EP1498983A1 - Verfahren zur Ausrichtung einer auf einem Fahrzeug angebrachten Richtantenne eines Satellitensignalempfängers auf einem Kommunikationssatelliten - Google Patents

Verfahren zur Ausrichtung einer auf einem Fahrzeug angebrachten Richtantenne eines Satellitensignalempfängers auf einem Kommunikationssatelliten Download PDF

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EP1498983A1
EP1498983A1 EP04015289A EP04015289A EP1498983A1 EP 1498983 A1 EP1498983 A1 EP 1498983A1 EP 04015289 A EP04015289 A EP 04015289A EP 04015289 A EP04015289 A EP 04015289A EP 1498983 A1 EP1498983 A1 EP 1498983A1
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EP
European Patent Office
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directional antenna
shading
satellite
areas
search
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04015289A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Dipl.-Ing. Holzbock
Oliver Dipl.-Ing. Lücke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1498983A1 publication Critical patent/EP1498983A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/325—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle
    • H01Q1/3275—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the location of the antenna on the vehicle mounted on a horizontal surface of the vehicle, e.g. on roof, hood, trunk
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Definitions

  • the invention relates to a method for continuous Alignment of a directional antenna mounted on a vehicle a satellite signal receiver to a radio signals transmitting communication satellites by means of receive level evaluation the satellite broadcast over the Directional antenna received radio signals, wherein a tracking operation (Tracking) for the initial and reorientation of the Directional antenna on the satellite a search and acquisition operation which falls below a certain Receive signal level threshold is effective.
  • a tracking operation Tracking
  • Antennas such as e.g. a parabolic antenna, in one direction a sharp main club and thus have a very high profit.
  • Antenna for mobile reception provided and on one Vehicle, e.g. a motor vehicle, a ship or a Plane, attached, so there is a need to align this antenna continuously with the satellite, to compensate for the vehicle movements and thus the Maintain satellite communication link.
  • the directional antenna alignment is still between the status of the coarse alignment, the status of the acquisition and the status of the actual tracking (tracking phase) the directional antenna distinguished.
  • the main lobe of the Directional antenna tracked until the received power is optimized and in the course of the subsequent actual tracking phase (tracking phase) of the Directional antenna, the reception is maintained in mobile operation, including slight misdirections of the direction antenna main lobe be readjusted.
  • the duration for search and acquisition should always be minimal be to ensure a rapid recording of the transmission Initialization of the transmission system or after loss of the satellite signal.
  • the search and acquisition duration can by restricting the search areas e.g. by location and position information of the mobile Directional antenna be shortened.
  • Figures 1 to 4 show for clarity the receiving states described in detail, where P in the received power and P opt represent the optimal orientation of a directional antenna 1, for example, a parabolic antenna, and received without shading maximum power.
  • the direct direction of incidence of the satellite signal is indicated by an arrow 2 in all four figures.
  • the received power can be greatly different from P in ⁇ P opt to P in ⁇ P opt .
  • the reception in the mobile Maintain operation which is shown by the Fig.2 is. Will the communication link between the satellite and the mobile directional antenna 1 through the obstacle 4 disturbed, as shown in Figure 4, so is so due to the signal shading connected a signal loss.
  • the cause of the signal loss is a coarse misalignment of the directional antenna 1 according to FIG. 3 or a shadowing due to an obstacle 4 according to FIG.
  • a consequence of the signal loss is a renewed systematic search of the direction of arrival of the satellite signal, which of course will be unsuccessful in the case of the presence of shadowing by an obstacle.
  • a new search while driving through a shading through an obstacle can not be for retrieval of the satellite signal and extends after decline shadowing the time of signal retrieval.
  • a train on which an alignable directional antenna is mounted enters a tunnel or shadows mobile obstacle, such as a truck, one up a passenger car mounted, alignable antenna This is the case with the conventional tracking methods automatically after a certain time with a new search of the satellite signal started.
  • the invention is based on the object of such methods for alignment of a vehicle mounted Directional antenna of a satellite signal receiver on a To perfect communications satellites that the time period for the signal detection and thus the Duration until recording of transmission after passing through obstacle-related signal shading areas and a As a result, generated signal loss are minimized.
  • this object is achieved in advantageous and suitably solved by means of a sensor additionally provided on the vehicle Obstacles on the connection path between satellite and Directional antenna detected conditional signal shading and information About shading areas in the field of view and / or be delivered in the range of motion of the directional antenna, and that the search and acquisition operation on the basis of the sensor obtained over the shading areas Information for the duration of driving through these shading areas not in previous tracking operation switched on or at previous search and acquisition operation is disabled, although the particular received signal level threshold is fallen below.
  • the method according to the invention thus introduced an additional sensor, the direct information about shading areas the directional antenna gives. This information will be used by the antenna controller to do a search in one Shading area to prevent and thus the times to Minimize signal detection.
  • the search and acquisition operation at least initially not activated and thus no new satellite signal search started, but the directional antenna remains in the direction prior to the respective shadowing orientation.
  • the detection of shading areas in opposition to areas of free view to the sky and so too to the satellite can advantageously by means of a with the directional antenna mitbewegten distance measuring sensor in Trap that shading areas always throughout the reception area the directional antenna, e.g. in tunnels one Train route occur, taking obstacles in the near field of view of the directional antenna by means of the distance measuring sensor, the same opening angle as the guided tracking antenna has and its line of sight with the directional antenna is moved, be recognized.
  • Such a distance measuring sensor can advantageously work on ultrasound basis.
  • the detection of shading areas in contrast to areas of free view to the sky and so too to the satellite by means of a shading database which are the result of a shading pattern Shading areas stored in the database and using Position information Obstacles in the movement area be determined.
  • the detection of shading areas in contrast to areas free view to the sky and thus to the satellite can be advantageous but also by means of a directional antenna mitbewegten arrays of infrared sensors made be such that one derived from the infrared sensor array Infrared image due to the different temperature from the open sky and obstacles the shading areas in the entire reception area of the directional antenna reproduces.
  • the noise temperature of a mobile directional antenna in the microwave range is between 3 ° and 100 ° Kelvin against the open sky depending on the elevation angle or over 1000 ° Kelvin in alignment with the sun, whereas shading the ambient noise temperature is between about 250 ° Kelvin and about 350 ° Kelvin.
  • a noise temperature sensor can thus easily analyze the noise temperature of the directional antenna, so that a clear distinction between shaded areas and a clear view of the sky.
  • FIG.5 and Fig.6 are each in three successive state images (a), (b) and (c) the Orientation states of a directional antenna 5, which on a on a street 6 to the right moving bus 7 is attached, passing through an obstacle 8 shading region shown, FIG the Zusatandsablauf known method without detection of Shading and Fig.6 the state of the process according to the invention with detection of shading shows.
  • Fig. 6 shows shading is detected, then no satellite signal search during the shading started as the state image (b) of Fig. 6 shows and the satellite communication link is due to the unchanged orientation of the directional antenna 5 and its main lobe 10 immediately after the end of the shading again, which shows the state image (c) of FIG.
  • the main lobe 10 of the directional antenna 5 conditionally by a change of direction of the bus 7 and thus also the directional antenna 5 during shading, e.g. through a tunnel with curve, after the end of the shading in the wrong direction, that is no longer in the direction of incidence 9 of the satellite signal.
  • the search for the satellite signal only then started when receiving the satellite signal again is possible what the search and acquisition time significantly can shorten.
  • the entire reception area must be the directional antenna, e.g. the entire upper hemisphere, systematically searched for the satellite signal become.
  • the Time required for signal search as low as possible to hold by varying prior knowledge of limitation of the search area is used. If one knows, e.g. the current position and approximate orientation of the mobile Satellite receiver, so the search area can through This information will be restricted because of this Elevation and azimuth range are given.
  • FIG. 7 shows a schematic fisheye image the current environment of the mobile satellite receiver illustrates how one in azimuth elevation coordinates applied hemispherical fisheye image to be used can further speed up the signal search by only areas are searched that are not obstructed are shadowed.
  • the vehicle in the form of hemispherical Fisheye recording additionally provided sensors be through obstacles on the connection path between signal shading conditioned on the satellite and the directional antenna detected and information about shading areas in the field of view and / or range of motion of the directional antenna issued.
  • the search and acquisition operation in the mobile satellite receiver is due to the fisheye sensor via the shading areas gained information for the Duration of driving through these shading areas at previous Tracking mode (tracking) not switched on or deactivated in previous search and acquisition operation, although a fixed received signal level threshold is below, below which else, so misalignment of the directional antenna, the search and acquisition operation is turned on. Only after longer lasting Shadowing and of course recognized by all Misalignment of the directional antenna then becomes a new search the satellite signal started and only in the narrower Areas not shaded by obstacles are.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bei Ausrichtung einer auf einem Fahrzeug (7) angebrachten Richtantenne (5) eines Satellitensignalempfängers auf einen Kommunikationssatelliten mittels Empfangspegelauswertung der vom Satelliten ausgestrahlten, über die Richtantenne empfangenen Funksignale, bei der einem Tracking-Nachführbetrieb zur Erst- und Wiederausrichtung der Richtantenne auf den Satelliten ein Such- und Akquisitionsbetrieb vorangeht, der bei Unterschreiten einer bestimmten Empfangssignalpegelschwelle wirksam wird, werden mittels einer am Fahrzeug zusätzlich vorgesehenen Sensorik durch Hindernisse (8) auf dem Verbindungsweg zwischen Satellit und Richtantenne bedingte Signalabschattungen erkannt und Informationen über Abschattungsbereiche im Sichtfeld und/oder im Bewegungsbereich der Richtantenne abgegeben. Der Such- und Akquisitionsbetrieb wird auf Grund der mittels der Sensorik über die Abschattungsbereiche gewonnenen Informationen für die Dauer des Durchfahrens dieser Abschattungsbereiche bei vorherigem Nachführbetrieb nicht eingeschaltet oder bei vorherigem Such- und Akquisitionsbetrieb unwirksam geschaltet, obwohl die bestimmte Empfangssignalpegelschwelle unterschritten ist. Anwendung bei mobiler Satellitenkommunikation. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Ausrichtung einer auf einem Fahrzeug angebrachten Richtantenne eines Satellitensignalempfängers auf einen Funksignale aussendenden Kommunikationssatelliten mittels Empfangspegelauswertung der vom Satelliten ausgestrahlten, über die Richtantenne empfangenen Funksignale, wobei einem Nachführbetrieb (Tracking) zur Erst- und Wiederausrichtung der Richtantenne auf den Satelliten ein Such- und Akquisitionsbetrieb vorangeht, der bei Unterschreiten einer bestimmten Empfangssignalpegelschwelle wirksam wird.
Für die Satellitenkommunikation mit höheren Datenraten werden Richtantennen benötigt, d.h. Antennen wie z.B. eine Parabolantenne, die in einer Richtung eine scharfe Hauptkeule und damit einen sehr hohen Gewinn aufweisen. Ist eine solche Antenne für mobilen Empfang vorgesehen und auf einem Fahrzeug, z.B. einem Kraftfahrzeug, einem Schiff oder einem Flugzeug, angebracht, so ergibt sich die Notwendigkeit, diese Antenne kontinuierlich auf den Satelliten auszurichten, um die Fahrzeugbewegungen auszugleichen und damit die Satellitenkommunikationsverbindung aufrechtzuerhalten.
In diesem Zusammenhang sind verschiedene Verfahren zur Antennennachführung bekannt, die zumeist auf einer Auswertung der empfangenen Leistung wie z.B. "Conical Scan" oder Monopuls oder einer einfachen Signalrückführung zur Optimierung des Empfangssignals beruhen.
Gewöhnlich wird bei der Richtantennenausrichtung noch zwischen dem Status der Grobausrichtung, dem Status der Akquisition und dem Status der eigentlichen Nachführung (Tracking-Phase) der Richtantenne unterschieden. Bei der Grobausrichtung, die bei einer Neu- oder Wiederausrichtung auf einen Satelliten einzuleiten ist, erfolgt durch den Empfänger am Boden eine systematische Suche des am Satelliten angeordneten Senders und zwar so lange, bis eine minimal erforderliche Signalleistung empfangen wird. Während der nachfolgenden Akquisitionsphase wird die Hauptkeule der Richtantenne so lange nachgeführt, bis die empfangene Leistung optimiert ist und im Verlauf der sich daran anschließenden eigentlichen Nachführungsphase (Tracking-Phase) der Richtantenne wird der Empfang im mobilen Betrieb aufrechterhalten, wozu leichte Fehlweisungen der Richtantennenhauptkeule nachgeregelt werden.
Die Dauer für Suche und Akquisition sollte dabei stets minimal sein, um eine schnelle Aufnahme der Übertragung bei Initialisierung des Übertragungssystems oder nach Verlust des Satellitensignals zu gewährleisten. Die Such- und Akquisitionsdauer kann durch eine Einschränkung der Suchbereiche z.B. durch Lage- und Positionsinformation der mobilen Richtantenne verkürzt werden.
Wird die Kommunikationsverbindung zwischen dem Satelliten und der mobilen Empfangsrichtantenne durch ein Hindernis gestört, so ist damit auf Grund einer Signalabschattung gewöhnlich ein Signalverlust verbunden, der besonders bei höheren Frequenzen wegen der hier geringer in Erscheinung tretenden Beugung eine ziemlich scharfe An(Sicht zum Satelliten)/Aus(Abschattung)-Charakteristik hat. Anhand der Leistung des Empfangssignals ist nicht zu unterscheiden, ob ein Signalverlust von einer Fehlausrichtung der Richtantenne oder einem abschattenden Hindernis herrührt. Jedenfalls beginnt die Richtantenne im Nachführungsprozess nach Unterschreiten einer bestimmten Empfangssignalpegelschwelle erneut mit einer Suche des Satellitensignals.
Bisher bekannt gewordene Verfahren zur Nachführung einer mobilen Empfangsrichtantenne auf einen Satelliten, die eine Auswertung des Empfangssignalpegels berücksichtigen, sind beispielsweise in DE 38 23 109 C2, WO 95/20249, US 5 194 874 und US 6 075 482 beschrieben und unterscheiden bei Signalverlust nicht zwischen einer Abschattung und einer Fehlausrichtung der Richtantenne. Liegt das über die Richtantenne aufgenommene Empfangssignal unterhalb einer bestimmten Schwelle, dann wird bei den bekannten Verfahren ein erneuter Suchvorgang durch den Empfänger initiiert und zwar sofort oder nach einer bestimmten Wartezeit und auch dann, wenn die Richtantenne sich in einem abgeschatteten Bereich befindet.
Ferner wird bei bekannten Verfahren zusätzlich Information über die Drehbewegung des Fahrzeugs ausgewertet. Bei einem Signalverlust ohne eine Drehbewegung des Fahrzeugs wird auf eine Abschattung geschossen und ein erneuter Suchvorgang verzögert. Damit lässt sich eine Entscheidung, ob ein Signalverlust wegen einer Abschattung des Ausbreitungspfades oder einer Fehlausrichtung der Antenne besteht, unterstützen. Darüber hinaus ist diese Information für einen bedeutenden operationellen Bereich der Antennennachführung nicht zutreffend, da eine Antennennachführung im Fall eines Satelliten speziell bei Drehbewegungen greifen muss.
Fig.1 bis 4 zeigen zur Verdeutlichung die beschriebenen Empfangszustände im einzelnen, wobei Pin die empfangene Leistung und Popt die bei optimaler Ausrichtung einer Richtantenne 1, beispielsweise einer Parabolantenne, und ohne Abschattung empfangene maximale Leistung darstellen. Die direkte Einfallsrichtung des Satellitensignals ist in allen vier Figuren durch einen Pfeil 2 gekennzeichnet.
Fig.1 zeigt den Zustand eines optimalen Empfangs, bei dem die der Richtung maximaler Empfindlichkeit entsprechende Hauptkeule 3 der Richtantenne 1 exakt in die direkte Einfallsrichtung 2 des Satellitensignals weist. In diesem Zustand ist somit Pin = Popt.
Fig.2 zeigt den Zustand einer leichten Fehlweisung der Richtantenne 1. Hierbei weicht die Richtung der Hauptkeule 3 der Richtantenne 1 geringfügig von der direkten Einfallsrichtung 2 des Satellitensignals ab. In diesem Zustand ist somit Pin ≈ Popt.
Fig.3 zeigt den Zustand einer groben Fehlweisung der Richtantenne 1. Hierbei weicht die Richtung der Hauptkeule 3 der Richtantenne 1 stark von der direkten Einfallsrichtung 2 des Satellitensignals ab. In diesem Zustand ist somit Pin << Popt.
Fig.4 zeigt einen Zustand, bei dem die Richtantenne 1 zwar im wesentlichen auf den Satelliten ausgerichtet ist, also die Richtung der Hauptkeule 3 der Richtantenne 1 mit der direkten Einfallsrichtung 2 des Satellitensignals übereinstimmt, aber zwischen dem Satelliten und der Richtantenne 1 ein störendes Hindernis 4 liegt. Im Verlauf des Bereiches einer hindernisbedingten Signalabschattung kann die empfangene Leistung stark unterschiedlich von Pin ≈Popt bis Pin << Popt sein.
Bei Neuausrichtung oder Signalverlust erfolgt eine Grobausrichtung der Richtantenne 1 und damit der Hauptkeule 3 in Form einer systematischen Suche der Einfallsrichtung 2 des Satellitensignals bis zum Empfang einer minimal erforderlichen Signalleistung Pin << Popt im Zustand der Fig.3. Der Grobausrichtung folgt die Akquisitionsphase, während der die über die Richtantenne 1 empfangene Leistung Pin optimiert wird, also schließlich der in Fig.1 gezeigte Zustand erreicht ist.
Danach wird während der eigentlichen Nachführungsphase (Tracking-Phase) der Richtantenne 1 der Empfang im mobilen Betrieb aufrechterhalten, was durch die Fig.2 dargestellt ist. Wird die Kommunikationsverbindung zwischen dem Satelliten und der mobilen Richtantenne 1 durch das Hindernis 4 gestört, wie dies in Fig.4 dargestellt ist, so ist damit auf Grund der Signalabschattung ein Signalverlust verbunden.
Mittels der Leistung Pin des Empfangssignals lässt sich nicht erkennen, ob Ursache des Signalverlustes eine grobe Fehlausrichtung der Richtantenne 1 entsprechend Fig.3 oder eine Abschattung auf Grund eines Hindernisses 4 entsprechend Fig.4 ist. Folge des Signalverlustes ist jedenfalls eine erneute systematische Suche der Einfallsrichtung des Satellitensignals, die im Falle des Vorliegens einer Abschattung durch ein Hindernis natürlich erfolglos sein wird.
Es ist festzustellen, dass eine Suche innerhalb eines abgeschatteten Bereiches nicht zur Auffindung des Satellitensignals führen kann und nur unnötig die Zeit der Signalauffindung verlängert. Eine Verkürzung der Suchzeiten wird bisher bei Satellitensignal-Nachführungsverfahren von Richtantennen nur durch Lage- und Positionsinformationen der mobilen Richtantenne erreicht, wodurch der Suchbereich eingeschränkt wird.
Eine erneute Suche während des Durchfahrens einer Abschattung durch ein Hindernis kann nicht zur Wiederauffindung des Satellitensignals führen und verlängert nach Rückgang der Abschattung die Zeit der Signalwiederauffindung. Fährt beispielsweise ein Zug, auf dem eine ausrichtbare Richtantenne montiert ist, in einen Tunnel ein oder schattet ein mobiles Hindernis, wie z.B. ein Lastkraftwagen, eine auf einem Personenkraftwagen angebrachte, ausrichtbare Antenne ab, so wird bei den herkömmlichen Nachführungsverfahren nach einer bestimmten Zeit automatisch mit einer neuen Suche des Satellitensignals begonnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, derartige Verfahren zur Ausrichtung einer auf einem Fahrzeug angebrachten Richtantenne eines Satellitensignalempfängers auf einen Kommunikationssatelliten dahingehend zu perfektionieren, dass die Zeitdauer für die Signalauffindung und damit die Dauer bis zur Aufnahme der Übertragung nach Durchfahren von hindernisbedingten Signalbschattungsbereichen und einem hierdurch erzeugten Signalverlust minimal gehalten werden.
Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe in vorteilhafter und zweckmäßiger Weise dadurch gelöst, dass mittels einer am Fahrzeug zusätzlich vorgesehenen Sensorik durch Hindernisse auf dem Verbindungsweg zwischen Satellit und Richtantenne bedingte Signalabschattungen erkannt und Informationen über Abschattungsbereiche im Sichtfeld und/oder im Bewegungsbereich der Richtantenne abgegeben werden, und dass der Such- und Akquisitionsbetrieb auf Grund der mittels der Sensorik über die Abschattungsbereiche gewonnenen Informationen für die Dauer des Durchfahrens dieser Abschattungsbereiche bei vorherigem Nachführbetrieb nicht eingeschaltet oder bei vorherigem Such- und Akquisitionsbetrieb unwirksam geschaltet wird, obwohl die bestimmte Empfangssignalpegelschwelle unterschritten ist.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird beim Verfahren nach der Erfindung mithin eine zusätzliche Sensorik eingeführt, die direkte Informationen über die Abschattungsbereiche der Richtantenne gibt. Diese Informationen werden von der Antennensteuerung verwendet, um eine Suche in einem Abschattungsbereich zu verhindern und damit die Zeiten zur Signalauffindung zu minimieren.
Dabei werden diese Informationen über Abschattungsbereiche genutzt, um eine im Status der Suche befindliche Antennensteuerung von einer Suche in den abgeschatteten Bereichen abzuhalten und/oder eine im Status der eigentlichen Nachführung befindliche Antennensteuerung an einem Rückfall in den Suchstatus zu hindern, falls von der Antennensteuerung zusätzliche Lage- und Positionsinformationen der Richtantenne verwendet werden.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die unmittelbar oder mittelbar auf den Patentanspruch 1 rückbezogen sind.
In zweckmäßiger Weise wird nach dem Durchfahren von erkannten Abschattungsbereichen, die eine bestimmte Dauer nicht überschreiten, der Such- und Akquisitionsbetrieb zumindest zunächst nicht aktiviert und somit keine neue Satellitensignalsuche gestartet, sondern die Richtantenne verbleibt in der vor der jeweiligen Abschattung vorgelegenen Ausrichtung.
Nach Durchfahren von erkannten Abschattungsbereichen, die eine bestimmte Dauer überschreiten, kann vorteilhaft der Such- und Akquisitionsbetrieb aktiviert und somit eine neue Satellitensignalsuche gestartet werden.
Im Anschluss an das Durchfahren eines erkannten Abschattungsbereiches werden in zweckmäßiger Weise bei Wirksamschaltung des Such- und Akquisitionsbetriebs auf Grund der mittels der Sensorik über die Abschattungsbereiche gewonnenen Informationen und/oder auf Grund anderer den räumlichen Suchbereich einschränkender, auf Vorwissen beruhender Informationen nur solche Bereiche im Such- und Akquisitionsbetrieb von der Richtantenne abgesucht, die sich als nicht abgeschattet ergeben haben.
Die Erkennung von Abschattungsbereichen in Gegensätzlichkeit zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten kann in vorteilhafter Weise mittels eines mit der Richtantenne mitbewegten Abstandsmess-Sensors im Falle, dass Abschattungsbereiche immer im gesamten Empfangsbereich der Richtantenne wie z.B. in Tunnels einer Zugstrecke auftreten, vorgenommen werden, wobei Hindernisse im nahen Blickfeld der Richtantenne mittels des Abstandsmess-Sensors, der einen gleichen Öffnungswinkel wie die nachgeführte Richtantenne aufweist und dessen Blickrichtung mit der Richtantenne mitbewegt wird, erkannt werden.
Ein solcher Abstandsmess-Sensor kann in vorteilhafter Weise auf Ultraschallbasis arbeiten.
Unter der Voraussetzung, dass die Abschattungbereiche für eine mobile Richtantenne abhängig von der Position bekannt sind, kann die Erkennung von Abschattungsbereichen in Kontrast zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten mittels einer Abschattungsdatenbank vorgenommen werden, wobei die ein Abschattungsmuster ergebenden Abschattungsbereiche in der Datenbank gespeichert und mittels Positionsinformationen Hindernisse im Bewegungsbereich bestimmt werden.
Die Erkennung von Abschattungsbereichen in Kontrast zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten kann vorteilhaft aber auch mittels eines mit der Richtantenne mitbewegten Arrays von Infrarotsensoren vorgenommen werden, so dass ein aus dem Infrarotsensoren-Array abgeleitetes Infrarotbild auf Grund der unterschiedlichen Temperatur von freiem Himmel und Hindernissen die Abschattungsbereiche im gesamten Empfangsbereich der Richtantenne wiedergibt.
Die Erkennung von Abschattungsbereichen in Abweichung zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten kann in einer anderen Variante durch Auswertung der mit der mobilen Richtantenne empfangenen Rauschleistung vorgenommen werden, die durch N0 = kT bestimmt wird, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die Rauschtemperatur im Sichtfeld der Richtantenne beschreibt und die Rauschtemperatur der Richtantenne in bekannter Weise durch die Integration aller strahlenden Punkte im Sichtfeld der Richtantenne entsprechend der Gleichung
Figure 00090001
beschrieben wird, wobei Tb (Θ, ϕ) die Temperatur eines Strahlers mit den Winkeln Θ, ϕ und G(Θ, ϕ) den dortigen Gewinn der Antenne beschreibt. Die Rauschtemperatur einer mobilen Richtantenne im Mikrowellenbereich beträgt zwischen 3° und 100° Kelvin gegen den freien Himmel je nach Elevationswinkel oder über 1000° Kelvin bei Ausrichtung zur Sonne, wogegen bei Abschattung die Umgebungsrauschtemperatur zwischen etwa 250° Kelvin und etwa 350° Kelvin liegt. Mittels eines Rauschtemperatur-Sensors lässt sich somit problemlos die Rauschtemperatur der Richtantenne analysieren, so dass eindeutig zwischen abgeschatteten Bereichen und freier Sicht zum Himmel unterschieden werden kann.
Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend im einzelnen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig.1 bis 4
die bereits vorher erläuterten unterschiedlichen Empfangszustände von Satellitensignalen bei unterschiedlich ausgerichteter Richtantenne in schematischen Ansichten,
Fig.5
in drei aufeinanderfolgenden schematischen Bildern die Ausrichtungszustände einer auf einem Omnibus angebrachten Richtantenne beim Passieren eines durch ein Hindernis verursachten Abschattungsbereiches ohne Erkennung der Abschattung,
Fig.6
in ebenfalls drei aufeinanderfolgenden schematischen Bildern die Ausrichtungszustände der auf dem Omnibus angebrachten Richtantenne beim Passieren des durch ein Hindernis verursachten Abschattungsbereiches mit Erkennung der Abschattung, und
Fig.7
ein schematisches Beispiel der Umgebung eines mobilen Satellitenempfängers als hemisphärisches Fisheye-Abbild, aus dem die Abschattungen verursachenden Hindernisse ersichtlich sind.
Aus Fig.5 und 6 werden die Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung deutlich. In Fig.5 und Fig.6 sind jeweils in drei aufeinanderfolgenden Zustandsbildern (a), (b) und (c) die Ausrichtungszustände einer Richtantenne 5, die auf einem sich auf einer Straße 6 nach rechts bewegenden Omnibus 7 angebracht ist, beim Passieren eines durch ein Hindernis 8 verursachten Abschattungsbereiches dargestellt, wobei Fig.5 den Zusatandsablauf bekannter Verfahren ohne Erkennung der Abschattung und Fig.6 den Zustandsablauf beim Verfahren nach der Erfindung mit Erkennung der Abschattung zeigt.
Nachdem der Signale aussendende Satellit entsprechend der Einfallsrichtung 9 des Satellitensignals korrekt durch die Hauptkeule 10 der Richtantenne 5 angepeilt wurde, was in den Zustandsbildern (a) von Fig.5 und 6 gezeigt ist, wird, wie im Zustandsbild (b) von Fig.5 gezeigt ist, ohne eine Abschattungserkennung nach Verlust des Satellitensignals nach einer gewissen Verzögerung die Suche nach dem Satellitensignal initiiert, was in der Abschattung allerdings wenig sinnvoll ist.
Nachdem die Abschattung vorüber ist, weist die Richtantenne 5 mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht mehr zum Satelliten, d.h. die Hauptkeule 10 weist nicht mehr in die Einfallsrichtung 9 des Satellitensignals, und das Satellitensignal muss erst wieder aufgefunden werden. Dieser fehlausgerichtete Zustand ist im Zustandsbild (c) von Fig.5 dargestellt.
Wenn im Gegensatz dazu entsprechend Fig.6 die Abschattung erkannt wird, so wird während der Abschattung keine Satellitensignalsuche gestartet, wie das Zustandsbild (b) von Fig.6 zeigt, und die Satellitenkommunikationsverbindung ist auf Grund der unveränderten Ausrichtung der Richtantenne 5 und deren Hauptkeule 10 nach Ende der Abschattung sofort wieder verfügbar, was das Zustandsbild (c) von Fig.6 zeigt.
Bei länger anhaltenden Abschattungsphasen besteht die Möglichkeit, dass die Hauptkeule 10 der Richtantenne 5, bedingt durch eine Richtungsänderung des Omnibusses 7 und damit auch der Richtantenne 5 während der Abschattung z.B. durch einen Tunnel mit Kurve, nach Ende der Abschattung in die falsche Richtung weist, also nicht mehr in die Einfallsrichtung 9 des Satellitensignals. Mit Erkennung der Abschattung wird die Suche nach dem Satellitensignal erst dann gestartet, wenn ein Empfang des Satellitensignals wieder möglich ist, was die Such- und Akquisitionszeit erheblich verkürzen kann.
Ohne jegliche Nutzung von Vorwissen muss der gesamte Empfangsbereich der Richtantenne, z.B. die gesamte obere Hemisphäre, nach dem Satellitensignal systematisch abgesucht werden. In der Praxis wird gewöhnlich versucht werden, die Zeitdauer, die zur Signalsuche benötigt wird, möglichst gering zu halten, indem unterschiedliches Vorwissen zur Einschränkung des Suchbereiches genutzt wird. Kennt man z.B. die momentane Position und ungefähre Orientierung des mobilen Satellitenempfängers, so kann der Suchbereich durch diese Informationen eingeschränkt werden, weil dadurch ein Elevations- und Azimutbereich vorgegeben sind.
In Fig.7 ist anhand eines schematischen Fisheye-Abbildes der momentanen Umgebung des mobilen Satellitenempfängers veranschaulicht, wie eine in Azimut-Elevations-Koordinaten angelegte hemisphärische Fisheye-Aufnahme dazu genutzt werden kann, die Signalsuche weiter zu beschleunigen, indem nur Bereiche abgesucht werden, die nicht von Hindernissen abgeschattet sind. Mittels der am Fahrzeug in Form der hemisphärischen Fisheye-Aufnahme zusätzlich vorgesehenen Sensorik werden durch Hindernisse auf dem Verbindungsweg zwischen dem Satellit und der Richtantenne bedingte Signalabschattungen erkannt und Informationen über Abschattungsbereiche im Sichtfeld und/oder Bewegungsbereich der Richtantenne abgegeben.
Der Such- und Akquisitionsbetrieb im mobilen Satellitenempfänger wird auf Grund der mittels der Fisheye-Sensorik über die Abschattungsbereiche gewonnenen Informationen für die Dauer des Durchfahrens dieser Abschattungsbereiche bei vorherigem Nachführbetrieb (Tracking) nicht eingeschaltet oder bei vorherigem Such- und Akquisitionsbetrieb unwirksam geschaltet, obwohl eine festgelegte Empfangssignalpegelschwelle unterschritten ist, unterhalb welcher sonst, also bei Fehlausrichtung der Richtantenne, der Such- und Akquisitionsbetrieb eingeschaltet wird. Nur nach länger währenden Abschattungen und natürlich auch bei allen erkannten Fehlausrichtungen der Richtantenne wird dann eine neue Suche des Satellitensignals gestartet und zwar nur in den engeren Bereichen, die nicht von Hindernissen abgeschattet sind.
Bezugszeichenliste
1
Richtantenne
2
Einfallsrichtung des Satellitensignals
3
Hauptkeule
4
Hindernis
5
Richtantenne
6
Straße
7
Omnibus, Fahrzeug
8
Hindernis
9
Einfallsrichtung des Satellitensignals
10
Hauptkeule

Claims (9)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Ausrichtung einer auf einem Fahrzeug angebrachten Richtantenne eines Satellitensignalempfängers auf einen Funksignale aussendenden Kommunikationssatelliten mittels Empfangspegelauswertung der vom Satelliten ausgestrahlten, über die Richtantenne empfangenen Funksignale, wobei einem Nachführbetrieb (Tracking) zur Erst- und Wiederausrichtung der Richtantenne auf den Satelliten ein Such- und Akquisitionsbetrieb vorangeht, der bei Unterschreiten einer bestimmten Empfangssignalpegelschwelle wirksam wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer am Fahrzeug (7) zusätzlich vorgesehenen Sensorik durch Hindernisse (8) auf dem Verbindungsweg zwischen Satellit und Richtantenne (5) bedingte Signalabschattungen erkannt und Informationen über Abschattungsbereiche im Sichtfeld und/oder im Bewegungsbereich der Richtantenne abgegeben werden, und dass der Such- und Akquisitionsbetrieb auf Grund der mittels der Sensorik über die Abschattungsbereiche gewonnenen Informationen für die Dauer des Durchfahrens dieser Abschattungsbereiche bei vorherigem Nachführbetrieb nicht eingeschaltet oder bei vorherigem Such- und Akquisitionsbetrieb unwirksam geschaltet wird, obwohl die bestimmte Empfangssignalpegelschwelle unterschritten ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Durchfahren von erkannten Abschattungsbereichen, die eine bestimmte Dauer nicht überschreiten, der Such- und Akquisitionsbetrieb zumindest zunächst nicht aktiviert und somit keine neue Satellitensignalsuche gestartet wird, sondern die Richtantenne (5) in der vor der jeweiligen Abschattung vorgelegenen Ausrichtung verbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchfahren von erkannten Abschattungsbereichen, die eine bestimmte Dauer überschreiten, der Such- und Akquisitionsbetrieb aktiviert und somit eine neue Satellitensignalsuche gestartet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Durchfahren eines erkannten Abschattungsbereiches bei Wirksamschaltung des Such- und Akquisitionsbetriebs auf Grund der mittels der Sensorik über die Abschattungsbereiche gewonnenen Informationen und/oder auf Grund anderer den räumlichen Suchbereich einschränkender, auf Vorwissen beruhender Informationen nur solche Bereiche im Such- und Akquisitionsbetrieb von der Richtantenne (5) abgesucht werden, die sich als nicht abgeschattet ergeben haben.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung von Abschattungsbereichen in Gegensätzlichkeit zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten mittels eines mit der Richtantenne (5) mitbewegten Abstandsmess-Sensors im Falle, dass Abschattungsbereiche immer im gesamten Empfangsbereich der Richtantenne auftreten, vorgenommen wird, wobei Hindernisse (8) im nahen Blickfeld der Richtantenne mittels des Abstandsmess-Sensors, der einen gleichen Öffnungswinkel wie die nachgeführte Richtantenne aufweist und dessen Blickrichtung mit der Richtantenne mitbewegt wird, erkannt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsmess-Sensor auf Ultraschallbasis arbeitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Voraussetzung, dass die Abschattungbereiche für eine mobile Richtantenne (5) abhängig von der Position bekannt sind, die Erkennung von Abschattungsbereichen in Kontrast zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten mittels einer Abschattungsdatenbank vorgenommen wird, wobei die ein Abschattungsmuster ergebenden Abschattungsbereiche in der Datenbank gespeichert und mittels Positionsinformationen Hindernisse (8) im Bewegungsbereich bestimmt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung von Abschattungsbereichen in Kontrast zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten mittels eines mit der Richtantenne (5) mitbewegten Arrays von Infrarotsensoren vorgenommen wird, so dass ein aus dem Infrarotsensoren-Array abgeleitetes Infrarotbild auf Grund der unterschiedlichen Temperatur von freiem Himmel und Hindernissen (8) die Abschattungsbereiche im gesamten Empfangsbereich der Richtantenne wiedergibt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung von Abschattungsbereichen in Abweichung zu Bereichen freier Sicht zum Himmel und damit auch zum Satelliten durch Auswertung der mit der mobilen Richtantenne (5) empfangenen Rauschleistung vorgenommen wird, die durch N0 = kT bestimmt wird, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die Rauschtemperatur im Sichtfeld der Richtantenne beschreibt und die Rauschtemperatur der Richtantenne in bekannter Weise durch die Integration aller strahlenden Punkte im Sichtfeld der Richtantenne entsprechend der Gleichung
Figure 00180001
beschrieben wird, wobei Tb (Θ,ϕ) die Temperatur eines Strahlers mit den Winkeln Θ, ϕ und G(Θ, ϕ) den dortigen Gewinn der Antenne beschreibt, was dazu führt, dass die Rauschtemperatur einer mobilen Richtantenne im Mikrowellenbereich zwischen 3° und 100° Kelvin gegen den freien Himmel je nach Elevationswinkel oder über 1000° Kelvin bei Ausrichtung zur Sonne beträgt, wogegen bei Abschattung die Umgebungsrauschtemperatur zwischen etwa 250° Kelvin und etwa 350° Kelvin liegt, so dass mittels eines Rauschtemperatur-Sensors die Rauschtemperatur der Richtantenne analysiert und zwischen abgeschatteten Bereichen und freier Sicht zum Himmel unterschieden werden kann.
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