Un procedimiento de formación de haz para una antena de una nave espacial,

formando parte la nave espacial de un sistema que incluye estaciones terrestres que se comunican con un sistema de antena de la nave espacial por medio de señales de enlace ascendente y señales de enlace descendente, cada una en un canal de frecuencia respectivo, incluyendo el sistema de antena una antena de recepción que tiene una pluralidad de elementos de antena (24) dispuestos en un array, proporcionando cada elemento una señal de elemento de antena (26) respectiva, e incluyendo al menos una de dichas señales de enlace ascendente una señal de baliza, comprendiendo el procedimiento: la digitalización de cada dicha señal de elemento de antena (26) de dicha antena de recepción, y el procesamiento de cada señal de elemento de antena digitalizada para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia (34) respectivos presentes en la señal del elemento, la ponderación digital, con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, de los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena de recepción, y la evaluación de tales componentes ponderados de la señal de baliza de tal manera que se derive una señal de error de apuntamiento de haz (52); y el empleo de dicha señal de error (52) para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicho sistema de antena

Corrección del error de apuntamiento de haz de satélite en una arquitectura de formación de haz digital.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un procedimiento y aparato para el apuntamiento de haz exacto para satélites espaciales, en el contexto de la formación de haz digital de carga útil.

Técnica anterior

Las tendencias clave en las comunicaciones por satélite incluyen el uso de una arquitectura de formación de haz digital dentro del diseño de carga útil y la provisión de cobertura por regiones globales en la forma de haces puntuales estrechos. La cobertura de haces puntuales múltiples proporciona ventajas de ganancia y reutilización de frecuencia. Se conoce con exactitud la definición de tales haces puntuales estrechos, con un sistema de antena de elementos múltiples, mediante técnicas de formación de haz digital que suponen la asignación de ponderaciones digitales complejas a cada canal de frecuencia de comunicación para controlar los parámetros de los haces puntuales: véase A. M. Bishop y col. "The INMARSAT 4 Digital Processor and Next Generation Developments", 23rd AIAA ICSSC, Roma, Italia, septiembre de 2005. Mejoras adicionales son no obstante deseadas, particularmente en la exactitud del apuntamiento de haz, el cual es en la actualidad exacto sólo en teoría, ya que los errores de apuntamiento de haz pueden afectar significativamente a la ganancia.

Como técnica, es bien conocida la provisión de balizas terrestres para proveer a un satélite de señales de referencia de posiciones conocidas con exactitud, que permite al satélite medir el error de apuntamiento con relación a las balizas por medio de un sistema de detección de RF y corregir el error de apuntamiento mediante el ajuste de su posición y/u orientación de la antena.

Véase el documento WO-A-01/24409 (Lockheed Martin Corporation).

Resumen de la invención

La presente invención proporciona, en un primer aspecto, un procedimiento de formación de haz para una antena de una nave espacial, formando parte la nave espacial de un sistema que incluye estaciones terrestres que se comunican con un sistema de antena de la nave espacial por medio de señales de enlace ascendente y señales de enlace descendente, cada una en un canal de frecuencia respectivo, cuyo sistema de antena incluye una antena de recepción que tiene una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, proporcionando cada elemento una señal de elemento de antena respectiva, comprendiendo el procedimiento:

la digitalización de cada dicha señal de elemento de antena, y el procesamiento de cada señal de elemento de antena digitalizada para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia respectivos presentes en la señal del elemento;

la ponderación digital, con valores de ponderación de formación de haz respectivos, de dichos componentes de las señales de enlace ascendente en al menos un canal de frecuencia, y la combinación de los componentes ponderados para sintetizar la señal de enlace ascendente en dicho un canal de frecuencia;

en el que al menos una de dichas señales de enlace ascendente incluye una señal de baliza, y en el que el procedimiento comprende además:

la ponderación digital, con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, de los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena, y la evaluación de tales componentes ponderados de la señal de baliza de tal manera que se derive una señal de error de apuntamiento de haz; y

el empleo de dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicho sistema de antena.

De acuerdo con la invención, los valores de ponderación de error de apuntamiento de haz son tales que los componentes de la señal de baliza, de algunas o todas las señales de los elementos de antena, cuando se ponderan con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, proporcionan un medio para evaluar o medir un error de apuntamiento de haz, como se explicará en más detalle más abajo. Se deriva una señal de error de apuntamiento de haz, que contiene información de la medición del error de apuntamiento de haz, y esto se emplea para ajustar la dirección del apuntamiento de uno o más haces de comunicaciones.

En un segundo aspecto, la invención proporciona un aparato para formar un haz de una nave espacial para el uso en el procedimiento mencionado, que comprende:

una antena de recepción que incluye una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, proporcionando cada elemento de antena una señal de elemento de antena respectiva en respuesta a señales de enlace ascendente recibidas en canales de frecuencia respectivos,

un medio de síntesis de las señales de enlace ascendente que incluye un medio de procesamiento digital para digitalizar cada dicha señal de elemento de antena, y para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en cada canal de frecuencia presente en cada dicha señal de elemento de antena, y un medio de ponderación de la formación de haz para ponderar digitalmente dichos componentes de las señales de enlace ascendente en al menos un canal de frecuencia con valores de ponderación de formación de haz respectivos, y un medio de combinación para combinar tales componentes seleccionados para sintetizar al menos una señal de enlace ascendente en un canal de frecuencia respectivo;

un medio de evaluación de la dirección de la baliza sensible a una señal de baliza que comprende una de dichas señales de enlace ascendente en un canal de frecuencia respectivo, y que incluye un medio de ponderación de errores de apuntamiento de haz para ponderar digitalmente los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, y un medio de evaluación para evaluar los componentes ponderados de la señal de baliza para derivar una señal de error de apuntamiento de haz; y

un medio de ajuste para emplear dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por la nave espacial.

En un tercer aspecto, la invención proporciona un procedimiento de formación de haz para una antena de una nave espacial, formando parte la nave espacial de un sistema que incluye estaciones terrestres que se comunican con un sistema de antena de la nave espacial por medio de señales de enlace ascendente y señales de enlace descendente, cada una en un canal de frecuencia respectivo, cuyo sistema de antena incluye una antena de recepción y una antena de transmisión, incluyendo cada dicha antena una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, teniendo cada elemento una señal de elemento de antena respectiva asociada, comprendiendo el procedimiento:

la digitalización de cada dicha señal de elemento de dicha antena de recepción, y el procesamiento de cada señal de elemento de antena digitalizada para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia respectivos presentes en la señal del elemento,

la provisión de señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos y de forma digital, las cuales son ponderadas digitalmente de forma selectiva, con valores de ponderación de formación de haz respectivos, para sintetizar señales de elementos de antena de enlace descendente para los elementos de antena de dicha antena de transmisión;

en el que al menos una de dichas señales de enlace ascendente incluye una señal de baliza, y en el que el procedimiento comprende además:

la ponderación digital, con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, de los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena de dicha antena de recepción, y la evaluación de tales componentes ponderados de la señal de baliza de tal manera que se derive una señal de error de apuntamiento de haz; y

el empleo de dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicha antena de transmisión.

En un cuarto aspecto, la invención proporciona un aparato para la formación de un...

1. Un procedimiento de formación de haz para una antena de una nave espacial, formando parte la nave espacial de un sistema que incluye estaciones terrestres que se comunican con un sistema de antena de la nave espacial por medio de señales de enlace ascendente y señales de enlace descendente, cada una en un canal de frecuencia respectivo, incluyendo el sistema de antena una antena de recepción que tiene una pluralidad de elementos de antena (24) dispuestos en un array, proporcionando cada elemento una señal de elemento de antena (26) respectiva, e incluyendo al menos una de dichas señales de enlace ascendente una señal de baliza, comprendiendo el procedimiento:

la digitalización de cada dicha señal de elemento de antena (26) de dicha antena de recepción, y el procesamiento de cada señal de elemento de antena digitalizada para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia (34) respectivos presentes en la señal del elemento,

la ponderación digital, con valores de ponderación de error de apuntamiento de haz respectivos, de los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena de recepción, y la evaluación de tales componentes ponderados de la señal de baliza de tal manera que se derive una señal de error de apuntamiento de haz (52); y

el empleo de dicha señal de error (52) para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicho sistema de antena.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además la ponderación digital, con valores de ponderación de formación de haz respectivos, de dichos componentes de las señales de enlace ascendente en al menos un canal de frecuencia, y la combinación de los componentes ponderados para sintetizar las señales de enlace ascendente (38) en dicho al menos un canal de frecuencia.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que el sistema de antena incluye además una antena de transmisión que incluye una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, teniendo cada elemento una señal de elemento de antena respectiva asociada, y el procedimiento comprende además:

la provisión de señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos y de forma digital, las cuales son ponderadas digitalmente de forma selectiva, con valores de ponderación de formación de haz respectivos, para sintetizar señales de elementos de antena de enlace descendente para los elementos de antena de dicha antena de transmisión, y

en el que el empleo de dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por dicho sistema de antena comprende el empleo de dicha señal de error para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicación proporcionado por dicha antena de transmisión.

4. Un procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, que incluye la provisión de un primer conjunto de dichos componentes ponderados de la señal de baliza, y la combinación de los mismos para derivar un primer valor ponderado combinado (68) relacionado con el error de apuntamiento de haz para un primer eje de la antena de recepción.

5. Un procedimiento según la reivindicación 4, que incluye la provisión de un segundo conjunto de dichos componentes ponderados de la señal de baliza y la combinación de los mismos para derivar un segundo valor ponderado combinado (70) relacionado con el error de apuntamiento de haz para un segundo eje de la antena de recepción, preferentemente ortogonal al primer eje.

6. Un procedimiento según la reivindicación 4 ó 5, en el que dicho primer conjunto y/o segundo conjunto se refiere a un patrón de radiación de diferencia, y el procedimiento incluye además la provisión de un tercer conjunto de dichos componentes ponderados de la señal de baliza, que se combinan para derivar un valor de suma combinado (71) relacionado con un patrón de radiación de suma, y la normalización de dichos valores ponderados combinados primero y/o segundo (68, 70) mediante la división por dicho valor de suma combinado (71), con el fin de derivar las señales de error de apuntamiento de haz primera y/o segunda (52, 80, 82).

7. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que los valores de ponderación de error de apuntamiento de haz sintetizan un patrón de radiación de diferencia a lo largo de un primer eje de la antena de recepción, con un nulo de señal, y con el ascenso de amplitud en cada lado del nulo, pero con una diferencia de fase en cada lado del nulo.

8. Un procedimiento según cualquier reivindicación precedente, en el que dicha dirección del apuntamiento se corrige ajustando la posición del satélite en el cabeceo y balanceo o mediante un mecanismo de apuntamiento de antena mecánico.

9. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7 en el que dicha dirección del apuntamiento se corrige ajustando dichos valores de ponderación de formación de haz, en dependencia de dicha señal de error.

10. Un procedimiento según cualquier reivindicación precedente, en el que un haz de comunicación de enlace ascendente de una estación terrestre de ubicación conocida también actúa como baliza con el fin de medir el error de apuntamiento de haz.

11. Aparato para formar un haz de una antena de una nave espacial, que comprende:

una antena de recepción que incluye una pluralidad de elementos de antena (24) dispuestos en un array, proporcionando cada elemento de antena una señal de elemento de antena (26) respectiva en respuesta a señales de enlace ascendente recibidas en canales de frecuencia respectivos,

un medio de síntesis de las señales de enlace ascendente que incluye un medio de procesamiento digital (30, 32) para digitalizar cada dicha señal de elemento de antena, y para separar los componentes de las señales de enlace ascendente en canales de frecuencia (34) respectivos presentes en cada dicha señal de elemento de antena;

un medio de evaluación de la dirección de la baliza sensible a una señal de baliza que comprende una de dichas señales de enlace ascendente en un canal de frecuencia respectivo, y que incluye un medio de ponderación de errores de apuntamiento de haz (50) para ponderar digitalmente los componentes de dicha señal de baliza presente en al menos algunas de las señales de los elementos de antena con ponderaciones de error de apuntamiento de haz respectivas, y para evaluar los componentes ponderados de la señal de baliza para derivar una señal de error de apuntamiento de haz (52); y

un medio de ajuste (54) para emplear dicha señal de error (52) para ajustar la dirección del apuntamiento de al menos un haz de señal de comunicaciones proporcionado por la nave espacial.

12. Aparato según la reivindicación 11, en el que el medio de síntesis de las señales de enlace ascendente comprende además un medio de ponderación de la formación de haz para ponderar digitalmente dichos componentes de las señales de enlace ascendente en al menos un canal de frecuencia con valores de ponderación de formación de haz respectivos y un medio de combinación para combinar tales componentes seleccionados para sintetizar al menos una señal de enlace ascendente en un canal de frecuencia respectivo,

en el que dicho medio de ajuste es operativo para ajustar dichos valores de ponderación de formación de haz, en dependencia de dicho valor de error (52).

13. Aparato según la reivindicación 11, que comprende además:

una antena de transmisión que incluye una pluralidad de elementos de antena dispuestos en un array, proporcionando cada elemento de antena una señal de elemento de antena respectiva en respuesta a señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos;

un medio de síntesis de las señales de enlace descendente que incluye un medio digital para formar selectivamente señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos, y

un medio de ponderación de la formación de haz para ponderar digitalmente de forma selectiva las señales de enlace descendente en canales de frecuencia respectivos con valores de ponderación de formación de haz respectivos, para proporcionar señales de elementos de antena a dicha antena de transmisión,

en el que dicho medio de ajuste es operativo para ajustar dichos valores de ponderación de formación de haz, en dependencia de dicho valor de error.

14. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que dicho medio de ponderación de errores de apuntamiento de haz (50) incluye una primera red de formación de haz digital de diferencia (62) sensible a dichos componentes de la señal de baliza, y que tiene un primer conjunto de ponderaciones de error de apuntamiento de haz para determinar un valor de patrón de radiación de diferencia en x (68) a lo largo de una primera dirección (x) de la antena y una segunda red de formación de haz digital de diferencia (64) sensible a dichos componentes de la señal de baliza, y que tiene un segundo conjunto de ponderaciones de error de apuntamiento de haz para determinar un valor de patrón de radiación de diferencia en y (70) a lo largo de una segunda dirección (y) de la antena.

15. Aparato según la reivindicación 13 ó 14, que incluye una red adicional de formación de haz digital de suma (66) sensible a dichos componentes de la señal de baliza y que tiene un conjunto de ponderaciones de error de apuntamiento de haz para determinar un valor de patrón de radiación de suma (71), y que incluye medios de normalización (72, 74) operativos para dividir dichos valores de patrón de diferencia primero y/o segundo (68, 70) por dicho valor de suma (71) para proporcionar las señales de error de apuntamiento de haz primera y/o segunda (52, 80, 82).