Бортовая антенная система с управляемой поляризацией для сопровождения спутников

БОРТОВАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА С УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ДЛЯ СОПРОВОЖДЕНИЯ СПУТНИКОВ Объектом настоящего изобретения является антенная система (100), предназначенная для установки на борту летательного аппарата, содержащая фазированную антенную решетку(110), которая состоит из множества элементарных антенн (120) с управляемой поляризацией,соединенных по меньшей мере с одним формирователем (151, 152) луча, отличающаяся тем,что содержит вычислительное устройство (160), выполненное с возможностью вычисления значений сдвига фазы (V, H) и коэффициентов ослабления (V, H) на основании данных о положении и ориентации летательного аппарата, координат телекоммуникационного спутника, а также характеристик поляризации приемоответчика этого спутника; средства (130) управления поляризацией, использующие указанные значения сдвига фазы и коэффициенты ослабления для управления поляризацией указанных элементарных антенн. 017031 Область техники Настоящее изобретение в целом относится к бортовым антенным системам и, в частности, к системам фазированных антенных решеток для спутниковой связи. Предшествующий уровень техники Как правило, связь между гражданским или военным летательным аппаратом и землей осуществляют через спутниковые каналы связи. В частности, известна телекоммуникационная система SATCOM,использующая группировку геостационарных спутников и обеспечивающая мировой охват. В отличие от наземной антенны, которая может быть стационарно нацелена на геостационарный спутник, бортовая антенна летательного аппарата должна сопровождать спутник в течение полета и постоянно обеспечивать наведение луча на приемоответчик для осуществления связи. Для обеспечения такого сопровождения ранее было предложено несколько бортовых антенных систем. В частности, из документаUS-B-6483458 известно использование механической антенны, ориентируемой по азимуту и углу места,применяющей коническое сканирование, называемое также "sequential lobing" (формирование диаграммы направленности путем последовательного переключения лепестков), для постоянного наведения раскрыва антенны на приемоответчик. Из документов US-B-6650291 и WO-A-92/21162 известно также применение фазированной антенной решетки (phased array) для электронного наведения. Классическое наведение луча в требуемом направлении получают путем применения заданного значения сдвига фазы к сигналам, излучаемым/принимаемым каждым элементом антенной решетки. Первым преимуществом такой антенны является обеспечение очень быстрого наведения луча без механической инерционности. Вторым преимуществом такой антенной решетки является возможность ее выполнения в виде конформной антенны, т.е. плоской антенны небольшой толщины, адаптированной к кривизне фюзеляжа. Большинство спутников излучают и принимают сигналы по двум ортогональным поляризациям,причем в некоторых случаях на строго идентичных частотах. В этом случае только поляризация позволяет разделять каналы связи разных приемоответчиков. Например, первый приемоответчик может излучать/принимать с вертикальной поляризацией, т.е. с электрическим полем, ортогональным к земной поверхности, а второй соседний приемоответчик может излучать/принимать с горизонтальной поляризацией, т.е. с электрическим полем, параллельным земной поверхности, что позволяет передать второй сигнал. В некоторых случаях геостационарные спутники излучают и принимают сигналы с левой или правой круговой поляризацией. Поскольку требуется обеспечивать динамическое наведение луча на спутник, то необходимо сохранять в течение полета поляризацию передаваемого сигнала или поляризацию, с которой сигнал принимается. Действительно, в ходе полета поляризация может зависеть от положения и от углов пеленга и курсовых углов летательного аппарата. В частности, для спутников с широкой зоной охвата направление поляризации может меняться в этой зоне во время перемещения летательного аппарата. Бортовая антенная система, описанная в заявке WO-A-92/21162, позволяет управлять поляризацией луча. Для этого используют фазированную решетку, содержащую элементарные антенны с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Система автоматического регулирования по замкнутому контуру управляет смещением фазы между двумя элементарными антеннами таким образом, чтобы сохранять постоянную поляризацию сигнала. Вышеуказанная антенная система работает нормально, если контур автоматического регулирования является замкнутым. Вместе с тем, в фазе поиска спутника, т.е. при первоначальном нацеливании, или во время переключения между спутниками (handoff) очень важно получить луч передачи или приема, сразу имеющий правильную поляризацию. Учитывая, что приемоответчики соседних спутников и даже приемоответчики одного спутника могут использовать идентичные частоты с разными поляризациями, неправильная поляризация луча передачи во время фазы наведения спутника может привести к перекрестным помехам на уровне указанного или указанных приемоответчиков. Аналогично, неправильная поляризация луча приема во время его наведения на спутник может привести к перекрестным помехам на уровне бортового приемника летательного аппарата. Таким образом, первой задачей настоящего изобретения является обеспечение быстрого и точного наведения луча передачи/приема во время фазы поиска или переключения спутника. Кроме того, с увеличением интенсивности воздушных полетов степень занятости приемоответчиков существенно возрастает. В определенный момент некоторые приемоответчики некоторых спутников могут оказаться перенасыщенными, тогда как другие практически не заняты. Следовательно, настоящее изобретение призвано предложить бортовую антенную систему, которая может адаптироваться к динамическому распределению приемоответчиков в ходе полета.-1 017031 Сущность изобретения Объектом настоящего изобретения является антенная система, предназначенная для установки на борту летательного аппарата, содержащая фазированную антенную решетку, состоящую из множества элементарных антенн с управляемой поляризацией, соединенных по меньшей мере с одним формирователем луча, при этом система содержит следующее: вычислительное устройство, выполненное с возможностью вычисления значений сдвига фазы (V,H) и коэффициентов ослабления (V, H) на основании данных о положении и ориентации летательного аппарата, координат телекоммуникационного спутника, а также характеристик поляризации приемоответчика этого спутника; средства управления поляризацией, использующие указанные значения сдвига фазы и коэффициенты ослабления для управления поляризацией указанных элементарных антенн. Предпочтительно указанная система содержит радиочастотный каскад модуляции/демодуляции для модуляции или демодуляции сигналов антенны по основной полосе и по промежуточной частоте, при этом сигнал демодуляции поступает от управляемого напряжением генератора VCO, управляемого указанным вычислительным устройством. Формирователь луча выполнен с возможностью формирования луча в режиме передачи или приема при помощи множества значений сдвига фаз, выдаваемых вычислительным устройством,при этом указанное вычислительное устройство предпочтительно выдает указанные значения сдвига фаз на основании данных о положении и ориентации летательного аппарата и координат отслеживаемого спутника. Предпочтительно формирователь луча в режиме передачи или приема работает на излучаемом сигнале или на принимаемых сигналах по основной полосе, и значения сдвига фаз получают при помощи комплексного умножения. Согласно варианту выполнения система содержит базу данных, которая включает в себя список имеющихся в наличии геостационарных спутников с их соответствующими координатами, характеристиками поляризации, а также частотами передачи/приема различных приемоответчиков этих спутников. Базу данных динамически обновляют при помощи наземной центральной базы данных, и она содержит распределение в реальном времени приемоответчика(ов), который(е) следует использовать для передачи и/или приема. Согласно варианту выполнения система содержит первый формирователь луча, предназначенный для формирования луча в направлении приемоответчика, с которым установлена связь, и второй формирователь луча, предназначенный для формирования луча в направлении приемоответчика, с которым будет в дальнейшем установлена связь. Предпочтительно антенная решетка системы является антенной решеткой конформного типа. Краткое описание чертежей Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 - схема бортовой антенной системы согласно варианту выполнения изобретения; фиг. 2 - способ наведения луча с управлением поляризации согласно варианту выполнения изобретения. Подробное описание частных вариантов выполнения Настоящее изобретение основано на идее использования данных о положении и ориентации летательного аппарата, выдаваемых инерциальным измерительным блоком или навигационной системой летательного аппарата, и на вычислении, в зависимости от этих данных и от координат отслеживаемого спутника, значений сдвига фаз, применяемых для передаваемых или принимаемых сигналов по двум ортогональным поляризациям, чтобы получить требуемую поляризацию луча во время первоначальной фазы наведения луча на спутник. На фиг. 1 показана бортовая антенная система согласно варианту выполнения изобретения. Эта система 100 содержит фазированную антенную решетку 110. Предпочтительно эта антенная решетка может быть конформной, т.е. иметь плоский профиль небольшой высоты, следующий форме фюзеляжа летательного аппарата. Антенная решетка 110 состоит из набора элементарных антенн 120, при этом каждая элементарная антенна является управляемой по поляризации. Элементарная антенна 120 может быть выполнена, например, при помощи патч-антенны, содержащей два ортогональных зонда 121, 122 питания, что известно специалистам. Каждая элементарная антенна 120 имеет свое собственное устройство 130 управления поляризацией, влияющее на сдвиг фазы и, в случае необходимости, на амплитуду каждого из каналов Н и V. Например, если антенна является вышеупомянутой патч-антенной, средства управления поляризацией содержат для каждого ортогонального зонда, т.е. для каждого из каналов Н иV, фазовращатель 131, 132 и регулятор 133, 134 амплитуды, например аттенюатор. Сдвиги фаз, применяемые соответственно для каналов Н и V, обозначены V и H. Точно так же, V и H обозначают соответственные весовые коэффициенты на этих двух каналах. Сигналы каналов Н и V объединяют при-2 017031 приеме и затем передают в радиочастотный каскад 140. Соответственно сигнал возбуждения, исходящий из РЧ-каскада 140, делится на два сигнала каналов Н и V для питания антенны. Операцию объединения/деления осуществляет делитель/объединитель 135 мощности. Для каждой элементарной антенны радиочастотный каскад передачи/приема содержит дуплексер(не показан), а также модуль демодуляции по основной полосе (не показан) или, в случае необходимости, модуль трансляции на промежуточной частоте. Сигнал демодуляции по основной полосе или по промежуточной полосе поступает из VCO с цифровым управлением. Частоту модуляции/демодуляции fm задает вычислительное устройство. При передаче сигналы по основной полосе получают путем цифроаналогового преобразования сигналов, поступающих от формирователя 151 луча при передаче. Соответственно при приеме сигналы по основной полосе в направлении различных элементарных антенн подвергаются цифроаналоговому преобразованию, прежде чем попасть в формирователь 152 луча при приеме. Формирователи луча 151 и 152 применяют сдвиг фазы для основных сигналов, поступающих от различных антенн или излучаемых в их направлении. Предпочтительно весовую обработку по амплитуде этих сигналов осуществляют таким образом,чтобы произвести аподизацию вторичных лепестков луча при передаче или приеме. Соответствующие значения сдвига фаз различных сигналов можно получить путем их умножения на комплексные коэффициенты поворота, что само по себе известно. Весовую обработку по амплитуде и поворот фазы комплексных цифровых выборок предпочтительно осуществляют при помощи одной операции умножения на комплексный коэффициент. В частности, если s1, , sN являются выборками цифровых сигналов в основной полосе, поступающих соответственно от N антенн, формирователь луча при приеме произво, где r является сигналом антенной решетки, а rk - указанными комплексными кодит операцию эффициентами при приеме. Соответственно, для передаваемого антенного сигнала s формирователь луча при приеме генерирует множество N смещенных по фазе и взвешенных сигналов, где ,k=1, , N являются комплексными коэффициентами при передаче. Разумеется, если луч при передаче нацелен в том же направлении, что и луч при приеме, получают, гдеобозначает комплексное сопряжение. Вычислительное устройство 160 выдает, с одной стороны, значения сдвига фаз V и H и коэффициенты V и H для устройства 125 управления поляризацией и, с другой стороны, значения сдвига фаз и или в целом комплексные коэффициенты для формирования луча в формирователях 151 и 152. Вычислительное устройство определяет значение/значения сдвига фазы поляризации и значения сдвига фазы/комплексные коэффициенты для наведения луча с одной стороны, в зависимости от данных о спутнике, хранящихся в базе данных 180 координат отслеживаемого спутника, т.е. его положения на геостационарной орбите, характеристик поляризации,используемой приемоответчиком, например вертикальной, горизонтальной, правой или левой круговой, и с другой стороны, в зависимости от данных о положении и поведении летательного аппарата, например, его пространственных координат и его курсовых углов, углов крена и пеленга, выдаваемых инерциальным измерительным блоком или навигационной системой летательного аппарата через классическую бортовую шину 170 типа Arinc 429 или AFDX (Avionics Full Duplex). Зная в реальном времени данные о положении и ориентации летательного аппарата, вычислительное устройство может в любой момент определить значения сдвига фаз, которые следует применить для наведения луча при передаче/приеме на соответствующий спутник. На основании этих же данных, а также поляризационных характеристик приемоответчика вычислительное устройство 160 может определить весовые коэффициенты H и V, а также значения сдвига фаз H и V на каналах Н и V регуляторов поляризации. Таким образом, вектор поляризации луча может быть постоянно ориентирован в требуемом направлении. База данных 180 содержит координаты различных имеющихся геостационарных спутников. Согласно частному варианту выполнения базу данных обновляют в режиме реального времени и синхронно с центральной базой данных, находящейся на земле. Предпочтительно центральная база данных содержит распределение приемоответчиков по различным антеннам данного летательного аппарата. Это распределение может быть динамическим и, в частности, изменяться в зависимости от степени занятости приемоответчиков. Кроме того, распределение может зависеть от качества сервиса (QoS), определенного в договоре с клиентом, иначе говоря от клиентского профиля, хранящегося в базе данных. Следовательно, база данных 180 содержит распределение в режиме реального времени приемоответчика или приемоответчиков, предназначенных для использования для передачи и/или приема, и, следовательно, отслеживаемых спутников.-3 017031 Для обеспечения переключения спутника (handoff) без перерыва в предоставлении услуги можно предусмотреть два отдельных формирователя луча, при этом первый формирователь луча производит наведение в направлении приемоответчика во время использования, а второй формирователь луча готовит наведение в направлении приемоответчика, который будет использоваться в дальнейшем. Оба формирования луча происходят одновременно, поэтому переключение состоит в простой коммутации соответствующих входов (при передаче) или выходов (при приеме) формирователей луча. Наконец, база данных 180 содержит характеристики приемоответчиков различных имеющихся в наличии спутников, в частности частоту, интенсивность насыщения и поляризацию для каждого приемоответчика. Таким образом, вычислительное устройство 160 извлекает из базы данных или определяет на основании хранящихся в ней данных идентификатор назначенного на данный момент приемоответчика/спутника. Соответствующие характеристики назначенного приемоответчика позволяют, в частности,определить частоту модуляции/демодуляции fm для управления VCO радиочастотного каскада, максимальную мощность излучения Pmax, позволяющую избежать перенасыщения приемоответчика, направление вектора поляризации. На фиг. 2 представлен вариант осуществления способа наведения луча с управляемой поляризацией согласно варианту выполнения изобретения. Наведение луча, как и управление поляризацией, содержит две фазы: первую фазу поиска или первоначального наведения спутника/приемоответчика и вторую фазу сопровождения. Во время фазы поиска (I) вычислительное устройство определяет на этапе 210 значения сдвига фаз,обеспечивающие наведение луча в направлении спутника, и на этапе 220 значения сдвига фаз и весовых коэффициентов, позволяющих установить направление поляризации по направлению приемоответчика с учетом положения и ориентации летательного аппарата. На этапе 230 формирователь/формирователи луча 151, 152, а также схемы 130 управления поляризацией инициализируются с использованием этих значений. Высокая точность первоначального наведения в сочетании с хорошей первоначальной ориентацией поляризации луча позволяет значительно уменьшить явления перекрестных помех, характерные для известных технических решений. Во время фазы сопровождения спутника (II) управление наведением и поляризацией луча можно осуществлять либо в режиме разомкнутого контура, как было описано выше, либо в режиме замкнутого контура, если антенная система работает в режиме приема. Например, система может соответственно определять значения сдвига фаз и, в целом, коэффициенты применяя приемы типа "одиночного импульса" или конического сканирования, известные из предшествующего уровня техники. Адаптацию в или коэффициентов осуществляют таким обрарежиме реального времени значений сдвига фаз зом, чтобы максимизировать принятый сигнал. Альтернативно, адаптацию коэффициентов можно осуществлять классическим образом на основании пилотных последовательностей. Можно, в частности,осуществлять адаптацию коэффициентов при помощи алгоритма градиента, чтобы свести к минимуму погрешность между принятой последовательностью и пилотной последовательностью. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Антенная система (100), предназначенная для установки на борту летательного аппарата, содержащая фазированную антенную решетку (110), состоящую из множества элементарных антенн (120) с управляемой поляризацией, соединенных по меньшей мере с одним формирователем (151, 152) луча,отличающаяся тем, что содержит вычислительное устройство (160), выполненное с возможностью вычисления значений сдвига фазы(V, H) и коэффициентов ослабления (V, H) на основании данных о положении и ориентации летательного аппарата, координат телекоммуникационного спутника, а также характеристик поляризации приемоответчика этого спутника; средства (130) управления поляризацией, использующие указанные значения сдвига фазы и коэффициенты ослабления для управления поляризацией указанных элементарных антенн. 2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что содержит радиочастотный каскад (140) модуляции/демодуляции для модуляции или демодуляции сигналов антенн по основной полосе и по промежуточной частоте, при этом сигнал демодуляции поступает от управляемого напряжением генератора VCO,управляемого указанным вычислительным устройством. 3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что формирователь (151, 152) луча выполнен с возможностью формирования луча в режиме передачи или приема при помощи множества значений сдвига фаз, выдаваемых вычислительным устройством, при этом указанное вычислительное устройство выдает указанные значения сдвига фаз на основании данных о положении и ориентации летательного аппарата и координат отслеживаемого спутника. 4. Антенная система по п.3, отличающаяся тем, что формирователь луча в режиме передачи или приема работает на излучаемом сигнале или на принимаемых сигналах по основной полосе, и тем, что-4 017031 значения сдвига фаз получают при помощи комплексного умножения. 5. Антенная система по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что содержит базу данных (180), которая включает в себя список имеющихся в наличии геостационарных спутников с их соответствующими координатами, характеристиками поляризации, а также частотами передачи/приема различных приемоответчиков этих спутников. 6. Антенная система по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что база данных (180) выполнена с возможностью динамического обновления при помощи наземной центральной базы данных,и тем, что она содержит сведения о распределении в реальном времени приемоответчика(ов), который(е) следует использовать для передачи и/или приема. 7. Антенная система по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что содержит первый формирователь луча, предназначенный для формирования луча в направлении приемоответчика, с которым установлена связь, и второй формирователь луча, предназначенный для формирования луча в направлении приемоответчика, с которым будет в дальнейшем установлена связь. 8. Антенная система по одному из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что антенная решетка(100) является антенной решеткой конформного типа.