DE60129990T2

DE60129990T2 - Antennenausrichtungssystem für satellitenkommunikation

Info

Publication number: DE60129990T2
Application number: DE60129990T
Authority: DE
Inventors: Joel Northborough HARRIS
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: AU2001280571A1; EP1310013A2; WO2002015324A3; ATE370524T1; DK1310013T3; US6317093B1; EP1310013B1; WO2002015324A2; DE60129990D1; ES2291337T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kommunikationssysteme, genauer gesagt, Satellitenkommunikationsantennensysteme.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die US-PS 5,296,862 beschreibt ein Verfahren zur automatischen Einstellung einer Satelliten-Schüsselantenne auf Satelliten in einer geostationären Bahn zum Empfang von Signalen von den Satelliten.
Die Veröffentlichung "Development of an Electronic Beam Squint Tracking Controller", von G.J. Hawkins, C.T. Railton und M.T. Collins, veröffentlicht in "The Conference Proceedings of the 20^th European Microwave Conference", Band 2, beschreibt ein Satelliten-Verfolgungsverfahren unter Verwendung einer elektronischen Strahl-Schrägblick-Verfolgungstechnik. Die Veröffentlichung "Self-learning Step Track System to Point an Antenna at a Geostationary Satellite Using a P.C.", von K.G. Holleboom, I.E.E.E Transactions an Consumer Electronics CE-33 (1987) August, Nr. 3, New York, NY, USA, beschreibt eine alternative Schrittverfolgungstechnik.
Ein Satelliten-Kommunikationssystem enthält im allgemeinen eine Antenne, welche auf einen geostationären Satelliten ausgerichtet werden muss. Ein solches System, welches als Ku/Ka-Band-System bekannt ist, sendet im allgemeinen auf den Ka-Band und empfangt auf dem Ku-Band. Typischerweise wird die Antenne grob auf den gewählten Satelliten ausgerichtet, wonach ein Installationstechniker von Hand die Antennenposition durch Bestimmen des Scheitelsignals im Ku-Band einstellt, indem die Antenne in Azimutrichtung und Elevationsrichtung bewegt wird. Wenn jedoch die Antenne auf den Satelliten unter Verwendung des Ku-Band-Signales ausgerichtet wird, dann kann die Antenne nicht mit ausreichender Genauigkeit ausgerichtet sein, um eine opti male Übertragungsqualität im Ka-Band zu erreichen. Diese Fehlausrichtung auf den Satelliten kann auftreten, da die Ku-Bandbreite bedeutend größer ist als die Ka-Bandbreite. Zusätzlich können sich ändernde atmosphärische Bedingungen weiter eine marginale Ausrichtung verschlechtern.
Charakteristischer Weise muss nach Ausrichtung der Antenne unter Verwendung des Ku-Bandsignales der Techniker eine entfernte Station kontaktieren, um eine Beurteilung der Übertragungscharakteristiken der Antenne im Ka-Band zu erfragen. Der Ausrichtungsprozess setzt sich in dieser Weise fort, bis die Ka-Band-Übertragung bis zu einem Grad optimiert ist, der unter Verwendung eines Handeinstellungsprozesses möglich ist. Es versteht sich, dass Vorstehendes zeitraubend und kostenintensiv ist.
Es wäre daher wünschenswert, ein Ku/Ka-Band-Satellitenkommunikationssystem zu schaffen, bei welchem eine automatische Ausrichtung einer Antenne auf einen geostationären Satelliten mit ausreichender Genauigkeit für optimale Ku-Band- und Ka-Band-Arbeitsqualität möglich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert, auf welche nun Bezug genommen sei. Vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein automatisches Antennenausrichtungsverfahren und eine automatische Antennenausrichtung geschaffen, durch welche eine Antenne basierend auf einem ersten Signal mit ausreichender Genauigkeit positioniert wird, so dass die Übertragung des zweiten Signals mit einer Frequenz höher als derjenigen des ersten Signals optimiert wird. Diese Anordnung beseitigt die Notwendigkeit eines Technikers, welcher manuell die Antenne während des Installationsvorganges ausrichten muss. Während die Erfindung in erster Linie in Verbindung mit einer dualen Reflektor-Ku/Ka-Band-Satellitenkommunikationsantenne beschrieben und gezeigt ist, versteht es sich, dass das Antennenpositionierungssystem auf eine Vielfalt von Antennenarten anwendbar ist, welche einen weiten Bereich von Größen und Sende- bzw. Empfangsfrequenzen aufweisen.
In einer Ausführungsform enthält ein Ku/Ka-Band-Satellitenkommunikationssystem ein automatisches Antennenausrichtsystem, welches die Antenne automatisch auf einen geostationären Satelliten ausrichtet. Das Kommunikationssystem enthält ein Speisehorn oder einen Hornstrahler, wie dieser Ausdruck in der Technik verstanden wird, der auf die Antenne ausgerichtet ist, die einen Unterreflektor und einen Hauptreflektor aufweist. Ein Gehäuse ist mit der Rückseite der Hauptantenne verbunden und enthält Antriebsanordnungen für die Azimutrichtung und die Elevationsrichtung. Eine Steuereinheit ist an der Antenne befestigt, um die Antriebseinrichtungen zu steuern, welche mechanisch das Antennensystem in Azimutrichtung und Elevationsrichtung einstellen und um die Azimutstellungen und Elevationsstellungen an die Steuereinrichtung zu geben. Die Steuereinheit kann weiter einen Leistungsmesser zum Detektieren der Signalstärke von dem Hornstrahler und zur Lieferung der Signalstärkeinformation an eine Steuereinrichtung enthalten, in welcher die Signalstärke mit dem Azimut- und Elevationsstellungen der Antenne in Beziehung gesetzt wird.
Im Betrieb wird die Antenne anfänglich so positioniert, dass ein erstes Signal mit einer ersten Frequenz durch das Antennensystem empfangen wird. Das System übt dann eine Kraft auf die Antenne derart aus, dass sie über einen vorbestimmten Azimutbereich bewegt wird, während die Signalstärkedaten von dem Leistungsmesser eingesammelt und in Verbindung mit den verschiedenen Antennenpositionen in der Steuereinrichtung gespeichert werden. Basierend auf den eingesammelten Daten wird ein Ort eines Signalmaximums ausgewählt und die Antenne wird dann an der Stelle repositioniert, an welcher das Signalmaximum aufgetreten ist. Die Signalstärkedaten werden dann über einen vorbestimmten Elevationsbereich gesammelt und es wird ein neuer Ort eines Signalmaximums basierend auf den Elevationsdaten gewählt. Dieser Vorgang wiederholt sich eine gewünschte Anzahl von Malen zur Erzielung eines Genauigkeitsniveaus.
Der Ort des Signalmaximums kann unter Verwendung eines Algorithmus bestimmt werden, beispielsweise die Parabel geringster Fehlerquadrate, genommen über die gesammelten Azimutdaten und Elevationsdaten. Die Antenne wird somit mit ausreichender Genauigkeit von dem ersten Signal positioniert, um eine optimale Signalübertragung eines zweiten Signals zu erreichen, das eine Bandbreite hat, welche ausreichend schmaler als diejenige des ersten Signals ist. Die automatisierte und genaue Positionierung der Antenne vermeidet das Erfordernis einer Positionierung von Hand nach Versuch und Irrtum durch einen Techniker an der Antenne.
Diese und weitere Ziele, Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus den anliegenden Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird noch voll umfänglicher durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verständlich, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Antennenpositionierungssystems zur automatischen Ausrichtung einer Satellitenkommunikationsantenne gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Graphik zeigt, welche die relative Größe des Ku- und Ka-Bandes über die Azimutstellung hin darstellt;
3 ein Blockschaltbild des Antennenausrichtsystems von 1 wiedergibt;
4 eine schematische Darstellung eines Elevationseinstellmechanismus ist, welcher Teil des Antennenausrichtsystems nach 1 sein kann;
5 eine schematische Darstellung zeigt, welche weitere Details des Elevationseinstellmechanismus von 5 wiedergibt;
6 eine schematische Darstellung zeigt, welche wiederum weitere Einzelheiten des Elevationseinstellmechanismus von 5 aufzeigt;
7 eine schematische Darstellung eines Azimuteinstellmechanismus ist, der Teil des Antennenausrichtsystems von 1 sein kann, wobei eine erste Stellung und eine zweite Stellung gezeigt sind;
8 eine schematische Darstellung ist, welche weitere Einzelheiten des Azimuteinstellmechanismus von 7 wiedergibt;
9 eine graphische Darstellung des ersten und zweiten Satellitensignals ist, wobei die Signalstärkepunkte dem ersten und dem zweiten Satellitensignal in einem Antennenausrichtsystem nach der vorliegenden Erfindung entsprechen;
10 eine Graphik der Signalstärkepunkte entsprechend dem ersten Satellitensignal wiedergibt;
11 eine Graphik zeigt, welche ein Ku-Band-Signal von einem Satelliten darstellt, auf welches ein Antennenausrichtsystem eine Antenne ausgerichtet hat und ein Ka-Bandsignal, welches durch die ausgerichtete Antenne übertragen wird oder gesendet wird;
12 ein Flussdiagramm zeigt, welches eine beispielsweise Folge von Schritten zur Ausrichtung einer Antenne auf ein Satellitensignal gemäß der vorliegenden Erfindung verdeutlicht; und
13 ein Flussdiagramm zeigt, welches eine beispielsweise Folge von Schritten zur Bestimmung des Ortes eines Signalmaximums des Satellitensignals zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein Antennensystem 100 mit einem automatischen Antennenpositionierungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System enthält eine Antenne 102, welche als duale Reflektorantenne ausgebildet sein kann, welche einen Unterreflektor 104 aufweist, der Energie von einem Hornstrahler 106, wie dieser Ausdruck in der Technik verstanden wird, auf einen Hauptreflektor 108 hin reflektiert. In der gezeigten Ausführungsform ist der Unterreflektor 104 gegenüber dem Hauptreflektor 108 versetzt. Der Hauptreflektor 108 kann parabolische Gestalt haben und der Unterreflektor 104 kann elliptische Gestalt haben, doch versteht es sich, dass unterschiedliche Antennensysteme mit Reflektoren unterschiedlicher Gestalten und Konfigurationen eingesetzt werden können. Die Unterreflektor-/Speisestrahleranordnung kann an der Antenne über eine Trägeranordnung 110 befestigt sein.
Das Antennensystem 100 enthält ein Gehäuse 112, welches auf der Rückseite der Hauptantenne 108 befestigt ist, sowie eine Steuereinheit 114, welche an der Trägeranordnung befestigt ist. Wie weiter unten im einzelnen beschrieben, kann das Gehäuse 112 eine Azimut- und eine Elevations-Antriebsanordnung (siehe 5 bis 8) enthalten, welche durch die Steuereinheit 114 gesteuert werden. Das System 100 kann um eine Azimutachse 116 und eine Elevationsachse 118 verschenkt werden, was durch die jeweiligen Azimut- und Elevationsantriebseinrichtungen (siehe 5 bis 8) bewirkt wird. In der vorliegenden Ausführungsform verbindet ein Datenkabel 120 den Speisestrahler oder Hornstrahler 106 mit der Steuereinheit 114, welche mit dem Gehäuse 112 über jeweilige Azimut- und Elevationskabel 122 bzw. 124 gekoppelt ist. Es versteht sich, dass in einer anderen Ausführungsform das Datenkabel 120 durch Fernübertragungsmittel (nicht dargestellt) ersetzt werden kann und ein Empfänger in der Steuereinheit (nicht dargestellt) angeordnet werden kann. Wie weiter unten im Einzelnen be schrieben wird das Antennensystem automatisch in Azimutrichtung und Elevationsrichtung für einen optimalen Empfangs- und Sendebetrieb positioniert.
In einer Ausführungsform kommuniziert das Antennensystem 100 mit einem geostationären Satelliten durch Senden im Ka-Band und Empfangen im Ku-Band. 2 zeigt graphisch ein Beispiel der Bandbreite 10 des Ku-Signals und der Bandbreite 12 des Ka-Signals. Wie aus der Graphik ersichtlich ist, bewirkt ein Versatz von einem Grad von dem Signalmaximum, welches bei 0 Grad gezeigt ist, keine Störung mit dem Signalempfang des Ku-Signals 10. Derselbe Versatz von einem Grad verhindert aber eine Übertragung des Ka-Bandsignals zum Satelliten. Die Schwierigkeiten, welche mit dem Antennenausrüstungssystem bei dem empfangenen Ku-Bandsignal mit ausreichender Genauigkeit für die Ka-Band-Übertragung verbunden sind, werden somit offensichtlich.
Wie unten beschrieben, positioniert das Antennensystem 100 automatisch die Antenne 102 unter Verwendung des verhältnismäßig breitbandigen Ku-Signals mit ausreichender Genauigkeit für die optimale Möglichkeit der Ka-Band-Übertragung. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auf eine Vielfalt von Bandbreiten und Kommunikationssystemen anwendbar ist, bei welchen die Antenne 102 auf einen Satelliten unter Verwendung eines ersten Signals ausgerichtet wird, das von einem zweiten Signal verschieden ist, das durch die Antenne 102 ausgesendet wird.
3 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform der Steuereinheit 114 und der Azimut- und Elevations-Antriebseinrichtungen, welche in dem Gehäuse 112 enthalten sind. Die Steuereinheit 114 enthält einen Mikrocontroller 150, der die Gesamtsteuerung des Systems zur Positionierung der Antenne 102 vornimmt. Der Mikrocontroller 150 ist mit einem Hochfrequenz-Leistungsmesser 152 gekoppelt, welcher als ein Analog Devices Logarithmic Detector ausgebildet sein kann, welcher die Modellnummer AD8313 aufweist. Der Leistungsmesser 132 empfängt ein Signal von der Antenneneinspeisung 106 und liefert eine Signalstärkeanzeigung an den Mikrocontroller 150, der die Signalinformation mit der Antennenposition in Beziehung setzt.
Die Steuereinheit 114 enthält weiter einen Azimutverstärker 154 zum Empfangen eines Antennen-Azimutstellungssignals und zur Lieferung eines Azimut-Bewegungssignals an den Azimut-Antennenmotor 158 in dem Gehäuse 112. In ähnlicher Weise enthält die Steuereinheit 114 einen Elevationsverstärker 156 zum Empfang eines Antennen-Elevationsstellungssignals und zur Lieferung eines Elevations-Bewegungssignals an den Elevationsmotor 160. Der Azimutverstärker 154 und der Elevationsverstärker 156 können durch einen Leistungsmodul 162 gespeist werden, der in der Steuereinheit enthalten ist. In einer Ausführungsform enthält der Leistungsmodul 162 eine Batterie zur Speisung des Azimutmotors 156 und des Elevationsmotors 160. Die Azimutantriebseinrichtung kann weiter einen Azimutcodierer 164 zur Lieferung einer Antennen-Azimutstellungsinformation an die Steuereinrichtung 150 enthalten. Weiter kann die Elevations-Antriebseinrichtung einen Elevationscodierer 166 zur Lieferung einer Elevationsinformation enthalten. Die Steuereinrichtung 150 speichert die Azimut-Stellungsinformation und die Elevations-Stellungsinformation in einer Datentabelle mit der Signalstärkeinformation, welche bei jeder Antennenstellung gewonnen wird.
Die 4 bis 6 in Verbindung mit 3 zeigen eine beispielsweise Ausführungsform eines Antennen-Elevationsstellungsmechanismus 200, der durch die Steuereinrichtung 150 gesteuert wird. 4 zeigt die Antenne 102 in einer ersten und einer zweiten Stellung. Der Elevationsmechanismus 200 steuert die Position der Antenne 108 mit Bezug auf die Elevation. Die Elevationsantriebseinrichtung, beispielsweise der Elevationsmotor oder -antrieb 160 betätigt die Antenne 108 um eine Elevationsachse 202. In einer Ausführungsform enthält der Elevationseinstellmechanismus 200 einen Elevationsschraubbolzen 204 mit einer ersten und einer zweiten Mutter 206 bzw. 208 in einem festen Abstand. Ein oberer Teil 210 des Gehäuses 112 stützt sich auf der Oberseite der zweiten Mutter 208 aufgrund von Schwerkraft ab. Der Elevationsschraubbolzen 204 steht schraubend in Eingriff mit einer Stange 212, welche schwenkbar an dem unteren Teil 214 des Gehäuses befestigt ist, welches in seiner Stellung festliegt. Ein bogenförmiger Schlitz 216 ist in einem seitlichen Teil des oberen Gehäuseabschnittes 210 ausgeformt.
Um die Positionierung der Antenne in Elevationsrichtung zu bewirken sendet die Steuereinrichtung 150 ein Signal an den Elevationsverstärker 156, welcher den Elevationsmotor 160 so betätigt, dass der Elevations-Schraubbolzen 204 gedreht wird. Der Schraubbolzen 204 ist mit dem Motor 160 in einer Art und Weise gekuppelt, welche den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind, beispielsweise mit der zweiten Mutter 208, so dass eine manuelle Verdrehung der ersten Mutter 206 zugelassen wird. Die erste und die zweite Mutter 206 bzw. 208 können an dem Bolzen 204 befestigt sein. Eine Drehung des Bolzens 160 bewirkt eine Verlagerung mit Bezug auf den Stab oder Träger 212, mit welchem er in Gewindeeingriff steht. Wenn sich der Bolzen 204 nach abwärts bewegt, bewirkt die Schwerkraft eine Abwärtsbewegung des Gehäuses 210, welches sich an der zweiten Mutter 208 abstützt. Eine Abwärtsbewegung des Schraubbolzens 204 schiebt die zweite Mutter 208 nach aufwärts an das Gehäuse und erhöht so die Elevationsstellung der Antenne 108. Es sei bemerkt, dass alternativ Hebemechanismen mit hydraulischen Armen oder auskragenden Armen verwendet werden können, um die Elevationsbewegung der Antenne 108 vorzunehmen.
Die 7 und 8 in Kombination mit 3 zeigen einen beispielsweisen Azimut-Positionierungsmechanismus 250, welcher durch die Steuereinrichtung 150 gesteuert wird. Allgemein gesagt, wird das Antennensystem 100 in Azimutrichtung um eine Azimutachse 252 gedreht. In einer Ausführungsform enthält der Azimut-Positionierungsmechanismus 250 einen oberen Teil 254, der relativ zu einem unteren Teil 256 drehbar ist, welcher wiederum in seiner Position relativ zu der Azimutachse 252 fixiert ist, an welcher ein mittiger Verschwenkungsschraubbolzen 258 zentrisch angeordnet ist. Der untere Gehäuseteil 256 enthält Schlitze 257a, b, in welche erste und zweite Schrauben 259a, b über Bohrungen in dem oberen Gehäuseteil 254 hineinreichen. Eine Azimut-Schraubspindel 260 enthält erste und zweite Mutter 262, 264 mit einem dazwischen gelegenen ersten Bauteil 266. Ein zweites Bauteil 268 steht in Gewindeeingriff mit einem Ende der Schraubspindel 260. Die ersten und zweiten Bauteile 266, 268 enthalten jeweils Ansätze 270, 272, welche in jeweilige Bohrungen 274, 276 in Betätigungsansätzen 278, 280 des oberen bzw. des unteren Gehäuseteils 254, 256 einsetzbar sind. Eine Verdrehung der Azimut-Gewindespindel vergrößert oder verkleinert den Ab stand zwischen den Betätigungsansätzen 278, 280 je nach Drehrichtung der Gewindespindel, so dass die Schrauben 259a und 259b innerhalb der Schlitze 357a, b in dem oberen bzw. unteren Gehäuseteil 274 bzw. 256 bewegt werden. Es versteht sich, dass andere Drehmechanismen verwendet werden können, um die Einstellung in Azimutrichtung vorzunehmen.
In einer Ausführungsform ist das Antennenausrichtsystem tragbar, so dass es von der Antenne 102 eines Kommunikationssystems nach der Ausrichtung der Antenne 102 auf den Satelliten entfernt werden kann. Im allgemeinen bilden die Elevations- und Azimutmotoren 158, 160, sowie andere Komponenten, welche die automatische Ausrichtung der Antenne 102 erleichtern, einen Teil eines tragbaren Antennenausrichtsystems. Beispielsweise können in der Azimutausrichtungseinrichtung zusätzlich zu dem Azimutmotor der Azimut-Schraubbolzen 260, die erste und die zweite Mutter 262, 264, das erste und das zweite Bauteil 266 und 268 und die Ansätze 270, 272 Teil eines tragbaren Antennenausrichtsystems sein. Die Betätigungsansätze 278, 280 des oberen und unteren Teiles 254, 256 der Azimut-Einstellanordnung können ein Teil der Antennenanordnung sein. Ein tragbares Antennenausrichtsystem kann eine Batterie 162 zur Speisung der Steuereinrichtungsschaltungen sowie der Azimut- und Elevations-Antriebseinrichtungen enthalten. Durch Begrenzen der Bewegungen der Antenne 102 auf eine Achse zu einer Zeit kann die augenblicklich von der Batterie geforderte Leistung reduziert werden.
Wie graphisch in 9 dargestellt ist, soll die anfängliche Stellung der Antenne 102 den Empfang eines Signals 300 im Ku-Band von einem gewünschten Satelliten zulassen werden. Im allgemeinen entspricht die anfängliche Antennenstellung 302 mit Bezug auf das erste Signal 300 nicht dem Signalmaximum 304 aufgrund atmosphärischer Bedingungen, zufälliger Messfehler und/oder anderer Signalstörungen. Die Steuereinrichtung 150 manipuliert dann die Antenne 102 über einen vorbestimmten Elevationsbereich (oder Azimutbereich) 306, beispielsweise mit +/– 2 Grad um die Scheitelwertstellung.
Der vorbestimmte Azimutbereich sollte dem Satellitenabstand in der Nähe des Bereiches von Interesse entsprechen. Beispielsweise können in bestimmten Bereichen um die Welt herum, etwa über Europa, Satelliten nur um wenige Grad verlagert positioniert sein. Wie in der Graphik von 9 dargestellt ist, kann aufgrund einer solchen Verlagerung eine Antenne 102 innerhalb mehrerer Grad zwei oder mehr Ku-Bandsignale empfangen, welche von verschiedenen in dieser Weise verlagerten Satelliten kommen. Geht man also von einer gegebenen Startposition aus, bei welcher die Antenne 102 ein erstes Signal 300 von einem ersten Satelliten empfängt, kann die Bewegung von einem oder mehreren Grad in Azimutrichtung und/oder Elevationsrichtung in dem Empfang eines zweiten Signals 350 von einem zweiten Satelliten resultieren, der dem ersten Satelliten benachbart ist. Wenn die Signalstärke des zweiten Signals 350 größer als die Signalstärke des ersten Signals 300 ist, können Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Scheitelwertsignals oder Maximalsignals 304 entstehen. Um somit zu verhindern, dass der Leistungsmesser 152 eine zusätzliche Signalstärke 350 von einem Nachbarsatelliten während einer Verschwenkung empfängt, wird der vorbestimmte Azimutbereich 306 in geeigneter Weise von annähernd einem Grad bis drei Grad für eine gegebene Startstellung bemessen.
Während eines ersten Durchgangs über den vorbestimmten Elevationsbereich 306 sammelt das System 100 eine Mehrzahl von Signalstärke-Datenpunkten, beispielsweise zwischen 500 und 5000 Datenpunkte. Es versteht sich jedoch, dass die Fachleute auf diesem Gebiet leicht eine größere Anzahl von Datenpunkten zur Erzielung eines gewünschten Genauigkeitsniveaus wählen können. Aus den gesammelten Datenpunkten wird ein neuer Ort des Signalscheitelwertes 302' von der Steuereinrichtung 150 ausgewählt, wie in 10 gezeigt ist. Eine Vielfalt von Algorithmen kann auf die gespeicherten Datenpunkte durch die Steuereinrichtung 150 angewendet werden, um den Ort des wahren Signalscheitelwertes zu bestimmen. Beispielsweise Algorithmen können die Parabel der kleinsten Quadrate und den sog. Algorithmus des Durchschnittes der 3 dB-Leistungspegel enthalten. Es versteht sich weiterhin, dass andere geeignete Algorithmen den Fachleuten auf diesem Gebiet ohne weiteres zugänglich sind.
Nach Auswahl des Ortes des neuen Signalscheitelwertes sammelt das System Signalstärkedaten, beispielsweise zwischen 500 und 5000 Datenpunkten über einen vorbestimmten Azimutbereich, etwa einen Bereich zwischen einem und drei Grad plus oder minus, um den Scheitelwertort herum. Ein neuer Signalscheitelwertort wird wiederum durch die Steuereinrichtung 150 auf der Basis der gesammelten Datenpunkte unter Verwendung eines Algorithmus ausgewertet, wie oben ausgeführt wurde.
Über eine gewählte Anzahl von Iterationen kann der Mikrocontroller oder die Steuereinrichtung 150 alternierend Daten in Azimutabtastungen und Elevationsabtastungen einsammeln, um weiter die Position des Maximalwertes zu verfeinern. In einer Ausführungsform werden Daten eingesammelt und der Ort des Signalmaximums wird drei Mal sowohl in Azimutrichturig als auch in Elevationsrichtung definiert. In wieder einer anderen Ausführungsform werden die Orte des Scheitelwertes aus den Iterationen verglichen, um festzustellen, ob die Orte der Scheitelwerte übereinstimmen. Wenn die Werte der Orte der Scheitelwerte nicht miteinander innerhalb eines bestimmten Bruchteiles eines Grades übereinstimmen, werden zusätzliche Iterationen durchgeführt, neue Orte der Scheitelwerte aufgefunden und ein weiterer Vergleich wird unter Verwendung der neuen Scheitelwertpositionen durchgeführt. Es versteht sich jedoch, dass die Anzahl der Iterationen variieren kann, um einen gewünschten Genauigkeitsgrad zu erzielen. Zusätzlich können die Anzahl von Datenpunkten, welche über ein Azimut- und/oder Elevations-Niveau gesammelt werden und die Größe des Azimut- und/oder Elevationsbereiches die Anzahl von Iterationen beeinflussen.
Wie graphisch in 11 dargestellt ist, kann die tatsächliche Scheitelwertposition 400 für das erste Signal, beispielsweise unter Verwendung eines Algorithmus mit der Parabel der kleinsten Quadrate, gewählt werden. Wenn das höchste Signalniveau 402 allein zur Bestimmung der Satellitenposition verwendet wird, so ist es wahrscheinlich, dass dieser Datenpunkt in einem gewissen Maß gegenüber der wahren Position des Satelliten aufgrund atmosphärischer Bedingungen, zufälliger Messfehler und/oder anderer Signalstörungen versetzt ist. Und während solch ein Versatz nicht den Empfang des Ku-Band-Signals 300 beeinflussen mag, kann er in schwerwiegendem Maße die Übertra gung des Ka-Band-Signals 320 durch das Antennensystem an den Satelliten bin verschlechtern. Wie durch den Datenpunkt 322 gezeigt ist, welcher der Position der Antenne 102 an dem nicht richtigen Scheitelwertpunkt entspricht, d. h., an dem höchsten Ku-Signalpegel 402, hat das Ka-Signal eine Stärke von etwa 0,5 Volt weniger als die Stärke, welche es an dem wahren Scheitelwertort 400 hat.
In einer anderen Ausführungsform kann die Antenne 102 in geeigneter Weise bewegt werden, um Vibrationsbewegungen oder mechanisches Spiel zu minimieren, also mechanische Unregelmäßigkeiten, welche die Genauigkeit der Information über die Antennenposition vermindern. Wird eine Abtastung durchgeführt, wobei man eine billige kommerzielle Antenne verwendet, so kann ein mechanisches Spiel wesentliche Positionsfehler bezüglich des Ka-Bandes verursachen. Eine Quelle von Spiel sind Totgangbereiche in den Gewindespindeln, welche zur Bewegung der Antenne 102 in Azimutrichtung und Elevationsrichtung verwendet werden. Wie oben diskutiert bewirkt das Antennenpositionierungssystem nach Durchführung einer Abtastung, dass die Antenne 102 in eine neue Scheitelwertposition bewegt wird. Ein mechanisches Spiel kann eliminiert werden, indem eine solche Bewegung in derselben Richtung wie bei der vorherigen Abtastung ausgeführt wird. Wie in dem unten angegebenen Beispiel beschrieben kann die Bewegung der Antenne 102 in derselben Richtung wie bei der vorausgehenden Abtastung effektiv durch Erweitern der Abtastung über den vorbestimmten Azimut- oder Elevationsbereich, sowie Rückkehr zu einer Grenze des Bereiches bewirkt werden, über welchen hin die Daten gesammelt werden.
Um beispielsweise eine Abtastung von 2 Grad von links nach rechts um einen soeben gewonnenen Scheitelwertort durchzuführen, würde das System zuerst sich auf den Punkt von minus 3 Grad von dem Scheitelwertort bewegen, dann auf minus 2 Grad, und würde dann beginnen, die Abtastung bei plus 2 Grad zu beenden. Nachdem ein neuer Scheitelwertpunkt bestimmt ist, beispielsweise minus 0,12 Grad, würde das System, um sich zu diesem Ort zu bewegen, von der gegenwärtigen Position von plus 2 Grad auf minus 3 Grad bewegen und dann minus 3 Grad auf minus 0,12 Grad. Würde sich das System direkt von plus 2 Grad auf minus 0,12 Grad bewegen, so ist es möglich, dass ein wesentlicher Fehler aufgrund von Spiel eingeführt würde.
12 zeigt in Verbindung mit den 1 und 3 eine beispielsweise Sequenz von Schritten gemäß der vorliegenden Erfindung zur Positionierung des Antennensystems. In dem Schritt 500 ist eine Satellitenkommunikationsantenne 102 auf einen gewünschten Satelliten ausgerichtet, so dass das Ku-Band-Signal beispielsweise empfangen wird. Die Antenne 102 kann manuell manipuliert werden, bis das richtige Signal empfangen wird. Das Antennenpositionierungssystem 100 wird dann an der Antenne 102 installiert, wobei das Datenkabel 120 von der Einspeisung 106 mit der Systemsteuereinheit 114 gekoppelt ist. In dem Schritt 504 wird die Satellitenerfassung initiiert.
In dem Schritt 506 wird ein Elevations-Abtastbereich, beispielsweise plus/minus 2 Grad, bestimmt und in dem Schritt 508 wird die Antenne 102 an eine Grenze des Elevations-Abtastbereiches bewegt. Die Antenne 102 schwenkt dann über den Abtastbereich, beispielsweise 4 Grad, und sammelt Signalstärkedatenproben in dem Schritt 510. In einer Ausführungsform schwenkt die Antenne 102 mit einer Geschwindigkeit von 1 Grad je Sekunde und sammelt 500 Tastungen (x, p_x) je Sekunde (beispielsweise 2000 Tastungsproben insgesamt) unter Verwendung des Hochfrequenz-Leitungsmessers 152. Basierend auf den gesammelten Datentastungen wird ein neuer Ort des Signalstärkemaximums aus der im allgemeinen parabolischen Gestalt der gesammelten Daten im Schritt 512 bestimmt. In dem Schritt 514 wird die Antenne 102 auf die neue Position des Scheitelwertes bewegt. Vor der Bewegung auf die neue Scheitelwertposition kann die Antenne 102 fakultativ zurück über den abgetasteten Elevationsbereich und auf den anfänglichen Startpunkt bewegt werden, um das Spiel zu minimieren.
In dem Schritt 516 bestimmt das System einen Azimutabtastbereich, beispielsweise plus/minus zwei Grad, und in dem Schritt 518 wird die Antenne 102 an die Grenze des Abtastbereiches bewegt. Die Antenne 102 schwenkt dann über den Azimut-Abtastbereich und sammelt Signalstärkedaten in dem Schritt 520. Im Schritt 522 wird ein neuer Ort des Signalscheitelwertes aus den gesammelten Azimutdaten bestimmt. Im Schritt 524 wird die Antenne 102 auf den neuen Ort des Scheitelwertes bewegt. Es versteht sich, dass die Antenne 102 an die Grenze des Azimut-Abtastbereiches bewegt werden kann, um Totgangeffekte oder Spieleffekte minimal zu halten und dass die Antenne 102 in einer entsprechenden Richtung über mehrfache Iterationen bewegt werden kann.
In dem Schritt 526 wird festgestellt, ob die gewünschte Anzahl von Elevations- und Azimut-Datentastungen vollständig ist. Dies kann beispielsweise durch die Feststellung erfolgen, ob eine vorbestimmte Anzahl von Abtastungen X durchgeführt worden ist, oder durch Vergleichen der Orte für das Scheitelwertsignal, die von den Abtastungen resultieren, um festzustellen, ob eine Anzahl von Orten des Scheitelwertsignals übereinstimmt. Wenn zusätzliche Abtastungen notwendig sind, beispielsweise wenn die vorbestimmte Zahl X nicht erreicht worden ist, oder wenn keine Übereinstimmung der gewonnenen Orte von Scheitelwertsignalen empfangen worden ist, wird ein weiterer Elevations-Abtastbereich im Schritt 506 bestimmt. Weiter können der Abtastbereich und die Schwenkgeschwindigkeit für weitere Iterationen vermindert werden. In einer Ausführungsform entspricht eine zweite Abtastung in Elevationsrichtung oder Azimutrichtung plus/minus einem Grad, wobei die Antenne 102 mit einer Geschwindigkeit von 0,5 Grad je Sekunde unter Einsammlung von 500 Tastungen je Sekunde verschwenkt wird. Eine weitere Azimutverschwenkung kann in einem Schritt 520 durchgeführt werden, bis die gewünschte Anzahl von Verschwenkungswiederholungen vervollständigt ist oder die gewonnene Anzahl von Signalscheitelwertorten übereinstimmt. Das Antennenausrichtsystem wird dann von der Antenne 102 in dem Schritt 528 abgebaut.
13 zeigt eine beispielsweise Verwirklichung, welche durch die Steuereinrichtung 150 vorgenommen werden kann, um den Ort des Signalscheitelwertes basierend auf dem Algorithmus der Parabel kleinster Quadrate zu bestimmen, was dem Schritt 512 in 12 entspricht. Die Steuereinrichtung 150 kann in einer Anzahl von Sprachen programmiert sein, beispielsweise GAUL, FORTRAN, oder einer Maschinensprache. Von den eingesammelten Signalstärkepunkten (x, p_x), worin x der Ort (Winkel) ist und p_x der Leistungspegel ist, bestimmt die Steuereinrichtung 150 den ma ximalen Leistungswert in dem Schritt 550. Durch Verwenden des Maximalwertes wird verhindert, dass die Antenne 102 auf einen benachbarten Satelliten ausgerichtet wird, wie dies oben in Verbindung mit 9 diskutiert wurde. In dem Schritt 552 wird eine Untergruppe von Daten, die um den Wert maximaler Leistung zentriert ist, bestimmt. In einer Ausführungsform enthält die Untergruppe 250 Punkte vor und nach dem Maximalwert (x_max-250, p_xmax-250 bis x_max+250, p_xmax+250) von den 2000 gesamten Signalstärkepunkten.
In dem Schritt 554 werden Summen für die Anpassung an die Parabel kleinster Quadrate für die Untergruppe von 501 Datenpunkten gebildet. In einer Ausführungsform werden die folgenden Summen errechnet:
Aus den errechneten Summen werden im Schritt 556 drei Gleichungen aufgestellt. w1 = aiz0 + a2z1 + a3z2 w2 = aiz1 + a2z2 + a3z3 w3 = aiz2 + a2z3 + a3z4
In dem Schritt 558 wird der Scheitelwert aus der am besten passenden Parabel bestimmt. Genauer gesagt, die obigen Gleichungen werden für a₁, a₂ und a₃ aufgelöst. Beispielsweise
Die am besten passende Parabel wird durch p(x) = a₁ + a₂x + a₃x² bestimmt, so dass der Scheitelwert bei
auftritt.
Somit verfeinert jeder Durchgang den Ort des Signalscheitelwertes. Für jeden Durchgang kann die Anzahl von Datenpunkten, die bei der Errechnung verwendet werden, und/oder die Anzahl von Tastungen je Grad, erhöht werden. Die Fachleute auf diesem Gebiet erkennen ohne weiteres, dass die Technik der Parabelanpassung kleinster Quadrate, welche relativ effizient ist, leicht durch andere geeignete Algorithmen ersetzt werden kann.
Das Antennenpositionierungssystem nach der vorliegenden Erfindung positioniert automatisch die Antenne 102 unter Verwendung eines ersten Signals, beispielsweise eines Ku-Band-Signals, mit ausreichender Genauigkeit für die Übertragung eines zweiten Signals, beispielsweise eines Ka-Band-Signals, welches eine höhere Frequenz als das erste Signal aufweist. Das System positioniert die Antenne 102 unter Verwendung des Ku-Band-Signals, welches eine verhältnismäßig breite Bandbreite hat, und optimiert die Ka-Band-Übertragung, welche eine verhältnismäßig schmale Bandbreite besitzt. Diese Anordnung gestattet ein rasches und genaues Positionieren der Antenne 102 für optimalen Empfang und optimale Sendung.
Es versteht sich, dass die Gesamtabmessungen der Antenne 102 sich entsprechend den Anforderungen für eine bestimmte Anwendung verändern können. Ein beispielsweiser Bereich der Abmessungen für eine Antenne 102, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerichtet werden kann, reicht von etwa 75 bis 105 cm im Durchmesser. In einer Ausführungsform kann ein Ku/Ka-Kommunikationssytem, etwa ein solches wie es hier beschrieben ist, eine Gregorianische Antenne enthalten, welche einen Hauptreflektor oder eine Antennenschüssel mit einem Durchmesser von etwa 95 cm hat.

Claims

Verfahren zur Ausrichtung einer Satellitenkommunikationsantenne auf einen Kommunikationssatelliten zum Ermöglichen des Empfangs eines ersten Signals durch die Antenne, wobei das erste Signal eine erste Signalfrequenz aufweist und durch den Satelliten gesendet wird, und zur Ermöglichung des Empfangs eines zweiten Signals durch den Satelliten, wobei das zweite Signal eine zweite Frequenz aufweist und durch die Antenne ausgesendet wird, enthaltend die folgenden Verfahrensschritte: (a) Hinzielen der Antenne auf den Satelliten derart, dass die Antenne ein erstes Signal mit einer ersten Frequenz empfängt; (b) Gewinnen einer ersten Anzahl von ersten Signalstärke-Datenpunkten über einen vorbestimmten Azimutbereich; (c) Bestimmen eines ersten tatsächlichen Satellitenortes, der durch Anwenden eines Kurvenanschmiegungsverfahrens an die erste Anzahl von ersten Signalstärke-Datenpunkten bestimmt wird; (d) Ausrichten der Antenne in dem Azimutbereich auf den bestimmten ersten tatsächlichen Satellitenort; (e) Gewinnen einer zweiten Anzahl von ersten Signalstärke-Datenpunkten über einen vorbestimmten Elevationsbereich; und (f) Bestimmen eines zweiten tatsächlichen Satellitenortes durch Anwendung eines Kurvenanschmiegungsverfahrens auf die zweite Anzahl von ersten Signalstärke-Datenpunkten; (g) Ausrichten der Antenne in dem Elevationsbereich auf den bestimmten zweiten tatsächlichen Satellitenort; (h) Wiederholen der Schritte (b) bis (g) nach Bedarf, derart, dass die Antenne auf einen tatsächlichen Satellitenort ausgerichtet wird, der aus den ersten Signalstärken-Punkten abgeleitet wird, um ein zweites Signal auszusenden, das eine zweite Frequenz besitzt, welche höher als die Frequenz des ersten Signales ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Bestimmen des tatsächlichen Satellitenortes die Verwendung der kleinsten Quadrate umfasst, um eine Parabel an die Signalstärkendaten anzupassen und den Ort entsprechend dem Parabelzentrum zu wählen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Bestimmung des tatsächlichen Satellitenortes die Anwendung des Durchschnittswertes des 3dB-Leistungspegel-Algorithmus auf die Signalstärkendaten enthält.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung ein erstes Signal entsprechend einem Ku-Band-Signal verwendet.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Signal einem Ka-Band-Signal entspricht.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Azimutbereich etwa +/– 2 Grad beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von ersten und zweiten Datenpunkten von zehn bis einhunderttausend Signalstärkemessungen umfasst.
Satelliten-Kommunikationsantennen-Ausrichtungssystem zur Ausrichtung einer Antenne auf einen geosynchronen Satelliten zur Ermöglichung des Empfangs eines ersten Signales durch die Antenne, wobei das erste Signal eine erste Frequenz aufweist und von dem Satelliten ausgesendet wird, und zur Ermöglichung des Empfanges eines zweiten Signales durch den Satelliten, wobei das zweite Signal eine zweite Frequenz hat und von der Antenne ausgesendet wird, wobei das System folgendes umfasst: eine Steuereinheit (114), welche an die Antenne (102) ansetzbar ist, wobei die Steuereinheit (114) einen Controller (150) und einen Leistungsmesser (152) enthält, welcher mit einem Speisehomstrahler (106) verbindbar ist, um Signalstärkedaten für ein erstes Signal mit einer ersten Frequenz zu gewinnen, welche durch einen Satelliten ausgesendet wird; ein Gehäuse (112), welches an die Antenne (102) ansetzbar ist, wobei das Gehäuse (112) folgendes enthält: eine Azimut-Antriebsanordnung (158), welche mit der Steuereinheit (114) gekoppelt ist, um eine Azimutpositionierung der Antenne (102) vorzunehmen; und eine Elevations-Antriebsanordnung (160), welche mit der Steuereinheit (114) gekoppelt ist, um eine Elevationspositionierung der Antenne (102) vorzunehmen, wobei der Controller (150) so ausgebildet ist, dass er die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen vermag.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne einen Hilfsreflektor (104) und einen Hauptreflektor (108) enthält.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptreflektor (108) einen Durchmesser von etwa 95 cm aufweist.
System nach irgendeinem der Ansprüche 8, 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Batterie zur Speisung des Antennenausrichtsystems.
System nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenausrichtsystem von der Antenne (102) abnehmbar ist.
System nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (114) ein Speicherelement zur Speicherung von Signalstärkedaten enthält.