DE3587408T2

DE3587408T2 - Verfolgungssystem für antennen mittels sequentieller mehrkeulenbildung.

Info

Publication number: DE3587408T2
Application number: DE85903686T
Authority: DE
Inventors: Giacinto Losquadro; Giorgio Perrotta
Original assignee: Selenia Spazio SpA
Current assignee: Alenia Spazio SpA
Priority date: 1984-07-27
Filing date: 1985-07-24
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2005-07-25
Also published as: ATE90795T1; EP0197944A1; US4963890A; DE3587408D1; WO1986000998A1; EP0197944B1; IT8448646A0; IT1199172B

Description

Die Erfindung betrifft ein System, das mit einem Hochfrequenzsensor (RF-Sensor) ausgerüstet ist, um Satellitenverfolgungsantennen genau steuern zu können, die einen großen Empfangs-Winkelbereich haben. Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Antennen und insbesondere von stark gerichteten Antennen, vorzugsweise für die Anwendung in Satelliten. Die Erfindung bezieht sich ferner auf das Gebiet von automatischen Leitstrahl- oder Zielverfolgungssystemen.
Dem Problem einer genauen oder feinen Ausrichtung von stark gerichteten Antennen an Bord von Satelliten wurde in den vergangenen Jahren begegnet durch Hochfrequenzsensoren, die in den Strahlungsquellen der Antennen integriert sind. Das Prinzip, auf dem alle Hochfrequenzsensoren beruhen, besteht darin, daß ein Hochfrequenz-Leitstrahlsignal von einer Bodenstation abgegeben und an Bord des Satelliten mit einer Einrichtung (d. h. dem Hochfrequenzsensor) empfangen wird, die in der Lage ist, Winkelverschiebungen der Ankunftsrichtung des Signals bezüglich der elektrischen Visierlinie des Sensors zu erfassen.
Das schwierigste Problem, das bei diesen Systemen gelöst werden muß, besteht in einer sehr hohen Richtgenauigkeit, die bei Anwesenheit von Signalausblendungen in dem Pfad Satellit-Erde erforderlich ist; diese Ausblendungen können 35 dB in Kommunikationssystemen erreichen, welche Frequenzbänder im Bereich 30 GHz benützen. Ein weiteres, schwieriges Problem, das gelöst werden muß, besteht darin, die Vorrichtung mit einem unzweideutigen Selbsteinstellungswinkel zu versehen, der weit genug ist, um eine rasche Winkelfeststellung (Beschaffung) oder Wiederbeschaffung der Ankunftsrichtung des Leitstrahlsignals zu gewährleisten nach (i) Verlust der Zielverfolgung aufgrund von Fehlern im Satelliten-Fluglagenregelungssystem, das eine grobe Stabilisierung der Antennenlage erlaubt, (ii) einer zeitweisen Emissionsunterbrechung im Bodensender, der das Leitstrahlsignal erzeugt, oder (iii) unerwarteten Manövern der Satellitenlageregelung, die eine Entriegelung der automatischen Zielverfolgung verursachen könnte.
Herkömmliche Systeme sind so ausgelegt, daß sie die Möglichkeiten einer Feinverfolgung verbessern, eine Besonderheit, die auf jeden Fall im Widerspruch steht zu der Fähigkeit, ein Leitstrahlsignal über einen großen Winkelbereich wiederzugewinnen.
Wie nachstehend erläutert, werden die oben erwähnten Probleme anhand einer Beschreibung der Wirkungsweise eines herkömmlichen Verfolgungssystems sichtbar gemacht. Der Hochfrequenzsensor ist eine Einrichtung, die an ihrem Ausgang ein meßbares Signal zur Verfügung stellt, beispielsweise eine Spannung, die proportional zur momentanen Winkelverschiebung zwischen der Ankunftsrichtung des Leitstrahls, ausgedrückt in Satellitenkoordinaten, und der radioelektrischen Visierlinie des Sensors ist. Die vom Sensor erfaßten Winkelverschiebungen werden in geeigneter Weise verarbeitet und für eine Servopositionsfunktion der Bordantenne verwendet, um die genaue Ausrichtung zwischen der Visierlinie des Sensors und der Ankunftsrichtung des Leitstrahlsignals wiederzuerlangen.
Alle bekannten Hochfrequenzsensoren für Satellitenanwendungen beruhen auf der bekannten Monopuls-Technik, die für Radar verwendet wird. Ein Monopuls-Sensor hat die Fähigkeit der unmittelbaren Erzeugung eines Hochfrequenz-Bezugssignals, das Summensignal genannt wird, von Differenzsignalen, deren Amplitude mit dem Winkelversatz zwischen der Ankunftsrichtung des Signals und der Sensor-Visierlinie zunimmt, sowie eines Phasenwinkels, dessen Vorzeichen beim Kreuzen der Visierlinie wechselt.
Da es erforderlich ist, die Antennenposition auf zwei orthogonalen Achsen (parallel zu den Roll- und Nickachsen des Satelliten) zu korrigieren, liefert der Hochfrequenzsensor zwei Differenzsignale, von denen jedes der zu steuernden Achse zugeordnet ist. Diese beiden durch Hochfrequenz erzeugten Differenzsignale werden verwendet, um die Phase oder vorzugsweise die Amplitude des Summensignals zu modulieren, das nach der Modulationsübertragung Informationen enthält, die sich auf die augenblickliche Winkelverschiebung zwischen der Ankunftsrichtung des Leitstrahlsignals und der Visierlinie des Sensors beziehen.
Die Technik der Modulationsübertragung ist wesentlich, um eine Gewichtsreduzierung zu erlangen, die an Bord von Satelliten eine wichtige Voraussetzung ist. Die Technik des Multiplexings von zwei unterschiedlichen Dateninformationen, die in einem späteren Stadium verarbeitet werden müssen, auf einem Übertragungskanal setzt voraus, daß nur eine Modulator-Demodulator-Einheit verwendet wird.
Die Ermittlung der beiden Komponenten des momentanen Winkelfehlers auf den beiden orthogonalen Achsen des Sensors wird in der Regel mit Hilfe eines PLL-Empfängers erreicht, dem ein Signalamplituden-Normalisator vorgeschaltet ist (bestehend aus einer Verstärkungsregelschaltung), welcher auf den Mittelwert des Summensignals anspricht, das durch die Differenzsignale moduliert ist. Das Summensignal (Σ), das durch die Differenzsignale (Δ) amplitudenmoduliert ist, wird kohärent durch Mischung mit dem Träger demoduliert, durch den PLL-Detektor rückgekoppelt und der von der amplitudenmodulierten Komponente befreit.
Es ist leicht einzusehen, wie das Monopuls-Sensorsystem in Verabindung mit seinem Winkelbeschaffungssektor implizit eingeschränkt ist, weshalb es außerhalb eines beschränkten Winkels, wo das vom Hochfrequenzsensor gelieferte Differenzsignal eine kleinere Amplitude als das Summensignal hat, nicht funktioniert. Tatsächlich kann nur innerhalb dieses Bereiches das Verhältnis Δ/Σ linearisiert werden. Mit anderen Worten ist das Verhältnis proportional zu dem augenblicklichen Winkelversatz zwischen der Ankunftsrichtung des Leitstrahlsignals und der Radio-Visierlinie des Sensors. Außerhalb dieses Bereiches gibt es Schwellenwertprobleme (da das Summensignal zu schwach ist, insbesondere im unteren Teil der Strahlenkeule und im Bereich der Seitenkeulen), und es stellt sich eine rasche Vorzeichenumkehrung in der Funktion des Winkelauflösungsvermögens ein, die bedingt ist durch die periodischen Vorzeichenänderungen der Phase in den Seitenkeulenbereichen sowohl des Summenstrahls als auch des Differenzstrahls. Es ist daher unmöglich, einen Monopuls-Sensor für die Winkelbeschaffung des Leitstrahls einzusetzen, ausgehend von einem Winkelversatz (zwischen der Ankunftsrichtung des Leitstrahls und der momentanen Richtung der elektrischen Visierlinie des Sensors), der größer ist als die "Summen"-Strahlbreite von -3 dB. Diese Tatsache ist in der Radartechnik bekannt, wo die Monopuls-Zielverfolgung nur stattfinden kann durch die Folgebestimmung des Zielwinkels mit Hilfe von Überwachungs- oder Beschaffungsradar, wodurch in der Praxis eine Grobwinkel-Beschaffungsfunktion des Zieles erreicht wird.
In der Satellitentechnik ist die Fähigkeit der Winkelbeschaffung oder -wiederbeschaffung, ausgehend von einem signifikanten Versatz des Leitstrahls von der augenblicklichen Ankunftsrichtung der Sensor-Visierlinie, aus zwei Gründen wichtig:
1. An Bord steht nichts zur Verfügung, womit der Sensor auf der anfänglichen Ankunftsrichtung des Leitstrahles verriegelt werden kann,
2. Bei Echtzeitsystemen, bei denen die Zahl von Ausfällen des Kommunikationssystems klein gehalten werden muß, ist es wichtig, die Zeiten für die Wiederbeschaffung so gering wie möglich zu halten, wenn Satelliten-Fluglagenmanöver oder Funktionsstörungen der Leitstrahlstation Entriegelungen des Verfolgungssystems nach sich ziehen oder die Satellitenlage außerhalb des Fensters bringen, für welches eine korrekte Verfolgung sichergestellt werden kann.
Obwohl durch eine Fernsteuerung vom Boden aus eine Reinitialisierung für die Verfolgung erzielt werden könnte, ist diese Lösung aufgrund der folgenden Betriebsfaktoren wenig zweckmäßig: (a) die erforderliche Zeit für die Abgabe von Befehlen zur Ausführung einer Winkelschwenkung des Beschaffungsbereiches, (b) die sich daraus ergebenden Ausfälle und (c) die Zuverlässigkeit des Verfahrens.
Es ist daher sehr wünschenswert, ein Feinverfolgungssystem auf der Basis eines Hochfrequenzsensors einzusetzen, mit dessen Hilfe ein Bodenleitstrahl innerhalb eines Winkelbereiches beschafft werden kann, der wesentlich größer als die -3 dB Strahlbreite der Antennenkeule ist, so daß mit dem System (a) die Notwendigkeit für Eingriffe in die Satellitensteuerstation und insbesondere für Fernbefehle entfällt oder verringert wird, (b) die Zeiten für die Beschaffung bzw. Wiederbeschaffung des Winkels minimiert werden und (c) die Ausfallzeiten für das Telekommunikationssystem minimiert werden, von welchem das Antennenfeinverfolgungssystem ein integraler Teil ist.
Das System gemäß der Erfindung vermeidet die oben aufgeführten Nachteile, die mit dem begrenzten Winkelbeschaffungsbereich zusammenhängen, der typisch für herkömmliche Hochfrequenzsensoren ist. Die Erfindung beruht auf den folgenden Punkten:
(a) Hochfrequenzsensor zur Keulenumschaltung mit einem PLL-Empfänger/Umsetzer zur Modulationsverfolgung,
(b) Nutzung des charakteristischen Verhaltens des Seitenkeulenschemas der normalerweise in Satelliten verwendeten Antennen; diese ergeben sich aus gewissen Eigenschaften der Winkeldiskriminatorfunktion, die durch eine Videoverarbeitung des demodulierten Signals erhalten wird (diese Eigenschaften sind von grundlegender Bedeutung für die Beschaffung selbst bei einem signifikanten Versatz der Ankunftsrichtung des Leitstrahls zur elektrischen Visierlinie des Sensors),
(c) Einsatz eines Bordprozessors zur Ausführung der Algorithmen für die Verarbeitung der Kennwerte der Diskriminatorfunktion einschließlich derjenigen, die erforderlich sind, um die singulären Stellen oder Bereiche mit geringem Gradienten der Winkeldiskriminatorfunktion gemäß Punkt (b) zu überwinden.
Ein Feinverfolgungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der US-A 3 324 472 bekannt. Die oben beschriebenen Nachteile werden durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 überwunden.
Zur Erleichterung der weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Steuersystems zur Feinverfolgung für eine Nachrichtenantenne,
Fig. 2a bis 2c schematische Darstellungen der Hochfrequenzsensor-Strahlungsquelle und der Wege zur Durchführung einer sequentiellen Umschaltung von Hochfrequenz-Signalwerten, die von den Strahlern empfangen werden,
Fig. 3 einen Schnitt in der U-V-Ebene von Strahlungsdiagrammen, die von Strahlern gemäß Fig. 2a empfangen werden,
Fig. 4 eine alternative Form der Realisierung eines Hochfrequenzsensors zur Keulenumschaltung, bei dem mehr als vier Strahler verwendet werden,
Fig. 5 die schematische Darstellung des Demodulators 3 der Fig. 1,
Fig. 6 die Wirkung der PLL-Demodulation der Modulationsverfolgung im Feld des Diagramms der Fig. 3,
Fig. 7a und 7b Isolevel-Karten der Winkeldiskriminatorfunktion - in der Ebene U-V - am Ausgang des Demodulators 3, Fig. 8 die Beziehung zwischen den Winkelabständen in bezug auf die Antennenstrahlen, die mit den Elementarstrahlern des Hochfrequenzsensors verbunden sind, sowie den Überschneidungspunkt dieser Strahlen,
Fig. 9 die Anwesenheit von singulären und stationären Punkten in der Ebene U-V der Winkeldiskriminatorfunktion,
Fig. 10 ein Flußdiagramm der Abläufe, die in eine Software- Sprache übersetzt und eine Hardeware-Architektur der Datenverarbeitungsanlage an Bord übertragen und an dem demodulierten Signal vorgenommen werden müssen, das am Ausgang des Empfängers/Demodulators 3 während einer Leitstrahlbeschaffung erzeugt wird,
Fig. 11 ein Flußdiagramm der während der Bestätigung und Beschaffung des Leitstrahls notwendigen Abläufe, die in eine Software-Sprache übersetzt und eine Hardware-Architektur übertragen werden müssen,
Fig. 12 das Flußdiagramm der erforderlichen Abläufe während der Leitstrahlverfolgung, die in eine Software-Sprache übersetzt und eine Hardware-Architektur übertragen werden müssen,
Fig. 13 ein Diagramm der Fähigkeiten des Prozessors 4 an Bord zur Vermeidung unerwünschter Verriegelungen auf den stationären Punkten der Fig. 9 und zur Gewährleistung einer sicheren Winkelbeschaffung in der Leitstrahlrichtung selbst dann, wenn während der Beschaffung die genannten singulären Punkte getroffen werden, und
Fig. 14 eine Karte in der Ebene V von Pfaden und möglichen Trajektorien für die Leitstrahlwinkelbeschaffung durch das System bei den Anfangsbedingungen der Beschaffungsphase mit Versatzwinkeln, die bezüglich der Ankunftsrichtung des Bodenleitstrahles größer als die Antennenstrahlbreite von -3 dB sind.
Die Arbeitsweise des Systems, das Gegenstand der Erfindung ist, wird nachstehend anhand der Figuren erläutert. Die Fig. 1 bis 5 können wie folgt näher beschrieben werden:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Steuersystems zur Feinverfolgung für eine Nachrichtenantenne, wobei die einzelnen Bausteine die nachstehend aufgeführten Bedeutungen haben:
1 ist ein Sender für einen Bodenleitstrahl,
2 ist ein Hochfrequenzsensor zur Keulenumschaltung,
3 ist ein PLL-Empfänger Umsetzer zur Modulationsverfolgung,
4 ist eine an Bord untergebrachte Datenverarbeitungsanlage zur Verarbeitung des demodulierten Signals,
5 ist ein mechanisches Betätigungsorgan für die Rückpositionierung des an Bord angebrachten Antennenreflektors 6 und
6 ist eine Antennenreflektor-Oberfläche.
Fig. 2 zeigt schematisch die Strahler des Hochfrequenzsensors und die Wege zur Durchführung der sequentiellen Umschaltung dem von den Strahlern empfangenen Hochfrequenz-Signalwerte. Die Fig. 2a und 2b zeigen, obwohl äquivalent, zwei unterschiedliche Formen derselben geometrischen Konfiguration der Strahler in der Brennebene der Antenne entlang den Steuerachsen U und V zur Betätigung der Antennenbewegung. Fig. 2c zeigt den Einsatz eines elektronischen oder elektromechanischen Schalters für das Zeit- Multiplexing des Hochfrequenz-Signalwertes auf einen einzigen Übertragungskanal.
Fig. 3 zeigt in der U-V-Ebene einen Abschnitt des Strahlungsdiagrammes der A- und B-Strahlen, die von den Strahlern A und ß der Fig. 2a empfangen worden sind.
Fig. 4 zeigt alternative Formen für die Ausführung eines Hochfrequenzsensors zur Keulenumschaltung, bei dem mehr als vier Strahler verwendet werden.
Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau des Demodulators 3 der Fig. 1, wobei die verwendeten Bausteine die folgende Bedeutung haben:
A, B, C, D sind die Strahler,
7 ist ein Breitband-Ringfilter,
8 ist ein VCO (spannungsgesteuerter Oszillator),
9 und 10 sind Multiplizierschaltungen und
11 ist ein Pegelverstärker.
Es ist zu beachten, daß der aus Radaranwendungen bekannte Sensor zur Keulenumschaltung auf einem Bereich von N Elementarstrahlern basiert, deren Anzahl im allgemeinen zwischen 3 und 6 liegt und die sequentiell durch einen N-Positions-Einwegschalter abgesucht werden.
Aus Fig. 4 geht hervor, daß zwei Ausführungsformen dargestellt sind. Fig. 4a zeigt einen 4 + 1 Strahlersensor, von dem der mittlere Strahler E jedem der peripheren Strahler A, B, C, D hinzugefügt ist. Fig. 4b zeigt einen 6 + 1 Strahlersensor, bei dem die sechs peripheren Strahlungsquellen dem mittleren Strahler G zugeordnet sind und die Selektion durch einen Einwegschalter mit sechs Positionen durchgeführt wird.
Am Ausgang Z des Einwegschalters X mit N Positionen (vgl. Fig. 2) oder am Ausgang Y der Summenschaltung, die dem Schalter X in Fig. 4 nachgeschaltet ist, ergibt sich eine Folge von Frequenz-Leitstrahlsignalwerten, die von den Elementarstrahlern des Hochfrequenzsensors erfaßt werden. Diese Folge hat eine diskrete Amplituden-Hüllkurven-Modulation, die angenähert ein konisches Abtastraster hat. Die sich ergebende Amplitudenmodulation ist nur dann Null, wenn die elektrische Visierlinie des Sensors genau mit der Ankunftsrichtung des Leitstrahlsignals übereinstimmt.
Wenn das Leitstrahlsignal nicht mit der Visierlinie des Sensors fluchtet, haben die N Hochfrequenz-Signalwerte unterschiedliche Amplituden, und die Amplitude des Signals steigt in präziser Weise für den Strahler bzw. die Strahler, die in der Brennebene des optischen Systems näher am Gravitationszentrum der Beugungsfigur liegen, das durch das optische System in der Brennebene erzeugt wird, die der ebenen Wellenfront entspricht, welche vom Bodenleitstrahl kommt. Das Gegenteil tritt ein bei Strahlern, die vom Gravitationszentrum weiter entfernt sind.
In einer Nußschale ist die Änderung des von jedem Elementarstrahler empfangenen Signals mit der Änderung der Ankunftsrichtung des Bodenleitstrahles im Verhältnis zur elektrischen Visierlinie des Sensors dieselbe wie beim Antennenstrahl im Verhältnis zum Strahler (Fig. 3). Dies ist grundsätzlich anders wie bei dem Monopuls-Sensorverfahren, wo der Sensor zur Keulenumschaltung keine Manipulation der empfangenen Hochfrequenz-Signalwerte durchführt, da diese unmittelbar zu dem Pegelverstärker 11 gesendet werden (Fig. 5).
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Empfänger ist phasenverriegelt und hat solche Verriegelungsbandeigenschaften, daß er bei Modulationsverfolgung bis wenigstens zu der Frequenz hinauf arbeitet, bei der der N-Positions-Einwegschalter ein Zeitmultiplexing der N Hochfrequenzsignale in den einzigen Empfangskanal 12 durchführt (Fig. 5). Diese Betriebsweise ist wesentlich für eine genaue Funktion des Sensors über einen sehr weiten Winkelbeschaffungsbereich. Wenn nämlich das Phasenzyklusband ausreichend breit ist, kann die Schleife exakt beim Start jedes Signalwertes, der von dem Zeitmultiplexer kommt, eine Trägerphase wiedergewinnen. Das setzt voraus, daß die Phaseninformation für die Keulen jedes Antennendiagramms absichtlich unbenutzt bleibt und die Demodulation des absoluten Wertes des Signals am Ausgang des kohärenten Demodulators stattfindet (Fig. 5). Mit anderen Worten haben alle Signalwerte am Detektorausgang ein positives Vorzeichen (Fig. 6).
Fig. 6 zeigt den äquivalenten Effekt dieser Art von Demodulation über äquivalente Diagramme, die zu Elementarstrahlen gehören. Daraus ergibt sich, daß die Seitenkeulen "gleichgerichtet" werden, so daß sie ihr Vorzeichen verlieren.
Die Erfindung nutzt dieses charakteristische Verhalten der Seitenkeulen-Hüllkurve des einzelnen Strahls aus, um solche Funktionen eines Weitwinkel-Beschaffungsbereiches zu erzielen, wie sie in der vorliegenden Erfindung beansprucht werden. Hierzu ergeben sich die Winkeldiskriminatorfunktionen, die durch eine Videoverarbeitung der Analogsignalwerte erhalten werden, die sich am Ausgang des PLL-Empfängers/Umsetzers 3 zur Modulationsverfolgung im Hinblick auf Fig. 2 einstellen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Keulenumschaltsensoren zeigt, wie folgt:
Für die anderen Ausführungen des Hochfrequenzsensors zur Keulenumschaltung, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind, können Winkeldiskriminatorfunktionen definiert werden, die zu der folgenden Familie gehören:
Mit anderen Worten ist die Diskriminatorfunktion bestimmt durch das Verhältnis der Linearkombination mit dem Koeffizienten Kj der Größe der von den Strahlern Ajk empfangenen Signale (einige der Koeffizienten Kj können Null sein) und der Summe der Größe der Signale aller Strahler Ai. Unter diesen Bedingungen nimmt die Diskriminatorfunktion eine charakteristische Funktion ein, die in den jeweiligen Elementarstrahl-Seitenkeulenbereichen (in der statistischen Deutung des Wortes) einen Durchschnittsgradienten bewahrt, der dasselbe Vorzeichen hat wie die Diskriminator-Spitzenspannung in der entsprechenden Halbebene bezüglich der Symmetrieachse der Funktion.
Die Fig. 7a und 7b zeigen ein Beispiel eines solchen charakteristischen Verhaltens der Diskriminatorfunktion fD(u) und fD(v) in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Diese charakteristischen Eigenschaften sind wesentlich, um dem System die Fähigkeit zu verleihen, Winkel in eindeutiger Art zu lokalisieren, selbst im Fall eines großen Versatzes in der Richtung des Leitstrahls bezüglich der augenblicklichen Zielverfolgungsrichtung (elektrische Visierlinie) des Sensors. Gemäß Fig. 7a kann in der Ebene der Variablen u, v (Richtungskosinus der allgemeinen Ankunftsrichtung des Leitstrahls) die Änderung der Pegelkurven der Diskriminatorfunktion in der Richtung u festgestellt werden. Die dargestellte Diskriminatorfunktion ist wie folgt:
Die Werte, die diese Funktion annimmt, verursachen Drehungen des Paraboloids, die stattfinden bei variablen Größen, die positiv, Null oder negativ sein können, abhängig davon, ob der Leitstrahl links, im Zentrum oder rechts des in Fig. 7a dargestellten Ringdiagramms liegt. Ebenso zeigt Fig. 7b die Änderung der Pegelkurven der Diskriminatorfunktion in Richtung V. Diese Funktion ist wie folgt:
Diese gibt Anlaß zu Paraboloid-Drehungen durch variable Größen auf einer Achse, die rechtwinklig zu der oben genannten Achse verläuft.
Um zu klären, wie das Konzept im allgemeinen angewendet werden kann, soll der Fall einer gleichmäßig angestrahlten Öffnung betrachtet werden. Unter der Annahme, daß die Öffnung rund ist und einen Durchmesser a hat und daß keine Zufallsgrößen für die Strahlungsamplitude vorhanden sind, sondern daß Einsatzphasen mit einem vorgegebenen Korrelationsintervall c vorliegen, erhält man für die Größe der quadratischen Verstärkung (auf Null dB normalisiert für σ² = 0) den folgenden Ausdruck:
wobei:
u = Ka sin θ
K = 2 πf/3 · 10&sup8;
θ = versetzter Visierlinienwinkel
σ² = Abweichung des Phasenfehlers über der Öffnung (wobei vorausgesetzt ist, daß der Phasenfehler einer Gauß'schen Verteilung folgt).
In dem nahe der Hauptkeule liegenden Bereich überwiegt der Beugungsterm und hat eine abnehmende Hüllkurve; der Streuungsterm ist hingegen stationär. Der Streuungsterm liefert keinerlei Information über die Richtung, in der die Bewegung erfolgen muß, um den Leitstrahl-Überkreuzungspunkt zu erreichen. Es kann daher überlegt werden, die Seitenkeulen für Zwecke der Beschaffung in einem Bereich (durch die Terme von u definiert) zu verwenden, in dem der Beugungsterm größer ist als der Streuungsterm (um etwa 10 dB).
Der Nutzumfang des Diagramms eines einzelnen Strahls kann erweitert werden auf u = 31,4 (N 10), d. h. für die ersten 10 Seitenkeulen (bei c/a = 10&supmin;² und σ² = 0,1, d. h. ein Bereich, in dem der Streuungsterm vernachlässigbar ist).
Der Beugungsterm kann für u ≥ 5 für Vektor und Phase wie folgt ausgedrückt werden:
woraus folgt, daß sich die Hüllkurve in dB ergibt zu
4-30 log&sub1;&sub0; (u).
Aus Fig. 8 ergibt sich, daß der Winkelfehler eines Strahls im Verhältnis zum nächsten entsprechend u = 1,2 sein muß (Fall 1 in Fig. 8), um eine Verschiebung der Seitenkeulen zu ermöglichen, während er 2,2π groß sein muß (Fall 2 der Fig. 8), um zwei Seitenkeulen verschieben zu können. Im Fall (1) ergibt sich ein Verstärkungsverlust von 4,43 dB bei der Überkreuzung, während im Fall (2) der Verlust theoretisch unendlich ist. Fall (2) der Fig. 8 ist schwieriger als Fall (1), selbst wenn er theoretisch die besten Funktionswerte ergibt, und zwar sowohl hinsichtlich der Winkelbeschaffung (Bestcharakteristik des Diskriminators) als auch hinsichtlich der Winkelfehlerabweichung bei der Zielverfolgung. Leider müßte der Leitstrahlsignaldetektor bei sehr geringen Verhältnissen S/N (selbst bei einem Null-Verhältnis) und daher unter dem Schwellenwert arbeiten. Fall (1) von Fig. 8 ist ein guter Kompromiß bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der Gradient am Überkreuzungspunkt ist groß, und die Beschaffung wird an den ersten 4 + 9 Seitenkeulen erzielt. Gleichfalls anwendbar sind alle Konfigurationen, was bedeutet, daß der Überkreuzungspunkt der Elementarstrahlen zwischen -6 dB und -20 dB liegt, solange das Signal am Eingang des Demodulators über seinem Schwellenwert arbeitet. Da bei dieser Variante der Überkreuzungspunkt tiefer liegt, haben die Eigenschaften der Winkelbeschaffung eine Senkung der Leistungskosten während der Zielverfolgung zur Folge.
Die Pegelkurven der Diskriminatorfunktionen, die in den Fig. 7a und 7b gezeigt sind, können lokale, stationäre Punkte haben.
Fig. 9 zeigt die Punkte in der Ebene u, v, für die beide Komponenten, welche die Bewegung erzwingen, Null sind (d. h. lokale stationäre Punkte). Diese Punkte, die hypothetische Verursacher für Beharrungszustände wären, sind nicht sehr störend, denn es ist möglich, durch Modifizierung der Meßwerte A, B, C, D der Formeln (1) und (2) Antennenbewegungen zu verursachen, die Anlaß geben zu einer neuen Gruppe von Anfangsbedingungen, wodurch die Möglichkeit einer Annäherung an den genauen Überkreuzungspunkt gegeben ist. Mit diesem Trick werden die Beschaffungspfade aufgrund des Durchschnittsgradienten im Bereich der Seitenkeulen auf dem gewünschten Überkreuzungspunkt statistisch ausgerichtet. Die Meßabänderungen müssen so sein, daß der Leitstrahl nicht veranlaßt wird, den zentralen Bereich des Diskriminatorringes (Fig. 7a und 7b) in einem stabilen Zustand zu verlassen. Nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach Beginn der Beschaffungsphase wird diese Änderung gestoppt und beginnt die Beschaffungs-Bestätigungsphase.
Ein weiterer, wesentlicher Baustein des Systems und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der Bordprozessor, der die Ausgangssignale des Demodulators so interpretiert, daß er erkennt, wenn eine Beschaffung stattfindet, so daß ein Umschalten für die Zielverfolgung vorgenommen wird. Zusammengefaßt besteht die Aufgabe des Bordprozessors 4 darin, Vergleiche zwischen den Spannungswerten, die vom Diskriminator geliefert werden (unter der Annahme, daß dieser mit einer Software ausgestattet ist), und der Schwellenwertgruppe anzustellen. Wenn während dieser Vergleichsoperation der Prozessor feststellt, daß ein Bereich mit einem geringen oder Null-Gradienten durchlaufen worden ist (was zu einer Falschwinkelbeschaffung führen würde), beginnt der Prozessor eine sequentielle Suchprozedur nach den Richtungen mit Bezug auf die vorliegende Position, für welche der Gradient ansteigt. Danach werden Modifizierbefehle für die Antennenbewegung erzeugt, wonach die Antenne bewegt wird. Diese Regelung findet selbst dann statt, wenn die Antenne die gewünschte Verfolgungsrichtung am Ende des Winkelbeschaffungsverfahrens erreicht hat. Hier ist der Winkelgradient der Diskriminatorfunktion sehr hoch und jedenfalls schon vorher bekannt.
Folglich ist der Prozessor, während er arbeitet, um die Parameter um den neuen, stationären Punkt zu verändern, in der Lage, den hohen Wert des Gradienten zu erkennen, mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und daher die erreichte Beschaffung der gewünschten Richtung des Bodenleitstrahles zu bestätigen. Wie die Flußdiagramme der Fig. 10, 11 und 12 zeigen, ist die Folge der Operationen, die von dem Bordprozessor ausgeführt werden, wie folgt:
- S stellt den Beginn der Operationen dar;
- A, B, C und D bedeuten die Schaltungen, die das Lesen der Spannungen am Ausgang des Demodulators durchführen, welche den Abtastsignalen der vier Strahler in Fig. 2 entsprechen;
- E ist der Schaltkreis zur Erzeugung von Pseudorandom-Spannungen, die eine Modifizierung der Meßwerte A, B, C, D dadurch gestatten, daß die oben erläuterten Änderungsfunktionen ausgeführt werden, um frei zu werden vom dem stationären Punkt;
- F ist die Schaltung, die aus den vier Signalwerten A, B, C, D die Winkeldiskriminatorfunktionen dadurch berechnet, daß gemäß dem Algorithmus der Formeln (1) und (2) die Signalwerte verarbeitet werden;
- G ist die Schaltung, die die Fehlerspannungen filtert, welche für die beiden orthogonalen Steuerungsachsen für die Antennenverschiebung relevant sind, die von der Auswerteschaltung (F) der Winkeldiskriminatorfunktion abgeleitet wird. Die optimale Filterung ist adaptiv-prädiktiv, bei der die aktuelle Fehlerschätzung zu einem Teil der ersten Ableitung nach der Zeit addiert wird und bei der die Filterkoeffizienten adaptiv variiert werden können (entweder autonom an Bord des Satelliten oder durch Fernsteuerung vom Boden), so daß unterschiedliche Betriebs- und Umgebungssituationen behandelt werden, die an Bord des Satelliten vorliegen können;
- H&sub1; und H&sub2; sind Umwandlungsschaltungen für die Fehlerspannung, die durch die Schaltung G in Mengen gefiltert werden, die geeignet sind, das elektrische Betätigungsorgan oder Motoren 5 anzutreiben, welche zur Bewegung der Nachrichtenantenne dienen. Wenn beispielsweise das Betätigungsorgan Schrittmotoren aufweist (eine Technik, die häufig für Raumfahrtanwendungen eingesetzt wird), können die Schaltungen H&sub1; und H&sub2; beispielsweise auch Impulsverstärker und Schaltungen aufweisen, die die Schritte des Schrittmotors zählen;
- I stellt den Abschluß der Schleife durch eine Paraboloidbewegung dar;
- L ist die Zeitschaltung zur Bestimmung, ob die seit Beginn der Prozedur verstrichene Zeit größer oder kleiner als die zuvor geschätzte Zeit für den Abschluß der Winkelbeschaffungsphase ist und damit für die Entscheidung mit der Schaltung M, ob eine Beschaffung bestätigt wird oder nicht. In Fig. 11 haben entsprechend bezeichnete Schaltungen dieselben Funktionen wie diejenigen der Fig. 10.
Während der Zeit zur Beschaffungsbestätigung führt der Bordprozessor auch andere Operationen durch:
Die Schaltung Q bewirkt zusätzliche Bewegungen des Antennenreflektors zur Feststellung möglicher stationärer Punkte der Winkeldiskriminierungsfunktion. Die Schaltung R führt Vergleiche zwischen den beiden Komponenten der Fehlerspannungen entsprechend den durch Q verursachten Reflektorverschiebungen durch. Die von vornherein erwarteten Werte, die erreicht würden, wenn die radioelektrische Visierlinie des Sensors in Übereinstimmung mit der Richtung des Bodenleitstrahles gebracht würde, d. h. wenn eine tatsächliche Winkelbeschaffung stattfindet aufgrund des Ergebnisses des Vergleichs, sind wie folgt: (a) Im Falle eines negativen Ergebnisses (Beschaffung nicht bestätigt) interveniert die Schaltung V und sorgt für eine Rückkehr zur Beschaffungsphase gemäß Fig. 10; (b) im Fall eines positiven Ergebnisses (bestätigte Beschaffung) interveniert die Schaltung T und sorgt für eine weitere Prüfung aller vier Abtastwerte (in Zeitfolge) am Ausgang des Winkeldiskriminators durch Vergleich mit den vorliegenden Schwellenwerten. Wenn der Vergleich nicht erfolgreich ist, erfolgt eine Rückkehr zur Schaltung Q und wird ein weiterer Prüfzyklus für die Beschaffung gestartet. Wenn der Vergleich erfolgreich ist, wird die Winkelzielverfolgung gestartet.
Fig. 12 zeigt den Operationsfluß bei der Winkelverfolgung. Die Blöcke mit denselben Bezeichnungen haben dieselben Funktionsaufgaben wie für die Fig. 10 und 11 beschrieben. Die einzige neue Einrichtung, die eingesetzt ist, besteht aus der Schaltung X, die einen Vergleich durchführt zwischen der augenblicklichen Fehlerspannung (oder jeder anderen Größe, die repräsentativ ist für die augenblickliche Spannung des Antennenverfolgungsfehlers) und dem vorher eingestellten Schwellenwert. Wenn die Schwellenwerte nicht durchlaufen werden, verbleibt das System in der Betriebsart der Winkelverfolgung, während dann, wenn diese Schwellenwerte durchlaufen werden, es eine Rückkehr zu der Betriebsart Winkelbeschaffung/Wiederbeschaffung (mit einer möglichen, programmierbaren Verzögerung) zur Folge hat.
Fig. 13 zeigt einen typischen Pfad, und Fig. 14 stellt ein Szenario für unterschiedliche Beschaffungspfade mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen in der Ebene u, v dar. Die Wirkung von Meßstörungen ist in Fig. 13 zu erkennen, die die Bereiche zeigt, in denen der Gradient niedrig ist. In denjenigen Bereitchen, in denen der Gradient hoch ist, haben die Störungen der Messungen keine große Auswirkung auf die Beschaffungs-Trajektorien. Eine Störung macht daher die Auswertung des Seitenkeulenbereiches möglich, wie Fig. 13 zeigt, so daß selbst bei einem Start von Punkten, die weit vom Überkreuzungspunkt bei 1,2º entfernt sind, selbst bei Elementarstrahlen von 0,3º, eine Beschaffung möglich ist, wie das in den Beispielen der Fig. 2, 3, 7a und 7b angegeben ist.
Aus der Beschreibung kann zusammenfassend festgestellt werdend daß die folgenden Probleme durch die Erfindung gelöst werden:
- Winkelbeschaffung für einen signifikanten Winkelversatz zwischen der Ankunftsrichtung des Leitstrahls und der anfänglichen Ausrichtung der elektrischen Achsen des Hochfrequenzsensors, was eine wesentliche Verbesserung gegenüber bisher bekannten Lösungen darstellt;
- Flexibilität im Einsatz des Systems, da der Sensor zur Keulenumschaltung mit einer Zahl von Strahlern benutzt werden kann die größer als vier ist, was eine konventionelle Zahl ist, so daß der Einsatz in Mehrstrahlantennen mit Vielfachstrahlern möglich ist;
- Einsatz der Erfindung in unterschiedlichen Anwendungsfeldern wie Radarsystemen, Solarsystemen oder Radiogoniometern und allen Systemen, wo die Notwendigkeit besteht, ein Hochfrequenzsignal zu beschaffen, um eine Einrichtung auszurichten, mit deren Hilfe einige Signaleigenschaften in der Ankunftsrichtung des Signals selbst erfaßt werden sollen.

Claims

1. Steuersystem zur Feinverfolgung für Hochfrequenzantennen, das ein Leitstrahlsendesignal innerhalb eines Winkels aufnehmen kann, der größer als die Bandbreite von -3 dB des Antennenrichtstrahls ist, und das einen Hochfrequenzsensor (2) zur Keulenumschaltung hat, der wenigstens vier Strahler (A, B, C, D) zum Erfassen von Seitenkeulen des Antennenrichtstrahls aufweist, die eine abnehmende Amplituden-Hüllkurve haben, gekennzeichnet durch

- einen PLL-Empfänger/Umsetzer (3) zur Modulationsverfolgung der mit dem Hochfrequenzsensor (2) zur Keulenschaltung verbunden ist, sowie

- einen lokalen Prozessor, der an den Ausgang des PLL-Empfängers/Umsetzers (3) angeschlossen ist und Fehlersignale des Empfängers/Umsetzers zur Antennensteuerung verarbeitet,

- wobei der PLL-Empfänger/Umsetzer (3) so über eine Schleifenbandbreite arbeitet, daß die Modulationsverfolgung bei einer Frequenz wirksam ist, die wenigstens dem Dreifachen der Bandumschaltfrequenz entspricht, so daß der Empfänger/Umschalter (3) ein Video-Ausgangssignal erzeugt, dessen Ausgangsspannungscharakteristik ausschließlich unipolar ist.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Prozessor ausschließlich bei Videofrequenz arbeitet, und die am Ausgang des PLL-Empfängers/Umsetzers (3) vorliegenden unipolaren Spannungen entsprechend der folgenden Funktion zu verarbeiten:

wobei N ≠ M, Kj Gewichtungen der Spannungsgrößen, Aj die Spannungen entsprechend den von den Strahlern aufgenommenen Signalen und (u, v) die generische Winkelrichtung sind.

3. Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzsensor (2) zur Keulenschaltung und die Strahler nach den folgenden Winkeldiskriminierungsfunktionen arbeiten:

wobei A, B, C, D die von den Strahlern aufgenommenen Signalwerte sind.

4. Steuersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überkreuzungspunkt der von jedem Strahler empfangenen Richtstrahlungscharakteristik im Bereich zwischen -2 und -20 dB liegt.

5. Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überkreuzungspunkt der von jedem Einzelstrahler empfangenen Richtstrahlcharakteristik im Bereich zwischen -3 und -10 dB liegt.

6. Steuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzsensor zur Keulenschaltung ein unzweideutiges Winkelaufnahmefeld zwischen 3 und 10 Elementarbandbreiten erfaßt.

7. Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das System in einem diffraktionsbegrenzten Bereich arbeitet und daß die Seitenkeulen-Hüllkurve eine abnehmende Tendenz hat.

8. Satellit mit einem Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Verfolgung eines Bodenleitstrahl-Sendesignals.