk, die der maximalen Signalstärke entspricht, ist die Neigung dL(ε)/dε null. Somit ist die Elevation, die den maximalen Empfangssignalpegel bereitstellt, ε_pk = -c₁/(2.c₂).
Die Antenne wird dann angewiesen, sich in der Elevation bis zur Spitzenelevation ε_pk zu bewegen, wie berechnet. Die resultierende Ist-Antennenelevation ist durch den größeren Betrag der Elevationsresolverauflösung und des kleinsten Inkrements der Antennenbewegung begrenzt, das in der Elevation durch das Antennenantriebssystem erreichbar ist.
Es sei betont, daß α_pk und ε_pk einen Schätzwert der Richtung von der Antenne 40 zur Ist-Satellitenposition 50 mit einer Genauigkeit darstellen, der den überschreitet, der durch die Antenne aufgrund der spezifischen Begrenzungen des Antriebssystems erreichbar ist.
Der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsalgorithmus bestimmt die Richtung α₀, ε₀ von der Antenne zur Ist-Position des Satelliten zu einer Zeit t₀. Im allgemeinen kann die nachfolgende Satellitenbewegung bewirken, daß der Winkel zwischen der HF-Achse der Antenne und dem Weg zwischen der Antenne und dem Satelliten zunimmt.
In der dargestellten Ausführungsform reduziert die Satellitenbewegung den Antennengewinn um einen Betrag G(θ), der in der Gleichung (1) gegeben ist. Es kann erwünscht sein, die HF-Achse der Antenne mit dem Weg zwischen der Antenne und dem Satelliten unter Verwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik auszurichten. Das kann eine zweite Richtung α₁, ε₁ von der Antenne zur Ist-Position des Satelliten zu einer Zeit t₁ ergeben.
Um vollständige Allgemeingültigkeit zu erreichen, kann die nachfolgende Satellitenbewegung so klein sein, daß die Antennengewinnreduzierung G(θ) akzeptabel bleibt. Wenn eine entsprechende Zeit vergangen ist, kann es erwünscht sein, die HF- Achse der Antenne mit dem Weg zwischen der Antenne und dem Satelliten unter Verwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik erneut auszurichten. Dieser Ablauf kann eine zweite Richtung α₁, ε₁ von der Antenne zur Ist-Position des Satelliten in einer Zeit t₁ ergeben.
In der dargestellten Ausführungsform kann die HF-Achse 42 der Antenne 40 mit dem Weg zwischen der Antenne 40 und dem Satelliten 50 unter Verwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik immer dann erneut ausgerichtet werden, wenn der mittlere Empfangssignalpegel, der über eine Periode einer Minute integriert wird, um eine festgelegte Schwelle, z. B. 0,3 dB, als Folge der Satellitenbewegung reduziert wird, oder wenn mehr als ein festgelegtes Intervall, z. B. drei Stunden, seit der vorherigen Ausrichtung vergangen ist. Jeder Ausrichtungsvorgang stellt eine unabhängige Bestimmung der Richtung α₁, ε₁ von der Antenne zur Ist-Position des Satelliten zu der entsprechenden Zeit t₁ dar.
Da die Satellitenbewegung, die von der Antenne aus beobachtet wird, eine Dauer von einem siderischen Tag hat, ist dem Fachmann klar, daß die Kenntnis der Antennenposition α₀, ε₀ zur Zeit t₀ und der Antennenposition α₁, ε₁ zu einer folgenden Zeit t₁ eine Schätzung der Antennenposition α, ε zu einer Zeit t nach der Zeit t₁ erlaubt.
Die Vorteile dieser adaptiven kontinuierlichen Bahnverfolgungstechnik sind nachstehend mit Bezug auf die dargestellte Ausführungsform beschrieben.
Die Änderungsgeschwindigkeit des Azimuts dα/dt und die Änderungsgeschwindigkeit der Elevation dε/dt werden aus den unmittelbar vorhergehenden zwei Antennenpositionen α₀, ε₀und α₁, ε₁ und deren entsprechenden Zeiten t₀ und t₁ berechnet. Die Antennenposition α, ε wird für eine Zeit t nach t₁ unter Verwendung der berechneten Änderungsgeschwindigkeiten des Azimuts und der Elevation berechnet.
In der dargestellten Ausführungsform wird die Antenne angewiesen, sich immer dann zu der berechneten Position α, ε zu bewegen, wenn die berechnete Position von der Ist- Antennenposition um einen Betrag abweicht, der durch den größeren Betrag der jeweiligen Resolverauflösung und des kleinsten Inkrements der Antennenbewegung bestimmt wird, das durch das Antennenantriebssystem erreichbar ist.
Da die scheinbare Bewegung des Satelliten weder linear in Azimut und Elevation noch in diesen Koordinaten gleichmäßig gegen die Zeit ist, nimmt der Winkel zwischen der HF-Achse, wie er durch die lineare Extrapolation berechnet wird, wie oben beschrieben, und dem Weg zwischen der Antenne und dem Satelliten schließlich zu.
In der dargestellten Ausführungsform reduziert die Satellitenbewegung den empfangenen Signalpegel um einen Betrag G(θ), wie in Gleichung (1) gegeben. Bis zur Zeit t₂ kann diese Reduzierung größer werden als eine festgelegte Schwelle, z. B. 0,3 dB, und der Winkelabstand zwischen der HF-Achse der Antenne und dem Weg zwischen der Antenne und dem Satelliten kann mittels der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik reduziert werden. Die neue Antennenposition ist α₂, ε₂ zur Zeit t₂.
Im gesamten Intervall von t₁ bis t₂ wird die Antenne angewiesen sich im Azimut und in der Elevation nur entsprechend den linear extrapolierten Positionen zu bewegen, wie durch die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik berechnet. Der empfangene Signalpegel wird zu jeder Zeit während dieses gesamten Intervalls um nicht mehr als die festgelegte Schwelle reduziert.
Die Antennenposition zu irgendeiner Zeit t nach t₂ kann als lineare Extrapolation der Antennenpositionen zu den Zeiten t₁ und t₂ berechnet werden. Die Kenntnis der Antennenposition α₀, ε₀ zur Zeit t₀ ist nicht erforderlich und kann verworfen werden.
In der dargestellten Ausführungsform wird nach der Zeit t₂ die Antennenposition α₁, ε₁ zur Zeit t₁ als Antennenposition α₀, ε₀ zur Zeit t₀ bezeichnet. Ebenso wird die Antennenposition α₂, ε₂ zur Zeit t₂ als Antennenposition α₁, ε₁ zur Zeit t₁ bezeichnet.
Anhand dieser Beschreibung kann man entnehmen, daß sich die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik der scheinbaren Ist-Bewegung eines Satelliten 50 durch eine Serie von linearen Extrapolationen nähert, von der Antenne 40 aus gesehen. Jede lineare Extrapolation wird aus den vorherigen zwei Bestimmungen der Antennenposition α, ε berechnet, wie durch die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik ermittelt werden kann. Jede lineare Extrapolation ist eine so gute Annäherung an die scheinbare Ist-Satellitenbahn, daß der empfangene Pegel aufgrund einer Fehlausrichtung der Antennen-HF-Achse mit dem Weg von der Antenne zum Satelliten niemals um mehr als die Schwellenreduzierung reduziert wird.
Die Bahnverfolgungstechnik berechnet die Antennenposition α, ε unter Verwendung einfacher Gleichungen, die die Satellitenposition in geometrischen Kugelkoordinaten als Funktion der Zeit darstellen.
Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik kann eine Tabelle mit Antennenpositionen α_i, ε_i bereitstellen, die zu entsprechenden Zeiten t_i ermittelt werden. Die Anzahl der Einträge in der Tabelle kann durch die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik wesentlich reduziert werden.
Es wird angenommen, daß der Ort der Antenne, wie er in den topozentrischen Koordinaten, z. B. Breite und Länge, ausgedrückt wird, mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist.
Wenn man annimmt, daß der Satellit auf einer annähernd geostationären Bahn ist, ist die Strecke vom Mittelpunkt der Erde bis zum Satelliten mit ausreichender Genauigkeit bekannt. Jede Antennenposition α_i, ε_i kann durch eine Koordinatentransformation 23 in das geozentrische Kugelkoordinatensystem (ρ, θ, φ) umgesetzt werden, um zu entsprechenden Zeiten t_i eine Tabelle 27 mit θ_i und φ_i zu ermitteln.
Es kann gezeigt werden, daß bei praktischen Satelliten in annähernd geostationären Bahnen die Satellitenposition in geometrischen Kugelkoordinaten (ρ, θ, φ) mit beträchtlicher Genauigkeit durch drei Gleichungen beschrieben werden kann, wie folgt:

ρ = a.(1 - ecc.cos(κ.t - ω)) (2)

θ = 2.ecc.sin(κ.t - ω) - 0,25.inc².sin(2.κ.t) + θ₀ (3)

φ = inc.sin(κ.t) + φ₀ (4)

wobei ecc die Exzentrizität ist, inc die Neigung (Radiant), a die halbe Hauptachse der Satellitenbahn (6,61006 Erdradien), ω das Argument des Perigäums (Radiant), κ gleich (2.π)/86164,09, t die Zeit ab dem aszendierenden Knoten, θ₀₀ die Abweichung von θ und φ₀ die Abweichung von φ. Da der Zeitursprung nicht bekannt ist, kann die Zeit t als t_c - t₀ geschrieben werden, wobei t_c die Taktzeit und t₀ die Epoche ist, die bestimmt werden muß.
Die Bahnverfolgungstechnik bestimmt die Koeffizienten in den Gleichungen (2) bis (4), die nach der Methode der kleinsten Quadrate die tabellarisierten Werte von θ_i und φ_i zu den Zeiten t_i am besten beschreiben. Da die Periodizität der Gleichungen (2) bis (4) ein siderischer Tag (86164,09 s) ist, können die Koeffizienten erst bestimmt werden, wenn die Tabelle einen ausreichenden Bruchteil eines siderischen Tages überspannt. Ohne an Allgemeingültigkeit zu verlieren, geht die dargestellte Ausführungsform davon aus, daß die tabellarischen Werte θ_i und φ_i über eine Periode von nicht weniger als sechs Stunden ermittelt werden.
Eine erste Koeffizienten-Verarbeitungsanwendung 21 muß die Technik der kleinsten Quadrate verwenden, um die Satellitenneigung inc, die Epoche t₀ und die Abweichung φ₀ durch Anpassen der Gleichung (4) an die tabellarischen Werte φ_i und t_i zu bestimmen, die durch Anwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik zu beliebigen Zeiten ermittelt worden sein können, oder wie sie durch die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik bestimmt werden, beide wie oben beschrieben.
Nach der Bestimmung der Satellitenneigung inc, der Epoche t₀ und der Abweichung φ₀ kann das zweite Glied in der Gleichung (3) für jedes t₁ berechnet werden. Eine zweite Koeffizienten-Verarbeitungsanwendung 22 kann dann die Technik der kleinsten Quadrate anwenden, um die Satellitenexzentrizität ecc, das Argument des Perigäums ω und die Abweichung θ₀ zu bestimmen, indem die Gleichung (3), die wie oben beschrieben modifiziert worden ist, an die tabellarischen Werten. φ_i und t_i, angepaßt wird, die durch Anwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik zu beliebigen Zeiten ermittelt worden sein können, oder wie durch die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik vorgegeben, beide wie oben beschrieben.
Nach Bestimmung der vier Bahnparameter (inc, ecc, ω und t₀) und der Abweichung (θ₀, φ₀), können die geometrischen Koordinaten des Satelliten für irgendeine Taktzeit t_c berechnet werden. Diese Koordinaten können dann durch eine inverse Koordinatentransformation 24 in die topozentrischen Koordinaten a, ε des Satelliten transformiert werden, von jedem terrestrischen Ort aus gesehen.
Insbesondere stellt diese Transformation von geometrischen Koordinaten in den Ort der Antenne 40 das Mittel dar, mit dem die HF-Achse einer Antenne 40 mit dem Weg von der Antenne 40 zum Satelliten 50 ausgerichtet bleibt, wenn sich die Richtung zum Satelliten gegen die Zeit ändert.
Im allgemeinen können die geometrischen Koordinaten transformiert werden, um topozentrische Koordinaten α, ε für irgendeinen anderen terrestrischen Ort zu gewinnen, wodurch das Mittel bereitgestellt wird, mit dem die HF-Achse einer Antenne an diesem zweiten Ort mit dem Weg von diesem zweiten Ort zum Satelliten ausgerichtet bleiben kann, wenn sich der Satellit gegen die Zeit zu bewegen scheint.
Alle paar Stunden oder bei Bedarf zu anderen Zeiten kann die Ausrichtung der HF-Achse 42 der Antenne 40 mit dem Weg von der Antenne zum Satelliten 50 durch Aufruf der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik geprüft und möglicherweise verbessert werden. Wie oben beschrieben, wird die Antennenposition α_n, ε_n zu dieser Zeit t_n in die geometrischen Kugelkoordinaten θ_nund φ_n transformiert und zur Tabelle 27 von θ_, φ und t addiert. Die Tabellengröße kann durch Aussonderung solcher Tabellenelemente beschränkt werden, die zeitlich vor einem bestimmten gewählten Intervall vor der aktuellen Zeit t_n erfaßt wurden. Es ist zweckmäßig, die Zeitspanne der Elemente, die in der Tabelle 27 festgehalten werden, so zu wählen, daß es wenige Tage sind.
Die Bahnelemente eines Satelliten ändern sich allmählich gegen die Zeit aufgrund von Gravitationseinflüssen der Sonne und des Mondes, der Wirkungen des Strahlendrucks auf die Solarzellenausleger des Satelliten und Drehmomentänderungen, die während der positionsstabilisierenden Manöver erfolgen. Die Bahnelemente, wie sie von der Bahnverfolgungstechnik und der Anwendung Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik bestimmt werden, werden allmählich und automatisch so modifiziert, daß sie diese Wirkungen aufnehmen.
Wenn der Antennenort bekannt ist und die Achsenwinkelresolver richtig initialisiert worden sind, muß die Abweichung φ₀null sein. Dies folgt aus der Beobachtung, daß die Bahnebene des Satelliten den Mittelpunkt der Erde einschließt. Obwohl die Bahnverfolgungstechnik beträchtliche Initialisierungsfehler bei den Achsenwinkelresolvern tolerieren kann, stellt eine Nichtnull-Abweichung φ₀ eine geeignete Anzeige dafür dar, daß die Initialisierung eines oder beider Achsenwinkelfesolver korrigiert werden sollte. Per Definition ist die Abweichung θ₀ die geografischen Satellitenlänge.

Anschauliches Beispiel der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik

Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik kann dargestellt werden, indem man von einem Satelliten 50 mit einer Neigung von 2,8° und einer mäßigen Exzentrizität von 0,00034 in einer westlichen Länge von 80,9° ausgeht. Die Antenne mit einer 3-dB-Strahlbreite von 0,22° liegt in 33° nördlicher Breite und 96, 6° westlicher Länge. Die Antenne 40 kann 'sowohl im Azimut als auch in der Elevation mit einer Genauigkeit von 0,01° bewegt werden.
Es können Daten für ein dargestelltes Beispiel durch ein Simulationsprogramm bereitgestellt werden, das eine genaue Darstellung der Hauptkeule 44 der Antenne 40 aufweist. Das empfangene Signal weist ein additives Gaußsches Räuschen (AWGN) auf. Das Empfangs-C/N-(Träger/Rausch-)Verhältnis der Simulation ist kleiner als das normal erwartete bei einer typischen Satellitenbake 50 und Antenne 40.
Die empfangene Signalstärke wird als obere Kurve dargestellt (Fig. 2 und 4). Der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsalgorithmus beginnt bei 981 m, 50 s (erstes volles Karo, Fig. 2). Der empfangene Signalpegel wird für die nächsten 10 s gemessen. Der mittlere Empfangssignalpegel für den Ist-Azimut von 152,92° ist bei 982 m, 00 s verfügbar. Wie von der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik gefordert, wird der Azimut um die Azimutschrittgröße auf 151,89° reduziert. Der Empfangssignalpegel wird für weitere 10 s gemessen. Der mittlere Empfangssignalpegel für den neuen Azimut ist bei 982 m, 10 s verfügbar. Da der zweite mittlere Signalpegel kleiner ist als der erste, wird der Antennenazimut um die zweifache Azimutschrittgröße auf 151,95° erhöht. Der mittlere Empfangssignalpegel für diesen Azimut ist bei 982 m, 20 s verfügbar. Da der mittlere Pegel zugenommen hat, wird der Azimut wieder um die Azimutschrittgröße auf 151,98° erhöht. Der mittlere Empfangenssignalpegel für diesen Azimut ist bei 982 m, 30 s verfügbar. Da der mittlere Pegel abgenommen hat, liegen zwei 10-s- Mittel vor, das erste und das vierte, die das dritte Mittel einklammern. Das zweite 10-s-Mittel und sein entsprechender Azimut werden ignoriert.
Die Koeffizienten einer quadratischen Gleichung im Azimut, die alle drei festgehaltenen Mittel aufweist, werden berechnet. Die Ortskurve, die durch diese quadratische Gleichung gebildet wird, kann als durchgezogene Kurve dargestellt werden (Fig. 3). Alle vier 10-s-Mittel sind als volle Karos dargestellt. Mit der Gleichung der quadratischen Kurve wird der Spitzenazimut α_pk berechnet, der 151, 949° beträgt.
Die Antenne 40 wird dann zu einem Azimut von 151,95° bewegt, der die Antenne möglichst nahe am berechneten Spitzenazimut dpu positioniert. Der Spitzenwerteinstellprozeß wird für die Elevation (Fig. 4) wiederholt. Nur drei 10-s-Mittel sind erforderlich, um die Spitzenelevation einzuklammern. Die Koeffizienten einer quadratischen Gleichung in der Elevation, die alle drei Mittel aufweist, werden berechnet. Die Ortskurve, die durch diese quadratische Gleichung gebildet wird, kann durch eine durchgezogene Kurve dargestellt werden (Fig. 5) Aus der Gleichung der quadratischen Kurve wird die Spitzenelevation α_pk berechnet, die 48,914° beträgt. Die Antenne 40 wird dann zu einer Elevation von 48,91° bewegt, die die Antenne so möglichst nahe an der berechneten Spitzenelevation ε_pk positioniert. Der gesamte Spitzenwerteinstellungsprozeß hat 70 s gedauert.
Für dieses spezifische Beispiel hat der Dreipunkt- Spitzenwerteinstellungsalgorithmus den Azimut und die Elevation der HF-Achse 42 bestimmt, nämlich 151,949° bzw. 48,914°. Die Antenne 40 wird mit der maximal möglichen Präzision zu einem Azimut und einer Elevation von 151,95° bzw. 48,91° bewegt.

Anschauliches Beispiel der adaptiven kontinuierlichen Schritt- Bahnverfolgungstechnik

Die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik kann dargestellt werden, indem von einem Satelliten 50 mit einer Neigung von 2,8° und einer mäßigen Exzentrizität von 0,00034 in einer westlichen Länge von 80,9° ausgeht. Die Antenne mit einer 3-dB-Strahlbreite von 0,22° befindet sich in 33° nördlicher Breite und 96, 6° westlicher Länge. Die Antenne 40 kann im Azimut und in der Elevation mit einer Genauigkeit von 0,01° bewegt werden.
Es können Daten für ein dargestelltes Beispiel durch ein Simulationsprogramm bereitgestellt werden, das eine genaue Darstellung der Hauptkeule 44 der Antenne 40 aufweist. Das empfangene Signal weist additives weißes Gaußsches Räuschen (AWGN) auf. Das Empfangs-C/N-Verhältnis der Simulation ist niedriger als das, das normalerweise bei einer normalen Satellitenbake 50 und einer Antenne 40 erwartet wird.
Die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik wird dargestellt, indem die empfangene Signalstärke (hellgraue Linie), die Empfangssignalstärke im 1-min-Mittel (dicke Linie), der Satellitenazimut und die Satellitenelevation (durchgezogene dünne Linie) und der Antennenazimut und die Antennenelevation (Treppenlinie) als Kurven gegen die Zeit dargestellt werden (Fig. 6 und 7). Die Antenne ist auf ihren Spitzenwert in Azimut und Elevation eingestellt, wie durch die Vollen Karos angezeigt. Die Antennenbewegung, die mit der adaptiven kontinuierlichen Schritt-Bahnverfolgungstechnik extrapoliert ist, ist als Sequenz linearer Bewegungen dargestellt (Fig. 8). Die Antennenposition, die auf jeder Dreipunkt- Spitzenwerteinstellung folgt, ist durch die vollen Karos angezeigt.
In dem Beispiel ist die Antennen-HF-Achse zunächst mit dem Weg von der Antenne 40 zum Satelliten 50 mit einer: Genauigkeit ausgerichtet, die durch die Steuereinrichtungsauflösung (0,01°) begrenzt ist. Lediglich zum Zwecke der Darstellung tritt zu einer beliebigen Zeit von 300 Minuten die Initialisierung auf.
Da nur die Bestimmung der Richtung zum Satelliten 50 durchgeführt worden ist, ist jede nachfolgende Bewegung des Satelliten, die auftreten kann, nicht bekannt. Demzufolge bleibt die Antenne 40 in Azimut und Elevation stationär.
In diesem dargestellten Beispiel bewegt sich der Satellit 50 ausreichend schnell, so daß der Empfangssignalpegel im 1-min-Mittel um 0,6 dB innerhalb weniger Minuten fällt. Durch eine Anwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik wird die HF-Achse 42 der Antenne 40 mit dem Satelliten 50 mit der Genauigkeit ausgerichtet, die mit der Steuereinrichtung 35 möglich ist. Der Empfangspegel und die Antennenposition sind während der Anwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik nicht dargestellt.
Bei Beendigung der zweiten Spitzenwerteinstellung ist die Antennenposition zu zwei Zeiten bekannt, die in diesem Beispiel annähernd 6 min voneinander getrennt sind. Die Neigungen dα/dt und dε/dt werden berechnet. Jede Minute danach werden der extrapolierte Azimut und die extrapolierte Elevation berechnet, und die Antenne 40 wird mit der Genauigkeit, die mit der Steuereinrichtung 35 möglich ist, in diese Position bewegt (Treppenlinie, Fig. 6 und 7).
Da die scheinbare Bewegung des Satelliten 50 weder in Azimut und Elevation linear noch in diesen Koordinaten gegen die Zeit gleichmäßig ist, nimmt der Winkelabstand zwischen der HF-Achse 42 und dem Weg von der Antenne 40 zum Satelliten 50 zu. In diesem dargestellten Beispiel fällt der Empfangspegel im 1-min-Mittel um 0,6 dB zu der Zeit, die mit annähernd 318 min bezeichnet ist, anhähernd 13 min nach der vorherigen Spitzenwerteinstellung. Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellung wird angewendet, um die HF-Achse 42 mit dem Weg zwischen der Antenne 40 und dem Satelliten 50 mit der Genauigkeit, die mit der Steuereinrichtung 35 möglich ist, erneut auszurichten.
Auf die gleiche Weise wie vorher werden die Neigungen dα/dt und dε/dt aus den Antennenspitzenwerteinstellungen berechnet, die bei annähernd 305 min und 318 min auftraten. Vorherige Werte des Spitzenazimuts und der Spitzenelevation werden verworfen. Jede Minute danach werden der extrapolierte Azimut und die extrapolierte Elevation berechnet, und die Antenne 40 wird mit der Genauigkeit, die mit der Steuereinrichtung 35 möglich ist in ihre Position bewegt (Treppenlinie, Fig. 6 und 7).
Da das Zeitinkrement größer ist (13 min), wird erwartet, daß die Neigungen dα/dt und dε/dt mit größerer Genauigkeit bekannt sind. Infolgedessen kann die berechnete Antennenposition mit dem Satelliten für eine längere Zeit annähernd ausgerichtet bleiben. In diesem dargestellten Beispiel erfordert die Antenne erst wieder eine Spitzenwerteinstellung, wenn mehr als zwei Stunden vergangen sind.
Die Periode zwischen aufeinanderfolgenden Spitzenwertereinstellungen der Antenne in Azimut und Elevation nimmt ab, wenn sich die Änderungsgeschwindigkeit des scheinbaren Azimuts und der scheinbaren Elevation des Satelliten verringert und ihr Vorzeichen umkehrt. Die Simulationen zeigen, daß die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik die Satellitenbewegung durch eine Serie von linearen Extrapolationen der Satellitenbewegung weiter annähert.

Anschauliches Beispiel der Bahnverfolgungstechnik

Die Bahnverfolgungstechnik kann dargestellt werden, indem man von einem Satelliten 50 mit einer Neigung von 3,0° und einer mäßigen Exzentrizität von 0,00040 ausgeht. Die Antenne mit einer 3-dB-Strahlbreite von 0,22° befindet sich in 33° nördlicher Breite und 96,6° westlicher Länge. Die Antenne 40 wird sowohl in Azimut als auch Elevation mit einer Genauigkeit von 0,01° bewegt.
Es können Daten für ein dargestelltes Beispiel durch ein Simulationsprogramm bereitgestellt werden, das eine genaue Darstellung der Hauptkeule 44 der Antenne 40 aufweist. Das empfangene Signal weist additives weißes Gaußsches Räuschen (AWGN) auf.
Die Bahnverfolgungstechnik kann dargestellt werden, indem die empfangene Signalstärke (Fig. 9 und 10) mit dem Antennenazimut als Funktion der Zeit (Fig. 9) und mit der Antennenelevation als Funktion der Zeit (Fig. 10) aufgezeichnet werden.
In diesem dargestellten Beispiel wird die HF-Achse 42 zunächst mit dem Weg von der Antenne 40 zum Satelliten 50 unter Verwendung der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik ausgerichtet. Lediglich zum Zwecke der Darstellung tritt die Initialisierung zu einer beliebigen Zeit von 345,0 Tagen auf.
Nach wenigen Minuten ist der Empfangspegel im 1-min- Mittel so stark gefallen, so daß die Antennen-HF-Achse mit dem Weg zum Satelliten neu ausgerichtet werden muß. Nach Beendigung dieser zweiten Spitzenwerteinstellung ist die Antennenposition zu zwei Zeiten bekannt, und mit der adaptiven kontinuierlichen Schritt-Bahnverfolgungstechnik werden die Neigungen im Azimut dα/dt und in Elevation dε/dt berechnet. Jede Minute werden der extrapolierte Azimut und die extrapolierte Elevation berechnet und die Antenne in ihre Position bewegt, wie mit der Genauigkeit des Antriebsteuersystems 35 bestimmt.
Von Zeit zu Zeit kann der mittlere Empfangspegel so stark fallen, daß die adaptive kontinuierliche Schritt- Bahnverfolgungstechnik fordert, daß die Antennen-HF-Achse mit dem Weg zum Satelliten mittels der Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik neu ausgerichtet wird.
Da der Antennenort und Ausrichtung des topozentrischen Koordinatensystems beide bekannt sind, werden jedes Wettepaar von Antennenazimut und -elevation, das aus jeder Dreipünkt- Spitzenwertereinstellungstechnik gewonnen wird, in θ und φ des geozentrischen Kugelkoordinatensystems umgewandelt, wie von der Bahnverfolgungstechnik gefordert, und durch Speicherung der Werte für θ, φ und der Zeit wird eine Tabelle gebildet.
Die Antennenposition wird durch die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik bestimmt, bis mindestens sechs Paare von θ und φ, die mindestens sechs Stunden (0,25 Tage) überspannen, in die Tabelle eingetragen worden sind.
In diesem dargestellten Beispiel sind die scheinbare Satellitenbewegung und die Antennenstrahlbreite derartig, daß mehr als sechs Paare von θ und φ in den ersten sechs Stunden (0,25 Tage) gewonnen werden. Alle nachfolgenden Antennenpositionen werden durch die Bahnverfolgungstechnik bestimmt.
In diesem dargestellten Beispiel richtet die Bahnverfolgungstechnik die Antennen-HF-Achse 42 mit dem Weg von der Antenne zum Satelliten alle drei Stunden (0,125 Tage) aus. Die berechneten Werte von θ und φ werden zur Tabelle addiert und verwendet, um die geschätzten Bahnparameter zu verfeinern. Die Zeit jeder Antennenspitzenwerteinstellung und des resultierenden Spitzenazimut und der resultierenden Spitzenelevation werden durch leere Karos angezeigt (Fig. 9 und 10).
Es ist in diesem dargestellten Beispiel erkennbar, daß die Bahnelemente, die während der ersten zwölf Stunden (0,5 Tage) bestimmt werden, zu einer allmählich zunehmenden Fehlausrichtung der HF-Antenne mit dem Weg von der Antenne zum Satelliten führt. Die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik annähernd 16 Stunden ab dem Start der Simulation (345,65 Tage) verfeinert die Bahnelemente, so daß die HF-Achse mit dem Weg von der Antenne zum Satelliten für den Rest der Zweitagessimulation gut ausgerichtet bleibt.

Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Das oben beschriebene System 10 bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Es sind weniger Antennenbewegungsbefehle erforderlich, um eine Spitzenwertereinstellung für die Antenne 40 unter Verwendung der Dreipunkt- Spitzenwerteinstellungstechnik durchzuführen, als bei der herkömmlichen Bahnverfolgung. Da die Technik sich nicht auf sehr kleine Differenzen in der Empfangssignalstärke stützt, die aus kleinen Bewegungen nahe dem Spitzenwert des Antennenmusters resultieren, ist sie beim Auftreten von Signalschwankungen aufgrund atmosphärischer Szintillationen und Niederschläge von sich aus robust.
Die Antenne 40 wird schrittweise von einer Seite des Spitzenwerts zur anderen geführt, so daß alle Messungen in den meisten Fällen gewonnen werden, während sich das Antriebssystem 35 nur in einer Richtung bewegt. Da die Belastung des Antriebssystems normalerweise in der gleichen Richtung erfolgt, während alle Datenpunkte ermittelt werden, wird ein Rückschlag während des Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsprozesses ausgeschlossen. Ebenso sind Fehler im Achsenwinkelresolverausgangssignal, die zu Torsionen in der Verbindung zum Resolver und zur Belastung durch die Achsenwinkelresolverlager führen, immer mit dem gleichen Vorzeichen in der berechneten Spitzenposition vorhanden.
Ferner bestimmt die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik die Richtung der HF-Achse 42 mit einer Genauigkeit, die größer ist als die, die entweder mit der Achsenwinkelresolverauflösung oder mit dem kleinsten Inkrement der Antennenbewegung, die mit dem Antennenantriebssystem 35 möglich ist, erreichbar ist.
Im allgemeinen wird die Antenne unabhängig vom Antennenort, von Fehlern, einschließlich großer Fehler bei der Achsenwinkelresolverinitialisierung, und von Nichtlinearitäten des Achsenwinkelresolverausgangssignals auf ihren Spitzenwert eingestellt, vorausgesetzt, daß das Ausgangssignal eine eindeutige Funktion der Position über dem relevanten Bruchteil der 3-dB-Strahlbreite der Antenne ist.
Die adaptive kontinuierliche Schritt- Bahnverfolgungstechnik hat verschiedene Vorteile gegenüber bekannten Verfahren. Die adaptive kontinuierliche Schritt- Bahnverfolgungstechnik reduziert deutlich die Anzahl der Ausrichtungen der HF-Achse 42 mit dem Weg zwischen der Antenne 40 und dem Satelliten 50, die erforderlich sind, um einen adäquaten Empfangssignalpegel beizubehalten. Sie ist bei großen Antennen, die Satelliten mit einer deutlichen Neigung oder Exzentrizität verfolgen, besonders effektiv.
Die Satellitenbewegungen in Azimut und Elevation sind höchst linear gegen die Zeit, wenn der Satellit sich am schnellsten zu bewegen scheint. Bei bekannten Verfahren müßte der Antennenspitzenwert während dieser Perioden häufig nachgestellt werden. Bei der adaptiven kontinuierlichen Schritt- Bahnverfolgungstechnik wird der größte Teil dieser Spitzenwerteinstellungsaktivität beseitigt, und die Antenne bewegt sich in Azimut und Elevation mit der Genauigkeit des Antennenantriebssystems 35.
Da die Bewegungsrichtung in Azimut und Elevation sich jeweils nur zweimal am Tag umkehrt, folgt daraus, daß außer bei der Spitzenwerteinstellung der Antenne die meisten Antennenbewegungsanforderungen in der gleichen Richtung liegen wie die vorherige Anforderung. Dadurch werden die Belastung und der Verschleiß des Antennenantriebs und des Positionierungssystems stark reduziert. Im allgemeinen ist die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik unabhängig vom Antennenort, von Fehlern, einschließlich großer Fehler bei der Achsenwinkelresolverinitialisierung, und von Nichtlinearitäten des Achsenwinkelresolverausgangssignals effektiv, vorausgesetzt, daß das Ausgangssignal eine eindeutige Funktion der Position über dem Bereich der Satellitenbewegung in Azimut und Elevation ist.
Zusätzlich zu den Vorteilen, die die Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungstechnik und die adaptive kontinuierliche Schritt-Bahnverfolgungstechnik bieten, verbessert die Bahnverfolgungstechnik ferner die Bahnverfolgungsgenauigkeit und reduziert die Anzahl der Ausrichtungen der HF-Antenne mit dem Satellitenweg, die erforderlich sind, um einen angemessenen Empfangssignalpegel beizubehalten. Bei Bedarf kann auf eine Spitzenwertnachstellung der Antenne in Perioden der Niederschlagsdämpfung oder übermäßiger atmosphärischer Szintillationssaktivität verzichtet werden.
Die Bahnverfolgungstechnik berechnet die relevanten Bahnelemente des Satelliten und bewegt die Antenne entsprechend den Keplerschen Gesetzen. Die Bahnverfolgungstechnik korrigiert automatisch die Satellitenbahnelemente, um die Wirkungen der Bahnänderungen aufzunehmen, die von verschiedenen Kräften, z. B. Sonnen- und Mondgravitation, und von Positionsstabilisierungsaktivitäten verursacht werden.
Ferner zeigt der Term der Abweichung φ₀, der durch die Bahnverfolgungstechnik bereitgestellt wird, die Genauigkeit an, mit der die Achsenwinkelresolver initialisiert worden sind. Der Term der Abweichung θ₀, der durch die Bahnverfolgungstechnik bereitgestellt wird, ist der geografischeh Satellitenlänge äquivalent.
Unter Verwendung der Bahnverfolgungstechnik bewegt sich die Antenne derartig, daß sie mit dem Satelliten für vzele Tage ohne Spitzenwertnachstellung der Antenne ausgerichtet bleibt. Die Bahnverfolgungstechnik bietet außerdem die Möglichkeit, die Bahnverfolgungsdaten vom Antennenort zu jedem anderen Ort auf der Erde zu übertragen. Die Bahnverfolgungstechnik ist ungeachtet mäßiger Fehler bei der Achsenwinkelresolverinitialisierung und Nichtlinearitäten bei der Achsenwinkelresolverauflösung effektiv, vorausgesetzt, daß das Ausgangssignal eine eindeutige Funktion der Position über dem Bereich der Satellitenbewegung in Azimut und Elevation ist und daß der Fehler die Satellitenbahn nicht übermäßig verzerrt, von der Antenne aus gesehen.
Spezifische Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Bahnverfolgung eines Satelliten sind hier beschrieben worden, um zu zeigen, wie die Erfindung entstanden ist und angewendet wird. Man beachte, daß die Implementierung verschiedener Variationen und Modifikationen der Erfindung und ihrer verschiedenen Aspekte für den Fachmann deutlich erkennbar sind und daß die Erfindung nicht durch die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen eingeschränkt wird. Deshalb sind in der vorliegenden Erfindung jegliche Modifikationen, Variationen oder Äquivalente enthalten, die im Grundgedanken und im Schutzbereich der grundlegenden Prinzipien enthalten sind, wie sie hier offenbart und in den Ansprüchen definiert sind.

Erläuterung zu den Figuren

Fig. 2 Empfangssignalpegel und Antennenazimutwinkel vor, während und nach dem Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsprozeß
Fig. 3 Ergebnisse der quadratischen Anpassung im Azimut an die mittleren Signalpegel (volle Karos), die während des Azimutabschnitts des Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsprozesses ermittelt werden. Der Punkt bei 151,89° Azimut ist nicht in der quadratischen Anpassung enthalten. Der Spitzenazimut wird durch die zusätzliche vertikale Achse bei 151, 949° angezeigt.
Fig. 4 Empfangssignalpegel und Antennenelevationswinkel vor, während und nach dem Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsprozeß
Fig. 5 Ergebnisse der quadratischen Anpassung in der Elevation an die mittleren Signalpegel (volle Karos), die während des Elevationsabschnitts des Dreipunkt-Spitzenwerteinstellungsprozesses ermittelt werden. Die Spitzenelevation wird durch die zusätzlich vertikale Achse bei 48,914° angezeigt.
Fig. 6 Das Verhalten des Signalpegels (grau), des Signalpegels im 1- min-Mittel (dicke Linie), des Satellitenazimuts (durchgezogene dünne Linie) und des Antennenazimuts (Treppenlinie) während der ersten 30 min der Bahnverfolgung eines geneigten und exzentrischen Satelliten.
Fig. 7 Verhalten des Signalpegels (grau), des Signalpegels 1-min- Mittel (dicke Linie), der Satellitenelevation (durchgezogene dünne Linie) und der Antennenelevation (Treppenlinie) während der ersten 30 min der Bahnverfolgung eines geneigten und exzentrischen Satelliten.
Fig. 8 Antennenbewegung in Azimut und Elevation unter Verwendung der adaptiven kontinuierlichen Schritt-Bahnverfolgungstechnik. Die Antennenposition unmittelbar nach jeder Dreipunkt- Spitzenwerteinstellung wird durch ein leeres Karo angezeigt.
Fig. 9 Antennenazimut und Empfangssignalpegel unter Verwendung adaptiver kontinuierlicher Schritt-Bahnverfolgung, gefolgt von einer Bahnverfolgung für Satelliten mit mäßiger Neigung und Exzentrizität.
Fig. 10 Antennenelevation und Empfangssignalpegel unter Verwendung adaptiver kontinuierlicher Schritt-Bahnverfolgung, gefolgt von einer Bahnverfolgung für Satelliten mit mäßiger Neigung und Exzentrizität.

Claims

1. Verfahren zur Bahnverfolgung einer Signalquelle unter Verwendung einer Antenne mit einer vorbestimmten Strahlbreite, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Drehen einer HF-Achse der Antenne in einer einzigen Ebene um drei oder mehr vorbestimmte Meßwinkel;
Messen eines Signalpegels in jedem Winkel,
Festhalten von drei gemessenen Signalpegeln und entsprechenden Winkelpositionen der vorbestimmten Meßwinkel, so daß der gemessene Signalpegel in der zweiten Winkelposition sowohl den der ersten als auch der dritten Winkelposition überschreitet;
Bestimmen eines Satzes von Koeffizienten einer quadratischen Funktion, die die gemessenen Signale auf die Winkelpositionen bezieht;
Verwenden der Koeffizienten der quadratischen Funktion, um eine Winkelposition zu bestimmen, die einen Signalpegel von der Signalquelle maximiert; und
Wiederholen der vorhergehenden Schritte in einer orthogonalen Ebene, um eine Signalquellenposition bereitzustellen.

2. Verfahren zur Bahnverfolgung der Signalquelle nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Drehen der HF-Achse der Antenne in einer einzigen Richtung von einem ersten vorbestimmten Meßwinkel der drei oder mehr vorbestimmten Meßwinkel um einen Satz von verbleibenden Signalmeßwinkeln der drei oder mehr Meßwinkel.

3. Verfahren zur Bahnverfolgung der Signalquelle nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Bestimmen einer ersten Signalquellenposition zu einer Zeit t₀, einer zweiten Signalquellenposition zu einer Zeit t₁ und Schätzen der dritten Signalquellenposition zu einer nachfolgenden Zeit t₂ durch lineare Extrapolation.

4. Verfahren zur Bahnverfolgung der Signalquelle nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Berechnen späterer Signalquellenpositionen unter Verwendung eines Satzes von Gleichungen, die die Signalquellenposition in geometrischen Kugelkoordinaten als Funktion der Zeit ausdrücken.

5. Verfahren zur Bahnverfolgung der Signalquelle nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt: Umrechnen jeder Signalquellenpositionsmessung nach Anspruch 1 aus topozentrischen Koordinaten in geozentrische Kugelkoordinaten.

6. Verfahren zur Bahnverfolgung der Signalquelle nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt: Bilden einer Tabelle von Signalquellenpositionen in geometrischen Kugelkoordinaten.

7. Verfahren zur Bahnverfolgung der Signalquelle nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt: Verwenden der Technik der kleinsten Quadrate, um die Koeffizienten der Gleichungen zu bestimmen, die die Signalquellenposition in geometrischen Kugelkoordinaten als Funktion der Zeit ausdrücken.

8. Vorrichtung zur Bahnverfolgung einer Signalquelle unter Verwendung einer Antenne mit einer vorbestimmten Strahlbreite, wobei die Vorrichtung aufweist:
einen Antennenantrieb, der geeignet ist, die HF-Achse der Antenne in einer einzigen Ebene um drei oder mehr vorbestimmte Meßwinkel zu drehen;
eine Einrichtung zum Messen eines Signalpegels bei jedem Winkel;
eine Einrichtung zum Halten von drei gemessenen Signalpegeln und entsprechenden Winkelpositionen der vorbestimmten Meßwinkel, so daß der gemessene Signalpegel in der zweiten Winkelposition sowohl den der ersten als auch der dritten Winkelposition überschreitet;
eine Einrichtung zur Bestimmung eines Satzes von Koeffizienten einer quadratischen Funktion, die die gemessenen Signale auf Winkelpositionen bezieht;
eine Einrichtung zur Verwendung der Koeffizienten der quadratischen Funktion, um eine Winkelposition zu bestimmen, die einen Signalpegel von der Signalquelle maximiert; und
eine Einrichtung zum Wiederholen der vorhergehenden Schritte in einer orthogonalen Ebene, um eine Signalquellenposition bereitzustellen.