DE69733331T2

DE69733331T2 - Verfahren zur Kalibrierung von Satellitennutzlasten mit Hybrid-Matrizen

Info

Publication number: DE69733331T2
Application number: DE69733331T
Authority: DE
Inventors: Steven O. Lane; Douglas T. Bell; Kary L. O'connor
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: EP0812027A3; JPH1093325A; DE69733331D1; EP0812027A2; JP3004946B2; US5784030A; EP0812027B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Satellitenkommunikationsnutzlasten und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Kalibrierung von Satellitenkommunikationsnutzlasten.
Hintergrund
Satellitenkommunikationssysteme erlauben die Errichtung von Schaltungen oder Kommunikationskanälen in weiten Service-Gebieten und ermöglichen sehr effektiv die Nutzung einer kleinen Anzahl von Schaltungen durch eine große Anzahl von erdgebundenen Stationen. Typische solcher Satellitenkommunikationssysteme sind beschrieben von Roederer in dem US-Patent 5,115,248, durch Zacharatos et al. im US-Patent 4,907,004 und durch Egami et al. im US-Patent 4,618,831. Ferner ist ein selbst überwachendes/kalibrierendes phasengesteuertes Gruppenradar beschrieben durch Ast et al. im US-Patent 5,412,414. WO95/24103 A1 offenbart ferner ein Antennengruppenkalibrierungssystem. GB 981,103 A betrifft eine Richtungs-Auffindungsvorrichtung und US 5,115,248 A offenbart eine Mehrfachstrahlantenneneinspeisevorrichtung.
Eine fundamentale Anforderung an das Design eines Kommunikationssystems für Satelliten ist die effiziente Nutzung der verfügbaren HF-Leistung.
Ein herkömmliches bekanntes Satellitenkommunikationsnutzlastsystem ist in 1 gezeigt. Das Nutzlastsystem besitzt ein Strahlformungsnetzwerk 10 eines herkömmlichen Designs, das mehrere Ausgänge in Antwort auf einen oder mehrere Eingänge erzeugt. Jeder Eingang wird auf ausgewählte Ausgangsanschlüsse mit einer geeigneten Verstärkung- und Phasenverschiebung dazwischen gemappt bzw. abgebildet. Jeder Ausgangsanschluss des Strahlformungsnetzwerkes 10 ist mit dem Eingang eines zugeordneten Verstärkers 12 verbunden. Die Ausgänge der ausgewählten Gruppen von Verstärkern 12 sind mit den Eingängen der zugeordneten Hybridmatrizen 14-1 bis 14-N verbunden. In der dargestellten Ausführungsform besitzt jede Hybridmatrix 14-1 bis 14-N vier Eingänge und die zugeordnete Gruppe von Verstärkern besitzt vier Verstärker 12, wobei jeweils einer mit jedem der vier Eingänge verbunden ist. In gleicher Weise besitzt jede Hybridmatrix vier Ausgänge, von denen jeder mit einem Einspeise-Strahlerelement 18 verbunden ist. Die Einspeise- bzw. Speise-Strahlerelemente 18 sind an dem Brennpunkt einer Strahlfokussierungsvorrichtung platziert, wie bspw. einem Parabolreflektor 20.
Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, die Kalibrierung des Nutzlastsystems aufrechtzuerhalten.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, ist ein Kommunikations-Nutzlastsystem mit einem Kalibrierungssystem zum Messen und aufrechterhalten der Amplituden und Phasenübertragungsfunktionen des Systems innerhalb der Kalibrierung. Das Nutzlastsystem besitzt ein Strahlformungsnetzwerk mit zumindest einem Eingangsanschluss und einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen. Jeder Eingangsanschluss wird auf einen oder mehrere ausgewählte Ausgangsanschlüsse gemappt. Das Strahlformungsnetzwerk liefert eine geeignete Amplitudenverteilung und Phasenverschiebung zwischen den Eingangsanschlüssen und den Ausgangsanschlüssen. Ein Verstärker ist mit jedem Ausgangsanschluss des Strahlformungsnetzwerks verbunden. Das System umfasst zumindest eine Hybridmatrix, deren einzelne Eingänge mit einem jeweiligen der Verstärker verbunden ist. Eine Kalibrierungs-HF-Absorptionslast ist mit einem der Ausgänge jeder der Hybridmatrizen verbunden. Die Kalibrierungs-HF-Absorptionslast funktioniert als Kalibrierungs-Abtast-Ausgangsanschluss, der einen Kalibrierungs-Abtastwert entsprechend dem Leistungsausgang der Hybridmatrix erzeugt. Eine Kalibrierungsschaltung liefert Leistungseingänge an das Strahlformungsnetzwerk, um Signale an ausgewählten Ausgangsanschlüssen eines Strahlformungsnetzwerks zu erzeugen und erzeugt dazu Korrekturen in Antwort auf die Kalibrierungs-Abtastwerte, die an den Kalibrierungs-Abtast-Ausgangsanschlüssen und einer Kalibrierungs-Aufnahmeantenne gemessen werden, abhängig von der Leistung, die von den Einspeise-Strahlerelementen ausgestrahlt wird. Die Kalibrierungs korrekturen werden dem Strahlformungsnetzwerk zugeführt, um die Kalibrierung des Kommunikations-Nutzlastsystems aufrechtzuerhalten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kalibrierungssystem für ein Kommunikations-Nutzlastsystem vorzusehen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, extra Ausgänge für die Hybridmatrizen vorzusehen, die zur Kalibrierung verwendet werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Anzahl der Verstärker für zusätzliche Ausgangsleistung und für eine erhöhte äquivalente isotrope Abstrahlleistung (EIRP) der Nutzlast ohne Erhöhung des Leistungsausgangs der einzelnen Verstärker vorzusehen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass das Kommunikations-Nutzlastsystem an jede Nutzlast anpassbar ist, die mehrere Strahlen, mehrere Verstärker und Hybridmatrizen enthält, die eine Kalibrierung benötigen.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verwendung normal belasteter Ausgangsanschlüsse der Hybridmatrizen, um eine Abtastung der Leistung in der Hybridmatrix zur Kalibrierung des Nutzlastsystems vorzusehen.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leichter durch Lesen der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines bekannten Kommunikations-Nutzlastsystems;
2 ist ein Blockdiagramm des Kommunikations-Nutzlastsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Flussdiagramm, das zur Erläuterung des Betriebs der Kalibrierung des Nutzlastsystems verwendet wird; und
4 ist ein Diagramm einer alternativen Ausführungsform eines Kalibrierungs-Abtast-Ausgangsanschlusses.
Bester Modus zur Ausführung der Erfindung
Die Details des Systems zur Kalibrierung der Satellitenkommunikationsnutzlastenen sind in 2 gezeigt. Das Strahleingangssignal oder die Strahleingangssignale werden von einem Strahlformungsnetzwerk 30 empfangen, wie zuvor mit Bezug auf die 1 beschrieben wurde. Das Strahlformungsnetzwerk 30 erzeugt mehrere Ausgangssignale an ihren Ausgangsanschlüssen, die in 2 mit A gekennzeichnet sind, in Antwort auf jedes Eingangssignal. Jeder Eingang wird auf mehrere der Ausgangsanschlüsse mit geeigneter Dämpfung und Phasenverschiebung zwischen diesen gemappt bzw. abgebildet. Jeder Ausgangsanschluss des Strahlformungsnetzwerks 30 ist mit dem Eingang eines zugeordneten Verstärkers 32 verbunden. Die Ausgänge der ausgewählten Gruppen von Verstärkern 32 sind mit den Eingängen der zuge ordneten Hybridmatrizen 34-1 bis 34-N verbunden. Wie bei der Ausführungsform, die mit Bezug auf die 1 diskutiert wurde, besitzt jede Hybridmatrix 34-1 bis 34-N vier Eingänge und die zugeordnete Gruppe von Verstärkern besitzt vier Verstärker 32, wobei jeder mit jedem der vier Eingänge verbunden ist. Jede Hybridmatrix 34 besitzt vier Ausgänge, wie gezeigt, aber anders als in der in 1 gezeigten Ausführungsform sind nur drei dieser Eingänge mit Speise- bzw. Einspeise-Strahlerelementen 36 verbunden. Wie durch den Stand der Technik gelehrt, kann jede Hybridmatrix mehr als die vier Eingänge aufweisen und mehr als die vier Ausgänge, wie in der Ausführungsform von 2 dargestellt.
Üblicherweise sind die unbenutzten Ausgänge der Hybridmatrix 34-1 bis 34-N mit einer HF-absorbierenden Last abgeschlossen, wie von Roederer im US-Patent Nr. 5,155,248 mit Bezug auf die 10B, 14B und 18B gelehrt wird. Entsprechend den Lehren der Erfindung werden die HF-absorbierenden Lasten 38-1 bis 38-N modifiziert, um als Kalibrierungsausgangsanschlüsse zu funktionieren, so dass die Kalibrierungsabtastungen der Leistung, die von den HF-absorbierenden Lasten 38-1 bis 38-N empfangen werden, erzeugt werden. Diese Kalibrierungsabtastungen des Leistungsausgangs von den unbenutzten Ausgängen der Hybridmatrizen 34-1 bis 34-N und der Ausgang einer Kalibrierungs-Aufnahmeantenne 44 werden von einem Kalibrierungssystem 40 empfangen, das die Amplitude und die Phasenübertragungseigenschaften des Nutzlastsystems sowohl vor als auch hinter den Hybridmatrizen 34 misst.
Die Messung der Amplitude und der Phasenübertragungseigenschaften vor den Hybridmatrizen wird erreicht durch Anlegen einer Leistung an einen einzelnen Strahlformungsnetzwerk-Ausgangsanschluss und Messen der Leistung am Kalibrierungsausgangsanschluss. Eine Schätzung des Fehlers in den Phasenübertragungseigenschaften des einzelnen Strahlformungsnetzwerkausgangsanschlusses zu dem Kalibrierungsausgangsanschluss wird durch Subtrahieren des gemessenen Wertes von einem vorbestimmten Referenzwert erhalten. Dieser vorbestimmte Referenzwert kann der Wert sein, der aus einer vorhergehenden Messung erhalten wird, oder kann ein theoretischer Wert sein. Dieser Vorgang wird für jeden Ausgangsanschluss des Strahlformungsnetzwerks wiederholt.
Als nächstes kann das Strahlformungsnetzwerk 30 durch das Kalibrierungssystem 40 aktiviert werden, um Leistung an deren Ausgangsanschlüssen zu erzeugen, die zu einer Leistung führt, die nur zu einem der Speise-Strahlerelemente geführt wird, die von der Kalibrierungs-Aufnahmeantenne 44 erfasst wird. Das von der Kalibrierungs-Aufnahmeantenne erfasste Signal wird mit den vorbestimmten Werten verglichen, um die Phasenübertragungsfunktion des Nutzlastsystems zu den Speise-Strahlerelementen 36 zu bestimmen. Dieser Vorgang wird in ähnlicher Weise für jedes Speise-Strahlerelement wiederholt. Die Kombination der zwei gemessenen Phasenübertragungsfunktionen bestimmt die Übertragungsfunktion der Nutzlast.
Das Kalibrierungssystem 40 aktiviert periodisch das Strahlformungsnetzwerk 30, um ausgewählte Ausgangsanschlüsse mit Energie zu versorgen, und erzeugt Korrekturen, die dem Strahlformungsnetzwerk in Antwort auf die Werte zugeführt werden, die an den Kalibrierungs-Ausgangsanschlüssen 38 und der Kalibrierungs-Aufnahmeantenne erzeugt werden, um die Kalibrie rung des Nutzlastsystems aufrechtzuerhalten. Die Kalibrierung des Nutzlastsystems kann automatisch ausgeführt werden in regelmäßigen Intervallen oder kann von einer bodengestützten Station initiiert werden.
Wie in 2 gezeigt, sind die Speise-Strahlerelemente 36 an oder nahe dem Brennpunkt eines parabolförmigen Reflektors 42 angeordnet, der die von den Speise-Strahlerelementen 36 ausgestrahlte Energie in einen oder mehrere Strahlen fokussiert, wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
Der Betrieb des Kalibrierungssystems 40 wird nun mit Bezug auf das Flussdiagramm erläutert, das in 3 gezeigt ist. Der Kalibrierungsvorgang wird initiiert durch Aktivieren des Strahlformungsnetzwerks 30, um Energie an einen einzelnen Ausgangsanschluss zu führen, wie in Block 46 beschrieben. Diese Anwendung von Energie auf einen einzelnen Ausgangsanschluss wird ein Ausgangssignal an einem vorbestimmten Kalibrierungs-Ausgangsanschluss erzeugen. Das Kalibrierungssystem wird dann den Wert der Energie bzw. Leistung an dem Kalibrierungs-Ausgangsanschluss (Block 48) messen und dann einen Fehler zwischen dem gemessenen Wert und einem Referenzwert berechnen, Block 50. Der Referenzwert kann ein theoretisch erhaltener Wert sein, oder kann der Wert von einer vorhergehenden Messung sein. Die in den Blöcken 46 bis 50 angegebenen Schritte werden für jeden Ausgangsanschluss des Strahlformungsnetzwerks wiederholt, wie in Block 52 gekennzeichnet.
Das Kalibrierungssystem 40 wird dann das Strahlformungsnetzwerk 30 aktivieren, um Energie zu den Ausgangsanschlüssen zu führen, die vorausgewählt sind, um ein Ausgangssignal an einem der Speise-Strahlerelemente 36 zu erzeugen, Block 54. Das Kalibrierungssystem wird dann den Wert der Leistung messen, die von dem Speise-Strahlerelement 36 ausgestrahlt wird, indem die Kalibrierungs-Aufnahmeantenne 44 verwendet wird, wie durch Block 56 angezeigt. Die Verfahrensschritte der Blöcke 56 und 58 werden wiederholt, bis die von jedem Speise-Strahlerelement 36 ausgestrahlte Energie gemessen ist, wie durch Block 58 gekennzeichnet. Schließlich wird das Kalibrierungssystem Korrekturen für das Strahlformungsnetzwerk berechnen und diese Korrekturen auf das Strahlformungsnetzwerk anwenden, um die Kalibrierung des Nutzlastsystems (Block 60) aufrechtzuerhalten.
Eine alternative Ausführungsform des Kalibrierungs-Ausgangsanschlusses zur Erzeugung eines Kalibrierungssignals von den Hybridmatrizen 14 ist in 4 gekennzeichnet. Bei diesem Verfahren ist ein Abtastkoppler 62 mit der Leitung zwischen der Hybridmatrix 14 und dem Speise-Strahlerelement 18 verbunden. Die Kalibrierungs-Abtastung, die von dem Abtastkoppler 62 erzeugt wird, wird als Eingang dem Kalibrierungssystem 40 zugeführt, wie die Kalibrierungsabtastung, die von der HF-absorbierenden Last 38 erzeugt wird, wie in Bezug auf 2 erläutert.
Der Kalibrierungsvorgang kann entweder ohne andere Signaleingänge in das Strahlformungsnetzwerk oder mit anderen Signalen in das Strahlformungsnetzwerk ausgeführt werden, wobei im letztgenannten Fall eine Kodierung oder andere Maßnahmen zur Unterscheidung der Kalibrierungssignale von den anderen Signalen vorgesehen sind.
Die Schlüsselteile der Erfindung sind in der Nutzung eines Hybridmatrixsystems zu sehen, das mehr Eingangsanschlüsse als Ausgangsanschlüsse besitzt, um die Gesamtanzahl von Ausgangsleistung zu erhöhen, ohne die Ausgangsleistung der einzelnen Verstärker zu vergrößern, und die Benutzung der ungenutzten Ausgänge der Hybridmatrizen, die normalerweise mit einem Speise-Strahlerelement oder einer HF-absorbierenden Last verbunden sind, um eine Abtastung der Leistung in der Hybridmatrix zu erzeugen, um das Nutzlastsystem periodisch zu kalibrieren.
Nachdem eine bevorzugte Ausführungsform zur Kalibrierung einer Satellitenkommunikationsnutzlasten mit Hybridmatrizen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann klar, dass Veränderungen oder Verbesserungen innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche durchgeführt werden können.

Claims

Kommunikations-Nutzlastsystem mit: einem Strahlformungsnetzwerk (30) mit zumindest einem Eingangsanschluss, der auf ausgewählte Ausgangsanschlüsse abgebildet wird, wobei das Strahlformungsnetzwerk (30) eine geeignete Verstärkung- und Phasenverschiebung zwischen dem zumindest einen Eingangsanschluss und den Ausgangsanschlüssen liefert; einer Vielzahl von Verstärkern (32), wobei jeder Verstärker (32) der Vielzahl von Verstärkern (32) einen Eingang, der mit dem jeweiligen der Ausgangsanschlüsse des Strahlformungsnetzwerks (30) verbunden ist, und einen Ausgang besitzt; zumindest einer Hybridmatrix (34) mit einer vorbestimmten Anzahl von Eingängen und einer entsprechenden Anzahl von Ausgängen, wobei die vorbestimmte Anzahl von Eingängen der zumindest einen Hybridmatrix (34) mit dem Ausgang eines jeweiligen der Vielzahl von Verstärkern (32) verbunden ist; einer Vielzahl von Speise-Strahlerelementen (36), wobei jedes der Speise-Strahlerelementen (36) mit einem jeweiligen der Ausgänge der zumindest einen Hybridmatrix (34) verbunden ist; einer Kalibrierungs-Aufnahmeantenne (44), die auf die von den Speise-Strahlerelementen (36) ausgestrahlten Energie anspricht, um eine zweite Kalibrierungsabtastung zu erzeugen; einem Kalibrierungs-Abtastwert-Ausgangsanschluss (38, 62), der mit einem der Ausgänge jeder der zumindest einen Hybridmatrix (34) verbunden ist, wobei der Kalibrierungs-Abtastwert-Ausgangsanschluss (38, 62) einen ersten Kalibrierungs-Abtastwert mit einem Wert erzeugt, der der Ausgangsleistung der Hybridmatrix (34) entspricht; und einem Kalibrierungssystem (40), das auf den ersten und den zweiten Kalibrierungs-Abtastwert anspricht, um Korrekturwerte zu erzeugen, mit denen das Strahlformungsnetzwerk (30) beaufschlagt wird, um die Kalibrierung des Nutzlastsystems aufrechtzuerhalten.
Kommunikations-Nutzlastsystem nach Anspruch 1, das die zumindest eine Hybridmatrix (34) eine Vielzahl von Hybridmatrizen (34-1–34-N) aufweist, wobei jede Hybridmatrix (34) der Vielzahl von Hybridmatrizen (34) die vorbestimmte Anzahl von Eingängen aufweist, wobei jeder Eingang mit dem Ausgang eines jeweiligen der Vielzahl der Verstärker (32) verbunden ist.
Kommunikations-Nutzlastsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Anzahl von Eingängen jeder der Hybridmatrizen (34) vier ist und die vorbestimmte Anzahl von Ausgängen vier ist, wobei jede Hybridmatrix (34) der Vielzahl von Hybridmatrizen (34-1–34-N) einen der Kalibrierungs-Abtastwert-Ausgangsanschlüsse (38, 62) besitzt, die mit einem der vier Ausgänge verbunden ist.
Kommunikations-Nutzlastsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungs-Abtastwert-Ausgangsanschluss (38, 62) eine HF-absorbierende Last ist, die mit einem Ausgang jeder der Hybridmatrizen (34-1–34-N) verbunden ist.
Kommunikations-Nutzlastsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierungs-Abtastwert-Ausgangsanschluss (38, 62) ein Abtastwertkoppler (62) ist, der zwischen einem Ausgang der Hybridmatrix (34) und dessen zugehörigen Speise-Strahlerelement (18) angeordnet ist, um ein Kalibrierungs-Abtastwert zu erzeugen entsprechend der Energie, die von der Hybridmatrix (34) zu dem Speise-Strahlerelement (18) übertragen wird.
Kommunikations-Nutzlastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsschaltung (40) einen einzelnen Ausgangsanschluss des Strahlformungsnetzwerks (30) mit Energie beaufschlagt, um zumindest einen ersten Kalibrierungs-Abtastwert an dem Kalibrierungs-Abtastwert-Ausgangsanschluss (38, 62) zu erzeugen, ausgewählte Ausgangsanschlüsse des Strahlformungsnetzwerks (30) mit Energie beaufschlagt, um ein ausgewähltes der Speise-Strahlerelemente (36) mit Energie zu versorgen, um Energie abzustrahlen, die von der Kalibrierungs-Aufnahmeantenne (44) erfasst wird, um den zweiten Kalibrierungs-Abtastwert zu erzeugen und die Korrekturdaten in Antwort auf den ersten und den zweiten Kalibrierungs-Abtastwert zu berechnen.
Verfahren zum Kalibrieren eines Kommunikations-Nutzlastsystems mit zumindest einer Hybridmatrix (34) und Speise-Strahlerelementen (36), mit den Schritten: Jeweils einzelnes Beaufschlagen jedes Ausgangsanschlusses eines eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen aufweisenden Strahlformungsnetzwerks (30) mit Energie; Messen des Energiewerts, der an einem Kalibrierungs-Abtastwert-Ausgangsanschluss (36, 62) der zumindest einen Hybridmatrix (34) erzeugt wird, um die ersten Kalibrierungs-Abtastwerte zu generieren; Aufeinanderfolgendes Beaufschlagen der Ausgänge des Strahlformungsnetzwerks (30) mit Energie, die ausgewählt sind, um ein Energieausgangssignal für jedes Speise-Strahlungselement (36) zu erzeugen; Messen des Werts der Energie, die von jedem Speise-Strahlerelement (36) ausgestrahlt wird, indem eine Aufnahmeantenne (44) verwendet wird, um die zweiten Kalibrierungs-Abtastwerte zu generieren; und Berechnen einer Korrektur, mit der das Strahlformungsnetzwerk (30) beaufschlagt wird, um die Kalibrierung des Nutzlastsystems in Antwort auf die ersten und zweiten Kalibrierungs-Abtastwerte aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt: Vergleichen der ersten gemessenen Abtastwerte mit einem Referenzabtastwert, um einen Fehler zu erzeugen.