JP5253422B2 - デジタルビームフォーミングアーキテクチャにおける衛星ビーム指向誤差補正 - Google Patents

Description

本発明は、ペイロードのデジタルビームフォーミングとの関連において、人工衛星用の正確なビーム指向を行うための方法および装置に関するものである。

衛星通信における重要なトレンドに、ペイロード設計においてデジタルビームフォーミングアーキテクチャを使用すること、および狭いスポットビームの形で広い領域にわたってビーム照射領域を確保することが挙げられる。マルチスポットビーム照射領域は、利得と周波数再利用の利点をもたらす。スポットビームパラメータを制御するために複素デジタル重みをそれぞれの通信周波数チャネルに割り当てることを伴うデジタルビームフォーミング技術によって、マルチエレメントアンテナシステムを用いる、このような狭いスポットビームを定義することが正確に知られている。A. M. Bishopら、「The INMARSAT 4 Digital Processor and Next Generation Developments」、23rd AIAA ICSSC、Rome、Italy、2005年9月を参照のこと。しかしながら、特に、ビーム指向誤差が利得に著しい影響を及ぼすことがあるため今のところ公称的に正確であるにすぎないビーム指向の精度に関して、さらなる改善が望まれている。

一技術として、正確に知られている位置から基準信号を衛星に供給し、衛星がRF感知システムを使ってビーコンに関する指向誤差を測定できるようにする地上ビーコンを備え、姿勢および/またはアンテナの向きを調整することにより指向誤差を補正することがよく知られている。

A. M. Bishopら、「The INMARSAT 4 Digital Processor and Next Generation Developments」、23rd AIAA ICSSC、Rome、Italy、2005年9月

ビーム指向誤差が利得に著しい影響を及ぼすことがあるため今のところ公称的(nominally)に正確であるにすぎないビーム指向の精度に関して、さらなる改善が望まれている。

本発明は、第1の態様において、宇宙船のアンテナ用のビームフォーミングを行う方法を提供し、前記宇宙船は、それぞれが各周波数チャネル内にあるアップリンク信号およびダウンリンク信号を用いて宇宙船のアンテナシステムと通信する地上局を含むシステムの一部をなし、前記アンテナシステムは、アレイ内に配列された複数のアンテナエレメントを有する受信アンテナを備え、それぞれのエレメントは各アンテナエレメント信号を送り出し、前記方法は、
それぞれの前記アンテナエレメント信号を2値化し、それぞれの2値化されたアンテナエレメント信号を処理してエレメント信号中に存在する各周波数チャネル内のアップリンク信号成分を分離するステップと、
各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして、少なくとも1つの周波数チャネル内の前記アップリンク信号成分に付け、重み付けされた成分を結合して前記1つの周波数チャネル内のアップリンク信号を合成するステップとを含み、
前記アップリンク信号のうちの少なくとも1つは、ビーコン信号を含み、前記方法は、さらに、
各ビーム指向誤差重み値をデジタル重みとして、複数のアンテナエレメント信号のうちの少なくともいくつかの信号中に存在する前記ビーコン信号の成分に付け、そのような重み付けされたビーコン信号成分を評価してビーム指向誤差信号を導出するステップと、
前記誤差信号を使用して前記アンテナシステムによって供給される少なくとも1つの通信信号ビームの指向方向を調整するステップと、を含む。

本発明によれば、ビーム指向誤差重み値は、各ビーム指向誤差重み値で重み付けされたときに、アンテナエレメント信号の一部または全部のビーコン信号成分が、以下でさらに詳しく説明されるように、ビーコン指向誤差を評価または測定するための手段となるような値である。ビーム指向誤差測定情報を含むビーム指向誤差信号が導出され、この信号を使用して、1つまたは複数の通信ビームの指向方向を調整する。

第2の態様では、本発明は、前記の方法で使用する宇宙船のビームを形成するための装置を実現し、この装置は、
アレイ内に配列されている複数のアンテナエレメントを備える受信アンテナであって、それぞれのアンテナエレメントは各周波数チャネル内のアップリンク信号の受信に応答して各アンテナエレメント信号を供給する、受信アンテナと、
それぞれの前記アンテナエレメント信号を2値化し、それぞれの前記アンテナエレメント信号中に存在するそれぞれの周波数チャネル内のアップリンク信号成分を分離するためのデジタル処理手段と、各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして少なくとも1つの周波数チャネル内の前記アップリンク信号成分に付けるためのビームフォーミング重み付け手段と、そのような選択された成分を結合して各周波数チャネル内で少なくとも1つのアップリンク信号を合成するための結合手段とを備えるアップリンク信号合成手段と、
各周波数チャネル内の前記アップリンク信号のうちの1つの信号を含むビーコン信号に応答し、各ビーム指向誤差重み値をデジタル重みとして、複数のアンテナエレメント信号のうちの少なくともいくつかの信号中に存在する前記ビーコン信号の成分に付けるためのビーム指向誤差重み付け手段と重み付けされたビーコン信号成分を評価してビーム指向誤差信号を導出するための評価手段とを備える、ビーコン方向評価手段と、
前記誤差信号を使用して宇宙船によって供給される少なくとも1つの通信信号ビームの指向方向を調整するための調整手段と、を備える。

第3の態様において、本発明は、宇宙船のアンテナ用のビームフォーミングを行う方法を提供し、前記宇宙船は、それぞれが各周波数チャネル内にあるアップリンク信号およびダウンリンク信号を用いて宇宙船のアンテナシステムと通信する地上局を含むシステムの一部をなし、前記アンテナシステムは、受信アンテナおよび送信アンテナを備え、それぞれの前記アンテナはアレイ内に配列されている複数のアンテナエレメントを備え、それぞれのエレメントは関連する各アンテナエレメント信号を有し、前記方法は、
前記受信アンテナからのそれぞれの前記アンテナエレメント信号を2値化し、それぞれの2値化されたアンテナエレメント信号を処理してエレメント信号中に存在する各周波数チャネル内のアップリンク信号成分を分離するステップと、
各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして選択的に付けられたダウンリンク信号を各周波数チャネルにおいて、デジタル形式で構成し、前記送信アンテナのアンテナエレメント用のダウンリンクアンテナエレメント信号を合成するステップとを含み、
前記アップリンク信号のうちの少なくとも1つは、ビーコン信号を含み、前記方法は、さらに、
各ビーム指向誤差重み値をデジタル重みとして、前記受信アンテナからの複数のアンテナエレメント信号のうちの少なくともいくつかの信号中に存在する前記ビーコン信号の成分に付け、そのような重み付けされたビーコン信号成分を評価してビーム指向誤差信号を導出するステップと、
前記誤差信号を使用して前記送信アンテナによって供給される少なくとも1つの通信信号ビームの指向方向を調整するステップと、を含む。

第4の態様では、本発明は、前記の方法で使用する宇宙船のビームを形成するための装置を実現し、この装置は、
それぞれアレイ内に配列されている複数のアンテナエレメントを備え、それぞれのアンテナエレメントが各周波数チャネル内のアップリンク/ダウンリンク信号に応答して各アンテナエレメント信号を供給する、受信アンテナおよび送信アンテナと、
それぞれの受信アンテナエレメント信号を2値化し、それぞれの前記アンテナエレメント信号中に存在するそれぞれの周波数チャネル内のアップリンク信号成分を分離するためのデジタル処理手段を備えるアップリンク信号合成手段と、
各周波数チャネル内のダウンリンク信号を選択的に形成するためのデジタル手段、および各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして、各周波数チャネル内のダウンリンク信号に付け、アンテナエレメント信号を前記送信アンテナに供給するためのビームフォーミング重み付け手段を備えるダウンリンク信号合成手段と、
各周波数チャネル内の前記アップリンク信号のうちの1つの信号を含むビーコン信号に応答し、各ビーム指向誤差重み値をデジタル重みとして、受信アンテナの複数のアンテナエレメント信号のうちの少なくともいくつかの信号中に存在する前記ビーコン信号の成分に付けるためのビーム指向誤差重み付け手段と重み付けされたビーコン信号成分を評価してビーム指向誤差信号を導出するための評価手段とを備える、ビーコン方向評価手段と、
前記誤差信号を使用して宇宙船によって供給される少なくとも1つの通信信号ビームの指向方向を調整するための調整手段と、を備える。

本発明は、上記のように、独立した送信および受信アンテナを有するか、またはその代わりに、受信および送信の両方の機能を組み合わせたアンテナを有する宇宙船に適用可能である。

本発明は、高度に正確な方法でビームの方向を補正する手段を実現し、これにより、アップリンク信号とダウンリンク信号の両方について信号利得を最大化することができる。

本発明は、上記の参考文献中で言及されている種類のものとすることができる、デジタルビームフォーミングメカニズムに含まれる。本発明は、重み値を各周波数チャネル内の信号成分に割り当てるデジタルビームフォーミング手段を含むので、ビーム指向誤差測定メカニズムにおいてさらに重み値をビーコン信号成分に割り当てても、処理オーバヘッドがごくわずか増えるだけである。利便性に関して好ましいため、ビーム指向誤差測定メカニズムは、アップリンクデジタルビームフォーミングメカニズムに物理的に組み込まれる。

本発明は、衛星通信技術、特に直接放射アレイ(DRA)、アレイ給電反射鏡(AFR)、およびイメージングフェイズドアレイ(IPA)で使用できる任意の種類のマルチエレメント受信アンテナに適用可能である。

DRAの場合、アンテナは、典型的には、アンテナエレメントの二次元マトリックスからなるものとしてよいが、必ずしも同一でなくてもよく、それぞれのアンテナエレメントは、各エレメント信号を供給する。

AFRの場合、前記アンテナエレメントを含む、給電ホーンの二次元アレイは、大きな反射鏡に向けられ、それぞれのエレメントまたは給電ホーンが各アンテナエレメント信号を供給する。給電エレメントのアレイは、所定の給電に関連する遠方場ビームパターンが指向性となるように反射鏡の焦点面からオフセットされる。アレイは、典型的には、100以上の給電ホーンを備えることができるが、スポットビームを形成するためには、給電ホーンの部分集合のみ、例えば20個の給電ホーンを使用できる。

IPAでは、一次DRAの開口直径は、アンテナの「光学系」を用いて拡大される。本発明の目的に関して、IPAは、それぞれがエレメント信号を供給するアンテナエレメントを有する、DRAと同様の動作をする。

本発明に従って与えられる重み値は、実数成分と虚数成分とを持つ複素値であり、これは振幅および位相情報(A,φ)を持つことと同等である。

前記ビーム指向誤差重み値は、好ましくは、よく発生するこれらのビーム指向誤差に対応する、少なくとも方向角のある広がりについて急速に変化する受信アンテナに対する放射パターン(受信信号の可能なすべての方向に対するアンテナ利得および位相の軌跡を意味する)を合成するように選択される。この変化は、上述の知られているビームフォーミング技術と比較してビーム指向誤差の解決能力が高まるくらいに著しい。

ビーム指向誤差に対するこのような合成された放射パターンは、さまざまな形態をとりうるが、特に、直接放射アンテナ(DRA)およびアレイ給電反射鏡(AFR)については、適当な機能により、振幅ゼロを有し、ゼロの両側で振幅が急速に上昇し、典型的には180°の位相差を持つ、アンテナアレイの1つの軸にそった差放射パターンが合成されることがわかっている。類似の差パターンが、垂直軸に対して合成できる。差放射パターンを正規化するために、和放射パターンが使用できる。「差放射パターン」および「和放射パターン」という用語は、当業者によって当技術分野の用語として認識され、以下で説明される。

その代わりに、利得がすべての方位について等しく離れる半径方向に増大するが、位相は方位角に従って360°の範囲で変化する、単一の零点を与えることができる。

その結果得られる指向誤差信号が決定された後、ビーム方向は、さまざまな方法で補正できる。例えば、衛星の姿勢については、ピッチとロールの調整を行える。その代わりに、指向誤差は、機械式アンテナ指向メカニズムによって調整することができる。

しかし、好ましくは、本発明はデジタルビームフォーミングメカニズムに組み込まれるので、誤差信号が受信アンテナの両方の(x, y)軸に対し指向誤差信号の形態をとる場合に、誤差信号は、DBFN重み制御デバイスに送られ、これにより、前記ビームフォーミング重み値を調整し、ビーム方向を変更するが、これについては、以下でさらに詳しく説明する。

補正される衛星ビームは、受信アンテナのビームであってもよいが、その代わりに、共通の受信/送信アンテナ、または別の送信アンテナの送信ビームとすることもできる。この方法では、ビームをいくつでも補正できる。

複数の地上局が、ビーコン信号を送出することができ、ピッチおよびロールに加えて宇宙船のヨー角が調整される場合には2つの別々のビーコン信号が必要になることがある。その代わりに、2つの別々のビーコン信号は、単純な三角関数計算に従って2つのビーコン指向誤差測定結果から算出されたビーム指向誤差値を使用して個別のビームに基づきビーム指向誤差を電子的に補正することができる。

ビーコン信号は、符号化されたビーコン信号を使用し専用地上局によって送出されうる。その代わりに、ビーコン信号は、正確に知られている位置を持つ地上局からのアップリンク通信ビームを含むことができる。

多数のスポットビームが送出される場合、それぞれのビームの指向誤差と他の誤差との相関を求めることはできない。この場合、それぞれのアップリンク通信信号は、そのアップリンク信号のビームの指向を補正するためビーコンとして使用されうる。

本発明の好ましい実施形態は、付属の図面を参照しつつ、説明される。

ビームフォーミングメカニズムを組み込んだ、通信衛星でアップリンクおよびダウンリンク信号を処理する既知の形態を示す略ブロック図である。 本発明の好ましい一実施形態による、ビーム指向誤差検出および補正メカニズムを組み込んだ、ビームフォーミングメカニズムを示す略ブロック図である。 図2の誤差メカニズムのより詳細なブロック図である。 図3のメカニズムによる、デジタル重みによって合成されるような、DRAの差放射パターンを示す図である。 対応する和パターンを重ね合わせ、x方向にそった図4の差放射パターンの断面図である。 xおよびyビーム方向を変化させる場合の、x方向誤差値に対する等高線を示す、正規化された誤差パターンを示す図である。 y軸上のゼロ誤差位置に対する図6の誤差パターンの断面図である。 デジタル重みによって合成されるような、AFRの差放射パターンを示す図である。

デジタルビームフォーミングアーキテクチャは、マルチエレメントアンテナシステムとともに、異なる周波数チャネルと関連するビームの柔軟で、独立した再構成を行う。これは、個別の周波数チャネルに基づき、大域的、成形領域、または狭いスポットビームを構成するために使用されうる。スポットビームの位置を変更できるため、異なる地上位置の間で回線容量のルーティングを行う手段が実現される。

狭いスポットビーム内でチャネルが使用される場合、指向誤差による利得損失の問題は重要なものとなり、これは、利得勾配が急であるビーム端において特に重要である。

本発明は、デジタルビームフォーミングアーキテクチャの機能強化に関するものであり、これにより、高いビーム指向精度を維持することができる。本発明の好ましい一実施形態の重要な特徴は、指向誤差を測定するためにそのようなデジタルビームフォーミングアーキテクチャ内にRF感知システム(1つまたは複数の地上ビーコンを使用する)を含めることと、ビームの特性を定義するために使用されるデジタルビームフォーミング内の複素重みの更新(または宇宙船姿勢制御または機械式アンテナ指向メカニズムなどの他の手段)による指向誤差の補正である。電子的ビーム指向補正は、実際には瞬間的であるが、機械的補正は、時間遅延を生じる。

指向補正は、同じ給電またはプラットフォームを共有する送信アンテナに適用可能である(受信および送信指向誤差が補正されるように)。

通信ビーム指向誤差がビーコン指向誤差と相関する場合には、単一のビーコン(またはヨー制御が含まれる場合には2つ)で十分である。本発明の一変更形態では、複数のスポットビームが独立のビーム制御を受けるようにRF感知処理によって通信アップリンク信号が使用される。

重要なクラスの衛星受信アンテナは、振幅および位相重み付けの単独制御がビームの特性を決定するために使用される複数のエレメントを伴う。特に、このクラスには、直接放射アレイ(DRA)(開口が放射エレメントの二次元アレイによって形成される)、イメージングフェイズドアレイ(IPA)(一次DRAの開口直径はアンテナ「光学系」を用いて拡大される)、およびアレイ給電反射鏡(AFR)(給電エレメントのアレイは所定の給電に関連する遠方場ビームパターンが指向性となるように反射鏡の焦点面からオフセットされる)が含まれる。

本発明の好ましい一実施形態は、狭帯域デジタルビームフォーミングアーキテクチャに組み込むことができ、その実施例が図1に示されており、ビームフォーミングはそれぞれの周波数チャネルについて独立に実行される。フォワードリンクプロセッサ2は、固定地上局Cバンドアップリンク(4〜8GHz)から移動端末Lバンド(1〜2GHz)ダウンリンクまでのリンクをサポートし、リターンリンクプロセッサ3は、移動端末Lバンドアップリンクから固定地上局Cバンドダウンリンクまでのリンクをサポートする。フォワードリンク2上の信号は、アップリンク上の2つの偏波のそれぞれにおけるスペクトルの細分に対応する多数の12.6MHzサブバンド4でプロセッサに配送される。それぞれのサブバンドは、A/Dコンバータ6によってサンプリングされる。それぞれのサブバンドは、効率的な高速フーリエ変換(FFT)フィルターバンクを使用して、8で狭帯域チャネル(100kHz)に逆多重化される。全サブバンドスペクトルからの必要なチャネルの選択を可能にし、アップリンクとダウンリンクとの間の周波数マッピングを柔軟に行うためにスイッチング機能10が必要である。また、この時点で、個々のチャネルは、これらのチャネルに適用されるプログラム可能な利得を有する。

次いで、これらのチャネルは、ビームの特性が複素デジタルビームフォーミング重みの柔軟な制御により12で定義されるダウンリンク送信アンテナ給電エレメントの一部または全部にルーティングされる。ビームフォーミング処理には、ダウンリンクで同じ周波数を使用するチャネルの組み合わせが含まれる。個別のエレメント信号は、同じ種類のFFTフィルター機能を使用して13で多重化された周波数である。エレメント信号は、14でD/A変換され、後処理連鎖部に入力される。

リターンリンクプロセッサ3は、移動端末Lバンドアップリンクから固定地上局Cバンドダウンリンクまでのリンクをサポートする。同じ種類の処理機能が実行されるが、データの流れの方向は逆になる。プロセッサ入力は、移動体受信アンテナエレメント16からのもので、そこで、アナログ信号がデジタル化サンプルに変換され、ビームフォーマー機能の前に個別のチャネル(200kHz)に逆多重化される。ビームフォーマー機能18は、複素重み付けを適用し、次いで、エレメント上で総和をとり、最終的なビーム成形されたチャネル信号を生成する。フィーダーダウンリンクについては20で信号を多重化する前に、プログラム可能な利得調整が10で適用されうる。

これから説明されるように、本発明のビーム指向誤差測定および補正メカニズムは、リターンリンクの受信(移動体)アンテナのビーム方向を調整するため、ビームフォーマー機能18とともに組み込まれうる。その代わりに、またはそれに加えて、本発明の指向補正メカニズムは、フォワードリンクの送信(移動体)アンテナのビーム方向を調整するため、ビームフォーマー機能12とともに組み込まれうる。

図2を参照すると、これは、図1のリターンリンク3に対するビームフォーミング配置の概略を、いくぶん異なる表現で、ビームフォーミング機能のさらなる詳細とともに、示しており、またビーム指向誤差補正メカニズムを示している。図2では、直接放射アレイ(DRA)アンテナは、それぞれがエレメント信号26を発する、多数のアンテナエレメント24を有する。

DRAは、地上の異なる場所にある一連の送信地上局から異なる周波数の複数の搬送波を受信する。DRAのそれぞれのエレメント24(つまり、N個のエレメント)は、個々の搬送波の総和を含む完全なシステムサスペクトを受信する。28での低ノイズ増幅、下方変換、およびフィルタリングを行って帯域外信号を除去した後、それぞれのエレメント信号が、アナログ/デジタルコンバータ(ADC)30でサンプリングされ、これにより、完全なシステムスペクトルが、デジタルサンプルのシーケンスの形で定義される(システム帯域幅と整合するレートで)。それぞれのエレメントに対するサンプリングされた信号は、32でデジタル周波数逆多重化され、これにより、システム帯域幅全体を構成する一連の個別の周波数チャネル34(つまり、K個のチャネル)のそれぞれに対する独立のデジタルサンプリングされた(複素サンプル)表現を形成する。与えられた周波数チャネルが、単一の搬送波または複数の搬送波を含むか、または与えられた広帯域搬送波が、複数のチャネル間で共有されうる。

各デジタルビームフォーミングネットワーク(DBFN)36は、K個のチャネルのそれぞれに関連付けられる。与えられたDBFNは、N個のエレメントのそれぞれからチャネル特有の信号を受信し、サンプルに与えられたエレメントに特有の複素重みを掛けて、重み付けされたエレメント寄与分を総和して、最終的なチャネル出力38を形成する。与えられた周波数チャネルに関連付けられているビームの特性は、複素重みの選択により制御され、単純に重みを変えるだけで時間の経過とともに変化させることができる。例えば、与えられた方向で最大利得スポットビームを形成する必要がある場合、重みは、直線位相勾配がアレイの開口(平面であると仮定する)上に形成されるように選択され、これにより、すべてのエレメントからの寄与分が一貫して加算され、必要な方向の利得が最大化される(最小ビーム幅スポットビームを形成することに相当する)。その代わりに、重みは、幅の広い、または整形されたビームを形成するように選択されうる。周波数逆多重化32からの与えられた周波数チャネル出力は、(システムが空間周波数再利用を含む場合に)同じ周波数帯域を共有する異なる方向のビームに対応する複数のDBFNを供給することができる。この方法で形成されるチャネルの全体的集合は、次いで、この実施形態では、40で周波数多重化され、DAC42でアナログ形式に変換され、ダウンリンク信号44を形成する。

上記の説明は、IPAにも適用可能である。AFRの場合、アーキテクチャは、与えられた周波数チャネルに関連付けられているビームが典型的には給電信号の部分集合の重み付き結合(典型的には、サイドローブレベルを制限するように重み付けされた主ローブおよび他の給電を形成する高い振幅重み付けを有する限られた給電の集合との)によって形成される点を除き類似している。

同じアーキテクチャが、さらに、ダウンリンクチャネル信号のN路分割の後に複素重み乗算を持つデジタルビームフォーミング回路、およびDRAエレメントのそれぞれに対するチャネル周波数寄与分を結合するN個のデジタル周波数マルチプレクサ(および関連するデジタル/アナログコンバータ(DAC))の集合を有する送信アンテナシステムに適用可能である。

説明されている受信アーキテクチャは、トラヒック分布の変動に応じて異なる地上局位置への周波数チャネルの柔軟なルーティングを行うDBFN重みの制御で多重スポットビーム照射領域を形成するシステムとの関連で通常使用される。ビーム指向方向が十分に正確である場合にのみ、スポットビーム照射領域の高い利得という利点を活かすことができる。指向誤差があると利得の損失が発生し、これは、利得勾配が最大となるビーム端で最大となる。典型的には、出力ビーム幅の半分の10%の指向精度が許容可能であると考えられる。指向は、都合のよいことに、衛星に堅く取り付けられているアンテナを備える姿勢制御システムを通じて衛星上で制御される。狭いスポットビーム(典型的は、1度未満)を伴うシステムについては、このアプローチだと十分な精度が得られない。この実施形態は、正確なビーム指向を維持することを可能にする上記のデジタルビームフォーミングアーキテクチャの拡張に関する。

本発明は、地上の知られている位置で1つまたは複数のRFビーコンを使用することに依存する。ビーコンは、典型的には、アップリンク通信信号によって使用されるシステム帯域幅内に収まる周波数で狭帯域であるものとしてもよい。N個の周波数デマルチプレクサの集合から出力される周波数スロットのうちの1つは、典型的には、ビーコン周波数を含むことができる。アンテナエレメント信号からのビーコン周波数信号成分を含むN個のデマルチプレクサ出力46の集合が、RF感知プロセッサ50に入力される。これらの信号は、信号対雑音比を改善するためにビーコン帯域幅がデマルチプレクサ出力帯域幅に比べて小さい場合に潜在的にデジタルフィルタリングの他のステージの処理を受けることができる。ビーコンは、さらに、ビーコンとして間違って識別される他の信号がないことを保証するために、オンボードのビーム指向システムから認識される特定の符号化信号で変調されうる。RF感知プロセッサ50は、多数のデジタルビームフォーミングネットワーク(図3)を備え、これらは、ビーコンの実際の指向方向とビーコンの理想的な指向方向との間の誤差を定める誤差信号52を二次元で構成するために使用される。誤差信号は、DBFN重み制御デバイス54に印加され、このデバイスは、さらに、公称ビーム位置データを受け付け、更新された指向誤差情報に応じてDBFN36の複素値を修正するように動作する。

RFセンサー50では、DRAによって形成される放射パターンは、エレメント信号に適用されるデジタルビーム指向誤差重みを選択することにより定められ、これにより、ビーム指向誤差が測定される。「放射パターン」とは、放射のすべての着信方向に対する、グラフ形式で表したときの、アンテナ利得および位相値の軌跡を意味する。DRAについては、このようなパターンは、以下で説明されるように、直交座標を用いた三次元グラフとして都合よく表される。

DRAに関連して、誤差信号は、図3を参照すると、典型的には以下のように形成することができ、図は、RFセンサー50を、第1のDBFN62によって形成される「x差ビーム」放射パターン(xおよびyはアンテナ面上の直交する方向を指す)を供給するものとしてより詳しく示している。DBFN62は、アンテナエレメント信号からビーコン周波数信号成分を受け取り、それぞれの成分に所定のx差ビーム重みを掛け、それらの重み付けされた成分を総和して、出力信号68を形成する。重みは、結果として得られる放射パターンの振幅がx方向に垂直な軸上でゼロとなり、振幅はゼロの両側で上昇し、典型的には180度の位相差が生じるように選択され、ビーコンは、典型的には、x指向誤差がないときにゼロ上に置かれうる(これは必要というわけではないけれども)。このような放射パターンの表現は、DRAに関して、図4に示されている。このようなパターンを形成するために必要な複素重みは、例えば、180度の位相差を持つ2つのスポットビームの重みの複素総和として導出することができ、またゼロの要求された位置における交差点でx方向に分離することができ、これにより、比較的単純な計算で適切な重みが得られる。したがって、「x差ビーム」という用語が使用される。

同様に、第2のDBFN64は、アンテナエレメント信号からビーコン周波数信号成分を受け取り、それぞれの成分に所定のy方向重みを掛け、それらの重み付けされた成分を総和して、出力信号70を形成し、図4に示されているのと同様に、x軸に直交する「y差ビーム」放射パターンを構成する。

第3のDBFN66は、アンテナエレメント信号からビーコン周波数信号成分を受け取り、それぞれの成分に所定の重みを掛け、それらの重み付けされた成分を総和して出力信号71を形成し、重み付けされた信号を足し合わせることにより正規化「和ビーム」放射パターン(図5)を形成する。ピーク利得は、典型的には、xおよびyのゼロの交差点にある。

和パターンは、72、74でのように差パターンを和パターンで複素除算することにより68、70でxおよびy差パターンを正規化するために使用される。除算の結果は、76でのように所定の時間間隔にわたって平均され、78でのようにこの平均の実部が取り出され、x誤差信号80およびy誤差信号82を形成する(52、図2)。xおよびy指向誤差を補正するDBFN重みに対する必要な更新を計算するために、DBFN重み制御デバイス54内でxおよびy誤差信号が使用される。更新された重み値は、ビームフォーミングDBFN36(図2)に供給され、これにより、ビームの再指向を行う、指向誤差を補正するなどのために複素重みを調整または更新する。

このようなx誤差信号の表現は、DRAに関して、図6に示されている。x誤差信号は、ゼロの両側で反対符号が付き、正規化プロセスのおかげで振幅はビーコン信号強度とは無関係である(つまり、ビーコン信号強度の大気中減衰の影響を受けない)。

測定されたxおよびy誤差信号の振幅は、ビーコン指向方向の誤差を一意に定め、閉ループシステム50、54、36内の指向補正の基礎として使用できる。物理的誤差信号80、82は、正規化された差パターンサンプルの平均(実部)として形成され、平均期間は、誤差を確定する際の誤差値に対するノイズの影響と時間との間のバランスが最良のものとなるように最適化される。

図4に示されているパターンを形成するために必要な複素重みは、上記のようにして導出されるが、都合のよい方法があればそれで導出することも可能である。

図5は、x方向にそって差パターンを通るパターン断面を示している。また、2つの差ビームローブの交差点に配置される単一スポットビームを与える選択された重みによって形成された和ビームを通る対応する断面も示している(この例では51度)。

図6は、和パターンによるxトラッキングパターンの正規化によって形成されるx誤差信号等高線パターンを示している。振幅は、ゼロの両側で上昇するが、反対符号を持つ。また、等高線は、y誤差からのx誤差推定値の近似的減結合を示すパターンの中心領域内でほぼ平行であることに留意されたい。

図7は、y誤差がゼロ(y=51度)の場合のx誤差信号等高線プロットの断面を示している。誤差信号は、中心ゼロの両側で反対符号を持ち、誤差信号の準線形的な変化があり、ビーコン誤差角度は、中心領域では、ゼロ誤差ビーム整列位置の両側で約5度であることに留意されたい。

代替トラッキングパターンは、DRA重みの代替選択により形成されうる。他の実施例では、単一の差パターンは、利得がすべての方位について等しく離れる形で半径方向に増大するが、位相は方位角に従って360°の範囲で変化する、単一のゼロ点を含む。このようなパターンの正規、つまり差パターンの和パターンによる複素除算により、結果の誤差パターンの実部と虚部から導出されるxとyの両方の指向誤差が直接得られる。

RF感知プロセッサ内のDBFNでは、DRAの場合のエレメント信号の一部または全部を使用して、差パターンの利得勾配を最適化することができる。

xおよびy指向誤差信号は、ビームフォーミング重みの更新を使用することによりビームの指向を電子的に補正する際の基礎として使用される。DRAアンテナの場合、xおよびy指向誤差を使用してデジタルビームフォーミング重み集合(図2の36)の更新を生成し、ビーム方向を補正するなどのためにアンテナ開口上の直線位相勾配への増分更新を行うことができる。このようなアプローチでは、ビーコンxおよびy誤差がDRAによって形成されるすべてのビームに適用可能であると想定する。追加のビーコンは、ヨー誤差データを供給するために使用することができるが、位相勾配の更新がビーコン位置に相対的なビーム位置に依存するという点でビームフォーミング重み誤差のさらに複雑な計算を必要とする。

所定の給電が遠方場にある指向性ビームに関連するようにビームフォーミングのステージを反射鏡で実装するAFR受信アンテナの場合、和放射パターンおよびx、y差放射パターンを形成するために類似の概念を使用することができる。特に、図3の回路を使用できる。適当な和および差パターンが、少数の給電(潜在的に2つのみであり、これにより2つの給電に関連する遠方場をリンクする次元で差パターンを形成する)を使用して単純化したDBFNにより形成されうる。差パターンを生成するための給電の選択は、AFR内の給電幾何学的形状(例えば、正方対称または六方対称であるのかどうか)に依存する。AFRに対する適当なx差利得放射パターンの例が、図8に示されており、これは、x方向に分離されている2つの隣接する給電の信号の逆位相加算を行う単純化したDBFNによって形成される。x方向については、給電のうちの1つの利得が支配的であるときにゼロの両側で上昇する利得と2つの給電ビームが交差する方向に信号ゼロがあり、位相はゼロの両側で180度異なることに留意されたい。図8に示されている角度範囲は、最大予想指向誤差を著しく超えており、そのため、現実的な指向誤差については、信号は、利得が単調増加するとみなされるx=0においてゼロ領域に近づく。同様に、y差パターンは、典型的には直交するy方向に変位される2つの給電を使用して第2の単純化したDBFNによって形成される。正規化和パターンは、典型的にはビーム方向が差パターンゼロの交差点に近い給電の制限された部分集合の同相加算を行う第3の単純なDBFNによって形成される。

AFRの場合、ビーム重みの更新は、DRAほどには簡単でなく、スポットビームのそれぞれを形成するために使用される重み集合の更新を必要とする。例えば、このような更新は、測定指向誤差に従って重み集合を選択することによりさまざまなビーム指向偏移を実行する最適化された重み集合の事前計算によって行われうる。重み集合の数を制限するために、これに対し、重み集合の間でさらに補間プロセスを実行しさらに細かい指向制御を行って補完することができる。受信アンテナについて確定された指向誤差は、両方のアンテナの指向誤差が相関することが知られている場合に送信アンテナの指向誤差を補正するために使用でき、例えば、同じエレメントを共有している可能性があるか、または指向誤差が完全に宇宙船の姿勢によるものでありしたがって両方のアンテナに等しい影響をもたらす可能性がある。

本発明の他の形態では、xおよびy指向誤差信号は、従来の手段によってアンテナの指向を補正する際の基礎として使用される。このような補正を実行するときに、ビーコンの指向誤差は、アンテナによって形成されるすべての通信ビームに対する指向誤差と相関すると仮定される。このようなアプローチの1つでは、補正は、宇宙船の姿勢を変更することにより行われる。単一のビーコンがある場合、ビーコン方向のxおよびy指向誤差は、宇宙船のピッチおよびロールの調整によって補正できる。しかし、このようなアプローチは、ビーコン方向から空間的に離れている場所にあるビームの場合に宇宙船のヨー誤差によりビーム指向誤差の補正に使用されない。本発明は、この場合、地上の異なる位置にある第2のビーコンを含むように拡張されうる。2つのビーコンに関連するxおよびy誤差信号は単純な三角則に従って処理され、そのため、追加のヨー指向誤差が生じることがあるが、ピッチおよびロールとともに宇宙船姿勢制御システムを通じて補正できる。

その代わりに、指向誤差は、機械式アンテナ指向メカニズムによって補正することができる。これは、アンテナに対するピッチおよびロール傾斜を使用することができる(またはAFRの場合には反射鏡だけ)。ヨー誤差の補正は、あまり簡単でなく、ボアサイト軸を中心とするアンテナの回転を必要とする。

上記の説明では、例えば、宇宙船のピッチおよびロール誤差はすべてのビームに等しく作用するため、ビームの指向誤差を補正すべきであることを仮定している。本発明の他の変更形態では、異なるスポットビームの指向誤差は、補正できないことが認識されている。非補正指向誤差は、DRAにおける重み誤差、またはAFRの給電アライメント誤差、または地上にある端末の位置の不確定性によるものと考えられる。アップリンク通信信号は、この場合、xおよびy指向誤差が個別ビームに基づいて指向の電子制御を行うために使用されるビーコンとして利用することができる。この場合、それぞれの周波数チャネルは、追加のxおよびy差パターンビームフォーミングネットワークを必要とする。主通信ビームフォーミングネットワークは、好適な正規化総和信号を形成することができる。ビーム指向の補正は、必ず、DBFNの重みを通じて実行されるが、それは、ビーム毎に補正が異なるからである。このようなシステムは、位置が正確に知られていない特定の地上局で高利得スポットビームの指向を設定することが可能であり、実際に、衛星テレメトリーシステムを通じて位置データを供給できる。

本発明の物理的実装は、指向誤差評価に関連する処理アルゴリズムおよび指向を補正するのに必要なビームフォーミング重み集合更新を追加したデジタルビームフォーミングシステムに必要なデジタル処理の実装の拡張という形態をとる。これによると、算術演算処理速度に関するデジタルビームフォーミングシステムの複雑さの増加が最低限で済む。したがって、実装は、典型的にはASIC、FPGA、またはマイクロプロセッサ技術に基づいている、宇宙環境で使用するのに適している耐放射線性チップ技術の形態をとる。

2 フォワードリンクプロセッサ
3 リターンリンクプロセッサ
6 A/Dコンバータ
10 スイッチング機能
12 ビームフォーマー機能
16 移動体受信アンテナエレメント
18 ビームフォーマー機能
24 アンテナエレメント
26 エレメント信号
30 アナログ/デジタルコンバータ(ADC)
32 周波数逆多重化
34 周波数チャネル
36 デジタルビームフォーミングネットワーク(DBFN)
38 チャネル出力
46 デマルチプレクサ出力
50 RF感知プロセッサ
52 誤差信号
54 DBFN重み制御デバイス
62 DBFN
64 第2のDBFN
66 第3のDBFN
70 出力信号
71 出力信号
80 x誤差信号
82 y誤差信号

Claims (39)

1. 宇宙船のアンテナ用のビームフォーミングを行う方法であって、
   前記宇宙船は、それぞれが各周波数チャネル内にあるアップリンク信号およびダウンリンク信号を用いて前記宇宙船のアンテナシステムと通信する地上局を含むシステムの一部をなし、前記アンテナシステムは、アレイ内に配列された複数のアンテナエレメントを有する受信アンテナを備え、それぞれのエレメントは各アンテナエレメント信号を送り出し、前記アップリンク信号のうちの少なくとも１つはビーコン信号を含み、
   前記方法は、
   前記受信アンテナからのそれぞれの前記アンテナエレメント信号を2値化し、それぞれの2値化されたアンテナエレメント信号を処理して前記エレメント信号中に存在する各周波数チャネル内のアップリンク信号成分を分離するステップと、
   各ビーム指向誤差重み値をデジタル重みとして、前記複数のアンテナエレメント信号のうちの少なくともいくつかの信号中に存在する前記ビーコン信号の成分に付け、そのような重み付けされたビーコン信号成分を評価してビーム指向誤差信号を導出するステップと、
   前記アンテナシステムによって供給される少なくとも1つの通信信号ビームの指向方向を調整するために前記誤差信号を使用するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして、少なくとも1つの周波数チャネル内の前記アップリンク信号成分に重み付け、前記重み付けされた成分を結合して前記1つの周波数チャネル内の前記アップリンク信号を合成するステップさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記アンテナシステムは、アレイ内に配列されている複数のアンテナエレメントを具備している送信アンテナをさらに備え、それぞれのエレメントは関連する各アンテナエレメント信号を有し、
   前記方法は、
   前記送信アンテナの前記アンテナエレメント用のダウンリンクアンテナエレメント信号を合成するために、各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして選択的に付けられたデジタル形式によるダウンリンク信号を各周波数チャネルにおいて提供するステップをさらに含み、
   前記アンテナシステムによって提供される少なくとも1つの通信信号ビームの指向方向を調整するために前記誤差信号を使用するステップは、前記受信アンテナによって提供される少なくとも１つの通信信号ビームの指向方向を調整するために前記誤差信号を使用するステップを具備していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記アンテナは、各エレメント信号を送り出すアンテナエレメントのアレイを備える直接放射アレイまたはイメージングフェイズドアレイであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記アンテナは、反射鏡に向けられたアンテナエレメントのアレイを備え、各エレメント信号を送り出すアレイ給電反射鏡であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記重み付きビーコン信号成分の第1の集合を形成するステップと、前記成分を結合して、前記受信アンテナの第1の軸に対するビーム指向誤差に関係する第1の結合された重み付き値を導出するステップとを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記重み付きビーコン信号成分の第2の集合を形成するステップと、前記成分を結合して、好ましくは前記第1の軸に直交する、前記受信アンテナの第2の軸に対するビーム指向誤差に関係する第2の結合された重み付き値を導出するステップとを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記受信アンテナは、アレイ給電反射鏡であり、前記第1の集合および/または前記第2の集合は、前記軸にそって分離されているアンテナエレメントのエレメント信号の第1および第2の重み付きビーコン信号成分を含むことを特徴とする請求項5または6に記載の方法。
9. 前記第1の集合および/または第2の集合は、差放射パターンに関係し、前記方法は、さらに、結合されて和放射パターンに関係する結合された総和値を導出する前記重み付きビーコン信号成分の第3の集合を形成するステップと、前記第1および/または前記第2の結合された重み付き値を前記結合された総和値によって除算することにより正規化し、第1および/または第2のビーム指向誤差信号を導出するステップとを含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記ビーム指向誤差重み値は、前記受信アンテナの第1の軸にそって差放射パターンを合成し、信号ゼロを有し、前記振幅は前記ゼロの両側で上昇するが、ゼロの両側に位相差があることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ビーム指向誤差重み値は、前記受信アンテナの第2の軸にそって差放射パターンを合成し、信号ゼロを有し、前記振幅は前記ゼロの両側で上昇するが、ゼロの両側に位相差があることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記位相差は、180°であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記ビーム指向誤差重み値は、前記受信アンテナ用の放射パターンを合成するように選択され、アンテナ利得値は、少なくとも頻繁に発生するビーム指向誤差に対応するビーム方向の特定の範囲にわたってビーム方向の変化に対して有意な変化を示すことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記指向方向は、前記衛星の姿勢をピッチおよびロールに関して調整することによって補正されるか、または機械式アンテナ指向メカニズムによって調整されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記指向方向は、前記誤差信号に応じて、前記ビームフォーミング重み値を調整することによって補正されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記アンテナは、アレイ給電反射鏡であり、前記調整は、前記誤差信号の値に応じて事前計算された重み集合を選択することにより実行されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 補正される前記ビームは、前記受信アンテナのビームであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
18. 補正される前記ビームは、前記送信アンテナのビームであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
19. 知られている位置にある地上局からのアップリンク通信ビームは、さらに、ビーム指向誤差を測定することを目的とするビーコンとして働くことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記アンテナの複数の受信ビームは、無相関であり、それぞれのアップリンク信号は、前記各ビームの各ビーコン信号を形成することを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. さらなるビーコン信号が形成されてさらなる誤差値が与えられ、前記宇宙船の前記ヨー角度は、ピッチおよびロールに加えて誤差を生じさせる可能性があることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 宇宙船のアンテナのビームを形成するための装置であって、
    アレイ内に配列されている複数のアンテナエレメントを備える受信アンテナであって、それぞれのアンテナエレメントは各周波数チャネル内のアップリンク信号の受信に応答して各アンテナエレメント信号を供給する、受信アンテナと、
    それぞれの前記アンテナエレメント信号を2値化し、それぞれの前記アンテナエレメント信号中に存在する各周波数チャネル内のアップリンク信号成分を分離するためのデジタル処理手段を備えるアップリンク信号合成手段と、
    各周波数チャネル内の前記アップリンク信号のうちの1つの信号を含むビーコン信号に応答し、各ビーム指向誤差重みをデジタル重みとして、前記複数のアンテナエレメント信号のうちの少なくともいくつかの信号中に存在する前記ビーコン信号の成分に付け、前記重み付けされたビーコン信号成分を評価してビーム指向誤差信号を導出するためのビーム指向誤差重み付け手段を備える、ビーコン方向評価手段と、
    前記誤差信号を使用して前記宇宙船によって供給される少なくとも1つの通信信号ビームの前記指向方向を調整するための調整手段と、
    を備えることを特徴とする装置。
23. 前記アップリンク信号合成手段は、
    各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして少なくとも1つの周波数チャネル内の前記アップリンク信号成分に付けるためのビームフォーミング重み付け手段と、
    そのような選択された成分を結合して各周波数チャネル内で少なくとも1つのアップリンク信号を合成するための結合手段と、
    をさらに備え、
    前記調整する手段は、前記誤差値にしたがって、前記ビームフォーミング重み値を調整可能であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. アレイ状に配列されている複数のアンテナエレメントを具備し、それぞれのアンテナエレメントが各周波数チャネル内のダウンリンク信号に応答して各アンテナエレメント信号を提供する、送信アンテナと、
    各周波数チャネル内のダウンリンク信号を選択的に形成するためのデジタル手段を備えるダウンリンク信号合成手段と、
    各ビームフォーミング重み値をデジタル重みとして、各周波数チャネル内のダウンリンク信号に付け、アンテナエレメント信号を前記送信アンテナに供給するためのビームフォーミング重み付け手段と、
    を具備し、
    前記調整する手段は、前記誤差値にしたがって、前記ビームフォーミング重み値を調整可能であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
25. 前記アンテナは、各エレメント信号を送り出すアンテナエレメントのアレイを備える直接放射アレイまたはイメージングフェイズドアレイであることを特徴とする請求項２２から２４のいずれか一項に記載の装置。
26. 前記アンテナは、反射鏡に向けられたアンテナエレメントのアレイを備え、各エレメント信号を送り出すアレイ給電反射鏡であることを特徴とする請求項２２から２４のいずれか一項に記載の装置。
27. 前記受信アンテナは、アレイ給電反射鏡であり、前記評価手段は、第1および第2の相隔てて並ぶエレメントのエレメント信号の第1および第2の前記重み付きビーコン信号成分を結合して少なくとも1つのビーム指向誤差値を決定するための結合手段と、前記1つの誤差値に応答して前記ビーム指向誤差信号を導出するための正規化手段とを備えることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. 前記評価手段は、選択された重み付きビーコン信号成分を結合して少なくとも1つのビーム指向誤差値を決定するための結合手段と、前記1つの誤差値に応答して前記ビーム指向誤差信号を導出するための正規化手段とを備えることを特徴とする請求項２２から２６のいずれか一項に記載の装置。
29. 前記ビーム指向誤差重み付け手段は、
    前記ビーコン信号成分に応答する、前記アンテナの第1の方向(x)にそってx差放射パターン値を決定するためのビーム指向誤差重みの第1の集合を有する第1の差デジタルビームフォーミングネットワークと、
    前記ビーコン信号成分に応答する、前記アンテナの第2の方向(y)にそってy差放射パターン値を決定するためのビーム指向誤差重みの第2の集合を有する第2の差デジタルビームフォーミングネットワークと、
    を備えることを特徴とする請求項２２から２８のいずれか一項に記載の装置。
30. 前記ビーコン信号成分に応答する、和放射パターン値を決定するためのビーム指向誤差重みの集合を有するさらなる総和デジタルビームフォーミングネットワークを備え、前記第1および/または第2の差パターン値を前記総和値で除算して第1および/または第2のビーム指向誤差信号を形成するように動作可能な正規化手段を備えることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
31. 前記ビーム指向誤差重み値は、前記アンテナアレイの1つの軸にそって合成された放射パターンを形成し、信号ゼロを有し、前記振幅は前記ゼロの両側で上昇するが、ゼロの両側に位相差があることを特徴とする請求項２２から２８のいずれか一項に記載の装置。
32. 前記ビーム指向誤差重み値は、前記アンテナの他方の軸にそって放射パターンを合成し、信号ゼロを有し、前記振幅は前記ゼロの両側で上昇するが、ゼロの両側に位相差があることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
33. 前記調整手段は、前記衛星の姿勢をピッチおよびロールに関して調整するように動作可能であることを特徴とする請求項２２から３２のいずれか一項に記載の装置。
34. 前記調整手段は、機械式アンテナ指向メカニズムを調整するように動作可能であることを特徴とする請求項２２から３２のいずれか一項に記載の装置。
35. 前記調整手段は、前記誤差値に応じて、前記ビームフォーミング重み値を調整するように動作可能であることを特徴とする請求項２２から３４のいずれか一項に記載の装置。
36. 前記調整手段は前記ビームフォーミング重み値を調整する動作をする、重み制御手段を備えることを特徴とする請求項３５に記載の装置。
37. 前記アンテナは、アレイ給電反射鏡であり、前記調整手段は、事前計算された重み集合および重み集合を選択するための手段を備えることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
38. 補正される前記ビームフォーミング重み値は、前記受信アンテナのビームに関係して補正されることを特徴とする請求項３５に記載の装置。
39. 補正される前記ビームフォーミング重み値は、送信アンテナのビームに関係して補正されることを特徴とする請求項３５に記載の装置。