JP3619130B2 - 衛星アンテナ指向システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は衛星通信、特に衛星アンテナ指向システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
衛星の主な使用のうちの１つは通信である。通常、衛星は地上に位置する送信局から信号を受信し、周波数変換し、これらの信号を増幅し、地上に位置する受信局へ信号を再送信する。衛星は通常、種々の理由で信号の受信および送信用の多数のアンテナを使用する。これらの理由としては、送信および受信機能を分離し、地球の異なる部分と通信する多数のビームを与え、同一周波数を使用しながら異なる方向を指向する別々のアンテナを使用することによって少ない周波数帯域の再使用を行うこと等が含まれている。
【０００３】
高性能の通信衛星は他方向からの信号よりもはるかに大きい一方向からの信号に応答するアンテナを使用する。多数のアンテナを使用して、各アンテナは地球上の送信局からの比較的弱い通信信号を受信し、または通信性能を過度に劣化せずに地球上の受信局に信号を返送するために細心の正確性で指向されなければならない。
【０００４】
一般的に、衛星アンテナ指向システムは、１以上の反射器を照射してビームを形成するフィードアレイからなるアンテナを使用する。これらのアンテナは地球表面上の地上局へビームの指向を行うことができるように位置されている。
【０００５】
センサはビーム指向方向を制御するために使用される。センサはフィードアレイと、追跡ビームと呼ばれる特別なビームを形成する追跡回路網と、追跡受信機とから構成されている。センサは既知の指向方向で地球上の局から送信されるビーコン信号を受信する。追跡受信機は追跡ビームに対して動作し、アンテナの指向方向エラーに比例したエラー信号を発生する。このエラー信号は、指向方向エラーを最小にするように衛星本体に関して反射器を操縦する反射器位置調整機構を制御するための姿勢制御システムにより使用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この装置の欠点は、各反射器が頑丈な反射器位置調整機構を有しなければならないことである。この位置調整機構は、衛星の典型的な１０乃至１５年の寿命にわたって連続して動作するように頑丈でなければならない。結果的に、反射器の位置調整機構は、この信頼性を実現するため一般的に重く比較的高価である。
【０００７】
衛星の設計における共通の目的は、価格と重量を削減し、反射器位置調整機構を含む全てのコンポーネントの信頼性を改良することである。これらの目的を実現するため、幾つかの衛星は、共通の熱的に安定な支持構造に取付けられたアンテナを有する。
【０００８】
アンテナの指向は構造の指向方向を評価するために支持構造に接続された方向センサに応答して行われる。方向センサは、追跡回路網と共に追跡ビームを形成する分離したアンテナである。これらはエラー信号を形成するために追跡受信機へ供給され、宇宙船の姿勢制御システムへ送られる。
【０００９】
姿勢制御システムは、アンテナにより見られる指向エラーを最小にするために宇宙船全体を操縦する衛星運動量ホイールを制御する。このシステムの１つの利点は、反射器が比較的簡単な反射器展開アクチュエイタを使用して配備されることができることであり、反射器展開アクチュエイタは反射器の展開のときに一度だけ動作しなければならない。
【００１０】
残念ながら、このシステムは幾つかの欠点を有する。欠点の１つは全ての反射器とフィードを連結する支持構造が温度変化に対して非常に安定でなければならず、したがって組立てが高価であることである。別の欠点は、アンテナが同時に組立てられ、一体化されなければならず、一体化プロセスを複雑にし時間を浪費することである。
【００１１】
最終的に、システムの信頼性を改良しながら反射器位置調整機構の価格と重量を削減し、各アンテナが独立して作られ、異なる時間に一体化されることを可能にすることが望まれる。
【００１２】
それ故、本発明の目的は、反射器の位置調整機構を除去することにより重量を減少し信頼性を改良することである。本発明の別の目的は、通常の熱的に安定な支持構造を除去することにより重量を減少し信頼性を改良することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の１特徴では、衛星アンテナ指向システムは、地球の地上局からアップリンク信号を受信する反射器アンテナと、ダウンリンク信号を送信するための衛星に設けられたフェイズドアレイアセンブリを有する。地球外通信は送信中に大きい損失を受けるので、必要な信号強度を最小にするためにアップリンクアンテナおよびダウンリンクアンテナの両者の正確な指向が望まれている。本発明はアップリンクおよびダウンリンクアンテナを指向するための２つの異なる方法を使用する。
【００１４】
反射器アンテナはアップリンク信号の受信のために使用される。本発明の反射器アンテナは衛星本体に固定され衛星の姿勢の制御によってアップリンク信号の受信を最大にするように指向される。反射器指向エラーセンサは適切な指向方向を決定するために反射器アンテナに結合されている。反射器アンテナが適切に指向されていないことを反射器指向エラーセンサが決定したならば、衛星姿勢制御手段は、指向エラーが最小になるように衛星の姿勢を物理的に変更して反射器アンテナの指向方向を制御してアップリンク信号強度を最大にする。
【００１５】
フェイズドアレイアセンブリはダウンリンク信号の送信のために使用される。フェイズドアレイアセンブリは反射器アンテナに関して固定した関係で取付けられているので、反射器アンテナが適切に指向された後、フェイズドアレイアセンブリは指向される。これは適切な指向方向を決定するためにフェイズドアレイアセンブリに取付けられたアレイ指向エラーセンサを使用して行われる。フェイズドアレイアセンブリが適切に指向されていないことをアレイ指向エラーセンサが決定したならば、フェイズドアレイ制御装置は指向エラーが最小になるまで、フェイズドアレイアセンブリの指向方向を電子的に変更する。アップリンクおよびダウンリンクアンテナは独立して指向されるので、共通の支持構造は必要ではない。
【００１６】
本発明はしたがって、反射器位置調整機構または通常の熱的に安定な支持構造を必要とせずに衛星アンテナ指向システムを実現する。これは重量と製造価格を低下させることを可能にし、システムの信頼性を改良する利点を付加する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の付加的な利点および特徴は以下の説明から明白になり、添付図面を伴って特許請求の範囲で特に指摘されている機器手段および組合わせによって実現されるであろう。
図１を参照すると、本発明の１実施形態にしたがった衛星通信システム１０が示されている。衛星通信システム１０は、地球１６上に位置された地上局１４と通信する１以上の衛星１２からなる。各衛星１２は衛星アンテナ指向システム１８を含んだ衛星本体１３を有する。
【００１８】
衛星アンテナ指向システム１８は通信用の種々のアップリンクアンテナおよびダウンリンクアンテナの指向を行う。これらの通信はビデオ、モノおよびステレオオーディオ、電話メッセージ、ニュースレポート、その他の形態のデータを含んでいるがそれに限定されない。これらのアンテナの正確な指向は送信信号および受信信号の両者の強度を最大にするために使用される。これらのアンテナが正確に指向される程、送信に必要とされるパワーは少なくなる。宇宙船設計に含まれる寸法および重量の制限のために、必要な信号強度を少なくする正確なアンテナ指向によって、設計者は地球外通信に必要な電源およびその他の部品の寸法および重量を減少し、したがって高価なリソースを保留することが可能である。
【００１９】
図２を参照すると、本発明にしたがった衛星アンテナ指向システム１８のブロック図が示されている。反射器アンテナ２０は受信（アップリンク）アンテナとして使用され、フェイズドアレイアセンブリ２２は送信（ダウンリンク）アンテナとして使用されている。これらのアンテナは地上局１４と通信する。
【００２０】
反射器アンテナ２０は衛星本体１３に取付けられ、反射器配備アクチュエイタ（ＲＤＡ）４２を使用して配備される。反射器配備アクチュエイタ４２を従来技術で通常使用されている反射器位置調整機構（図示せず）と置換する。反射器アンテナ２０は、典型的に１０乃至１５年の衛星１２の寿命にわたって連続的に動作するように頑丈でなければならない反射器位置調整機構を使用するのと比較して、反射器配備アクチュエイタ４２は、最初の配備のため衛星１２の有効寿命期間に一度だけ使用される。このため反射器配備アクチュエイタ４２は反射器位置調整機構と比較するとき比較的軽量で廉価であり、さらに信頼性のある総合システムを与える。
【００２１】
反射器アンテナ２０が位置付けられ、それによって地上アップリンク信号１９をアップリンクフィードアレイ２６の方向に焦点を結ぶことができる。対照的に、ダウンリンクフェイズドアレイアセンブリ２２は宇宙船本体１３に強固に取付けられる。簡単にするために、１つのアップリンクアンテナ２０とダウンリンクアンテナ２２を有する衛星１２が示されている。勿論、当業者はここで説明される本発明が多数のアンテナを有する衛星に同様に適用されることを認識するであろう。
【００２２】
反射器指向センサ２４は衛星本体１３内またはその上に配置され、反射器アンテナ２０から反射されたアップリンク信号１９を受信する。本発明では、反射器指向エラーセンサ２４はアップリンクフィードアレイ２６と、アップリンク追跡回路網２８と、アップリンク追跡受信機３０を有する。アップリンクフィードアレイ２６は給電ホーンの集合であり、地上局１４（図１）から送信されているアップリンクビーコン信号を受信するため反射器アンテナ２０の焦点に位置される。アップリンク追跡回路網２８は到着するビーコン信号の方向を公称上指向する１以上の追跡ビームを発生する。アップリンク追跡受信機３０は追跡回路網２８からの追跡ビーム信号を結合し解析し、反射器指向エラー信号を発生する。
【００２３】
本発明の実施形態では、衛星姿勢制御手段31は衛星姿勢制御システム32と衛星姿勢運動量ホイール34を具備している。衛星12の姿勢は反射器指向エラー信号に応答して反射器アンテナ20を指向するように調節される。衛星姿勢制御システム32は衛星姿勢運動量ホイール34を制御し、衛星12と、衛星12を回転する衛星運動量ホイール34との間の運動量を交換することによって衛星12を操縦する。衛星姿勢制御システム32は反射器指向エラー信号が最小にされるまで衛星12を操縦する。
【００２４】
アレイ指向エラーセンサ３５はダウンリンク指向エラーを検出するためにフェイズドアレイアセンブリ２２に取付けられる。本発明では、アレイ指向エラーセンサはビーコン追跡アンテナ３６とダウンリンク追跡回路網／受信機の組合わせ３８とを具備するが、当業者はスター追跡装置またはその他の姿勢評価装置が使用されてもよいことを認識するであろう。
【００２５】
図３を参照すると、フェイズドアレイアセンブリ２２のブロック図が示されている。入力ポート５０へ注入される信号はパワー分割装置４８により分割され、位相シフタ４４により放射構成素子４６へ分配される。ビームの方向は制御装置４０により電子的に制御され、制御装置４０はアレイ指向エラーセンサ３５により発生されたダウンリンク指向方向エラーに応答して個々の位相シフタ４４をデジタル的に制御する。
【００２６】
動作において、軌道に到達したとき、衛星12は反射器配備アクチュエイタ42を使用して反射器アンテナ20を配備する。反射器アンテナ20が一度配備されると、アップリンク追跡回路網28は到着するビーコン信号の方向を公称上指向する１以上の追跡ビームを発生する。アップリンク追跡受信機30は追跡回路網28からの追跡ビーム信号を結合し解析し、反射器指向エラー信号を発生する。この指向エラー評価に応答して、姿勢制御手段31は、反射器アンテナ20が地上局14の方向を指向するように衛星12を操縦する。この位置を実現したとき、アップリンク指向エラーの評価は反射器指向エラーセンサ24により発生され、衛星12は反射器アンテナ20が正確な方向を指向するように姿勢制御手段31により再度位置付けされる。
【００２７】
正確な指向方向が反射器アンテナ２０により得られた後、ダウンリンク指向エラーの評価はアレイ指向エラーセンサ３５により決定される。このダウンリンク指向エラーに応答して、フェイズドアレイ制御装置４０は個々の位相シフタ４４をデジタル的に制御して、ダウンリンクビームを電子的に再誘導し、評価されたダウンリンク指向オフセットを補償する。
【００２８】
好ましい実施形態の前述の説明は本発明の原理の応用を表した多数の特別な実施形態のうちの幾つかの単なる例示であることが理解されよう。特許請求の範囲で規定されているような本発明の技術的範囲を逸脱することなく多数のおよびその他の装置が当業者には明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】衛星通信システムの斜視図。
【図２】本発明にしたがった衛星アンテナ指向システムのブロック図。
【図３】フェイズドアレイアセンブリのブロック図。

Claims (10)

1. 衛星本体（13）と、
   前記衛星本体（13）に対して固定した関係で取付けられている反射器アンテナ（20）と、
   前記反射器アンテナ（20）に結合され、指向エラー信号を発生する反射器指向エラーセンサ（24）と、
   前記反射器指向エラーセンサ（24）に結合され、前記反射器指向エラー信号に応答してその反射器指向エラー信号が最小になるように前記衛星本体（13）の姿勢を制御する衛星姿勢制御手段（31）と、
   前記反射器アンテナ（20）に関して固定した関係で取付けられたフェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）と、
   フェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）に取付けられ、アレイ指向エラー信号を発生するアレイ指向エラーセンサ（35）と、
   前記アレイ指向エラーセンサ（35）に結合され、前記アレイ指向エラー信号に応答して前記フェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）の指向方向を制御するフェイズドアレイアンテナ制御装置（40）とを具備している衛星アンテナ指向システム。
2. 前記反射器指向エラーセンサ（24）は、
   前記反射器アンテナ（20）に結合されているアップリンクフィードアレイ（26）と、
   前記アップリンクフィードアレイ（26）に結合されているアップリンク追跡回路網（28）と、
   前記アップリンク追跡回路網（28）に結合されているアップリンク追跡受信機（30）とを具備している請求項１記載の衛星アンテナ指向システム。
3. 前記衛星姿勢制御手段（31）は、衛星運動量ホイール（34）に結合されている衛星姿勢制御システム（32）を具備している請求項１記載の衛星アンテナ指向システム。
4. 前記フェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）は複数のフェイズドアレイアンテナ放射素子（46）と、前記フェイズドアレイアンテナ制御装置（40）に結合されている複数の位相シフタ（44）を具備している請求項１記載の衛星アンテナ指向システム。
5. 前記アレイ指向エラーセンサ（35）は、
   ビーコン追跡アンテナ（36）と、
   前記ビーコン追跡アンテナ（36）に結合されているダウンリンク追跡回路網／受信機の組合わせ（38）とを具備している請求項１記載の衛星アンテナ指向システム。
6. 地上局（14）と、
   前記地上局と通信し、衛星本体（13）を有する軌道上の衛星（12）と、
   衛星アンテナ指向システム（18）とを具備し、
   この衛星アンテナ指向システム（18）は、
   前記衛星本体(13)に対して固定した関係で取付けらている反射器アンテナ(20)と、
   前記反射器アンテナ（20）に結合され、指向エラー信号を発生する反射器指向エラーセンサ（24）と、
   前記反射器指向エラーセンサ（24）に結合され、前記反射器指向エラー信号に応答してその反射器指向エラー信号が最小になるように前記衛星本体（13）の姿勢を制御する衛星姿勢制御手段（31）と、
   前記衛星本体（13）に関して固定した関係で取付けられたフェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）と、
   フェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）に取付けられ、アレイ指向エラー信号を発生するアレイ指向エラーセンサ（35）と、
   前記アレイ指向エラーセンサ（35）に結合され、前記アレイ指向エラー信号に応答して前記フェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）を指向するフェイズドアレイアンテナ制御装置（40）とを具備している衛星通信システム。
7. 前記反射器指向エラーセンサ（24）は、
   前記反射器アンテナ（20）に結合されているアップリンクフィードアレイ（26）と、
   前記アップリンクフィードアレイ（26）に結合されているアップリンク追跡回路網（28）と、
   前記アップリンク追跡回路網（28）に結合されているアップリンク追跡受信機（30）とを具備している請求項６記載の衛星通信システム。
8. 衛星姿勢制御手段（31）は、衛星運動量ホイール（34）に結合されている衛星姿勢制御システム（32）を具備している請求項６記載の衛星通信システム。
9. 前記フェイズドアレイアンテナアセンブリ（22）は、複数のフェイズドアレイ放射素子（46）と、前記フェイズドアレイアンテナ制御装置（40）に結合されている複数の位相シフタ（44）とを具備している請求項６記載の衛星通信システム。
10. 前記アレイ指向エラーセンサ（35）は、
    ビーコン追跡アンテナ（36）と、
    前記ビーコン追跡アンテナ（36）に結合されているダウンリンク追跡回路網および受信機の組合わせ（38）とを具備している請求項６記載の衛星通信システム。

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