专利名称：从移动平台精确跟踪和与卫星通信的方法
技术领域：
本发明涉及卫星通信系统，更具体地涉及一种与具有执行接收和发送功能的天线孔径(aperture)的移动平台一起使用的系统，以及涉及一种用于在移动平台移动时使天线孔径精确跟踪目标卫星的方法。
背景技术：
从如飞机、轮船和陆上车辆的移动平台对通信卫星的高精度跟踪是优化数据率(即来自/到目标的峰值能量)和防止干扰邻近于目标卫星运行的卫星所需要的。各种已经使用的跟踪方法包括“航位推算法(dead-reckoning)”或开环法，其中根据已知的卫星和平台位置及平台姿态对正确指向角度进行计算。如“闭环”跟踪方法的其它方法使用通过信号优化的某些形式的反馈控制。这些方法对于所需带宽对接收的信号是足够的，但对从移动平台向卫星经过在反馈控制环中产生时间延迟的距离而发送的信号是不够的。这样的情形的代表如地球同步卫星与具有高姿态加速度的如飞机和陆上车辆的移动平台进行通信。
对于将天线孔径对准来自卫星的接收天线波束，一个公知技术是时序波瓣法(sequential lobing)。时序波瓣法涉及仔细操纵天线孔径在峰值信号周围的4个方向上偏离峰值接收信号一个已知距离。这显示于图1。如图1b所示，使用接收功率或解码信号的测量来计算波束或信号的实际峰值位于何处，并且对下一循环重新对准波束。只接收天线可很有效地使用该方法以保持指向精度。不过，该方法的不足在于伺服于这样的接收波束的发送天线将执行同样的步进跟踪，在波束从已知中心仔细地步进离开时固有地降低了精度。
天线指向的第二项技术依赖于愈加精确的开环计算方法以保持精确指向。即使在移动平台移动期间的任意精度跟踪是可能的，而该方法的主要不足在于初始地建立精确起点(即初始地确定对目标卫星相对移动平台的位置的精确估计)。
现有系统已经将接收和发送功能分离为离散孔径，从而可对接收波束执行时序波瓣法，然后发送波束计算地伺服到正确的位置。这显示于图2。
对于其中发送和接收功能在相同物理天线孔径中执行的天线，几个误差源被消除，但是在发送波束指向精度要求小于时序波瓣法过程期间使用的未对准(misalignment)的步进大小时，不能使用时序波瓣法技术。这样的情形还导致相对目标卫星的发送天线的指向角的误差(即未对准)。这显示于图3。
因此，需要一种将既执行接收也执行发送功能并且位于移动平台上的天线精确指向目标卫星的方法，。更具体地，需要一种方法，允许既执行接收也执行发送功能的天线孔径从目标卫星初始地获取信号，此后精确确定由卫星发送的接收波束的波束中心，使用移动平台的惯性参照单元(IRU)跟踪卫星，并且周期地“细调”天线孔径的指向而不显著妨碍从移动平台到卫星的数据传输。
发明内容
本发明指示了一种从移动平台精确地跟踪和与卫星通信的方法。本发明的方法尤其适于和天线孔径一起使用，该天线孔径是在其安装之上的移动平台移动时从目标卫星接收和向目标卫星发送信息所需的。
本发明的方法包括首先要求卫星使用移动平台的惯性参照单元(IRU)和存储在与天线孔径关联的天线控制器中有关目标卫星的大致位置的信息。一旦捕获来自卫星的信号，就执行常规的时序波瓣法过程以更精确地将所述天线孔径对准由所述孔径接收的接收波束。一旦完成时序波瓣法过程，然后就可使用天线从移动平台向卫星发送数据和其它信息。发送时，使用天线本地的“速率陀螺仪”形式的第二惯性参照单元代替飞机的IRU保持所述天线孔径指向所述目标卫星。
天线控制器周期地中断从天线向目标卫星发送数据和其它信息，并且再次使用天线的接收能力执行时序波瓣法过程。一旦完成该过程，就再次允许从天线的发送，从而允许使用天线向卫星发送信息。不断重复从天线孔径发送和在执行时序波瓣法过程时抑制发送的交替过程，以消除惯性参照漂移误差，否则该误差会最终积累到不可接受的水平。
上述方法不显著地干扰从天线发送数据和其它信息，因为可在大约数毫秒执行时序波瓣法过程。
从下文中提供的详细描述，本发明的进一步应用领域将变得清楚。应该明白，在指出本发明的优选实施例时，详细的说明和具体的例子仅仅用于说明目的，而不用于限制本发明的范围。
从详细描述和附图，本发明将得到更彻底的理解，其中图1a和1b说明时序波瓣法过程，通过该过程可将天线孔径指向来自卫星的接收波束的波束中心；图2说明移动平台上布置的分离的接收和发送天线孔径，发送天线孔径伺服于接收天线孔径的指向方向并且因其物理分离而导致的移动平台上两个天线孔径之间的固有未对准；图3是执行发送和接收功能的天线孔径的简化图，并且说明了在发送期间的指向精度要求小于对接收波束执行的时序波瓣法过程中使用的步进大小时、呈现的误差度；图4是与目标卫星进行通信的具有执行发送和接收功能的天线孔径的移动平台的简化图；图5是根据本发明的优选方法执行的步骤的流程图，该优选方法用位于移动平台上的既执行接收也执行发送功能的天线孔径更精确地捕获和跟踪目标卫星；图6是根据本发明的优选实施例的系统的简化方框图；和图7是说明本发明的方法如何通过周期执行天线的时序波瓣法来连续校正惯性漂移误差的图。
具体实施例方式
下面对优选实施例的说明实际上仅仅是示例性的，并且决不能视为限制本发明、其应用或使用。
参照图4，显示了与目标卫星14进行通信的具有天线孔径12的移动平台10。天线孔径12适于执行发送和接收功能，以便能从卫星14接收信号，以及发送数据和其它信息到卫星。卫星14一般搭载一个或多个转发器16，用于转发信号到地面站(未显示)。还要知道，移动平台10包括惯性参照单元(IRU)、天线控制器和如图2和3所示用于控制天线孔径12的指向的接收/发送天线子系统。
还要知道，虽然图4中将移动平台说明为固定翼飞机，但是本发明的方法适用于如轮船或陆上车辆的任何移动平台。
现在参照图5说明本发明的方法。该方法包括首先使用飞机10的IRU捕获来自卫星14的信号，如步骤18所示。然后使用连同图1说明的时序波瓣法过程优化该信号，如步骤20所示。还要知道，在执行时序波瓣法过程时，天线孔径12操作于仅接收模式。步骤20基本上导致飞机10的天线控制器使天线孔径12对准从卫星14接收的接收波束。
一旦完成时序波瓣法过程，就可使用天线12开始发送数据，如步骤22所示。在飞机10的姿态和位置变化时，使用天线12本地的天线速率陀螺仪子系统(antenna rate gyro subsystem)形式的另一个惯性参照单元通过如保持天线指向卫星14所要求的重新指向天线12来跟踪卫星14，如步骤24所示。
如步骤26所示，周期地抑制从天线12的发送，并且如步骤28所示，再次执行时序波瓣法过程。步骤28基本上更精确地将天线12对准在接收波束上以消除任何由于在步骤20执行了初始时序波瓣法过程而已经出现的惯性参照漂移误差。
一旦完成在步骤28执行的时序波瓣法过程，就恢复使用飞机10的天线速率陀螺仪跟踪卫星14，如步骤30所示。在飞机10的飞行期间持续重复该过程，如反馈线32所示。一般地，可以毫秒级执行步骤26-30，而可在秒到分的时间段执行步骤24。因而，周期执行时序波瓣法的时间间隔相对使用飞机10的天线速率陀螺仪跟踪卫星14的时间帧是非常短的。结果，从天线12的数据发送中断非常短并且不显著妨碍使用天线12发送信息和/或数据到卫星14。
图6是根据本发明的优选实施例的系统34的简化方框图。使用电机和传感器子系统36监视和控制天线定位。使用速率陀螺仪子系统38提供用于瞄准天线孔径40的惯性参照信息。
图7是说明指向误差对时间，以及周期重复的时序波瓣法如何作用于“重新对准”天线12的图。波形44的部分42指示逐渐增长的惯性漂移误差。尖峰46指示其间抑制天线12的发送功能同时执行时序波瓣法以将天线重新对准接收波束的非常短的时间周期(一般毫秒级)。
对本发明的说明实际上仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明的要旨的改变视为在本发明的范围内。这种改变不视为脱离了本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于将执行接收和发送功能的天线孔径精确地指向目标并且跟踪所述目标的方法，其中所述天线孔径位于具有惯性参照系统(IRU)的交通工具上，所述方法包括步骤a)使用所述IRU使所述天线孔径能初始地捕获所述目标；b)在所述天线执行只接收功能的同时使用时序波瓣法过程以更精确地将所述天线孔径对准从所述目标发送的接收波束；c)在所述天线孔径发送的同时使用来自位于所述天线孔径的附加IRU的信息跟踪所述目标；以及d)间歇地中断所述发送以执行步骤b)的所述时序波瓣法过程，以校正惯性参照漂移误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤c)比步骤b)的所述时序波瓣法过程执行更长时间。
3.一种用于将执行接收和发送功能的天线孔径精确地指向目标并且跟踪所述目标的方法，其中所述天线孔径位于具有惯性参照系统(IRU)的移动平台上，所述方法包括步骤a)使用所述IRU使所述天线孔径能初始地捕获所述目标；b)以只接收模式使用所述天线孔径对从所述目标接收的接收波束执行时序波瓣法过程，以将所述天线孔径对准在所述目标上；以及c)一旦完成步骤b)，使用天线速率陀螺仪保持指向所述目标的所述天线孔径；以及d)周期地中断步骤c)中所述天线速率陀螺仪的使用以执行步骤b)的所述时序波瓣法过程。
4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤c)包括步骤在使用所述天线速率陀螺仪保持指向所述目标的所述天线孔径时，从所述天线孔径发送信息。
5.一种用于将执行接收和发送功能的天线孔径精确地指向目标并且跟踪所述目标的方法，其中所述天线孔径位于具有惯性参照系统(IRU)的移动平台上，并且已经使用所述IRU初始地捕获了所述目标，所述方法包括步骤a)以只接收模式使用所述天线孔径对从所述目标接收的接收波束执行时序波瓣法过程，以将所述天线孔径对准在所述目标上；以及b)当完成所述时序波瓣法过程时，然后使用天线速率陀螺仪提供用于保持指向所述目标的所述天线孔径的信息，同时使用所述天线孔径发送信息给所述目标；以及c)周期地中断步骤b)中所述天线速率陀螺仪的使用以执行步骤b)的所述时序波瓣法过程，以校正所述IRU的惯性参照漂移误差，从而保持指向所述目标的所述天线孔径。
6.根据权利要求5所述的方法，其中步骤c)比步骤b)执行更短时间。
7.一种用于将执行接收和发送功能的天线孔径精确地指向目标并且跟踪所述目标的方法，其中所述天线孔径位于具有惯性参照系统(IRU)的移动平台上，所述方法包括步骤交替地以只接收模式和发送-加-接收模式使用所述天线孔径，其中在以所述只接收模式操作所述天线孔径以将所述天线孔径指向所述目标时，执行时序波瓣法过程；以及其中在所述天线孔径处于所述发送-加-接收模式时，使用所述天线孔径本地的陀螺仪保持指向所述目标的所述天线孔径。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤在执行所述时序波瓣法过程之前使用所述IRU初始地捕获所述目标。
9.根据权利要求7所述的方法，其中在实质上比以发送-加-接收模式使用所述天线孔径的时间段短的时间帧内，执行所述时序波瓣法过程。
10.一种用于将执行接收和发送功能的天线孔径精确地指向目标并且跟踪所述目标的方法，其中所述天线孔径位于具有惯性参照系统(IRU)的移动平台上，并且已经使用所述IRU初始地捕获了所述目标，所述方法包括步骤a)以只接收模式使用所述天线孔径对从所述目标接收的接收波束执行时序波瓣法过程，以将所述天线孔径对准在所述目标上；以及b)当完成所述时序波瓣法过程时，然后使用天线速率陀螺仪提供用于保持指向所述目标的所述天线孔径的信息，同时以发送-加-接收模式使用所述天线孔径发送信息到所述目标；以及c)周期地中断从所述天线孔径的发送，以重新执行步骤a)的所述时序波瓣法过程，从而保持指向所述目标的所述天线孔径。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在实质上比所述天线孔径处于发送-加-接收模式的时间段短的时间帧内，执行所述时序波瓣法过程。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在步骤a)在小于约一秒内执行所述时序波瓣法过程。
全文摘要
一种从移动平台精确地跟踪和与卫星通信的方法，其中卫星具有从单一天线孔径执行发送和接收功能的天线。该方法涉及使用移动平台的惯性参照单元(IRU)初始地捕获来自卫星的信号。然后使用时序波瓣法过程以更精确地将天线孔径对准来自卫星的接收波束。然后使用天线发送数据和其它信息，并通过天线本地的比移动平台的IRU具更高精度和更小时延的附加IRU保持天线指向。周期地抑制从天线的发送并且重复时序波瓣法过程以消除任何惯性参照漂移误差。该方法允许在使用单一天线孔径用于发送和接收功能时更精确的天线指向，而不明显干扰从天线发送数据或信息。
文档编号H01Q3/08GK1639905SQ02810617
公开日2005年7月13日 申请日期2002年5月13日 优先权日2001年5月30日
发明者罗纳德·S·卡森 申请人:波音公司