JP3592914B2 - フィード装置／反射器のデフォーカスおよび反射器のジンバル動作による成形された反射器の軌道上における再構成方法および通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は衛星通信、特に衛星の放射パターンを変更するための衛星のアンテナアセンブリをデフォーカスするシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信衛星は地上局から電磁信号を受信し、これらの信号を１以上の地上局へ再送信するために使用されている。信号は衛星を介して地上局間で通信するための音声、ビデオ、データ等の情報を含んでいる。基本的に、衛星の目的は送信局から受信局へ情報を送信することである。
【０００３】
典型的に、ほとんどのパワーが地球から衛星への送信通路の損失を通じて失われるので、衛星で受信された信号の強度は弱い。通路損失は衛星と地球との離れた距離の結果である。受信信号のパワーは距離の２乗に逆比例して変化する。例えば、フィーダ地上局により送信される信号のパワーは約１０００ワットであるが、衛星により受信される信号パワーは１ナノワット（１０−９Ｗ）に過ぎない。
【０００４】
衛星により受信される信号パワーは送信するには弱過ぎるので、衛星は受信された信号を増幅するための増幅器を有する。増幅後、衛星は増幅された信号を、受信地上局へ再度送信する。衛星は送信する前に、受信された信号を処理するため、復調、変調のような付加的な技術を使用する。送信期間に、大部分の送信される信号パワーは衛星から地球の送信通路の損失によって失われる。例えば衛星は増幅後１０ワットの強度を有する信号を送信するが、１０ピコワット（１０−１２ Ｗ）しかフィーダ地上局により受信されない。
【０００５】
アンテナは信号を直接的に特別な位置に指向する能力と、特別な位置から放射する信号に同調する能力を有するので、衛星は信号の送信および受信にアンテナを使用する。アンテナは放射パターンと呼ばれるものへ信号を集束することによって所定の周波数を有する信号を特定位置に送信することができる。同様に、アンテナは特定位置から発信する所定の周波数を有する信号を受信するために同一の放射パターンに同調される。アンテナは送受両用の装置であるので、これらは同一の放射パターンの送信および受信特性を有する。典型的に、アンテナは周波数帯域で僅かに異なった信号周波数を用いることにより、これらの両者の動作を一度に行う。しかしながら、周波数の変化は通常同一の大きさであり、それによって放射パターンは両者のモードで同一である。
【０００６】
送信モードでは、アンテナはその他の方向で送信されるパワーを減少しながら選択された方向で送信されるパワーを増加することによって放射パターンを形成する。全ての方向で均等にパワーを送信するのではなく選択された方向でパワーを送信することに関するアンテナの能力はアンテナの指向性と呼ばれる。指向性に相互関連する概念は利得である。アンテナの利得は他の領域へのパワーを減少することにより所定の領域へのパワーを増加するアンテナの能力度である。
【０００７】
受信モードでは、アンテナは入射する電磁エネルギからエネルギを集める。可逆性のために、アンテナは全ての他の領域から発信する信号を受けないが放射パターン内の領域から発信するエネルギを集めるように同調される。特別な領域からエネルギを集めるアンテナの能力尺度はアンテナの実効的開口と呼ばれている。通常受信モードにおける高い実効的開口アンテナは送信モードでも高い利得を示す。
【０００８】
典型的に、衛星は幾つかの種類のアンテナアセンブリを使用する。アンテナアセンブリは主反射器とフィード装置からなる。主反射器は通常パラボラ反射器または成形された反射器である。送信モードでは、フィード装置は電磁エネルギビームで主反射器を照射する。主反射器はその後電磁エネルギビームを地球へ送信するために放射パターンへ反射し焦点を結ばせる。受信モードでは、主反射器は放射パターンから入射する電磁エネルギをフィード装置上の反射されたビームへ焦点を結ばせる。
【０００９】
フィード装置は通常、主反射器の中心と垂直な軸またはこの軸からのオフセットした軸上の主反射器の焦点に位置されている。フィード装置は主反射器から小部分の反射ビームを受けるので、フィード装置はしばしば反射ビーム外部であるようにオフセットされる。これは特に小さいサイズの主反射器で真である。
【００１０】
フィード装置は種々の構造を有する。例えば、フィード装置はまた主反射器の方向へ導かれるフィードホーンなどの単一のフィード素子からなる。フィード装置も主反射器で導かれるサブ反射器と、サブ反射器に導かれるフィード素子からなる。このシナリオでは、フィード素子は電磁エネルギを有するサブ反射器を照射する。サブ反射器はその後主反射器を照射するためにこのエネルギを反射する。
【００１１】
送信距離により生じる究極の損失のために、衛星アンテナから送信される浪費パワー量を減少することが望ましい。海のような不必要な領域が、送信された信号の一部を受けるときパワーは浪費される。したがって、アンテナはパターン外形が所望のカバー範囲の形状に適合する放射パターンを有する信号を送信するように設計されている。例えば、所望のカバー範囲の領域は日本列島、アメリカ大陸、または標準時間帯である。
【００１２】
同様に、送信損失のために、アンテナが所望のカバー範囲に同調され、それによって領域からできる限り多くのパワーを集め、領域外からのパワーを集めないことが望ましい。前述したように、アンテナがエネルギを所望のカバー範囲に送信するように設計されたとき、可逆性のためにこの範囲もアンテナがエネルギを集めるために同調する範囲である。
【００１３】
成形された外形放射パターンを発生する１つの既知の方法はアレイ供給パラボラ反射器である。別の方法は直接放射平面アレイである。両者の方法は一般的にアレイ素子を加重するために受動的なビーム成形回路網を使用する。しかしながら、これらの方法に関して幾つかの欠点が存在する。第１に、これらの方法は動作パワーを必要とし、これは利用可能な供給パワーが限定されている衛星では問題である。第２に、これらは衛星で実行するには高価である。第３に、受動的なビーム成形回路網に関する電磁エネルギ損失は許容可能ではない。
【００１４】
成形された形状の放射パターンを発生するための別の既知の方法は、成形された主反射器を有するフィード装置を使用することである。成形された主反射器は所望の放射パターンを発生するように成形された表面を具備している主反射器である。成形された反射器に関する主な欠点は、これらの反射器により発生される放射パターンが衛星の発射前に固定され、決定されなければならないことである。特に、反射器の成形とフィードの位置は所定の固定された放射パターンと衛星の位置に対して設計される。拡大する衛星市場のために、要求されることは、必要とする軌道上の再構成能力を連続的に変更し、即ち軌道上にありながら放射パターンを変更することである。
【００１５】
成形された反射器の放射パターンを変更するため先に紹介したビーム成形回路網を使用することに加えて、従来の設計は軌道上にあるときに成形された反射器の表面を変更することを説明している。これは反射器の表面上の多数の点に複数の付勢装置が位置することを必要としているかなり複雑なシナリオである。軌道上の衛星の複雑性のために実際的な構成は実現されていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的はアンテナアセンブリをデフォーカスすることによりアンテナアセンブリが設けられている衛星の放射パターンを変更するための方法およびシステムを提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、アンテナの反射器とフィード装置をデフォーカスすることによって、フィード装置により供給される反射器を備えたアンテナが設けられた衛星により、地球へ送信される信号の放射パターンの形状を変更する方法およびシステムを提供することである。
【００１８】
本発明のさらに別の目的は、反射器とフィード装置をデフォーカスすることによって、反射器とフィード装置を備えたアンテナが設けられた衛星により、地球から受信される信号の放射パターンの形状を変更する方法およびシステムを提供することである。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、地球上の特別な地域にわたって変更された大きさの放射パターンを走査するための方法およびシステムを提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために行うため、本発明は地球を周回する衛星の通信システムを提供する。本発明は、地球に電磁エネルギの放射パターンを送信するための地球の上空の軌道を周回する衛星において、滑動機構と、地球上の照射区域の形状を定める成形された放射パターンで電磁エネルギを地球に向けて送信するための成形された反射器と、電磁エネルギにより前記成形された反射器を照射するためのフィード装置とを備え、成形された反射器はフィード装置から受信された電磁エネルギを放射パターンで地球へ送信し、成形された反射器とフィード装置の少なくとも一方は滑動機構に滑動可能に取付けられて、成形された反射器とフィード装置との間のデフォーカスによって地球の上空の軌道を周回する衛星から地球上に送信される電磁エネルギによる地球上の照射区域の形状を定めている放射パターンを変更するために反射器とフィード装置との間の距離を変化するように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前述の目的を実行するため、本発明は地球を周回させる衛星に衛星にフィード装置と反射器とを備えたアンテナを設けて、地球上の照射区域の形状を定める放射パターンで電磁エネルギを送信させる方法を提供する。この方法は、フィード装置からの電磁エネルギにより成形された反射器を照射し、所定の区域を照射する形状の放射パターンで電磁エネルギを反射器から地球へ送信し、反射器とフィード装置の少なくとも一方を変位させて両者間の相対的な距離を変化させ、それによって地球の上空の軌道を周回する衛星によって地球上の所定の区域を照射する形状の放射パターンを変更するように反射器とフィード装置間でデフォーカスを行わせることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前述の目的を実行するために、本発明においては放射パターンで電磁エネルギを受信するためのフィード装置と反射器を衛星に設け、衛星に地球を周回させる。この方法では反射器により成形された放射パターンで電磁エネルギを受信する。反射器はその後反射器で受信された電磁エネルギによりフィード装置を照射する。反射器とフィード装置の少なくとも一方がその後、放射パターンの形状を変更するため反射器とフィード装置との間のデフォーカスを可能にするように変位される。この方法は放射パターンの操縦を含んでいる。
【００２３】
本発明により多くの利点が得られる。現在の成形された反射器設計は固定した放射パターンを有し、それによって変化の要求に適合されることができない。それ故、ある応用では、衛星は必要とされるよりも過大に設計され大きな地域をカバーする。他の応用では、衛星は必要とされるよりも過小に設計され、小さい領域をカバーする。本発明は公称上のアンテナ形状設計がかなり広範囲の放射パターンで選択されることを可能にし、これは衛星が発射され軌道に乗った後に行われることができる。変更はかなりの額の価格を節約し複雑性の減少が得られる比較的簡単な方法で実現される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明のこれらおよび他の特徴と利点および実施形態は以下の説明、添付図面、特許請求の範囲により良好に理解されるであろう。
図１を参照すると、通信システム１０が示されている。システム１０は衛星１２とアンテナアセンブリ１４とを含んでいる。衛星１２は地球表面の上空の軌道に位置されており、それによってアンテナアセンブリ１４が地球上の局（特に図示されていない）から信号を送信および受信することを可能にしている。
【００２５】
アンテナアセンブリ１４は主反射器アンテナ１６とフィード装置１８とを含んでいる。フィード装置１８はサブ反射器アンテナ２０とフィード素子２２とを含んでいる。衛星１２が地球上の局から信号を受信しているとき、主反射器１６は衛星方向に伝播している局から信号を集める。主反射器１６は入射信号を反射し、これらをサブ反射器２０の方向へ焦点を結ばせ、サブ反射器を照射する。サブ反射器２０はその後これらの信号を反射してフィード素子２２の方向へさらに焦点を結ばせる。フィード素子２２は増幅器および復調器のような受信電子装置へ接続され、それによって再送信するために衛星１２が受信された信号を処理することを可能にする（特に図示されていない）。
【００２６】
フィード素子２２はまた増幅器および変調器のように送信電子装置へ接続され、それによって信号を地球（特に図示されていない）へ送信するように衛星１２をエネーブルする。衛星１２が地球上の局の方向へ信号を送信しているとき、フィード素子２２はサブ反射器を照射するため信号を広ビームでサブ反射器２０の方向に放射する。サブ反射器２０はその後、信号を広いビームへ主反射器１６方向に反射する。主反射器１６は信号を地球上の局またはターゲット方向へ反射し焦点を結ばせる。
【００２７】
アンテナシステム１４はまた滑動機構２４を含んでいる。主反射器１６とフィード装置１８は滑動可能に滑動機構２４へ取付けられている。主反射器１６、サブ反射器２０、またはフィード素子２２は滑動機構２４に沿って移動可能である。したがって、これらの素子のいずれかが焦点から軸的に変位されてもよい。
【００２８】
図２を参照すると、システム１０の平面図が示されている。主反射器１６は回転可能な支持体２６により滑動機構２４に滑動可能に取付けられている。以下詳細に説明するように、回転可能な支持体２６はビーム操縦のため、主反射器１６を回すために回転可能である。同様に、サブ反射器２０は滑動可能に支持体２８に取付けられている。フィード素子２２はフィード素子がベースに沿って対角線に移動するようにフィード素子をエネーブルするためにベース３０に滑動可能に取付けられている。ベース３０はフィード素子２２が滑動機構に沿って移動することを可能にするため支持体３２により滑動機構２４に滑動可能に取付けられている。
【００２９】
主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２は所定の放射パターンを発生するように全て相互に所定の距離に位置付けられている。通常、最初の距離はフィード素子２２が主反射器１６の焦点にあるように選択されている。主反射器１６は好ましくは成形された反射器である。しかしながら主反射器１６はパラボラ反射器のような他のタイプの反射器でもよい。
【００３０】
成形された反射器は所望の放射パターンを発生するように変形された表面を有する反射器である。パラボラ反射器は滑らかな表面を有する。例えば単一のフィードにより供給されるパラボラ反射器はコーンのような簡単な放射パターンを発生する。このシナリオでは、放射パターンがターゲットよりも大きいならば、エネルギは浪費される。また、エネルギはこれらの部分が放射パターン外部であるならばターゲットの一部に到達しない。一方、成形された反射器は国または島の形状のような任意の成形された放射パターンを生成するように変形されることができる。この場合、全ての領域のターゲットが放射パターンによりカバーされるのでエネルギは効率的に利用されることができる。同様に、放射パターン内の領域のみ、即ちターゲットがエネルギを受信しているので、浪費されるエネルギはない。
【００３１】
図２で示されているように、主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２は相互から所定の距離に位置されている。この距離は主反射器１６が公称上の寸法および形態の放射パターンを発生するように選択される。主反射器１６が成形された反射器であるので、放射パターンは複雑な形態を有する。
【００３２】
しかしながら、衛星１２が軌道上にある間に放射パターンを多数回変更することが所望される。システム１０の主要な利点は、衛星が軌道上にある間に、比較的簡単な処理により放射パターンの変更を可能にすることである。特に、主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２はこれらが相互に関して変位可能であるように、全て滑動機構２４へ滑動可能に取付けられている。これらは変位可能であるので、これらの間の距離はデフォーカスを可能にするために変更されることができる。デフォーカスは放射パターンを変更する。デフォーカスはまた反射器１６およびフィード装置１８の指向性、利得、実効開口を変更する。
【００３３】
特に、少なくとも１つの主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２が滑動機構２４に沿って移動するとき、衛星１２が軌道にありながら放射パターンは変化する。フィード素子２２はまたデフォーカスおよび結果的な放射パターンの変化を可能にするためにベース３０に沿って移動してもよい。
【００３４】
したがって、衛星１２が発射された後に放射パターンのかなり広い変化が行われることができる。主反射器１６が成形された反射器であることが好ましいので、これらの放射パターンは依然として複雑な形態を有する。
【００３５】
さらに図２を参照すると、システム１０は関連する制御モジュール（特に図示せず）を有するプログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ）３４を含んでいる。ＰＬＣ３４は滑動機構２４に沿って主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２の運動をそれぞれ可能にするために回転可能な支持体２６と、支持体２８と、支持体３２により動作可能である。ＰＬＣ３４はステッピングモーターのような駆動素子を内蔵し、運動を実現する。
【００３６】
システム１０はさらにＰＬＣ３４と共に動作可能なジンバル機構３６を含んでいる。ジンバル機構３６は主反射器を回転し傾斜するように主反射器１６を動作させる。主反射器１６の回転および傾斜は放射パターンが操縦されることを可能にする。したがってデフォーカスおよびジンバルの使用によって、大きさの変化する放射パターンは地球上の多数の異なった地域にわたって位置されることができる。
【００３７】
図３を参照すると、本発明の別の実施形態の平面図が示されている。図３で示されている素子は図２で示されている素子と同一である。したがってこれらの素子は同一の参照符号で示されている。
【００３８】
図３で示されている実施形態と図２で示されている実施形態の基本的な差は、主反射器を照射するためフィード素子２２が直接主反射器１６を指向していることである。主反射器１６とフィード素子２２はデフォーカスを可能にするためにそれぞれの支持体上で滑動機構２４に滑動可能に取付けられている。同様に、フィード素子２２はデフォーカスを可能にするためにベース３０に滑動可能に取付けられている。したがって主反射器１６とフィード素子２２は相互に関して変位され、デフォーカスが生じ、放射パターンは変化する。
【００３９】
図４のａ、ｂ、ｃは本発明のデフォーカスシステム１０の効果を示している。図４のａでは、主反射器１６とフィード装置１８は欧州の大部分をカバーする放射パターンを発生するために相互に関して位置付けられている。その後、少なくとも１つの主反射器１６とフィード装置１８が相互に関して変位されるときデフォーカスが行われる。図４のａで示されている放射パターンよりもコンパクトである結果的な放射パターンが図４のｂで示されている。少なくとも１つの主反射器１６とフィード装置１８が相互に関してさらに変位されるとき、よりデフォーカスが生じる。全ての中で最もコンパクトである結果的な放射パターンが図４のｃで示されている。
【００４０】
放射パターンのコンパクトまたは変化量は主反射器１６とフィーダアセンブリ１８との間の変位の線形関数ではない。例えば、主反射器１６とフィーダアセンブリ１８はよりコンパクトな放射パターンを実現するため相互に離れるように移動してもよい。これらがさらに離れるように移動するとき、放射パターンはよりコンパクトになるかまたは広くなる可能性もある。しかしながら重要なことは、主反射器１６とフィーダアセンブリ１８が相互に関して移動するとき放射パターンが変化することである。したがって放射パターンの軌道上の再構成が実現されることができる。
【００４１】
可変サイズの放射パターンを設けることに加えて、本発明は放射パターンを操縦する能力を提供する。放射パターンの操縦はジンバル機構３４により主反射器１６を回転し傾斜することによって達成される。回転および傾斜動作はジンバル動作と呼ばれる。図５のａで示されているように、図４のｂの放射パターンは英国とその周囲の地域をカバーするように操縦されている。この同一の放射パターンは図５のｂで示されているように、スペインおよびその周囲の地域をカバーするように操縦されてもよい。
【００４２】
共に共同してジンバルおよびデフォーカス動作をすることによって、衛星１２は衛星のグループであるかのように機能する能力を有する。１つの主反射器１６とフィーダアセンブリ１８を移動することはデフォーカスおよび放射パターンに対応する変化を生じさせる。例えば、デフォーカス後、図５のａの放射パターンは図６のａで示されているように、丁度英国をカバーし、その周囲の地域をカバーしないように狭められることもできる。同様に、デフォーカス後、図５のｂの放射パターンは図６のｂで示されているように、丁度スペインをカバーし、その周囲の地域をカバーしないように狭められる。
【００４３】
図７を参照すると、本発明にしたがった送信システムおよび方法の動作を表しているフローチャート７０が示されている。一般的に、フローチャート７０は操縦されることのできる可変のサイズの放射パターンを送信する。フローチャート７０はブロック７２で開始し、これはフィード装置からの電磁エネルギにより反射器アンテナを照射する。ブロック７４はその後、反射器アンテナから電磁エネルギを送信する。反射器アンテナは放射パターンを有する。ブロック７６はその後、少なくとも１つの反射器アンテナとフィーダアセンブリを変位し、それによってこれらの装置をデフォーカスする。デフォーカスは放射パターンを変化させる。ブロック７８はその後、反射器アンテナを回転し傾斜することにより放射パターンを操縦する。
【００４４】
図８を参照すると、本発明にしたがった受信システムおよび方法の動作を表しているフローチャート８０が示されている。通常、フローチャートは操縦されることのできる可変サイズの放射パターンを受信する。フローチャート８０はブロック８２で開始し、このブロックは反射器アンテナにより電磁エネルギを受信する。反射器アンテナは放射パターンを有する。ブロック８４はその後、反射器アンテナからの電磁エネルギによりフィード装置を照射する。ブロック８６は少なくとも１つの反射器アンテナとフィード装置を変位し、それによってこれらの装置をデフォーカスする。デフォーカスは放射パターンを変化させる。ブロック８８はその後、反射器アンテナを回転し傾斜することによって放射パターンを回転し操縦する。
【００４５】
本発明の実施形態は衛星上に標準的なパッケージとして内蔵されることができる。原理的に、この能力を有する衛星は多数の衛星の性能を達成することができる。
【００４６】
さらに、使用されるアンテナシステムは、関連するフィーダアセンブリを有する単一の成形された反射器または単一のパラボラ反射器に限定される必要はない。例えば、関連するフィーダアセンブリを有する二重にグリッドされた反射器または二重反射器システムもまた使用されてもよい。
【００４７】
本発明は当業者に明白である多数の代替、変更、変形を含んだ広範囲の異なった構造で使用されてもよいことに留意すべきである。したがって、本発明は本発明の技術的範囲内である全てのこのような代替、変更、変形を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがったアンテナシステムが設けられている通信衛星の斜視図。
【図２】図１で示されている通信衛星の平面図。
【図３】アンテナシステムの別の実施形態による図１で示された通信衛星の平面図。
【図４】デフォーカスのない放射パターンと、１２ｃｍデフォーカスされている放射パターンと、２５ｃｍデフォーカスされている放射パターンとの図。
【図５】図４の１２ｃｍデフォーカスされている放射パターンをジンバル制御する２つの例の図。
【図６】２５ｃｍデフォーカスされている放射パターンをジンバル処理する放射パターンの２つの例の図。
【図７】本発明にしたがった送信システムおよび方法の動作を示すフローチャート。
【図８】本発明にしたがった受信システムおよび方法の動作を示すフローチャート。
【産業上の利用分野】
本発明は衛星通信、特に衛星の放射パターンを変更するための衛星のアンテナアセンブリをデフォーカスするシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信衛星は地上局から電磁信号を受信し、これらの信号を１以上の地上局へ再送信するために使用されている。信号は衛星を介して地上局間で通信するための音声、ビデオ、データ等の情報を含んでいる。基本的に、衛星の目的は送信局から受信局へ情報を送信することである。
【０００３】
典型的に、ほとんどのパワーが地球から衛星への送信通路の損失を通じて失われるので、衛星で受信された信号の強度は弱い。通路損失は衛星と地球との離れた距離の結果である。受信信号のパワーは距離の２乗に逆比例して変化する。例えば、フィーダ地上局により送信される信号のパワーは約１０００ワットであるが、衛星により受信される信号パワーは１ナノワット（１０−９Ｗ）に過ぎない。
【０００４】
衛星により受信される信号パワーは送信するには弱過ぎるので、衛星は受信された信号を増幅するための増幅器を有する。増幅後、衛星は増幅された信号を、受信地上局へ再度送信する。衛星は送信する前に、受信された信号を処理するため、復調、変調のような付加的な技術を使用する。送信期間に、大部分の送信される信号パワーは衛星から地球の送信通路の損失によって失われる。例えば衛星は増幅後１０ワットの強度を有する信号を送信するが、１０ピコワット（１０−１２ Ｗ）しかフィーダ地上局により受信されない。
【０００５】
アンテナは信号を直接的に特別な位置に指向する能力と、特別な位置から放射する信号に同調する能力を有するので、衛星は信号の送信および受信にアンテナを使用する。アンテナは放射パターンと呼ばれるものへ信号を集束することによって所定の周波数を有する信号を特定位置に送信することができる。同様に、アンテナは特定位置から発信する所定の周波数を有する信号を受信するために同一の放射パターンに同調される。アンテナは送受両用の装置であるので、これらは同一の放射パターンの送信および受信特性を有する。典型的に、アンテナは周波数帯域で僅かに異なった信号周波数を用いることにより、これらの両者の動作を一度に行う。しかしながら、周波数の変化は通常同一の大きさであり、それによって放射パターンは両者のモードで同一である。
【０００６】
送信モードでは、アンテナはその他の方向で送信されるパワーを減少しながら選択された方向で送信されるパワーを増加することによって放射パターンを形成する。全ての方向で均等にパワーを送信するのではなく選択された方向でパワーを送信することに関するアンテナの能力はアンテナの指向性と呼ばれる。指向性に相互関連する概念は利得である。アンテナの利得は他の領域へのパワーを減少することにより所定の領域へのパワーを増加するアンテナの能力度である。
【０００７】
受信モードでは、アンテナは入射する電磁エネルギからエネルギを集める。可逆性のために、アンテナは全ての他の領域から発信する信号を受けないが放射パターン内の領域から発信するエネルギを集めるように同調される。特別な領域からエネルギを集めるアンテナの能力尺度はアンテナの実効的開口と呼ばれている。通常受信モードにおける高い実効的開口アンテナは送信モードでも高い利得を示す。
【０００８】
典型的に、衛星は幾つかの種類のアンテナアセンブリを使用する。アンテナアセンブリは主反射器とフィード装置からなる。主反射器は通常パラボラ反射器または成形された反射器である。送信モードでは、フィード装置は電磁エネルギビームで主反射器を照射する。主反射器はその後電磁エネルギビームを地球へ送信するために放射パターンへ反射し焦点を結ばせる。受信モードでは、主反射器は放射パターンから入射する電磁エネルギをフィード装置上の反射されたビームへ焦点を結ばせる。
【０００９】
フィード装置は通常、主反射器の中心と垂直な軸またはこの軸からのオフセットした軸上の主反射器の焦点に位置されている。フィード装置は主反射器から小部分の反射ビームを受けるので、フィード装置はしばしば反射ビーム外部であるようにオフセットされる。これは特に小さいサイズの主反射器で真である。
【００１０】
フィード装置は種々の構造を有する。例えば、フィード装置はまた主反射器の方向へ導かれるフィードホーンなどの単一のフィード素子からなる。フィード装置も主反射器で導かれるサブ反射器と、サブ反射器に導かれるフィード素子からなる。このシナリオでは、フィード素子は電磁エネルギを有するサブ反射器を照射する。サブ反射器はその後主反射器を照射するためにこのエネルギを反射する。
【００１１】
送信距離により生じる究極の損失のために、衛星アンテナから送信される浪費パワー量を減少することが望ましい。海のような不必要な領域が、送信された信号の一部を受けるときパワーは浪費される。したがって、アンテナはパターン外形が所望のカバー範囲の形状に適合する放射パターンを有する信号を送信するように設計されている。例えば、所望のカバー範囲の領域は日本列島、アメリカ大陸、または標準時間帯である。
【００１２】
同様に、送信損失のために、アンテナが所望のカバー範囲に同調され、それによって領域からできる限り多くのパワーを集め、領域外からのパワーを集めないことが望ましい。前述したように、アンテナがエネルギを所望のカバー範囲に送信するように設計されたとき、可逆性のためにこの範囲もアンテナがエネルギを集めるために同調する範囲である。
【００１３】
成形された外形放射パターンを発生する１つの既知の方法はアレイ供給パラボラ反射器である。別の方法は直接放射平面アレイである。両者の方法は一般的にアレイ素子を加重するために受動的なビーム成形回路網を使用する。しかしながら、これらの方法に関して幾つかの欠点が存在する。第１に、これらの方法は動作パワーを必要とし、これは利用可能な供給パワーが限定されている衛星では問題である。第２に、これらは衛星で実行するには高価である。第３に、受動的なビーム成形回路網に関する電磁エネルギ損失は許容可能ではない。
【００１４】
成形された形状の放射パターンを発生するための別の既知の方法は、成形された主反射器を有するフィード装置を使用することである。成形された主反射器は所望の放射パターンを発生するように成形された表面を具備している主反射器である。成形された反射器に関する主な欠点は、これらの反射器により発生される放射パターンが衛星の発射前に固定され、決定されなければならないことである。特に、反射器の成形とフィードの位置は所定の固定された放射パターンと衛星の位置に対して設計される。拡大する衛星市場のために、要求されることは、必要とする軌道上の再構成能力を連続的に変更し、即ち軌道上にありながら放射パターンを変更することである。
【００１５】
成形された反射器の放射パターンを変更するため先に紹介したビーム成形回路網を使用することに加えて、従来の設計は軌道上にあるときに成形された反射器の表面を変更することを説明している。これは反射器の表面上の多数の点に複数の付勢装置が位置することを必要としているかなり複雑なシナリオである。軌道上の衛星の複雑性のために実際的な構成は実現されていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的はアンテナアセンブリをデフォーカスすることによりアンテナアセンブリが設けられている衛星の放射パターンを変更するための方法およびシステムを提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、アンテナの反射器とフィード装置をデフォーカスすることによって、フィード装置により供給される反射器を備えたアンテナが設けられた衛星により、地球へ送信される信号の放射パターンの形状を変更する方法およびシステムを提供することである。
【００１８】
本発明のさらに別の目的は、反射器とフィード装置をデフォーカスすることによって、反射器とフィード装置を備えたアンテナが設けられた衛星により、地球から受信される信号の放射パターンの形状を変更する方法およびシステムを提供することである。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、地球上の特別な地域にわたって変更された大きさの放射パターンを走査するための方法およびシステムを提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するために行うため、本発明は地球を周回する衛星の通信システムを提供する。本発明は、地球に電磁エネルギの放射パターンを送信するための地球の上空の軌道を周回する衛星において、滑動機構と、地球上の照射区域の形状を定める成形された放射パターンで電磁エネルギを地球に向けて送信するための成形された反射器と、電磁エネルギにより前記成形された反射器を照射するためのフィード装置とを備え、成形された反射器はフィード装置から受信された電磁エネルギを放射パターンで地球へ送信し、成形された反射器とフィード装置の少なくとも一方は滑動機構に滑動可能に取付けられて、成形された反射器とフィード装置との間のデフォーカスによって地球の上空の軌道を周回する衛星から地球上に送信される電磁エネルギによる地球上の照射区域の形状を定めている放射パターンを変更するために反射器とフィード装置との間の距離を変化するように構成されていることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前述の目的を実行するため、本発明は地球を周回させる衛星に衛星にフィード装置と反射器とを備えたアンテナを設けて、地球上の照射区域の形状を定める放射パターンで電磁エネルギを送信させる方法を提供する。この方法は、フィード装置からの電磁エネルギにより成形された反射器を照射し、所定の区域を照射する形状の放射パターンで電磁エネルギを反射器から地球へ送信し、反射器とフィード装置の少なくとも一方を変位させて両者間の相対的な距離を変化させ、それによって地球の上空の軌道を周回する衛星によって地球上の所定の区域を照射する形状の放射パターンを変更するように反射器とフィード装置間でデフォーカスを行わせることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前述の目的を実行するために、本発明においては放射パターンで電磁エネルギを受信するためのフィード装置と反射器を衛星に設け、衛星に地球を周回させる。この方法では反射器により成形された放射パターンで電磁エネルギを受信する。反射器はその後反射器で受信された電磁エネルギによりフィード装置を照射する。反射器とフィード装置の少なくとも一方がその後、放射パターンの形状を変更するため反射器とフィード装置との間のデフォーカスを可能にするように変位される。この方法は放射パターンの操縦を含んでいる。
【００２３】
本発明により多くの利点が得られる。現在の成形された反射器設計は固定した放射パターンを有し、それによって変化の要求に適合されることができない。それ故、ある応用では、衛星は必要とされるよりも過大に設計され大きな地域をカバーする。他の応用では、衛星は必要とされるよりも過小に設計され、小さい領域をカバーする。本発明は公称上のアンテナ形状設計がかなり広範囲の放射パターンで選択されることを可能にし、これは衛星が発射され軌道に乗った後に行われることができる。変更はかなりの額の価格を節約し複雑性の減少が得られる比較的簡単な方法で実現される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明のこれらおよび他の特徴と利点および実施形態は以下の説明、添付図面、特許請求の範囲により良好に理解されるであろう。
図１を参照すると、通信システム１０が示されている。システム１０は衛星１２とアンテナアセンブリ１４とを含んでいる。衛星１２は地球表面の上空の軌道に位置されており、それによってアンテナアセンブリ１４が地球上の局（特に図示されていない）から信号を送信および受信することを可能にしている。
【００２５】
アンテナアセンブリ１４は主反射器アンテナ１６とフィード装置１８とを含んでいる。フィード装置１８はサブ反射器アンテナ２０とフィード素子２２とを含んでいる。衛星１２が地球上の局から信号を受信しているとき、主反射器１６は衛星方向に伝播している局から信号を集める。主反射器１６は入射信号を反射し、これらをサブ反射器２０の方向へ焦点を結ばせ、サブ反射器を照射する。サブ反射器２０はその後これらの信号を反射してフィード素子２２の方向へさらに焦点を結ばせる。フィード素子２２は増幅器および復調器のような受信電子装置へ接続され、それによって再送信するために衛星１２が受信された信号を処理することを可能にする（特に図示されていない）。
【００２６】
フィード素子２２はまた増幅器および変調器のように送信電子装置へ接続され、それによって信号を地球（特に図示されていない）へ送信するように衛星１２をエネーブルする。衛星１２が地球上の局の方向へ信号を送信しているとき、フィード素子２２はサブ反射器を照射するため信号を広ビームでサブ反射器２０の方向に放射する。サブ反射器２０はその後、信号を広いビームへ主反射器１６方向に反射する。主反射器１６は信号を地球上の局またはターゲット方向へ反射し焦点を結ばせる。
【００２７】
アンテナシステム１４はまた滑動機構２４を含んでいる。主反射器１６とフィード装置１８は滑動可能に滑動機構２４へ取付けられている。主反射器１６、サブ反射器２０、またはフィード素子２２は滑動機構２４に沿って移動可能である。したがって、これらの素子のいずれかが焦点から軸的に変位されてもよい。
【００２８】
図２を参照すると、システム１０の平面図が示されている。主反射器１６は回転可能な支持体２６により滑動機構２４に滑動可能に取付けられている。以下詳細に説明するように、回転可能な支持体２６はビーム操縦のため、主反射器１６を回すために回転可能である。同様に、サブ反射器２０は滑動可能に支持体２８に取付けられている。フィード素子２２はフィード素子がベースに沿って対角線に移動するようにフィード素子をエネーブルするためにベース３０に滑動可能に取付けられている。ベース３０はフィード素子２２が滑動機構に沿って移動することを可能にするため支持体３２により滑動機構２４に滑動可能に取付けられている。
【００２９】
主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２は所定の放射パターンを発生するように全て相互に所定の距離に位置付けられている。通常、最初の距離はフィード素子２２が主反射器１６の焦点にあるように選択されている。主反射器１６は好ましくは成形された反射器である。しかしながら主反射器１６はパラボラ反射器のような他のタイプの反射器でもよい。
【００３０】
成形された反射器は所望の放射パターンを発生するように変形された表面を有する反射器である。パラボラ反射器は滑らかな表面を有する。例えば単一のフィードにより供給されるパラボラ反射器はコーンのような簡単な放射パターンを発生する。このシナリオでは、放射パターンがターゲットよりも大きいならば、エネルギは浪費される。また、エネルギはこれらの部分が放射パターン外部であるならばターゲットの一部に到達しない。一方、成形された反射器は国または島の形状のような任意の成形された放射パターンを生成するように変形されることができる。この場合、全ての領域のターゲットが放射パターンによりカバーされるのでエネルギは効率的に利用されることができる。同様に、放射パターン内の領域のみ、即ちターゲットがエネルギを受信しているので、浪費されるエネルギはない。
【００３１】
図２で示されているように、主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２は相互から所定の距離に位置されている。この距離は主反射器１６が公称上の寸法および形態の放射パターンを発生するように選択される。主反射器１６が成形された反射器であるので、放射パターンは複雑な形態を有する。
【００３２】
しかしながら、衛星１２が軌道上にある間に放射パターンを多数回変更することが所望される。システム１０の主要な利点は、衛星が軌道上にある間に、比較的簡単な処理により放射パターンの変更を可能にすることである。特に、主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２はこれらが相互に関して変位可能であるように、全て滑動機構２４へ滑動可能に取付けられている。これらは変位可能であるので、これらの間の距離はデフォーカスを可能にするために変更されることができる。デフォーカスは放射パターンを変更する。デフォーカスはまた反射器１６およびフィード装置１８の指向性、利得、実効開口を変更する。
【００３３】
特に、少なくとも１つの主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２が滑動機構２４に沿って移動するとき、衛星１２が軌道にありながら放射パターンは変化する。フィード素子２２はまたデフォーカスおよび結果的な放射パターンの変化を可能にするためにベース３０に沿って移動してもよい。
【００３４】
したがって、衛星１２が発射された後に放射パターンのかなり広い変化が行われることができる。主反射器１６が成形された反射器であることが好ましいので、これらの放射パターンは依然として複雑な形態を有する。
【００３５】
さらに図２を参照すると、システム１０は関連する制御モジュール（特に図示せず）を有するプログラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ）３４を含んでいる。ＰＬＣ３４は滑動機構２４に沿って主反射器１６、サブ反射器２０、フィード素子２２の運動をそれぞれ可能にするために回転可能な支持体２６と、支持体２８と、支持体３２により動作可能である。ＰＬＣ３４はステッピングモーターのような駆動素子を内蔵し、運動を実現する。
【００３６】
システム１０はさらにＰＬＣ３４と共に動作可能なジンバル機構３６を含んでいる。ジンバル機構３６は主反射器を回転し傾斜するように主反射器１６を動作させる。主反射器１６の回転および傾斜は放射パターンが操縦されることを可能にする。したがってデフォーカスおよびジンバルの使用によって、大きさの変化する放射パターンは地球上の多数の異なった地域にわたって位置されることができる。
【００３７】
図３を参照すると、本発明の別の実施形態の平面図が示されている。図３で示されている素子は図２で示されている素子と同一である。したがってこれらの素子は同一の参照符号で示されている。
【００３８】
図３で示されている実施形態と図２で示されている実施形態の基本的な差は、主反射器を照射するためフィード素子２２が直接主反射器１６を指向していることである。主反射器１６とフィード素子２２はデフォーカスを可能にするためにそれぞれの支持体上で滑動機構２４に滑動可能に取付けられている。同様に、フィード素子２２はデフォーカスを可能にするためにベース３０に滑動可能に取付けられている。したがって主反射器１６とフィード素子２２は相互に関して変位され、デフォーカスが生じ、放射パターンは変化する。
【００３９】
図４のａ、ｂ、ｃは本発明のデフォーカスシステム１０の効果を示している。図４のａでは、主反射器１６とフィード装置１８は欧州の大部分をカバーする放射パターンを発生するために相互に関して位置付けられている。その後、少なくとも１つの主反射器１６とフィード装置１８が相互に関して変位されるときデフォーカスが行われる。図４のａで示されている放射パターンよりもコンパクトである結果的な放射パターンが図４のｂで示されている。少なくとも１つの主反射器１６とフィード装置１８が相互に関してさらに変位されるとき、よりデフォーカスが生じる。全ての中で最もコンパクトである結果的な放射パターンが図４のｃで示されている。
【００４０】
放射パターンのコンパクトまたは変化量は主反射器１６とフィーダアセンブリ１８との間の変位の線形関数ではない。例えば、主反射器１６とフィーダアセンブリ１８はよりコンパクトな放射パターンを実現するため相互に離れるように移動してもよい。これらがさらに離れるように移動するとき、放射パターンはよりコンパクトになるかまたは広くなる可能性もある。しかしながら重要なことは、主反射器１６とフィーダアセンブリ１８が相互に関して移動するとき放射パターンが変化することである。したがって放射パターンの軌道上の再構成が実現されることができる。
【００４１】
可変サイズの放射パターンを設けることに加えて、本発明は放射パターンを操縦する能力を提供する。放射パターンの操縦はジンバル機構３４により主反射器１６を回転し傾斜することによって達成される。回転および傾斜動作はジンバル動作と呼ばれる。図５のａで示されているように、図４のｂの放射パターンは英国とその周囲の地域をカバーするように操縦されている。この同一の放射パターンは図５のｂで示されているように、スペインおよびその周囲の地域をカバーするように操縦されてもよい。
【００４２】
共に共同してジンバルおよびデフォーカス動作をすることによって、衛星１２は衛星のグループであるかのように機能する能力を有する。１つの主反射器１６とフィーダアセンブリ１８を移動することはデフォーカスおよび放射パターンに対応する変化を生じさせる。例えば、デフォーカス後、図５のａの放射パターンは図６のａで示されているように、丁度英国をカバーし、その周囲の地域をカバーしないように狭められることもできる。同様に、デフォーカス後、図５のｂの放射パターンは図６のｂで示されているように、丁度スペインをカバーし、その周囲の地域をカバーしないように狭められる。
【００４３】
図７を参照すると、本発明にしたがった送信システムおよび方法の動作を表しているフローチャート７０が示されている。一般的に、フローチャート７０は操縦されることのできる可変のサイズの放射パターンを送信する。フローチャート７０はブロック７２で開始し、これはフィード装置からの電磁エネルギにより反射器アンテナを照射する。ブロック７４はその後、反射器アンテナから電磁エネルギを送信する。反射器アンテナは放射パターンを有する。ブロック７６はその後、少なくとも１つの反射器アンテナとフィーダアセンブリを変位し、それによってこれらの装置をデフォーカスする。デフォーカスは放射パターンを変化させる。ブロック７８はその後、反射器アンテナを回転し傾斜することにより放射パターンを操縦する。
【００４４】
図８を参照すると、本発明にしたがった受信システムおよび方法の動作を表しているフローチャート８０が示されている。通常、フローチャートは操縦されることのできる可変サイズの放射パターンを受信する。フローチャート８０はブロック８２で開始し、このブロックは反射器アンテナにより電磁エネルギを受信する。反射器アンテナは放射パターンを有する。ブロック８４はその後、反射器アンテナからの電磁エネルギによりフィード装置を照射する。ブロック８６は少なくとも１つの反射器アンテナとフィード装置を変位し、それによってこれらの装置をデフォーカスする。デフォーカスは放射パターンを変化させる。ブロック８８はその後、反射器アンテナを回転し傾斜することによって放射パターンを回転し操縦する。
【００４５】
本発明の実施形態は衛星上に標準的なパッケージとして内蔵されることができる。原理的に、この能力を有する衛星は多数の衛星の性能を達成することができる。
【００４６】
さらに、使用されるアンテナシステムは、関連するフィーダアセンブリを有する単一の成形された反射器または単一のパラボラ反射器に限定される必要はない。例えば、関連するフィーダアセンブリを有する二重にグリッドされた反射器または二重反射器システムもまた使用されてもよい。
【００４７】
本発明は当業者に明白である多数の代替、変更、変形を含んだ広範囲の異なった構造で使用されてもよいことに留意すべきである。したがって、本発明は本発明の技術的範囲内である全てのこのような代替、変更、変形を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがったアンテナシステムが設けられている通信衛星の斜視図。
【図２】図１で示されている通信衛星の平面図。
【図３】アンテナシステムの別の実施形態による図１で示された通信衛星の平面図。
【図４】デフォーカスのない放射パターンと、１２ｃｍデフォーカスされている放射パターンと、２５ｃｍデフォーカスされている放射パターンとの図。
【図５】図４の１２ｃｍデフォーカスされている放射パターンをジンバル制御する２つの例の図。
【図６】２５ｃｍデフォーカスされている放射パターンをジンバル処理する放射パターンの２つの例の図。
【図７】本発明にしたがった送信システムおよび方法の動作を示すフローチャート。
【図８】本発明にしたがった受信システムおよび方法の動作を示すフローチャート。
Claims (4)
- 地球に電磁エネルギの放射パターンを送信するための地球の上空の軌道を周回する衛星において使用され、
地球上の照射区域の形状を定める成形された放射パターンで電磁エネルギを地球に向けて送信するための成形された主反射器(16)と、
電磁エネルギにより前記成形された主反射器(16)を照射するフィード装置(18)と、
前記成形された主反射器 (16) と前記フィード装置 (18) の少なくとも一方を滑動可能に設置している滑動機構 (24) と、
放射パターンを操縦するために前記成形された主反射器 (16) を回転および傾斜させるジンバル機構 (36)とを具備し、
前記フィード装置 (18) はサブ反射器 (20) およびフィード素子 (22) を具備している通信システムにおいて、
前記成形された主反射器 (16) と、前記フィード装置 (18) の前記サブ反射器 (20) と、前記フィード素子 (22) とは、前記フィード素子 (22) が電磁エネルギにより前記サブ反射器 (20) を照射し、前記サブ反射器 (20) は前記フィード素子 (22) から受取った電磁エネルギにより前記成形された主反射器 (16) を照射し、前記成形された主反射器(16) は前記サブ反射器 (20)から受取った電磁エネルギを放射パターンで地球へ送信するように配置され、
前記サブ反射器 (20) および前記フィード素子 (22) は前記滑動機構 (24) に滑動可能に設置され、
前記サブ反射器 (20) と前記フィード素子 (22) の少なくとも一方を変位させて前記成形された主反射器 (16) と前記フィード装置 (18) との間でデフォーカスを行わせて地球上の前記地球上の照射区域の形状を定める成形された放射パターンを変更させるように構成されていることを特徴とする通信システム。 - 前記滑動機構(24)と共同して動作するステッピングモータ(34)をさらに具備している請求項１記載の通信システム。
- 地球の上空の軌道を周回する衛星によって地球上の所定の区域を照射する形状の放射パターンで電磁エネルギを送信する方法において、
前記衛星は地球上の所定の区域を照射する形状に成形された主反射器(16) と、サブ反射器 (20) およびフィード素子 (22) を備えているフィード装置 (18) と、滑動機構 (24) と、ジンバル機構 (36)とを具備し、
前記フィード素子 (22) からの電磁エネルギにより前記サブ反射器 (20) を照射し、
前記サブ反射器 (20) は前記フィード素子 (22) から受取られた電磁エネルギにより前記成形された主反射器(16)を照射し、
前記所定の区域を照射する形状の放射パターンで電磁エネルギを前記成形された主反射器(16)から地球上へ送信し、
前記ジンバル機構 (36) によって前記成形された主反射器 (16) を回転および傾斜させて放射パターンを操縦し、
前記サブ反射器 (20) および前記フィード素子 (22) は前記滑動機構 (24) に滑動可能に設置され、
前記サブ反射器(20) と前記フィード素子 (22)の少なくとも一方を変位させて前記成形された主反射器 (16) と前記フィード装置 (18) との間でデフォーカスを行わせて地球上の前記所定の区域を照射する形状の放射パターンを変更させることを特徴とする軌道上を周回する衛星から地球上へ電磁エネルギを送信する方法。 - さらに、前記成形された主反射器(16)により放射パターンの電磁エネルギを受信し、
前記成形された主反射器(16)から受取った電磁エネルギにより前記フィード装置(18)を照射するステップを有している請求項３記載の方法。
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