Sistema y método de adquisición rápida de satélites o lanzadores.

El sistema comprende:

- una agrupación de antenas de pequeña apertura (6) operadas conjuntamente con técnicas de superresolución espacial para la estimación del ángulo de llegada de la señal procedente del satélite o lanzador (1);

- medios de conversión RF-IF (8) para convertir la señal de radiofrecuencia procedente de las antenas de pequeña apertura (6) a una señal frecuencia intermedia (14);

- un oscilador local (9) que proporciona una misma referencia a los medios de conversión RF-IF (8);

- medios de conversión analógico-digital (10) para digitalizar las señales de frecuencia intermedia (14);

- medios de procesamiento de datos (11) para procesar las señales digitalizadas y obtener el azimuth y elevación de la señal recibida por las antenas de pequeña apertura (6);

- unidad de control y comunicación (12) que comunica a la unidad de control (13) de la antena parabólica (4) los datos de azimuth y elevación de apuntamiento obtenidos.

Sistema y método de adquisición rápida de satélites o lanzadores.

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del campo de las telecomunicaciones por satélite, y más en concreto, en los sistemas de adquisición de la posición de satélites y cohetes como paso previo al establecimiento de la señal. La presente invención se puede aplicar, entre otras aplicaciones, a la adquisición de sondas de espacio profundo, de lanzadores/cohetes a partir de su señal de telemetría o de satélites en órbitas GEO/MEO/LEO.

Antecedentes de la invención

Las parábolas utilizadas para la comunicación con satélites o cohetes lanzadores necesitan conocer la posición de apuntamiento previamente al establecimiento de la recepción de la señal.

Para ello, en primer lugar se utilizan propagadores orbitales que dan para un momento dado la posición más probable del satélite o lanzador.

Una vez que la antena apunta hacia esa posición más probable, la antena hace una búsqueda automática de la señal del satélite que en condiciones normales es de pocos segundos. Los procedimientos más comunes para realizar la búsqueda automática son el monopulso, el barrido hbox{cónico, maximización del nivel de potencia (step track), entre otros.}

El problema surge cuando el satélite o lanzador no está cerca de la posición estimada por los propagadores orbitales. En este caso el haz principal de la antena se queda apuntando a una dirección que se encuentra varios anchos de haz separada de la posición real del objetivo. La búsqueda entonces puede llevar varios minutos. En el caso de sondas en espacio profundo la adquisición puede llevar horas.

En la Figura 1 se muestra, según el estado del arte, un ejemplo de búsqueda de satélites o lanzadores 1 mediante barrido rectangular en la ventana de incertidumbre. La ventana de incertidumbre 2 (ventana angular de búsqueda) es mucho mayor que el ancho de haz 3 de la parábola o antena parabólica 4. Por lo tanto hay que hacer un barrido mecánico dentro de la ventana de incertidumbre 2. El satélite o lanzador 1 se mueve al mismo tiempo que se está haciendo el barrido, lo que ralentiza la adquisición.

Las causas que pueden provocar situaciones de deriva del satélite con respecto a su posición nominal son varias:

- Maniobras orbitales.

- Problemas a bordo.

- Fases tempranas de inserción en órbita.

- Lanzamientos.

En el caso de lanzadores las derivas en su posición son inherentes al proceso de lanzamiento debido a los enormes empujes a que se ve sometido.

En todos los casos se trata de situaciones en las que las pérdidas de datos son críticas debido a:

- En lanzamientos y averías a bordo la telemetría recibida es la "caja negra", siendo de gran importancia en depuración de responsabilidades.

- Durante las maniobras orbitales la pérdida de contacto puede resultar en una inserción en órbita equivocada.

- En pases de órbita baja la duración del pase es de unos pocos minutos por lo que cualquier incremento en la velocidad de adquisición es relevante.

Referencias bibliográficas

[1] H. L. Van Trees, Optimum Array Processing. Part IV of Detection, Estimation, and Modulation Theory, 1st ed., Wiley, 2002.

[2] Lal Chand Godar. Smart Antennas. CRC Press.

Descripción de la invención

Las antenas parabólicas tienen una limitación fundamental a la hora de hacer la adquisición angular del satélite o lanzador: su ancho de haz es muy estrecho. Sin embargo, este ancho de haz es estrecho para poder proporcionar una alta ganancia necesaria para cerrar el enlace de comunicaciones. Por lo tanto no hay posibilidad de ampliar el ancho de haz y todos los métodos de adquisición angular que utilizan las parábolas dependen de un buen conocimiento previo de la posición del satélite o lanzador.

La única manera de ensanchar el haz es mediante el empleo de una antena de menor apertura. Sin embargo, una sola antena de menor apertura no puede localizar el satélite o lanzador debido a que no consigue tener un nivel de señal suficientemente alto.

La solución pasa por el empleo de múltiples antenas de pequeña apertura operadas conjuntamente con técnicas de superresolución espacial. Por antenas de pequeña apertura se entiende que cada una de las antenas tendrá una superficie inferior al 2% de la parábola principal. Cada una de las antenas tiene un ancho de haz que cubre la ventana angular de incertidumbre. El procesamiento conjunto de las señales de todas las antenas permite reducir el nivel de ruido, y dar una resolución angular muy buena gracias al empleo de algoritmos de superresolución.

La demostración de la superresolución es la siguiente:

Supongamos un conjunto de antenas (N) al que llegan M señales a la frecuencia ω₀. La señal a la salida de cada uno de los sensores se describe por el vector Nx1

donde n(t) es el vector de ruido Nx1, s(t) es el vector Mx1 de las señales, y V(φ, ρ) es la respuesta de la agrupación de antenas (matriz NxM) cuyas columnas son las respuestas del array a cada una de las fuentes:

Los vectores de respuesta son función de las direcciones de llegada de cada señal φ y de los parámetros de las antenas ρ. En general ρ contiene las posiciones de los sensores, ganancia, fase, acoplamiento mutuo, etc. La respuesta del sensor n a una fuente que proviene de la dirección φ_m es:

donde x_n e y_n son las posiciones x e y del sensor n, λ es la longitud de onda, y g_n es la ganancia del sensor.

La mayoría de técnicas utilizan la matriz de covarianza R_x que tiene la forma:

donde S_f es la matriz de covarianza de la fuente y σ² es la potencia de ruido. La descomposición en autovectores de R_x.

donde E_s es la matriz NxM de autovectores de señal, Λ_s es la matriz de autovalores de señal, y E_n es la matriz de autovectores de ruido.

En la práctica se utiliza la matriz muestral de covarianza hat{R}_x,

Durante las últimas décadas se han desarrollado y estudiado múltiples métodos de superresolución aplicados a la adquisición del ángulo de llegada de una señal. Una buena comparación de los más populares se puede encontrar en las referencias bibliográficas [1] y [2], El método más preciso para estimación angular es el que utiliza la función de máxima verosimilitud sin restricciones. Esta función conlleva la minimización de la siguiente función de coste para todos los ángulos de llegada

donde

La alta complejidad computacional de este algoritmo limita su aplicación. De entre los métodos más utilizados se encuentra el MUSIC (MUltiple SIgnal Classification). MUSIC reduce el problema computacional a la búsqueda del máximo de la siguiente función:

Sea cual sea el método y variante utilizado de los múltiples existentes, el resultado es el mismo: una resolución angular por debajo del límite de Rayleigh θ=λ/L...

1. Sistema de adquisición rápida de satélites o lanzadores, caracterizado porque comprende:

- una agrupación de antenas de pequeña apertura (6), en número mayor de cuatro y montadas en el borde de una antena parabólica (4) con capacidad de barrido angular, operadas conjuntamente con técnicas de superresolución espacial para la estimación del ángulo de llegada de la señal procedente del satélite o lanzador (1), disponiendo cada una de las antenas de pequeña apertura (6) de un ancho de haz que cubre la ventana de Incertidumbre (2) de la posición estimada del satélite o lanzador (1);

- medios de conversión RF-IF (8) para cada una de las antenas de pequeña apertura (6), encargados de convertir la señal de radiofrecuencia procedente de la correspondiente antena de pequeña apertura (6) a una señal frecuencia intermedia (14);

- un oscilador local (9) encargado de proporcionar la misma referencia a los diferentes medios de conversión RF-IF (8);

- medios de conversión analógico-digital (10) encargados de digitalizar las señales de frecuencia intermedia (14);

- medios de procesamiento de datos (11) encargados de recibir de los medios de conversión analógico-digital (10) las señales digitalizadas y de implementar el algoritmo de superresolución espacial para obtener el azimuth y elevación de la señal recibida por las antenas de pequeña apertura (6);

- unidad de control y comunicación (12) encargada de comunicar a la unidad de control (13) de la antena parabólica (4) los datos de azimuth y elevación de apuntamiento obtenidos por los medios de procesamiento de datos (11).

2. Sistema según la reivindicación anterior, caracterizado porque el número de antenas de pequeña apertura (6) empleadas para la adquisición del satélite o lanzador (1) está comprendido en el rango de 8 a 16.

3. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque las antenas de pequeña apertura (6) están posicionadas a intervalos regulares en el borde de la antena parabólica (4).

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque las antenas de pequeña apertura (6) están adyacentes entre sí, en una agrupación compacta (7).

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende la unidad de control (13) de la antena parabólica (4) encargada de recibir los datos de azimuth y elevación de apuntamiento y ejecutar la adquisición y seguimiento de la señal del satélite o lanzador (1).

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la unidad de control y comunicación (12) está configurada para efectuar una calibración de las antenas de pequeña apertura (6) previamente a la adquisición de la señal proveniente del satélite o lanzador (1).

7. Método de adquisición rápida de satélites o lanzadores, caracterizado porque comprende:

- apuntar una antena parabólica (4) con capacidad de barrido angular hacia una posición de apuntamiento para la adquisición del satélite o lanzador (1);

- aplicar un algoritmo de superresolución espacial sobre la señal recibida por una agrupación de antenas de pequeña apertura (6), en número mayor de cuatro y montadas en el borde de la antena parabólica (4), para estimar el azimuth y la elevación de apuntamiento de dicha señal, disponiendo cada una de las antenas de pequeña apertura (6) de un ancho de haz que cubre la ventana de incertidumbre (2) de la posición estimada del satélite o lanzador (1);

- enviar a la unidad de control (13) de la antena parabólica (4) los datos de azimuth y apuntamiento para que ejecute la adquisición y seguimiento de la señal del satélite o lanzador (1);

- efectuar una calibración de las antenas de pequeña apertura (6) previamente a la adquisición de la señal proveniente del satélite o lanzador (1).