ES2910457T3

ES2910457T3 - Procedimiento de calibración de una antena activa

Info

Publication number: ES2910457T3
Application number: ES12189845T
Authority: ES
Inventors: Thibauld Calmettes; Lionel Ries; Michel Monnerat
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Thales SA
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Thales SA
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: CA2793327A1; RU2616651C2; US9548534B2; CA2793327C; FR2982035A1; EP2587588A1; US20130106654A1; FR2982035B1; EP2587588B1; RU2012145678A

Abstract

Procedimiento de calibración del centro de fase de una antena activa (20) que comprende una pluralidad de subelementos (21) capaces de recibir una señal útil transmitida por un satélite (25), siendo una señal de referencia transmitida por el mismo satélite (25) que la señal útil además de la señal útil en una banda de frecuencia sustancialmente igual a la banda de frecuencia de la señal útil y siendo conocidas las características teóricas de recepción de la señal de referencia, siendo la señal de referencia una señal GNSS y la señal útil una señal MEOSAR, caracterizado porque dicha calibración se define en función de las características de recepción de la señal de referencia en cada subelemento (21), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas: - una etapa (31) de adquisición de los valores de la señal de referencia y los de la señal útil en cada uno de los subelementos (21) de la antena receptora (20), - una etapa (32) de medición de las posibles desviaciones de fase y de ganancia entre los valores de la señal de referencia realmente recibidos y los valores teóricos de recepción de la señal de referencia, - una etapa (33) de evaluación de una ley de distribución óptima a aplicar a la señal de referencia para tener en cuenta las posibles desviaciones, - una etapa de aplicación de la ley de distribución a la señal útil recibida en cada subelemento.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de calibración de una antena activa

La presente invención se refiere al campo de las antenas activas en fase. Más concretamente, se refiere a un procedimiento para calibrar el centro de fase de una antena en fase activa. La invención es útil, por ejemplo, en antenas receptoras terrestres activas para comunicaciones por satélite.

En la actualidad, las estaciones receptoras terrestres suelen utilizar un conjunto de antenas parabólicas móviles para el seguimiento de los satélites. En la figura 1 se muestra un ejemplo de estación receptora de este tipo.

Uno de los problemas de este tipo de antenas es que son complejas de implementar. También tienen dificultades con la velocidad de los cambios de apuntamiento, lo que puede provocar una degradación del rendimiento. Además, en las estaciones receptoras, el número de antenas está muy limitado por el coste. Además, el aumento de la ganancia en la antena va acompañado de un aumento del tamaño de la misma y, en consecuencia, de un aumento de la complejidad y del coste.

Es conocido el uso de una antena de matriz en fase activa para reemplazar una o más antenas móviles. Una antena de matriz en fase activa está compuesta por una pluralidad de subelementos radiantes que tienen cada uno un circuito de desplazamiento de fase. En una antena de este tipo, la onda transmitida o recibida por cada uno de los subelementos interfiere con la de los demás y se produce un haz por la suma de estas interferencias constructivas. Además, variando las fases y amplitudes entre cada uno de los subelementos, el haz puede dirigirse hacia una dirección concreta.

Una de las dificultades asociadas a la utilización de una antena activa, por ejemplo para el seguimiento y la comunicación con los satélites, es el dominio de la ganancia de sus subelementos y en particular en la banda de frecuencias en la que se utilizan.

Si, por ejemplo, en una dirección particular se produce un desplazamiento de fase o se distorsiona una ganancia, la ley de fase que es óptima para apuntar en esa dirección particular no será la misma que si no hubiera habido distorsión. Hay que tener en cuenta que esta distorsión puede ser variable en el tiempo.

Se sabe que los elementos perturbadores que pueden causar variaciones de fase son elementos del orden de la longitud de onda. En consecuencia, cuando la banda de frecuencias es baja, por ejemplo una longitud de onda del orden de veinte centímetros, una multitud de elementos pueden perturbar el funcionamiento de la antena. Además, la antena también está sujeta a los efectos de centelleo ionosférico, por ejemplo.

Por lo tanto, para utilizar una antena activa con precisión, es necesario calibrar la antena, es decir, asegurarse de que la ley de fase y amplitud entre los distintos subelementos es realmente óptima para la formación del haz, a fin de garantizar una ganancia óptima de la antena. Esta calibración puede hacerse de forma definitiva, por ejemplo en la fábrica, pero la precisión de la formación del haz no será óptima. Esta calibración también puede hacerse de forma permanente, pero esta operación es bastante costosa.

Por lo tanto, el uso de una única antena activa para sustituir a varias antenas móviles sufre generalmente de dificultades de calibración que conducen a una degradación significativa de la ganancia si se hace de forma incorrecta, o a la implementación de sistemas de calibración complejos y costosos para obtener una ganancia óptima. Por lo tanto, el uso de antenas activas para el seguimiento de constelaciones en longitudes de onda superiores a 30 cm está limitado en la actualidad.

La calibración de una red de antenas mediante señales de tipo GNSS se conoce por el documento GB 2418536 A. También se conoce la calibración general de las antenas MEOSAR/MEOLUT, véase por ejemplo "COSPAS-SARSAT 406 MHZ MEOSAR IMPLEMENTATION PLAN, R.012, Issue 1, Revision 6": XP055028106.

Uno de los objetivos de la invención es superar las desventajas antes mencionadas proponiendo un procedimiento de calibración para mejorar el rendimiento del enlace entre al menos un satélite y una antena receptora terrestre de matriz en fase activa.

Para ello, el objeto de la invención es un procedimiento de calibración del centro de fase de una antena activa que comprende una pluralidad de subelementos capaces de recibir una señal útil transmitida por un satélite, siendo una señal de referencia transmitida por el mismo satélite que la señal útil además de la señal útil en una banda de frecuencia sustancialmente igual a la banda de frecuencia de la señal útil, y siendo conocidas las características teóricas de recepción de la señal de referencia, siendo la señal de referencia una señal GNSS y la señal útil una señal MEOSAR, caracterizado porque dicha calibración se define en función de las características de recepción de la señal de referencia en cada subelemento, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:

- una etapa de adquisición de los valores de la señal de referencia y los de la señal útil en cada uno de los subelementos de la antena receptora,

- una etapa de medición de las posibles desviaciones de fase y de ganancia entre los valores de la señal de referencia realmente recibidos y los valores teóricos de recepción de la señal de referencia,

- una etapa para evaluar una ley de distribución óptima a aplicar a la señal de referencia para tener en cuenta las posibles desviaciones,

- una etapa de aplicación de la ley de distribución a la señal útil recibida en cada subelemento.

Según una realización, la etapa de medición del procedimiento se realiza mediante un procedimiento de correlación. Según una característica particular de esta variante, los valores de la señal de referencia se modifican variando estos valores en tiempo y/o en frecuencia y/o en potencia para encontrar la forma de la señal que mejor se correlacione con la señal de referencia realmente recibida.

Ventajosamente, las distintas etapas del procedimiento se realizan secuencialmente en tiempo real.

Según otra variante, el procedimiento comprende una etapa de almacenamiento, durante un intervalo de tiempo predefinido, de los valores de la señal de referencia y de los de la señal útil medidos en cada uno de los subelementos de la antena receptora, con el fin de realizar las diferentes etapas del procedimiento de forma diferida. Otras características y ventajas de la presente invención quedarán más claras al leer la siguiente descripción, que se da a modo de ilustración y no de limitación, y se hace con referencia a los dibujos anexos, en los que:

- La figura 1 muestra un ejemplo de realización de una estación receptora terrestre que utiliza antenas móviles, - La figura 2 muestra un ejemplo de realización de una estación receptora terrestre con una sola antena activa, - La figura 3 muestra un ejemplo de implementación del procedimiento de calibración según la invención, - La figura 4 muestra un ejemplo de realización de una antena receptora según la invención.

El objeto de la presente invención es un procedimiento para calibrar el centro de fase de una antena de recepción terrestre activa que comprende una pluralidad de subelementos radiantes y es capaz de comunicarse con al menos un satélite.

Se supone que el satélite o los satélites apuntados por la antena receptora transmiten, además de la señal útil, una señal de referencia en una banda de frecuencias sustancialmente igual a la de la señal útil y cuyas características de recepción son conocidas. El principio de la invención es utilizar esta señal de referencia para calibrar automática y permanentemente el centro de fase de la antena receptora terrestre activa.

La invención se presentará a través de la calibración del centro de fase de una antena receptora de matriz en fase activa de una estación terrestre receptora del sistema MEOSAR (Medium Earth Orbit Search And Rescue o sistema satelital de órbita media para búsqueda y rescate), para la cual la señal útil descendente es transmitida por satélites de posicionamiento (GPS, Galileo, Glonass) y a una frecuencia muy cercana a las señales de posicionamiento. La figura 2 muestra un centro de procesamiento en tierra (o MEOLUT por Medium Earth Orbit Local User Terminal) del sistema MEOSAR en el que las cuatro antenas móviles de recepción de la figura 1 han sido sustituidas por una antena receptora 20 de matriz de una sola fase activa. Ventajosamente, como se ha descrito anteriormente, esta antena única permite el apuntamiento simultáneo hacia varios satélites 25 y, por tanto, se reduce el coste de las estaciones MEOLUT.

El sistema MEOSAR se basa en diferentes constelaciones de satélites 25 de posicionamiento (o GNSS por Global Navigation Satellite System), como el GPS (Global Positionning System) americano, el Glonass ruso y el sistema Galileo europeo, para las operaciones de búsqueda y rescate (o sAr por “Search And Rescue”). Estos satélites 25 de posicionamiento tienen, además de su función principal de localización, una función SAR y para ello llevan un transpondedor que se utiliza para retransmitir las señales emitidas por las balizas de socorro en tierra. La frecuencia de enlace descendente (o downlink) de este transpondedor está en la banda de frecuencias de 1544 MHz ~ 1545 MHz.

Una de las frecuencias de funcionamiento de los satélites de posicionamiento o GNSS es de 1576 MHz, frecuencias que están muy cerca de la frecuencia de enlace descendente del sistema MEOSAR.

La idea de la invención se basa en el hecho de que las características de recepción de las señales GNSS transmitidas por los satélites de posicionamiento 25 son conocidas.

De hecho, la posición exacta de los satélites GNSS, la posición de la antena receptora y las horas en las que las señales son transmitidas por los satélites 25 se conocen con precisión gracias a los principios de localización GNSS. Por lo tanto, también se conocen las características teóricas de recepción en las antenas MEOLUT. Además, las señales MEOSAR y GNSS se transmiten en bandas de frecuencia sustancialmente iguales y se reciben desde las mismas direcciones. Por lo tanto, estas dos señales estarán sometidas a las mismas perturbaciones durante su propagación entre el satélite de posicionamiento 25 y la antena receptora 20. Así, comparando las características de las señales GNSS realmente recibidas por cada subelemento 21 de la antena receptora activa 20 con las características de las señales teóricas que se supone que deben recibir, es posible calcular las correcciones que deben realizarse para tener en cuenta estas perturbaciones. Por lo tanto, es posible definir una ley óptima de amplitud y fase, o ley de distribución, a aplicar a cada salida de las subantenas 21 de la red para maximizar la calidad de recepción de la señal MEOSAR.

Con referencia a la figura 3, se muestra un modo de implementación del procedimiento de calibración según la invención.

En una primera realización del procedimiento, la calibración se realiza secuencialmente en tiempo real.

En una primera etapa de adquisición 31, los valores de la señal de referencia GNSS y las señales útiles, es decir, las señales MEOSAR, se miden en cada subelemento 21 de la antena receptora 20.

Los valores de la señal GNSS se comparan entonces con los valores teóricos de las recepciones de esta señal. Los valores teóricos de recepción de la señal GNSS corresponden a los valores que la antena receptora habría recibido si ninguna perturbación hubiera distorsionado la señal en ganancia y/o en fase. Estas perturbaciones pueden ser debidas a elementos de longitudes sustancialmente iguales a la longitud de onda de la señal, problemas relacionados con multitrayectorias, efectos de centelleo ionosférico o cualquier otro elemento perturbador.

De forma conocida, la señal GNSS esperada se evalúa a partir del conocimiento de la posición de la antena receptora 20 y de la posición de los satélites GNSS 25, mediante un cálculo clásico de posicionamiento GNSS. Si la señal GNSS realmente recibida y la señal GNSS teórica esperada son idénticas, ninguna perturbación ha cambiado la señal durante su propagación o ninguna nueva perturbación ha cambiado la propagación de la señal desde que se aplicó la ley de distribución anterior. Por lo tanto, no es necesario recalibrar la antena.

Si las dos señales teóricas y las realmente recibidas son diferentes, hay que realizar una nueva calibración para tener en cuenta las perturbaciones. Para ello, en una etapa 32 se calcula el error entre la señal de referencia GNSS realmente recibida y la señal GNSS teórica para cada uno de los subelementos de la antena receptora activa.

Según una realización particular, esta etapa 32 de medición del error entre la señal realmente recibida por cada subelemento 21 y la señal teórica esperada se realiza por un procedimiento de correlación.

En algunas realizaciones del procedimiento, el valor de la señal GNSS de referencia se modifica variando el valor de la señal en tiempo y/o en frecuencia y/o en potencia para encontrar la forma de la señal que mejor se correlaciona con la señal GNSS realmente recibida y, por tanto, la forma de la señal que más se aproxima a la señal realmente recibida.

Una vez que se ha encontrado el desplazamiento óptimo de tiempo, frecuencia y/o potencia, se conoce la corrección que debe hacerse a los valores recibidos. Por lo tanto, en la etapa 33 se puede evaluar una ley de distribución óptima a aplicar a los valores de las señales recibidas en cada subelemento para tener en cuenta las perturbaciones. La ley de distribución se convierte en la que se aplica para maximizar la ganancia en la dirección deseada. Esta misma ley de distribución óptima se aplica entonces, en una etapa 34, a los subelementos 21 de la antena receptora 20. Aplicar esta ley de distribución equivale a aplicar un haz de ganancia en una dirección que maximice la capacidad de recepción de la señal. Esta dirección es generalmente próxima a la dirección "geométrica" entre la antena receptora 20 y el satélite 25 apuntado, pero puede ser diferente en función de elementos del entorno como, por ejemplo, los acoplamientos entre los subelementos 21 de la antena 20.

Es posible verificar a posteriori que la ley de fase seleccionada corresponde a la que maximiza la correlación con la señal esperada, aplicando esta ley de distribución a los subelementos 21 de la antena receptora 20, leyendo las señales GNSS y comparándolas con las señales teóricas. Posiblemente, en caso de diferencias entre las dos señales, la ley de distribución puede ajustarse mediante pequeñas variaciones de fase y amplitud.

Hay que tener en cuenta que el tiempo de cálculo de la ley de distribución es del orden de un segundo y, por tanto, pequeño comparado con el tiempo de variación de las perturbaciones. En efecto, estas perturbaciones, que son esencialmente atmosféricas o debidas a problemas de multitrayectoria de la onda emitida, tienen variaciones del orden de diez segundos, es decir, variaciones mucho más lentas que un segundo en el tiempo de cálculo. En efecto, la ley de distribución aplicada con un retardo de aproximadamente un segundo será casi óptima, no habrá evolucionado lo suficiente durante este retardo como para causar problemas.

Según otro ejemplo de implementación del procedimiento, el procesamiento de los datos no se realiza en tiempo real sino que se realiza a posteriori. Por ejemplo, los valores de las señales GNSS y MEOSAR recibidas en cada subelemento 21 de la antena 20 pueden almacenarse en una zona de memoria de la antena y/o del terminal de procesamiento de datos durante un periodo de adquisición determinado. En un segundo momento, los valores de la señal GNSS recibidos en cada subantena y almacenados en la memoria se comparan con los valores teóricos de recepción para definir las diferencias entre estos dos valores y calcular la ley de distribución que mejor representa las deformaciones de ganancia y fase sufridas por la señal transmitida por el satélite durante el periodo de adquisición. Como se ha descrito anteriormente, la etapa de medir las diferencias entre la señal realmente recibida y la señal teórica esperada puede realizarse mediante un procedimiento de correlación. La ley de distribución calculada se aplica entonces a la señal MEOSAR recibida en cada subelemento 21 durante el mismo período de adquisición.

La figura 4 ilustra un ejemplo de realización no limitante de una antena receptora 20 autocalibrada según la invención. En el ejemplo mostrado, la antena receptora 20 es una antena plana (o parche en inglés) con cuatro subelementos 21. Cada subelemento 21, o módulo de transmisión-recepción, está conectado a un correlacionador 41 para hacer la correlación con la señal de referencia GNSS teórica esperada. Las señales de los correlacionadores 41 son analizadas por un módulo de comparación 42. En este módulo, cada retardo o avance temporal se traduce en un desplazamiento de fase en la ley de distribución. Del mismo modo, se mide cada diferencia de amplitud para definir la compensación que debe aplicarse. Tras estos cálculos, en un módulo 43 de definición de la ley de distribución se calcula la ley de distribución óptima que mejor refleja estas diferencias. Esta ley de distribución se aplica entonces a los diferentes subelementos 21 de la antena 20 para la recepción de las señales útiles, es decir, las señales MEOSAR para nuestro ejemplo.

La invención se ha descrito mediante un ejemplo de uso del procedimiento de calibración según la invención, sin embargo la invención no se limita a este ejemplo. La invención se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de calibración del centro de fase de una antena activa (20) que comprende una pluralidad de subelementos (21) capaces de recibir una señal útil transmitida por un satélite (25), siendo una señal de referencia transmitida por el mismo satélite (25) que la señal útil además de la señal útil en una banda de frecuencia sustancialmente igual a la banda de frecuencia de la señal útil y siendo conocidas las características teóricas de recepción de la señal de referencia, siendo la señal de referencia una señal GNSS y la señal útil una señal MEOSAR, caracterizado porque dicha calibración se define en función de las características de recepción de la señal de referencia en cada subelemento (21), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:

- una etapa (31) de adquisición de los valores de la señal de referencia y los de la señal útil en cada uno de los subelementos (21) de la antena receptora (20),

- una etapa (32) de medición de las posibles desviaciones de fase y de ganancia entre los valores de la señal de referencia realmente recibidos y los valores teóricos de recepción de la señal de referencia, - una etapa (33) de evaluación de una ley de distribución óptima a aplicar a la señal de referencia para tener en cuenta las posibles desviaciones,

2. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque la etapa de medición (32) se realiza mediante un procedimiento de correlación.

3. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque los valores de la señal de referencia se modifican variando estos valores en tiempo y/o en frecuencia y/o en potencia con el fin de encontrar la forma de la señal que tenga la mejor correlación con la señal de referencia realmente recibida.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizado porque las diferentes etapas (31, 32, 33, 34) del procedimiento se realizan secuencialmente en tiempo real.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizado porque comprende una etapa de almacenamiento durante un intervalo de tiempo predefinido de los valores de la señal de referencia y de los de la señal útil medidos en cada uno de los subelementos (21) de la antena receptora (20) para realizar las etapas (32, 33, 34) del procedimiento de forma retardada.