EP1485967A1 - Verfahren und vorrichtung zur nachfuehrung einer antenne - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur nachfuehrung einer antenne

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EP1485967A1
EP1485967A1 EP03714757A EP03714757A EP1485967A1 EP 1485967 A1 EP1485967 A1 EP 1485967A1 EP 03714757 A EP03714757 A EP 03714757A EP 03714757 A EP03714757 A EP 03714757A EP 1485967 A1 EP1485967 A1 EP 1485967A1
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EP
European Patent Office
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antenna
polarization
signal level
main
tracking
Prior art date
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EP03714757A
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English (en)
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EP1485967B1 (de
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Anton Ilsanker
Wolfgang Mummert
Wolfgang Wienzek
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Kathrein SE
Original Assignee
Kathrein Werke KG
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Publication date
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Publication of EP1485967A1 publication Critical patent/EP1485967A1/de
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Publication of EP1485967B1 publication Critical patent/EP1485967B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/125—Means for positioning
    • H01Q1/1257—Means for positioning using the received signal strength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/125—Means for positioning

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for tracking an antenna for receiving orthogonally polarized transmission signals according to the preamble of claims 1 and 9, respectively.
  • satellite antennas for receiving programs broadcast via satellites must be aligned precisely with a satellite. In principle, this is also possible in vehicles if they are in a parked position.
  • satellite programs are to be received in moving objects, that is to say during a car or bus journey, a train journey, on ships or in airplanes.
  • a tracking system for tracking a satellite antenna to a geostationary satellite position on moving objects has already become known.
  • the satellite antenna is kept in a constant oscillating motion by means of a corresponding motor drive and the received signal level is evaluated. If there is a decrease in the signal level, the antenna is brought back again until a decrease in the signal level can be determined after an increase in the signal level.
  • the main beam direction or main lobe of the receiving system of the satellite antenna is constantly oscillated around the theoretical optimal value in order to obtain information about the optimal alignment.
  • such a system has several disadvantages. On the one hand, it is disadvantageous that due to the permanent drive and the permanent adjustment of the satellite antenna due to the aforementioned pendulum movements, the wear of the entire system is considerable.
  • the main disadvantage is that the signal level of the satellite can never be optimally used, since the main beam direction or main lobe of the antenna must be brought out for optimal alignment by the pendulum movement, which leads to the undesired drop in the signal level.
  • AI is another device for receiving a satellite signal become known, which can be installed for example on trucks.
  • an azimuthal angle deviation is determined between the direction of incidence of the satellite signal and the direction of reception of the antenna by measuring the strength of the received satellite signal.
  • the antenna is also pivoted back and forth about its vertical axis after adjusting its elevation angle until the received satellite signal reaches a maximum value. If the received satellite signal drops again because the antenna is turned away from the reception direction of the satellite, for example as a result of the land vehicle turning, the antenna is pivoted again about its vertical axis until the received satellite signal again reaches a maximum value. Since it cannot be determined in this azimuthal tracking of the antenna when the received satellite signal drops, in which direction the antenna has to be pivoted, this must always be tried by swiveling it back and forth. If the received satellite signal continues to drop, the pan direction was wrong.
  • the antenna In order to also be able to determine the direction of the azimuthal tracking of the antenna, it is preferably proposed to pivot the antenna by a small angle about its vertical axis after the direction of incidence of the satellite signal has been determined.
  • This azimuthal angle deviation of the direction of reception of the antenna from the direction of incidence of the satellite signal can be chosen to be so small that the strength of the received satellite signal is above a minimum value which is still supposed to ensure perfect image and sound reception. Through this So the antenna is never operated in the optimal reception direction. This poses problems especially when the vehicle is in a reception area in which the satellite signal is already weaker by default.
  • the invention is based on the following preliminary considerations.
  • satellites send orthogonally polarized signals.
  • a satellite reception antenna is able to do this to receive orthogonal polarizations of a given frequency band (often a lower or upper frequency band).
  • the two orthogonal polarizations are called horizontal if the E-vector runs horizontally to the earth, ie parallel to the horizon.
  • Vertical polarization is used when the E-vector of the polarized electromagnetic wave is perpendicular to the earth, ie perpendicular to the horizon.
  • the two orthogonal polarizations are circularly clockwise or counterclockwise.
  • an antenna is now constructed in such a way that the main beam directions, ie the main lobes for the respective polarization, differ from one another.
  • the antenna is squinted, for example, in the azimuth plane by a defined angle, ie the axes of the main lobes of the two orthogonal polarizations in the azimuth plane differ from one another by a defined angle.
  • the main beam direction or the main lobe of the antenna or the feed system makes it possible, for example, for the main beam direction or the main lobe of the antenna or the feed system to be oriented with respect to the H polarization to the desired satellite and, in contrast, to receive the second polarization, in the present case the V polarization, corresponding signals from the same satellite, however in the steeper flank area of the main lobe.
  • a deviation in the antenna alignment can now be detected easily and precisely, since even a slight deviation with regard to an optimal alignment of the antenna on the satellite with respect to the second polarization leads to a much stronger signal level drop or a much stronger signal level rise than that for the optimally aligned one Polarization could be detected.
  • this other polarization in the example shown the main beam direction of the antenna with respect to the V-polarized electromagnetic waves, is optimally received, i.e. aimed at the desired satellite, whereas the second polarization, i.e. the H polarization is now used to detect a deviation in the alignment of the antenna and a corresponding tracking.
  • a squint angle of, for example, 0.2 ° to 2.0 °, preferably 0.4 ° to 1.0 ° is fully sufficient. Because optimal conditions are always achieved when level differences of the detected polarization per change in angle are as large as possible, but the absolute reception level does not yet become too small, so that the level difference is easy to detect. In other words, the squinting angle should be set so that - if the antenna is optimally aligned with respect to one actively received polarization - the second signal level of the second polarization received for detection of the alignment and tracking, for example, a signal level difference of 4 to 5 dB having.
  • the antenna is then swiveled out of its optimal position while driving, a level difference of, for example, 2 dB with respect to the cross-eyed polarization can be measured well by means of the detected polarization, such level differences with respect to the detected polarization resulting in no appreciable level losses with respect to the other received polarization leads, the main beam direction on the Satellite should be optimally aligned.
  • the direction of the readjustment can be recognized.
  • An increase in the level of the detected received signal of the one polarization indicates that the antenna must be moved from the non-squinting position in the direction of the detected squinting position.
  • the angle range can even be determined by the level difference.
  • an adjustment angle can even be derived from the level deviation, or a specific adjustment angle can be assigned to a specific level deviation.
  • the antenna can be adjusted very easily without impairing reception.
  • the readjustments are only necessary if a misalignment has to be corrected.
  • the entire system can remain at rest, so that no motor drive has to be activated for the tracking. This significantly minimizes the overall load on the rotary mechanics compared to the prior art.
  • an alignment or readjustment in the elevation direction can preferably also be carried out at larger time intervals in the system according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of a satellite and a satellite receiving antenna
  • FIG. 2 a schematic representation of the tracking system according to the invention with an evaluation, control and / or control Facility;
  • Figure 3 a diagram regarding the squinting
  • FIG. 4 a schematic perspective illustration of a flat antenna with different extensions in the horizontal and vertical directions;
  • FIG. 5 an azimuth diagram with respect to that in FIG
  • Figure 6 an elevation diagram
  • a geostationary satellite 1 is shown in a schematic representation in FIG.
  • the programs are transmitted via this satellite via at least two polarization planes which are orthogonal to one another.
  • Received antenna 3 tenantenne in the illustrated embodiment, a satellite-in the form of a flat antenna 3.
  • This flat antenna 3 ' is provided, for example, on or in a moving object, for example a motor vehicle, bus, ship or the like.
  • the antenna 3, including an associated feed system is constructed in such a way that the main beam directions of the two polarizations differ from one another, in other words, the main beam direction K 1 for the horizontal polarization in relation to the main beam direction K 2 for the vertical polarization V run at a defined angle ⁇ to one another , In the case of a flat antenna, for example, this can be achieved by taking suitable measures in the information networks.
  • the flat antenna is squinted by a defined angle ⁇ in the azimuth plane, i.e. the axes K1 and K2 of the main lobes HK and VK of the two orthogonal polarizations deviate from one another in the azimuth plane by the defined angle mentioned, for example the main lobe HK the H polarization can be precisely aligned to the desired satellite 1, whereas The main lobe VK of the V polarization receives the corresponding signals from the same satellite, but not in the area of the greatest signal level, but in the steeper flank area 15 of the main lobe VK. This opens up the possibility of detecting deviations in the antenna alignment very easily and precisely. This is to be explained in more detail with reference to FIG. 3, the main lobes HK and VK explained with reference to FIG. 3 also being schematically represented in the schematic perspective illustration in FIG. 1 with respect to the planar antenna.
  • the horizontal polarization H of the antenna 3 or of the associated feed system should be aimed at optimal reception, that is to say exactly at the reception direction of the satellite, in order to realize a high input signal level.
  • the exact position of the satellite 1 is indicated in FIG. 3 by means of the arrow 6, by means of which, for example, the H polarization is to be received with the maximum signal level.
  • the receive signal level curve 19 of the antenna 3 or of the associated feed system for receiving the vertical polarizations V is shown in broken lines in FIG. 3 and is offset from the active receive signal level curve 17 in accordance with the squint angle ⁇ .
  • the exemplary embodiment shown in FIG or maximum received signal level 17 'with respect to the actively received polarization on the other hand only receive a signal level 19' for the second polarization V which is still in the upper region on the edge 15 of the signal level curve 19.
  • the entire setting is therefore advantageously chosen such that level differences of the detected polarization per change in angle are large, but the absolute reception level is not too small, so that the level difference is still easy to detect.
  • the squint angle ⁇ between the two received polarizations is selected such that there is approximately a level difference of approximately 5 dB between the two polarizations. results in a level range of approximately -2.5 to -6.5 dB or, for example, -3 to -7 dB, this leads to easily measurable level differences of approximately 2 dB.
  • Such an antenna is indicated in perspective in FIG. 4, including a three-dimensional representation of the main beam direction or main lobe (partially shown in section).
  • a solution that is still improved compared to this is appropriate if there is also a location system, for example in the form of a GPS receiver. Deviations in the basic elevation settings for the respective receiving location can then easily be determined by this GPS receiver, and the necessary information can then be supplied to the tracking system. A corresponding readjustment is then as described above unnecessary.
  • a downstream AD converter can transmit the corresponding information to a microprocessor as part of the tracking system, i.e. deliver as part of the evaluation and control device.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Nachführung einer Antenne
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nachführung einer Antenne zum Empfang von orthogonal polarisierten Sendesignalen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 9.
Bekanntermaßen müssen Satellitenantennen zum Empfang von über Satelliten ausgestrahlten Programmen entsprechend exakt auf einen Satelliten ausgerichtet werden. Dies ist grundsätzlich in Fahrzeugen auch dann möglich, wenn diese sich in parkender Position befinden. Probleme bestehen allerdings dann, wenn beispielsweise Satellitenprogramme in fahrenden Objekten empfangen werden sollen, also während einer Auto- oder Busfahrt, einer Eisenbahnfahrt, auf Schiffen oder in Flugzeugen.
Der Empfang von Satellitensignalen in derartigen bewegten Objekten wird dadurch erschwert, dass die Empfangsantennen wegen der kleinen Halbwertsbreite exakt auf den Satelliten ausgerichtet sein müssen. Dabei können sich Fahrzeuge mit Winkelgeschwindigkeiten in der Azimutebene von mehr als 30°/sec und mehr bewegen. Dies erfordert hohe Anforderungen an die Nachführeigenschaften eines Antennensystems, um die Antenne insbesondere bei azimutalen Richtungsänderungen des Objektes stets im Empfangsoptimum zu halten.
Grundsätzlich ist bereits ein Trackingsystem zum Nachführen einer Satellitenantenne auf eine geostationäre Satellitenposition auf bewegten Objekten bekannt geworden. Dabei wird über einen entsprechenden motorischen Antrieb die Satellitenantenne in einer stetigen pendelnden Bewegung gehalten und der Empfangssignalpegel ausgewertet. Ergibt sich eine Verringerung des Signalpegels so wird die Antenne wieder zurückgeführt, bis nach einem Anstieg des Signalpegels wieder ein Abfallen des Signalpegels fest- zustellen ist. Mit anderen Worten lässt man also die Hauptstrahlrichtung oder Hauptkeule des Empfangssystems der Satellitenantenne um den theoretischen optimalen Wert permanent pendeln, um darüber Informationen über die optimale Ausrichtung zu erhalten. Ein derartiges System weist aber mehrere Nachteile auf. Nachteilhaft zum einen ist, dass durch den permanenten Antrieb und die permanente Verstellung der Satellitenantenne durch die erwähnten Pendelbewegungen der Verschleiß des gesamten Systems beträchtlich ist. Zudem ist der kostenmäßige Aufwand auch nicht unbeträchtlich. Nachteilig ist vor allem aber auch, dass der Signalpegel des Satelliten nie optimal ausgenützt werden kann, da durch die Pendelbewegung die Hauptstrahlrichtung bzw. Hauptkeule der Antenne zur optimalen Ausrichtung herausgeführt werden muss, was zu dem unerwünsch- ten Abfall des Signalpegels führt.
Darüber hinaus ist auch aus der DE 195 48 206 AI eine weitere Einrichtung zum Empfang eines Satelliten-Signals bekannt geworden, welches beispielsweise auf Lastkraftwagen installiert werden kann. Bei Kurvenfahrten erfolgt die Feststellung einer Azimutal- inkelabweichung zwischen der Einfallsrichtung des Satelliten-Signals und der Empfangs- richtung der Antenne durch Messung der Stärke des empfangenen Satelliten-Signals. Die Antenne wird ebenfalls, wie im vorstehend genannten Stand der Technik, nach Einstellung ihres Elevationswinkels so lange um ihre vertikale Achse hin und her verschwenkt, bis das empfangene Satelliten-Signal einen Maximalwert erreicht. Fällt das empfangene Satelliten-Signal wieder ab, weil die Antenne beispielsweise infolge von Kurvenfahrt des Landfahrzeugs aus der Empfangsrichtung des Satelliten weggedreht wird, wird die Antenne wieder um ihre vertikale Achse ver- schwenkt, bis das empfangene Satelliten-Signal wieder einen Maximalwert erreicht. Da sich bei dieser Azimutal- Nachführung der Antenne bei einem Abfall des empfangenen Satelliten-Signals nicht feststellen lässt, in welche Richtung die Antenne verschwenkt werden muss, muss dies stets durch Hin- und Herverschwenken ausprobiert werden. Fällt das empfangene Satelliten-Signal weiter ab, war die Schwenkrichtung falsch.
Um auch die Richtung der Azimutal-Nachführung der Antenne feststellen zu können, wird bevorzugt vorgeschlagen, die Antenne um einen kleinen Winkel um ihre Vertikalachse zu verschwenken, nachdem die Einfallsrichtung des Satelliten- Signals festgestellt worden ist. Diese Azimutalwinkel- Abweichung der Empfangsrichtung der Antenne von der Ein- fallsrichtung des Satelliten-Signals kann so klein gewählt werden, dass die Stärke des empfangenen Satelliten-Signals über einem Minimalwert liegt, der noch einen einwandreifen Bild- und Tonempfang sicher stellen soll. Durch diese An- Ordnung wird also die Antenne nie in der optimalen Empfangsrichtung betrieben. Dies wirft vor allem dann Probleme auf, wenn sich das Fahrzeug in einem Empfangsgebiet befindet, in welchem das Satelliten-Signal von Hause aus schon schwächer ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik ein verbessertes Trackingsystem insbesondere für Satelliten mit dualpolarisierten Sendesignalen zu schaffen, um also vor allem eine Satellitenantenne, d.h. insbesondere eine Flach-Antenne zur Erzielung eines hohen Empfangs-/Signal- pegels optimal auf einen Satelliten auszurichten.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich der Vorrichtung entsprechend den im Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenüber dem zuletzt genannten gattungsbildenden Stand der Technik ist es erfindungsgemäß möglich, eine Richtungsänderung z.B. eines Fahrzeuges bezüglich eines angepeilten Satellitens sicher zu detektieren, um das Anten- nensystem gezielt und damit antriebsschonend tatsächlich auf einen maximalen Empfangspegel nachzuführen.
Dabei baut die Erfindung auf folgenden Vorüberlegungen auf.
Um die vorhandenen Frequenzressourcen optimal zu nutzen, senden Satelliten orthogonal polarisierte Signale ab. Eine Satellitenempfangsantenne ist dabei in der Lage diese orthogonale Polarisationen eines vorgegebenes Frequenzbandes (häufig eines unteren oder oberen Frequenzbandes) zu empfangen. Für lineare Polarisationen bezeichnet man die beiden orthogonalen Polarisationen mit horizontal, wenn der E-Vektor horizontal zur Erde, d.h. parallel zum Horizont verläuft. Von einer vertikalen Polarisation wird gesprochen, wenn der E-Vektor der polarisierten elektromagnetischen Welle senkrecht zur Erde, d.h. senkrecht zum Horizont verläuft. Bei einer zirkulären Polarisation sind die beiden orthogonalen Polarisationen zirkulär rechtsdrehend oder linksdrehend aufgebaut.
Erfindungsgemäß wird nunmehr eine Antenne so aufgebaut, dass die Hauptstrahlrichtungen, d.h. die Hauptkeulen für die jeweilige Polarisation voneinander abweichen. Mit anderen Worten lässt man die Antenne z.B. in der Azimutebene um einen definierten Winkel schielen, d.h. dass die Achsen der Hauptkeulen der beiden orthogonalen Polarisationen in der Azimutebene voneinander um einen definierten Winkel abweichen. Dies ermöglicht es beispielsweise, dass die Hauptstrahlrichtung oder die Hauptkeule der Antenne bzw. des Speisesystems bezüglich der H-Polarisation auf den gewünschten Satelliten ausgerichtet wird und demgegenüber die zweite Polarisation, im vorliegenden Fall also die V-Polarisation entsprechende Signale vom selben Satelliten empfängt, jedoch im steileren Flankenbereich der Hauptkeule. Eine Abweichung der Antennenausrichtung kann nunmehr leicht und exakt detektiert werden, da bereits eine geringfügige Abweichung bezüglich einer optimalen Ausrichtung der Antenne auf den Satelliten bezüglich der zweiten Polarisation zu einem sehr viel stärkeren Signalpegelabfall oder einem sehr viel stärkeren Signalpegelanstieg führt, als dies für die optimal ausgerichtete Polarisation detektiert werden könnte.
Sollen jeweils Programme der anderen Polarisation empfangen werden, so wird diese andere Polarisation, im ge- zeigten Beispiel die Hauptstrahlrichtung der Antenne bezüglich der V-polarisierten elektromagnetischen Wellen, optimal empfangen, d.h. auf den gewünschten Satellit ausgerichtet, wohingegen die zweite Polarisation, d.h. die H- Polarisation nunmehr zur Detektion einer Abweichung der Ausrichtung der Antenne und einer entsprechenden Nachführung herangezogen wird.
Es hat sich nunmehr gezeigt, dass ein Schielwinkel von beispielsweise 0,2° - 2,0°, vorzugsweise 0,4° - 1,0° voll ausreichend ist. Denn optimale Verhältnisse werden stets dann erreicht, wenn Pegelunterschiede der detektierten Polarisation pro Winkeländerung möglichst groß sind, dabei aber der absolute Empfangspegel noch nicht zu klein wird, damit der Pegelunterschied einfach zu detektieren ist. Mit anderen Worten sollte also der schielende Winkel so eingestellt werden, dass - wenn die Antenne bezüglich der einen aktiv empfangenen Polarisation optimal ausgerichtet ist - der zweite zur Detektion der Ausrichtung und Nachführung empfangene Signalpegel der zweiten Polarisation beispiels- weise einen Signalpegelunterschied von 4 bis 5 dB aufweist. Wird während der Fahrt die Antenne dann aus ihrer optimalen Lage heraus verschwenkt, so kann mittels der detektierten Polarisation ein Pegelunterschied von beispielsweise 2 dB bezüglich der schielenden Polarisation gut gemessen werden, wobei derartige Pegelunterschiede bezüglich der detektierten Polarisation zu keinen nennenswerten Pegelverlusten bezüglich der anderen empfangenen Polarisation führt, deren Hauptstrahlrichtung auf den Satelliten optimal ausgerichtet werden soll.
Besonders vorteilhaft ist gemäß der erfindungsgemäßen Lösung auch, dass die Richtung der Nachregelung erkennbar ist. Eine Pegelerhöhung des detektierten Empfangssignals der einen Polarisation weist darauf hin, dass die Antenne von der nicht-schielenden Position in Richtung der detektierten schielenden Position verstellt werden muss. Dabei lässt sich sogar der Winkelbereich durch den Pegelunter- schied bestimmen. Aus der Pegelabweichung kann letztlich sogar ein Verstellwinkel hergeleitet oder ein bestimmter Verstellwinkel einer bestimmten Pegelabweichung zugeordnet werden.
Umgekehrt kann bei einer Abweichung des detektierten Kontrollpegels hin zu geringeren Werten abgeleitet werden, dass die Antenne zur nicht-schielenden Polarisation hinbewegt werden muss.
Aus dem geschilderten Sachverhalt geht hervor, dass sich die Antenne sehr leicht nachregeln lässt, ohne dass der Empfang beeinträchtigt wird. Zudem sind die Nachregelungen nur dann erforderlich, wenn eine Fehlausrichtung tatsächlich zu korrigieren ist. So lange das detektierte Signal der für die Nachführung ausgewerteten Polarisation keine Signalpegeländerung erfährt, kann das gesamte System in Ruhe verbleiben, so dass also kein motorischer Antrieb für die Nachführung aktiviert werden muss. Dadurch wird die gesamte Belastung der drehangetriebenen Mechanik gegenüber dem Stand der Technik deutlich minimiert.
Werden beispielsweise Flachantennen mit sehr großen Unterschieden in den Abmessungen für die Azimutrichtung (große Abmessung) und die Elevationsrichtung (kleine Abmessung) und damit sehr unterschiedlichen Halbwertsbreiten in Azimut- (kleine Halbwertsbreite) und Elevationsrichtung (große Halbwertsbreite) verwendet, so ist es ausreichend, dass im normalen Fahrbetrieb eine Nachregelung nur in Azimutrichtung erfolgt, da durch die große Halbwertsbreite in Elevationsrichtung eine Steigung bzw. ein Gefälle bis zu 8% zu keinen erkennbaren Empfangseinbußen führt.
Bevorzugt kann aber eine Ausrichtung oder Nachjustierung in Elevationsrichtung ebenfalls in größeren Zeitabständen in dem erfindungsgemäßen System vorgenommen werden.
Ist zudem ein GPS-Empfänger vorhanden, so können Abwei- chungen der Elevations-Grundeinstellungen festgestellt und die nötigen Informationen an das Trackingsystem geliefert werden. Eine Auswertung der Pegelunterschiede kann sehr einfach durch Messen der AGC (Antenna Gain Control) des Frontends durchgeführt werden. Ein nachgeschalteter AD- Wandler kann die entsprechenden Informationen dann an den Mikroprozessor liefern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher er- läutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines Satelliten sowie einer Satelliten-Empfangsantenne;
Figur 2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Trackingsystems mit einer Auswert-, Kontroll- und/oder Steuerungs- einrichtung;
Figur 3: ein Diagramm bezüglich der schielenden
Ausrichtung der beiden Hauptstrahlrichtun- gen der Antenne zur Verdeutlichung des
Empfangs-Signalpegels;
Figur 4: eine schematische perspektivische Darstellung einer Flachantenne mit unterschiedli- eher Erstreckung in Horizontal- und Vertikalrichtung;
Figur 5: ein Azimutdiagramm bezüglich der in Figur
3 wiedergegebenen Flachantenne; und
Figur 6: ein Elevationsdiagramm.
In Figur 1 ist in schematischer Darstellung ein geostatio- närer Satellit 1 wiedergegeben. Über diesen Satelliten werden die Programme über zumindest zwei orthogonal zueinander stehende Polarisationsebenen gesendet.
Diese beiden orthogonalen Polarisationen können über eine
Antenne 3, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Satelli- tenantenne in Form einer Flachantenne 31 empfangen werden.
Diese Flachantenne 3' ist beispielsweise auf einem oder in einem bewegten Objekt vorgesehen, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, Bus, Schiff oder dergleichen.
Während der Fahrt muss also die Antenne 3 stets so nachgeführt werden, dass ein optimaler Programmempfang gewährleistet wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Antenne 3 mit einem nachfolgend erläuterten Trackingsystem 7 (Figur 2), also im weitesten Sinne mit einer Auswerte- und Nachfolgesteuerungseinrichtung 7 versehen, worüber eine Antriebs- einrichtung 9 zur Ausrichtung der Antenne 3 angesteuert werden kann. Diese Antriebseinrichtung 9 umfasst dabei zumindest eine vertikale Drehachse 11, um welche herum mittels der Aus- und Kontrolleinrichtung, also letztlich mittels des Trackingsystems 7 und der entsprechenden An- triebseinrichtung 9', eine Nachführung der Antenne 3 in Azimutrichtung ermöglicht wird. Darüber hinaus ist auch noch bevorzugt eine horizontale Drehachse 13 vorgesehen, um die Antenne 3 auch noch mittels einer weiteren Antriebseinrichtung 9" in Elevationsrichtung einstellen zu können.
Die Antenne 3 einschließlich eines dazugehörigen Speisesystems ist so aufgebaut, dass die Hauptstrahlrichtungen der beiden Polarisationen voneinander abweichen, mit ande- ren Worten also die Hauptstrahlrichtung Kl für die horizontale Polarisation gegenüber der Hauptstrahlrichtung K2 für die vertikale Polarisation V in einem definierten Winkel α zu einander laufen. Dies lässt sich beispielsweise im Falle einer Flachantenne durch geeignete Maßnahmen in den Informationsnetzwerken realisieren.
Lässt man also insoweit die Flachantenne in der Azimutebene um einen definierten Winkel α schielen, d.h. die Achsen Kl und K2 der Hauptkeulen HK und VK der beiden orthogonalen Polarisationen weichen in der Azimutebene von einander um den erwähnten definierten Winkel ab, so kann z.B. die Hauptkeule HK der H-Polarisation auf den gewünschten Satelliten 1 exakt ausgerichtet werden, wohinge- gen die Hauptkeule VK der V-Polarisation von dem selben Satelliten die entsprechenden Signale empfängt, allerdings nicht im Bereich des größten Signalpegels, sondern im steileren Flankenbereich 15 der Hauptkeule VK. Dies eröff- net die Möglichkeit Abweichungen der Antennenausrichtung sehr leicht und genau zu detektieren. Dies soll anhand von Figur 3 näher erläutert werden, wobei die anhand von Figur 3 erläuterten Hauptkeulen HK bzw. VK in der schematischen perspektivischen Darstellung auch in Figur 1 bezüglich der Planarantenne schematisch wiedergegeben sind.
Bei dem Beispiel gemäß dem Diagramm nach Figur 3 wird davon ausgegangen, dass beispielsweise auf dem bewegten Objekt Programme empfangen werden sollen, die von dem Satel- liten 1 über die horizontale Polarisation ausgestrahlt werden. Dazu soll also die horizontale Polarisation H der Antenne 3 bzw. des zugehörigen Speisesystems auf optimalen Empfang ausgerichtet sein, also exakt auf die Empfangsrichtung des Satelliten, um einen hohen Eingangssignalpe- gel zu realisieren. Dazu ist in Figur 3 über die Pfeildarstellung 6 die exakte Lage des Satelliten 1 angegeben, mittels welchem beispielsweise die H-Polarisation mit maximalem Signalpegel empfangen werden soll. Dazu ist in Figur 3 mittels der durchgezogenen Linie 17 der Empfangs- Signalpegelverlauf der jeweils aktiv empfangenen Polarisation, im gezeigten Ausführungsbeispiel der H-Polarisation, wiedergegeben, wobei die Satellitenantenne 3 und damit dieser Empfangs-Signalpegelverlauf 17 mit seiner Hauptkeule HK und damit mit seiner Hauptstrahlrichtung Kl exakt auf den Satelliten 1 ausgerichtet wird, so dass beispielsweise bezüglich der H-Polarisation der maximale Signalpegel 17' empfangen werden kann. Demgegenüber ist nunmehr die Hauptstrahlrichtung K2 für die Hauptkeule VK für die vertikale Polarisation V in einem vorher definierten Winkel α von etwa 0,6° leicht schielend zur Hauptstrahlrichtung Kl der Hauptkeule zum Empfang der anderen Polarisation ausgerichtet. Der Empfangs-Signalpegelverlauf 19 der Antenne 3 bzw. des zugehörigen Speisesystems für den Empfang der vertikalen Polarisationen V ist in Figur 3 strichliert wiedergegeben und liegt entsprechend dem Schielwinkel α versetzt zu dem aktiven Empfangs-Signalpegelverlauf 17. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 wird bei optimal bzw. maximal empfangenem Signalpegel 17 ' bezüglich der aktiv empfangenen Polarisation demgegenüber für die zweite Polarisation V nur ein Signalpegel 19' empfangen, der auf der Flanke 15 des Signalpegelverlaufs 19 noch im oberen Bereich liegt.
Im gewählten Beispiel ergibt sich also für die vertikale Polarisation V ein Pegelunterschied von etwa -5 dB.
Würde nunmehr das Fahrzeug mit der erwähnten Antenne 3 während der Fahrt eine Kurvenfahrt vollziehen, bei welcher die Empfangs-Signalpegel 17 und 19 im Diagramm 3 nach rechts, bezogen auf die optimale Empfangsrichtung 21, weg- driften würden, so hätte dies bereits bei einer Verschiebung von 0,1° bis 0,2° zur Folge, dass der Pegelbereich bezüglich der empfangenen vertikalen Polarisation auf über -6 dB abfallen würde. Dieser Abfall kann deutlich und schnell gemessen werden. Dieser Abfall kann dann in dem Trackingsystem 7 einschließlich der Auswerte- und Kontrolleinrichtung 7 ' herangezogen werden, um darüber die entsprechende Antriebseinrichtung 9' um die vertikale Drehachse 11 so zu verdrehen, dass die Hauptkeule HK für die horizontale Polarisation H der Antenne bzw. des Speisesystems mit ihrer Hauptstrahlrichtung wieder deckungsgleich zur optimalen Empfangsrichtung 6 zu liegen kommt. Während also durch das detektierte und der Nachführung dienende Eingangs-Empfangssignal 19' für die vertikale Polarisation ein starker Signalabfall schnell feststellbar ist, hat dies in dem aufgeführten Winkelbereich für das empfangene aktive horizontale Polarisationssignal keinen relevanten Einfluss, so dass die hierüber aktiv empfange- nen Programme mit praktisch gleichbleibender Güte und fast gleichbleibendem maximalen Signalpegel empfangen werden konnten.
Würde während einer Fahrt des bewegten Objektes eine Kur- venfahrt in anderer Richtung vorgenommen werden, so würde dies beispielsweise dazu führen, dass die beiden Empfangs- Signalpegelverläufe 17 und 19 im Diagramm gemäß Figur 3 nach links wegdriften würden. Dies würde zu einem Anstieg des empfangenen Signalpegels 19' bezüglich der vertikalen Polarisationen führen, so dass hier ebenfalls wieder sehr schnell über das Trackingsystems einschließlich der Auswerte- und Kontrolleinrichtung die Antriebseinrichtung 9' so angesteuert werden könnte, dass die Antenne 3 in entgegengesetzter Rotationsbewegung nachgeführt wird.
Die gesamte Einstellung wird also vorteilhafterweise so gewählt, dass Pegelunterschiede der detektierten Polarisation pro Winkeländerung groß sind, der absolute Empfangspegel aber nicht zu klein ist, damit der Pegelunterschied noch einfach zu detektieren ist. Wird beispielsweise, wie erwähnt, der Schielwinkel α zwischen den beiden empfangenen Polarisationen so gewählt, dass sich ungefähr ein Pegelunterschied von etwa 5 dB zwischen den beiden Polari- sationen ergibt, so führt dies in einen Pegelbereich von etwa -2,5 bis -6,5 dB oder beispielsweise -3 bis -7 dB zu gut messbaren Pegelunterschieden von etwa 2 dB. Mit anderen Worten führen bereits geringe Abweichungen der Satel- litenantenne von ihrer optimalen Ausrichtung auf den betreffenden Satelliten zu schnell detektierbaren und ausreichend großen Signalveränderungen bezüglich der schielenden Polarisation, also in einen Bereich, in dem noch keine nennenswerten Pegelverluste der aktiven Polarisa- tionsebene feststellbar sind, deren Hauptstrahlrichtung auf den Satelliten zum Empfang des jeweils gewünschten Programmes ausgerichtet ist.
Verwendet man Flachantennen mit sehr großen Unterschieden in den Abmessungen für die Azimutrichtung (mit einer möglichst großen Abmessung) und die Elevationsrichtung (mit einer möglichst kleinen Abmessung) und damit sehr unterschiedlichen Halbwertsbreiten in Azimutrichtung (kleine Halbwertsbreite) und in Elevationsrichtung (große Halb- wertsbreite) , so muss im normalen Betrieb nur in Azimutrichtung nachgeregelt werden, da große Halbwertsbreiten in Elevationsrichtung dazu führen, dass bei Steigungen bzw. Gefällen von bis zu 8% praktisch keine erkennbare Empfangseinbuße festzustellen ist.
Anhand von Figur 4 ist eine derartige Antenne in perspektivischer Darstellung angedeutet, und zwar einschließlich einer dreidimensionalen Darstellung der Hauptstrahlrichtung bzw. Hauptkeule (teilweise im Schnitt wiedergegeben) .
Aus dieser Darstellung sowie in dem weiterhin in Figur 5 wiedergegebenen Azimutdiagramm und dem in Figur 6 wiedergegebenen Elevationsdiagramm ergibt sich die kleine Halbwertsbreite in Azimutrichtung (in welcher die oben erläuterte bei Bedarf jeweils durchgeführte Nachregelung bzw. Nachführung der Antenne auf den Satelliten durchgeführt wird) und die vergleichsweise große Halbwerts- breite in Elevationsrichtung, bei der es in der Regel kaum zu einer relevanten Signalpegelverschlechterung kommt.
Unabhängig davon empfiehlt es sich in Elevationsrichtung eine Ausrichtung zur Nachkontrolle durchzuführen. Dies vor allem auch deshalb, da an unterschiedlichen Empfangsorten unterschiedliche Grundeinstellungen der Elevationsrichtun- gen erforderlich sind. Diese Korrektur kann in zeitlichen Abständen, z.B. alle halbe Stunde durch Neuausrichtung in Elevationsrichtung erfolgen. Dazu kann beispielsweise die Ausrichtung der Antenne in Elevationsrichtung so verändert werden, dass sich der Pegel durch Fehlausrichtung um z.B. 2 dB verringert, um anschließend die Antenne in entgegengesetzter Richtung, also auf die entgegengesetzte Seite der Hauptkeule zu verstellen, bis sich wieder der gleiche Empfangspegel einstellt. Anschließend kann die Satellitenantenne dann auf die Mitte zwischen den beiden Einstellwerten einjustiert werden. Dieser Vorgang ist aber nur sehr selten nötig und belastet das System nicht durch unnötige Einstellvorgänge.
Eine demgegenüber noch verbesserte Lösung bietet sich dann an, wenn zusätzlich noch ein Ortungssystem beispielsweise in Form eines GPS-Empfängers vorhanden ist. Abweichungen der Elevations-Grundeinstellungen für den jeweiligen Emp- fangsort lassen sich dann durch diesen GPS-Empfänger leicht feststellen, wobei die notwendigen Informationen dann an das Trackingsystem geliefert werden können. Eine entsprechende Nachregelung wie oben beschrieben ist dann nicht notwendig.
Eine Auswertung der Pegelunterschiede kann dann sehr einfach durch Messen der AGC, also des Antenna Gain Control Signals, durch das Frontend durchgeführt werden. Ein nachgeschalteter AD-Wandler kann die entsprechenden Informationen einem Mikroprozessor als Teil des Trackingsystems, d.h. als Teil der Auswert- und Kontrolleinrichtung liefern.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Nachführung einer auf oder in einem be- wegten Objekt befindlichen Antenne auf einen Sender, insbesondere einen Satelliten, der Signale in zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Polarisationen ausstrahlt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- es werden Antennen verwendet, deren beide Hauptstrahl- richtungen (Kl, K2) oder Hauptkeulen (HK, VK) bezüglich der beiden empfangenen orthogonalen Polarisationen (H, V) zueinander einen divergierenden Schielwinkel (α) aufweisen,
- die Nachführung der Antenne (3) zum Empfang von über die horizontale Polarisation (H) ausgestrahlten Programmen erfolgt in Abhängigkeit des Empfangs-Signalpegels (19') und/oder der Empfangs-Signalpegel-Unterschiede (191) der weiteren detektierten vertikalen Polarisation (V) , und
- die Ausrichtung und Nachführung der Antenne (3) zum Empfang von über die vertikale Polarisation (V) ausgestrahlten Programmen erfolgt in Abhängigkeit des Empfangs-Signalpegels (17') und/oder der Empfangs-Signalpe- gelunterschiede (17') der weiteren detektierten horizontalen Polarisation (H) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne mit einem Schielwinkel (α) zwischen den beiden Hauptkeulen (HK, VK) zum Empfang der beiden Polarisationen (H, V) verwendet wird, derart, dass der der Detektion für die Nachführung der Antenne dienende Empfangs- Signalpegel (19') der einen Polarisation um etwa 2 bis 8 dB, vorzugsweise um etwa 4 bis 5 dB niedriger liegt als der Empfangs-Signalpegel (17') der auf optimalen Empfang nachgeführten anderen Polarisation (H, V) der Antenne (3) .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Polarisationen (H, V) ein Schielwinkel (α) verwendet wird, derart, dass der empfangene Signalpegel (17', 19') der der Detektion für die Nachführung der Antenne (3) dienenden Polarisation (V, H) im Flankenbereich (15) der Hauptkeule (HK oder VK) liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Anstieg des Empfang-Signalpe- gels (17', 19'), der der Detektion der schielenden Polarisation dient, die Antenne (3) so verstellt wird, dass die Hauptstrahlrichtung ( Kl, K2) oder Hauptkeule (HK, VK) der für den Empfang eines Programmes dienenden nachzuführenden Polarisation (H, V) in Richtung der der Detektion dienen- den schielenden Polarisation (H, V) verstellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Absinken des Empfangs-Signal- pegels (17 ', 19'), der der Detektion der schielenden Pola- risation dient, die Antenne (3) so verstellt wird, dass die Hauptstrahlrichtung oder Hauptkeule der dem Empfang eines Programmes dienenden nachzuführenden Polarisation (H, V) von der der Detektion dienenden schielenden Polari- sation (H, V) weg verstellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flachantenne (3, 3') verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flachantenne (3, 3') mit einem Summationsnetzwerk verwendet wird, das so eingestellt ist, dass die Haupt- richtungen (Kl, K2) oder Hauptkeulen (HK, VK) zum Empfangen der beiden orthogonalen Polarisationen (H, V) in einem definierten Schielwinkel (α) zueinander ausgerichtet sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flachantenne (3, 3') verwendet wird, deren Azimuterstreckung gegenüber der Elevations- erstreckung groß dimensioniert ist, also in Azimutrichtung eine Längserstreckung aufweist, die zumindest dreimal so groß, vorzugsweise viermal so groß ist wie in Elevationsrichtung.
9. Vorrichtung zur Nachführung einer auf oder in einem bewegten Objekt befindlichen Antenne auf einen Sender, insbesondere einen Satelliten, der Signale in zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Polarisationen ausstrahlt, mit einer Aus-, Kontroll- und/oder Steuerungseinrichtung (7) zur Nachführung der Antenne (3) um zumindest eine Achse in Azimutrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale
- die Antenne (3, 3') und/oder das Speisesystem sind so aufgebaut, dass die beiden Hauptstrahlrichtungen (Kl, K2) oder Hauptkeulen (HK, VK) der beiden empfangenen orthogonalen Polarisationen (H, V) in einem Schielwinkel (α) zueinander differgierend verlaufen, - über die Aus-, Kontroll- und/oder Steuerungseinrichtung (7) wird der Signalpegel (19', 17') und/oder der jeweils schielend eingestellten Hauptkeule (VK oder HK) bezüglich der zugehörigen, empfangenen Polarisation (V oder H) und die sich ergebende Signalpegelveränderung so ausgewertet, dass die jeweils andere Polarisation (H oder V) , über die ein jeweils aktuell gewünschtes Pro- gramm empfangen wird, gegenüber dem Signal-Empfangspegel (19' oder 17') der schielend eingestellten Polarisation einen höheren Signalpegel (17' oder 19'), vorzugsweise einen maximalen Signalpegel (17' oder 19') aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schielwinkel (α) zwischen den beiden Polarisationen (H, V) bzw. zwischen den Hauptstrahlrichtungen (Kl, K2) und/oder den beiden Hauptkeulen (HK, VK) so vorgesehen ist, dass der der Detektion für die Nachführung der Anten- ne (3) dienende Empfangs-Signalpegel (19', 17') um etwa 2 bis 8 dB, vorzugsweise um etwa 4 bis 5 dB niedriger liegt als der Empfangs-Signalpegel (17 ', 19') der auf optimalem Empfang nachgeführten Hauptkeule (HK oder VK) der Antenne (3) .
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schielwinkel (α) zwischen den beiden Polarisationen (H, V) bzw. den beiden Hauptstrahlrichtungen (Kl, K2) der Hauptkeulen (HK, VK) so vorgesehen ist, dass der empfangene Signalpegel (17' oder 19') der der Detektion für die Nachführung der Antenne (3) dienenden Polarisation im Flankenbereich (15) der Hauptkeule (VK, HK) liegt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Anstieg des Empfang-Signalpegels (19' oder 17') der der Detektion dienenden schielend eingestellten Polarisation die Antenne (3) so ver- stellbar ist, dass die für den Empfang eines Programms dienende nachzuführende Hauptstrahlrichtung (Kl oder K2) einer Hauptkeule (HK oder VK) in Richtung der der Detektion dienenden schielenden Hauptstrahlrichtung (K2 oder Kl) der Hauptkeule (VK oder HK) der weiteren Polarisation (V, H) verstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Absinken des Empfangs-Sig- nalpegels (19' oder 17') der der Detektion dienenden Hauptstrahlrichtung (K2 oder Kl) der Hauptkeule (VK, HK) die Antenne (3) so verstellbar ist, dass die dem Empfang eines Programmes dienende nachzuführende Hauptstrahlrichtung (Kl oder K2) der zugehörigen Hauptkeule (HK oder VK)von der der Detektion dienenden schielenden Hauptkeule (VK oder HK) bzw. der zugehörigen Hauptstrahlrichtung (K2 oder Kl) weg verstellbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3) aus einer Flachanten- ne (3') besteht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3) insbesondere in Form einer Flachantenne (31) mit einem Summationsnetzwerk aus- gestattet ist, das so eingestellt ist, dass die Hauptkeulen (HK, VK) bzw. ihre entsprechenden Hauptstrahlrichtungen (Kl, K2) zum Empfang der beiden Polarisationen (H, V) in einem definierten Schielwinkel ( ) zueinander ausge- richtet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3) insbesondere in Form einer Flachantenne (3') so gestaltet ist, dass deren Azi- muterstreckung gegenüber der Elevationserstreckung so dimensioniert ist, also in Azimutrichtung eine Längserstreckung aufweist, die zumindest dreimal so groß, vorzugsweise viermal so groß ist wie in Elevationsrichtung.
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