专利名称：使用极化控制的卫星跟踪的星载天线系统的制作方法
技术领域：
概括地说，本发明涉及星载天线系统，具体地说，本发明涉及用于卫星通信的相控 阵天线系统。
背景技术：
民用或军用飞行器和地面之间的通信通常经由卫星信道。通常所称的SATCOM通 信系统实现地球同步卫星星群，并提供世界范围的覆盖。不同于固定地指向地球同步卫星 的地面天线，安装在飞行器上的天线必须在飞行期间追踪卫星，并且确保持续将其波束瞄 准用于通信的转发器。现有技术中考虑了一些类型的星载天线系统来实现这一追踪。具 体地从文献US-B-6483458中了解到的是使用动力天线，其能够在方向角和仰角上定向， 实现圆锥扫描，也称为“顺序波瓣”，以便持续地将天线的口面瞄准转发器。具体地从文献 US-B-6650291和W0-A-92/21162 了解到的是使用相控阵天线进行电子瞄准。传统方式是通 常通过向阵列的每个基元天线发送的或者接收的信号施加给定的相位偏移来使波束定向 到期望方向。这种天线的第一个优势在于，其允许极迅速的波束瞄准，而不存在机械惯性。 这种天线的第二个优势在于，能够将其视为共形天线，即，厚度很小并且适合机身的曲率的 平面天线。大多数卫星根据两个正交极化发射并接收信号，在一些情况下，是以严格一致的 频率。从而，只有极化能够分开不同转发器的通信信道。例如，第一转发器根据垂直极化发 射/接收，即使用垂直于地表的电场；并且，第二邻近转发器根据水平极化发射/接收，即使 用平行于地表的电场，其能够发送第二信号。在特定的情况下，地球同步卫星根据右圆极化 或者左圆极化发射和接收信号。正如必须确保波束动态地瞄准卫星一样，在飞行期间，保持发射信号的极化或者 根据其接收信号的极化是必要的。实际上，在飞行期间，该极化可取决于飞行器的位置以及 倾斜角和航向角。具体地说，对于具有较大覆盖区域的卫星，在飞行器的运动期间，极化的 方向会在该区域内变化。在申请W0-A-92/21162中描述的星载天线系统能够控制波束的极化。为了做到这 一点，其使用相控阵列，包括具有垂直和水平极化的基元天线。闭环控制控制两个基元天线 之间的相位偏移，从而，保持信号的极化不变。上述天线系统在连接了闭环控制时运行正常。然而，在卫星搜索阶段，即，在初始 瞄准期间或者在切换期间，则很难直接获得具有正确极化的发射或接收波束。由于邻近卫 星的转发器或者甚至是相同卫星的多个转发器可使用具有不同极化的一致接收频率，所以 在卫星瞄准阶段发射波束的不正确极化会导致所述转发器处的串扰。同样，在转发器瞄准 卫星期间，接收波束的不正确极化会导致在飞行器上的接收机处的串扰。因此，本发明的第一个目的在于在搜索阶段或者切换期间，能够以良好的初始极 化快速和准确地瞄准发射/接收波束。此外，随着空中交通的增长，转发器的占用率明显增加。在给定的时刻，特定卫星
3的特定转发器可能已饱和，而其它的转发器仅仅是略微占用。因此，本发明的另一个目的在 于提供一种能够在飞行期间进行自适应动态转发器分配的星载天线系统。
发明内容
本发明涉及一种设计用于在飞行器中安装的天线系统，包括由多个极化控制基 元天线构成的相控阵天线，相控阵天线连接到至少一个波束形成器，该系统包括-计算器，其用于从飞行器的位置和姿态信息、通信卫星的坐标以及所述卫星的转 发器的极化特性中计算相位偏移值(外,彻)和衰减系数(αν，αΗ)；-极化控制模块，其使用所述相位偏移值和所述衰减系数来控制所述基元天线的 极化。有利的是，所述系统包括RF调制/解调级，以便对基带或者中频天线信号进行调 制或者解调，该解调信号由所述计算器控制的VCO提供。波束形成器用于使用由计算器提供的多个相位偏移(Ψ/Λ/，￥ke/ake)形成发射 和接收波束，所述相位偏移很方便地由计算器从飞行器的位置和姿态信息以及目标卫星的 坐标中获得。发射或接收波束形成器更适宜对要在基带中发射的信号或者在基带中接收的信 号进行操作，并且使用复数乘法获得相位偏移。根据一个实施例，该系统包括数据库，其包括可用地球同步卫星的列表，其中有它 们相应的坐标、所述卫星的不同转发器的极化特性以及发射/接收频率。该数据库根据地面上的中央数据库动态更新，并且包括要用于发射和/或接收的 转发器的实时分配。根据另一种选择，该系统包括第一波束形成器，其用于在与其建立了通信的转发 器的方向上形成波束；以及第二波束形成器，其用于在随后将要与其建立通信的转发器的 方向上形成波束。有利的是，系统的阵列天线为共形类型。
通过参照附图来理解本发明的一个优选实施例，本发明的其它特征和优势将会显 现出来，其中图1以图示的方式示出了根据本发明的一个实施例的星载天线系统；图2示出了根据本发明的一个实施例的使用极化控制的波束瞄准方法。
具体实施例方式本发明的基本构思是使用由飞行器的惯性单元或者导航系统提供的位置和姿态 信息，并且根据这些信息和目标卫星的坐标来计算施加于要根据两个正交极化发射或接收 的信号上的相位偏移，从而获得在卫星上的波束初始瞄准阶段的波束的期望极化。图1示出了根据本发明的一个实施例的星载天线系统。这一系统100包括相控阵 天线110。有利的是，这一天线可以是共形的，即具有平坦外形、较小高度并适应于飞行器 的机身形状。阵列天线110由基元天线120的排列构成，每个基元天线的极化是可控制的。例如，将以由本领域技术人员熟知的方式，使用具有两个正交馈源探头121、122的贴片天 线来制造基元天线120。每个基元天线120具有其自身的极化控制130，在需要时，作用于 相位偏移以及信道H和V中的每一个的振幅。例如，如果天线是上述的贴片类型，则对于每 个正交探头(即信道H和V中的每一个)，极化控制模块将包括移相器131、132以及振幅 控制器133、134 (例如，衰减器)。彻和外分别表示施加到信道H和V的相位偏移。同样， α H和α v分别表示这两个信道的加权系数。来自信道H和V的信号在发射到RF级140之 前组合为接收信号。相反地，来自于RF级140的天线激发信号被划分为信道V和H的两个 信号，以馈给该天线。组合/划分操作由功率划分器/组合器135完成。对于每个基元天线，RF发射/接收级包括收发转换开关(未示出)以及基带解 调模块(未示出)，或者，如果情况需要，用于转换成中频的模块。基带或者中频带解调信号 由数控VCO提供。调制/解调频率fm由计算器给出。在发射期间，基带信号通过将来自发射波束形成器151的信号进行数模转换得 到。相反地，在接收期间，去往不同基元天线的基带信号在传输到接收波束形成器152之前 受到数模转换。波束形成器151和152对来自或去往不同天线的基带信号施加相位偏移。有利的是，这些信号的幅度会受到加权，以便消减发射或接收波束的副波瓣。不同 信号的相应相位偏移可通过将它们以已知的方式乘以复旋转系数来获得。复数字抽样的幅 度加权和相位旋转方便地利用与复系数的单次相乘操作来完成。更确切地说，如果S1,...，
Sn分别是来自N个天线的基带数字信号抽样，则接收波束形成器执行操作r = Σβ〖·ν其中，
k=\
r是阵列天线信号，是所述复接收系数。双向地，对于发射天线s，发射波束形成器生成 多个(N个)相位偏移和加权的信号a^s，a2es,... , a/s，其中，ak% k = 1，. .，N是复发射系
数。当然，如果发射波束与接收波束瞄准相同的方向，则<，其中，*表示复共轭。计算器160 —方面为极化控制125提供相位偏移《^和外以及系数α α v，另一 方面提供相位偏移和Ψ/，或者更一般化的复系数ak%a/，以便在151和152中进行波 束形成。一方面，计算器确定用于根据与存储在数据库180中与卫星有关的信息来瞄准波 束的极化相位偏移和复相位偏移/系数，包括-搜索到的卫星的坐标，S卩，其在地球同步轨道上的位置，-由转发器使用的极化特征，例如，垂直、水平、右圆或左圆，并且，另一方面，计算器确定飞行器的位置和姿态信息，例如，由飞行器的惯性单 元或者导航系统通过Arinc 429或者AFDX (航空电子全双工)型传统航空总线170提供的 其空间坐标以及其航向角、横摇角以及倾斜角。通过实时获知飞行器的位置和姿态信息，计算器能够在任意时刻确定用于将发射 /接收波束瞄准目标卫星的相位偏移Ψ^/Ψ/。根据这些信息以及转发器的极化特征，计算 器能够确定加权系数α Η和α ν以及极化控制器的信道H和V上的相位偏移彻和外。因此， 波束的极化向量能够恒定地指向期望的方向。数据库180包括多个可用的地球同步卫星的坐标。根据一个特定的实施例，数据 库与位于地面的中央数据库同步实时更新。有利的是，中央数据库包括对给定飞行器的不同天线的转发器分配。这一分配可以动态地并且具体根据转发器的占用率变化。此外，该 分配可取决于与客户以合约方式订立的服务质量(QoS)，也就是存储在数据库中的客户配 置。因此，数据库180包括要用于发射和/或接收的转发器的实时分配，并且，因此，包括目 标卫星。为了能够在不中断服务的情况下进行切换，可提供两个不同的波束形成器，第一 波束形成器在正在使用的转发器的方向上执行瞄准，第二波束形成器在将要使用的转发器 的方向上准备瞄准。两个波束形成同时完成，从而，一次切换等于波束形成器的各个输入 (在发射期间)或输出(在接收期间)的单次转换。数据库180最后包括不同可用卫星的转发器的特征，尤其是与每个转发器有关的 频率、饱和功率和极化的特征。因此，计算器160从数据库中提取或者从其中存储的信息中确定当前时刻分配的 转发器/卫星的身份。与分配的转发器有关的特征，具体能够确定用于控制RF级的VCO的 调制/解调频率fm、能够避免转发器饱和的最大发射功率Pmax以及极化向量的定向。图2示出了根据本发明的一个实施例，使用极化控制的波束瞄准方法的一个实施 例。如极化控制一样，波束瞄准包括两个阶段第一阶段，即卫星/转发器的初始瞄准 阶段；以及第二追踪阶段。在搜索阶段(I)，在210中，计算器确定用于保证波束指向卫星方向的相位偏移， 在220中，计算器确定能够根据飞行器的位置和姿态信息来调整转发器上的极化方向的相 位偏移和加权系数。在230中，使用这些值来初始化波束形成器151、152以及极化控制电 路130。初始瞄准的良好精度与波束极化的良好初始定向相结合，能够极大地降低本领域现 阶段面临的串扰现象。在卫星的追踪阶段(II)，当天线系统在接收模式下运行时，对瞄准的控制和对波 束的极化既可以如上文所述以开环的方式完成，也可以以闭环的方式完成。例如，使用本领 域已知的“单脉冲”型技术或者圆锥扫描，系统可自适应地确定相位偏移ψΛ以及更一般化 的系数a/。实现系数a/或者相位偏移的实时自适应，以便最大化接收的信号。或者， 以传统的方式根据导频序列实现参数的自适应。特别地，可以使用梯度算法实现系数的自 适应，从而使得接收序列和导频序列之间的误差最小化。
权利要求
一种用于安装在飞行器中的天线系统(100)，包括由多个极化控制基元天线(120)构成的相控阵天线(110)，所述相控阵天线(110)连接到至少一个波束形成器(151，152)，所述天线系统(100)的特征在于其包括计算器(160)，其用于根据所述飞行器的位置和姿态信息、通信卫星的坐标以及所述卫星的转发器的极化特性来计算相位偏移值( ，)和衰减系数(αV，αH)；极化控制模块(130)，其使用所述相位偏移值和所述衰减系数来控制所述基元天线的极化。FPA00001126146500011.tif,FPA00001126146500012.tif
2.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于其包括RF调制/解调级(140)，用于对基带或者中频天线信号进行调制或解调，解调信号由所 述计算器控制的VCO提供。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其特征在于，所述波束形成器(151，152)用于 使用由所述计算器提供的多个相位偏移(Vk7a/，￥ke/ake)形成发射或接收波束，所述相位偏移由计算器根据所述飞行器的位置和姿态信息以及目标卫星的坐标来获得。
4.根据权利要求3所述的天线系统，其特征在于发射或接收波束形成器对要在基带中发射的信号或者在基带中接收的信号进行操作，以及所述相位偏移是利用复数乘法获得的。
5.根据前述权利要求之一所述的天线系统，其特征在于其包括数据库(180)，所述数据库(180)包括可用的地球同步卫星及其相应的坐标、所述卫 星的不同转发器的极化特征和发射/接收频率的列表。
6.根据前述权利要求之一所述的天线系统，其特征在于 所述数据库(180)根据地面上的中央数据库动态地更新，以及 所述数据库包括对要用于发射和/或接收的转发器的实时分配。
7.根据前述权利要求之一所述的天线系统，其特征在于其包括第一波束形成器，其用于在与其建立通信的转发器的方向上形成波束，以及 第二波束形成器，其用于在随后要与其建立通信的转发器的方向上形成波束。
8.根据前述权利要求之一所述的天线系统，其特征在于 所述阵列天线(110)是共形类型的。
全文摘要
本发明涉及设计安装在飞行器中的天线系统(100)，包括由多个极化控制基元天线(120)构成的相控阵天线(110)，相控阵天线(110)连接到至少一个波束形成器(151，152)，相控阵天线(110)包括计算器(160)，其用于从飞行器的位置和姿态信息、通信卫星的坐标以及所述卫星的转发器的极化特性中计算相位偏移值和衰减系数(αV，αH)；极化控制模块(130)，其使用所述相位偏移值和衰减系数来控制所述基元天线的极化。
文档编号H01Q21/24GK101884138SQ200880114134
公开日2010年11月10日 申请日期2008年10月2日 优先权日2007年10月4日
发明者P·拉里格莱, T·帕约 申请人:阿克塞斯欧洲股份公司