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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Endstellenantennen zur Benutzung in Telekommunikationssystemen
und insbesondere auf eine Antenne, die zur Kommunikation mit Satellitensystemen
mit niedriger Erdumlaufbahn (LEO, Englisch: Low Earth Orbit) ausgebildet
ist.
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Beschreibung des zugehörigen Stands
der Technik
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Satellitenfunkkommunikation
besteht nun seit vielen Jahren. Anfangs waren derartige Satelliten dazu
entwickelt, Kommunikationen von einem Punkt auf der Erde zu den
anderen weiterzuleiten, hauptsächlich
für Telefonfernverbindungen
und Fernsehsignale. Der "Early
Bird" (übersetzt: "früher Vogel") Satellit beispielsweise
verband zwei Stationen auf den jeweiligen Seiten des Atlantischen
Ozeans und ermöglichte
die erste praktische Live-Fernseh-Berichterstattung von Ereignissen
auf gegenüberliegenden Seiten
des Atlantiks. Diese frühen
Satelliten waren in geosynchronen Umlaufbahnen positioniert und
ihre Kommunikationsverbindungen waren von vergleichsweise niedriger
Frequenz (und folglich langer Wellenlänge) und erforderten bei einer
jeweiligen Erdstation Empfangsantennen in der Form von Schüsseln mit relativ
großem
Durchmesser.
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Im
Allgemeinen fallen Kommunikationssatelliten in drei Kategorien.
Die ersten sind bekannt als Satelliten mit geosynchroner Erdumlaufbahn
(GEO, Englisch: Geosynchronous Earth Orbit), die in einer Umlaufbahn
auf einem Punkt von näherungsweise 22.000
Meilen über
der Erde positioniert sind, so dass sie scheinbar "stationär" über dem selben Punkt auf der
Erde verbleiben. All die frühen
Satelliten waren von diesem Typ. Der zweite Typ von Kommunikationssatelliten
wird Satelliten mit mittlerer Erdumlaufbahn (MEO, Englisch: Medium
Earth Orbit) genannt, für
die vorgeschlagen wird, dass sie die Erde in einem Abstand von etwa
8.000 Meilen umlaufen. Dieser kürzere
Abstand von der Erde zu den Satelliten verringert die Übertragungsverzögerung von
Signalen, so dass eine Echtzeitkommunikation mit derartigen Satelliten
praktischer ist. Beispielsweise erfordert ein GEO Satellit näherungsweise
0,25 Sekunden für
einen Hin- und Rücklauf von
einer Erdstation zu dem Satelliten und wieder zurück, während ein MEO
Satellit weniger als 0,1 Sekunden benötigt, um den selben Kreislauf
zu vervollständigen.
Der dritte Typ von Satelliten, der derzeit vorgeschlagen wird, wird
als Satelliten mit niedriger Erdumlaufbahn (LEO, Englisch: Low Earth
Orbit) bezeichnet. Diese LEO Satelliten werden die Erde in einem
Abstand von nur 500 bis 1.00 Meilen über der Erde umlaufen, wobei sie
eine relativ kurze Strecke für
das Funksignal zum Ausbreiten zwischen einer Erdendstelle und einem Satelliten
bereitstellen und dabei die Übertragungsverzögerung bis
in die Größenordnung
von 0,05 Sekunden verringern, was Sprach- und Datenkommunikationen
in Echtzeit viel praktischer macht. Zusätzlich verringert der kurze
Abstand zwischen den Erdendstellen und dem Satelliten die Notwendigkeit
für empfindliche
und sperrige Empfangsgeräte.
Moderne Satellitenkonstellationssysteme, wie dasjenige, das derzeit
von einer US Firmen-Partnerschaft
vorgeschlagen wird und das als "Teledesic" bezeichnet wird,
gliedern derartige LEO Satelliten ein.
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Die
bevorzugten Konstellationen von LEO Kommunikationssatelliten sind
in ihrer Art zellenartig, und dazu beabsichtigt, große Mengen
von Daten zu verarbeiten, einschließlich mobilem Internetzugang mit
Hochgeschwindigkeit ebenso wie Geschäftsdatenkommunikationen mit
Hochgeschwindigkeit. Ein derartig großer Datendurchsatz erfordert
einen sehr großen
Grad von Bandbreite in der Kommunikationsverbindung. Um diese Bandbreite
zu erzielen, wird es erforderlich sein, dass diese Systeme auf relativ
hohen Frequenzen betrieben werden, beispielsweise im Ku und Ka Band,
und Frequenzen von der Größenordnung
von 12–30
GHz einsetzen. Es ist wohl bekannt, dass je höher die Betriebsfrequenz eines Satellitensystems
ist, desto schmaler der Strahl bzw. die Keule, der/die für eine effiziente
Benutzung durch eine Satellitenantenne verfügbar ist. Folglich ist es in derartigen
Systemen sehr wichtig, die empfangende/übertragende Antenne präzise zu
steuern.
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Bei
Satellitenkommunikation mit niedrigerer Frequenz, beispielsweise
im Bereich von einigen Gigahertz, kann eine mit einem Satelliten
kommunizierende, mobile Station eine einfache lineare Antennenstruktur
einsetzen und mit ausreichender Effizienz kommunizieren, so dass
die gewünschten
Ziele erreicht werden. Jedoch sind für Kommunikationen mit sehr
hohen Frequenzen in einer jeweiligen Mobilfunkstation Schwenkantennen
(Englisch: Schwenken Antennas) erforderlich, um in der Lage zu sein,
den sich schnell bewegenden Satelliten zu erfassen und eine effiziente
Kommunikation zu erzielen. Das Einbinden von derartigen Antennen
in eine mobile Station bzw. ein Mobilfunkendgerät involviert eine Anzahl von
technischen Hindernissen.
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Ein
Merkmal von LEO Satellitensystemen ist, dass aufgrund der scheinbaren
Bewegung eines jeweiligen Satelliten über den Himmel die Zeitdauer, während der
ein Mobilfunkendgerät
mit einem jeweiligen bestimmten Satelliten in Kommunikation treten kann,
relativ kurz ist und besondere Betrachtung erfordert. Beispielsweise
muss ein Mobilfunkendgerät in
der Lage sein, eine Kommunikationsverbindung mit dem Satelliten
aufzubauen, unmittelbar wenn er über
den Horizont kommt und elektronisch für die Mobilfunkstation sichtbar
wird, und dann den Satelliten nachverfolgen, wenn dieser über Kopf
vorbeiläuft und über dem
anderen Horizont verschwindet. Vor dem Verschwinden des "weggehenden" Satelliten muss
die Antenne des Mobilfunkendgeräts
in der Lage sein, eine Kommunikation mit einem "aufkommenden" Satelliten zu errichten, so dass ein
effektives "Weiterreichen" der Kommunikationsverbindung von
dem weggehenden Satelliten zu dem aufkommenden Satelliten vorhanden
ist, während
die Kommunikationsverbindung mit beiden Satelliten immer noch gut
ist. Eine Lösung
zu diesem Problem besteht darin, ein jeweiliges Mobilfunkendgerät mit zwei
Antennen zu versehen. Eine zum Nachfolgen des weggehenden Satelliten über den
Himmel bis er verschwindet, und eine zweite Antenne, die für das Erscheinen
des aufkommenden Satelliten bereit ist, so dass niemals eine Unterbrechung
in der Kommunikationsverbindung auftritt, wenn das Weiterreichen
von einem Satelliten zu dem anderen auftritt. Natürlich sind
Mehrfachantennen für
ein jeweiliges Endgerät sowohl
sperrig als auch teuer.
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Eine
andere Lösung
für das
Problem der Kommunikation mit LEO Satelliten ist die Antenne, die
gezeigt ist im
US Patent Nr.
5,650,788 mit dem Titel "Terrestrial Antennas for Satellite Communication System" (übersetzt: "Terrestrische Antennen
für ein Satellitenkommunikationssystem"), erteilt am 22.
Juli 1997 an Jha und dem Unternehmen Teledesic zugeschrieben. Diese
Antenne ist eine hemisphärische phasengesteuerte
Gruppenantenne, die elektronisch geschwenkt wird. Um jedoch die
hohe Verstärkung zu
erzielen, die erforderlich ist, um die vorgeschlagenen großen Datenraten
zu verarbeiten, muss die Antenne eine große Anzahl von phasengesteuerten Elementen
aufweisen und folglich relativ teuer sein.
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Eine
noch andere Lösung
für das
LEO Satellitenweiterreichungsproblem würde darin bestehen, ein mechanisches
Abtastsystem mit sehr hoher Geschwindigkeit auf eine Antenne mit
weniger Elementen bereitzustellen, sodass die Antenne ohne jegliche Unterbrechung
im Datenstrom unmittelbar vor dem Verschwinden des weggehenden Satelliten
verdreht werden kann und auf die Keule des aufkommenden Satelliten
arretiert werden kann. Jedoch mit den sehr hohen Frequenzen und
den sich schnell bewegen LEO Satelliten würde dies mechanische Bewegungen
des Antennensystems mit einer Geschwindigkeit und mit einer Genauigkeit
erfordern, die weit über dem
sind, wozu durch heutige Technologie gesteuerte mechanische Einstellmechanismen
in der Lage sind.
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Die
Druckschrift aus dem Stand der Technik
WO 97/15092 zeigt eine Kommunikationsstation
umfassend eine phasengesteuerte Gruppenantenne und motorgetriebene,
elektromechanische Azimutmittel und ein motorgetriebenes Höhenwinkelmittel, das
die Achse der "physikalischen
Justierung" der phasengesteuerte
Gruppenantenne steuert. Die Station ist ausgebildet zum Nachverfolgen
einer Satellitenkommunikationsstation, obwohl sie auf einer beweglichen
Plattform, wie etwa einem Schiff, montiert ist. Die Kommunikationsstation
führt eine
Stabilisierung der Bewegungen der Plattform aus, in dem sie die
phasengesteuerte Gruppenantenne und die Satellitennachverfolgung
durch elektrometrische Mittel steuert. Es werden empfangene Signalstärkevariationen
eines von der Satellitenstation ausgehenden Signals überwacht,
während
die Achse der "elektronischen
Justierung" der
phasengesteuerte Gruppenantenne in einer oder mehreren Richtungen,
die gegenüber
der Richtung der physikalischen Justierachse versetzt sind, elektronisch
verändert
wird. Die Ergebnisses der Überwachung
werden verwendet, um die physikalische Justierachse so zu verändern, dass Zeige-
bzw. Ausrichtungsfehler auf die Satellitenstation minimiert werden.
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Das
Dokument aus dem Stand der Technik
GB
2 253 520 zeigt eine phasengesteuerte Gruppenantenne, die
elektronisch um eine querverlaufende Höhenwinkelachse (XEL, Englisch:
Cross Elevation Axis) herum steuerbar ist, wobei die phasengesteuerte
Gruppenantenne elektromechanische Mittel aufweist, die die Antenne
um eine Azimutachse (AZ) herum dreht, und elektromechanische Mittel
zum Steuern der Elevations- bzw. Höhenwinkkelrichtung der Antennenanordnung
(EL).
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Die
phasengesteuerte Gruppenantenne ist dazu ausgebildet, auf einer
beweglichen Plattform, wie etwa einem Schiff, zum Nachverfolgen
eines Satelliten angeordnet zu werden. Die Neigung der beweglichen
Plattform um eine Längsachse
und eine Querachse wird durch Neigungsdetektionsmittel gemessen.
Die Stabilisierung wird hauptsächlich
ausgeführt
durch Steuern der elektromechanisch steuerbaren Höhenwinkelachse
und der elektronisch steuerbaren querverlaufenden Höhenwinkelachse.
GB 2 253 520 bildet den
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es
besteht ein Bedarf an einem relativ preiswerten Antennensystem mit
hoher Verstärkung
für ein
Mobilfunkendgerät
bzw. eine mobile Station zum Bereitstellen von zumindest zeitweiliger
Kommunikation mit zwei über
Kopf vorbeilaufenden Kommunikationsknoten.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Es
ist eine erste Aufgabe der Erfindung, ein ökonomisches Verfahren zum Betreiben
einer mit zwei sich bewegenden Knoten kommunizierenden Antennenendstelle.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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In
einem Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine Antenne zur
Kommunikation mit mindestens zwei Kommunikationsknoten und die einen Azimutdrehtisch
aufweist, der für
eine Drehbewegung in beiden Richtungen um eine Mittelachse montiert
ist. Ein Höhenwinkeltisch
ist auf dem Azimutdrehtisch für
eine bogenförmige
Bewegung um eine Querachse, die senkrecht auf der Mittelachse ist, montiert.
Die obere Oberfläche
des Tischs enthält eine
Vielzahl von Antennenelementen, um eine phasengesteuerte Gruppenantenne
bzw. eine in Phasen angeordnete Antenne auszubilden, in der die
Abtastebene der Phasenanordnung (Englisch: Phased Array) in einer
Ebene liegt, die parallel zu der Querachse ist und vorzugsweise
durch diese hindurch läuft. Der
Azimutdrehtisch wird um die Mittelachse gedreht und der Höhenwinkeltisch
wird bogenförmig
um die Querachse bewegt, bis die Antennenelemente der auf dem Höhenwinkeltisch
montierten Phasenanordnung so positioniert sind, dass zwei der Knoten,
mit denen die Antenne kommunizieren soll, innerhalb der Abtastebene
des Antennenelements liegen. Der Strahl bzw. die Keule der auf dem
Höhenwinkeltisch montierten
Elemente der phasengesteuerte Gruppenantenne wird elektronisch geschwenkt,
um wahlweise auf einen beliebigen einen oder den anderen der zwei
Knoten ausgerichtet zu sein.
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In
einer Ausführungsform
dieses Aspekts ist einer der mindestens zwei Knoten ein weggehender Satellit
einer Konstellation und der andere der Knoten ist ein aufkommender
Satellit der Konstellation, und die Antenne wird verwendet, um ein
Weiterreichen des Kommunikationskanals von dem weggehenden zu dem
aufkommenden Satelliten auszuführen.
In dieser Ausführungsform
wird der Azimutdrehtisch der Antenne um die Mittelachse gedreht
und der Höhenwinkeltisch
wird bogenförmig
um die Querachse bewegt, bis die auf dem Höhenwinkeltisch montierten Elemente
der phasengesteuerte Gruppenantenne so positioniert sind, dass die
Positionen des weggehenden und des aufkommenden Satelliten im Augenblick des
Weiterreichens innerhalb der Abtastebene der Antennenelemente liegen
und die Justierachse der Antennenelemente in einer Richtung zwischen
den Positionen der zwei Satelliten zeigt. Die Keule der auf dem
Höhenwinkeltisch
montierten Elemente der phasengesteuerte Gruppenantenne wird e lektronisch geschwenkt
von dem weggehenden Satelliten zu dem aufkommenden Satellit in dem
Augenblick des Weiterreichens.
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In
einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf das Durchführen des
Weiterreichens eines Kommunikationssignals zwischen einem ersten Satelliten
mit niedriger Erdumlaufbahn (LEO) und einem zweiten LEO Satelliten
mit einer Antenne, indem deren Keule sowohl physikalisch durch Bewegen
der Antenne als auch elektronisch durch Verändern der Phasenbeziehung zwischen
den Antennenelementen geschwenkt werden kann. Die Antenne weist
eine Abtastebene auf, die aus deren Oberfläche auswärts gerichtet ist und innerhalb
der der Antennenstrahl elektronisch schwenkbar ist. Kommunikation
wird mit einem ersten LEO Satelliten aufgebaut und der Satellit
wird mit der Keule der Antennen nachverfolgt, wenn er sich in seiner
Umlaufbahn bewegt, mit sowohl mechanischer Bewegung der Antenne
als auch elektronischem Schwenken der Keule oder einer Kombination
davon. Die Position, bei der der zweite Satellit beim Weiterreichen
auftauchen wird, wird vorhergesagt und die Antenne wird vor dem
Weiterreichen physikalisch so positioniert, dass sowohl der erste
Satellit als auch die vorhergesagte Position des zweiten Satelliten
innerhalb der Abtastebene der Antenne liegen. Die Keule der Antenne
wird elektronisch von dem ersten Satelliten zu dem zweiten Satelliten
geschwenkt, um im Augenblick der Übergabe die Kommunikation mit
dem ersten abzubauen und Kommunikation mit dem zweiten aufzubauen.
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In
noch einem anderen Aspekt umfasst die Erfindung das Ausführen eines
Weiterreichens einer Endstelle von einem Satelliten zu einem anderen durch
eine Antenne, die in der Lage ist, sowohl mechanisch als auch elektronisch
geschwenkt zu werden. Ein erster Satellit wird nachverfolgt durch
Ausrichten der Peilachsen bzw. Ausrichten der Antenne durch mechanisches
und/oder elektronisches Schwenken der Antenne, um dem Satelliten
zu folgen. Von dem Satelliten wird Information bezüglich der
nächsten
Weiterreichungszeit und der Position eines zweiten Satelliten zu
dieser Weiterreichungszeit empfangen. Die Position des ersten Satelliten
zur Weiterreichungszeit wird berechnet und vorhergesagt. Es werden
ein erster Vektor von der Antenne zu dem ersten Satelliten zur Weiterreichungszeit
und ein zweiter Vektor von der Antenne zu dem zweiten Satelliten
zur Weiterreichungszeit berechnet. Die Antenne wird mechanisch so
positioniert, dass die beiden berechneten Vektoren unmittelbar vor
dem Weiterreichen in der elektronischen Abtastebene der Antenne liegen
und dann bewegt sich die Keule der Antenne zur Weiterreichungszeit
elektronisch von dem ersten Satelliten zu dem zweiten Satelliten,
um die Kommunikation mit dem zweiten Satelliten aufzubauen. Danach
wird der zweite Satellit nachverfolgt durch Ausrichten der Peilachsen
unter Benutzung von mechanischem und/oder elektronischem Schwenken
der Antenne.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein Verständnis der
vorliegenden Erfindung und für
weitere Aufgaben und Vorteile derselben kann nun verwiesen werden
auf die folgende Beschreibung, zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen,
für die
gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Endstellenantenne, die sowohl
elektronisch als auch mechanisch geschwenkt wird, zur Benutzung
bei der Kommunikation mit Satellitensystemen nach der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein piktographisches Schaubild, das das Positionieren der Antenne
der 1 zum Aufbauen von Kommunikation mit einem "aufkommenden" LEO Satelliten veranschaulicht;
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3 ist
ein piktographisches Schaubild, das die Antenne der vorliegenden
Erfindung in Kommunikation mit einem "weggehenden" LEO Satelliten, wenn sich dieser dem
Horizont nähert,
veranschaulicht;
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4 ist
ein piktographisches Schaubild der Antenne der vorliegenden Erfindung,
das veranschaulicht, wie der Datenkommunikationsstrom von einem
weggehenden Satelliten zu einem aufkommenden Satelliten durch elektronisches
Schwenken weitergereicht wird;
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5 ist
ein piktographisches Schaubild der Antenne der vorliegenden Erfindung,
die in einem alternativen Modus betrieben wird, um Datenkommunikation
mit zwei getrennten Satelliten gleichzeitig zu erzielen;
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6 ist
ein Blockschaubild, das bestimmte Komponenten des Systems der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das bestimmte Aspekte des in der vorliegenden
Erfindung aufgenommen Verfahrens veranschaulicht.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Nahezu
alle Antennen sind gerichtet und übertragen oder empfangen in
einigen Richtungen mehr Leistung als in anderen. Die Richtung der
maximalen Übertragung
oder des Empfangs wird die "Funkpeilachsenrichtung" der Antenne genannt.
Die Richtungseigenschaften einer Antenne werden beschrieben durch
das Strahlungsmuster dieser Antenne, welches eine piktographische
Darstellung ihrer relativen abgestrahlten Leistung vs. der Richtung
ist. Strahlungsmuster zeigen auch eine Keulenstruktur, bei der die
größte Keule
im dreidimensionalen Raum den "Strahl" bildet, durch den
die Antenne den größten Teil
ihrer Leistung abstrahlt und/oder empfängt.
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Elektromagnetische
Wellen sind Vektorgrößen, d.
h. sie sind polarisiert. Die bevorzugte (gewünschte) Polarisation, die von
einer Antenne abgestrahlt wird, wird Co-Polarisation genannt, während die
orthogonale Polarisation Querpolarisation genannt wird.
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Eine
Technik zum Nachverfolgen der engen Keule eines Satelliten besteht
darin, die Antenne physikalisch zu schwenken, d. h. die Antenne
mechanisch auszurichten, so dass ihre Keule in Ausrichtung mit dem
Signal von dem Satelliten bleibt. Eine alternative Herangehensweise
ist es, die Antenne aus vielen kleinen Antennen auszubilden, die über eine große Fläche verteilt
sind, und diese in einer solchen Weise miteinander zu verbinden,
dass ihre empfangenen oder übertragenen
Signale in einer richtigen elektronischen Beziehung (Phase) miteinander
sind, um eine Phasenanordnung (Englisch: Phased Array) auszubilden.
Eine einzelne Antenne in der Anordnung wird ein "Element" genannt. Das Bewegen der Keule der
Antenne in eine bestimmte Richtung wird "schwenken" genannt. Während eine Weise zum Schwenken
einer Antenne darin besteht, die Antenne mechanisch zu bewegen,
kann eine phasengesteuerte Gruppenantenne elektronisch geschwenkt
werden, indem die Phasenbeziehung ihrer Elemente verändert wird.
Die Antenne der vorliegenden Erfindung kann beider Techniken geschwenkt
werden. Die Richtung der Keule, wenn kein elektronisches Schwenken
angewendet wird, wird "mechanische Peilachse" oder einfach "Peilachse" genannt. Ein weiteres
alternatives Konzept besteht darin, eine phasengesteuerte Anordnung
als eine Zufuhr in eine Reflektorantenne zu benutzen.
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Wie
oben beschrieben, weisen LEO Satelliten bestimmte Merkmale auf,
die die Kommunikation mit ihnen sehr verschieden werden lässt von
den traditionellen GEO Satelliten oder sogar den MEO Satelliten,
die vorgeschlagen worden sind. Beispielsweise ihre scheinbare Bewegung über dem
Himmel ist sehr schnell und erfordert, dass eine Antenne auf einer
auf der Erde angeordneten Endstelle sehr schnell betrieben wird,
um mit dem Satelliten mitzuhalten, um eine zuverlässige Kommunikation
mit ihm aufrecht zu erhalten. In dem Fall, dass die sich Mobilfunkendstelle
selbst über
die O berfläche
der Erde bewegt, macht dies das Problem des Steuerns der Antenne
sogar noch schwieriger.
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Antennen,
die mit Satelliten kommunizieren, die eine scheinbare Bewegung über die
Oberfläche der
Erde aufweisen, müssen
geschwenkt werden, um ihren Strahl zu bewegen und gute Kommunikation
mit diesem Satelliten zu behalten. Wie oben besprochen, kann dieses
Schwenken entweder ein mechanisches Schwenken sein, bei dem die
verschiedenen Achsen der Antenne in einem dreh- und bogenförmigen Pfad
bewegt werden, um die Keule, d. h. die mittlere Keule der Empfindlichkeit
der Antenne, in direkter Ausrichtung mit dem Kommunikationsstrahl
zu und von dem Satelliten zu halten, oder elektronisches Schwenken
durch Verändern
der Phasenbeziehung der verschiedenen Antennenelemente. Für bestimmte
Anwendungen mit Daten mit sehr hohen Geschwindigkeiten, wie etwa
Internetkommunikationen, sind sehr hohe Betriebsfrequenzen erforderlich,
um eine ausreichende Bandbreite zu erhalten, um diese hohen Datendurchsatzziele
zu erreichen. Sehr hohe Betriebsfrequenzen, beispielsweise im Ka
Band von der Größenordnung
von 20–30
GHz, definieren eine Bedingung, bei der die Kommunikationskeule
zu und von den Satelliten sehr schmal ist. D. h. die "Zone der Empfindlichkeit" ist eine sehr kleiner
Wert, beispielsweise von der Größenordnung
von 2 Grad oder weniger. Dies erfordert, dass die Keule der Antenne
kontinuierlich in genauer Ausrichtung mit der Richtung des Satelliten
neu positioniert werden muss, um einen hohen Grad an Kommunikationseffizienz
mit dem Satelliten aufzuweisen.
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Während das
Antennensystem der vorliegenden Erfindung unten im Kontext einer
bevorzugten Anwendung einer Endstellenantenne zur Benutzung im Zusammenhang
mit Kommunikationen mit Satelliten mit niedrigen Erdumlaufbahnen
beschrieben wird, so sollte verstanden werden, dass das Antennensystem
vorteilhafte Merkmale aufweist, die in einer Anzahl von ver schiedenen
Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden können. Beispielsweise kann das
Antennensystem benutzt werden für:
(1) feste oder mobile Bodenendstellen und Knoten auf Satelliten,
Flugzeugen und UAV; (2) Endstellen auf Flugzeugen, UAV und Knoten
auf Satelliten; und (3) eine Endstelle auf einem Satelliten und
Knoten auf anderen. Das Antennensystem der vorliegenden Erfindung
ermöglicht
in vorteilhafter Weise, dass eine Endstelle in der Lage ist, zwischen
zwei oder mehreren verschiedenen Knoten umzuschalten oder mit zwei
oder mehreren Knoten zur gleichen Zeit zu kommunizieren, insbesondere
in dem Fall, wo die Endstelle und die Knoten sich in Bezug zueinander
bewegen.
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Mit
Verweis zunächst
auf 1 wird ein Antennenaufbau von dem Typ, der in
das System der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist, gezeigt. Die
Antenne 11 umfasst einen Azimutdrehtisch 12, auf
dem ein Paar von beabstandeten, hoch stehenden Trageplatten 13 und 14 montiert
sind. Jede Trageplatte 13 und 14 trägt jeweils
ein Lager 15 und 16. Eine Montageachse 17 ist
an gegenüberliegenden Enden
innerhalb der Lager 15 bzw. 16 zur Drehung eingesetzt
und weist eine hoch stehende Montageplatte 18 auf, die
starr in ihrer mittleren Position befestigt ist. Ein Höhenwinkeltisch 19 ist
oben auf der Montageplatte 18 montiert und starr daran
befestigt. Die obere Oberfläche
des Höhenwinkeltischs 19 enthält eine
Vielzahl von Antennenelementen 21, die in einer gitterartigen
Anordnung montiert sind und elektronisch zu einer phasengesteuerte
Gruppenantenne verbunden sind. Ein Signalkoppler 22 ist
verbunden aus dem Empfangs- und Übertragungsschaltkreis des
Systems (nicht gezeigt) durch die hoch stehende Platte 18 und
den Höhenwinkeltisch 19 mit
der Vielzahl der Elemente 21 sowohl zum Übertragen
von Funksignalen von den Antennenanordnungen 21 zu einem
Satelliten als auch zum Empfangen von Signalen von einem Satelliten.
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Ein
festes Bodenkoordinatensystem wird durch die Referenzkoordinaten
Xg/Yg/Zg definiert.
Der Azimutdrehtisch 12 kann in beiden Richtungen um die
Zg Achse in der Xg–Yg Ebene gedreht werden. D. h. der Azimutdrehtisch 12 kann
in einer jeweiligen der beiden, durch den Bogen 24 dargestellten
Richtungen gedreht werden. Der Höhenwinkeltisch 19 ist
auf dem Azimutdrehtisch 12 angeordnet und liegt innerhalb
des Koordinatensystems Xt/Yt/Zt. Die drehbare Montageachse 17 ermöglicht,
dass der Höhenwinkeltisch 19 um
die Achse Xt gedreht werden kann, so dass
alle Punkte auf der oberen Oberfläche des Höhenwinkeltischs 19 sich
bogenförmig
innerhalb von Ebenen parallel zu der durch Yt/Zt definierten Ebene bewegen. Ein Antennenkoordinatensystem
Xa/Ya/Za ist
fest in Bezug auf die abstrahlende Oberfläche definiert. Za ist
mit der mechanischen Justier- bzw. Peilachse ausgerichtet und Xa ist parallel zu Xt.
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Wie
oben kurz beschrieben, weisen alle Antennen ein Strahlungsmuster
auf, das eine Keulenstruktur zeigt, bei dem die größte Keule
im dreidimensionalen Raum die Keule ausbildet, durch den die Antenne
das meiste ihrer Leistung abstrahlt und/oder empfängt. Im
Allgemeinen wird die Position der Punkte mit halber Leistung, die
den Signalscheitelwert umgeben, als der Durchmesser des Hauptstrahls
der Antenne angenommen. Der Vorgang des Bewegens der Keule einer
Antenne, um beispielsweise einen Satelliten nachzuverfolgen, wird
als Schwenken bezeichnet. Die Keule einer phasengesteuerten Gruppenantenne
kann entweder durch mechanisches Bewegen der Keule durch Bewegen
der physikalischen Orientierung der Elemente 21 der Antenne
oder durch elektronisches Schwenken der Keule durch Verändern der
Phasenbeziehung zwischen jeweiligen der Antennenelemente 21 geschwenkt
werden. In der Antenne der vorliegenden Erfindung ist die Frequenz
des Funksignals, das sie zum Kommunizieren mit dem LEO Satelliten
verarbeitet, sehr hoch, von der Größenordnung 20–30 GHz
im Bereich des Ka Bandes. Die Keule der Antenne der vorlie genden
Erfindung kann sowohl durch mechanisches Drehen des Azimuttisches 12 und
Bewegen des Höhenwinkeltisches 19,
um die Orientierung der Antennen in Bezug auf einen sich bewegenden
Satelliten zu verändern,
als auch durch elektronisches Schwenken der Antennenelemente 21 durch Verändern ihrer
relativen Phasenbeziehung geschwenkt werden.
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Mit
Verweis als nächstes
auf 2 wird die Antenne der vorliegenden Erfindung 11 in
Datenkommunikation gezeigt mit einem LEO Satelliten 31,
der gerade in Sicht der Antenne 11 über dem Horizont aufkommt.
Ein solcher Satellit, der gerade in Sicht kommt, wird als ein "aufkommender" Satellit bezeichnet.
In 2 wird veranschaulicht, wie der Azimuttisch 12 und
der Höhenwinkeltisch 19 in
Bezug auf den Satelliten 31 positioniert werden kann und
die Keule 32 der Antenne 11 elektronisch geschwenkt werden
kann, um die Keule auf den Satelliten 31 auszurichten.
Die elektronische Abtastebene 30 der Antenne 11 (1)
der vorliegenden Erfindung ist die Ebene, die im Wesentlichen normal
bzw. senkrecht auf der oberen Oberfläche des Höhenwinkeltischs ist und die
im wesentlichen parallel ist zu einer Ebene, innerhalb der die Achsen
Za und Xa liegen.
Je dichter die Abtastebene 30 parallel zu der Querachse
Xa der Montageachse 17 ist, desto
besser werden die Ergebnisse sein. Die Keule der Antenne kann elektronisch über einen
bestimmten Winkelbereich innerhalb dieser Abtastebene 30 geschwenkt
werden. Folglich kann, wie in 2 gezeigt,
die Keule der Antenne kontinuierlich neu positioniert werden, wenn der
Satellit 31 über
die Antenne 11 hinwegläuft,
so dass die Keule kontinuierlich auf den Satelliten ausgerichtet
ist. Dieses Schwenken kann ausgeführt werden entweder durch elektronisches
Schwenken oder mechanisches Schwenken durch Drehung des Azimutdrehtischs 12 und
eine Winkelbewegung des Höhenwinkeltischs 19 um
die Xt Achse, die durch den Montagestab 17 hindurch
verläuft,
oder eine Kombination von beiden, um die Keule kontinuierlich auf den
Satelliten 31 aus gerichtet zu halten, wenn dieser über Kopf
hinweg läuft.
Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise ist die Peilachse der
Antenne 11 direkt auf den Satelliten ausgerichtet, mit
dem sie während
des größten Teils
der Zeit in Kommunikation ist, um die Effizienz dazwischen zu maximieren.
Die hauptsächlichen
Gelegenheiten, bei denen die Antenne 11 auf elektronisches
Schwenken zurückgreift, um
die Keule der Antenne auf den bzw. die Satelliten auszurichten,
ist unmittelbar bevor, während
und direkt nach einem Weiterreichen ("HO",
Englisch: Handoff) der Kommunikation von einem Satelliten zu einem
anderen, wie unten beschrieben.
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Mit
Verweis als nächstes
auf 3 wird gezeigt, wie die Antenne 11 fortwährend durch
sowohl mechanisches als auch elektronisches Schwenken geschwenkt
wird, um die Keule 32 auf den Satelliten 31 gerichtet
zu halten, wenn dieser sich verändert vom
Zustand des Seins als ein "aufkommender" Satellit zu dem
Sein als ein "weggehender" Satellit. Wie in 3 veranschaulicht,
bereitet sich der Satellit 31 gerade darauf vor, aus der
Sicht der Antenne 11 über den
entfernten Horizont hinwegzulaufen und ein anderer "aufkommender" Satellit 33 kommt
gerade über dem
nahen Horizont in die Sicht. Dieser Punkt ist allgemein in 3 veranschaulicht,
d. h. der Punkt, an dem ein weggehender Satellit aus der Sicht verschwindet,
und ein "aufkommender" Satellit in die Sicht
kommt; dies ist ein sehr wichtiger Punkt vom Standpunkt des "Weiterreichens" der Satellitenkommunikationen
von einem Satelliten zu einem anderen. Das Weiterreichen muss extrem
schnell ausgeführt
werden, so dass im wesentlichen kein Verlust von Datenkommunikation
bei dem Übergang
der Bewegung der Keule der Antenne 11 von einem Satelliten
zu einem anderen auftritt. In dem System der vorliegenden Erfindung
wird dies dadurch erreicht, dass die Antenne 11 in Bezug
auf den weggehenden Satelliten 31 so positioniert ist,
dass die Keule 32 immer noch in Kommunikation mit diesem
Satelliten ist, während
die Abtastebene der Antenne 11 so positioniert ist, dass
der aufkommende Satellit 33 ebenfalls innerhalb dieser
Abtastebene liegt. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise wird
die Peilrichtung der Antenne 11 physikalisch geschwenkt
in einen Positionierungsvektor zwischen den Vektoren, die die entsprechenden
Positionen des weggehenden und des aufkommenden Satelliten zum Zeitpunkt
des Weiterreichens definieren. Die Antenne ist unmittelbar vor dem
Weiterreichen vorzugsweise physikalisch auf diese Position ausgerichtet.
Der wichtige Punkt ist, dass sowohl der weggehende als auch der aufkommende
Satellit im Moment des Weiterreichens innerhalb der elektronischen
Abtastebene 30 der Antenne 11 liegen sollte, so
dass ein rein elektronisches Schwenken benutzt werden kann, um das Weiterreichen
zu bewirken.
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Dem
Schaltkreis des Funkkommunikationssystems, von dem die Antenne 11 einen
Teil ausbildet, wird in einem Barkensignal aus dem Satellitensystem
die genaue Position mitgeteilt, bei der der nächste aufkommende Satellit
an dem Horizont erscheinen wird. Diese Kenntnis beruht auf der Regelmäßigkeit,
mit der sich die eine Konstellation von LEO Satelliten umfassenden
Satelliten über
die Oberfläche
der Erde bewegen. Folglich kann die Antenne 11 um eine
Drehrichtung 24 ebenso wie eine Elevationsrichtung 23 mechanisch
bewegt werden, so dass die Abtastebene 30 des Höhenwinkeltischs 19 sowohl
den weggehenden Satelliten 31 als auch den aufkommenden
Satelliten 33 enthält.
Bei der vereinbarten Weiterreichungszeit, einem Zeitpunkt, bei dem
ein aufkommender Satellit deutlich in ausreichender Sicht ist, um
gute Kommunikation mit der Antenne bereitzustellen, und der weggehende
Satellit 31 immer noch für eine zuverlässige Kommunikation
ausreichend sichtbar ist, wird die Antenne 11 elektronisch
durch die Abtastebene 30 geschwenkt, um den Antennenstrahl 32 von
dem weggehenden Satelliten 31 zu dem aufkommenden Satelliten 33 zu
bewegen. Das Schwenken an diesem Punkt ist im Wesentlichen vollständig elektronisch,
weil die Zeitdauer zum Unterbrechen der Kommunikation mit dem weggehenden
Satelliten 31 und dem Herstellen der Kommunikation mit
dem Satelliten 33 so kurz sein muss, dass im wesentlichen
keine Datenkommunikation verloren geht.
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Wie
in 4 veranschaulicht, kann dieser Übergang
durch elektronisches Schwenken der Keule 32 der Antenne 11 durch
einen innerhalb der Abtastebene 30 der Antenne liegenden
Bogen 40 ausreichend schnell ausgeführt werden, so dass keine Kommunikation
leidet. Folglich kann die Keule geschwenkt werden, um den Satelliten 33 nachzuverfolgen,
wenn sich dieser über
den Himmel bewegt, durch sowohl mechanische Bewegung der Antenne 11 als
auch elektronische Bewegung der Keule 32 durch die Abtastebene.
Wie oben erwähnt,
wird die Antenne 11 vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise
mechanisch neu positioniert, so dass die Peilrichtung der Antenne
in Ausrichtung mit dem Satelliten ist, mit dem sie in Kommunikation
ist.
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In
Antennen von dem in 1 gezeigten Typ wird zirkulare
Polarisation angenommen. Wenn die Antennenanordnung in linearer
Polarisation abstrahlt und/oder überträgt, muss
die Anordnung in der Lage sein, die lineare Polarisation zu drehen,
um die global lineare Polarisation während der Drehung der Abtastebene
beizubehalten.
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Mit
einem einzelnen elektronisch gesteuerten Strahl von dem in den 2–4 veranschaulichten
Typ, kann eine momentane Umschaltung zwischen der Kommunikation
mit zwei Satelliten nahezu ohne Datenverlust erreicht werden. Darüber hinaus gilt,
dass wenn eine Funknachverfolgung entlang der Abtastebene eingesetzt
wird, eine Funknachverfolgung in der orthogonalen Ebene einfach
dadurch erreicht wird, dass die Abtastebene um 90 Grad gedreht wird.
Des Weiteren kann die Drehung der Abtastebene 30 zusätzlich zum
elektronischen Schwenken benutzt werden, um das Signal-zu-Interferenz- Verhältnis zu
verbessern, weil die Seitenkeulen und Kreuzpolarisationsmuster zusammen
mit der Abtastebene gedreht werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 5 veranschaulicht
und besteht darin, dass zwei unabhängige elektronisch steuerbare
Keulen 32 und 42 benutzt werden, um gleichzeitig
zwischen den zwei Satelliten 33 und 35 zu kommunizieren.
Dies wird erzielt, indem das System mit zwei Sätzen Zuführungs- bzw. Versorgungsnetzwerken
und zwei Sätzen
Funkelektronik ausgestattet wird, und dann der Azimutdrehtischs 19 der Antenne 11 angesteuert
wird, so dass die Antennenabtastebene 30 mit der Ebene übereinstimmt,
die von der Antenne 11 und den beiden Satelliten 34 und 35 aufgespannt
wird. Dies ist ein zusätzliches
Merkmal des elektronischen Schwenkens von zwei unabhängigen Keulen
innerhalb der einen Abtastebene 30 der Antenne 11 der
vorliegenden Erfindung.
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Mit
Verweis als nächstes
auf 6 wird ein Blockdiagramm gezeigt, das sowohl die
Steuerungs- als auch die Benachrichtigungselemente der Antenne der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Antenne enthält eine
abstrahlende Öffnung 52,
die elektronisch mit Funkelektronik 53 verbunden ist. Die Funkelektronik 53 umfasst
die Strahlschwenksteuerung für
die phasengesteuerte Gruppenantenne, die in der vorliegenden Erfindung
umfasst ist, ebenso wie die anderen Elektronikerschaltungen, die
erforderlich sind, um ein Funksignal in einem Verteilungsnetzwerk 54 bereitzustellen.
Das Funkverteilungsnetzwerk 54 ist mit der Übertragungs- und Empfangselektronik 55 verbunden.
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Die
Funkelektronik 53 ist auch mit einer Steuereinheit 61 verbunden,
die alle Prozessoren und anderen Elemente enthält, die zum Berechnen und Benutzen
der verschiedenen Positionierungsalgorithmen erforderlich sind,
um das mechani sche und elektronische Schwenken der Antenne nach
der vorliegenden Erfindung zu steuern. Beispielsweise umfasst eine
Ausgabe der Steuereinheit 61 einen Parameter "C", der den Schwenkwinkel angibt, zu dem die
Phasenanordnung derzeit positioniert werden sollte.
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Die
Steuereinheit 61 ist auch mit der Drehtischsteuerelektronik 62 verbunden
und erzeugt die Parameter "A" und "B", die die physikalischen Winkelpositionen
der Antenne definieren und ermöglichen,
dass die Steuerelektronik 62 den Drehtisch dreht und die
Antenne physikalisch in die gewünschte
Position positioniert gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Funksignal aus dem Satelliten enthält ein Barkensignal,
welches periodisch ausgesendete Information enthält, die die genaue Zeit des
Weiterreichens ebenso wie die genaue Position des aufkommenden Satelliten
(S2) zum Zeitpunkt des Weiterreichens festlegt. Diese Information
wird der Steuereinheit 61 zum Verarbeiten gesendet, wie
unten beschrieben.
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Mit
Verweis als nächstes
auf 7 wird ein Ablaufdiagramm gezeigt, das eine Weise
beschreibt, in der das Antennensystem nach dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung betrieben werden kann. Bei 71 verfolgt das System
einen weggehenden Satelliten (S1) nach durch Peilachsenausrichten
unter Benutzung der zwei Drehtischachsen der Antenne der vorliegenden
Erfindung. Bei 72 empfängt
sie Information von dem Satelliten bezüglich der genauen Weiterreichungszeit
und der Position des aufkommenden Satelliten (S2) zum Zeitpunkt
des Weiterreichens. Das System nimmt die von dem Satelliten S1 auf
einem Barkensignal empfangenen Daten und benutzt sie, um die Position
des weggehenden Satelliten S1 zum Zeitpunkt des Weiterreichens zu
berechnen und vorherzusagen. Als nächstes, bei 74, berechnet
das System die Vektoren [G-S1] und [G-S2], d. h. die zwei Vektorkoordinaten
von der Antenne 11 aus zu einem jeweiligen des entsprechenden
weggehenden und aufkommenden Satelliten (S1 und S2) im Moment des
Weiterreichens. Zusätzlich
berechnet das System bei 74 einen Vektor [G-S1] + [G-S2],
der ein Zwischenpositionsvektor ist, der zum Zeitpunkt des Weiterreichens
zwischen den Satelliten S1 und S2 ausgerichtet ist, und in dem sowohl
der Satellit S1 als auch der Satellit S2 und der dazwischen liegende Vektor
innerhalb der Absatzebene 30 der Antenne 11 liegt.
Als nächstes,
immer noch bei 74, berechnet das System AHO = A und BHO
= B für
den gerade berechneten Zwischenpositionsvektor. Diese Parameter
sind die beiden Winkel, um die der Azimutdrehtisch 12 und
der Höhenwinkeltisch 19 aus
ihren entsprechenden Referenzpositionen bewegt werden müssen, um
in der Richtung des Zwischenvektors zum Zeitpunkt des Weiterreichens
zu zeigen. Die zwei Winkel C1 und C2 sind die Winkelabweichungen
von der Peilrichtung der Antenne, in die die Keule der Antenne bewegt
werden muss, um in Richtung auf die beiden Satelliten S1 und S2
ausgerichtet zu sein. Wenn die Antenne in der Richtung des Zwischenvektors
positioniert ist, gilt C1 = C2. Das Ausrichten bzw. Zeigen der Peilrichtung
der Antenne in der Richtung des Zwischenvektors [G-S1] + [G-S2] maximalisiert
den verfügbaren
Abtastwinkel, durch den die Antenne beim Weiterreichen elektronisch
geschwenkt werden kann.
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Als
nächstes
bei 75 beginnt das System, den Azimutdrehtisch 12 in
der Winkelrichtung A in der nächsten
bzw. kürzesten
Richtung auf AHO hin in Schritten zu bewegen. Bei 76 bewegt
das System den Elevationstisch 19 in der Winkelrichtung
B in Schritten, so dass S1 in der Abtastebene verbleibt. Bei 77 bewegt
das System den Antennenstrahl so, dass der Abtastwinkel C die Keule
kontinuierlich in Richtung auf den Satelliten S1 zeigend hält. Diese drei
Schritte 75–77 werden
iterativ ausgeführt,
so dass die Keule der Antenne während
der mechanischen Bewegung der Antenne kontinuierlich in Ausrichtung
mit dem Signal von dem Satelliten verbleibt. Bei 78 fragt
das System, ob A gleich AHO ist und B gleich BHO ist und die Zeit
gleich THO (die Weiterreichungszeit) ist, oder nicht. Falls nicht,
dann kehrt das System wiederholt zurück zu 75 und läuft durch
die Abfolge der Schritte 75–77, bis bei 78 die
Antenne richtig positioniert ist, so dass die Antenne physikalisch
in der Richtung des dazwischen liegenden Vektors [G-S1] + [G-S2]
ausgerichtet ist, und die Antwort ist „Ja". Zu dieser Zeit ist die Antenne auf
den dazwischen liegenden Vektor ausgerichtet und die Vektoren [G-Sl]
und [G-S2] definieren die Positionen der beiden Satelliten zum Zeitpunkt
des Weiterreichens und liegen innerhalb der elektronischen Abtastebene 30 der
Antenne 11. Danach, bei 79, schwenkt das System
die Keule der Antenne zum Zeitpunkt des Weiterreichens von S1 (dem
weggehenden Satelliten) zu S2 (dem aufkommenden Satelliten). Als nächstes,
bei 81, bewegt das System den Azimutdrehtisch 12 schrittweise
in der Winkelrichtung A in der dichtesten bzw. kürzesten Richtung zu S2; läuft nach 82,
wo das System den Höhenwinkeltisch 19 in der
Winkelrichtung B schrittweise bewegt, so dass S2 in der Abtastebene 30 verbleibt;
und läuft
nach 83, wo das System den Antennenstrahl um den Winkel
C schwenkt, so dass er kontinuierlich auf S2 zeigt. Diese drei Schritte 81–83 werden
ebenfalls iterativ ausgeführt,
so dass die Keule der Antenne 11 in richtiger Ausrichtung
mit dem Signal von dem Satelliten S2 verbleibt. Bei 84 fragt
das System, ob die Peilrichtung der Antenne auf S2 zeigt oder nicht.
Falls nicht, kehrt das System zurück zu 81 und fährt damit
fort, wiederholt durch die Abfolge der Schritte 81–83 durchzulaufen,
bis die Antwort bei 84 „Ja" ist. Danach wird der Satellit S2 zum
Satelliten S1 und das Weiterreichen ist vervollständigt worden.
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Es
sei angemerkt, dass das System der vorliegenden Erfindung vorzugsweise,
jedoch nicht notwendigerweise, die Antenne 11 in Peilachsenausrichtung
mit dem Satelliten hält,
in der es während
einer Zeit, vorzugsweise so lange wie möglich, in Kommunikation ist.
Dies ermöglicht
die effi zienteste Kommunikation zu und von dem Satelliten. Der in
dem Ablaufdiagramm der 7 dargelegte Weiterreichungsvorgang
wird vorzugsweise im letzten Moment vor dem Augenblick des Weiterreichens
ausgeführt,
welcher [Moment] durch die Zeit bestimmt wird, die erforderlich
ist, um die Antenne in die dazwischen liegende Position zwischen
dem weggehenden und dem aufkommenden Satelliten zu positionieren
und dann elektronisch von einem zu dem anderen in dem Augenblick
des Weiterreichens elektronisch zu schwenken. Diese Technik ist
bevorzugt, jedoch nicht wesentlich, um die maximale Genauigkeit
in der Datenkommunikation mit dem Satelliten für einen so lang wie möglichen
Zeitraum sicherzustellen.