JP2010541443A - 偏波制御による衛星追跡のためのオンボードアンテナシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、航空機に積み込まれたアンテナシステム（１００）であって、少なくとも１つのビーム形成器（１５１、１５２）に接続された複数の偏波制御された要素アンテナ（１２０）を含んでいる位相制御アンテナ（１１０）を備えているアンテナ装置（１００）において、前記航空機の位置及び姿勢情報、通信衛星の座標、及び該通信衛星の中継器の偏波特性から位相オフセット値（φ_ｖ、φ_Ｈ）及び減衰係数(α_ｖ,α_Ｈ)を計算するための計算器（１６０）と、前記要素アンテナの偏波を制御するために前記オフセット値及び前記減衰値を使用する偏波制御装置（１３０）と、を備えているアンテナ装置に関する。

Description

本発明は、一般的に、オンボードアンテナシステム、そして、より詳細には、衛星通信用位相制御装置を具備する配列アンテナシステムに関する。

民間又は軍の航空機と地表との間の通信は一般的に衛星チャンネルを通じて行われる。特に知られているのは、静止衛星の配置(constellation)を実施し、かつ、世界的なサービス区域を提供するＳＡＴＣＯＭ衛星通信システムである。静止衛星に向けて固定的に指向させ得る地表アンテナとは異なり、航空機に積み込まれたアンテナは飛行中に衛星を追跡し、かつ、通信のために使用される応答器である衛星放送の中継器に向けてビームの連続的な目標決めを保証しなければならない。幾つかの型式のオンボードアンテナシステムがこの追跡を可能にするために従来技術において考慮されてきた。特許文献１からは、中継器などに向けた連続的なアンテナの開放を目標にするために“シーケンシャルロビング(sequential lobing)”とも呼ばれる、円錐走査を実施する、方位角及び高さが配向可能な、モータ付アンテナを使用することが知られている。特許文献２及び特許文献３からは、電子化を目標にした位相付配列アンテナを使用することも特に知られている。所望の方向へのビームの配向は配列の各要素アンテナによって発せられるべきか又は該各要素アンテナによって受信されるべき信号に所与の位相オフセットを適用することによって慣用的に得られる。こうしたアンテナの第１の利点は、機械的慣性無しに、ビームの迅速な目標決めを可能にすることである。こうしたアンテナの第２の利点は、コンフォーマルアンテナ(antenne conforme)、すなわち、高さが小さく且つ飛行機の胴体の曲率に適合する平らなアンテナ、として実現し得ることである。

大抵の衛星は、厳密に言えば等価な周波数における或る場合に、２つの直交する偏波(polarisations)に従って信号を発し且つ受信する。この時、この偏波のみが異なる衛星放送の中継器の通信チャンネルを分離させることが可能である。例えば、第１中継器は鉛直な偏波に従って、すなわち、地表面に直交する電場によって発信／受信し得るものであり、そして、第２の隣接する中継器は水平な偏波に従って、すなわち、地表面に平行な電場によって発信／受信し得るものであり、この構成は第２信号を送信することを可能にする。或る場合には、静止衛星は、左又は右に環状の偏波に従って信号を発信及び受信する。

衛星に向かうビームの動的目標決めを保証するのに必要なように、飛行中に、送信された信号の偏波、又は、それに従って信号が送信される偏波、を維持することは必要不可欠である。実際、飛行中に、偏波は航空機の位置、横傾斜、及び進行方向に依存し得る。特に、大きなサービス区域を有する衛星に対しては、航空機の運動中の偏波の配向は該区域内で変動し得る。

特許文献３に記載されたオンボードアンテナシステムはビームの偏波の制御を可能にする。これを行うために、前記システムは鉛直及び水平な偏波を有する要素アンテナを備える位相制御アレイを使用する。信号の極性を一定に保つために閉ループ制御装置が２つの要素アンテナ間の位相オフセットを制御する。

上述したアンテナシステムは、閉ループ制御装置が接続されているときは正確に作動する。しかしながら、衛星探索フェーズ、すなわち、初期の目標決めの間に、あるいは引き継ぎ(handoff)の間に、右偏波を有する送信ビーム又は受信ビームをすぐに得ることは難しい。隣接する衛星の中継器又は同じ衛星の中継器が異なる偏波を有する等価な受信周波数を使用し得るとすると、衛星の目標決めフェーズの間中の送信ビームの間違った偏波は前記中継器におけるクロストークに通じ得る。同様に、中継の衛星に向けた目標決めの間中の受信ビームの間違った偏波は航空機に搭載した受信機におけるクロストークに通じ得る。

米国特許第６４８３４５８号明細書 米国特許第６６５０２９１号明細書 国際出願公開第９２／２１１６２号パンフレット

従って、本発明の第１の目的は、探索フェーズ又は引き継ぎの間中に良好な初期偏波によって送信／受信ビームの迅速且つ正確な目標決めを可能にすることである。

さらにまた、空の交通が増加するにつれて、中継器の占有率は極めて増加している。所与の瞬間に、或る衛星の或る中継器は、他の衛星の中継器が僅かに占有されているのみである間にも飽和し得る。従って、本発明の更なる目的は、飛行中の動的な中継の割当に適合可能なオンボードアンテナシステムを提供することである。

本発明は、少なくとも１つのビーム形成器に接続された複数の偏波制御された要素アンテナによって構成された位相制御配列アンテナを備える、航空機に積み込まれるように構成されたアンテナシステムであって、
−航空機の位置及び姿勢情報、通信衛星の座標、及び前記衛星の中継器の偏波特性から位相オフセット値（φ_ｖ、φ_Ｈ）及び減衰係数(α_ｖ,α_Ｈ)を計算するように構成された計算器と、
−要素アンテナの極性を制御するために位相オフセット値及び減衰係数を使用する偏波制御装置と、を備えるアンテナシステムによって規定される。

有利なことに、前記システムは、ベースバンド方式又は中間周波数アンテナ信号を変調又は復調するためのＲＦ変調／復調ステージを備え、前記復調信号は前記計算器によって制御されたＶＣＯによって提供される。

前記ビーム形成器は前記計算器によって供された複数の位相オフセット

を使用して送信又は受信ビームを作るように構成され、前記位相オフセットは前記航空機の位置及び姿勢情報と、目標決めされるべき前記衛星からの座標と、から得られる。

送信又は受信ビーム形成器は発信されるべき信号又はベースバンドで受信された信号で作動するのが好ましく、そして、位相オフセットは複素数の乗算を使用して得られる。

一実施形態によれば、前記システムは、利用可能な前記静止衛星のリストを含むデータベースを備えている。前記リストはこれらの静止衛星のそれぞれの座標、前記偏波特性、及び前記静止衛星の異なる中継器の前記送信及び受信周波数を有する。

前記データベースは地表にある中央データベースから動的に更新され、しかも、前記送信及び／又は受信のために使用されるべき前記中継器の実時間割当を含んでいる。

一変更実施形態によれば、前記システムは、前記中継器と通信が定立する方向にビームを形成するように構成された第１ビーム形成器と、前記送信機と通信が、その後、中継器と通信が定立する方向にビームを形成するように構成された第２ビーム形成器と、を備える。

有利なことに、前記システムの前記配列アンテナはコンフォーマル型式の配列アンテナである。

本発明のほかの特性及び利点は添付の図面を参照して本発明の１つの好ましい実施形態を読めば理解される。

本発明の一実施形態によるオンボードアンテナシステムを線図で示す図である。 本発明の一実施形態による偏波制御装置によるビーム目標決め方法を示す図である。

本発明の基本的な概念は航空機の慣性ユニット又はナビゲーション装置によって提供される位置及び姿勢情報を使用し、かつ、この情報及び目標と定められるべき衛星の座標に従って、２つの直交する偏波により送受信されるべき信号に加えられるべき位相オフセットを計算することである。これにより、ビームを衛星に向ける初期目標決め位相の間に所望の偏波を得ることである。

図１は、本発明の一実施形態によるオンボードアンテナ装置を示している。この装置１００は、位相制御配列アンテナ１１０を備えている。有利なことに、このアンテナはコンフォーマル型式、すなわち、航空機の胴体の形状に適合する高さが低い平らなプロファイルを有し得る。配列アンテナ１１０は要素アンテナ１２０を配置することからなり、各要素アンテナの偏波は制御可能である。要素アンテナ１２０は、例えば、当業者には周知な態様で２つの直交する送給プローブ１２１、１２２を具備するパッチアンテナを使用して作られる。各要素アンテナ１２０は位相オフセット、及び、必要に応じて、チャンネルＨ及びＶの各々の振幅に作用する自身の偏波制御部１３０を具備している。例えば、アンテナが上述したパッチ形式の場合、偏波制御装置は直交するプローブの各々に対して、すなわち、チャンネルＨ及びＶの各々に対して、位相シフター１３１、１３２および、例えば減衰器のような振幅制御器１３３、１３４を含む。

φ_Ｈ及びφ_ＶをチャンネルＨ及びＶのそれぞれに印加される位相オフセットであると示してきており、同様に、α_ｖ及びα_Ｈをこれらのチャンネルへのそれぞれの重み係数であることに留意してきた。チャンネルＨ及びＶからの信号はＲＦステージ１４０に送信される前の受信時に合成される。ＲＦステージ１４０から到来するアンテナ励磁信号はチャンネルＨ及びＶへの２つの信号に分割されてアンテナに送給する。合成／分割動作は電力分割器／電力合成器１３５によって行われる。

ＲＦ送信／受信ステージは各要素アンテナに対して、送受切換え器（図示せず）並びにバースバンド復調モジュール（図示せず）、あるいは、場合に応じて、中間周波数への変換のためのモジュールを含んでいる。ベースバンド及び中間バンド復調信号は数値的に制御されたＶＣＯによって提供される。変調／復調周波数ｆ_ｍは計算器によって与えられる。

送信時には、送信ビーム形成器１５１から到来する信号のデジタル／アナログ変換によってベースバンド信号が得られる。相反的に、受信時には、異なる要素アンテナのために予定されたベースバンド信号は受信ビーム形成器１５２に送信される前にデジタル／アナログ変換を受ける。ビーム形成器１５１及び１５２は異なるアンテナから到来するか又は該異なるアンテナのために予定されたベース信号に位相オフセットを加える。

有利なことに、これらの信号の振幅重み付けは送信又は受信ビームの第２ローブをアポダイズ(apodiser)するように行われる。異なる信号のそれぞれの位相オフセットは、これらの信号を周知の態様である、複素回転係数によって乗算することによって得ることができる。振幅重み付け及び複素デジタルサンプルの位相回転は、複素係数による単一乗算操作を使用することによって行われると有利である。
より詳細には、Ｓ₁,...,Ｓ_NがN個のアンテナから到来するベースバンドデジタル信号サンプルである場合、受信ビーム形成器は、

を行う。ここで、ｒは配列アンテナ信号であり、

は前記複素受信係数である。同様に、送信アンテナＳに対しては、送信ビーム形成器は、複数Ｎ個の位相オフセット及び重み付け信号を生成する。

は複素送信係数である。勿論送信ビームが受信ビームと同じ方向を目標としている場合、

である。ここで、＊は複素共役を示す。

計算器１６０は偏波制御器１２５に対して、位相オフセットφ_Ｈ及びφ_Ｖと、係数
α_Ｈ及びα_ｖと、を提供し、他方で、ビーム形成器１５１及び１５２内に対して、位相オフセット

及び

、より一般的にはビーム形成器１５１及び１５２内のビーム形成に対しては複素係数

を提供する。

計算機は、一方で、データベース１８０に記憶された、
−探索された衛星の座標、すなわち、静止衛星軌道上の自身の位置、及び
−例えば、鉛直、水平、右又は左に円形の中継器によって使用される偏波の特性のような衛星に関する情報、及び、他方で、エアインク４２９(Arinc 429)又はＡＦＤＸ（アビオニクスフルデュプレックス(Avionics Full Duplex)型式の、慣用的な航空電子機器バス１７０によって、航空機の慣性ユニット又はナビゲーションシステムによって提供された自身の空間的座標及び自身の進行方向、ロール及び横傾斜角度のような、航空機の位置及び姿勢情報、に従って、ビームの目標決めをするために、偏波位相オフセット及び複素位相オフセット／係数を決定する。

航空機の位置及び姿勢情報を実時間で知るため、計算機は、送信／受信ビームを当該衛星に向けて目標決めするために適用されるべき位相オフセット

を何れの瞬間にも決定することができる。これと同じ情報並びに中継器の偏波特性から、計算器１６０は偏波制御装置のチャンネルＨ及びＶ上に重み付け係数α_Ｈ及びα_ｖと_、位相オフセットφ_Ｈ及びφ_Ｖと、を決定することができる。従って、ビームの偏波ベクトルは所望の方向に一定に配向し得る。

データベース１８０は種々の利用可能な静止衛星の座標を含んでいる。１つの特定の実施形態によれば、データベースは地上に位置する中央データベースと同期して実時間で更新される。中央データベースは所与の航空機の異なるアンテナに対する中継器の割当を含んでいることが有利である。この割当は動的であり、かつ、特に、中継器の占有率に応じて変化し得る。さらにまた、割当は顧客と契約上規定されたサービス品質（ＱｏＳ）に依存し得る。データベース１８０は、従って、送信及び／又は受信のために使用されるべき中継器の実時間割当を含んでおり、かつ、目標に対する衛星の割当も含んでいる。

サービスを中断せずに引き継ぎを可能にするために、中継器の方向に目標決めする第１のビーム形成器と、使用される中継器の方向に目標決めする第２のビーム形成器と、の２つの区別されたビーム形成器を提供し得る。引き継ぎがビーム形成器のそれぞれの入力（送信時）又は出力（受信時）に相当するように、２つのビーム形成器は同時に作動される。

データベース１８０は異なる利用可能な衛星の中継器、特に、周波数、飽和電力及び各中継器に対する偏波の特性を含んでいる。

従って、計算器１６０は、データベースから検索するか又は該データベースに記憶された情報から現時点で割り当てられた中継器／衛星の同一性を決定する。割り当てられた中継器に関連する特性は特に変調／復調周波数ｆ_ｍを決定可能にしてＲＦステージのＶＣＯを制御する。最大送信電力Pmaxは中継器の飽和、偏波ベクトルの配向を回避することを可能にする。

図２は本発明の一実施形態による、偏波制御を有するビームの目標決めをする方法の実施形態を例示している。

偏波制御のようにビームの目標決めは、第１の探索フェーズ、あるいは衛星／中継器の初期の目標決めと、第２の追跡フェーズと、の２つのフェーズを備えている。

探索フェーズ（Ｉ）の間中に、計算器は、２１０では、衛星の方向にビームを向けることを保証する位相オフセットを決定し、２２０では、航空機の位置及び姿勢を考慮に入れて、中継器の方向に偏波の方向を整合させることを可能にする位相オフセット及び重み付け係数を決定する。２３０では、ビームの偏波の良好な初期の目標決めと組み合わせた初期の良好な目標決めが、ビーム形成器１５１、１５２、並びに偏波制御回路１３０はこれらの値を使用して初期化される。現状の技術において存在するクロストークを極めて減じることを可能にする。

衛星の追跡フェーズ（ＩＩ）の間中、目標決め制御及びビームの偏波は、アンテナ装置が受信モードで作動するとき、上述したように、開放ループ内、あるいは閉ループ内の何れかで行い得る。例えば、アンテナ装置は、現状の技術で知られている、“モノパルス(monopulse)”型式の技術又は円錐走査を使用して位相オフセット

及びより一般的な係数

を適合可能に決定する。位相オフセット

又は係数

の実時間適合は受信した信号を最大化するように行われる。あるいは、係数の適合化は案内シーケンスから慣用的に行い得る。受信シーケンス及び案内シーケンス間の誤差を最小化するように、勾配アルゴリズムを使用して係数を特に適合し得る。

１００ オンボードアンテナシステム
１１０ 位相制御配列アンテナ
１２０ 要素アンテナ
１２１、１２２ 送給プローブ
１３０ 偏波制御装置
１３１、１３２ 位相シフター
１３３、１３４ 振幅制御器
１３５ 電力分割器／電力合成器
１４０ ＲＦステージ
１５１ 受信ビーム形成器
１５２ 送信ビーム形成器
１６０ 計算器
１７０ 航空電子機器バス
１８０ データベース

Claims (8)

1. 少なくとも１つのビーム形成器（１５１、１５２）に接続された複数の偏波制御された要素アンテナ（１２０）から構成された位相制御配列アンテナ（１１０）を備える、航空機に積み込まれるように構成されたアンテナ装置（１００）において、
   前記航空機の位置及び減衰情報、通信衛星の座標及び該通信衛星の中継器の偏波特性から位相オフセット値（φ_ｖ、φ_Ｈ）及び減衰係数(α_ｖ,α_Ｈ)を計算するように構成された計算器（１６０）と、
   前記要素アンテナの偏波を制御するために前記位相オフセット値及び前記減衰係数を使用する偏波制御装置（１３０）と、を備えることを特徴とするアンテナ装置（１００）。
2. ベースバンド又は中間周波数アンテナ信号を変調又は復調するためのＲＦ変調／復調ステージ（１４０）を備え、前記復調信号は前記計算器によって制御されたＶＣＯによって供されることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記ビーム形成器（１５１、１５２）は前記計算器によって供された複数の位相オフセット
   

   

   を使用して送信又は受信ビームを形成するように構成され、前記位相オフセットは前記航空機の位置及び姿勢情報と、目標決めされるべき前記衛星の座標と、から得られることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記送信又は受信ビーム形成器は放射すべき信号又はベースバンドで受信した信号で作動し、しかも、前記位相オフセットは複雑な乗算を使用して得られることを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 利用可能な前記静止衛星のリストを含んでいるデータベース（１８０）を備え、前記リストはこれら静止衛星のそれぞれの座標、前記偏波特性、及び前記静止衛星の異なる中継器の前記送信周波数又は受信周波数を含んでいることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記データベース（１８０）は地表にある中央データベースから動的に更新され、しかも、前記送信及び／又は受信のために使用されるべき前記中継器の実時間割当を含んでいることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記中継器と通信が定立する方向にビームを形成するように構成された第１ビーム形成器と、その後、前記中継器と通信が定立するように構成された第２ビーム形成器と、を備えることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記配列アンテナ（１１０）はコンフォーマルタイプからなることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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