NO322651B1 - Antenneanordning - Google Patents

Description

Område for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en antenneanordning, og mer spesielt en antenneanordning som omfatter en antennereflektor, en antenneholderenhet, et transceiverelement, en sensorenhet og en signaldetekteringsenhet for å prosessere signaler som ankommer fra et mål og for på grunnlag av disse signaler å generere kontrollsignaler for å styre antennereflektoren til innretting mot målet.

Antenneanordningen kan være stasjonær eller montert på et bevegelig støtteunderlag, med andre ord avpasset for stasjonært utstyr, landmobilt utstyr eller marint utstyr. Signaldetekteringsenheten omfatter en signalomformer og en databehandlingsenhet i serie.

Bakgrunn for oppfinnelsen

I antenneanordninger av denne typen er det kjent å bruke separate peke- og følgesystemer hvis hensikt er å optimalisere peilingen (eng.: the bearing) mellom f.eks. landbaserte antenneanordninger og satellitter, for å oppnå korrekt innretting (eng.: alignment) mellom dem. Investeringskostnadene for å oppnå optimal dynamisk pekenøyaktighet for antenneanordningen i slike systemer, er svært høye. Denne antennepekenøyaktigheten kan påvirkes av krefter som virker utenfra, slik som f.eks. bevegelse av antennestøtteoverflaten, vinden og bølgebevegelse.

Fordi det her dreier seg om en antenneanordning og et mål som beveger seg i forhold til hverandre, stilles det store krav til pekesystemet. Disse store krav begrenser igjen valget av utstyr for detektering av signaler som mottas fra målet til utelukkende ekstremt kostbart utstyr.

I lys av kravet om høy dynamisk pekenøyaktighet, benyttes monopulsteknologi. Denne teknologien krever imidlertid normalt store investeringer i signaldeteksjonsutstyr slik som bredbånds spektrumanalysatorer og lignende for å oppnå den ønskede effekt.

Flere kjente systemer mangler muligheten av å korrigere for drift og ustabilitet av primært ulineære komponenter som benyttes for å tilveiebringe informasjon om referansedata, og følgelig driver disse systemene kontinuerlig med temperatur og strøm over tid.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en antenneanordning av den ovenfor nevnte typen, som løser problemet med kontinuerlig å følge en bevegelig signalkilde som befinner seg ovenfor horisonten fra en mobilantenneanordning som er montert på et bevegelig objekt, til en rimelig kostnad, dvs. til en kostnad som i det vesentlige er mindre enn den som kan oppnås idag.

Sammenfatning av oppfinnelsen

I samsvar med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en antenneanordning som angitt i det nedenstående patentkrav 1.

En antenneanordning av typen nevnt innledningsvis omfatter en signalomformer og databehandlingsenhet, og det er foreslått at signalomformeren er anordnet for å redusere sin båndbredde automatisk og trinnvis, hvorved en gitt båndbredde aktiveres og beholdes inntil et ønsket inngangssignal kan detekteres innenfor nevnte båndbredde. Antenneanordningen omfatter et system av sensorer for å avføle uønskede endringer i innrettingen av antennereflektoren på den ene siden, og for innstilling og opprettholdelse av en ønsket antenneposisjon relativt til et målobjekt på den andre siden, en sensorgruppe plassert på baksiden av reflektoren, og en ytterligere sensorgruppe plassert på respektive rotasjonsaksler. Begge sensorgrupper er anordnet for å være nullstilt når en optimal signaldeteksjon oppnås ved at frekvensområdet for signalomformeren undergår trinnvis reduksjon fra en gitt båndbredde til den neste mindre båndbredden, inntil den beste mulige signalverdien oppnås. Sensorsystemet tilveiebringer informasjon som vedrører endringer i posisjonen av antenneanordningen forårsaket av eksterne krefter. Denne posisjonsendringen defineres på grunnlag av hastighetsdata (AVx; AVy; AVz), som er integrert i en databehandlingsenhet for å oppnå relative posisjonsdata. Med kunnskap om data vedrørende hastighetsendringer som har funnet sted innen en fastsatt tidsperiode, bestemt av rapporteringstiden for sensorsystemet, kan den ovennevnte informasjonen benyttes som inngangsverdier for en overordnet datamaskinbasert systemkontrollenhet som sender disse verdiene til en drivenhet for å kompensere for endringer i posisjonen for antenneanordningen forårsaket av ytre krefter.

I dette henseende kan sensorsystemet benyttes for minst to ulike formål, slik som å kompensere for de ytre krefter som virker på antenneanordningen som et resultat av bevegelse av overflaten som antenneanordningen er montert på, og videre for å detektere et forhåndsbestemt ønsket og allokert bevegelsesmønster av antennereflektoren og dens følging av et signalmål som har en kjent bane og/eller et bevegelsesmønster beregnet ved hjelp av databehandlingsenheten under en pågående tidsperiode.

Sensorsystemet har således overordnet ansvar for antenneanordningens evne til kontinuerlig å kompensere for påvirkningen av alle ytre krefter på anordningen.

Tilsvarende er det viktig å oppnå korrekte kompensasjonsdata for temperaturavhengighet, aldring etc. for de elektroniske komponentene omfattet av nevnte anordning, som ellers kunne generere systemdrift med hensyn til utgangsdata fra alle elektroniske komponenter omfattet av systemet.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i nærmere detalj med henvisning til de vedføyde tegninger, hvor

fig. 1 illustrerer en antenneanordning ifølge oppfinnelsen; og fig. 2 er et blokkskjema som illustrerer en signaldetekteringsenhet og sensorsystemdetekteringsenheter for bevegelseskompensasjon, omfattet av antenneanordningen.

Beskrivelse av foretrakkede utførelsesformer

Antenneanordningen illustrert i fig. 1 omfatter en antennereflektor 10, et transceiverhorn 11 fastgjort til baksiden av reflektoren via en arm 110, en signaldetekteringsenhet 12 og en sensorenhet 13 med sensorer 131, 132, 133 (se fig. 2) for tredimensjonal detektering av detektorbevegelse, idet disse to enheter også er fastgjort som en kombinert enhet til baksiden av reflektoren 10. Sensorene er anordnet for å detektere bevegelse omkring respektive rotasjonsaksler forårsaket av påvirkning av ytre krefter.

Transceiverhornet er på egnet måte av den typen som fremgår av svensk patentsøknad 9402587-1, "Matehorn, spesielt for toveis

satellittkommunikasjonsutstyr". Antennereflektoren 10 er mekanisk forankret til et baseelement 16, som f.eks. er forankret til et skip eller til et kjøretøy, og som omfatter en driv- eller effektenhet 15 med motorer 151, 152, 153, 154 for mekanisk å styre innrettingen av antennereflektoren 10 i forhold til det tilsiktede mål, f.eks. en satellitt, som respons på kontrollsignaler generert av en databehandlingsenhet 123 omfattet i signaldetekteringsenheten 12. Antennereflektoren 10 og transceiverhornet 11 er kombinert for å danne en kompakt antenneenhet passende konstruert på den måten som fremgår av svensk patentsøknad 9702268-5, "anordning omfattende antennereflektor og transceiverhorn kombinert til en kompakt enhet".

Blokkskjemaet i fig. 2 viser signaldetekteringsenheten 12 med seriekoblet høyfrekvenssignalomformer 121, mellomfrekvenssignalomformer 122 og databehandlingsenheten 123. Vist er også bevegelsesdetekteringsenheten 13 for sensorsystemet for antennereflektoren, omfattende hastighetssensorer og akselerasjonssensorer for detektering i tre dimensjoner (AVx, AVy, AVz) og (Aax, Aay, Aaz) som arbeider henholdsvis med fiberoptikk og halvlederelementer. Alt elektronisk utstyr er utsatt for drift og ustabilitet med hensyn til tiden. Dette krever mer eller mindre kontinuerlig korreksjon for å eliminere utgangsdatafeil. Den foreslåtte signaldetekteringsenheten 12 tillater de nødvendige korreksjonsdata å bli produsert for alle sensorer i sensorsystemet. Utgangssiden av høyfrekvensomformeren 121 er forbundet til mellomfrekvensdelen 122, hvor nevnte automatiske reduksjon i båndbredde er anordnet for å finne sted.

Transceiverhornet 11 har signalutganger forbundet til signalinnganger på høyfrekvenssignalomformeren 121, og be vegel sesdetekteringsenheten 13 for nevnte sensorsystem for å detektere bevegelse av antennereflektoren har signalutganger forbundet til signalinnganger på databehandlingsenheten 123, via ledere 130. Databehandlingsenheten har utganger forbundet til systemkontrollen 14 som på utgangssiden er forbundet til drivenheten 15.1 prinsipp er således databehandlingsenheten 123 forbundet på sin utgangsside til inngangen av drivenheten 15, som omfatter kontrollmotorer 151-154 for å overføre rotasjonsbevegelser til de bevegelige deler av antenneanordningen.

Signalutgangen 170 for en andre bevegelsesdetekteringsenhet 17 med sensorer 171-174 er forbundet til signalinngangen 1240 for en andre databehandlingsenhet 124 som har en signalutgang 1241 forbundet til signalinngangen 140 for systemkontrollenheten 14. Systemkontrollenheten har en signalinngang 141 forbundet til en signalutgang 1231 på databehandlingsenheten 123 og en signalutgang 142 forbundet til en signalinngang 150 på drivenheten 15.

En tredje bevegelsesdetekteringsenhet 18 med sensorer 181-184 for detektering av virkelig bevegelseskompensasjon utført i forhold til hver rotasjonsakse y, x, z, p i anordningen som resultat av kompensasjonsdata initiert via systemkontrollenheten 14, har en signalutgang 180 forbundet til en signalinngang 1250 på en tredje databehandlingsenhet 125 som har en signalutgang 1251 forbundet til en signalinngang 143 på systemkontrollenheten 14.

Antennereflektoren er initielt grovinnrettet mot målet ved hjelp av sensorer for bestemmelse av breddegrad og lengdegrad for den aktuelle posisjon (GPS), et

inklinometer og et kompass. Samtidig blir virkningen av ytre krefter som virker på antennen idet antennereflektoren grovinnrettes mot målet, kontinuerlig kompensert for. Denne bevegelseskompensasjonen utføres av bevegelsesdeteksjonsenheten for sensorsystemet for de ulike rotasjonsakser for den kompakte antenneenheten (asimut z, elevasjon y, elevasjon x, polarisering pol).

Målet antas å levere en pilotfrekvens på f.eks. 12,541 GHz med en bestemt drift i området +/- 40 kHz. Mellomfrekvenssignalomformeren 122 er innstilt til et maksimalt frekvensområde +/- 8 kHz. Signaldetekteringsenheten 12 er anordnet for å virke ved den maksimale verdi for det innkommende signal (spiss, signalkurvemål = 0). Når denne maksimalverdien nås, avleses (AVx; AVy; AVz) og

(Aax; Aay; Aaz) øyeblikkelig for nye korrigerte inngangsverdier og sendes til systemkontrollen 14, mens samtidig mellomfrekvenssignalomformeren 122 automatisk reduserer sitt frekvensområde til det neste lavere nivå, f.eks. 3,75 kHz. I mellomtiden kan pilotfrekvensen ha drevet noe, og antennestøtteoverflaten kan ha blitt flyttet i en retning (f.eks. som resultat av eksterne krefter som virker på nevnte støtteoverflate og dermed også på antenneanordningen), men skanning finner nå sted innen en smalere båndbredde, og derved med redusert innkommende signalstøy, slik at signalet detekteres mer nøyaktig.

Frekvensområdet kan valgfritt reduseres ytterligere til et lavere nivå på f.eks. 1,9 kHz. Ved hver maksimalverdi oppnås på samme måte en ny utgangsverdi fra bevegelsesdetekteringsenheten 13 for sensorsystemet.

Fordelen med denne automatiske "skalering" til den nærmeste lavere valgte båndbredde, styrt på basis av den oppnådde og detekterte pilotfrekvensen, er at signalstøyen sterkt undertrykkes, siden mindre og mindre signalstøy i forhold til amplituden (spissverdi) for pilotfrekvensen tillates å forstyrre deteksjonen av pilotfrekvensen.

Dersom pilotfrekvensen skulle bli tapt inne i skaleringsområdet, returnerer skanningen til den nærmeste høyere båndbredde.

Fordi den foreslåtte signaldetekteringsprosedyre krever tid for å oppnå et stabilt måleresultat, er det påkrevet at den interne drift og ustabilitet for det overordnede sensorsystem og dets bevegelsesdetekteringsenhet er svært små med hensyn til tiden, for at systemet skal ha tid til å tilveiebringe et godt signaldetekteringsresultat og dermed tillate korreksjon av driften og ustabiliteten for alle systemkomponenter. En essensiell basis for kostnadseffektiviteten som karakteriserer ytelsen for antenneanordningen ifølge oppfinnelsen og den begrensede nødvendighet av kostbare komponenter, ligger i å tillate sensorsystemet å ha en overordnet rolle i forhold til signaldetekteringsenheten, hvis hovedformål er å korrigere utgangsdataene for bevegelsesdetekteringsenheten med hensyn til komponentdrift og ustabilitet.

Bare de enheter som er nødvendige for å forklare konseptet for oppfinnelsen har blitt beskrevet i beskrivelsen. Selvsagt vil antenneanordningen også omfatte de enheter som normalt er inkludert, og som er nødvendig for kommersielt kommunikasjonsutstyr via f.eks. en satellitt. 3D-sensorene 131-133 for den overordnede bevegelsesdetekteringsenheten som er montert i det samme instrumenthuset som signaldetekteringsenheten 12 på antennereflektoren 10 sammen med sensorene 171-174 og sensorene 181-184 montert på respektive rotasjonsaksler, sender alle kontinuerlig korreksjonsdata til drivenheten 15 via systemkontrollen 14 med en periodisitet på mindre enn 15 ms.

Utstyret kan suppleres med en tredje 3D-sensorenhet for bestemte anvendelser, idet denne tredje enheten da monteres på støttebasen. Dette tilveiebringer større oppløsning i utgangsdataene (AVx; AVy; AVz) og (Aax; Aay; Aaz), og tillater at den mekaniske fleksibilitet for antenneanordningen kan måles dynamisk og kontinuerlig, og at de uønskede bevegelser i nevnte anordning kan korrigeres.

Når signaldetekteringsenheten 12 har detektert et relevant pilotsignal fra individuelle målehorn i mottakerhornet 11, og derved beregnet korreksjonsdata og sendt disse data med en periodisitet på mindre enn 92 ms, kan en tilstrekkelig god korreksjon for den nåværende posisjon av antenneanordningen initieres. Dette medfører at utgangsdataene for signaldetekteringsenheten 12 benyttes som en såkalt "sann verdi", hvorved utgangsdataverdiene for bevegelsesdetekteringsenheten 13 noteres. I dette henseende antar igjen bevegelsesdetekteringsenheten 13 den overordnede funksjonen med hensyn til kompensasjonsdata for krefter som virker eksternt på antenneanordningen.

Den ovennevnte interaksjonen finner sted kontinuerlig, og tillater bruken av en signaldetekteringsenhet som har en variabel båndbredde, noe som derved tillater en svært smal båndbredde å benyttes for optimal retningskorreksjon basert på et stabilt, men relativt svakt pilotsignal. Den smale båndbredden tillater deteksjon av svært svake pilotsignaler som normalt ville druknet i omgivelsessignalstøy ved høyere båndbredder. Dette muliggjøres ved den stabile overordnede funksjon av sensorsystemet med hensyn til tiden.

Sensorsystemet for antenneanordningen omfatter videre et antall sensorer, nemlig et inklinometer med assosiert digitalt kompass, som monteres i direkte forbindelse med basestøtten for anordningen over grensesnittet av monterte sjokk- og vibrasjonsdempere som separerer de andre delene av anordningen fra støttebasen, og av sammenføyninger til monteringsbasen. Anordningen omfatter også en ekstern sensorenhet som består av en GPS-enhet (globalt posisjoneringssystem) med assosiert digitalt kompass. Sammen med systemkontroll-lagringsdata for de programmerte posisjonsdata for et målobjekt, kan en teoretisk beregnet retningsverdi oppnås med hensyn til det aktuelle målobjektet på basis av den aktuelle geografiske posisjon, men likevel ikke med en høyere nøyaktighetsgrad enn den som kan oppnås ved sensorsystemet og dets individuelle sensorer. De doble digitale kompass tillater at sensorene, her vist separat, kan kalibreres, hvilket betyr at kompassdeklinasjonen vil være mindre enn den ellers ville vært. Som resultat av dette kan fremgangsmåten for å bestemme en retningsverdi til et målobjekt sies å utgjøre en grovinnstilling. Når et gyrokompass er tilgjengelig, er kompasset forbundet til systemkontrollen, og forbedrer derved nøyaktigheten for kompassretningen. Denne grovjusteringen eller innstillingen er tilstrekkelig for at signaldetekteringsenheten skal finne et pilotsignal for optimalisert innretting mot målobjektet.

Når et gyrokompass ikke kan benyttes på grunn av omgivelsesbetingelser, oppnås en retning (eng.: a bearing) ved hjelp av inklinometeret og den kjente elevasjonen til målsenderen. Idet antennen roterer og signaldataene analyseres med en bredbånds spektroanalysator, er en unik senderkombinasjon i stand til å etablere identitet, og derved den aktuelle retningen (eng.: the bearing).

Bevegelsesdetekteringsenheten 13 og bevegelsessensorene montert på respektive aksler overfører kontinuerlig kompensasjonsdata for de krefter som virker eksternt på antenneanordningen under hele introduksjonsfasen, og fortsetter å overføre nevnte data for derved å opprettholde horisontalplanet angitt ved inklinometerne, som selvsagt også utgjør en forutsetning for å innstille den ønskede elevasjonshøyde til målobjektet. (Dersom dette ikke oppnås adekvat, kan det ikke sikkert antas at signaldetekteringsenheten 12 har nådd sitt deteksjonsområde på +/-2 graders vinkel).

Samtidig mottas kontinuerlig informasjon som vedrører forskjellen mellom beregnede, initierte kompensasjonsdata, såkalte "settpunktverdier" og virkelige utførte verdier, såkalte "sanne verdier", ved hjelp av sensorene 181-184.

Som det fremgår av det ovenstående, er det av ytterste viktighet å investere i kvalitet med hensyn til de individuelle sensorenheter, og da i hovedsak 3D-sensorene (Vx; Vy; Vz) og (ax; Aay; az) og 2D-inklinometre (x; y) som antenneanordningen er avhengig av.

Valget av digitale komponenter minimaliserer risikoen for at signaler fra ytre forstyrrelsessignalkilder får en negativ virkning på funksjonen av antenneanordningen. CAN-bussteknologi er i stand til å gjøre anordningen mindre følsom for forstyrrelser og interferens, og for å gjøre anordningen kosteffektiv, men det vil forstås at denne teknologien ikke er noen nødvendighet for oppfinnelsen.

Den illustrerte og beskrevne eksempelutførelsen av antenneanordningen er sagt å omfatte et transceiverhorn av en bestemt, spesifikk type. Det vil imidlertid forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til denne typen transceiverhorn. F.eks. kan antenneelementet omfatte en såkalt patch-antenne med mikrostriplinjer plassert i fokalplanet for en reflektor, som dekker både det absolutte fokus for reflektoren og dessuten dens umiddelbare omgivelser.

Claims (4)

1. Antenneanordning, omfattende en antennereflektor (10), et transceiverelement (11), en signaldetekteringsenhet (12) for prosessering av signaler som innkommer fra et mål, og for på grunnlag av nevnte innkommende signaler å generere kontrollsignaler for å styre innretting av antennereflektoren (10) mot målet, hvorved signaldetekteringsenheten (12) omfatter en signalomformer (121-122) og en databehandlingsenhet (123) i serie, en bevegelsesdetekteringsenhet (13) som omfatter 3D-sensorer (131, 132,

133) og som er anordnet for å detektere endringer i innrettingen av nevnte antennereflektor (10), hvorved 3D-sensorene er plassert på baksiden av antennereflektoren (10), og hvor bevegelsesdetekteringsenheten omfatter en signalutgang (130) forbundet til en signalinngang (1230) på databehandlingsenheten (123) for å generere ytterligere kontrollsignaler, og en drivenhet (15) for å kontrollere innrettingen av antennereflektoren (10) mekanisk som respons på de eksterne kontrollsignaler som stammer fra antennereflektoren på den ene side og de ytterligere kontrollsignaler som stammer fra bevegelsesdetekteringsenheten (13) på den annen side, karakterisert ved at signalomformeren (121-122) er anordnet for å redusere sin båndbredde automatisk og trinnvis fra et maksimalt frekvensområde til et smalt båndfrekvensområde, hvor båndbredden er aktivert og opprettholdt inntil et ønsket inngangssignal kan detekteres innenfor den aktuelle båndbredden, for derved å oppnå den høyeste detekterbare følsomhet for nevnte inngangssignal,

2. Antenneanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved en andre bevegelsesdetekteringsenhet (17) med sensorer (171-174) innrettet for å detektere posisjonsendringer for hver rotasjonsaksel (y, x, z, p) i nevnte anordning som resultat av ytre krefter som virker på og i nevnte anordning, og som har en signalutgang (170) forbundet til en signalinngang (1240) på en andre databehandlingsenhet (124) som har en signalutgang (1241) forbundet til en signalinngang (140) på en systemkontrollenhet (14), som i sin tur har en signalinngang (141) forbundet til en signalutgang (1231) på den første databehandlingsenhet (123), og en signalutgang (142) forbundet til en signalinngang (150) på drivenheten (15).

3. Antenneanordning i samsvar med krav 2, karakterisert ved en tredje bevegelsesdetekteringsenhet (18) med sensorer (181-184) for å detektere bevegelseskompensasjon som virkelig har blitt utført på hver rotasjonsaksel (y, x, z, p) i anordningen som respons på kompensasjonsdata initiert via systemkontrollenheten (14), og som har en signalutgang (180) forbundet til en signalinngang (1250) på en tredje databehandlingsenhet (125) som har en signalutgang (1251) forbundet til en signalinngang (143) på systemkontrollenheten (14).

4. Antenneanordning i samsvar med krav 1, karakterisert ved at signalomformeren (121-122) omfatter en høyfrekvensdel (121), hvis inngangsside er forbundet til mottakersiden på transceiverelementet (11), og hvis utgangsside er forbundet til en mellomfrekvensdel (122) hvor automatisk reduksjon av båndbredden er anordnet for å finne sted.