EP1271689A1 - Procédé de repointage pour antenne réseau à reflecteur - Google Patents
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- H01Q3/2658—Phased-array fed focussing structure
Definitions
- the present invention relates to a repointing method for array antenna with reflector, and more particularly for array antenna reflector used on board a geostationary satellite.
- the network antennas make it possible to form a or more radiation patterns using a set of elementary sources whose signals are combined by a device called beam forming network, digital or analog.
- Antennas networks thus make it possible to simultaneously form several diagrams, that is to say to form a multi-beam cover, by applying several different feeding laws. These multi-beam covers are frequently used in the telecommunications sector, in particular by geostationary satellites.
- the multibeam coverage of the network antennas used on board these satellites are made up of very fine beams, typically having a width of the order of degree.
- a small depointing can induce strong variations in the radiated power in a given direction. Therefore, it is important that the score of these beams be very precise.
- Pointing errors appearing during the use of satellites The difference is generally called the pointing error angular on each axis of a three-dimensional frame of reference between the position theoretical of the antenna (and / or its reflector) and its actual position.
- Pointing errors are notably linked to instabilities on the one hand, to the relative errors of position of the antenna relative to the satellite on the other hand, and finally to internal deformations of the antenna, such as the original deformations reflector temperature.
- the first two sources of error which cause an overall pointing error of all the spots formed by the antenna, are preponderant.
- the satellite has attitude control systems; however, these only provide accuracy of the order of a tenth of a degree, that is to say insufficient in the case of geostationary satellites to coverage provided by multiple fine beams.
- the antenna must by therefore have its own repointing system.
- the network antennas used on board the satellites can be two main types, well known: direct radiation antennas and reflector antennas.
- the received signal cannot not be expressed in simple analytical form, i.e. there is no direct relationship between the desired score and the feeding laws of radiant elements.
- the solution currently being considered to correct the pointing error of these reflector array antennas is a mechanical solution: two to three motors control the position of the reflector, which is changed by so as to correct the pointing error, the latter involving, as we have seen, two to three possible axes of rotation.
- the aim of the present invention is therefore to develop a repointing process for a reflector array antenna which allows get rid of the use of complex, expensive and bulky motors while ensuring sufficient precision, particularly required in the case of geostationary satellites.
- a digital correction is therefore made of the signal sent or received by the antenna, instead of applying a correction mechanical.
- the basic idea of the invention is based on the one hand on the fact that the offset of the antenna radiation pattern corresponds to a spatial offset (i.e. phase shift) of received (or transmitted) signals by the radiating elements at the focus of the reflector, and on the other hand on the fact that, thanks to the properties of the Fourier transform, the shift of the focal spot in the focal plane of the reflector is converted to simple multiplication by a phase.
- Performing a direct or inverse Fourier transform after the product by the phase shift matrix allows to find signals equivalent to those actually received or emitted by the elements radiating from the antenna.
- the method of the invention makes it possible to carry out a repointing simultaneous of all the beams of a reflector array antenna.
- the sampling can be carried out after lowering of the radio frequency signal in intermediate band or base band.
- the estimation of the depointing is carried out by a first order numeric loop from the known position of at least a fixed tag.
- beam forming networks are devices having as many inputs as there are radiating elements, and as many outputs as there are beams to be formed.
- beamforming by calculation is integrated into a processor digital (not shown) which also performs other functions of the payload such as for example demultiplexing of the input signal.
- the actual beamforming is controlled by a processor control (not shown) which notably updates the coefficients of weighting.
- the reception chain 12 consists of an analog part, intended to amplify the signal and to transpose the radio frequency to a compatible frequency of sampling, and of a block ensuring the sampling itself.
- Digital sampling of the signals of each element radiant 11 keeps these signals available for processing to be performed (unlike analog beam former for which only the output is available).
- the signals do not undergo only negligible degradations in front of degradations brought by the analog part of the chain.
- the sampling digital allows the sampled signals to be used as many times as necessary by simple duplication of the signal, for example in treatments additional to the formation of beams, such as the treatment of process of the present invention which will be described in detail below.
- the formation of beams by calculation therefore presents many advantages for payloads of telecommunications satellites, especially in the case of telecommunications antennas with coverage multi-beams such as those used in geostationary satellites. Indeed, in a beamforming network by calculation, the signal is losslessly copied for use in forming multiple beams, at instead of being divided, as is the case in analog devices.
- the beamforming by calculation has already been used with a network antenna with reflector within the Thuraya satellite.
- the signal received by the antenna cannot be expressed in simple analytical form.
- the setting point of the method according to the invention therefore firstly requires to model the signal received to find the relation which links it to the “ideal” signal in function the antenna pointing error.
- the deflection of the antenna along these two axes corresponds to a translation of the field radiated in the focal plane of the reflector 20, i.e. at a spatial offset of the signals received by the radiating elements.
- the antenna deflection is equivalent to an offset of the angle of incidence apparent waves on the antenna.
- Figure 3 the representation of the amplitude of the nominal radiated field in the focal plane P of the reflector 20 represented by the curve 30 in solid lines, and the amplitude of the radiated field offset in the focal plane P represented by the curve 30 'in broken lines.
- the direction nominal of the incident wave on the reflector 20 is shown in line solid and referenced D in FIG. 3, and the offset direction of the incident wave due to the antenna pointing error is shown in line interrupted and referenced in Figure 3.
- phase plane is also shown in FIG. 3 in solid lines. nominal ⁇ equivalent after inverse Fourier transform, and in line interrupted the shifted phase plane ⁇ '.
- the product of this inverse Fourier transform of the signals received with the phase plan is done mathematically by the matrix product between the vector giving the components of the Fourier transform inverse of the signals collected by the radiating elements and the matrix corresponding to the phase shift.
- the shifted phase plane is corrected to obtain a corrected phase plane ⁇ c (see FIG. 3), identical to the nominal phase plane ⁇ .
- This phase shift matrix can be decomposed into the product of two matrices, corresponding to the phase slopes to be applied to compensate for the depointings respectively.
- p x is the component of this phase shift matrix which is a function of ⁇ x
- p y that which is a function of ⁇ y .
- Each of these two matrices depends only on the position of the radiating elements, and on the slope to be applied along x and y.
- This estimate is based on the following principle.
- the amplitude and the phase of the signal seen by each of them vary according to of the propagation medium, but not the relative values of the amplitude and the phase of the two signals, which are a function only of the direction arrival of the wave.
- the loop is locked on k 0 , so as to estimate p l , to a precision fixed by the user, and which must be chosen as a function of the noise floor, and of the precision which can be obtained on k 0 .
- the invention therefore makes it possible to repoint all of the beams of a multi-beam type reflector array antenna at the same time.
- the method according to the invention can be applied to both reception and transmission.
Abstract
La présente invention concerne un procédé de repointage pour antenne réseau à réflecteur, ladite antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants et étant du type à formation de faisceaux par le calcul, de sorte que chaque signal reçu par ladite antenne est échantillonné. Ce procédé comprend les opérations suivantes : on estime le dépointage du diagramme de rayonnement de l'antenne pour obtenir une matrice dite de déphasage, on calcule la transformée de Fourier inverse discrète des échantillons de signal fournis par les éléments rayonnants, on effectue un produit entre la matrice de déphasage et la transformée de Fourier inverse du signal échantillonné, on calcule la transformée de Fourier directe discrète du produit. <IMAGE>
Description
La présente invention concerne un procédé de repointage pour
antenne réseau à réflecteur, et plus particulièrement pour antenne réseau à
réflecteur utilisée à bord d'un satellite géostationnaire.
De manière connue, les antennes réseaux permettent de former un
ou plusieurs diagrammes de rayonnement en utilisant un ensemble de
sources élémentaires dont les signaux sont combinés par un dispositif appelé
réseau formateur de faisceaux, numérique ou analogique. Les antennes
réseaux permettent ainsi de former simultanément plusieurs diagrammes,
c'est-à-dire de former une couverture multifaisceaux, par application de
plusieurs lois d'alimentation différentes. Ces couvertures multifaisceaux sont
fréquemment utilisées dans le domaine des télécommunications, notamment
par les satellites géostationnaires.
Compte tenu de l'altitude très élevée des satellites géostationnaires,
la couverture multifaisceaux des antennes réseaux utilisées à bord de ces
satellites est constituée de faisceaux très fins, ayant typiquement une largeur
de l'ordre du degré. Pour des diagrammes aussi directifs, un faible
dépointage peut induire de fortes variations dans la puissance rayonnée dans
une direction donnée. Par conséquent, il est important que le pointage de
ces faisceaux soit très précis. On requiert à l'heure actuelle une précision de
pointage de l'ordre de 0,03°.
Des erreurs de pointage apparaissant au cours de l'utilisation des
satellites. On appelle de manière générale erreur de pointage la différence
angulaire sur chaque axe d'un référentiel à trois dimensions entre la position
théorique de l'antenne (et/ou de son réflecteur) et sa position réelle.
Les erreurs de pointage sont notamment liées aux instabilités
angulaires de la position du satellite d'une part, aux erreurs relatives de
position de l'antenne par rapport au satellite d'autre part, et enfin aux
déformations internes de l'antenne, telles que les déformations d'origine
thermique du réflecteur. Le deux premières sources d'erreur, qui entraínent
une erreur de pointage globale de tous les spots formés par l'antenne, sont
prépondérantes.
Le satellite dispose de systèmes de contrôle d'attitude ; cependant,
ces derniers n'assurent qu'une précision de l'ordre du dixième de degré,
c'est-à-dire insuffisante dans le cas des satellites géostationnaires à
couverture assurée par des faisceaux fins multiples. L'antenne doit par
conséquent disposer d'un système de repointage qui lui est propre.
Les antennes réseaux utilisées à bord des satellites peuvent être de
deux types principaux, bien connus : les antennes à rayonnement direct et
les antennes à réflecteur.
Pour les antennes à rayonnement direct, on dispose d'un modèle
analytique simple du signal reçu par les éléments du réseau. La phase des
signaux reçus par les éléments rayonnants est directement liée à la direction
d'arrivée du signal incident. Le faisceau est repointé en additionnant en
phase les signaux reçus par les différents éléments rayonnants et venant de
la direction de pointage souhaitée. De la même manière, le repointage est
donc effectué simplement en fonction de l'erreur de pointage mesurée ou
estimée, en ajoutant la phase correspondant à l'erreur de pointage à la
phase appliquée par la loi nominale.
En revanche, pour les antennes à réflecteur, le signal reçu ne peut
pas être exprimé sous forme analytique simple, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de
relation directe entre le pointage souhaité et les lois d'alimentation des
éléments rayonnants.
La solution actuellement envisagée pour corriger l'erreur de pointage
de ces antennes réseaux à réflecteur est une solution mécanique : deux à
trois moteurs commandent la position du réflecteur, qui est modifiée de
manière à corriger l'erreur de pointage, cette dernière mettant en jeu,
comme on l'a vu, deux à trois axes de rotation possibles.
Cette solution implique l'implantation de moteurs de très haute
précision. Elle est donc encombrante et coûteuse.
D'autre part, la modification de la position du réflecteur par rapport
au réseau entraíne un changement de configuration de l'antenne qui peut
avoir pour effet une dégradation des performances (due notamment à une
moins bonne focalisation).
En outre, cette solution n'est pas suffisamment précise dans le cas
de réflecteurs de grande taille.
Enfin, cette solution nécessite l'utilisation d'antennes et récepteurs
additionnels spécifiques dédiés à l'estimation de l'erreur de pointage.
Le but de la présente invention est donc de mettre au point un
procédé de repointage pour antenne réseau à réflecteur qui permette de
s'affranchir de l'utilisation de moteurs complexes, coûteux et encombrants
tout en assurant une précision suffisante, requise notamment dans le cas des
satellites géostationnaires.
La présente invention propose à cet effet un procédé de repointage
pour antenne réseau à réflecteur, ladite antenne comprenant une pluralité
d'éléments rayonnants et étant du type à formation de faisceaux par le
calcul, de sorte que chaque signal reçu par ladite antenne est échantillonné
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations
suivantes :
- on estime le dépointage du diagramme de rayonnement de ladite antenne pour obtenir une matrice dite de déphasage,
- on calcule la transformée de Fourier inverse discrète des échantillons de signal fournis par les éléments rayonnants,
- on effectue un produit entre ladite matrice de déphasage et ladite transformée de Fourier inverse dudit signal échantillonné,
- on calcule la transformée de Fourier directe discrète dudit produit.
La présente invention propose également un procédé de repointage
pour antenne réseau à réflecteur, ladite antenne comprenant une pluralité
d'éléments rayonnants et étant du type à formation de faisceaux par le
calcul, de sorte que chaque signal prêt à émettre par ladite antenne est
également échantillonné
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :
- on estime le dépointage du diagramme de rayonnement de ladite antenne pour obtenir une matrice dite de déphasage,
- on calcule la transformée de Fourier directe discrète des échantillons de signal devant être transmis par les éléments rayonnants à un instant donné,
- on effectue un produit entre ladite matrice de déphasage et ladite transformée de Fourier directe dudit signal échantillonné,
- on calcule la transformée de Fourier inverse discrète dudit produit.
Grâce à l'invention, on effectue donc une correction numérique du
signal émis ou reçu par l'antenne, au lieu d'appliquer une correction
mécanique.
L'idée de base de l'invention repose d'une part sur le fait que le
dépointage du diagramme de rayonnement de l'antenne correspond à un
décalage spatial (c'est-à-dire à un déphasage) des signaux reçus (ou émis)
par les éléments rayonnants au foyer du réflecteur, et d'autre part sur le fait
que, grâce aux propriétés de la transformée de Fourier, le décalage de la
tache focale dans le plan focal du réflecteur est converti en simple
multiplication par une phase. Ces opérations permettent ainsi de corriger par
le calcul les signaux reçus ou émis par l'antenne dépointée, en simulant les
signaux de l'antenne correctement pointée.
Le fait d'effectuer une transformée de Fourier directe ou inverse
après le produit par la matrice de déphasage permet de retrouver des
signaux équivalents à ceux réellement reçus ou émis par les éléments
rayonnants de l'antenne.
En outre, le procédé de l'invention permet d'effectuer une repointage
simultané de tous les faisceaux d'une antenne réseau à réflecteur.
De manière avantageuse, l'échantillonnage peut être effectué après
descente en fréquence du signal radiofréquence en bande intermédiaire ou
bande de base.
Avantageusement, l'estimation du dépointage est effectuée par une
boucle numérique du premier ordre à partir de la position connue d'au moins
une balise fixe.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaítront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation de
l'invention, donné à titre illustratif et nullement limitatif.
Dans les figures suivantes :
- la figure 1 illustre de manière schématique le fonctionnement général d'une antenne à formation de faisceau par le calcul, à la réception,
- la figure 2 donne la définition du dépointage ou erreur de pointage,
- la figure 3 illustre schématiquement le principe du repointage selon l'invention
- la figure 4 illustre schématiquement et de manière fonctionnelle le principe du repointage selon l'invention de la figure 3,
- la figure 5 illustre également schématiquement la boucle numérique d'estimation de l'erreur de pointage selon l'invention.
Dans toutes ces figures, les éléments communs portent les mêmes
numéros de référence.
De manière générale, les réseaux de formation de faisceaux sont des
dispositifs possédant autant d'entrées qu'il y a d'éléments rayonnants, et
autant de sorties qu'il y a de faisceaux à former. Deux types de formations
de faisceaux existent : la formation de faisceaux analogique, utilisant un
support radiofréquence, et la formation de faisceaux numérique (dite aussi
formation de faisceaux par le calcul), dans laquelle le signal reçu par les
éléments rayonnants est mis en forme puis échantillonné, et alors traité par
des processeurs numériques afin d'en extraire les informations utiles.
Dans tout ce qui suit, on se réfère pour les besoins de la description
à une antenne utilisée en réception, mais tout ce qui va être expliqué est
également applicable, mutatis mutandis, aux antennes utilisées en émission,
qui diffèrent des antennes utilisées en réception principalement dans leur
réalisation pratique.
Comme illustré en figure 1, une antenne à formation de faisceaux
par le calcul 1 comporte les éléments suivants :
- un réseau 10 d'éléments rayonnants 11
- en aval de chaque élément rayonnant 11 (ou éventuellement de chaque groupe d'éléments rayonnants), une chaíne de réception 12 amplifie le signal radiofréquence reçu par l'antenne et le transpose soit en bande de base, soit à fréquence intermédiaire afin qu'il soit échantillonné
- un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique (CAN) 13 destinés à échantillonner les signaux issus des chaínes de réception 12
- un bloc de pondération 14 par des poids complexes des signaux échantillonnés
- un sommateur 15 pour sommer les signaux échantillonnés et pondérés.
La pondération et la sommation complexes assurent la formation de
faisceaux par le calcul.
A noter que, dans la figure 1, on donne l'exemple d'un
échantillonnage complexe sur deux voies en quadrature de phase. Sous
certaines conditions, et sans aucune changement de principe de l'invention,
l'échantillonnage complexe peut être réalisé sur une seule voie, avec une
fréquence d'échantillonnage différente.
En pratique, dans un charge utile de satellite de télécommunications,
la formation de faisceaux par le calcul est intégrée à un processeur
numérique (non représenté) qui assure également d'autres fonctions de la
charge utile telle que par exemple le démultiplexage du signal d'entrée. La
formation de faisceaux proprement dite est commandée par un processeur
de contrôle (non représenté) qui actualise notamment les coefficients de
pondération.
La chaíne de réception 12 est constituée d'une partie analogique,
destinée à amplifier le signal et à transposer la fréquence radio à une
fréquence compatible de l'échantillonnage, et d'un bloc assurant
l'échantillonnage lui-même.
L'échantillonnage numérique des signaux de chacun des éléments
rayonnants 11 (ou groupes d'éléments rayonnants) permet de garder ces
signaux disponibles pour des traitements à effectuer (contrairement au
formateur de faisceau analogique pour lequel seule est disponible la sortie).
De plus, une fois échantillonnés, et sous réserve d'un dimensionnement
correct du calculateur à chacune des étapes du calcul, les signaux ne
subissent que des dégradations négligeables devant les dégradations
amenées par la partie analogique de la chaíne. En outre, l'échantillonnage
numérique permet d'utiliser les signaux échantillonnés autant de fois que
nécessaire par simple duplication du signal, par exemple dans des
traitements annexes à la formation de faisceaux, tels que le traitement du
procédé de la présente invention qui sera décrit en détail plus loin.
La formation de faisceaux par le calcul présente donc de nombreux
avantages pour des charges utiles de satellites de télécommunications,
notamment dans le cas d'antennes de télécommunications à couverture
multifaisceaux telles que celles utilisées dans les satellites géostationnaires.
En effet, dans un réseau à formation de faisceaux par le calcul, le signal est
copié sans perte pour être utilisé dans la formation de plusieurs faisceaux, au
lieu d'être divisé, comme c'est le cas dans les dispositifs analogiques. La
formation de faisceaux par le calcul a d'ailleurs déjà été utilisée avec une
antenne réseau à réflecteur au sein du satellite Thuraya.
On va maintenant décrire, en relation avec les figures 2 à 4, le
fonctionnement du procédé selon l'invention dans le cas d'une antenne
réseau à réflecteur d'un satellite géostationnaire à couverture multifaisceaux,
utilisant la formation de faisceaux par le calcul à la réception.
On rappelle que, pour une antenne à réflecteur, le signal reçu par
l'antenne ne peut pas être exprimé sous forme analytique simple. La mise au
point du procédé selon l'invention nécessite donc d'abord de modéliser le
signal reçu pour trouver la relation qui le lie au signal « idéal » en fonction
de l'erreur de pointage de l'antenne.
En cas de dépointage de l'antenne, l'axe de l'ensemble antenne et
réflecteur ne pointe plus vers la direction, fixe, de pointage nominal, mais
vers une direction décalée par rapport à cette dernière. C'est ce qui est
illustré en figure 2, où le réflecteur de l'antenne est référencé 20 et où :
Le dépointage de l'antenne, qui fait passer de l'axe théorique de
pointage zant à l'axe réel (décalé) de pointage z'ant peut se décomposer sous
la forme de deux rotations successives :
- une rotation d'angle εx autour d'un axe orthogonal à xres et parallèle au plan (xres,yres )
- une rotation d'angle ε y autour d'un axe orthogonal à yres et parallèle au plan (xres ,yres ).
Dans le cadre de la présente invention, on a montré que le
dépointage de l'antenne suivant ces deux axes correspond à une translation
du champ rayonné dans le plan focal du réflecteur 20, c'est-à-dire à un
décalage spatial des signaux reçus par les éléments rayonnants. Le
dépointage de l'antenne est équivalent à un décalage de l'angle d'incidence
apparent des ondes sur l'antenne. Pour une onde plane incidente depuis une
direction donnée, on voit ainsi en figure 3 la représentation de l'amplitude du
champ rayonné nominal dans le plan focal P du réflecteur 20 représenté par
la courbe 30 en trait plein, et l'amplitude du champ rayonné décalé dans le
plan focal P représenté par la courbe 30' en trait interrompu. La direction
nominale de l'onde incidente sur le réflecteur 20 est représentée en trait
plein et référencée D en figure 3, et la direction décalée de l'onde incidente
du fait de l'erreur de pointage de l'antenne est représentée en trait
interrompu et référencée D'en figure 3.
On a également représenté en figure 3 en trait plein le plan de phase
nominal ϕ équivalent après transformée de Fourier inverse, et en trait
interrompu le plan de phase décalé ϕ'.
Etant donné que lorsque l'on fait une transformée de Fourier, un
décalage spatial devient une multiplication par une phase pure, compenser
par le calcul, selon l'invention, la translation du champ rayonné dans le plan
focal due au dépointage de l'antenne revient à multiplier la transformée de
Fourier inverse des signaux reçus par une phase pure, autrement dit à
appliquer une multiplication par un plan de phase sur la transformée de
Fourier inverse des signaux recueillis par les éléments rayonnants 11 de
l'antenne. C'est ce qui est illustré aux figures 3 et 4.
Il est important de noter que dans le cadre de la présente invention,
chaque fois qu'il est question de transformée de Fourier, celle-ci relie les
angles du diagramme d'antenne aux coordonnées linéaires dans le plan
focal, et non pas l'espace des temps à celui des fréquences. Les
transformées de Fourier directe et inverse sont donc des transformées
spatiales sur des échantillons reçus simultanément pas les différents
éléments rayonnants.
On suppose l'erreur de pointage connue (on verra en relation avec la
figure 5 comment on peut l'estimer, selon l'invention). On voit en figure 4 le
réflecteur 20 de l'antenne à repointer, les éléments rayonnants 11 du réseau
de l'antenne envoyant les signaux recueillis (un fois échantillonnés selon le
principe expliqué en relation avec la figure 1) à un calculateur 40 effectuant
la transformée de Fourier inverse discrète de ces signaux.
Ensuite, on effectue dans une autre fonction 41 du calculateur, le
produit de cette transformée de Fourier inverse des signaux reçus avec le
plan de phase. Ceci est effectué mathématiquement par le produit matriciel
entre le vecteur donnant les composantes de la transformée de Fourier
inverse des signaux recueillis par les éléments rayonnants et la matrice
correspondant au déphasage.
Après le produit effectué par le calculateur 41, le plan de phase
décalé est corrigé pour obtenir un plan de phase corrigé ϕc (voir figure 3),
identique au plan de phase nominal ϕ.
Cette matrice de déphasage peut se décomposer en produit de deux
matrices, correspondant aux pentes de phase à appliquer pour compenser
respectivement les dépointages. Ainsi, px est la composante de cette matrice
de déphasage qui est fonction de εx, et py celle qui est fonction de εy.
Chacune de ces deux matrices ne dépend que de la position des éléments
rayonnants, et de la pente à appliquer suivant x et y .
Enfin, le résultat obtenu en sortie du calculateur 41 passe dans un
dernier calculateur 42 qui lui applique une transformée de Fourier afin de
retrouver des signaux équivalents à ceux réellement récupérés par les
éléments rayonnants 11, mais repointés. Ces signaux repointés peuvent alors
être traités au sein du processeur (non représenté) qui se trouve à bord du
satellite pour y subir les traitements habituels qui ne seront pas expliqués
plus en détail ici.
Il est important de noter ici que, selon l'invention, pour une antenne
multifaisceaux de satellite géostationnaire, la même pente de phase permet
de repointer simultanément tous les faisceaux formés par l'antenne, car on a
montré que le déplacement de la tache focale dû au dépointage de l'antenne
est indépendant au premier ordre de la direction d'arrivée de l'onde plane
incidente.
On vient d'expliquer le procédé de correction de pointage selon
l'invention, en supposant connue l'erreur angulaire de pointage. On va à
présente expliquer comment, selon l'invention, est effectuée la détection de
l'erreur de pointage qui permet de calculer une estimée de la pente de la
phase linéaire à appliquer pour effectuer le repointage.
Pour estimer la pente du déphasage linéaire à appliquer pour
corriger l'erreur de pointage, on peut estimer directement à partir des
senseurs embarqués à bord du satellite la direction d'arrivée apparente de
l'onde provenant d'une balise terrestre fixe (de position connue), et en
déduire le dépointage par comparaison avec la direction théorique d'arrivée
de cette onde. Cependant, cette méthode peut s'avérer insuffisante pour
détecter les erreurs de pointage de l'ordre de quelques centièmes de degré.
C'est pourquoi il est proposé, selon la présente invention, d'avoir
recours à une estimation par verrouillage d'un système en boucle fermée sur
une référence donnée par une balise terrestre de position connue.
Cette estimation repose sur le principe suivant. Lorsqu'une onde
émise par une source ponctuelle est reçue simultanément par deux capteurs,
l'amplitude et la phase du signal vues par chacun d'eux varient en fonction
du milieu de propagation, mais pas les valeurs relatives de l'amplitude et de
la phase des deux signaux, qui sont fonction uniquement de la direction
d'arrivée de l'onde.
Dans le cas présent, on va plus particulièrement utiliser le rapport
des signaux différence et somme issus de deux capteurs (par exemple de
sources adjacentes de l'antenne) pour estimer la pente de phase à appliquer.
Ceci suppose qu'il existe une relation linéaire, valable localement pour de
petits dépointages, qui lie la pente de la phase à appliquer à Δ / Σ, rapport de
la différence sur la somme des amplitudes des signaux issus de deux sources
adjacentes.
La boucle numérique de calcul des pentes du plan de phase linéaire
à appliquer pour repointer le diagramme est illustrée schématiquement en
figure 4.
Dans cette figure, l'indice 1 représente x ou y et :
- k 0 est la valeur de Δ / Σ nominale, sans dépointage (pointage nominal)
- G1 est la fonction de transfert qui lie pl-p andl (estimée de pl ) à Δ / Σ - k 0, c'est-à-dire le gain du détecteur
- F1 est le coefficient de retour de la boucle du premier ordre ; il doit être choisi de manière à respecter les conditions de stabilité de la boucle
- 1 / z - 1est l'intégrateur de la boucle numérique, exprimé avec la variable z classique.
La boucle est verrouillée sur k 0, de manière à estimer pl , à une
précision fixée par l'utilisateur, et qui doit être choisie en fonction du
plancher de bruit, et de la précision que l'on peut obtenir sur k 0.
Ainsi, on utilise une boucle d'asservissement en réception qui permet
d'estimer l'erreur de pointage nécessaire ensuite au procédé de repointage
selon l'invention. Cette boucle d'asservissement utilise des balises fixes
comme référence, c'est pourquoi elle fonctionne au départ uniquement en
réception. En revanche, une fois l'estimation faite selon cette boucle
d'asservissement, on peut ensuite appliquer le principe de l'invention aux
signaux émis par l'antenne.
L'invention permet donc d'effectuer un repointage de tous les
faisceaux d'une antenne réseau à réflecteur de type multifaisceaux en même
temps.
En outre, elle utilise une méthode numérique qui n'est donc pas
limitée en terme de puissance de calcul et permet donc d'assurer un
pointage précis.
Elle ne requiert en outre pas d'antennes et récepteurs spécifiques
dédiés à l'estimation de l'erreur de pointage.
Enfin, elle ne nécessite que l'utilisation d'un processeur déjà présent
au sein d'un satellite, c'est-à-dire qu'elle n'implique pas d'avoir recours à des
moteurs mécaniques encombrants et coûteux.
Une fois la correction calculée selon le procédé de l'invention
(comme revendiquée dans les revendications 1 à 6), elle pourra être
avantageusement appliquée en réactualisant uniquement les lois
d'alimentation. Ces dernières seront corrigées simultanément pour tous les
faisceaux en appliquant une FFT inverse, puis la loi de phase opposée à celle
estimée par le procédé de l'invention, et en calculant la FFT. L'intérêt de ce
mode d'application consiste en ce qu'il permet de ne recalculer uniquement
les lois, à un rythme lié au dépointage de l'antenne. Ce rythme sera de
l'ordre de 1Hz. Dans le cas où l'on calcule FFTI, déphasage et FFT des
signaux, ces calculs devront être effectués à un rythme égal à la fréquence
d'échantillonnage des signaux, soit plusieurs dizaines voire plusieurs
centaines de MHz.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui
vient d'être décrit.
En particulier, comme on l'a déjà indiqué, le procédé selon l'invention
peut s'appliquer à la fois en réception et en émission.
Par ailleurs, la méthode proposée d'estimation de l'erreur de
pointage, bien que particulièrement intéressante, peut être remplacée par
toute autre méthode d'estimation connue de l'homme du métier et qui ne
sera pas décrite plus en détail ici.
Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent
sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (6)
- Procédé de repointage pour antenne réseau à réflecteur, ladite antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants et étant du type à formation de faisceaux par le calcul, de sorte que chaque signal reçu par ladite antenne est échantillonné,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :on estime le dépointage du diagramme de rayonnement de ladite antenne pour obtenir une matrice dite de déphasage,on calcule la transformée de Fourier inverse discrète des échantillons de signal fournis par les éléments rayonnants,on effectue un produit entre ladite matrice de déphasage et ladite transformée de Fourier inverse dudit signal échantillonné,on calcule la transformée de Fourier directe discrète dudit produit. - Procédé de repointage pour antenne réseau à réflecteur, ladite antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants et étant du type à formation de faisceaux par le calcul, de sorte que chaque signal prêt à émettre par ladite antenne est également échantillonné
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :on estime le dépointage du diagramme de rayonnement de ladite antenne pour obtenir une matrice dite de déphasage,on calcule la transformée de Fourier directe discrète des échantillons de signal devant être transmis par les éléments rayonnants à un instant donné,on effectue un produit entre ladite matrice de déphasage et ladite transformée de Fourier directe dudit signal échantillonné,on calcule la transformée de Fourier inverse discrète dudit produit. - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdites transformées de Fourier relient les angles du diagramme de rayonnement de ladite antenne aux coordonnées linéaires dans le plan focal dudit réflecteur.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'échantillonnage est effectué après descente en fréquence du signal radiofréquence en bande intermédiaire ou bande de base.
- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'estimation du dépointage est effectuée par une boucle numérique fermée du premier ordre à partir de la position connue d'au moins une balise fixe pour obtenir ladite matrice de déphasage.
- Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite boucle numérique fermée utilise le rapport de la différence sur la somme des amplitudes des signaux issus de deux éléments rayonnants adjacents de ladite antenne.
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