DE69525423T2

DE69525423T2 - System zur Steuerung einer phasengesteuerten Gruppenantenne und Verfahren zur Eichung

Info

Publication number: DE69525423T2
Application number: DE69525423T
Authority: DE
Inventors: Arnold L. Berman; James D. Thompson; Marvin R. Wachs
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-11-18
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2015-11-19
Also published as: US5530449A; EP0713261A1; JP3333672B2; JPH08256008A; DE69525423D1; EP0713261B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Steuerung einer phasengesteuerten Gruppenantenne zur Verwendung in einem phasengesteuerten Kommunikationssystem, das eine phasengesteuerte Antenne aufweist, die eine Vielzahl von Antennenelementketten aufweist, wobei jede Kette ein Phaseneinstellnetzwerk, einen Verstärker, ein Filter und ein Antennenelement aufweist,
eine Meßträgersignalquelle zur Erzeugung eines Meßträgersignals, das von jeder Antennenelementkette verarbeitet wird, und
Mittel zum Erzeugen und zum Anwenden von korrigierenden Gewichtungskoeffizienten bei den Phaseneinstellnetzwerken.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer phasengesteuerten Antenne eines phasengesteuerten Kommunikationssystems, wobei die phasengesteuerte Antenne eine Vielzahl von Antennenelementketten aufweist, mit den Schritten:
Verarbeiten eines Meßträgersignals durch die Antennen und Erzeugen und Anwenden von korrigierenden Gewichtungskoeffizienten in den Antennenelementketten.
Ein solches System zur Steuerung von phasengesteuerten Antennen und ein solches Verfahren zum Kalibrieren bzw. Eichen einer phasengesteuerten Antenne sind aus GB-A-2 262 386 bekannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein phasengesteuerte Kommunikationssysteme und insbesondere ein Steuerungssystem für eine phasengesteuerte Antenne und ein Antennenkalibrierungsverfahren zum Einsatz in einem phasengesteuerten Kommunikationssystem.
Zunehmende Anforderungen an die Systemleistung, die an zukünftige Kommunikationssatellitensysteme gestellt werden, erfordern bspw. die Anwendung aktiver Phasensteuerungstechnologie entweder als Komplettantenne oder als Einspeisung für ein Antennensystem des Reflektortyps. Aktive phasengesteuerte Antennen weisen passive Antennenstrahlerelemente und zugehörige Ketten von elektronischen Elementen auf, die Verstärker, Filter und Frequenzübersetzer umfassen. Jede dieser Komponenten unterliegt einer individuellen Übertragungsfunktionsänderung oder eines Fehlers während der Lebensdauer einer Mission.
Unter Einsatz herkömmlicher Lösungswege werden diese Wirkungen dadurch minimiert, daß jede Komponente in einer Elementkette so gestaltet wird, daß die Kette eng anderen Ketten über den gesamten Bereich der Umgebung und der Lebensdauer nachfolgt. In Systemen mit hoher Leistung ist jedoch die Leistung zum engen Nachfolgen ein Hauptkostentreiber. Zusätzlich können unvorhergesehene Komponentenänderungen zu nicht kompensierbaren Systemverschlechterungen führen. Der herkömmliche Lösungsweg zur Begegnung eines Komponentenausfalls besteht darin, eine ausreichende Anzahl redundanter Komponenten aufzunehmen. Die Erkennung und Identifikation einer ausgefallenen Elementkette muß nicht immer für Satellitennutzlasten praktikabel sein. Ebenfalls kann eine Ausfallerkennungsschaltung signifikante Kosten und Komplexität dem Aufbau zufügen.
Eine weitere Schwäche der herkömmlichen Lösungswege, die bei Weltraumsystemen anwendbar sind, liegt in der potentiellen Verschlechterung aufgrund von anfänglichen Unvollkommenheiten bei der Systementfaltung. Ein Beispiel davon ist eine mechanische Fehlausrichtung unterschiedlicher Abschnitte einer phasengesteuerten Anordnung mit mehreren Platten. Eine mögliche Systemleistungsverschlechterung ergibt sich deshalb daraus, da die Kalibrierung und Kompensation auf individueller Elementebene nicht praktikabel ist.
In dem zuvor erwähnten Dokument GB-A-2 262 386 weist eine Phasenmeßschaltung einer phasengesteuerten Antenne mit sowohl Sende- als auch Empfangsfunktion eine Vielzahl von Antennenelementen, Phasenverschiebern, die entsprechend den Antennenelementen angeordnet sind, um einen Strahl in eine gewünschte Richtung durch Veränderung des Phasenwerts zu bilden, eine Steuerschaltung zum Steuern der Phasenverschiebungsgröße der Phasenschieber, eine Testantenne zum Empfang von elektrischen Wellen von der phasengesteuerten Antenne und zur Übertragung eines Testsignals zu jedem Element der phasengesteuerten Antenne auf. Die Testantenne kann in der phasengesteuerten Anordnung integriert sein. Der Phasenverschiebungswert jeder der Phasenverschieber wird auf den Wert eingestellt, bei dem das Testsignal den maximalen Wert einnimmt.
Ein ähnliches Verfahren zur Einstellung der Phasenverschieber einer phasengesteuerten Antenne ist aus dem Dokument US-A-5,027,127 bekannt, wobei zusätzlich die Amplitude jedes Elements in der Antennenanordnung korrigiert wird.
Aus EP-A-0 642 101 (das im Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ liegt) ist ein digital gesteuerter Strahlformer für ein Weltraumfahrzeug bekannt, der Mittel zur periodischen Kalibrierung der Einspeisepfade der Weltraumfahrzeugantennenanordnung aufweist, indem die Bewegung der Mitte eines Referenzsignals und eines Sollsignals gemessen wird und die gemessenen Daten eingesetzt werden, um zumindest die Phasenverschiebung in den Antenneneinspeispfaden zu kompensieren. Die gemessenen Daten können auch verwendet werden, um Amplitude und Phasenverschiebung in den Antenneneinspeispfaden zu kompensieren.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungssystem und ein Kalibrierungsverfahren zur Verwendung in einem phasengesteuerten Kommunikationssystem vorzusehen, das die Beschränkungen der herkömmlichen Lösungswege zur Steuerung von Komponentenfehlern überwindet.
Die zuvor genannte Aufgabe wird von dem Steuerungssystem für die phasengesteuerte Gruppenantenne, das in der Einleitung erwähnt ist, erreicht, wobei die Testträgersignalquelle ein nicht störendes Trägersignal erzeugt, das Kommunikationssystem phasengesteuerte Sende- und Empfangs-Gruppenantennen aufweist, die jeweils eine Vielzahl von Antennnenelementketten umfassen, wobei jede Kette zusätzlich ein Amplitudeneinstellnetzwerk umfaßt und eine gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung bezüglich der anderen Ketten jeder der Antennen aufweist, das Testträgersignal von jeder Antennenelementkette orthogonal verarbeitet wird, Erkennungsmittel die Amplitude und Phase bestimmen, die von jeder Kette der phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantenne in Antwort auf das Meßträgersignal erzeugt werden, um die Amplitude und Phase zu vergleichen, die von jeder Kette erzeugt werden, mit dem gewünschten Amplituden- und Phasenverhältnis für jede Kette, und um korrigierende Gewichtungskoeffizienten für Ketten zu erzeugen, die nicht die gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung besitzen, und Anwendungsmittel, um die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten bei den Amplituden- und Phaseneinstellnetzwerken jeder Kette der phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantennen anzuwenden, um die gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung zwischen ihnen zu erzeugen.
Ferner wird die zuvor genannte Aufgabe von dem Kalibrierungsverfahren, das in der Einleitung erwähnt wird, erreicht, wobei das Kommunikationssystem phasengesteuerte Sende- und Empfangsantennen aufweist, jede der Antennenelementketten eine gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung bezüglich zueinander aufweist, ein nicht störendes Meßträgersignal durch jede Antennenkette der Sende- und Emfangsantennen orthogonal verarbeitet wird, die jeweiligen Phasen und Amplituden der verarbeiteten Meßträgersignale verglichen werden, um eine Tabelle von Differenzamplituden und -phasen jeder Antennenkette der jeweiligen Sende- und Empfangsantennen vorzusehen, die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten für Ketten erzeugt werden, die nicht die gewünschte Amplituden- und Phasenbezieheung aufweisen, und die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten bei jeder Kette der Sende- und Empfangs-Antennen angewendet werden, um die gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung zwischen ihnen zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Steuerungssystem für eine phasengesteuerte Gruppenantenne und ein Verfahren zum Einsatz in einem phasengesteuerten Kommunikationssystem. Das phasengesteuerte Kommunikationssystem umfaßt phasengesteuerte Sende- und Empfangsantennen, deren jede eine Vielzahl von Antennenelementketten aufweist, wobei jede Kette ein Amplitudeneinstellnetzwerk, ein Phaseneinstellnetzwerk, Verstärker, Filter und Frequenzübersetzer wie gefordert aufweist, und ein Antennenelement. Jede Kette hat ein gewünschtes Amplituden- und Phasenverhältnis zu den anderen Ketten jeder der Antennen. Das System umfaßt eine Meßträgersignalquelle zur Erzeugung eines Meßträgersignals, das von jeder Antennenelementkette orthogonal verarbeitet wird. Mittel zur Bestimmung der Amplitude und Phase sind vorgesehen, die von jeder Kette der phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantennen in Antwort auf das Meßträgersignal erzeugt werden, um die von jeder Kette erzeugte Amplitude und Phase mit der gewünschten Amplitude und Phase für jede Kette zu vergleichen, und um korrigierende Gewichtungskoeffizienten für Ketten zu erzeugen, die nicht die gewünschte Amplitude und Phase aufweisen. Mittel zur Anwendung der korrigierenden Gewichtungskoeffizienten bei den Amplituden- und Phaseneinstellnetzwerken jeder Kette der phasengesteuerten Sende und Empfangs-Gruppenantennen sind vorgesehen, um das gewünschte Amplituden- und Phasenverhältnis zwischen ihnen herzustellen.
Ein Verfahren zum Kalibrieren der phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantennen eines phasengesteuerten Kommunikationssystems, wobei entsprechende Antennenelementketten, die jede der Antennen aufweisen, ein gewünschtes Amplituden- und Phasenverhältnis mit Bezug aufeinander haben, weist die folgenden Schritte auf. Ein nicht störendes Meßträgersignal wird durch jede Antennenkette der Sende- und Empfangsantennen verarbeitet. Die jeweiligen Phasen und Amplituden der verarbeiteten Meßträgersignale werden verglichen, um eine Tabelle von Differenzamplituden und -phasen für jede Antennenkette der jeweiligen Sende- und Empfangsantennen vorzusehen. Korrigierende Gewichtungskoeffizienten für Ketten, die nicht die gewünschte Amplitude und Phase haben, werden erzeugt. Die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten werden dann bei jeder Kette der Sende- und Empfangsantennen angewendet, um das gewünschte Amplituden- und Phasenverhältnis dazwischen herzustellen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Steuerungssystem für eine phasengesteuerte Gruppenantenne und ein Kalibrierungsverfahren vor, das bei phasengesteuerten Gruppenantennen eingesetzt werden kann, und das die Robustheit der phasengesteuerten Gruppenantenne gegenüber Komponentenänderungen oder Fehlern erhöht. Phasengesteuerte Gruppenantennen unterliegen Leistungsverschlechterungen aufgrund einer fehlerhaften Nachführung der aktiven und passiven Komponenten, die die individuellen Ketten bilden, die die Anordnung bilden. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Messung auf Systemebene, die während des normalen Betriebs ausgeführt wird, um auf einer Element-zu-Element- Basis die momentane Nachführleistung jeder individuellen Kette zu bestimmen. Diese Information wird dann eingesetzt, um den gemessenen Fehler jeder Kette zu kompensieren. Das vorliegende System erfordert keine Unterbrechung des Betriebs, um diese Funktion auszuführen.
Die vorliegende Erfindung sieht die Integration verschiedener Komponenten in ein neues Steuerungssystem für phasengesteuerte Gruppenantennen vor. Das phasengesteuerte Antennensystem umfaßt eine Vielzahl von parallelen Strahlerelementketten, die in Phase arbeiten, um die Gesamtleistungsanforderungen des Systems zu erfüllen. Ein Mittel und Verfahren zum Messen der Echtzeitleistung (Amplitude und Phase) individueller Elemente unter Verwendung zusätzlicher Test-(Kalibrierungs-)trägersignale wird von der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Eine Erdkalibrierungsstation oder ein Prozessor an Bord des Satellitens verwendet einen Algorithmus zur Bestimmung der erforderlichen Korrekturkoeffizienten für jede Kette, und ein Mittel zur Kompensation der Fehler der Amplitude und Phase in jeder individuellen Elementkette ist ebenfalls vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Nachteile herkömmlicher Lösungswege. Ein nicht störender Meßvorgang wird ausgeführt, um die Leistung der Sende- und Empfangs- Gruppenantennen zu charakterisieren. Das System erzeugt ein nicht störendes Meßträger-HF-Signal, mit dem jede Elementkette einer Gruppenantenne gleichzeitig mit der normalen Signalwellenform beaufschlagt wird. Das Meßträgersignal ist ausreichend schmal (schmale Bandbreite, geringe Leistung, kodiert oder außerhalb des benutzten Frequenzbandes), so daß es den Systembetrieb nicht wesentlich verschlechtert. Die relative Amplitude und Phase des Meßträgersignals, wie es bei einer Elementkette angewendet wird, wird an einem Empfangsterminal exakt gemessen. Indem das Meßträgersignal in zeitlicher Folge zwischen mehreren Elementketten bspw. umgeschaltet wird, wird die Differenzamplituden- und -phasencharakteristik jedes der Gruppenelemente bestimmt. Dieser Vorgang dient ebenfalls dazu, Komponentenfehler in jeder Kette zu erkennen. Jede Kette umfaßt ein befehlssteuerbares Amplituden- und Phasengewichtungsnetzwerk. Das gewünschte Amplituden- und Phasendifferenzverhältnis wird durch die Antennenkeulenausrichtung und Form-Erfordernisse festgelegt. Fehler der Nachführung bzw. Verfolgung von Element zu Element modifiziert jedoch die erforderlichen Gewichtungsbefehle. Sobald die Differenzamplituden und Phasennachführcharakteristik der Betriebsantenne charakterisiert ist, werden die individuellen Gewichtungsnetzwerke so eingestellt, daß sie die gemessenen Werte kompensieren.
Das vorliegende System liefert eine genaue Messung der Echtzeitsystemleistung. Da Veränderungen individueller Ketten während der Lebensdauer einer Mission kompensiert werden können, sind die Erfordernisse nach einer individuellen Komponentennachführgenauigkeit reduziert. Dies liefert eine signifikante Kosteneinsparung. Für den Fall eines Elementfehlers erlaubt das vorliegende System, die Anordnung neu zu optimieren, um die Leistungsauswirkung des Fehlers zu minimieren. Die vorliegende Erfindung benützt somit das System, um Probleme auf Komponentenebene zu lösen, wie bspw. solche Probleme, die in den Sende- und Empfangs-Antennenketten der phasengesteuerten Sende und Empfangs-Gruppenantennen auftreten.
Die vorliegende Erfindung kann bei Satelliten verwendet werden, die aktive phasengesteuerte Gruppenantennen umfassen, wie bspw. mobile Satellitensysteme einschließlich AMSC, INMARSAT P21, REGIONAL ASIA MOBILSAT und AFRICOM.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können leichter mit Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche strukturelle Elemente bezeichnen und in denen:
Fig. 1 ein typisches Satellitenkommunikationssystem auf phasengesteuerter Basis darstellt, das ein Steuerungssystem für eine phasengesteuerte Gruppenantenne gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung einsetzt;
Fig. 2 Details der phasengesteuerten Sendeantenne und des Betriebs des Steuerungssystems der phasengesteuerten Antenne von Fig. 1 darstellt; und
Fig. 3 ein Flußdiagramm ist, das ein Kalibrierungsverfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezugnehmend auf die gezeichneten Figuren ist mit Bezug auf die Fig. 1 ein typisches Satellitenkommunikationssystem auf phasengesteuerter Basis zu Darstellungszwecken gezeigt, das ein Steuerungssystem für eine phasengesteuerte Gruppenantenne 20 und Kalibrierungsverfahren 50 entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Satellitenkommunikationssystem 10 umfaßt eine Vielzahl von mobilen Benutzerterminals 11, einen Satelliten 12, eine Gateway-Hub-Station 13 und eine Kalibrierungsstation 14. Eine mobile Kommunikationsverbindung 15 von dem Satelliten 12 zu den mobilen Benutzerterminals 11 ist im S-Band bspw. vorgesehen, während eine Gateway- Kommunikationsverbindung 16 von dem Satelliten 12 zu der Gateway-Hub-Station 13 bspw. im Ka-Band vorgesehen ist. Die mobile Kommunikationsverbindung 15 im S-Band wird ebenfalls benutzt, um eine Kommunikation zwischen der Kalibrierungsstation 14 und dem Satelliten 12 vorzusehen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist der Satellit 12 eine phasengesteuerte Sende-(Vorwärts-)Gruppenantenne 21 und eine phasengesteuerte Empfangs-(Rückwärts-)Gruppenantenne 22 auf, die die mobile Kommunikationsverbindung 15 zwischen der Kalibrierungsstation 14, dem Satelliten 12 und den mobilen Terminals 11 bedienen. Eine Speiseantenne 23, die bspw. im Ka-Band arbeitet, ist vorgesehen, die einen kardanisch aufgehängten Reflektor bspw. verwenden kann, um die Gateway-Kommunikationsverbindung 16 zwischen dem Satelliten 12 und der Gateway-Hub-Station 13 zu bedienen. Eine Sendeverbindungsnutzlast 25 und eine Empfangsverbindungsnutzlast 26 sind entsprechend mit der phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantenne 21, 22 und der Speiseantenne 23 über einen Leistungsteiler 24 verbunden. Die Sende- und Empfangs-Verbindungsnutzlasten 25, 26 weisen Steuer- und Verarbeitungselektronik und Manöversysteme auf, die zum Betrieb des Satelliten 12 erforderlich sind.
Mit Bezug sowohl auf den Sende- als auch den Empfangspfad (Speiseantenne 23, Leistungsteiler 24, Empfangs-Verbindungsnutzlast 26 und phasengesteuerte Empfangsantenne 22; Speiseantenne 23, Leistungsteiler 24, Sende-Verbindungsnutzlast 25 und phasengesteuerte Sende-Gruppenantenne 21) wird eine phasengesteuerte Strahlkeulenbildungsfunktion auf dem Satelliten 12 ausgeführt über einen digitalen Prozessor 18, oder Controller 18, der Teil der entsprechenden Sende- und Empfangs- Verbindungsnutzlasten 25, 26 ist. Die Amplituden- und Phasensteuerfunktion, die von dem Prozessor 18 ausgeführt wird, ist im Stand der Technik Routine und wird hier nicht im Detail beschrieben. Signale werden von dem Controller 18 geliefert, der unabhängig die Amplitude und Phasenansteuerung jedes Gruppenelements 28 der phasengesteuerten Sende- und Empfangs- Gruppenantenne 21, 22 in Antwort auf die Signale steuert, die von dem System 20 und dem Verfahren 50 erzeugt werden. Der Prozessor 18 kann auch die Verarbeitung durchführen, die notwendig ist, um Korrekturtermen in Übereinstimmung mit dem vorliegenden Verfahren 50 zu berechnen.
Die verschiedenen spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend detailliert angegeben sind, hängen typischerweise davon ab, wo die Korrekturfaktoren bspw. berechnet werden. Bspw. werden in einer Ausführungsform Signale von dem Satelliten zu der Kalibrierungsstation 14 gesendet, um den Sendepfad zu kalibrieren, während Signale von der Kalibrierungsstation 14 zu dem Satelliten 12 gesendet werden, um den Empfangspfad zu kalibrieren. Falls ein abgeschlossenes System 20 eingesetzt wird, wird eine lokale Seitenbestimmungsantenne 17 eingesetzt, um Ausgangssignale der Sende- Antennenelemente abzutasten, die zu dem Prozessor 18 zurückgeführt werden, der die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten berechnet. Das abgeschlossene System 20 bildet ein Regelsystem 20 ohne menschlichen Eingriff, so daß die Fehlermessungen direkt die Korrekturen steuern. Ein solches Regelsystem 20 kann ebenfalls in einer entfernten Erdstation implementiert sein sowie an Bord der lokalen Seitenbestimmungsantenne 17. In ähnlicher Weise wird eine lokale Signalquelle in dem Regelsystem 20 eingesetzt, um ein Kalibrierungssignal zu liefern, das von der Empfangsantenne 22 bis zu dem Prozessor 18 verarbeitet wird, der die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten für den Empfangspfad berechnet.
Fig. 2 zeigt Details der phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantennen 21, 22 und erläutert den Betrieb des Steuerungssystems für eine phasengesteuerte Gruppenantenne der vorliegenden Erfindung. Die phasengesteuerten Sende- und Empfangsantennen 21, 22 weisen einen Leistungsteil 31 auf, der einen Eingang hat, der mit den Empfangssignalen über die Speiseantenne 25 verbunden ist und dessen Ausgänge über eine Vielzahl von Elementketten 30 der phasengesteuerten Sendeantenne 21 mit deren jeweiligen Antennenelementen 27 verbunden sind. Jede Kette 30 weist einen Umschalter 33, einen Verstärker 36 und ein Bandpassfilter 37 für die jeweiligen Antennenelemente 27 auf. Eine Meßträgersignalquelle 32', wie bspw. ein Oszillator 32', ist mit jedem Schalter verbunden und wird verwendet, um ein Meßträgersignal zu generieren, das eingesetzt wird, um die Antennenkalibrierung umzusetzen, die von dem Steuerungssystem für die phasengesteuerten Gruppenantenne ausgeführt wird. Der Prozessor 18, der als Controller 18 funktioniert, ist mit dem Umschalter 33, dem Amplitudeneinstellnetzwerk 34 und dem Phaseneinstellnetzwerk 35 jeder Kette verbunden, um eine phasengesteuerte Strahlkeulenbildungsfunktion auszuführen, die von dem Steuerungssystem 20 der phasengesteuerten Gruppenantenne geliefert wird. Der Prozessor 18, oder Controller 18, ist mit einem Empfänger und Demodulator 41', 42' verbunden, die mit einer Antenne 47 verbunden sind. Der Prozessor 18, oder Controller 18, wird ebenfalls verwendet, um die Amplituden- und Phaseneinstellnetzwerke 34, 35 mit korrigierenden Gewichtungskoeffizienten zu beaufschlagen, um die phasengesteuerte Empfangsantenne 22 während dieser Kalibrierungsphase zu kalibrieren.
Das Steuerungssystem für die phasengesteuerte Gruppenantenne 20 liefert eine getrennte Kalibrierung der Vorwärts- und der Rückwärts-Verbindungsgruppenantenne 21, 22. In jedem Fall wird bspw. ein Mittelelement 27' jeder Antenne 21, 22 als ein Referenzelement 27' bezeichnet. Es versteht sich, daß das "Mittelelement" nicht ein Mittelelement der Antenne im körperlichen Sinne sein muß. In der Vorwärtsrichtung wird ein kleines nicht moduliertes Meßträgersignal, das von dem Meßträgersignaloszillator 32' erzeugt wird, abwechselnd von dem Referenzelement 27' und einem zweiten Element 27, das zu testen ist, abgestrahlt. Das Meßträgersignal wird erzeugt und abwechselnd den Treibersignalen für jedes Element 27', 27 zugefügt, indem der digitale Prozessor 18 eingesetzt wird. Die jeweiligen Meßträgersignale werden über die mobile Kommunikationsverbindung 15 zu der Kalibrierungsstation 14 übertragen.
Die Kalibrierungsstation 14 weist Verarbeitungsmittel 40 auf, um die Amplitude und die Phase, die von jeder Kette 30 der phasengesteuerten Sende- und Empfangsantenne 21, 22 in Antwort auf das Meßträgersignal erzeugt wurden, zu bestimmen. Das Verarbeitungsmittel 40 weist eine Antenne 46, einen Empfänger 41, einen Amplituden- und Phasendemodulator 42 und eine Amplituden- und Phasenmeßschaltung 43 auf, um korrigierende Amplituden- und Phasengewichtungskoeffizienten ΔA ΔΦ zu erzeugen. Die Kalibrierungsstation 14 weist auch eine Meßträgersignalquelle 32 auf, wie bspw. einen lokalen Oszillator, der von einem Codegenerator bspw. moduliert wird, um die Meßträgersignale zu erzeugen. Alternativ werden die jeweiligen Meßträgersignale zu der Antenne 17 übertragen, deren Ausgang über den Empfänger 41' und den Demodulator 42' (im wesentlichen gleich zu dem Empfänger 41 und dem Demodulator 42 in der Kalibrierungsstation 14) zu dem Prozessor 18 zurückgeführt wird, um korrigierende Gewichtungskoeffizienten zu berechnen und/oder sie den jeweiligen Antennenelementen 30 zuzuführen.
Wenn das Meßträgersignal, das von dem Referenzelement 27' und dem unter Test befindlichen Element 27 übertragen wurde, in der Kalibrierungsstation 14 empfangen wird, werden die Phase und die Amplitude der beiden Signale verglichen. Indem dieser Vorgang für jedes der Elemente 27 der phasengesteuerten Sendeantenne 21 wiederholt wird, wird eine Tabelle von Differenzamplituden und Phasen für jedes Element 27 erhalten. Eine Kalibrierung der phasengesteuerten Sendeantenne 21 wird in weniger als gut zwei Minuten ausgeführt.
In der Rückwärtsrichtung wird der Vorgang umgekehrt. Ein kleines nicht moduliertes Meßträgersignal im S-Band wird von der Kalibrierungsstation 14 abgestrahlt. Das Meßträgersignal im S-Band wird von allen Gruppenelementen 28 der phasengesteuerten Empfangs-Gruppenantenne 22 empfangen, aber nur zwei Elemente 28 werden abwechselnd abgetastet, um ein Kalibrierungsträgersignal zu bilden. Das Kalibrierungsträgersignal wird im Ka-Band zu der Gateway-Hub-Station 13 abwärts geführt, wo deren Amplituden und Phasen verglichen werden. Das Meßträgersignal ist ausreichend klein (geringe Bandbreite, geringe Leistung, oder kodiert etc.), so daß es keine unakzeptable Störung mit dem normalen Kommunikationsverkehr verursacht, der von dem System 10 übertragen wird.
Eine optimale Leistung der phasengesteuerten Sende- und Empfangsantennen 21, 22 erfordert, daß jeder der Gruppenelementpfade oder -ketten 30 die richtigen phasen- und amplitudengewichteten Signale liefert. Während jede der Komponenten der Elementketten 30 ausgelegt und implementiert ist, um eine Übertragungsfunktionsstabilität über die Lebensdauer einer Mission vorzusehen, gewährleistet eine periodische Neukalibrierung der phasengesteuerten Gruppenantennen 21, 22 unter Benutzung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung eine Spitzenleistung. Zusätzlich werden Fehler von irgend einer Elementkette 30 schnell erkannt und genau charakterisiert, um Abhilfe zu ermöglichen, falls notwendig. Die Ausführung dieser Messungen unterbricht den normalen Fluß an Kommunikationssignalen von dem System 10 nicht.
Die nachfolgende Beschreibung beschreibt ein spezifisches Systemverbindungsbudget für ein System, das eine digitale Verarbeitung benutzt. Es versteht sich, daß dies nur ein Beispiel zu erläuternden Zwecken ist und nicht als Allgemeingültig für alle Systeme betrachtet werden soll.
Die Meßgenauigkeit des Steuerungssystems für die phasengesteuerte Gruppenantenne 20 wird bestimmt durch das Signal- Rausch-Verhältnis und die Zeit zur Durchschnittsbildung der Messung. Bei einem typischen System wird eine gute Genauigkeit und Meßgeschwindigkeit ohne übertriebene Systemressourcennachfrage, wie mit Bezug auf die Tabellen 1 und 2 dargestellt, erhalten, indem die Meßbandbreite auf 100 Hz reduziert wird. TABELLE 1 Leistungsbudget Hypothetisches mobiles Satellitensystem [Vorwärtsrichtung] TABELLE 2 Leistungsbudget Hypothetisches mobiles Satellitensystem [Rückwärtsrichtung]
In der Vorwärtsrichtung wird die Kalibrierung der Antennenelementkette 30 ausgeführt, indem abwechselnd das Meßträgersignal dem Referenzelement 27' und dem im Test befindlichen Element 27 zugeführt wird. Das Meßträgersignal wird somit von abwechselnden Elementen der phasengesteuerten Antenne 21 abgestrahlt und an der Kalibrierungsstation 14 als ein TDM-Signal empfangen. In Rückwärtsrichtung wird der Kalibrierungsvorgang umgekehrt. Das Meßträgersignal, das von der Kalibrierungsstation 14 abgestrahlt wird, wird von allen Elementen 28 in der phasengesteuerten Empfangs-Antenne 22 empfangen. Das von dem Referenzelement 27' und dem im Test befindlichen Element 28 empfangene Signal wird abwechselnd in dem Prozessor 18 abgetastet, und die sich ergebende Wellenform bildet ein schmalbandiges Kalibrierungsträgersignal. Dieses Trägersignal wird abwärts verbunden zu der Gateway-Hub-Station 13 über die Gateway- Kommunikationsverbindung 16. Eine Demodulation in der Kalibrierungsstation 14 liefert Kalibrierungsparameter. Für eine Vorwärtsverbindungskalibrierung wird das Meßträgersignal, das durch digital kodierte Abtastungen dargestellt wird, in dem Prozessor 18 erzeugt. Die Meßträgersignalabtastungen werden digital zu dem Kommunikationssignal-Bitstrom hinzugefügt, der für ein einzelnes Gruppenelement 27 bestimmt ist. Ein nachfolgender Digital/Analog-Umwandlungsvorgang erzeugt eine analoge Version des Meßträgersignals zusammen mit den normalen Kommunikationssignalen für das Element 27. Das Meßträgersignal wird zwischen Elementen 27', 27 abgewechselt, indem die Meßabtastungen zwischen deren jeweiligen Elementaddierern umgeschaltet werden.
In der Rückwärtsrichtung wird das unmodulierte S-Band- Trägersignal von der Kalibrierungsstation 14 abgestrahlt. Das empfangene Trägersignal wird abwechselnd von dem Referenzelement 27' und dem im Test befindlichen Element 28 ausgewählt. Der Bitstrom, der sich aus dem Analog/Digital-Umwandlungsvorgang ergibt, zu jedem Gruppenelement 28 umfaßt das vom Boden stammende Meßsignal. Der Bitstrom von jedem der Elemente 28 wird durch den Umschalter 33 ausgewählt, um einen zeitgemultiplexten Bitstrom zu erzeugen. Dieser Bitstrom dient nach der Digital/Analog-Umwandlung als Kalibrierungsmeßträgersignal in der Rückwärtsrichtung. Die geschaltete Wellenform wird zu der Kalibrierungsstation 14 abwärts geführt für eine vergleichende Messung. Nach der Abwärtsführung wird das Meßträgersignal aus dem Kalibrierungsträgersignal heraus gefiltert, indem bspw. ein Filter mit 100 Hz Bandbreite verwendet wird. Sobald die Differenzamplitude und Phase jedes der Elemente gemessen wurde, wird ein Berechnungsvergleich mit der gewünschten Amplitude und Phasenverteilung in der Gateway-Hub-Station 13 ausgeführt. Die Amplituden- und Phasengewichtungsnetzwerke 34, 35, die unter der Steuerung des Prozessors 18 stehen, werden auf Werte eingestellt, die die gemessenen Fehler kompensieren.
Das erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren 50 wird klarer mit Bezugnahme auf die Fig. 3 verstanden, die ein Flußdiagramm ist, das ein Kalibrierungsverfahren 50 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Kalibrierungsverfahren 50 weist die nachfolgenden Schritte auf. In der Senderichtung wird ein nicht störendes und vorzugsweise nicht belastendes Trägersignal erzeugt, was durch Schritt 51 gekennzeichnet ist. Jede Elementkette verarbeitet den Träger in einer orthogonalen Weise, wodurch die Signale, die von jeder Kette verarbeitet werden, sequenziell in der Zeit oder Frequenz verarbeitet werden, oder unterschiedliche orthogonale Codes aufweisen, so daß jede Kette unterscheidbar ist, gekennzeichnet durch Schritt 52. Das Trägersignal wird von der phasengesteuerten Sendeantenne 21 übertragen, gekennzeichnet durch Schritt 53. Die orthogonalen Trägersignale, die von jeder Kette erhalten werden, werden dann an einem entfernten Ort detektiert, gekennzeichnet durch Schritt 54. Der entfernte Ort kann die Kalibrierungsstation 14 oder die lokale Antenne 17 sein, die auf dem Satelliten 12 plaziert ist. Die Amplitude und die Phase, die von jedem der Antennenelementketten gesendet wird, wird dann gemessen, gekennzeichnet durch Schritt 55. Die Amplitude und Phase jeder der Ketten wird mit der Amplitude und Phase einer Mittelkette verglichen, gekennzeichnet durch Schritt 56. Korrigierende Gewichtungskoeffizienten werden dann in Antwort auf die gemessenen Amplituden- und Phasensignale, die von jeder Kette erhalten werden, erzeugt, gekennzeichnet durch Schritt 57. Sobald die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten berechnet sind, werden sie durch den Controller 18 zu den Amplituden- und Phasengewichtungsschaltungen 34, 35 geführt.
In der Empfangsrichtung wird ein nicht störendes, vorzugsweise nicht belastendes Trägersignal entweder auf dem Satelliten 12 oder in der Kalibrierungsstation 14 erzeugt, gekennzeichnet durch Schritt 61. Das Trägersignal wird zu der phasengesteuerten Empfangsantenne 22 übertragen, gekennzeichnet durch Schritt 62. Die Signale, die von jeder Elementkette empfangen und verarbeitet werden, werden in orthogonaler Weise erfaßt, wodurch die Signale, die von jeder Kette erhalten werden, sequenziell in der Zeit oder in der Frequenz verarbeitet werden, oder besitzen unterschiedliche orthogonale Kodierungen, so daß jede Kette unterscheidbar ist, gekennzeichnet durch Schritt 63. Die Amplitud und Phase jeder der Ketten wird verglichen mit der Amplitude und Phase einer Mittelkette, gekennzeichnet durch Schritt 65. Korrigierende Gewichtungskoeffizienten werden dann in Antwort auf die gemessenen Amplituden- und Phasensignale erzeugt, die von jeder der Ketten erhalten werden, gekennzeichnet durch Schritt 66. Sobald die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten berechnet sind, werden sie den Amplituden- und Phasengewichtungsschaltungen 34, 35 über den Controller 18 zugeführt, gekennzeichnet durch Schritt 67.
Im allgemeinen haben die Amplituden- und Phasensignale, die den Ketten zugeordnet sind, eine bekannte Beziehung zueinander, und falls sie dies nicht haben, wie durch die gemessenen Amplituden- und Phasendaten erkannt, die sich aus der Verarbeitung der Kalibrierungssignale ergeben, werden dann korrigierende Gewichtungskoeffizienten erzeugt, um die Ausgangssignale der Ketten zu korrigieren. Die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten können verwendet werden, um Drift oder katastrophale Fehler irgendeiner der Ketten zu korrigieren. Im Falle von Drift werden Offsets erzeugt, die Ketten korrigieren, deren Amplitude und Phase nicht ihren richtigen Wert haben. Im Falle eines Fehlers einer Kette wird die Balance der Kette neu konfiguriert, indem jede der Amplituden und Phasen eingestellt wird, um ein gewünschtes Strahlkeulenprofil aus der phasengesteuerten Sendeantenne 21 zu erzeugen. Die Gewichtung kann erreicht werden, indem körperliche Schaltungen, wie bspw. die Amplituden- und Phasengewichtungsschaltung 34, 35, eingestellt werden, oder indem mathematische Koeffizienten angewendet werden, die bspw. in Software angewendet werden, wie bspw. in dem Prozessor 18, in einer im Stand der Technik allgemein bekannten Weise. Das Kalibrierungsverfahren 50 kann kontinuierlich oder selten verwendet werden, abhängig von dem System 10, indem es eingesetzt wird. Eine Berechnung der Korrekturkoeffizienten kann an einem entfernten Ort ausgeführt werden, wie bspw. der Kalibrierungsstation 14, wo menschliche Bediener die angegebenen Korrekturkoeffizienten bestimmen, oder auf dem Satelliten 12, in dem ein geschlossener Regelpfad zwischen der lokalen Antenne 17 und jeder der Antennenelementketten verwendet wird.
Somit wurde ein Steuerungssystem 20 und ein Kalibrierungsverfahren 50 zur Verwendung in einer phasengesteuerten Gruppenantenne 21, 22 beschrieben, das dessen Robustheit gegenüber Komponentenveränderungen oder Fehlern erhöht. Das System und das Verfahren setzen eine Messung auf Systemebene der Amplitude und Phase ein, die während des normalen Betriebs ausgeführt wird, um auf einer Element-zu-Element-Basis die Nachführleistung individueller Ketten 30 zu bestimmen, die die Antennen 21, 22 bilden. Die Amplituden- und Phaseninformation wird verwendet, um den gemessenen Fehler jeder Kette 30 zu kompensieren. Das System 20 und das Verfahren 50 messen die Amplitude und Phase einzelner Elementketten 30, indem sie Meßträgersignale verwenden. Die erforderlichen Korrekturkoeffizienten für jede Kette 30 werden aus den gemessenen Amplituden- und Phasendaten bestimmt, und jede einzelne Elementkette 30 wird einzeln kompensiert, um die Amplituden- und Phasenfehler zu beheben. Das System 20 und das Verfahren 50 erzeugen ein Meßträgersignal, mit dem jede Elementkette 30 zusammen mit den normalen Kommunikationssignalwellenformen beaufschlagt wird. Das Meßträgersignal ist ausreichend klein (schmale Bandbreite, geringe Leistung, oder kodiert), so daß es den Systembetrieb nicht signifikant verschlechtert. Die relative Amplitude und Phase des Meßträgersignals, wie es einer Elementkette 30 zugeführt wird, wird gemessen. Indem das Meßträgersignal in zeitlicher Folge zwischen jeder Kette 30 umgeschaltet wird, wird die Differenzamplitude und Phasencharakteristik jeder Kette 30 bestimmt. Dies dient ebenfalls dazu, Komponentenfehler in einer Kette 30 zu erfassen. Jede Kette 30 weist ein befehlsgesteuertes Amplituden- und Phasengewichtungsnetzwerk 34, 35 auf. Sobald die Differenzamplituden- und Phasennachführcharakteristik der Antennen 21, 22 charakterisiert ist, werden die einzelnen Gewichtungsnetzwerke 34, 35 auf Einstellungen gesetzt, die die gemessenen Werte kompensieren.
Somit wurde ein neues und verbessertes Steuerungssystem und ein Antennenkalibrierungsverfahren zur Benutzung in einem phasengesteuerten Kommunikationssystem beschrieben, das das System benutzt, um Komponentenprobleme zu lösen, die in den Sende- und Empfangs-Antennenanordnungen auftreten. Es versteht sich, daß die zuvor beschriebenen Ausführungsformen rein beispielhaft für einige der vielen spezifischen Ausführungsformen stehen, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Es ist klar, daß zahlreiche und andere Anordnungen von einem Durchschnittsfachmann leicht angegeben werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. System zur Steuerung einer phasengesteuerten Gruppenantenne zur Verwendung in einem phasengesteuerten Kommunikationssystem (10), mit

einer phasengesteuerten Gruppenantenne (21, 22), die eine Vielzahl von Antennenelementen (30) aufweist, wobei jede Kette (30) ein Phaseneinstellnetzwerk (35), einen Verstärker (36), ein Filter (37) und ein Antennenelement (27, 28) aufweist,

einer Meßträgersignalquelle (32; 32') zur Erzeugung eines Meßträgersignals, das von jeder Antennenelementkette (30) verarbeitet wird und

einem Mittel zum Erzeugen und Anwenden korrigierender Gewichtungskoeffizienten (ΔA, ΔΦ) bei den Phaseneinstellnetzwerken (35), dadurch gekennzeichnet, daß die Meßträgersignalquelle (32; 32') ein nicht störendes Trägersignal erzeugt,

das Kommunikationssystem (10) phasengesteuerte Sende- und Empfangs-Gruppenantennen (21, 22) aufweist, deren jede eine Vielzahl von Antennenelementketten (30) umfaßt,

jede Kette (30) zusätzlich ein Amplitudeneinstellnetzwerk (34) aufweist und eine gewünschte Amplituden und- Phasenbeziehung mit Bezug auf die anderen Ketten (30) jeder der Antennen (21, 22) besitzt,

das Meßträgersignal orthogonal von jeder Antennenelementkette (30) verarbeitet wird,

ein Bestimmungsmittel (40) die Amplitude und Phase bestimmt, die von jeder Kette (30) der phasengesteuerten Sende- und Empfangsantennen (21, 22) in Antwort auf das Meßträgersignal erzeugt wird, um die von jeder Kette (30) erzeugte Amplitude und Phase mit der gewünschten Amplituden- und Phasenbeziehung für jede Kette (30) zu vergleichen, und um die korrigierenden Gewichtungskoeffizienten (ΔA, ΔΦ) für Ketten (30) zu erzeugen, die nicht die gewünschte Amplituden und Phasenbeziehung besitzen; und

ein Beaufschlagungsmittel (18) die Amplituden- und Phaseneinstellnetzwerke (34, 35) jeder Kette (30) der phasengesteuerten Sende- und Empfangsantennen (21, 22) mit den korrigierenden Gewichtungskoeffizienten (ΔA, ΔΦ) beaufschlagt, um die gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung zwischen diesen herzustellen.

2. System zur Steuerung der phasengesteuerten Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßträgersignalquelle (32) einen Umschalter (33) zur sequenziellen Verarbeitung des Meßträgersignals durch jede Antennenelementkette (30) aufweist.

3. System zur Steuerung einer phasengesteuerten Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßträgersignalquelle (32) eine Signalquelle aufweist, die von einem Codegenerator moduliert wird, um orthogonale Meßträgersignale zur Verarbeitung durch jede Antennenelementkette (30) zu erzeugen.

4. System zur Steuerung einer phasengesteuerten Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (40) zum Bestimmen der Amplitude und Phase, die von jeder Kette (30) erzeugt wird, aufweist:

eine Kalibrierungsstation (14), die entfernt von den phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantennen (21, 22) und einer Antenne (46), einem Empfänger (41) und einem Amplituden- und Phasenbestimmungsmittel (42) zum Erfassen der Amplitude und Phase, die von jeder Kette (30) erzeugt werden, liegt; und

eine Kommunikationsverbindung (15), die die phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantenne (21, 22) und die Kalibrierungsstation (14) verbindet.

5. System zur Steuerung einer phasengesteuerten Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (40) zum Bestimmen der Amplitude und Phase, die von jeder Kette (30) erzeugt werden, eine lokale Antenne (17), einen Empfänger (41') und ein Amplituden- und Phasenbestimmungsmittel (42') zur Bestimmung der von jeder Kette (30) erzeugten Amplitude und Phase aufweist.

6. Verfahren zum Kalibrieren einer phasengesteuerten Gruppenantenne (21, 22) eines phasengesteuerten Kommunikationssystems (10), wobei die phasengesteuerten Gruppenantennen (21, 22) eine Vielzahl von Antennenelementketten (30) aufweisen, mit den Schritten:

Verarbeiten (51-55; 61--64) eines Meßträgersignals durch die Antennen (21, 22) und Erzeugen und Anwenden (58; 67) von korrigierenden Gewichtungskoeffizienten (ΔA, ΔΦ) bei den Antennenelementketten (30),

gekennzeichnet durch

das Kommunikationssystem (10) mit phasengesteuerten Sende- und Empfangs-Gruppenantennen (21, 22), wobei jede der Antennenelementkette (30) eine gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung aufweist,

orthogonales Verarbeiten (51-55; 61-64) eines nicht störenden Meßträgersignals durch jede Antennenkette (30) der Sende- und Empfangsantennen (21, 22);

Vergleichen (56; 65) der jeweiligen Phasen und Amplituden der verarbeiteten Meßträgersignale, um eine Tabelle von Differenzamplituden und -phasen jeder Antennenkette (30) der jeweiligen Sende- und Empfangsantennen (21, 22) zu schaffen;

Erzeugen (57; 66) der korrigierenden Gewichtungskoeffizienten (ΔA, ΔΦ) für Ketten (30), die nicht die gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung haben; und

Beaufschlagen (58; 67) jeder Kette (30) der Sende- und Empfangsantennen (21, 22) mit den korrigierenden Gewichtungskoeffizienten (ΔA, ΔΦ), um die gewünschte Amplituden- und Phasenbeziehung zwischen diesen zu erzeugen.