KR20070107663A

KR20070107663A - 안테나 위치설정기 시스템

Info

Publication number: KR20070107663A
Application number: KR1020077012021A
Authority: KR
Inventors: 테오도어 영; 스테판 더블유. 화이트; 케빈 비. 데이비스; 조세프 에이치. 팔; 제프리 에스. 허티그; 펠트 리차드 티. 반; 얼 케이. 존스; 존 엘. 샤유만; 캐리 씨. 베드포드
Original assignee: 씨스페이스 코퍼레이션
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-11-07
Also published as: US20070052605A1; AU2005306880A1; WO2006055246A1; EP1807903A1; US7259724B2; AU2005302228A1; CN101099264A; CN101091121A; US20070052604A1; US7298342B2; US20120182194A1; EP1807712A1; US8305279B2; WO2006050392A1; KR20070100242A

Abstract

3축 안테나 위치설정기는 X-Y 오버 애지머스 구조를 가지며, 방위 구동 조립체, X-축 구동 조립체 및 Y-축 구동 조립체를 포함한다. 각 구동 조립체는 독립적으로 조작가능하다. 방위 구동 조립체는 방위축 둘레에서 안테나에 540°방위 회전 운동을 부여한다. X-축 구동 조립체는 안테나를 -90°내지 +90° 사이의 고도 각도로 수평 X-축 둘레에서 안테나를 회전시킨다. Y-축 구동 조립체는 -2°내지 105°사이의 고도 여각으로 Y-축 둘레에서 안테나를 회전시킨다. 방위축, X-축 및 Y-축 모두는 공통의 교차점에서 교차하며, 서로 직교한다. 제어기는 각 구동 조립체를 안테나 추적 속도 및 가속도를 최소화하도록 동작시킨다. 각 구동 조립체는 이중 구동부를 포함하고, 백래시를 실질적으로 제거하도록 바이어스 구동 모드에서 동작될 수 있다.

방위 구동 조립체, X-축 구동 조립체, Y-축 구동 조립체, 제어기, 구동 트레인

Description

안테나 위치설정기 시스템{ANTENNA POSITIONER SYSTEM}

본 출원은 테오도어 영(Theodore Young), 스테판 더블유. 화이트(Stephen W. White), 케빈 데이비스(Kevin Davis), 조세프 팔(Joseph Fahle), 제프리 허티그(Jeffrey Hertig), 리차드 반 펠트(Richard Van Pelt), 얼 존스(Earl Jones), 존샤유만(John Schaumann), 및 캐리 베드포드(Cary Bedford)에 의해 2004년 10월 28일자로 출원된 발명의 명칭이 "X-Y Over Azimuth Optimized Motion Positioning System"인 미국 가출원 번호 제 60/622,676호에 기초하며, 그에 대한 권익을 주장한다. 이 가출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

본 출원은 또한, 테오도어 영(Theodore Young), 스테판 더블유. 화이트(Stephen W. White), 케빈 데이비스(Kevin Davis), 조세프 팔(Joseph Fahle), 제프리 허티그(Jeffrey Hertig), 리차드 반 펠트(Richard Van Pelt), 얼 존스(Earl Jones), 존샤유만(John Schaumann), 및 캐리 베드포드(Cary Bedford)에 의해 2005년 10월 28일자로 출원된 발명의 명칭이 "Antenna Positioner System With Dual Operational Mode"인 미국 출원 번호 제 11/XXX,XXX호(대리인 문서 번호 072039-0014)에도 관한 것이다.

위성 통신 시스템은 정보의 세계적 교환을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있 다. 특히, 미래에는 보다 높은 데이터 전송율과 보다 높은 전송 주파수 범위(20-30GHz의 Ka-Band)에서의 위성 통신에 대한 현저한 성장이 예상된다. 일 예로서, 저 지상 궤도(LWO) 위성은 통상적으로 높은 전송 주파수를 필요로 한다. 이들 LEO 위성은 서로간에, 그리고, 지상 기지국에 링크되어 지표상에서의 무선 액세스(access)를 제공할 수 있다.

안테나로 그들을 추적함으로써, LEO 위성 및 기타 고주파수 위성과 통신하기 위해, 정확한 추적 요구조건이 충족되어야 한다. 첫 번째 단계로서, 안테나를 위한 위치설정기는 정밀하고 완전한 반구 추적이 가능하여야 한다.

종래의 2축 풀 모션(full-motion) 안테나 위치설정기는 저 지상 궤도(LEO) 위성 추적시 조작 키홀 또는 침묵 원추를 가질 수 있다. 비록, 소정의 3축 디자인이 키홀(keyhole) 문제 중 다수를 극복할 수 있지만, 이들은 여전히 비교적 높은 속도 및 가속도 기능을 필요로 한다. 또한, 소정의 구조는 지상 기지국 위도 및 위성 경사 각도에 의해 동작이 제한될 수도 있다.

추적 속도 및 가속도 요구조건을 최소화하면서, 임의의 경사각 및 임의의 지상 기지국 위도 위치에 대해 어떠한 키홀도 없이 완전한 반구적 커버리지(coverage)를 제공할 수 있는 안테나 위치설정기 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

이동 대상물을 추적하기 위해 안테나를 위치 설정하기 위한 안테나 위치설정기 시스템은 방위축 둘레에서 안테나에 방위 회전 운동을 부여하도록 구성된 방위 구동 조립체를 포함할 수 있다. 안테나 위치설정기 시스템은 방위축에 직교하는 수평 X-축 둘레에서 안테나에 회전 운동을 부여하도록 구성된 X-축 구동 조립체를 추가로 포함할 수 있다. 안테나 위치설정기 시스템은 X-축 및 방위축 양자 모두에 직교하는 Y-축 둘레에서 안테나에 회전 운동을 부여하도록 구성된 Y-축 구동 조립체를 추가로 포함할 수 있다. 안테나 위치설정기는 방위 구동 조립체, X-축 구동 조립체 및 Y-축 구동 조립체의 동작을 추적 속도 및 가속도를 최적화하도록 제어하도록 구성되는 제어기를 추가로 포함할 수 있다. 방위축, X-축 및 Y-축은 교차점에서 모두 교차할 수 있다.

안테나 조립체로 이동 대상물을 추적하는 방법은 방위축 둘레에서 안테나 조립체에 회전 운동을 부여하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 안테나 조립체의 고도 각도가 변하도록 실질적 수평 X-축 둘레에서 안테나 조립체에 회전 운동을 부여하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 이 방법은 안테나 조립체의 고도 여각을 변화시키도록 Y-축 둘레에서 안테나 조립체에 회전 운동을 부여하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 방위축, X-축 및 Y-축은 서로 직교할 수 있다. 방위축, X-축 및 Y-축은 모두 교차점에서 교차할 수 있다.

도 1A는 X-Y 오버 애지머스 구조를 갖는 3축 안테나 위치설정기 시스템의 일 실시예를 예시하는 도면.

도 1B는 도 1A에 도시된 3축 안테나 위치설정기 시스템에 의해 지지되는, 반사기와 피드를 포함하는 안테나를 도시하는 도면.

도 2A는 도 1A에 도시된 안테나 위치설정기 시스템의 받침대 베이스를 예시하는 도면.

도 2B는 방위 구동 조립체의 일 실시예를 예시하는 도면.

도 2C는 방위 구동 조립체를 X- 및 Y-축 구동 조립체에 결합하는 라이저 용접물의 일 실시예를 예시하는 도면.

도 3A는 X-축 구동 조립체의 일 실시예를 예시하는 도면.

도 3B는 Y-축 구동 조립체의 일 실시예를 예시하는 도면.

도 3C는 도 1A에 예시된 안테나를 위한 반사기 지지 아암을 예시하는 도면.

도 4는 패스(pass) 동안 최대 고도 각도의 함수로서의, 최적화된 X-축, 최적화된 Y-축 및 방위축과 고도 축 둘레에서의 각속도의 그래프.

XY 오버 애지머스(X-Y over azimuth) 구조를 갖는 3축 안테나 위치설정기 시스템이 설명된다. XY 오버 애지머스 구조는 임의의 위성 경사각 및 임의의 지상 기지국 위도 위치에 대하여, 완전 수평-대-수평 반구 커버리지를 제공하며, 어떠한 동작 키홀도 갖지 않는다. XY 오버 애지머스 디자인은 단일 유니트에 세 개의 독립적 동작 모드를 허용할 수 있으며, 또한, 각 축을 따른 추적 속도 및 가속도 요구조건을 최소화한다. 안테나 위치설정기 시스템은 최대 지향 및 추적 정확도와 제로 백래시(backlash)를 제공하는 바이어스(bias) 구동 모드를 생성하도록 축 마다 두 개의 구동부를 사용할 수 있다. 안테나 위치설정기를 위한 제어기는 두 개의 최적화된 이중 축 추적 모드 사이에서 자동 선택하여, 최소의 추적 동역학을 위 해 위치설정기 시스템을 구성한다.

도 1A는 모든 3개 축이 단일 지점에서 교차하는 X-Y 오버 애지머스 구조를 갖는 3축 안테나 위치설정기 시스템의 일 실시예를 예시한다. 개괄적으로, 안테나 위치설정기 시스템(100)은 받침대 베이스(105), 받침대 베이스(base)상에 장착된 방위 구동 조립체(300), 라이저(riser) 용접물(115), 라이저 용접물(115)에 부착된 X-축 구동 조립체(400), X-축 구동 조립체(400)에 부착된 Y-축 구동 조립체(500) 및 위치설정기 시스템(100)에 안테나의 반사기를 부착하는 반사기 지지 아암(135 ; arm)들을 포함한다. 제어기(예로서, 안테나 제어 유니트 또는 ACU(140))는 방위 구동 조립체(300), X-축 구동 조립체(400) 및 Y-축 구동 조립체(500)의 동작을 안테나 추적 동역학을 최적화하도록 제어할 수 있다. 3개 구동 조립체는 각각 서로 독립적으로 동작될 수 있다.

도 1B는 이동 대상물을 지향 및/또는 추적하기 위해 안테나 조립체(200)를 지지, 배치 및 이동시키는 안테나 위치설정기 시스템(100)을 예시한다. 이동 대상물은 위성, 다른 우주선(예로서, 우주 셔틀 또는 우주 정거장), 발사체(launch vehicle), 미사일 및 항공기를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 도 1B에 예시된 실시예에서, 안테나 조립체(200)는 파라볼라(parabolic) 반사기(210) 및 피드(220 ; feed)를 포함한다. 물론, 위치설정기 시스템(100)은 반사기를 구비한 예시된 파라볼라 안테나 이외에, 섹터형 안테나, 평판 안테나, 야기 안테나를 비제한적으로 포함하는 안테나 조립체와 함께 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 1A를 다시 참조하면, 도 1에 도시된 안테나 위치설정기(100)에 사용되는 X-Y 오버 애지머스 구조는 종래의 2축 EL/AZ(엘리베이션(elevation)-오버-애지머스) 구조와 동일한 스윕 체적(sweep volume)을 초래하며, EL/AZ 및 X-오버-Y 같은 2축 구조가 사용될 때 통상적으로 발생하는 동작 키홀 또는 침묵 원추를 제거한다. 동작 키홀 또는 침묵 원추는 LEO 위성 같은 동적 목표에 안테나를 정확하게 지향시키기 위해 비상히 높은 축 각도 동역학의 값이 필요한 각도 커버리지 영역이다.

2축 EL/AZ 구조가 안테나 위치설정기를 위해 사용될 때, 안테나는 두 개의 회전축, 즉, 그 방위각을 추적하기 위한 방위축과 수평에 관한 위성 고도를 추적하기 위한 고도 축 둘레에서 반사기를 회전시킴으로써 위성을 추적할 수 있다. 이 구조에서, 반사기는 방위로 360°까지 이동하고, 고도로 0-90°까지 이동한다. 2축 X-Y 추적 구조에서, 독립적으로 동작할 수 있는 X- 및 Y-축 구동부는 서로에 관하여 90°로, 서로의 위에 장착될 수 있다.

EL/AZ 및 XY 같은 2축 디자인은 위성 궤도의 경사각에 의존하여 동작 키홀을 나타낼 수 있으며, 임계적 데이터의 손실을 초래한다. EL/AZ 디자인의 사용은 오버헤드 패스의 천정(zenith), 즉, 매우 높은 고도 각도에서 또는 그 부근에서 수직방향 침묵 원추를 초래할 수 있다. 동작 키홀을 최소화하기 위해서는 매우 높은 슬루 레이트(slew rate)가 사용되어야한다. XY 디자인을 사용하는 것은 실질적으로 천정 패스 키홀 문제를 극복할 수 있지만, 동작 키홀은 수평 부근의 고도 각도에서 발생할 수 있다. 이는 XY 추적 구조가 낮은 고도 각도에서 높은 추적 동역학이 필요하기 때문이다.

안테나 위치설정기 시스템(100)의 예시된 실시예에서, 방위 구동 조립체(300)는 받침대 베이스(105)상에 장착될 수 있으며, 방위축 둘레에서 안테나 조립체에 방위 회전 운동을 부여할 수 있다. X-축 구동 조립체(400)는 방위축에 직교하는 수평 X-축 둘레에서 안테나에 회전 운동을 부여할 수 있다. X-축 둘레에서의 회전은 수평에 관하여 측정되는 바와 같은 안테나의 고도 각도를 변화시킨다. Y-축 구동 조립체(500)는 Y-축 둘레에서 안테나 조립체에 축 횡단 회전 운동을 부여할 수 있다. Y-축 둘레에서의 회전 운동은 안테나의 고도 여각을 변화시킨다. Y-축은 X-축 및 방위축 양자 모두에 직교한다. X-축, Y-축 및 방위축은 모두 공통 교차점에서 교차한다.

EL/AZ 위치설정기에서 통상적인 바와 같이, X- 및 Y-축 구동 조립체가 모든 3축이 공통 지점에서 교차하는 방식으로 방위 구동 조립체(300)상에 장착되기 때문에, 안테나를 위한 최소의 스윕 체적이 얻어질 수 있다. 도 1에 도시되고 상술된 XY 오버 애지머스 구조는 2 축 구조 각각의 최적의 기능을 단일 유니트내의 통합된 3축 디자인으로 조합한다.

각 축을 따른 각 구동 조립체는 두 개의 구동 트레인(train)을 사용하는 이중 구동 조립체일 수 있다. 구동 트레인은 내장 서보(servo) 제어부를 포함할 수 있다. 각 구동 트레인은 통합된 DC 서보 모터, 내부 서보 제어기 및 서보 정밀 기어박스를 포함할 수 있다. 서보 바이어스 구동 기술과 조합된 이중 구동 트레인은 높은 신뢰성, 제로 백래시 및 우수한 서보 강성을 제공할 수 있다.

도 2A는 안테나 위치설정기(100)의 일 실시예에 사용되는 안테나 받침대 베 이스(105)를 예시한다. 받침대 베이스는 원통형으로 성형된 강철 용접물일 수 있지만, 안테나 위치설정기(100)의 다른 실시예는 받침대 베이스(105)를 위해 다른 재료 및 다른 형상을 사용할 수 있다. 예시된 실시예에서, 받침대 베이스(105)는 위치설정기를 위한 지지부를 제공하도록 3개 지점에서 안테나 기부에 장착되는 것으로 도시되어 있지만, 안테나 위치설정기 시스템(100)의 다른 실시예에서 다른 장착 구조가 사용될 수 있다. 3개 지점 장착은 또한 방위축 수직성의 설정 및 유지를 가능하게 한다.

도 2B는 도 2A에 도시된 받침대 베이스(105)의 상단에 장착될 수 있는 방위 구동 조립체(300)의 일 실시예를 예시한다. 일 예시적 실시예에서, 방위 구동 조립체(300)는 방위 구동 샤프트(305), 방위 운동 인코더(310 ; encoder), 방위 불(bull) 기어(320), 구동판(330) 및 두 개의 독립적 구동 트레인(340)을 포함한다. 방위 구동 샤프트(305)는 원통형 용접물일 수 있지만, 방위 구동 조립체(300)의 다른 실시예에서 다른 형상 및 재료가 사용될 수 있다. 방위 구동 조립체는 안테나 조립체(200)에 ±270°방위 회전 운동을 부여하도록 구성될 수 있다. 케이블 랩 체인(cable wrap chain)이 제공되어 ±270°방위 회전 운동을 가능하게 할 수 있다.

두 개의 독립적 구동 트레인(340) 중 각각의 하나는 정밀 유성 기어박스 및 제한 스위치에 결합된 DC 서보모터를 포함할 수 있다. 방위 구동 조립체(300)의 운동 인코더(310)는 방위 위치를 검출하도록 구성되고 제어기(140)에 위치 피드백 및 과이동(over-travel) 보호를 제공하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 운동 인코더(310)는 직접적으로 방위 구동 샤프트 축에 장착될 수 있으며, 그에 의해, 실질적으로 권취, 전송 에러 및 백래시를 제거할 수 있다. 보다 상세히 후술된 바와 같이, 구동 트레인(340)의 쌍은 지능형 바이어스 구동 기능을 제공하여 제로 백래시, 우수한 강성 및 매우 정확한 위치설정을 제공할 수 있다.

도 2C는 X-Y 구동부에 방위 구동 조립체(300)를 부착하기 위해 사용될 수 있는 라이저 용접물(115)의 일 실시예를 예시한다. 도 2C에 예시된 실시예에서, 라이저 용접물(115)은 단면이 직사각형일 수 있으며, 최소의 중량으로 강성을 최대화하면서, 평형추 지지 아암(135)을 위한 간격을 제공하도록 성형될 수 있다.

도 3A는 X-축 구동 조립체(400)의 일 실시예를 예시한다. 개괄적으로, X-축 구동 조립체(400)는 X-축 구동 샤프트(405), X-축 운동 인코더(410), 제한 스위치(417), X-축 불 기어(420), 두 개의 X-축 구동 트레인 및 X-축 구동 하우징(450 ; housing)을 포함할 수 있다. X-축 구동 조립체(400)는 X-축 둘레에서 ±90°수평 회전을 안테나에 부여하여, 안테나의 고도 각도를 변경하도록 구성될 수 있다. 이는 불 기어(420)에 결합된 이중 구동 트레인(440)을 사용하여 달성될 수 있다. 각 구동 트레인(440)은 서보 모터/기어박스 조립체를 포함한다.

X-축 구동 샤프트(405)는 원통형 강철 용접물일 수 있으며, 일 예시적 실시예에서, 두 개의 접촉점에서 정밀 볼 베어링에 의해 지지될 수 있다. X-축 운동 인코더(410)는 X-축 위치를 검출하고, ACU(140)에 위치 피드백을 제공하도록 구성될 수 있다. 인코더(410)는 권취, 백래시 및 전송 에러를 제거하기 위해 구동 조립체(400)의 후방에서 X-축 구동 샤프트(405)에 직접적으로 장착될 수 있다. 일 실시예에서, X-축 운동 인코더(410)는 16-비트 인코더이지만, 구동 조립체(400)의 다른 실시예에서 다른 유형의 인코더가 사용될 수 있다. 제한 스위치(417)는 불 기어(420) 위에 배치될 수 있다. 불 기어 장착 엘라스토머 정지부와 조합된 제한 스위치(417)는 과이동 보호를 제공할 수 있다.

도 3B는 Y-축 구동 조립체(500)의 일 실시예를 예시한다. 개괄적으로, Y-축 구동 조립체(500)는 Y-축 샤프트 및 하우징(505), Y-축 운동 인코더(510), Y-축 불 기어(520) 및 두 개의 Y-축 구동 트레인(540)을 포함할 수 있다. Y-축 구동 조립체(500)는 안테나 조립체에 -2°내지 +105° 횡단 축 회전 운동을 부여하도록 구성되며, 그에 의해, 안테나 조립체의 고도 여각을 변경한다. X-축 구동 조립체(400)와 유사하게, 이는 불 기어(520)에 결합된 이중 구동 트레인(540)(즉, 모터/기어박스 조립체)을 사용하여 달성될 수 있다. 인코더(510)는 Y-축 샤프트(505)의 일 단부에 배치될 수 있으며, Y-축 운동을 검출하기 위해 사용될 수 있다.

위치설정기 시스템(100)은 위성 추적에 따라, 순수 EL/AZ 모드에서 동작할 수 있거나, 순수 X-Y 모드로서 동작할 수 있다. 이는 총 3개 축을 위해 공통의 교차점을 갖는 상술된 X-Y 오버 애지머스 구조가 X-Y 및 EL/AZ 추적 기능 양자 모두를 제공하기 때문이다. 이 이중 동작 모드 기능은 환전 운동(180°) Y-축 이동에 대한 필요성을 제거한다. 따라서, ACU(140)는 Y-축 둘레에서의 회전 운동을 약 -2°내지 약 +105°고도 여각 사이로 제한하도록 구성될 수 있다. Y-축 회전 운동의 제한은 안테나에 의한 스윕 체적을 보다 작아지게 하고, 안테나 반사기의 장착을 간단하게 할 수 있다. 또한, 이는 반사기를 중량상쇄하는 것을 보다 용이하게 하 며, 위치설정기 시스템(100)의 비용을 저하시킬 수 있다.

모든 회전 질량은 축 교차점에서 균형화될 수 있다. 반사기 지지 아암(135)은 안테나 반사기를 상쇄 균형화하도록 제공될 수 있다. 도 3C는 도 1B에 예시된 안테나 조립체(200)를 위한 반사기 지지 아암(135)을 예시한다. 안테나 위치설정기 시스템(100)의 일 실시예에서, 동일한 반사기 지지 아암(135)의 쌍이 Y-축 샤프트(505)의 단부에 장착될 수 있다. 지지 아암(135)은 안테나 조립체(200)의 반사기(210)를 위치설정기 시스템(100)에 부착할 수 있다. 지지 아암(135)은 또한 반사기(210)를 위한 상쇄 균형화를 제공하도록 구성될 수도 있다. 예시된 실시예에서, 반사기 지지 아암(135)은 표준 구조 형상으로 구성된 강철 용접물이다. 예시적 실시예에서, 좌측 지지 아암은 Y-축 불 기어에 볼트결합되고, 우측 지지 아암은 Y-축 샤프트에 부착될 수 있다.

X-Y 오버 애지머스 위치설정기를 위한 제어기, 예로서, 도 1A에 방위축의 베이스에 위치된 것으로 도시된 ACU(140)는 모든 3개 축을 따른 구동 조립체의 실시간 제어를 제공할 수 있다. ACU(140)는 최소 추적 동역학을 위해 위치설정기 시스템(100)을 자동 구성할 수 있으며, 완전 반구 커버리지를 위해 모든 키홀을 제거할 수 있다. 특히, ACU(140)는 추가로 상세히 후술될 바와 같이, 추적 속도가 항상 그 이론적 최소치 부근이 되도록 두 개의 최적화된 이중 축 추적 모드 사이에서 자동 선택할 수 있다.

ACU(140)는 구동 트레인내에 내장된 내부 서보 제어기와 함께 서보 제어 루프를 구현할 수 있다. 각 축을 따른 구동 트레인은 각 축에서 모터 인코더로부터 의 피드백을 사용하여 내부 속도 또는 위치설정 제어 루프를 폐쇄하도록 구성될 수 있다. ACU(140)는 운동 인코더로부터의 피드백을 통합함으로써, 위치설정기 속도 및 위치설정 제어 루프를 폐쇄하도록 구성될 수 있다. ACU(140)는 상태, 제어 및 감시를 위해 TCP/IP(전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜)를 사용할 수 있다.

ACU(140)는 두개의 최적화된 이중 축 추적 모드 사이에서 자동 선택하고, 최소 추적 동역학을 위해 위치설정기 시스템(100)을 구성하도록 구성될 수 있다. 달리 말해서, ACU(104)는 위성 추적에 따라, 순수 EL/AZ 모드에서 위치설정기 시스템(100)을 동작시키거나, 순수 X-Y 모드로서 동작시킬 수 있다. 이는 모든 3개 축을 위해 공통 교차점을 갖는 상술한 X-Y 오버 애지머스 구조가 X-Y 및 EL/AZ 추적 기능 양자 모두를 제공하고, 이것이, 위치설정기 시스템(100)이 임의의 주어진 패스를 위해 필요한 추적 속도 및 가속도를 최소화할 수 있게 하기 때문이다. 이는 기계적 부품에 대한 마모 및 파괴와 전력 소비를 최소화하여 시스템 수명을 연장시키면서, 추적 성능 및 정확도를 증가시킬 수 있게 한다.

일 실시예에서, ACU(140)는 임의의 주어진 패스를 위한 최고 고도 각도에서 방위 및 고도를 산출함으로써, 그리고, 추적을 위해 최적의 모드를 선택하기 위하여 이 정보를 사용하여, 운동 최적화를 구현하도록 구성될 수 있다. ACU(140)가 그 패스 동안 최고 예상 고도 각도가 45°보다 크거나 같다는 것으로 판정하는 경우, ACU(140)는 X-Y 모드를 선택할 수 있으며, 그 패스 전반에 걸쳐 추적 속도 및 가속도를 최소화하는 각도로 활성 방위축을 로킹(lock)할 수 있다. 그후, ACU(140)는 X-축과 Y-축을 따른 회전 운동을 실행함으로써, 이 패스를 지원할 수 있다.

ACU(140)가 패스 동안 최고 예상 고도 각도가 45°미만인 것으로 결정하는 경우, ACU(140)는 순수 엘리베이션-오버-애지머스 시스템에서와 유사하게, Y-오버 애지머스 모드를 선택할 수 있다. 역시, ACU(140)는 패스를 위한 필요한 추적 속도 및 가속도를 최소화하도록 이 모드를 최적화할 수 있다. ACU(140)는 X-축을 제로 고도 각도(즉, "천정")로 정적으로 설정 및 로킹하고, 그후, 활성 방위축 및 Y-축을 따라 회전 운동을 실행함으로써, 이 패스를 지원할 수 있다.

이 각각의 모드에서의 동작 기능은 수평 및 천정 위치 양자 모두에서 키홀 효과를 제거할 수 있다. 이는 최적화된 X-축, 최적화된 Y-축, 방위축 및 고도 축 둘레에서, 패스 동안 최대 고도 각도의 함수로서 각속도의 그래프를 예시하는 도 4에 예시되어 있다. 도 4의 그래프에 의해 나타난 바와 같이, 동작 키홀은 0°내지 90°의 범위의, 즉, 천정으로부터 수평 까지의 모든 고도 각도에 대해 제거된다. 모든 고도 각도에 대하여, 모든 축 둘레에서의 각속도는 약 0.7rad/sec 미만이다.

상술된 이중 모드 동작은 추적 속도 및 가속도를 현저히 감소시키며, 최적의 추적 성능을 도출할 수 있다. 추적 동역학을 최소화함으로써, 모든 구동 부품상의 파워 요구 및 응력은 현저히 감소될 수 있으며, 보다 긴 수명 및 보다 작은 라이프사이클 비용을 초래한다.

요약하면, X-Y 오버 활성 애지머스 구조를 갖는 안테나 위치설정기 시스템이 설명되었다. 안테나 위치설정기 시스템은 위성 경사각 및 지상 기지국 위도에 의한 제약을 받지 않고, 수평 위의 모든 고도에서 완전 반구 커버리지를 제공하며, 모든 동작 키홀을 제거한다. 위치설정기 시스템의 동작은 백래시를 실질적으로 제거하고, 추적 동역학을 최소화하며, 지향 정확도를 최대화하도록 제어기에 의해 제어될 수 있다.

안테나 위치설정기 시스템의 특정 실시예를 설명하였지만, 이들 실시예에 암시된 개념이 마찬가지로 다른 실시예에 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 출원의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해서만 제한된다.

이들 청구범위에서, 단수형 요소에 대한 언급은 특정하게 선언하지 않는 한, "하나 및 단 하나"를 의미하는 것이 아니며, "하나 이상"을 의미하는 것이다. 당업자에게 알려진 또는 추후 알려지게 될, 본 내용의 전반에 걸쳐 설명된 다양한 실시예의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가체는 명시적으로 참조로 여기에 통합되어 있으며, 청구 범위 포함된다. 또한, 본원에 설명된 것들 중 어떠한 것도 이런 내용이 청구범위에 명시적으로 기재되어 있는지 여부에 무관하게, 대중에게 공개된 것으로 간주된다. 이 요소가 문구 "수단"을 사용하여 명시적으로 언급되거나, 방법 청구항의 경우에는 요소가 문구 "단계"를 사용하여 언급되지 않는 한, 어떠한 청구 요소도 U.S.C §112 제 6 문단의 조항하에 해석되지 않아야 한다.

Claims

이동 대상물을 추적하도록 안테나를 위치 설정하기 위한 안테나 위치설정기 시스템에 있어서,

방위축 둘레에서 상기 안테나에 방위 회전 운동을 부여하도록 구성된 방위 구동 조립체,

상기 방위축에 직교하는 수평 X-축 둘레에서 상기 안테나에 회전 운동을 부여하도록 구성된 X-축 구동 조립체,

상기 X-축 및 상기 방위축 양자 모두에 직교하는 Y-축 둘레에서 상기 안테나에 회전 운동을 부여하도록 구성된 Y-축 구동 조립체, 및

추적 속도 및 가속도를 최적화하도록 상기 방위 구동 조립체, 상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체의 동작을 제어하도록 구성된 제어기를 포함하고,

상기 방위축, 상기 X-축 및 상기 Y-축은 모두 교차점에서 교차하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 Y-축 둘레에서의 상기 안테나의 회전 운동을 약 -2°내지 약 +105°사이의 회전 각도로 제한하도록 구성되는 안테나 위치설정기 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 X-축 둘레에서, 상기 X-축 구동 조립체에 의해 상기 안테나에 부여되는 상기 회전 운동은 약 -90°내지 약 +90°사이의 고도 각도 범위를 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 방위축 둘레에서, 상기 방위 구동 조립체에 의해 상기 안테나에 부여되는 회전 운동은 약 -270°내지 약 +270°사이의 방위 각도 범위를 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 X-축 구동 조립체는 상기 방위 구동 조립체에 결합되고, 상기 Y-축 구동 조립체는 상기 X-축 구동 조립체에 결합되며,

상기 방위 구동 조립체, 상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체 각각은 독립적으로 동작할 수 있는 안테나 위치설정기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 방위 구동 조립체, 상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체 중 각각의 하나는 운동 인코더(encoder) 및 하나 이상의 구동 트레인(train)들을 포함하고,

각각의 구동 트레인은 내부 위치 제어 루프를 구현하는 서보(servo) 제어기를 구비한 서보 모터를 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 6 항에 있어서,

각각의 운동 인코더는 상기 이동 대상물의 위치를 검출하고, 상기 이동 대상물에 대한 위치 피드백을 제공하도록 구성되며,

상기 제어기는 상기 운동 인코더로부터의 상기 위치 피드백에 응답하여 상기 안테나 조립체에 의해 실행되는 회전 운동의 양을 제어하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 방위 구동 조립체, 상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체 중 적어도 하나는 제 1 구동 트레인 및 제 2 구동 트레인을 포함하는 이중 구동 조립체이고,

각각의 구동 트레인은 서로 독립적으로 동작할 수 있으며, 각 구동 트레인은 내부 위치 제어 루프를 구현하는 서보 제어기를 구비한 서보 모터를 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 6 항에 있어서,

상기 방위 구동 조립체, 상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체 중 각각의 하나는 제 1 구동 트레인 및 제 2 구동 트레인을 포함하는 이중 구동 조립체이고, 각각의 구동 트레인은 서로 독립적으로 동작할 수 있으며, 각 구동 트레인은 내부 위치설정 제어 루프를 구현하는 서보 제어기를 구비한 서보 모터를 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 제어기는 백래시(backlash)를 실질적으로 제거하는 바이어스(bias) 구동 모드에서 상기 이중 구동 조립체들 중 하나 이상을 동작하도록 구성되는 안테나 위치설정기 시스템.
제 10 항에 있어서,

상기 바이어스 구동 모드에서, 상기 제어기는 속도 모드에서 각각의 이중 구동 조립체의 상기 서보 모터들 중 하나를 동작시키고, 상기 서보 모터들 중 나머지 하나는 토크(torque) 모드에서 동작시키도록 구성되고,

상기 속도 모드의 서보 모터는 상기 제어기로부터의 속도 명령에 응답하여 상기 안테나 조립체를 위한 일정한 추적을 유지하고,

상기 토크 모드의 서보 모터는 상기 제어기로부터의 토크 명령에 응답하여 상기 서보 모터에 의한 일정한 파워 소산을 유지하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 제어기는 상기 이중 구동 조립체 중 하나 이상을 속도 보조 모드에서 동작시키도록 구성되고,

상기 속도 보조 모드에서, 상기 제어기는 제 1 서보 모터 및 제 2 서보 모터 양자 모두를 속도 모드에서 동작시키도록 구성되고,

상기 속도 모드에 있을 때 각각의 서보 모터는 상기 제어기로부터의 속도 명령에 응답하여 상기 안테나 조립체를 위한 일정한 추적 속도를 유지하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 방위 구동 조립체를 상기 X-축 및 상기 Y-축 구동 조립체들에 결합하도록 구성되는 구조 요소를 추가로 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 13 항에 있어서,

상기 구조 요소는 상기 방위 구동 조립체상에 장착된 라이저(riser) 용접물을 포함하고,

상기 X-축 구동 조립체는 상기 라이저 용접물에 부착되며,

상기 Y-축 구동 조립체는 상기 X-축 구동 조립체에 부착되는 안테나 위치설정기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 이동 대상물은 LEO(저 지상 궤도) 위성, 위성, 발사체, 미사일, 항공기 및 우주선 중 적어도 하나를 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 안테나 조립체는 반사기와 안테나 피드(feed)를 포함하고,

상기 반사기를 상쇄 균형화하도록 구성된 하나 이상의 지지 요소를 부가로 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 16 항에 있어서,

상기 지지 요소는 상기 위치설정기 시스템에 상기 반사기를 부착하도록 부가로 구성되며, 강철 용접물을 포함하는 안테나 위치설정기 시스템.
제 1 항에 있어서,

받침대 베이스(base)를 부가로 포함하고,

상기 방위 구동 조립체는 상기 받침대 베이스상에 장착되고,

상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체는 상기 방위 구동 조립체에 결합되는 안테나 위치설정기 시스템.
방위 축 둘레에서 상기 안테나 조립체에 방위 회전 이동을 부여하는 단계,

상기 안테나 조립체의 고도 각도를 변경시키도록 실질적 수평 X-축 둘레에서 상기 안테나 조립체에 회전 운동을 부여하는 단계, 및

상기 안테나 조립체의 고도 여각을 변경하도록 Y-축 둘레에서 상기 안테나 조립체에 회전 운동을 부여하는 단계를 포함하고,

상기 방위축, 상기 X-축 및 상기 Y-축은 서로 직교하며, 상기 방위축, 상기 X-축 및 상기 Y-축은 모두 교차점에서 교차하는, 안테나 조립체로 이동 대상물을 추적하는 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 방위축 둘레에서의 회전 운동은 약 -270°내지 약 +270° 사이의 방위각을 포함하고,

상기 X-축 둘레에서의 회전 운동은 약 -90°내지 약 +90°사이의 고도 각도를 포함하며,

상기 Y- 축 둘레에서의 회전 운동을 약 -2°와 약 +105° 사이의 회전 각도로 제한하는 단계를 추가로 포함하는 안테나 조립체로 이동 대상물을 추적하는 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 방위축, 상기 X-축 및 상기 Y-축을 따라 회전 운동을 부여하는 단계는 서로에 대해 결합되며 통합형 안테나 위치설정기 시스템내에 포함되어 있는 방위 구동 조립체, X-축 구동 조립체 및 Y-축 구동 조립체를 동작시키는 단계를 포함하고,

상기 방위 구동 조립체, 상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체를 서로 독립적으로 동작시키는 단계를 부가로 포함하는 안테나 조립체로 이동 대상물을 추적하는 방법.
제 20 항에 있어서, 실질적으로 백래시를 제거하기 위해 상기 방위 구동 조립체, 상기 X-축 구동 조립체 및 상기 Y-축 구동 조립체 중 적어도 하나를 바이어스 구동 모드에서 동작시키는 단계를 추가로 포함하는 안테나 조립체로 이동 대상물을 추적하는 방법.