NO333559B1 - GNSS-stabilisert antenneplattform - Google Patents

Abstract

Et pidestallarrangement for stabilisering av en RF-kommunikasjonsantenne som omfatter en antennegruppe av minst tre romlig adskilte GNSS-antenner (Al, A2, A3) for å motta et navigasjonssignal fra en satellittsender et globalsatellittsystem (GNSS). GNSS-antennene har respektive utganger for å levere GNSS-navigasjonssignaler til en stillingsbestemmelsesinnretning. Et drivmiddel for å drive en bevegelig pidestalldel i arrangementet om minst én akse har en drivstyringsinngang for å styre drivmidlet for orientering av kommunikasjonsantennen i samsvar med styringsinngangen fremstilt av en styringsinnretning som arbeider på basis av en stillingsutgang mottatt fra stillings-bestemmelsesinnretningen. GNSS-antennene er festet i respektive steder på eller nær en omkrets av en kommunikasjonsantenne for hvilken den bevegelige pidestalldelen er anpasset til å bære, og slik at GNSS-antennene forblir fastliggende i forhold til den bevegelige pidestalldelen.

Description

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen angår området stabilisering av antenner for énveis eller toveis radio-kommunikasjoner til og/eller fra satellitter eller bakkemastmontert utstyr eller lignende, montert på et flyttbart legeme, slik som for eksempel et landkjøretøy eller et fartøy til sjøs. Legemliggjøringer av oppfinnelsen er særlig egnet for stabilisering av antenner for radiofrekvenser fra 100 MHz til 60 GHz.

Bakgrunn

Stabiliserende og bevegelseskompenserende antennepidestaller har blitt beskrevet i US patentpublikasjon nr. 5.419.521.

Patentpublikasjonen US5347286A beskriver et system for automatisk posisjonering av en retningsvirkende antenne, omfattende to GPS-antenner montert på horisontalt motsatte ytterkanter av retningsantennen. Antennearrangementet er montert på et bevegbart understell med drivmidler for å drive en bevegelig del av understellet om minst én akse. Sammen med tilkoplet utstyr skaffer GPS-antennene beregnet GPS-bredde, GPS-lengde og GPS-antenneparets stilling. En servo retter retningsantennen mot en valgt kommunikasjonssatellitt på basis av de beregnete azimut, elevasjon, bredde og lengde. En servo anvendes til å bevege GPS-antennene i omtrent en sirkel for å midle ut flerveiseffekter for å forbedre nøyaktighet og redusere heltallsflertydigheter.

Andre antennepidestaller er beskrevet i patentpublikasjoner som omtales i den forannevnte patentpublikasjon. Velkjente løsninger for stabiliserende og bevegelseskompenserende antennepidestaller enten adresserer ikke eller kun til noen grad adresserer ett eller flere av de følgende problemer: 1. En avhengighet av skipskompassytelse for pålitelig og hurtig satellittakkvisisjon etter blokkering eller tap av satellittsignal. 2. Antennen vil drive av under kommunikasjonssignalblokkering eller regnsvekking som resulterer i dårlig tjenestetilgjengelighet. 3. Følgenøyaktigheten er avhengig av signal-til-støy-forholdet til det mottatte kommunikasjonssignalet. 4. I situasjoner med kraftig dynamikk kan det være svært vanskelig å oppnå hurtig gjenakkvisisjon av et kommunikasjonssatellittsignal etter blokkering, slik som for eksempel når et skip som bærer en antennepidestall blir utsatt for kraftig sjøbevegelse.

Vanligvis gjør foreliggende løsninger i den kjente teknikk bruk av treghetssensorer og/eller tiltsensorer i kombinasjon med beregninger basert på effektnivået til det kommunikasjonssignal som ble mottatt av antennen selv. Bruken av det mottatte signalets effektnivå kreves vanligvis av de velkjente løsninger på grunn av iboende drift i treghetssensorer.

Stabiliserte antenneløsninger blir stabilisert langs 3 (tre) såkalte Euler-vinkler, nemlig azimut- (Az), elevasjons- (El) og krysselevasjons- (X-el)-vinklene. Generelt kreves at antennen skal dekke alle azimutretninger, og også elevasjonsvinkler fra nær null til rundt 90 grader. Dessuten kreves generelt at antennen skal være i stand til å dekke forskjellige polarisasjonsvinkler fordi lengdegradsposisjonen til et skip eller et kjøretøy som vanligvis er på eller nær jordens overflate og lengdegradsposisjonen til zenit-posisjonen til satellitten, som vanligvis er en satellitt i geostasjonær bane, som sender kommunikasjonssignalet som skal bli mottatt av den stabiliserte antennen, vanligvis er forskjellig.

I nåværende kjent teknikks konstruksjoner blir det mottatte signalets effektnivå beregnet langs en bevisst innfør liten elliptisk eller sirkulær feil i kommunikasjonsantenneaksens pekeretning. Heretter blir kommunikasjonsantenneaksens pekeretning kalt sikteaksen og planet som er vinkelrett på sikteaksen blir kalt apertureplanet. Denne lille elliptiske eller sirkulære feilen blir heretter kalt det koniske scan. Mottakeren av kommunikasjonssignalet som beregner det mottatte effektnivået under det koniske scan blir kalt følge-mottakeren. Det koniske scan kan enten bli utført på mekanisk eller elektrisk måte. Variasjonen i det mottatte effektnivået langs sirkelen eller ellipsen til det koniske scan er grunnlaget for bestemmelse av både retningen til antennepekefeilen og feilens størr-else. Det foreligger en rekke problemer som er knyttet til løsningen med konisk scan som må adresseres, hvorav enkelte er: 5. Det koniske scan introduserer alltid en antennepekeretningsfeil i forhold til den faktiske retning mot senderen av det signal som skal bli mottatt. 6. Det koniske scans ytelse blir betydelig redusert med lavere SNR (signal-til-støy-forhold) i det mottatte signalet, for tiden ved nivåer som er tilveiebrakt av effektive systemstandarder som er introdusert slik som ETSI EN 302 307 DVB-52 som kan arbeide ned til SNR= -2 dB. 7. I nåværende teknikks konstruksjoner er polarisasjonsfeilen vanskelig å detektere og styre ved elevasjonsvinkler i nærheten av 90°. 8. Det koniske scan eller lignende metoder er meget avhengig av kvaliteten på det mottatte signalnivået. Hvis kommunikasjonssignalet fra en satellittsender blir blokkert, slik som for eksempel av det bevegelige legemets egen struktur, blir evnen til å følge i praksis mistet, og generelt vil antennen drive av. 9. Innfanging av den riktige kommunikasjonssatellitten kan ta lang tid, og som følge av dette, etter en blokkeringssituasjon som beskrevet over, kan det ta lang tid til kommunikasjonen er gjenopprettet, som i sin tur vanligvis fører til redusert tilgjengelighet av kommunikasjonsforbindelsen.

Globalnavigasjonssatellittsystembaserte (GNSS-baserte) stabiliserte plattformsantenne-løsninger i samsvar med foreliggende oppfinnelse vil i betydelig grad redusere eller fjerne de mangler som er nevnt i listen over.

Sammendrag av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system som inkluderer en styrbar pidestall og en lineærpolarisert RF-kommunikasjonsantenne med en sikteretningsakse, anpasset til å stabilisere den lineærpolariserte RF-kommunikasjonsantennen mot et radiokommunikasjonsutstyr som er i stand til å sende eller motta et lineærpolarisert RF-kommunikasjonssignal ved en polarisasjonsvinkel, hvilket system er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i det vedfølgende patentkrav 1.

Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelses system er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i de vedfølgende patentkravene 2-13.

I ett aspekt angår oppfinnelsen:

Et pidestallarrangement for stabilisering av en RF-kommunikasjonsantenne, innbefattende

en bevegelig pidestall med midler for å feste RF-kommunikasjonsantennen til

denne,

et drivmiddel for å drive arrangementets bevegelige pidestalldel om minst én akse, hvilket drivmiddel har en drivstyringsinngang for å styre drivmidlet for orientering av kommunikasjonsantennen i samsvar med styringsinngangen som er fremstilt av en styringsinnretning som arbeider på basis av en stillingsutgang mottatt fra en stillingsbestemmelsesinnretning, og

en antennegruppe av minst tre romlig adskilte GNSS-antenner (Al, A2, A3) for å motta navigasjonssignaler fra satellittsendere i et globalnavigasjonssatellitt-

system (GNSS), hvilket GNSS-antenner har respektive utganger for å levere GNSS-navigasjonssignaler til en stillingsbestemmelsesinnretning.

I andre aspekter angår oppfinnelsen:

Arrangementet som beskrevet over, hvor GNSS-antennene er festet i respektive steder på eller i nærhet av en omkrets av en kommunikasjonsantenne for hvilken den bevegelige pidestalldelen er anpasset til å bære, og slik at GNSS-antennene forblir urørlige i forhold til den flyttbare pidestalldelen.

Arrangementet som beskrevet over, hvor stedene er slik at minst tre GNSS-antenner er lokalisert hovedsakelig på hjørnene av en likesidet trekant.

Arrangementet som beskrevet over, hvor antennegruppen omfatter en fjerde GNSS-antenne romlig adskilt fra de minst tre GNSS-antennene.

Arrangementet som beskrevet over, hvor de minst tre GNSS-antennene er festet i en respektive steder på eller i nærhet av omkretsen til RF-kommunikasjonsantennen for hvilken pidestallen er anpasset.

Arrangementet som beskrevet over, hvor første og andre av GNSS-antennene definerer to punkter på en første linje og tredje og fjerde av GNSS-antennene definerer to punkter på en andre linje, og GNSS-antennestedene er slik at den andre linjen er hovedsakelig vinkelrett til den første linjen.

Arrangementet som beskrevet over, hvor stedene er slik at den andre linjen skjærer den første linjen hovedsakelig på et sted som svarer til et midtsted på kommunikasjonsantennen for hvilken pidestallen er anpasset.

Arrangementet som beskrevet over, hvor arrangementet omfatter styringsinnretningen, og styringsinnretningen er anpasset til å fremstille styringsinngangen ved optimal kombinasjon av stillingsutgangen og vinkelposisjonsutganger levert av minst ett eller flere treghetssensorsystemer.

Arrangementet som beskrevet over, omfattende kommunikasjonsantennen for hvilken pidestalldelen er anpasset til å bære, festet til pidestalldelen, og hvor en ytterkant av kommunikasjonsantennen tilveiebringer midler for festingen av de minst tre GNSS-antennene.

Arrangementet som beskrevet over, omfattende retningsfinnemiddel som definerer en kommunikasjonsantennesiktakse, hvor GNSS-antennene omfatter GNSS-innretnings-midler som definerer en GNSS-antennesikteakse for hver av GNSS-antennene, og GNSS-retningsmidlet er orientert med hensyn tilTetningsmidlet slik at GNSS-antennenes sikteakser er hovedsakelig parallelle og ved en elevasjonsvinkel over en elevasjonsvinkel for kommunikasjonsantennens sikteakse som er vesentlig større enn null og vesentlig mindre enn nitti grader.

Arrangementet som beskrevet over, hvor GNSS-antennenes sikteakser er ved en elevasjonsvinkel over en elevasjonsvinkel for kommunikasjonsantennens sikteakse som er rundt førtifem grader.

Arrangementet som beskrevet over, hvor GNSS-navigasjonsantennene har en 6 dB strålebredde på rundt 135 grader.

Arrangementet som beskrevet over, hvor GNSS-antennenes sikteakser er innrettet hovedsakelig i parallell, tillater et maksimalt avvik på rundt 10 grader fra hverandre.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I det følgende vil foreliggende oppfinnelse bli beskrevet ved hjelp av eksempler, og med henvisning til de vedfølgende tegninger, hvor

Fig. 1 er en perspektivrisstegning, som illustrerer et typisk 3-akseantennesystem som setter antennen i stand til å flytte seg om en elevasjonsakse, en krysselevasjonsakse og en azimutakse, Fig. 2 er en skjemategning som illustrerer eksempler på rammesystemer, hvor x, y, z definerer navigasjonsrammen (NF), x', y' og z' definerer antennerammen (AF), hvor Z-aksen peker mot jordens senter, og z'-aksen er antennens sikteakse, og enhetsvektoren i denne retningen er kalt k', Fig. 3 er en skjemategning som illustrerer GNSS-stillingsbestemmelse, hvor s og x angir vektorer, Fig. 4 er en blokkskjematisk tegning som illustrerer et eksempel på blokkskjema for den GNSS-baserte stabiliserte plattformen for satellittkommunikasjon, og Fig. 5a og 5b er skjematiske oppriss henholdsvis siderisstegninger, som illustrerer et legemliggjøringseksempel på oppfinnelsen som benytter en parabolformet kommunikasjonsantenne, med 4 navigasjonsantenner på kommunikasjonsantennen, hvor navigasjonsantennesettet er dannet av antennene Al, A2, A3 og A4, og Fig. 6a og 6b er skjematiske oppriss henholdsvis siderisstegninger, som illustrerer et legemliggjøringseksempel på oppfinnelsen som gjør bruk av den parabol formede kommunikasjonsantennen, med 3 navigasjonsantenner på kommunikasjonsantennen, hvor navigasjonsantennesettet er dannet av Al, A2 og A3.

Oppfinnelsen gjelder stabiliserte antenneplattformer med én, to og tre mekaniske akser, som tilveiebringer tilsvarende frihetsgrader for innretting av antennen. Den følgende detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen er gitt som et eksempel med en 3-akset antenne-plattform.

I samsvar med et første aspekt ved oppfinnelsen tilveiebringes en to- eller treaksepide-stall for stabilisering av en kommunikasjonsantenne på et bevegelig legeme for satellittkommunikasjon som blir stabilisert ved bruk av stillingsbestemmelse basert på GNSS-mottakere og med navigasjonsantennene integrert på kommunikasjonsantennen. Tre-aksestillingsbestemmelsen fra GNSS-systemet blir kombinert med treghetssensorer i henhold til velkjente optimale estimeringsteknikker og prinsipper. Disse estimater gir en utgang til et styringssløyfesystem for å stabilisere antenneplattformen. Oppfinnelsen dekker enhver type kommunikasjonsantenne for eksempel parabolspeil, lappeantenner (patchantenner) av forskjellige fonner og Yagi-antenner.

I henhold til et andre aspekt ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes for å skaffe treakse-GNSS-stillingsbestemmelse, et minimum av tre romlig adskilte navigasjonsantenner. Som et eksempel beskrives en løsning med 4 navigasjonsantenner. Imidlertid dekker oppfinnelsen også andre antall av GNSS-antenner. Med fireantennersløsningen er det fire GNSS-antenner som består av to par. Disse to parene danner et kryss som i fig. 5a og 5b som er nær perpendikulære til hverandre. Legemliggjøringen av navigasjonsantennene og kommunikasjonsantennen er også vist i fig. 5a og 5b, og er slik at når antennen blir stabilisert, er ett par av navigasjonsantennene, dvs. Al -A2-paret med antenner i samsvar med fig. 5a og 5b, nær til å være parallelle med xy-planet til NF. Dette blir mulig fordi transceiversystemets horisontal- og vertikalpolarisasjonsvinkler i retningen til den satellitt som systemet har ment å skulle kommunisere med, blir motor- styrt ved å rotere transceiver-ortomodus-transduseren (OMT) til den riktige vinkelen a mellom X'- og X"-aksene i fig. 5a og 5b. Legemliggjøringen med 4 antenner maksima-liserer avstanden mellom to navigasjonsantenner som resulterer i maksimal nøyaktighet for GNSS-stillingsestimeringen.

Med henvisning til fig. 5a og 5b blir et tredje aspekt ved oppfinnelsen forklart, hvori navigasjonsantennen er festet til kommunikasjonsantennen på en slik måte at det ikke vil stenge for mottak av kommunikasjonsradiosignalene mens kommunikasjonsantennen gir minst mulig stenging av GNSS-signalene. 1 konstruksjonen ifølge fig. 5a og 5b er navigasjonsantennene plassert på kommunikasjonsantennens rand. Imidlertid inkluderer konstruksjonen også konstruksjoner hvor navigasjonsantennene er flyttet bort, men fremdeles stivt festet til kommunikasjonsantennen, som således reduserer avstenging av GNSS-signalene.

I samsvar med et fjerde aspekt av oppfinnelsen er navigasjonsaksens sikteakse 45 grader (men ikke begrenset til denne vinkelen) i forhold til kommunikasjonsantennenes aper-tureplan. Denne legemliggjøringen sammen med aksene mellom Al-A2-paret av navigasjonsantenner som er parallelle med xy-planet til NF holder navigasjonsantennenes elevasjonsvinkel sikteinnrettet med hensyn til xy-planet til NF som alltid er høyere enn 45 grader når antennen er stabilisert. Denne høye elevasjonsvinkelen (vinkelen mellom en hvilken som helst av navigasjonsantennenes sikteakse og xy-planet til NF) vil gjøre systemet mindre sårbart for flerveisutbredelse av GNSS-signalet som blir forårsaket av refleksjonen fra sjøen og strukturer på skipet. For å oppnå dette blir det foreskrevet et egnet antennediagram for navigasjonsantennene slik at refleksjonen fra sjøen eller skipet blir minimalisert (se det sjette aspektet).

I samsvar med et femte aspekt ved foreliggende oppfinnelse er oppfinnelsen slik at den ovenfor valgte sikteaksen til navigasjonsantennene sammen med det foreskrevne navigasjonsantennediagrammet er en avveining mellom GNSS-satellittilgjengelighet og flerveisrefleksjon. Slik reduseres feilen i GNSS-basert stillingsmåling som er forårsaket av flerveisutbredelse.

I samsvar med et sjette aspekt ved foreliggende oppfinnelse er navigasjonsantennenes 6 dB-strålebredde mellom, men ikke begrenset til, 135 grader og 90 grader.

I samsvar med et syvende aspekt ved foreliggende oppfinnelse er treghetssensorer stivt festet til kommunikasjonsantennen. Oppfinnelsen vil da tillate den tettest mulige kob- ling mellom bevegelsen av kommunikasjonsantennen og bevegelsen av treghetssensorene.

I samsvar med et åttende aspekt ved foreliggende oppfinnelse etablerer bruken av GNSS-stillingsmålinger som med foreliggende oppfinnelse et målsystem som er fullstendig uavhengig av de frekvensbånd som blir brukt og de utbredelsesforhold som foreligger for kommunikasjonssignalet. Således er det ikke behov for, men ekskluderer ikke, bruken av kommunikasjonssystemets eget signal for å styre og stabilisere antennen.

I samsvar med et niende aspekt ved foreliggende oppfinnelse er den ovenfor beskrevne anvendelse av oppfinnelsen i satellittkommunikasjons ved bruk av en stabilisert kommunikasjonsantenne og et 3-akset mekanisk system. Foreliggende oppfinnelse dekker også og inkluderer anvendelser med andre konfigurasjoner av mekanisk akse, som to- eller énaksesystemer som er optimalisert for kommunikasjons med bakke-systemer.

Med foreliggende oppfinnelse kan følgemottakeren og det koniske scan utelates og bli erstattet av et GNSS-basert treaksestillingsbestemmelsessystem. GNSS-systemet kan være et hvilket som helst system, slik som for eksempel GPS, Galileo, Glonass,

Compass etc. T det følgende bruker vi GNSS i betydning at utnyttelse av et hvilket som helst satellittbasert navigasjonssystem som virker som et hvilket som helst av de forannevnte systemeksempler blir dekket i beskrivelsen. I et GNSS-basert stillingsbestemm-elsessystem er det behov for minst 3 navigasjonsantenner som er festet til kommunikasjonsantennen eller plattformen som skal bli stabilisert i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Imidlertid kan mer enn tre antenner for å motta navigasjonssatellittsig-nalene bli brukt, og oppfinnelsen omfatter et hvilket som helst antall navigasjonsantenner som er likt tre eller mer. Basert på fasemålinger av de mottatte bærersignaler fra navigasjonssatellitter, er det mulig å bestemme stillingen til den kommunikasjonsantennen som er festet til den antennestabiliserende pidestallen.

dette prinsippet overvinner de fleste svakheter med foreliggende koniske scanprinsipper og har de følgende fordeler: • Pekefeilen som følger av det koniske scans bevegelse av antennen blir eliminert • Metoden er uavhengig av det mottatte kommunikasjonssignalet og er a) ikke følsomt for degradering som følger av lavt SNR i det mottatte kommunikasjons-

signalet b) blokkering av det mottatte kommunikasjonssignalet påvirker ikke stillingsmålingen c) GNSS-satellittenes redundans gjør løsningen mindre sårbar for blokkering av GNSS-satellitter d) metoden vil virke selv ved lave elevasjonsvinkler for kommunikasjonssatellitten e) den ikke utsatt for svekking av kommunikasjonssignalet ettersom regnsvekking kan være betydelig i Ku- og Ka-båndene, mens regnsvekking er betydelig ved GNSS-bærefrekvensene (L-bånd)

Akkvisisjon kan gjøres hurtig og pålitelig fordi GNSS-stilllingsbestemmelsen virker direkte mot en absolutt referanse i navigasjonsrammen

GNSS-stillingsbestemmelsen er en kjent teknologi og har blitt anvendt for å stabilisere plattformer for, for eksempel romfartøy og nøyaktig posisjonering av skip eller oljebor-ingsplattformer. Foreliggende oppfinnelse beskriver en fullstendig ny metode for å stabilisere radiokommunikasjonsantenner. Beskrivelsen inkluderer også legemliggjør-inger av navigasjonsantennene på kommunikasjonsantennen som overvinner enkelte svakheter ved GNSS-stillingsbestemmelsen for denne anvendelsen som for eksempel flerveisutbredelse av GNSS-signalene.

Før beskrivelsen av systemet blir det her gitt noen definisjoner av koordinatsystemer. Det henvises til fig. 2.

Vi definerer navigasjonsrammen (NF) som rammen, eller koordinatsystemet, med z-aksen pekende mot jordens senter, x-aksen peker mot nord og y-aksen peker mot øst. Dette er definert ved koordinatsystemet {x,y,z}. Videre defineres kommunikasjons-antennerammen (AF) med x-aksen (x') med horisonalpolarisasjonsaksen til kommunikasjonsantennens RF-frontende, y-aksen (y') innrettet med retningen til vertikalpolarisasjonen og z-aksen (z') langs kommunikasjonsantennens sikteakse. Dette er definert av koordinatsystemets {x',y',z'}. Aksenes retninger er i samsvar med høyre-håndsregelen. De 3 Eulervinklene blir da vinklene til antennerammen (AF) med hensyn til navigasjonsrammen, og disse 3 vinklene blir så bestemt av kommunikasjonsantennens stilling. I en styrings- eller følgesløyfe for antennefølging blir kommunikasjonsantennens stilling sammenlignet med referansestillingen ved den gitte posisjon på jorden for det bevegelige legemet til hvilket kommunikasjonsantennen er festet.

Den stabiliserte kommunikasjonsantennen roterer om aksene {x',y',z'}. Rotasjons-retningen er i samsvar med høyrehåndskonvensjonen. Sikteretningen er definert av en<en>het<sve>ktor k'langs z'-aksen. Videre introduserer vi et ytterligere aksesystem som blir kalt referanseantennerammen (RAF). RAF er den samme som AF hvis antennen hadde vært perfekt stabilisert. Vi kaller dette koordinatsystemet {xd,vd,zd} °g enhetsvektoren til den ønskede sikteretningen er kD. Euler-vinklene {<|>d,8d,v|'d} for {xD,yD,ZD.} med hensyn til NF kan bli beregnet på grunnlag av den stabiliserte antennens posisjon (lengde, bredde) og den geostasjonære kommunikasjonssatellittens posisjon.

GNSS-stillingsbestemmelsesprinsippet blir nå kort forklart med henvisning til fig. 3.

To antenner Al og A2 med en avstand |x| = Lxfra hverandre kan bli brukt for å beregne to vinkler a) elevasjonsvinkelen til vektoren x og azimuten til x med hensyn til navigasjonsrammen (NF). Hvis vi har et annet antennepar A3 og A4 med en avstand |y| =LYfra hverandre, bestemmes azimut og elevasjon av vektoren . De to system-parene, dvs. de fire GNSS-antennene, er mest fordelaktige med hensyn til nøyaktighet hvis vektorene x og y er perpendikulære til hverandre. Dette er imidlertid ikke en nødvendighet, da systemet allikevel kan fungere godt med kun tre navigasjonsantenner. Imidlertid er beskrivelsen fokusert for bruk av 4 navigasjonsantenner på grunn av den forbedrede ytelsen sammenlignet med et system med 3 navigasjonsantenner.

Basert på retningene til vektorene x henholdsvis y referert til NF, kalles kommunikasjonsantennens stilling GNSS-stillingsutgangsvektor qc( k) ved tidsindeksen k. Euler-vinklene til vektoren qG{ k) ved tidspunktet k blir funnet fra vektorene x og v ved hjelp av kjente ligninger fra analyttisk geometri. Vi kaller qa( k) stillingsvektoren som betyr enhver representasjon av stilling (Euler-vinkler eller kvarternioner).

I det følgende beskrives ytterligere detaljer ved oppfinnelsen med henvisning til funksjonsblokkdiagrammet i fig. 4.

I det eksempel som er illustrert i fig. 4 er det fire GNSS-antenner som er festet til kommunikasjonsantennen, slik det vil bli drøftet i ytterligere detalj for en legemlig-gjøring som blir beskrevet senere i denne teksten med henvisning til fig. 5a og 5b. GNSS-antennene som er merket med etikettene antenne ^1 og antenne £2, angir det ovenfor definerte Al-A2-paret av navigasjonsantenner og danner basis for x-vektoren. De GNSS-antennene som er merket med etiketten antennen ^3 og antenne ^4 angir det ovenfor definerte A3-A4-antenneparet, og danner basis for y-vektoren. GNSS-signalene fra GNSS-antennene blir levert til blokken "GNSS-stillingsbestemmelsesenhet". Basert på målingene av de relative fasene til inngangsbærerne til de to navigasjonsantenne-parene, kan det gjøres bruk av velkjent teknikk, slik som den som er beskrevet i for eksempel publikasjonen til Cohen, CE. (1992) "Attitude Determination Using GPS", Ph. D. Avhandling ved Stanford University, desember 1992, for å bestemme kommunikasjonsantennens stilling. Kommunikasjonsantennens stilling som er bestemt slik blir kalt GNSS-stillingsutgangsvektoren qG( k) ved tidspunktet k. En stillingsvektor kan ha forskjellige representasjoner, slik som for eksempel ved Euler-vinkler eller kvarternioner.

I tillegg til GNSS-stillingsbestemmelsesenheten kan treghetssensorer (se blokken "Treghetssensorer" i fig. 4) også bli festet til kommunikasjonsantennen (se fig. 5a og 5b), for å skaffe innganger til en treghetssensorblokkenhet som registrerer kommunikasjonsantennens bevegelser. Utgangen fra treghetssensorblokkenheten er sensor-vektoren 7o( k), som sammen med GNNS-stillingsutgangsvektoren qG{ k) ex en inngang til en "Optimalstillingsestimator"-enhet. Optimalestimatorenheten kan være basert på kjent teknologi, slik som for eksempel den mest vanlige benyttede estimatoren som er kjent som utvidet Kalmanfilter. Kombinasjonen av mange sensorer for å gjøre et estimat kalles "sensorfusjon", og er i utstrakt bruk for å estimere parametre i styringssystemer, som drøftet i mer detalj i for eksempel publikasjonen av B. Vik med tittelen " Integrated Sate/ lite and Inertial Navigation Systems", ved avdeling for teknisk kybernetikk, Norges Teknisknaturvitenskapelige Universitet, NO-7491 Trondheim, Norge.

I et stabilisert antennesystem i samsvar med foreliggende oppfinnelse inkluderer systemet en posisjonsbestemmelsesenhet (PDU) som er basert på GNSS. Denne PDU kjenner til posisjonen i rommet av den geostasjonære kommunikasjonssatellitten som den er ment å skulle kommunisere med, og jordposisjonen til kommunikasjonsantenne-systemet gitt i lengde og bredde. Basert på denne informasjonen beregner PDU referansen eller den ønskede stillingsvektoren qD{ k) for kommunikasjonsantennenes sikteakse. Basert på referansestillingsvektoren og den estimerte stillingsvektoren, beregnes stillingsfeilvektoren Aq( k). Dette gjøres av blokken "Stillingsfeilbestemm-elses"-enheten som er vist i fig. 4.

Styringssystemet inkluderer motorer som beveger antennen rundt sine 3 akser ved bruk av Ag (/r) som inngang for å gi en ny observerbar oppdatert stillingsvektor qG( k + 1) ved tidspunktet k+1.

Referansestillingsvektoren qD( k) som er nevnt over har ikke behov for å bli oppdatert fordi den mobiliserte stabiliserte antennen endrer sin posisjon ettersom den forflytter seg på jorden, og oppdateringsraten blir anpasset i samsvar med forflytningens hastighet og retning.

Det er kjent at GNSS-stillingsbestemmelsesprinsippet kan være sårbart for:

• Blokkering av GNSS-satellitter på grunn av signalobstruksjon fra for eksempel skipets eller kjøretøyets struktur, fra natur slik som for eksempel fjell i trange daler eller fjorder som kan redusere antall satellitter som er synlige etc. • Flerveisutbredelse som er forårsaket av refleksjon fra sjøen, fra skipet eller fra selve kjøretøyet, eller fra bakken. • Et begrenset antall GNSS-satellitter som er synlige for GNSS-antennene.

Oppfinnelsen inkluderer tiltak mot blokkering, flerveisutbredelse og begrensning på observerte GNSS-satellitter, som blir beskrevet under.

I det følgende beskrives et eksempel på en løsning i samsvar med foreliggende oppfinnelse, som anvendes på en treaksestabilisert plattformkonstruksjon som bærer for eksempel en 1,25 m paraboltallerkenkommunikasjonsantenne for satellittkommunikasjon i Ku-båndet. Dette er kun et eksempel på en anvendelse av oppfinnelsen. Oppfinnelsen kan bli anvendt med andre typer kommunikasjonsantenner, slik som for eksempel en såkalt patchantenne, en heliksantenne og Yagi-typeantenne, hvor antenne-stillingsvektoren qc( k) til det ovenfor definerte antennekoordinatsystemet {x',y',z'}, som her blir kalt antennerammen (AF), skal bli styrt for å være så nær som mulig til en forhåndsdefinert referansestillingsvektor qD ( k).

I fig. 5a og 5b er det vist et eksempel på hvordan integrasjonen av GNSS-navigasjonsantennene på kommunikasjonsantennen kan gjøres. GNSS-navigasjonsantennesystemet omfatter 4 (fire) GNSS-navigasjonsantenner, som her blir kalt Al, A2, A3 og A4. For en anvendelse i Ku-båndsatellittkommunikasjon er avstanden mellom GNSS-navigasjonsantennene i størrelsesorden fra 0,6 m til 1,5 m. Imidlertid, for en anvendelse i Ku-båndsatellittkommunikasjon i henhold til foreliggende, kan avstandene mellom GNSS-navigasjonsantennnene være i et område fra rundt 0,2 meter til rundt 3 meter. Hovedspørsmålet er GNSS-stillingsbestemmelsens nøyaktighet som øker med avstanden mellom navigasjonsantennene, og detaljer ved dette blir drøftet nærmere i for eksempel publikasjonen fra Chaochao Wang med tittelen "Development of a Low-cost GPS-based Attitude Determination System", utgitt ved Universitetet i Calgary, en hovedoppgave fra juni 2003.

Antenneparene A1-A2 og A3-A4 definerer et nytt koordinatsystem {x",y",z"} = {x",y",z'}, hvor x"-aksen er dannet av Al-A2-linjen, og y"-aksen e dannet av A4-A3-linjen. Aksesystemet {x",y",z'} er ikke annet en rotasjon av aksesystemet {x',y',z'} rundt z'-aksen med en rotasjonsvinkel a som er avhengig av horisontalpolarisasjonsvinkelen med hensyn til horisontalplanet til NF. Vi kaller koordinatsystemet {x",y",z'} for navigasjonsantennerammen (NAF). Denne rotasjonsvinkelen beregnes på grunnlag av den geostasjonære kommunikasjonssatellittens lengdezenitposisjon og lengden og bredden for jordposisjonen til den stabiliserte antennen. Vinkelen a til horisontalplanet er gitt av uttrykket

hvor v er bredden (breddegraden) til den stabiliserte antennes posisjon og X er forskjellen i lengde (lengdegrad) mellom den stabiliserte antennens posisjon og satellittposisjonen. I det tilfellet hvor den stabiliserte antennen og satellitten er på samme lengde (lengdegrad), er de to aksesystemene |x",y",z'} og {x',y',z"} identiske.

Overraskende har herværende oppfinnere funnet at for en stabilisert antenne som er anpasset til å arbeide i et elevasjonsvinkelområde mellom null og nitti grader, som vist i fig. 5a og 5b, oppnås god ytelse over dette området når GNSS-navigasjonsantennene har en orientering med en sikteretning som er 45 grader fra og over kommunikasjonsantennens sikteretningselevasjonsvinkel. Man har funnet at denne vinkeloffset skaffer en rekke fordeler, slik som: • Når kommunikasjonsantennen har en lav elevasjonsvinkel, er det viktig å unngå flerveisutbredelse fra GNSS-satellittene som blir forårsaket av refleksjoner fra sjøen eller hindre nær GNSS-antennen. • Når kommunikasjonsantennens elevasjonsvinkel er i området fra 5 grader til 90 grader, bør GNSS-antennene se så mange GNSS-satellitter som mulig.

Overraskende har foreliggende oppfinnelses oppfinnere også funnet at med den kon-figurasjon som er drøftet over, oppnås et meget godt kompromiss mellom flerveisunder-trykkelse og GNSS-satellittenes tilgjengelighet med GNSS-navigasjonsantenner som har en 6 dB strålebredde i størrelsesorden 135°. Systemet som her blir beskrevet kan imidlertid bli driftet med GNSS-navigasjonsantenner som har andre antennemønster-karakteristika.

Flerveisutbredelse vil redusere GNSS-stillingsmålingens nøyaktighet, og, som nevnt

over, vil nøyaktigheten også bli redusert hvis det antall GNSS-satellitter som er synlige fra GNSS-antennen bli redusert. Følgelig kan løsningen på disse problemene bli funnet i et godt kompromiss mellom GNSS-satelittilgjengelighet og minimalisering av flerveisutbredelse. Imidlertid kan de løsninger som her blir beskrevet, når de er riktig anpasset, finne anvendelse ved andre GNSS-sikteaksevinkler med hensyn til kommunikasjons-antennesikteretningen enn de vinkler som særlig er beskrevet her, og andre strålebredder for GNSS-antennen enn de strålebredder som her er spesifikt beskrevet.

Foreliggende oppfinnelse omfatter også en legemliggjøring hvor antennen A1-A4 inneholder svitsjbare elementer eller patcher som vil muliggjøre forskjellige sikteretninger med hensyn til kommunikasjonsantennen og endre strålebreddene ettersom kommunikasjonsantennens elevasjon endrer seg, og videre, antenneformen kan ha enhver egnet form som er forskjellig fra den flatkvadratiske form som er vist i fig. 5a og 5b.

Videre er i fig. 5b en boks som inneholder treghetssensorene og GNSS-stillingsbestemmelsesenheten. Koaksialkabler kobler RF-signalet fra GNSS-antennen til GNSS-stillingsbestemmelsesenheten. Mulige svitsjingsstyringssignaler blir også overført over disse kablene. DSP-funksjonene i blokkdiagrammer som er kalt "Optimalstillingsestimator", "Posisjonsbestemmelsesenhet dvs. GNSS" og "Styringssløyfe & Motorer" blir implementert i en elektronikkenhet som inneholder DSP-prosessorer. Det henvises også til fig. 1, hvor denne enheten kan bli plassert på azimutmotordrivhuset eller et annet egnet sted. Denne elektronikkenheten er koblet til treghetssensorene og GNSS-stillingsbestemmelsesenhetsboksen via kabler ved bruk av et standarddigitalgrensesnitt (for eksempel SPI, I2C, Ethernet) eller et standarddigitalradiogrensesnitt (for eksempel Bluetooth).

Med henvisning igjen til fig. 5a og 5b, er navigasjonsantennene på fordelaktig måte festet til paraboltallerkens rand på en slik måte at kommunikasjonssignalet ikke blir tildekket. På den annen side er navigasjonsantennens plassering slik at GNSS-signalene obstruksjon er liten.

Claims (13)

1. Stabilisert antennesystem som inkluderer en styrbar pidestall og en RF-kommunikasjonsantenne med en sikteretningsakse, anpasset til å stabilisere RF-kommunikasjonsantennens stilling for sending eller mottak av et RF-kommunikasjonssignal mot henholdsvis fra en gitt retning ved en gitt polarisasjonsvinkel, hvilket system innbefatter en bevegelig pidestalldel festbar til et bevegelig legeme og som har middel for å styre RF-kommunikasjonsantennens stilling, hvilken stilling er definert av Eulervinklene til et antenneramme(AF)-koordinatsystem med hensyn til et navigasjonsramme(NF)-koordinatsystem, mot Eulervinklene til en referanseantenneramme(RAF)-stilling ved rotasjon av RF-kommunikasjonsantennen med hensyn til det bevegelige legemet om en asimutakse, en elevasjonsakse og en krysselevasjonsakse, og en posisjonsbestemmelsesenhet anpasset til å bestemme en referansestillingsvektor (qo(k)) med hensyn til navigasjonsramme(NF)-koordinatsystemet, på basis av en geografisk posisjon for det bevegelige legemet, en navigasjonsantennegruppe av minst tre romlig adskilte GNSS-antenner (Al, A2, A3) for å motta navigasjonssignaler fra satellittsendere i et globalnavigasjonssatellittsystem (GNSS), hvilken antennegruppe er festet til RF-kommunikasjonsantennen og har respektive GNSS-antenneutganger for å levere GNSS-navigasjonssignaler, en optimalstillingsestimator anpasset til å bestemme en estimertstillingsvektor (qEsr(k)) med hensyn til navigasjonsramme(NF)-koordinatsystemet, på basis av en GNSS-stillingsutgangsvektor (qc(k)) oppnådd fra GNSS-navigasjonssignalene, en stillingsfeilbestemmelsesenhet som er anpasset til å beregne og utgi en stillings-feilvektor (Aq(k)) på basis av referansestillingsvektoren (q(o(k)) og den estimerte stillingsvektoren (qEsr(k)), karakterisert vedat posisjonsbestemmelsesenheten, optimalstillingsestimatoren og stillingsfeilbestemmelsesenheten er anpasset til å fremstille henholdsvis referansestillingsvektoren (qo(k)), estimertstillingsvektoren (qEsr(k)) og stillingsfeilvektoren (Aq(k)) som tre Euler-vinkler hvorav én Eulervinkel er RF-kommunikasjonsantennes rotasjon om aksen (z') langs RF- kommunikasjonsantennens sikteretningsakse, og systemet omfatter en styringssløyfe- og motorenhet anpasset til å drive den flyttbare pidestalldelen om asimutaksen, elevasjonsaksen og krysselevasjonsaksen på basis av stillingsfeilvektoren (Aq(k)) for å bevege RF-kommunikasjonsantennen til å gi en ny observerbar oppdatert stillingsvektor q(k+l).

2. System ifølge krav 1, hvor GNSS-antennene er festet i respektive lokasjoner på eller nær en omkrets av RF-kommunikasjonsantennen for hvilken den bevegelige pidestalldelen er anpasset til å bære, og slik at GNSS-antennene står fiksert i forhold til den bevegelige pidestalldelen.

3. System ifølge krav 1, hvor lokasjonene er slik at minst tre GNSS-antenner er lokalisert hovedsakelig på hjørnene av en likesidet trekant.

4. System ifølge krav 1, hvor antennegruppen omfatter en fjerde GNSS-antenne romlig adskilt fra de minst tre GNSS-antennene.

5. System ifølge krav 1, hvor de minst tre GNSS-antennene er festet i respektive lokasjoner på eller nær omkretsen av RF-kommunikasjonsantennen for hvilken pidestallen er anpasset.

6. System ifølge krav 4 eller 5, hvor de første og andre enkelte av GNSS-antennene definerer to punkter på en første linje og tredje og fjerde enkelte av GNSS-antennene definerer to punkter på en andre linje, og at GNSS-antennelokasjonene er slik at den andre linjen er hovedsakelig perpendikulær til den første linjen.

7. System ifølge krav 4 eller 5, hvor lokasjonene er slik at den andre linjen skjærer den første linjen hovedsakelig ved en lokasjon som tilsvarer en lokasjon for senteret av kommunikasjonsantennen for hvilken pidestallen er anpasset.

8. System ifølge krav 4 eller 5, hvor systemet omfatter styringsinnretningen, og styringsinnretningen er arrangert til å fremstille styringsinngangen ved hjelp av optimal kombinasjon av stillingsutgangen og vinkelposisjonsutganger levert av minst ett eller flere treghetssensorsystemer.

9. System ifølge krav 1, omfattende kommunikasjonsantennen for hvilken pidestalldelen er anpasset til å bære, festet til pidestalldelen, og hvor en rand av kommunikasjonsantennen tilveiebringer middel for feste av de minst tre GNSS-antennene.

10. System ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, omfattendeTetningsmiddel som definerer en kommunikasjonsantennesikteretningsakse, hvor GNSS-antennene omfatter GNSS-retningsmiddel som definerer en GNSS-antennesikteretningsakse for hver av GNSS-antennene, og hvor GNSS-retningsmidlet er orientert med hensyn tilTetningsmidlet slik at GNSS-antennenes sikteretningsakser er hovedsakelig parallelle, og ved en elevasjonsvinkel over en elevasjonsvinkel for kommunikasjonsantennens sikteretningsakse som er vesentlig større enn null og vesentlig mindre enn nitti grader.

11. System ifølge krav 1, hvor GNSS-antennenes sikteretningsakser er ved en elevasjonsvinkel over en elevasjonsvinkel for kommunikasjonsantennens sikteretningsakse som er rundt førtifem grader.

12. System ifølge krav 10 eller 11, hvor GNSS-navigasjonsantennene har en 6 dB-strålebredde på rundt 135 grader.

13. System ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor GNSS-antennenes sikteretningsakser er innrettet hovedsakelig i parallell, som tillater et maksimalt avvik på rundt 10 grader fra hverandre.