KR100350938B1

KR100350938B1 - 무선 주파수 빔 조향을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100350938B1
Application number: KR1020000033634A
Authority: KR
Inventors: 베너제임즈더블류.; 셜우드리차드비.; 시몬스에드워드제이.쥬니어
Original assignee: 티알더블류 인코포레이티드
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-08-28
Also published as: EP1065748A1; KR20010007434A; US6184825B1; JP3408782B2; TW472416B; JP2001057506A

Abstract

RF 빔 조향 장치(500, 600)는 안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상한다. 빔 조향 장치는 이 위성 자세로부터 안테나 자세 출력을 발생시키는 자세 기준 시스템(502)을 포함한다. 또한 자세 기준 시스템에 연결되며, 안테나 조향 에러 출력을 포함하는 자세 비교 회로가 포함되어 있다. 제어 회로는 자세 기준 시스템(502)과 자세 비교 회로에 연결된다. 제어 회로는 자세 비교 회로가 위성에 대해 기계적인 회전에 의하여 유도된 동역학적인 안정 안테나 조향 에러에 반응하여 제어 에러 출력 신호를 발생시키게 한다. 전자적인 빔 조향 시스템(500, 600)은 공칭 동작을 위해 미리 결정된 조향 정밀도(202) 내로 동역학적인 안정 안테나 조향 에러를 감소시키기 위해 안테나 조향 에러 신호에 반응하여 안테나(544)를 조종하기 위해 제공된다.

Description

무선 주파수 빔 조향을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RADIO FREQUENCY BEAM POINTING}

본 발명은 위성 무선 주파수(RF) 빔 조향에 관한 것이다. 특히 본 발명은 피드백 제어되는 빔 조향 방법 및 장치에서 기계적 및 전자적 빔 조향 기능을 통합시키는 것에 관한 것이다.

위성은 육상과 공간을 기반으로 하는 표적에 안테나를 조향하기 위해 RF 빔 조향 기법을 사용한다. 그 표적은 예를 들어 공간/지상 통신, 공간/공간 위성 상호간 링크, 및 레이더 빔 지향 이미지 기능을 위하여 관련이 있을 수 있다. 두 개의 빔 조향 기술이 일반적으로 사용되는데, 기계적 빔 조향 기술과 전자적 빔 조향 기술이 그것이다.

기계적 빔 조향 기술은 위성이나 이 위성에 있는 개개의 안테나가 그 안테나에 의하여 생성된 빔을 특정 표적으로 지향하도록 기계적으로 이동시키거나 회전시키는 것을 포함한다. 기계적인 조향은 특정 적용에 대해서는 비용이 절감될 수 있으나, 종종 본체와 안테나의 역학 관계가 적절한 회전율로 낮아질 수 있다.

더욱이, 위성들이 완전한 강체가 아니기 때문에, 그 위성은 동역학적으로 안정하는데 상당한 양의 시간을 소요할 수 있으며, 그 동안 빔의 조향이 상대적으로 부정확하게 된다. 그러므로, 위성과 그 성분들이 안정하는데 걸리는 시간 동안, 시스템은 일반적으로 동작하지 못하거나 상당한 성능 저하를 겪게 된다. 레이더 위성 이미지 기능 시스템에서 일반적으로, 이미지 기능은 그 위성의 동역학적인 안정으로 인한 조향 기능의 에러가 빔폭의 1/10 이나 1/20 또는 그 이하가 될 때까지 유보된다.

이제 도 1을 참조하면, 전형적인 합성 애퍼처 레이더{"SAR(Synthetic Aperture Radar)"}이미지 기능 위성에 대한 표적 접근 영역(102, 104)이 도시되어 있다. SAR 시스템은 효과적인 이미지 기능 애퍼처를 증가시키기 위해 상대적 운동에 좌우되며 그리하여 비행 방향의 바로 아래, 바로 앞, 또는 바로 뒤를 이미지 형성하는데 어려움을 가진다. 감쇠와 전력의 제약이 지구 둘레 부근의 장거리에 있는 이미지 형성을 제한한다. 그 결과는 "버터플라이(butterfly)" 순간 이미지 형성 주시 영역{"FOR (Field-Of- Regard)"}이 된다. 도 1에서, FOR 은 70도의 지상 앙각{GEA(Ground Elevation Angle)}(106)과 20도의 GEA(108)로 구속되는 것으로 취해져 있다. 위성 진행 방향)(110)과 명목 표적 운동(112)도 도시되어 있다.

그 표적은 이미지의 지속 기간 동안 FOR 내에 남아 있어야 한다. 상대적으로 저고도의 궤도가 종종 레이더 전력을 줄일 수 있기 위해 바람직하지만, 이들 궤도도 또한 지상 표적에 대하여 빠른(대략 7km/sec) 상대 위성 운동이 되므로, 표적은 상대적으로 짧은 시간(예를 들어 1 분 이하의 시간) 동안 FOR 내부에 남아 있게 된다. 다수의 표적이 종종 FOR 내부와 연관되기 때문에, 가능한 한 신속히 각 표적을 이미지 처리하여야 하는 강한 동기를 유발하게 된다.

그러나, 도 2 및 도 3 과 관련하여 아래에서 좀더 자세하게 설명되는 바와 같이, 기계적인 회전 유도 안정 에러는 그 위성이 상당한 양의 시간 동안 그 표적을 정확하게 이미지 처리하는 것을 못하게 한다. 각 표적의 해상도, FOR 에서 이미지 처리될 수 있는 표적의 총 개수, 및 레이더 이미지 처리 시스템의 전반적인 효과도 적절하게 감소한다.

도 2 는 저지구궤도{"LEO (Low Earth Orbit)"} 위성에 탑재되어 사용되는 기계적 RF 빔 조향 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 위치 에러 프로파일(200)을 도시한다. 위치 에러 프로파일(200)은 도 3 에 도시되어 있는 기계적인 회전 각 프로파일(300)로부터 기인한다. 도 3 에 나타나 있는 시뮬레이션은 위성과 위성에 견고하게 장착된 안테나의 자세를 조정하기 위하여 대략 0.2도의 RF 빔 폭과 12 초 동안 시뮬레이트 되는 90도의 기계적인 위성 본체 회전(t=0에서 시작함)을 취한다. 공칭 동작(참조 번호 202로 나타나 있는 바와 같이 대략 0.01 도 내지 0.02도) 에 필요한 조향 정밀도가 달성되기 이전에 요구되는 안정 시간은 대략 16초(t=12에서 대략 t=28까지)였다.

따라서, 전체적으로 이용 가능한 위성 시간의 상당한 부분이 위성이 이미지를 포착하기 이전에 회전하고 안정하기 위해 기다리는데 소비되어야 한다. 불운하게도, 신속 안정을 갖는 정밀한 기계 조향은 매우 고가이고 수행하기에도 매우 어렵다.

기계 조향 시스템과 연관된 장기간의 회전 시간과 장기간의 안정 시간은 전자 조향 시스템에 존재하기 않는다. 더욱이, 전자 조향 시스템은 기계적 조향과 제어 하드웨어와 연관된 지터와 본체 동역학은 알려져 있지 않기 때문에 기계적 조향 시스템보다 종종 더 정확하다. 그러나, 넓은 각도의 2 차원(예를 들어 방위각과 앙각으로 조종 가능한) 페이즈 어레이(phased array)의 시행을 통해 모든 기계적 조향 기능을 제거하는 것은 매우 고가이고 복잡하다.

기본적으로, 넓은 각도의 2 차원 전자빔 조향은 엄청나게 고가인데, 그 이유는 이 조향이 서로 조밀하게 떨어져 있는 RF 복사 및 수신 요소와 굉장히 많은 수의 가변 시간 지연 송신/수신{"TR (Transmit/Receive)"} 모듈을 필요로 하기 때문이다. 더욱이, TR 모듈 분리에 대한 물리적인 제약도 또한 각도의 적용 범위를 제한할 수 있다. 넓은 각도의 2 차원 전자 빔 조향 시스템의 다른 중요한 단점은 2 차원 단계 어레이를 적절히 동작하는데 필요로 하는 신호 처리 복잡도 및 시스템 전력과 무게 증가와 함께 증가된 백엔드 신호 발생이다.

레이더는 안정 에러에 의하여 역으로 이루어지는 응용의 유일한 한 예이다. 다른 예로서, 통신 응용은 또한 기계적인 회전 유도 안정 에러를 받는다. 신뢰성 있는 통신은 전송 및 수신 안테나의 정확한 정열을 필요로 하기 때문에, 안정 에러를 유발하는 안테나의 잘못된 조향은 예를 들어, 두 실체가 통신할 수 있는 시간의 길이, 통신의 신뢰성, 또는 통신 속도와 절충할 수 있다.

비용이 낮고 넓은 유효 범위의 기계적 조향 특성과 정밀도가 높고 신속한 조향 성능이 있는 전자빔 조정 특성을 갖는 RF 빔 조향을 위한 방법 및 장치에 대한 필요성이 오랫동안 산업계에서 존재하여 왔다.

본 발명의 목적은 개선된 RF 빔 조향 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 비용이 낮고 넓은 유효 범위의 기계적 조향 특성과 정밀도가 높고 신속한 조향 성능이 있는 전자빔 조정 특성을 갖는 RF 빔 조향을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 RF 빔 조향을 위한 피드백 제어되는 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 전송만, 수신만, 또는 전송과 수신이 되는 레이더 및 통신 응용 장치와 사용하기 위한 RF 빔 조향 장치와 방법을 제공하는 것이다.

하나 또는 그 이상의 전술한 목적은 안테나 조향에 대한 기계적 회전 유도 동역학적 안정 에러의 효과를 보상하는 방법과 장치를 제공하는 본 발명에 의하여 전체적으로 또는 부분적으로 충족된다. 기계적인 회전은 먼저 적어도 일차원에서 전자적으로 조종 가능한 안테나를 운반하는 위성에서 일어난다. 그 안테나는 예를 들어 페이즈 어레이 안테나일 수 있으며 기계적인 회전은 위성 그 자체의 기계적 조향 운동{예를 들어 스러스터(thruster)를 사용하는 본체 회전}이나 안테나 그 자체(예를 들어 안테나가 장착된 짐벌을 작동시킴으로써)의 기계적 조향 운동일 수 있다. 기계적 회전으로 야기되는 동역학적 안정 안테나 조향 에러에 응답하여, 본방법은 전자 자세 정정을 실행한다. 기계적 회전은 이리하여 전자 자세 정정이 정확하고 좁은 각도의 신속한 조향을 제공하는 동안 대략적인 넓은 범위의 조향을 제공한다.

전자적 자세 정정은 위성 자세 기준 시스템에 의하여 제공되는 현재의 위성 자세에 기초를 둔 안테나 자세를 결정하는 단계와, 현재 안테나 자세를 희망하는 안테나 자세와 비교하는 단계와, 상기 희망하는 안테나 자세로 그 안테나를 전자적으로 조종하는 단계를 포함한다. 동역학적 안정 유도 안테나 조향 에러는 기계적인 회전이 완료되고 난 이후에 거의 바로 공칭 동작을 위하여 미리 결정된 조향 정밀도 내로 감소된다.

상기 방법은 예를 들어 표적 추적 시퀀스 동안 동작할 수 있고 전자적 자세 정정과 동시에 그 표적을 추적하기 위해 기계적 자세 정정을 추가적으로 수행할 수 있다. 전자적 자세 정정에서와 같이, 기계적 자세 정정은 위성 자세 기준 시스템을 사용하여 현재의 위성 자세로부터 안테나 자세를 결정하는 단계와, 현재의 안테나 자세와 희망하는 안테나 자세를 비교하는 단계, 및 상기 희망하는 안테나 자세를 향하여 그 안테나를 기계적으로 조종하는 단계에 의하여 진행될 수 있다. 전형적으로, 기계적 자세 정정은 전자 자세 정정 보다 훨씬 더 느린 속도로 진행된다. 단지 예로서, 전자적 자세 정정은 대략 1000Hz 또는 그 이상으로 진행할 수 있는 반면, 기계적 자세 정정은 대략 100Hz 또는 그 이하로 진행될 수 있다.

상기 안테나는 송신만, 수신만, 또는 송신과 수신 안테나로서 사용될 수 있다. 상기 안테나는 예를 들어 통신과 레이다(RADAR) 응용을 포함하는 사실상으로임의의 형태의 응용에 사용될 수 있다. 전자적 자세 정정은 기계적 회전 유도 안정 에러가 소멸하는 시간(도 2에서 t=28인 시간) 이상으로 계속될 수 있다는 것에 더 주목한다. 다르게 말하면, 본 발명은 다른 소스로부터 임의의 추가적인 조향 에러에 대해 계속되는 보상을 제공하는데 사용될 수 있다.

본 발명은 또한 안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상하는 RF 빔 조향 장치에 있다. 빔 조향 장치는 자세 기준 시스템에 의하여 결정되는 현재의 위성 자세에 기초한 안테나 자세 출력을 발생시키는 자세 기준 시스템을 포함한다. 또한 자세 기준 시스템에 연결되거나 자세 기준 시스템의 일부인 자세 비교 회로도 포함된다.

(예를 들어 탑재된 컴퓨터의 일부인) 제어 회로는 자세 기준 시스템과 자세 비교 회로에 연결되거나 그 일부이다. 제어 회로는 자세 비교 회로가 위성에 대한 기계적 회전에 의하여 유도된 동역학적인 안정 안테나 조향 에러에 응답하여 자세 제어 에러 신호를 발생시키게 한다. 전자 빔 조향 시스템은 공칭 동작 동안 미리 결정된 조향 정밀도 내로 동역학적인 안정 안테나 조향 에러를 감소시키도록 자세 제어 에러 신호에 응답하여 안테나를 조종하기 위해 제공된다.

자세 기준 시스템은 예를 들어, 별 추적기, 태양 센서 또는 관성 기준 유닛으로부터 입력을 받아 들일 수 있다. 전자 빔 조향 시스템은 전형적으로 안테나를 앙각으로 조종하기 위한 가변 시간 지연 모듈과 안테나를 방위각으로 조종하기 위한 가변 시간 지연 모듈을 포함한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 안테나는 기본적으로 단일 차원(예를 들어 앙각)으로 조종 가능하지만, 동역학적인 안정 조향 에러를 보상할 수 있는 제 2 차원(예를 들어 방위각)으로 백스캐닝 조종 성능의 각도를 포함한다.

RF 빔 조향 장치는 표적 추적 시퀀스 동안 신속한 전자적 조종 기능과 기계적 조종 기능을 결합하기 위해 위에서 지적된 바와 같이 동작할 수 있다. 더욱이, RF 빔 조향 시스템은 표적 포착 기계적 회전 운동을 시작할 수 있으며, 그후 동역학적인 안정 에러가 전자적 조종 기술이나 결합된 전자적 기계적 조종 기술에 동작을 넘겨줌으로써 제거된다.

본 발명의 수많은 추가적인 특징, 성능, 및 특성은 본 발명의 상세한 설명으로 아래에 기술되어진다.

도 1 은 합성 애퍼처 레이더 이미지 형성 시스템에 대한 전형적인 표적 접근 구속 조건을 나타내는 도면.

도 2 는 본체에 고정된 레이더를 갖는 유일한 기계적 빔 조향을 사용하여 빔 조향 시스템의 시뮬레이션을 위해 위치 에러 프로파일을 도시하는 그래프.

도 3 은 본체 회전되는 기계적 빔 조향 시스템의 시뮬레이션의 회전 각도 프로파일을 도시하는 그래프.

도 4 는 기계적 전자적 피드백 제어되는 빔 조향 방법의 과정/논리 흐름도.

도 5 는 본 발명의 특정 본체 회전 실시예에 따라 피드백 제어되는 빔 조향 장치의 블록도.

도 6 은 본 발명의 특정 짐벌(gimbaled)된 실시예에 따라 피드백 제어되는 빔 조향 장치의 블록도.

도 7 은 본 피드백 제어되는 빔 조향 장치와 사용될 수 있는 안테나 페이로드의 블록도.

도 8 은 기계적 조향 에러를 정정하기 위해 전자적 조향을 사용하는 안테나 자세 제어의 결과를 도시하는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 위성의 진행 방향 112 : 표적의 운동

502 : 별 추적기 506 : 관성 기준 유닛

508 : 비정밀 태양 센서 510 : 센서 처리 전자 장치

514 : 토크 로드 524 : 스러스터

526 : 밸브 구동 전자 장치 528 : 탑재 컴퓨터

606 : 짐벌 구동 전자 장치 608 : 모터 및 리졸버

이제 도 4를 참조하면, 이 도면은 기계적 전자적 피드백 제어되는 빔 조향 방법의 과정/논리 흐름도(400)를 나타내는 도면이다. 단계(402)에서, 위성은 예를 들어 위성이 표적의 이미지를 처리하기 위해 명령을 받을 때 표적 조향 명령 시퀀스를 시작한다. 단계(404)에서, 명령 시퀀스는 표적을 포착하도록 안테나의 비정밀 자세 조종을 제공하기 위해 위성의 기계적 회전을 일으킨다. 이 위성은 (안테나가 위성에 고정되어 부착될 때)위성 자체를 이동시키는 본체 회전 운동을 사용하거나 안테나가 장착되는 짐벌을 동작시키거나 이 두 동작에 의하여 기계적 회전을 실행할 수 있다.

단계(406)에서, 위성은 안테나의 현재 자세를 결정한다. 이 과정의 일부로서, 위성은 예를 들어 자세 기준 센서(예를 들어, 별 추적기)로부터의 입력이나 관성 기준 시스템으로부터의 입력을 받아들일 수 있다. 단계(408)에서, 안테나의 현재 자세는 희망하는 안테나 자세에 비교되며, 단계(410)에서 추가적인 기계적 회전 명령은 예를 들어 기계적 제어 작동체의 동작{단계(412)}을 통해 위성과 위성의 안테나의 자세를 더 조정하기 위해 (표적은 아직 전자적 접근 FOR의 범위 밖에 있다고 가정하여) 발생된다.

단계(406 내지 412)는 예를 들어 낮은 대역폭 피드백 제어 루프를 사용하여 표적에 대해 기계적으로 회전을 할 때 수행된다. 단지 일례로서, 피드백 제어 루프는 대략 100Hz로 진행될 수 있다. 단계(414)에서 제어 루프가 완료되면, 위성은 일반적으로 적어도 비정밀 표적 조향을 달성하지만, 일반적으로 (예를 들어 도 2에서 도시된 바와 같이) 기계적 회전 유도 동역학적인 안정 에러를 받게 된다.

SAR 시스템의 논의에서 전술된 바와 같이, 위성 안테나는 이미지 처리 동안 그 표적을 추적한다. 이리하여, 단계(416)에서, 위성은 표적 추적 명령 시퀀스를 시작한다. 단계(418)에서, 위성은 안테나의 현재의 자세를 결정한다. 단계(420)에서, 안테나의 현재의 자세는 희망하는 안테나 자세와 비교되며, 전자적 기계적 자세 정정이 수행될 수 있다. 특히, 기계적 자세 정정을 위해, 단계(422)에서 위성은 표적을 추적하기 위하여 위성과 그 안테나의 자세를 증분적으로 조정하기 위해 {단계(424)에서 실행되는}추가적인 기계적 회전 명령을 발생시킨다.

전자적 자세 정정은 위에서 진술된 바와 같이 현재의 안테나 자세{단계(418)}를 결정하는 단계와 희망하는 안테나 자세{단계(420)}와 비교하는 단계를 포함하여 처음으로 진행할 수 있다. 그러나, 전자적 자세 정정과 함께, 위성은 단계(426)에서 전자적 빔 조향 명령을 발생시킴으로써 안테나의 안정과 다른 에러를 정정한다. 전자 빔 조향 명령은 예를 들어 단계 어레이 안테나{단계(428)}를 실행하는데 사용되는 가변 시간 지연 모듈의 진폭과 위상 세팅을 설정하거나 조정할 수 있다.

단계(418 내지 428)는 상대적으로 높은 대역폭 전자적 피드백 제어 루프(432)와 듀얼로 된 상대적으로 낮은 대역폭의 기계적 피드백 제어 루프(430)를 사용하여 표적 추적 과정 동안 수행된다. 단지 일례로서, 기계적 피드백 제어 루프(430)는 대략 100Hz에서 반복되는 반면, 전자적 피드백 제어 루프는 실질적으로 더 빠르게 (예를 들어 1000Hz 또는 그 이상의 주파수에서) 진행될 수 있다. 기계적 전자적 제어가 일어나는 속도는 기계적 전자적 제어 루프를 실행하는데 사용되는 기술에 의해서만 제한된다. 이리하여 위의 예는 본 발명의 실행에 대해 기본적인 제한을 주는 것이 아니고 있을 수 있는 단지 하나의 실행의 예이다. 단계(434)에서 표적 추적의 완료시, 위성은 추가적인 이미지 처리나 통신 임무를 준비할 수 있다.

전자적 빔 조향이 전형적으로 매우 정확하고, 정밀하며, 또 신속하기 때문에, 전자적 피드백 제어 루프(432)는 기계적인 회전이 완료된 거의 바로 직후 공칭 동작을 위해 미리 결정된 조향 정밀도 내로 기계적인 회전 유도 동역학적인 안정 안테나 조향 에러를 줄일 수 있다. 이리하여, 본 발명은 위성이 안정 에러(예를 들어 도 2 및 도 3 참조)가 점점 줄어드는데 드는 상당한 양의 대기 시간을 낭비하지 않고 효과적으로 사용하게 해준다. 많은 다양한 형태의 응용이 도 4 에 도시되어있는 빔 조향 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 레이더 이미지 처리 응용 이외에, 단방향성 또는 양방향성 통신 위성은 전술된 기술을 사용하여 송신 및/또는 수신 안테나 정열을 정확하게 유지할 수 있다.

다음으로 도 5를 참조하면, 이 도면은 본 발명의 특정 본체 회전 실시예에 따라 피드백 제어되는 빔 조향 장치(500)의 블록도를 도시한다. 도 5 는 관련 처리 전자 장치(510)와 함께 (일반적으로 시스템 이상이 있는 경우에만 사용되는) 별 추적기(504), 관성 기준 유닛(506), 및 태양 센서(508)를 포함하는, 자세 기준 시스템 성분(502)을 도시한다.

기계적 자세 제어 및 빔 조향 성분(512)도 도시되어 있다. 빔 조향 성분은 제어 전자 장치(516)와 토크 로드(514), 전자 장치(522)와 제어 모멘트 자이로스코프(518), 및 밸브 구동 전자 장치(526)와 스러스터(524)를 포함한다. 비록 반작용 휠, 제어 모멘트 자이로스코프, 및 스러스터 기반 자세 제어가 대부분 일상적으로 사용될지라도, 대안적인 자세 제어 구조물이 예를 들어 모멘텀 휠을 사용하는 피치 모멘텀 바이어스 된 시스템을 포함하여 사용될 수 있다.

기초 및 복수 탑재 컴퓨터{OBC(On Board Computer)}(528, 530)는 피드백 제어되는 빔 조향 장치(500)를 위한 제어 회로로서의 기능을 한다. OBC 는 천문 위치 결정(532), 자세 결정(534), 자세 제어(536), 모멘텀 언로딩(540), 및 전자적 빔 조향(542)을 위해 소프트웨어 모듈을 실행시킨다.

페이즈 어레이 페이로드 안테나 조립체(544)가 도 5에도 도시되어 있다. 페이로드 조립체(544)는 예를 들어 일차원이나 2차원 페이즈 어레이 안테나, RF 통신기기나 레이더 조립체일 수 있으며, 송신만, 수신만, 또는 송신과 수신 안테나로서 사용될 수 있다.

자세 기준 성분(502), OBC(528, 530), 및 관련 자세 결정 소프트웨어(534)는 위성과 위성 상의 안테나의 자세를 결정하는 자세 기준 시스템을 위성에 제공한다. 자세 결정 시스템은 우주선 자세의 추정치를 산출하기 위해 관성 기준 유닛 데이터와 칼만 필터링되는 센서를 사용한다. 본체 회전된 시스템을 포함하는 많은 시스템에서, 빔 조향 방향과 위성 자세는 일반적으로 서로에 대하여 고정되어 있다. 이리하여, 안테나 자세( 및 빔 조향 방향)의 결정은 위성 자세의 결정으로부터 추정된다.

자세 제어 성분(512), OBC(528, 530), 및 관련 자세 제어 소프트웨어(536)는 위성에 자세 제어 시스템을 제공한다. 추정된 자세와 명령된 자세를 비교하는 것은 자세 제어 소프트웨어 모듈(536)의 동작을 통하여 OBC(528, 530)의 회로를 통하여 수행되는 것이 바람직하다. 자세 제어 소프트웨어 모듈(536)은 또한 기계적 자세 성분(512)을 동작시키는 명령을 발생하는 기능을 하며 이것에 의하여 위성을 희망하는 자세로 재배향시키게 한다. 실제 자세와 명령된 자세와의 차이는 일반적으로 자세 제어 에러라고 불리우고 내부적으로 예를 들어 OBC(528, 530)에 의하여 작용하는 안테나 조향 에러 데이터 신호에 의하여 표시되어진다.

기계적 빔 조향 시스템은 추정된 안테나 조향 방향과 명령된 안테나 조향 방향을 비교한다. 도 5 의 시스템과 같은 본체 회전 시스템에서, 안테나 조향 방향과 위성 자세는 서로에 대하여 일반적으로 고정되어 있고, 자세 제어 시스템은 기계적인 안테나( 및 빔) 조향의 기능을 또한 수행한다.

페이즈 어레이 페이로드 조립체(544), OBC(528, 530), 및 관련 전자적 빔 조향 소프트웨어(542)는 페이로드 조립체(544)를 전자적 빔 조향 시스템에 제공한다. 위에서 지적된 바와 같이, 페이로드 조립체(544)는 위성에 고정되어 장착될 수 있다. 그러나, 페이로드 조립체는 또한 짐벌 상에 장착될 수 있어, 이것에 의하여 제 2 기구가 안테나를 기계적으로 조향하게 해준다.

도 6을 참조하면, 본 도면은 본 발명의 짐벌된 실시예에 따라 피드백 제어되는 빔 조향 장치(600)의 블록도를 도시한다. 도 6의 대다수의 요소는 도 5의 논의에서 전술되어 있다( 또 그리하여 도 5의 공통 참조 번호를 공유한다). 그러나, 도 6에 있는 OBC(528, 530)는 안테나 조향 소프트웨어 모듈(602)을 실행하며 페이로드(544)는 짐벌 시스템(604)에 기초한다는 것을 유의해야 한다.

짐벌 시스템(604)은 한 세트의 짐벌 구동 전자 장치(606)와 관련 모터 및 리졸버(608)를 포함한다. 짐벌 시스템(604)은 페이로드(544)의 자세를 희망하는 대로 조정하기 위하여 안테나 조향 소프트웨어 모듈(602)와 OBC(528, 530)의 지시에 따라 동작한다. 그러나, 짐벌 시스템은 기계적인 시스템이고 그리하여 위성 본체 회전 운동이 유도하는 바와 같이 페이로드(544)의 조향시 동역학적인 안정 에러를 유도한다는 것을 주의해야 한다. 사실, 위성 본체 회전은 기계적인 자세 조정 동안 짐벌 기능과 연관하여 사용될 수 있다.

위에서 지적된 바와 같이, 페이로드 조립체(544)는 예를 들어 종래의 일차원이나 2 차원 페이즈 어레이 안테나일 수 있다. 있을 수 있는 하나의 페이로드 조립체(544)가 도 7 에 개략적으로 도시되어 있다.

도 7 은 2 차원 페이즈 어레이 합성 애퍼처 레이더(700)를 도시하는 것이다. 레이더(700)는 예를 들어 제어 컴퓨터(704)와 데이터 동기 장치(706)를 포함하는 페이로드 제어기 회로(702)를 도시한다. 또한 들어오는 데이터를 포착하는데 사용되는 데이터 핸들러(710)와 고체 리코더(708)도 도시되어 있다. 페이로드 제어기 회로(702)와 데이터 핸들러(710)는 전형적으로 (일반적으로 714로 나타나 있는) 수신기 회로와 (일반적으로 716으로 나타나 있는)파형 발생기를 포함하는 저전력 RF 전자 회로(712)와 인터페이스 한다.

도 7 은 또한 안테나 그 자체가 구성되어 있는 하드웨어 요소를 도시한다. 특히, 빔 형성 회로(718)가 전형적으로 수많은 방위각 조종 가변 시간 지연 모듈(720)에 연결된다. 차례로, 방위각 조종 가변 시간 지연 모듈(720)은 방위각 빔 형성 회로(722)에 연결되며, 방위각 빔 형성 회로는 여러 가지 앙각 가변 지연 시간 지연 모듈(724)과 앙각 빔 형성 회로(726)에 이어져 있다. 송신/수신 모듈(728)은 앙각 빔 형성 회로(726)를 복사 요소(730)에 연결한다. 비록 도 7 에 도시된 구조물이 일반적으로 2 차원 송신과 수신 동작에 적합할지라도, 본 발명은 송신만, 수신만, 송신/수신, 및 일차원 또는 2 차원 페이즈 어레이 안테나에도 또한 적용할 수 있다.

전자 빔 조향 시스템(500)은 예를 들어 페이로드 조립체(544)의 제어를 위해 빔 조종 명령을 발생시키는 전자 빔 조향 소프트웨어(542)를 사용하여 추정된 안테나 조향 방향과 명령된 안테나 조향 방향을 비교한다. 제어 컴퓨터(704){전형적으로 OBC(528, 530)과 분리된 컴퓨터}는 빔 조종 명령을 처리하며 또 안테나를 조종하기 위해 가변 시간 지연 모듈(720, 724)을 직접 제어할 수 있다.

동작 동안, 위성은 많은 표적을 이미지 처리하도록 요구될 수 있다. 이들 표적으로 빔을 조향하기 위해, 기계적 빔 조향 시스템(512)은 도 4 에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 동작한다. 위성이 안테나를 기계적으로 조향한 이후에, 조향 제어 에러는 예로서 지터, 강체 동역학적 비평형, 소프트웨어 알고리듬의 한계성, 및 기계적 베어링 조향 정확성에 대한 한계성을 포함하는 효과로 인하여 유발된다.

예시되어 있는 본 발명은 좁은 각도의 전자 빔 조향 시스템을 비정밀 기계적 빔 조향 시스템과 연결한다. 전자 빔 조향 기능은 기계적 조향 시스템에서 초기 조향 에러를 위해 정정한다. 일례가 이미지 처리되는 지상 표적(810)의 시야(800)를 도시하는 도 8 에 도시되어 있다. 지구에 대하여 LEO SAR 이미지 처리 위성의 상대적 운동은 기본적으로 방위각 방향이다. 그러므로, 빔의 전자 조향 기능은 이러한 상대적 운동의 효과를 거스르며 위성이 희망하거나 필요로 하는 시간 프레임에 대해 특정 표적에 정주(dwell on)하게 하는 방위각 방향으로 일어나게 할 필요성이 있을 것이다. 특정 표적의 정주 시간은 물론 희망하는 해상도와 이미지 처리 영역에 의존한다. 예를 들어, 좁은 빔 각도로 LEO 페이즈 어레이 레이더 시스템에 대해 희망하는 정주 시간은 10 초이내에서 1 분 까지의 범위일 수 있다.

기계적 빔 조향을 통해, 표적(810) 주위에 중심을 둔 FOR(804)에서 (예를 들어 초기 표적 포착의 결과로서) 초기 RF 빔 조향 위치(802)는 희망하는 조향 위치(806)로부터 상당한 거리일 수 있고 회전 후 안정 시간 동안 이동을 겪을 수있다. 공칭 동작을 위한 조향의 정확도(예를 들어, 0.01도 내지 0.02도)가 이동(shifting)된 위치(808)로 도시되어 있다.

본 발명의 전자 빔 조향 기술은 고유의 기계적 조향 에러를 정정하며 초기 빔 조향 위치(802)를 희망하는 조향 위치(806)로 바로 정정하는데 사용될 수 있다. 전자 빔 각도 조향 범위는 초기 조향 에러를 보상하기 위해 요구되는 각도 영역만을 적용하면서 매우 좁게 이루어질 수 있다. 예를 들어 도 2 에 도시된 바와 같이, 각도 영역은 O.1도 만큼 작을 수 있다. 그러한 각도 영역은 앙각의 제어를 위한 전자 조종 기능과 방위각 제어를 위한 기계적 회전을 기본적으로 사용하는 SAR 페이즈 어레이 안테나 레이더 시스템의 백스캐닝(backscanning) 성능에 의하여 포함될 수 있지만, 방위각으로는 전자 조종의 크기를 작게 해준다. 그러한 시스템은 공지된 페이즈 어레이 안테나 이론을 사용하여 수행될 수 있다.

그 결과는 페이즈 어레이에 대한 가장 적당한 조종 요구 조건이 되어, 넓은 각도의 2 차원 페이즈 어레이 시스템으로부터 시스템 복잡도 뿐만 아니라 TR 모듈 또는 가변 시간 지연의 개수를 감소시킬 수 있다. 전자 빔 조향 대역폭은 제어 에러를 보상하기 위하여 기계적 조향 대역폭보다 실질적으로 더 큰 것이 바람직하다. SAR 인 경우에, 이 시스템은 사실상 이미지 처리가 일어나기 이전에 동역학적인 안정을 대기하여야 하는 필요성을 없애 주고, 이미지 당 전반적인 시간을 실질적으로 감소시키며 표적의 개수와 표적 영역의 개수를 증가시킨다.

도 2 에 도시된 시뮬레이션에 대하여, 예를 들어 본 발명은 기계적 회전 이후에 적어도 여분의 16 초 동안 표적의 정확한 이미지 처리를 하게 한다. 다르게말하면, 위에서 설명된 전자 조향 피드백 루프(432)는 동역학적인 안정 에러가 점점 작아지는 때(시간 t=28)까지 대기하는 것이 아니라 회전이 완료(시간 t=12)된 후 바로 위성이 이미지 처리를 시작하게 한다. 여분의 이미지 처리 시간은 예를 들어 추가적인 표적을 이미지 처리하거나 단일 표적의 향상된 이미지를 얻는데 사용될 수 있다.

기계적인 회전 이후에 안정 시간으로 인하여 초기 조향 에러를 보상하는 것 이외에, 본 발명은 전반적인 기계적 시스템에 대한 조향 요구 조건을 감소시키는데 또한 사용될 수 있어, 기계적 시스템의 복잡도와 비용을 크게 경감시킬 수 있다. 정밀한 짐벌 기구, 엄격한 구조물, 지터 억압 시스템은 매우 고가일 수 있으며, 특히 큰 페이즈 어레이와 같은 짐벌 조립체 상에서 상대적으로 높은 질량으로 사용된다.

위에서 지적된 바와 같이, 도시되어 있는 실시예는 RF 페이즈 어레이 통신 시스템과 또한 사용될 수 있다. 제한된 시간 지속 통신이 위성간 설정/차단 링크 동작 및 LEO 위성으로부터 지상 통신 모두에 공통적이다. 기계적 전자적 빔 조향 기능을 결합시키는 것은 링크 포착 시간을 감소시키는 이점을 제공하며 기계적 전자적 요소에 걸친 조향 요구 조건을 최적으로 할당시키므로, 전체적인 시스템 비용을 감소시킨다.

본 발명의 특정 요소, 실시예, 및 응용이 도시되고 설명되어 있을지라도, 특히 전술한 설명으로 볼 때 변경이 당업자에게 이루어질 수 있기 때문에 본 발명은그것으로만 한정되지 않는다는 것이 이해되어진다. 그러므로, 본 발명의 사상과 범주 내에 있는 그러한 변경을 포함하고 이들 특징을 병합하기 위해 첨부되는 청구 범위가 고려된다.

Claims

안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법(a method for compensating for the effects of settling errors on antenna pointing)에 있어서,

적어도 일차원으로 전자적으로 조종 가능한 안테나를 운반하는 위성에 대해 기계적 회전을 시행하는 단계와,

상기 기계적 회전으로부터 야기되는 동역학적 안정 안테나 조향 에러에 반응하여, 전자적 자세 정정을 수행하는 단계(performing electronic attitude correction)를 포함하되,

상기 전자적 자세 정정 수행 단계는 위성 자세 기준 시스템을 사용하여 현재의 위성 자세로부터 안테나 자세를 결정하는 단계와,

상기 현재의 안테나 자세를 희망하는 안테나 자세와 비교하는 단계, 및

공칭 동작을 위해 미리 결정된 조향 정밀도 내로 상기 동역학적인 안정 유도 안테나 조향 에러를 감소시키기 위해 상기 희망하는 안테나 자세로 상기 안테나를 전자적으로 조종하는 단계에 의해 수행되는, 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 기계적 회전을 시행하는 단계는 상기 안테나를 짐벌시키는 단계(gimballing the antenna)를 포함하는 안테나 조향에 대해 안정 에러효과를 보상하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전자적 자세 정정 단계는 표적 추적 시퀀스 동안 일어나고, 상기 위성 자세 기준 시스템을 사용하여 상기 현재 위성의 자세로부터 상기 안테나 자세를 결정하는 단계,

상기 현재 안테나 자세를 상기 희망하는 안테나 자세와 비교하는 단계, 및

상기 희망하는 안테나 자세로 상기 안테나를 기계적으로 조종하는 단계에 의하여 상기 표적 추적 시퀀스 동안 기계적인 자세 정정을 수행하는 단계를 더 포함하는 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 전자적 자세 정정을 수행하는 단계는 제 1 속도로 반복되고, 상기 기계적인 자세 정정을 수행하는 단계는 제 2 속도로 반복되며, 상기 제 1 속도는 상기 제 2 속도보다 더 큰 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전자적으로 조종하는 단계는 상기 안테나의 송신 수신 빔 조종과 연관된 적어도 하나의 가변 시간 지연 모듈을 조정하는 단계를 포함하는 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 전자적으로 조종하는 단계는 상기 안테나의 통신 송신 수신 빔 조종과 연관된 적어도 하나의 가변 시간 지연 모듈을 조정하는 단계를 포함하는 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전자적으로 조종하는 단계는 상기 안테나의 송신 및 수신 빔 조종과 연관된 적어도 하나의 가변 시간 지연 모듈을 조정하는 단계를 포함하는 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 전자적으로 조종하는 단계는 상기 안테나의 레이더 송신 및 수신 빔 조종과 통신 송신 및 수신 빔 조종 중 하나(one of RADAR and communications transmit and receive beam steering of the antenna)와 연관된 적어도 하나의 가변 시간 지연 모듈을 조정하는 단계를 포함하는 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전자적인 자세 정정을 수행하는 단계는 상기 동역학적인 안정 유도 안테나 조향 에러가 공칭 동작을 위해 상기 미리 결정된 조향 정밀도 이하로 떨어진 이후에 계속되는 안테나 조향에 대해 안정 에러 효과를 보상하는 방법.
안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상하는 RF 빔 조향 장치에 있어서,

적어도 일차원으로 전자적으로 조종 가능한 안테나의 자세를 나타내는 안테나 자세 출력을 현재 위성의 자세에 기초하여 발생시키는 위성의 자세 기준 시스템,

상기 자세 기준 시스템에 연결된 자세 비교 회로,

상기 자세 기준 시스템과 상기 자세 비교 회로에 연결되며, 상기 자세 비교 회로가 상기 위성에 대하여 기계적인 회전에 의하여 유도된 동역학적인 안정 안테나 조향 에러에 반응하여 자세 제어 에러 출력 신호를 발생시키게 하는, 제어 회로, 및

상기 제어 회로와 상기 안테나에 연결되며, 공칭 동작을 위해 미리 결정된 조향 정밀도 내로 상기 동역학적인 안정 안테나 조향 에러를 감소시키기 위해 상기 자세 제어 에러 출력 신호에 반응하여 상기 안테나를 조종하기 위한 전자적인 빔 조향 시스템을 포함하는 안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상하는 RF 빔 조향 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 제어 회로를 포함하는 위성에 탑재된 컴퓨터를 더 포함하는 안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상하는 RF 빔 조향 장치.
제 11 항에 있어서, 상기 자세 기준 시스템은 별 추적기, 태양 센서 및 관성 기준 유닛 중 하나로부터 입력을 받아들이는 안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상하는 RF 빔 조향 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 전자적인 빔 조향 시스템은 상기 안테나를 방위각으로 조종하기 위하여 적어도 하나의 가변 시간 지연 모듈을 포함하는 안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상하는 RF 빔 조향 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 전자적인 빔 조향 시스템은 상기 안테나를 앙각으로 조종하기 위하여 적어도 하나의 가변 시간 지연 모듈을 포함하는 안테나 조향에 대한 안정 에러의 효과를 보상하는 RF 빔 조향 장치.
개선된 안테나 조향 성능을 제공하는 위성에 있어서,

적어도 일차원에서 전자적으로 조종 가능한 안테나,

기계적인 빔 조향 시스템,

현재 위성의 자세에 기초하여 안테나 자세 출력을 발생시키는 위성 자세 기준 시스템,

상기 자세 기준 시스템에 연결된 자세 비교 회로,

상기 자세 기준 시스템과 자세 비교 회로에 연결되며, 상기 자세 비교 회로가 상기 위성에 대해 기계적인 회전에 의하여 유도된 동역학적인 안정 유도 안테나 조향 에러에 반응하여 제어 에러 출력 신호를 발생시키게 하는 제어 회로, 및

상기 자세 비교 회로와 상기 안테나에 연결되며, 공칭 동작을 위해 미리 결정된 조향 정밀도 내로 상기 동역학적인 안정 유도 안테나 조향 에러를 감소시키기위해 상기 안테나 조향 에러 신호에 반응하여 상기 안테나를 조종하기 위한 전자적인 빔 조향 시스템을 포함하는 위성.
제 15 항에 있어서, 상기 제어 회로는 표적 추적 시퀀스를 시작하고, 상기 기계적인 빔 조향 시스템은 상기 안테나를 희망하는 안테나 자세로 조종하기 위해 제 1 속도로 동작하며, 상기 전자적인 빔 조향 시스템은 상기 동역학적인 안정 유도 안테나 조향 에러를 감소시키기 위해 제 2 속도로 동작되는 위성.