ES2965112T3 - Procedimiento de calibración de una antena Satcom en la banda ka - Google Patents

Procedimiento de calibración de una antena Satcom en la banda ka Download PDF

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Abstract

Método y dispositivo para calibrar una antena que comprende las siguientes etapas: Definir un número n de posiciones de ángulos para la aeronave situada en una zona de calibración: Medir el valor de la orientación de la antena para cada posición n, [Aa(n), Εa (norte)]; Definir la orientación teórica de la antena [Aa(n)*, Εa(n)*] teniendo en cuenta el valor de cabeceo, el valor de balanceo, el valor de guiñada (rumbo) de la aeronave para cada posición n, y de los valores de orientación del satélite [Ar(n), Εr(n)]: [Aa(n)*, Ea(n)*] = F(H(n), P(n), R(n), δH, δP, δR, δΕ, Ar(n), Er(n)), donde F es una función geométrica elegida; Defina un criterio C: C = Σ(Aa(n) - Aa(n)*) 2 + (Εa(n) - Εa(n)*) 2 ; Minimizar el valor del criterio C para determinar los valores de sesgo (δH, δP, δR, δΕ) a partir de los valores [Aa*(n), Ea*(n)] y utilizar dichos valores de sesgo para minimizar las disparidades. entre los ángulos medidos y los ángulos teóricos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de calibración de una antena Satcom en la banda ka
La invención se refiere a un procedimiento de calibración de una antena Satcom en la banda Ka utilizada especialmente en el campo aeronáutico.
Encuentra su aplicación en cualquier aplicación aeronáutica o en otros campos que ofrezcan a un usuario presente en un vehículo en movimiento un acceso a internet.
Los ejemplos del procedimiento de calibración de antena han sido descritos, por ejemplo, en los documentos US 2015/200449 A1 y US 6646598 B1.
La proporción de un acceso a internet en los aviones comerciales es un campo emergente el cual utiliza satélites, así como una antena direccional instalada en la carlinga de un avión. Para esta aplicación, las necesidades de ancho de banda son significativas y es por esto la banda Ka se utiliza ampliamente. Esta banda Ka (20 GHz en la recepción y 30 GHz en emisión) es relativamente libre a diferencia de la banda Ku (-12 GHz) la cual se despliega ampliamente para la difusión de televisión TV.
La utilización de esta banda de frecuencia plantea problemas técnicos durante la instalación y el punteo de la antena direccional. En efecto, estas antenas tienen tamaños relativamente significativos y una geometría rectangular de «bajo perfil». La gran dimensión de la antena puede alcanzar 70 cm.
A una frecuencia de 30 GHz, una tal antena debe ser apuntada hacia el satélite con una precisión mejor que 0,2 °, de lo contrario la pérdida de ganancia es relativamente prohibitiva.
El punteo de la antena utiliza datos de las centrales inerciales del avión y se puede alcanzar una precisión de punteo de la antena de 0,1 ° con los equipos de navegación por interferometría láser. Sin embargo, la instalación de la antena en la carlinga es mucho menos precisa y no se obtiene mejor precisión que un grado entre los referenciales de las centrales inerciales y del soporte de la antena, el cual se sitúa a menudo a varios metros detrás del ala. Este valor del orden de un grado debe ser medido para poder ser compensado.
La técnica anterior describe métodos de calibración los cuales utilizan medios ópticos, interferometría láser o similares, para calibrar la dirección de la antena.
El objeto de la invención se refiere a un procedimiento o un método el cual permita medir el sesgo de instalación de la antena de manera automática y con una precisión más significativa que la ofrecida por las técnicas implementadas en la técnica anterior. Según un nuevo enfoque, el procedimiento utiliza la recepción de la señal satelital obtenida para varias orientaciones del avión en tierra durante la fase de calibración. Cuando se obtienen las mediciones, se efectúa un cálculo el cual permita obtener los datos de sesgo del soporte de antena.
La invención se refiere a un procedimiento de calibración de una antena posicionada en una aeronave, estando la dicha antena protegida por un radomo y funcionando en una banda adecuada para garantizar una comunicación de Internet a un usuario a través de un satélite, caracterizado porque incluye al menos las siguientes etapas:
Definir un número n de posiciones de ángulos para la aeronave situada en una zona de calibración, con n superior a uno,
Medir el valor de la orientación de la antena para cada posición n, [Aa(n),Ea(n)], donde Aa(n), Ea(n) corresponden al azimut y la elevación de la antena para una posición n,
Definir la orientación teórica de la antena [Aa(n)*,Ea(n)*] teniendo en cuenta el valor de cabeceo(pitch),el valor de balanceo(rolí),el valor de guiñada(heading)para la aeronave, para cada posición n, y los valores de orientación del satélite [Ar(n),Er(n)]:
[Aa(n)\ Ea(n)*] = F(H(n) , P(n) , R(n) , 5H , 5P , 5R , 5E ,Ar(n), Er(n)),
donde F es una función geométrica seleccionada,
con Ar(n), Er(n) las coordenadas del dicho satélite,
Definir un criterio C:
C = ^ \j4 a (n ) — Aa(n) * )2 (£a(n) — £a(n)
Minimizar el valor del criterio C con el fin de determinar los valores de sesgo (5H, 5P, 5R, 5E) a partir de los valores [Aa*(n), Ea*(n)] y utilizar los dichos valores de sesgo para minimizar las diferencias entre los ángulos medidos y los ángulos teóricos.
Según un modo de realización, el procedimiento utiliza ocho ángulos de medición, para cada orientación de la antena, y busca el máximo de la señal del satélite recibida en la antena, cuando se encuentra este máximo se memorizan los siguientes valores:
H(n) , P(n) , R(n),
[Ar(n),Er(n)]
[Aa(n),Ea(ri)],
el procedimiento utiliza entonces un método de optimización para minimizar el valor C y calcular los valores de sesgo (5H, 5P, 5R, 5E) los cuales se utilizarán para el punteo de la antena.
Se minimiza el criterio C para alcanzar el valor cero.
El procedimiento se utiliza, por ejemplo, para calibrar una antena configurada para funcionar en un avión y en la banda Ka.
La invención también se refiere a un dispositivo de calibración de una antena posicionada en una aeronave y que funciona en una banda adecuada para garantizar una comunicación de Internet a un usuario a través de un satélite, caracterizado por que incluye un procesador configurado para ejecutar las etapas del procedimiento según la invención.
El dispositivo se utiliza especialmente para calibrar una antena que funciona en la banda Ka con el fin de garantizar un enlace de tipo Internet para los usuarios del avión.
Otras características y ventajas de la presente invención se harán más evidentes con la lectura de la descripción de los ejemplos de realización adjuntos a las figuras las cuales representan:
• La Figura 1, un esquema de un avión posicionado en una zona de calibración, y
• La Figura 2, un ejemplo de varias posiciones del avión seleccionadas para la calibración.
La Figura 1 representa un avión 1 equipado con una antena 2 montada a través de un soporte 3 de antena en la carlinga 4 del avión y protegida por un radomo 5. La antena se selecciona para garantizar una comunicación de Internet cuando el avión está en vuelo o en tierra antes de la fase de despegue, por ejemplo, a través de la utilización de un satélite 10.
La antena está conectada a un dispositivo 6 de calibración que puede posicionarse en el avión, el cual incluye especialmente un procesador 7 el cual ejecutará las etapas del procedimiento según la invención, una memoria (8) que permite memorizar las tablas utilizadas a lo largo del procedimiento y los resultados de los valores de sesgo para posibles utilizaciones futuras. El avión también comprende una central (9) inercial configurada para transmitir informaciones al procesador.
Para la implementación del procedimiento según la invención, el avión se instala en una zona Z, que permita, por ejemplo, efectuar ocho rotaciones de aproximadamente 45 °, P1 a P8, (por ejemplo, la zona de calibración de las brújulas magnéticas).
El sesgo de instalación de la antena puede ser descrito por cuatro valores angulares (5H, 5P, 5R, 5E), los tres primeros corresponden a la orientación relativa del soporte de la antena con respecto a la referencia de navegación del avión, guiñada, cabeceo, balanceo, más conocidos por las abreviaturas anglosajonas(Heading H, Pitch P, Roll R)y la cuarta E corresponde al desplazamiento del eje de elevación de la antena.
Al nivel de la zona de calibración Z, el satélite 10 utilizado se ve bajo los ángulos (As, Es), los cuales corresponden a su azimut y su elevación locales, y la orientación del avión está dada por los tres valores (H, P, R:Heading Pitch Roll) entregado por la central inercial.
Cuando la antena 2 está apuntando sobre el satélite 10 (la posición de punteo es, por ejemplo, detectada por la recepción máxima de una señal), la orientación de la antena en relación con su soporte se describe por los dos ángulos (Aa, Ea) los cuales corresponden al azimut y la elevación de la antena (no se representa por razones de simplificación).
La antena está en general protegida por un radomo 5 el cual introduce una refracción de la señal del satélite. Este valor de refracción está contenido en una tabla proporcionada por el fabricante del radomo. Esta tabla da la refracción de la onda de la antena en función de su azimut y elevación. Por tanto, el satélite visto a través del radomo tiene por coordenadas angulares:
En Azimut :Ar = AsTa(Aa)
En elevación :Er - Es+ Te(£a)
siendo (Ta, Te) la tabla de refracción del radomo tabulada en azimut y elevación.
Cuando se ha detectado el máximo de recepción Smáx. de la señal de satélite al nivel de la antena, la orientación de la antena puede expresarse de la siguiente manera:
[Aa*, Ea*] =F(H , P , R , 5H , 5P , 5R , 5E ,Ar, Er)
F es una función simplemente geométrica la cual permite calcular la orientación teórica de la antena [Aa*, Ea*] a partir de cambios de referencia matemáticas. Esta función es convencional en el campo de las comunicaciones por satélite y no se detallará.
Considerando una referencia aeronáutica con el eje z hacia abajo:
- Rx; Ry; Rz, una matriz de rotación alrededor de los ejes x,y,z,
- R; P; H, los datos de la central de navegación (orientación del avión),
- Ar et Er, la orientación local del satélite corregida por la refracción de radomo,
- Aa et Ea, el azimut y la elevación de la antena,
(5H, 5P, 5R, 5E) los valores desconocidos que se encuentran,
se expresa la relación entre los diferentes parámetros en la forma de un vector:
Como el valor de los sesgos es desconocido, no se puede calcular la orientación teórica [Aa*, Ea*], por otro lado, es posible obtener mediante la medición un valor cercano a [Aa, Ea], por ejemplo, a través de la búsqueda de la señal máxima de la señal SNR recibida en la antena.
El procedimiento según la invención que permite calcular los sesgos consiste en multiplicar las mediciones de los dos ángulos [Aa, Ea] y luego en utilizar un método de optimización conocido por los expertos en la técnica el cual va a permitir encontrar el mejor sesgo el cual minimice un determinado criterio.
Si se indexan las mediciones mediante un índice n, se obtiene:
para la medición n, y
se toma como el criterio por optimizar:
Cuando el valor de C es mínimo, el sesgo correspondiente permite minimizar la diferencia entre los valores medidos de los dos ángulos (Aa, Ea) los cuales corresponden al azimut y la elevación de la antena y los valores calculados. El procedimiento según la invención es, por ejemplo, implementado en forma de un software al nivel del procesador. Según un ejemplo ilustrado en la Figura 2, el procedimiento determina ocho ángulos de medición evitando apuntar hacia la cola del avión con el fin de evitar un bloqueo de la señal.
Para cada orientación (ángulo fijo, para cada valor de n), el software efectúa un escaneo con el fin de buscar el máximo de la señal del satélite Smáx, cuando se encuentra este máximo se memorizan los siguientes valores, para cada valor de n:
H(n), P(n), R(n),
Ar(n), E (n), la orientación local del satélite corregida por la refracción del radomo,
Aa(n), Ea(n), el azimut y la elevación de la antena.
Cuando se han realizado las ocho mediciones, el software utiliza un método de optimización para minimizar el valor de C. Cuando se obtiene este mínimo, el software visualiza los valores de sesgo (5H, 5P, 5R, 5E) por utilizar para el punteo de antena. El procedimiento de optimización es conocido por los expertos de la técnica y no se detallará. El valor de C se visualiza, por ejemplo, al nivel de un dispositivo de visualización conectado al procesador, ya que corresponde a un indicador de calidad, se debe obtener un valor cercano a cero.
Los valores de sesgo se almacenan en un archivo utilizado localmente por el controlador de antena y también se transmiten hacia una base de datos general de instalación para que puedan ser reutilizados durante las operaciones de mantenimiento.
El procedimiento según la invención ofrece un método de calibración preciso.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES 1. - Procedimiento de calibración de una antena (2) posicionada en una aeronave (1), estando la dicha antena protegida por un radomo (5) y funcionando en una banda adaptada para garantizar una comunicación de Internet a un usuario a través de un satélite (10), que incluye las siguientes etapas: Definir un número n de posiciones de ángulos para la aeronave situada en una zona de calibración, con n superior a uno, Medir el valor de la orientación de la antena para cada posición n, [Aa(n),Ea(n)], donde Aa(n), Ea (n)corresponden al azimut y a la elevación de la antena para una posicióncaracterizado porqueincluye además las etapas de definir la orientación teórica de la antena [Aa(n)*,Ea(n)*] teniendo en cuenta el valor de cabeceo, el valor balanceo, el valor de guiñada para la aeronave para cada posición n, y los valores de orientación del satélite
    donde F es una función geométrica seleccionada, con Ar(n), Er(n) las coordenadas del dicho satélite definen un criterio C:
    Minimizar el valor del criterio C con el fin de determinar los valores de sesgo (5H, 5P, 5R, 5E) a partir de los valores [Aa*(n), Ea*(n)] y utilizar los dichos valores de sesgo para minimizar las diferencias entre los ángulos medidos y los ángulos teóricos. 2. - Procedimiento según la reivindicación 1,caracterizado porquese determinan ocho ángulos de medición, para cada orientación de la antena, se busca el máximo de señal del satélite recibida en la antena, cuando se encuentra este máximo se memorizan los siguientes valores: H(n) , P (n), R(n) [Ar(ri), Er(ri)] [Aa(n),Ea(n)] Se utiliza un método de optimización para minimizar el valor de C y calcular los valores de sesgo (5H, 5P, 5R, 5E) por utilizar para el punteo de antena. 3. - Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2,caracterizado porquese minimiza el criterio C para alcanzar el valor cero. 4. - Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3,caracterizado porquese calibra una antena configurada para funcionar en una aeronave y en la banda Ka. 5. - Dispositivo de calibración de una antena (2) posicionada en una aeronave y que funciona en una banda adaptada para garantizar una comunicación de Internet a un usuario a través de un satélite (10),caracterizado porqueincluye un procesador (7) configurado para ejecutar las etapas del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4. 6. - Dispositivo de calibración según la reivindicación 5 para una antena que funciona en la banda Ka.
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