SE442692B - Sett att styra en antenn pa en markstation for telekommunikation via satelliter - Google Patents

Description

7808816-8 2 10 15 20 25 30 35 steg observeras en signalminskning förorsakad av det sista steget, utföres ett steg bakåt, varefter en liknande steg för steg ändring av läget startas i azimutriktningen.

Dä den mottagna signalen kan vara utsatt för kraftiga variationer till följd av atmosfärens inverkan, måste mät- ningen av signalstyrkan ske under längre tid, exempelvis några minuter, varefter genomsnittsvärdet bestämmes. Varje ändring i antennens läge tar tid i anspråk till följd av att antennen är mycket långsam. Varje första steg är god- tyckligt med risk att signalen minskar. Ändamålet med uppfinningen är att eliminera nackdelarna med “step-track" metoden.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en metod, där korrektionen av antennens läge sker på sådant sätt, att antennen utför det minsta möjliga antalet steg, enär ens riktning och storlek beräknas i förväg. Detta uppnås genom att riktningen och storleken av varje läges- förändring som skall utföras av antennen härledes från signalstyrkans ändring och den åtföljande lägesförändring- en till följd av de icke styrda lägesändringarna som ut- föres av antennen i förhållande till det valda läget.

Det väsentligen kännetecknande för uppfinningen är att " data som representerar momentana antennpositioner och åt- följande momentan styrka hos en mottagen signal, uppmäts och registreras medan antennen utför okontrollerade rörelser i förhållande till en begynnelseposition, på datasekvenser som erhållits på detta sätt tillämpas en regressionsprocess för att genom utnyttjande av antenndiagrammet beräkna en uppsättning av utgàngsdata som anger satellitpositionen och antennen bringas att röra sig i ett steg, vars riktning och storlek bestäms av nämnda utgángsdata.

Uppfinningen kommer att förklaras närmare härnedan med hjälp av ett utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningar. l0 15 20 25 30 35 7808816-8 Figur 1 visar schematiskt en antenn i förhållande till en satellit.

Figur 2 visar ett plan som är vinkelrätt mot det opti- mala axelläget och anger ett möjligt antal punkter, genom vilka antennaxeln passerat i enlighet med den kända "step-track" metoden.

Figur 3 är ett diagram som visar amplituden införd som funktion av tiden för de okontrollerade rörelserna i azi- mut (a) och i elevatíon (e).

Figur 4 visar ett plan som är vinkelrätt mot det optimala axelläget och anger vilopunkterna till följd av de okontroller- ade antennrörelserna som visas i figur 3.

Figur l visar en platå l försedd med ett stativ 2 som kan rotera kring en vertikal spindel och har en horisontell spindel 4, på vilken antennen 3 är monterad. Stativets 2 vinkelläget i förhållande till platàn l kan bestämmas medelst en vinkellägesindikator som inte är visad. På lik- nande sätt kan antennens 3 vinkelläge i förhållande till stativet 2 bestämmas medelst en andra vinkellägesindikator, som ej heller är visad. En satellit, exempelvis en geo- stationär satellit, är antydd med punkten 5, varvid linjen 6 visar det optimala läget för antennens 3 mittlinje. Anten- nens 3 aktuella mittlinje är antydd med linjen 7, som i allmänhet bildar en vinkel med linjen 6. Beroende pà olika slags inverkan år satellitens 5 läge, även vid en geo-stat- ionär satellit, inte alltid detsamma i förhållande till jorden och följaktligen inte heller i förhållande till antennen. För att bibehålla antennens maximala mottagnings- nivå måste emellertid antennen hållas riktad mot satelliten 5 på bästa möjliga sätt. I figur 1 innebär detta, att man alltid måste försöka att få linjerna 6 och 7 att sammanfalla.

En av möjligheterna att uppnå ovannämnda mål är den s.k. "step-track" metoden. Denna metod består däri, att styrkan för den mottagna signalen bestämmes vid en godtycklig tid- 10 15 20 25 30 7808816-8 punkt under en bestämd period, varefter, ifall man ej har nått ett visst minimivärde, antennens läge ändras steg för steg. Eftersom riktningen, i vilken det första steget skall ske, är okänd, väljes den godtyckligt. Detta förklaras i figur 2, där azimut är inritat längs den horisontella axeln och elevation längs den vertikala axeln. Antennens mittlinje 7 skär ett plan 8 (figur l och 2) som är vinkel- rätt mot linjen 6 vid punkten A. Detta skulle emellertid ske vid punkten E' (figur 1 och 2). Om under en viss period, exempelvis några minuter, signalen förblir lägre än ett visst fast värde utför antennen ett bestämt steg av exempel- vis 0.010 i godtycklig riktning, enligt figur 2 i uppåt- riktning längs elevationsaxeln. Om det nu visar sig, att den mottagna signalen har ökat utföres ett påföljande steg i samma riktning. Efter det tredje steget sammanfaller antennens mittlinje med punkten B men nu är den uppmätta signalen svagare än i det föregående läget, så att styr- systemet bringar antennen att utföra ett steg tillbaka till punkten C. Efter detta utföres ett steg i en god- tycklig riktning längs azimutaxeln. Även i detta fall upp- repas stegen i samma riktning tills en signal uppmätes som är svagare än signalen som erhålles efter det före- gående steget (punkt D), varefter ett steg utföres i bakåt- riktningen (punkt E). _ Den ovan beskrivna proceduren tar en hel del tid i anspråk.

Beroende på att den erhållna signalen icke är konstant till följd av atmosfäriskt inflytande, måste mätningen av signalstyrkan ske under en viss tid, så att man kan erhålla ett pålitligt genomsnittsvärde för signalstyrkan.

En ytterligare nackdel är att riktningen som väljes för det första steget är godtycklig och att riktningen som har valts en gång fortsätter tills efter varje steg den mottagna signalen blir starkare än signalen som har uppmätts efter föregående steg. Om exempelvis under stegningsrörelsen från punkten A till punkten E satelliten har förflyttats till punkten H' så att punkten H skulle vara den lämpligaste punkten för att rikta antennaxeln mot, skulle man erhålla 10 15 20 25 30 35 7808816-8 större signalförstärkning genom att stanna redan första gången vid punkten E, när man kommer fràn punktens C riktning längs elevationsaxeln. Såsom framgår åstadkommer emellertid styrsystemet att linjen 7 när punkten E för tredje gången via punkterna D och F för att bringa linjen 7 att först då utföra steg enligt elevationsaxeln. Dessutom visar figur 2 hur punkten H nu uppnås och hur frán punkten H styrsystemet både i azimut och i elevation (figur l) håller pà att söka efter en riktning med en kraftigare signal.

Enligt uppfinningen elimineras nämnda nackdelar och antalet steg som skall utföras minskas avsevärt. Som en konsekvens utföres en viss önskad korrektion mycket snabbare medan tack vare den större precisionen erhålles en högre genom- snittlig signalstyrka.

Under inverkan av ett antal omständigheter, exempelvis små instabiliteter hos styrsystemet (s.k. gräns- CYk1er), vindkrafter, tyngdkraft, termisk expansion och krympning kommer en antenn för satellitkommunikation att inom vissa gränser utföra okontrollerade rörelser i förhållande till ”det valda läget. Drivsystemet är kontinuerligt aktivt att áterinställa antennen till det bestämda värdet. Mätningar på en testantenn har visat, att tidsförloppet för de okontrgll- erade rörelser i azimut nästan är som visats i figur 3a.

Tidsförloppet för rörelserna i elevation sett av de digi- tala vinkellägesindíkatorerna är som framgår av figur 3e.

Resultatet är i båda fallen 0.0l6° från topp till topp.

Det mindre regelbundna förloppet av rörelsen i elevation förorsakas genom obalans hos antennen.

Man kan säkerställa, att antennen både för azimut och för elevation befinner sig vid ett av sina ytterlägen under den största delen av tiden (ca 96%). Detta föranstaltas enär vid ett stillestånd friktionskoeefficienten vid an- tennens upphängningspunkter är mycket större än vid rör- else. Till följd av detta krävs det relativt mycket driv- kraft för att bringa antennen att röra sig när den befinner sig i något av sina två ytterlägen men om rörelsen har startat en gäng ökar hastigheten snabbt, så att man pass- 10 15 20 25 30 35 7808816-8 erar förbi den önskade positionen, varefter kontrollen saktar ned rörelsen och stoppar den. Sedan startar hela förloppet åter. Om dessa rörelser betraktas i ett plan 9'(del av planet 8), (figurerna 1 och 4) kommer antenn- axeln att skära detta plan endast i en av de fyra punk- terna LO, RO, LB, RB och den befinner sig endast omkring 4% av tiden någonstans mellan dessa punkter.

Såsom tidigare har nämnts, utnyttjar metoden enligt upp- finningen antennens okontrollerade rörelse som beskrivits här0van,vilken rörelse registreras av vinkellägesindikator- erna. Tillsammans med varje registrering av antennläget registreras även den åtföljande signalstyrkan. Metoden är sådan, att det optimala antennläget beräkas medelst en regressionsteknik från de uppmätta data som insamlas under en viss tidsperiod, VarVi¿ man utnyttjar antennens riktningsdiagram. Vid den enklaste regressionstekniken betIäktäS-signalstyrkan somen tidsfunktion approximerad pà det bästa möjliga sättet genom en konstant som skall bestämmas. I detta fall skall mätperioden fortfarande vara rätt lång. Tidsvinsten i Éämfififiïse med "step-track" tekniken erhålles i detta fall endast beroende pà att bättre och ibland större steg kan göras mot ett optimum. Efter att beräknat den optimala antennpositionen, om så är nöd- vändigt genom ett antal separata beräkningar, och genom att utnyttja en regressionsteknik kan styrsystemet rikta antennen till denna punkt.

För att uppnå detta avkännes efter varandra följande sekvenser av samplingsvärden (varje sekvens omfattar exempelvis 19 samplingsvärden med ls intervall mellan dem) beträffande momentan elevation0(i, azimut Öi och mottagen signalstyrka Qi när antennen riktas mot en "okänd" satellitposition.

Följaktligen åstadkommer varje sampling tre data.Q gi och vi. Under denna samplingsprocess rör sig antennen på ett "okontrollerbart“ sätt kring sitt nominella läge till vilket den har ställts från början. Mönstret för sådana rörelser är inte nödvändigtvis det som visas i figur 3 och 4 i beskrivningen, vilka endast är exempel pä möjliga 10 15 20 25 30 35 7808816-8 mönster. Dessa avsökningsmönster kan vara i huvudsak slump- mässiga förutsatt att de olika samplingsvärdena inte svarar mot positioner som ligger längs en rak linje.

Pá ovannämnda sekvenser av samplingsvärden tillämpas en regressionsprocess (i och för sig känd inom matematiken) för att från sekvenserna av nämnda datagrupper beräkna en uppskattad satellitposition mot vilken antennen skall riktas. I en regressionsprocess ingår en s.k. regressions- modell. Inom uppfinningens ram bygger denna regressions- modell i sin enklaste form på a) den kända antennförstärkningskarakteristikan (an- tennens riktningsdiagram) genom vilken ett bestämt förhåll- ande mellan exempelvis parametrarna OQ, lä, och vi är definierat, och b) antagandet att den atmosfäriska dämpningen av de mottagna signalerna är oföränderlig med tiden.

Med en sådan regressionsmodell kan för varje par av uppmätta (samplade) data. d.v.s. mä och 1%, beräknas ett uppskattat värde Vi för den mottagna signalstyrkan. På detta sätt bestäms skillnaden mellan den uppmätta signalstyrkan vi och den beräknade Vi som en funktion av "modell"-parametrarna X0 och YO (den okända satellitpositionen) och CO (den atmosï färiska dämpningen som är oförändrad i tiden). Genom att tillämpa en ytterligare beräkningsprocess kan de okända modellparametrarna X0, Yo och Co beräknas från kravet att summan av de kvadrerade skillnaderna Gi-Vi (C°,X0,YO) är ett minimum över ett bestämt tidsintervall.

Trots att det här ovan talats om en geo~stationär satellit, kan sättet enligt uppfinningen även användas för att följa en icke stationär satellit som har en i huvudsak känd bana.

I det sistnämnda fallet leder metoden till en något avvikande bana som säkerställer en kraftigare mottagen signal.

Uppfinningen åstadkommer ett sätt att exakt och snabbt följa en satellit, vilket inte är dyrare än de kända antenn- lO l5 20 25 7808816-8 styrningsmetoderna.

En mera förfinad och snabbare metod erhålles om signal- variationerna till följd av atmosfärisk inverkan approxi- meras över ett rätt kort tidsintervall på bästa möjliga sätt genom ett polynom av högre ordning som en tidsfunk- tion (med konstanter som ändå måste bestämmas).

Det antas att den atmosfäriska dämpningen är en långsamt tidsfunktion, närmare bestämt ett polynom av Co+C1t+C2t2+C3t3. Regressions- varierande tredje ordning, êmmïelvís processen som tillämpas på sekvenserna av uppmätta data- grupper, exempelvis °¶¿ Éfi,$i leder med denna modell till sex ekvationer med sex okända parametrar XO,Y0,C0,C1,C2,C3.

Fràn dessa ekvationer kan satellitpositionen (X°,Yo) beräknas.

Av denna anledning har antennens korrektionssteg beträffande såväl riktning som storlek bestämts genom en beräknings~ process. Nämnda regressionsteknik ger samtidigt möjlighet att eliminera opálitliga resultat som kommer att uppträda vid mycket starka variationer.

Genom simuleringsteknik har man visat, att en antenn i ett läge 20 dB från optimum har nätt toppen efter tvá steg.

Claims (2)

10 15 7808816-8 Patentkrav

1. Sätt att styra en antenn på en markstation för telekommunikation via satelliter, k ä n n e - t e c k n a t därav, att data som representerar momentana antennpositioner och åtföljande momentan styrka hos en mottagen signal, uppmäts och regist- reras medan antennen utför okontrollerade rörelser i förhållande till en begynnelseposition, på data- sekvenser som erhållits på detta sätt tillämpas en regressionsprocess för att genom utnyttjande av an- tenndiagrammet beräkna en uppsättning av utgångsdata som anger satellitpositionen och antennen bringas att röra sig ett steg, vars riktning och storlek bestäms av nämnda utgångsdata.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att för att utföra regressionsprocessen, sig- nalfluktuationer under ett relativt kort tidsintervall approximeras,genom ett polynom av högre order som funk- tion av tiden.