從移動(dòng)平臺(tái)精確跟蹤和與衛(wèi)星通信的方法技術(shù)

一種從移動(dòng)平臺(tái)精確地跟蹤和與衛(wèi)星通信的方法，其中衛(wèi)星具有從單一天線孔徑執(zhí)行發(fā)送和接收功能的天線。該方法涉及使用移動(dòng)平臺(tái)的慣性參照單元（ＩＲＵ）初始地捕獲來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)。然后使用時(shí)序波瓣法過(guò)程以更精確地將天線孔徑對(duì)準(zhǔn)來(lái)自衛(wèi)星的接收波束。然后使用天線發(fā)送數(shù)據(jù)和其它信息，并通過(guò)天線本地的比移動(dòng)平臺(tái)的ＩＲＵ具更高精度和更小時(shí)延的附加ＩＲＵ保持天線指向。周期地抑制從天線的發(fā)送并且重復(fù)時(shí)序波瓣法過(guò)程以消除任何慣性參照漂移誤差。該方法允許在使用單一天線孔徑用于發(fā)送和接收功能時(shí)更精確的天線指向，而不明顯干擾從天線發(fā)送數(shù)據(jù)或信息。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
?從移動(dòng)平臺(tái)精確跟蹤和與衛(wèi)星通信的方法
本專利技術(shù)涉及衛(wèi)星通信系統(tǒng)，更具體地涉及一種與具有執(zhí)行接收和發(fā)送功能的天線孔徑(aperture)的移動(dòng)平臺(tái)一起使用的系統(tǒng)，以及涉及一種用于在移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)時(shí)使天線孔徑精確跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星的方法。技術(shù)背景從如飛機(jī)、輪船和陸上車輛的移動(dòng)平臺(tái)對(duì)通信衛(wèi)星的高精度跟蹤是優(yōu)化數(shù)據(jù)率(即來(lái)自/到目標(biāo)的峰值能量)和防止干擾鄰近于目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)行的衛(wèi)星所需要的。各種已經(jīng)使用的跟蹤方法包括“航位推算法(dead-reckoning)”或開(kāi)環(huán)法，其中根據(jù)已知的衛(wèi)星和平臺(tái)位置及平臺(tái)姿態(tài)對(duì)正確指向角度進(jìn)行計(jì)算。如“閉環(huán)”跟蹤方法的其它方法使用通過(guò)信號(hào)優(yōu)化的某些形式的反饋控制。這些方法對(duì)于所需帶寬對(duì)接收的信號(hào)是足夠的，但對(duì)從移動(dòng)平臺(tái)向衛(wèi)星經(jīng)過(guò)在反饋控制環(huán)中產(chǎn)生時(shí)間延遲的距離而發(fā)送的信號(hào)是不夠的。這樣的情形的代表如地球同步衛(wèi)星與具有高姿態(tài)加速度的如飛機(jī)和陸上車輛的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行通信。對(duì)于將天線孔徑對(duì)準(zhǔn)來(lái)自衛(wèi)星的接收天線波束，一個(gè)公知技術(shù)是時(shí)序波瓣法(sequential?lobing)。時(shí)序波瓣法涉及仔細(xì)操縱天線孔徑在峰值信號(hào)周圍的4個(gè)方向上偏離峰值接收信號(hào)一個(gè)已知距離。這顯示于圖1。如圖1b所示，使用接收功率或解碼信號(hào)的測(cè)量來(lái)計(jì)算波束或信號(hào)的實(shí)際峰值位于何處，并且對(duì)下一循環(huán)重新對(duì)準(zhǔn)波束。只接收天線可很有效地使用該方法以保持指向精度。不過(guò)，該方法的不足在于伺服于這樣的接收波束的發(fā)送天線將執(zhí)行同樣的步進(jìn)跟蹤，在波束從已知中心仔細(xì)地步進(jìn)離開(kāi)時(shí)固有地降低了精度。天線指向的第二項(xiàng)技術(shù)依賴于愈加精確的開(kāi)環(huán)計(jì)算方法以保持精確指向。即使在移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)期間的任意精度跟蹤是可能的，而該方法的主要不足在于初始地建立精確起點(diǎn)(即初始地確定對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星相對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的位置的精確估計(jì))。現(xiàn)有系統(tǒng)已經(jīng)將接收和發(fā)送功能分離為離散孔徑，從而可對(duì)接收波束執(zhí)-->行時(shí)序波瓣法，然后發(fā)送波束計(jì)算地伺服到正確的位置。這顯示于圖2。對(duì)于其中發(fā)送和接收功能在相同物理天線孔徑中執(zhí)行的天線，幾個(gè)誤差源被消除，但是在發(fā)送波束指向精度要求小于時(shí)序波瓣法過(guò)程期間使用的未對(duì)準(zhǔn)(misalignment)的步進(jìn)大小時(shí)，不能使用時(shí)序波瓣法技術(shù)。這樣的情形還導(dǎo)致相對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的發(fā)送天線的指向角的誤差(即未對(duì)準(zhǔn))。這顯示于圖3。因此，需要一種將既執(zhí)行接收也執(zhí)行發(fā)送功能并且位于移動(dòng)平臺(tái)上的天線精確指向目標(biāo)衛(wèi)星的方法，。更具體地，需要一種方法，允許既執(zhí)行接收也執(zhí)行發(fā)送功能的天線孔徑從目標(biāo)衛(wèi)星初始地獲取信號(hào)，此后精確確定由衛(wèi)星發(fā)送的接收波束的波束中心，使用移動(dòng)平臺(tái)的慣性參照單元(IRU)跟蹤衛(wèi)星，并且周期地“細(xì)調(diào)”天線孔徑的指向而不顯著妨礙從移動(dòng)平臺(tái)到衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)指示了一種從移動(dòng)平臺(tái)精確地跟蹤和與衛(wèi)星通信的方法。本專利技術(shù)的方法尤其適于和天線孔徑一起使用，該天線孔徑是在其安裝之上的移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)時(shí)從目標(biāo)衛(wèi)星接收和向目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)送信息所需的。本專利技術(shù)的方法包括首先要求衛(wèi)星使用移動(dòng)平臺(tái)的慣性參照單元(IRU)和存儲(chǔ)在與天線孔徑關(guān)聯(lián)的天線控制器中有關(guān)目標(biāo)衛(wèi)星的大致位置的信息。一旦捕獲來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，就執(zhí)行常規(guī)的時(shí)序波瓣法過(guò)程以更精確地將所述天線孔徑對(duì)準(zhǔn)由所述孔徑接收的接收波束。一旦完成時(shí)序波瓣法過(guò)程，然后就可使用天線從移動(dòng)平臺(tái)向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)和其它信息。發(fā)送時(shí)，使用天線本地的“速率陀螺儀”形式的第二慣性參照單元代替飛機(jī)的IRU保持所述天線孔徑指向所述目標(biāo)衛(wèi)星。天線控制器周期地中斷從天線向目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)和其它信息，并且再次使用天線的接收能力執(zhí)行時(shí)序波瓣法過(guò)程。一旦完成該過(guò)程，就再次允許從天線的發(fā)送，從而允許使用天線向衛(wèi)星發(fā)送信息。不斷重復(fù)從天線孔徑發(fā)送和在執(zhí)行時(shí)序波瓣法過(guò)程時(shí)抑制發(fā)送的交替過(guò)程，以消除慣性參照漂移誤差，否則該誤差會(huì)最終積累到不可接受的水平。上述方法不顯著地干擾從天線發(fā)送數(shù)據(jù)和其它信息，因?yàn)榭稍诖蠹s數(shù)毫秒執(zhí)行時(shí)序波瓣法過(guò)程。從下文中提供的詳細(xì)描述，本專利技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆兊们宄?->應(yīng)該明白，在指出本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施例時(shí)，詳細(xì)的說(shuō)明和具體的例子僅僅用于說(shuō)明目的，而不用于限制本專利技術(shù)的范圍。附圖說(shuō)明從詳細(xì)描述和附圖，本專利技術(shù)將得到更徹底的理解，其中：圖1a和1b說(shuō)明時(shí)序波瓣法過(guò)程，通過(guò)該過(guò)程可將天線孔徑指向來(lái)自衛(wèi)星的接收波束的波束中心；圖2說(shuō)明移動(dòng)平臺(tái)上布置的分離的接收和發(fā)送天線孔徑，發(fā)送天線孔徑伺服于接收天線孔徑的指向方向并且因其物理分離而導(dǎo)致的移動(dòng)平臺(tái)上兩個(gè)天線孔徑之間的固有未對(duì)準(zhǔn)；圖3是執(zhí)行發(fā)送和接收功能的天線孔徑的簡(jiǎn)化圖，并且說(shuō)明了在發(fā)送期間的指向精度要求小于對(duì)接收波束執(zhí)行的時(shí)序波瓣法過(guò)程中使用的步進(jìn)大小時(shí)、呈現(xiàn)的誤差度；圖4是與目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行通信的具有執(zhí)行發(fā)送和接收功能的天線孔徑的移動(dòng)平臺(tái)的簡(jiǎn)化圖；圖5是根據(jù)本專利技術(shù)的優(yōu)選方法執(zhí)行的步驟的流程圖，該優(yōu)選方法用位于移動(dòng)平臺(tái)上的既執(zhí)行接收也執(zhí)行發(fā)送功能的天線孔徑更精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星；圖6是根據(jù)本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖；和圖7是說(shuō)明本專利技術(shù)的方法如何通過(guò)周期執(zhí)行天線的時(shí)序波瓣法來(lái)連續(xù)校正慣性漂移誤差的圖。具體實(shí)施方式下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明實(shí)際上僅僅是示例性的，并且決不能視為限制本專利技術(shù)、其應(yīng)用或使用。參照?qǐng)D4，顯示了與目標(biāo)衛(wèi)星14進(jìn)行通信的具有天線孔徑12的移動(dòng)平臺(tái)10。天線孔徑12適于執(zhí)行發(fā)送和接收功能，以便能從衛(wèi)星14接收信號(hào)，以及發(fā)送數(shù)據(jù)和其它信息到衛(wèi)星。衛(wèi)星14一般搭載一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器16，用于轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)到地面站(未顯示)。還要知道，移動(dòng)平臺(tái)10包括慣性參照單元(IRU)、天線控制器和如圖2和3所示用于控制天線孔徑12的指向的接收/發(fā)送天線子系統(tǒng)。-->還要知道，雖然圖4中將移動(dòng)平臺(tái)說(shuō)明為固定翼飛機(jī)，但是本專利技術(shù)的方法適用于如輪船或陸上車輛的任何移動(dòng)平臺(tái)。現(xiàn)在參照?qǐng)D5說(shuō)明本專利技術(shù)的方法。該方法包括首先使用飛機(jī)10的IRU捕獲來(lái)自衛(wèi)星14的信號(hào)，如步驟18所示。然后使用連同圖1說(shuō)明的時(shí)序波瓣法過(guò)程優(yōu)化該信號(hào)，如步驟20所示。還要知道，在執(zhí)行時(shí)序波瓣法過(guò)程時(shí)，天線孔徑12操作于僅接收模式。步驟20基本上導(dǎo)致飛機(jī)10的天線控制器使天線孔徑12對(duì)準(zhǔn)從衛(wèi)星14接收的接收波束。一旦完成時(shí)序波瓣法過(guò)程，就可使用天線12開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，如步驟22所示。在飛機(jī)10的姿態(tài)和位置變化時(shí)，使用天線12本地的天線速率陀螺儀子系統(tǒng)(antenna?rate?gyro?subsystem)形式的另一個(gè)慣性參照單元通過(guò)如保持天線指向衛(wèi)星14所要求的重新指向天線12來(lái)跟蹤衛(wèi)星14，如步驟24所示。如步驟26所示，周期地抑制從天線12的發(fā)送，并且如步驟28所示，再次執(zhí)行時(shí)序波瓣法過(guò)程。步驟28基本上更精確地將天線12對(duì)準(zhǔn)在接收波束上以消除任何由于在步驟20執(zhí)行了初始時(shí)序波瓣法過(guò)程而已經(jīng)出現(xiàn)的慣性參照漂移誤差。一旦完成在步驟28執(zhí)行的時(shí)序波瓣法過(guò)程，就恢復(fù)使用飛機(jī)10的天線速率陀螺儀跟蹤衛(wèi)星14，如步驟30所示。在飛機(jī)10的飛行期間持續(xù)重復(fù)該過(guò)程，如反饋線32所示。一般地，可以毫秒級(jí)執(zhí)行步驟26-30，而可在秒到分的時(shí)間段執(zhí)行步驟24。因而，周期執(zhí)行時(shí)序波瓣法的時(shí)間間隔相對(duì)使用飛機(jī)10的天線速率陀螺儀跟蹤衛(wèi)星14的時(shí)間幀是非常短的。結(jié)果，從天線12的數(shù)據(jù)發(fā)送中斷非常短并且不顯著妨礙使用天線12發(fā)送信息和/或數(shù)據(jù)到衛(wèi)星本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于將執(zhí)行接收和發(fā)送功能的天線孔徑精確地指向目標(biāo)并且跟蹤所述目標(biāo)的方法，其中所述天線孔徑位于具有慣性參照系統(tǒng)（ＩＲＵ）的交通工具上，所述方法包括步驟：ａ）使用所述ＩＲＵ使所述天線孔徑能初始地捕獲所述目標(biāo)；ｂ）在所述天線執(zhí) 行只接收功能的同時(shí)使用時(shí)序波瓣法過(guò)程以更精確地將所述天線孔徑對(duì)準(zhǔn)從所述目標(biāo)發(fā)送的接收波束；ｃ）在所述天線孔徑發(fā)送的同時(shí)使用來(lái)自位于所述天線孔徑的附加ＩＲＵ的信息跟蹤所述目標(biāo)；以及ｄ）間歇地中斷所述發(fā)送以執(zhí)行步驟ｂ）的所述時(shí)序 波瓣法過(guò)程，以校正慣性參照漂移誤差。

【技術(shù)特征摘要】
US 2001-5-30 09/870,3651.一種用于將執(zhí)行接收和發(fā)送功能的天線孔徑精確地指向目標(biāo)并且跟蹤所述目標(biāo)的方法，其中所述天線孔徑位于具有慣性參照系統(tǒng)(IRU)的交通工具上，所述方法包括步驟：a)使用所述IRU使所述天線孔徑能初始地捕獲所述目標(biāo)；b)在所述天線執(zhí)行只接收功能的同時(shí)使用時(shí)序波瓣法過(guò)程以更精確地將所述天線孔徑對(duì)準(zhǔn)從所述目標(biāo)發(fā)送的接收波束；c)在所述天線孔徑發(fā)送的同時(shí)使用來(lái)自位于所述天線孔徑的附加IRU的信息跟蹤所述目標(biāo)；以及d)間歇地中斷所述發(fā)送以執(zhí)行步驟b)的所述時(shí)序波瓣法過(guò)程，以校正慣性參照漂移誤差。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟c)比步驟b)的所述時(shí)序波瓣法過(guò)程執(zhí)行更長(zhǎng)時(shí)間。3.一種用于將執(zhí)行接收和發(fā)送功能的天線孔徑精確地指向目標(biāo)并且跟蹤所述目標(biāo)的方法，其中所述天線孔徑位于具有慣性參照系統(tǒng)(IRU)的移動(dòng)平臺(tái)上，所述方法包括步驟：a)使用所述IRU使所述天線孔徑能初始地捕獲所述目標(biāo)；b)以只接收模式使用所述天線孔徑對(duì)從所述目標(biāo)接收的接收波束執(zhí)行時(shí)序波瓣法過(guò)程，以將所述天線孔徑對(duì)準(zhǔn)在所述目標(biāo)上；以及c)一旦完成步驟b)，使用天線速率陀螺儀保持指向所述目標(biāo)的所述天線孔徑；以及d)周期地中斷步驟c)中所述天線速率陀螺儀的使用以執(zhí)行步驟b)的所述時(shí)序波瓣法過(guò)程。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟c)包括步驟：在使用所述天線速率陀螺儀保持指向所述目標(biāo)的所述天線孔徑時(shí)，從所述天線孔徑發(fā)送信息。5.一種用于將執(zhí)行接收和發(fā)送功能的天線孔徑精確地指向目標(biāo)并且跟蹤所述目標(biāo)的方法，其中所述天線孔徑位于具有慣性參照系統(tǒng)(IRU)的移動(dòng)平臺(tái)上，并且已經(jīng)使用所述IRU初始地捕獲了所述目標(biāo)，所述方法包括步驟：-->a)以只接收模式使用所述天線孔徑對(duì)從所述目標(biāo)接收的接收波束執(zhí)行時(shí)序波瓣法過(guò)程，以將所述天線孔徑對(duì)準(zhǔn)在所述目標(biāo)上；以及b)當(dāng)完成所述時(shí)序波瓣法過(guò)程時(shí)，然后使用天線速率陀螺儀提供用于保持指向所述目標(biāo)的所述天線孔徑的信息，同時(shí)使用所...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：羅納德S卡森，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：波音公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：US[美國(guó)]