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专利名称：天线波束指向装置和天线波束指向方法
技术领域：
本发明涉及天线波束指向装置和天线波束指向方法，具体而言涉及搭载在轨道上的卫星上、配备有具有相控阵列馈 电系统的反射镜天线并且校正天线波束的指向的误差的天线波束指向装置和天线波束指向方法。
背景技术：
近年来，随着搭载的反射镜的大型化和反射电磁波波束的频率的增大,天线波束的波束宽度变得更窄了。另外，根据对卫星的姿态控制的误差和天线反射镜的热变形等的因素，由天线波束指向方向的误差引起的故障变得更显著了。例如，对于从轨道上的通信卫星发送的无线电波，地面上的电场强度有时减�。谑俏佬嵌苑袂虻慕邮蘸头⑺湍芰跣�。从而，发生通信质量的降低。搭载在通信卫星上的天线反射镜正变得更大(20米级别到30米级别)。从而，由于天线波束的宽度进一步变得更窄，所以预期上述倾向会更为显著。在相关技术中，为了避免通信质量的上述降低，在天线反射镜中安装了驱动机构，然后通过该驱动机构来校正天线波束方向。然而，此方法要求复杂且昂贵的反射镜驱动机构，并且使卫星变大。在其他相关技术的校正方法中，姿态传感器具有的姿态误差信息被输入到卫星中，然后卫星利用该姿态误差信息来校正天线波束指向方向。然而，在此方法中，无法认识到由天线自身引起的指向误差。另外，卫星必须配备有高精度的姿态传感器，于是卫星变得复杂且昂贵。专利文献I公开了一种控制方法和控制装置，其在所需波信号的方向上对主波束执行适应性控制以在干扰波信号的方向上形成空(null)，并且作成阵列天线。即，利用期望值最大化方法来计算使接收信号向量最大化的该阵列天线的协方差矩阵；利用该协方差矩阵计算用于在所需波信号的方向上对主波束执行适应性控制以在干扰波信号的方向上形成空的权重；利用该权重计算符号估计值；并且利用符号估计值来重复用于重构接收信号向量的计算，并且重复其中同一信道中的干扰得到抑制的主波束的形成。专利文献2公开了一种阵列天线的指向控制方法，用于基于天线信号与已知基准信号之间的误差来更新权重系数；并且基于误差信息来执行校正。专利文献3公开了一种用于补偿多波束天线的指向方向误差的阵列馈电反射镜多波束天线的指向误差补偿方法及其装置。即，指定指向误差补偿装置根据在三个以上的不同地理位置处波束的接收电平或发送电平来计算视轴方向误差分量和反射镜的缩放因子变动分量；根据计算出的缩放因子变动分量来计算构成阵列馈电单元的每个天线元件的相移量；并且根据补偿视轴变动分量的相移量和补偿缩放因子分量的相移分量来计算补偿指定方向误差的相移量。指定方向误差的相移量被提供到多波束形成装置的输出。[引文列表][专利文献]
[专利文献I]日本专利申请早期公布No.2005-252694[专利文献2] PCT 国际公布 No. W02006/126247[专利文献3]日本专利申请早期公布No.2006-24275
发明内容
[技术问题]然而，上述相关技术的天线波束指向装置和天线波束的指向方法具有如下问题搭载的反射镜变得更大，反射电磁波波束的频率变得更高，天线波束的波束宽度较窄，卫星的姿态控制的误差存在，天线反射镜热变形，等等。根据这些，在天线波束指向方向上发生误差。另外，根据通信卫星的姿态控制的误差，从轨道上的通信卫星发送的无线电波的电场强度减�。⑶椅佬嵌杂诜袂虻姆⑺秃徒邮漳芰跣　＝峁ㄐ胖柿肯陆�。此外，搭载在通信卫星上的天线反射镜变得更大(20米级别或30米级别)，于是天线波束的宽度变得更窄。因此，预期将来此倾向会变得更显著。另外，利用安装在天线反射镜中的驱动机构来校正天线波束方向的方法要求用于驱动反射镜的复杂且昂贵的机构。因此，此方法有卫星变得更大的问题。利用输入到卫星自身中的姿态传感器所具有的姿态误差信息来校正天线波束指向方向的方法无法认识到由天线自身引起的指向误差。另外，此方法要求在卫星上搭载高精度姿态传感器。结果，此方法有卫星变得复杂且更昂贵的问题。专利文献I公开了通过多个天线元件来避免信道的干扰的处理，但没有描述用于在考虑到误差的情况下将波束的指向方向校正成基准方向的处理。从而，没有以高精度控制天线波束的指向方向。专利文献2公开了用于在考虑到目标的运动的情况下更新权重系数的处理，但没有参考基准方向的操作，并且不能应对对于误差的增大不稳定的状态。在专利文献3公开的指向误差补偿方法中，需要检测在三个地点以上的波束的接收电平。从而，用于处理多个信号的操作时间和存储器容量变得必要，并且装置不可避免地变得更大。本发明是考虑到上述相关技术的技术问题而实现的，并且目标是提供一种天线波束指向装置及其控制方法，其增强天线波束的指向精确度，而不要求来自地面的命令并且无需添加复杂且高成本的设备。[解决问题的方案]为了解决上述问题，根据本发明的一种天线波束指向装置的特征在于包括输入信号向量生成装置，用于利用输入信号生成输入信号向量；权重向量保存装置，用于保存权重向量；权重校正装置，用于基于输入信号向量和权重向量的内积的值来校正权重向量，以使得对于基准信号内积的值等于第一值；以及波束形成单元，该波束形成单元在基准信号的方向上形成空波束(null beam)。为了解决上述问题，根据本发明的天线波束指向方法是一种由配备有阵列馈电系统的天线波束指向装置进行的天线波束指向方法，其特征在于包括利用输入信号生成输入信号向量的步骤；基于输入信号向量和权重向量的内积的值来校正权重向量以使得对于基准信号内积的值等于第一值的步骤；以及在基准信号的方向上形成空波束的步骤。[本发明的有利效果]根据本发明的天线波束指向装置，在配备了具有相控阵列馈电系统的反射镜天线的天线波束指向装置中，获得了高指向精确度，而不要求来自地面的命令并且无需添加复杂且高成本的设备。


图I是示出根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置的整体配置的框图；图2是示出根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置的处理的示图；图3是示出根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置的详细配置的示图； 图4是示出用于重置权重系数的处理的说明图；并且图5是示出天线指向方向与信标到达方向之间的关系的说明图。
具体实施例方式以下，将参考附图详细描述根据本发明的天线波束指向装置和天线波束指向方法。图I是示出根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置的整体配置的框图。在图I中，根据本示例性实施例的天线波束指向装置包括反射镜11、辐射元件12、输入信号形成单元13、权重赋予单元14和权重系数再生成电路15。在图I中，16、17、18和19分别指示输入信号、从波束指向偏离后的输入信号、波束的发生信号输出Y(接收信号功率)以及信标信号功率Ykfs (空信号发生信号输出)。权重赋予单元14向每个辐射元件12赋予权重。以下，将描述根据本示例性实施例的天线波束指向装置中的处理的示例。输入信号形成单元13形成输入信号向量，该输入信号向量包括在多个辐射元件12中生成的电信号作为分量。权重赋予单元14向该输入信号向量的分量赋予为每个辐射元件12设定的权重。通过这些处理，形成波束。以下，将描述此处理。这里，在输入信号形成单元13中生成的权重向量是X，并且在权重赋予单元14中赋予的权重向量是W。然后，波束的发生信号输出Y由这些向量X和W的内积表示。同时，在多波束系统中，波束的发生信号输出Y的数目与波束的数目相同。以下，考虑基准信标方向上的空波束的形成。空波束与通常波束相比对于角度变化有较大的增益差异，具有较高的角度分辨率，并且用于以高精度设定指向方向。例如，空波束生成两个维度上的四个多波束，并且是通过四个多波束的逆相位合成来生成的。空波束从信标信号的输入信号没有误差地指向基准方向意味着在输入信号形成单元13中从信标信号的输入信号生成的向量和在权重赋予单元14中赋予的权重向量的内积为零。根据本示例的天线波束指向装置检测到的信号的值，即波束的发生信号输出Y，为零。然后，权重系数，即权重赋予单元14赋予的权重向量，是对于输入信号的到达方向形成空模式的权重系数。卫星的姿势控制的误差以及来自反射镜的热变形的影响表现在输入信号的方向的变化中。即，输入信号形成单元13生成的向量的分量的值变化。在此情况下，权重赋予单元14赋予的权重被校正(重构)，以使得空波束从信标信号的输入信号指向基准方向，即输入信号形成单元13生成的向量和权重向量的内积为零。结果，再生成了其中指向方向的偏离得到补偿的权重系数。此空波束与用于其他通信的波束不同，并且不限于用于通信。接下来，将描述根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置中的操作。生成波束的发生信号输出Y 18的处理如上所述是计算输入信号向量和权重向量的内积。此计算是利用输入信号和权重系数的计算。从而，即使波束的数目或辐射元件的 数目增加，只要通过增加向量的维度的数目，其就是可适应性调整的。即，设备的规模的扩张较小。在实际操作中，给定来自RF传感器(RFS)的基准信号，执行控制以使得它的信号输出R与输入信号向量和权重向量的内积之间的差异被最小化。根据从安装地点已预先掌握的地面站接收的输入信号生成的信标信号功率Ykfs19作为空波束输出被输入到权重系数再配置电路15中以便最小化信号输出的幅值。权重系数再配置电路15基于该信号输出中包括的关于从指向方向的偏离的信息来更新(重构)权重系数。对权重系数的重配置对应于权重向量的分量的相位分量的变化。图2是示出根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置中的处理的说明图。图2指示搭载根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置的固定卫星20、地球21和地面上的信标发送站23。同时，天线的辐射范围是地球21上的22指示的区域。卫星的姿态控制系统中的波束指向精确度是0. I到0. 2度。与之不同，近年来，卫星波束所要求的指向精确度是不大于0. 05度。在反射镜被放大的情况下，此要求变得更严格，是不大于0. 03度。从而，指向精确度的改善是必不可少的。阵列馈电系统被设计为覆盖辐射范围22。阵列馈电系统对于辐射范围22中包括的地面上的信标发送站23的位置具有高增益。在不添加天线的情况下形成空波束。卫星的姿势控制的误差一般在偏航轴(Y轴)周围最大，并且对辐射范围22的视角越大，误差的影响就越大。在图2所示的示例中，地面上的信标站只有一个，但一般可布置两个或更多个地面上的站。图3是示出根据本发明的示例性实施例的天线波束指向装置的详细设备配置和搭载的示例的框图。在图3中，馈电单元包括接收元件(馈送)31、低噪声放大器(LNA)32、下变频器(DNC) 33、模拟数字转换器(ADC) 34、数字波束形成(DBF)电路35和权重系数再生成电路36。输入信号形成单元13生成的输入信号向量和权重赋予单元14赋予的权重向量的计算在数字波束形成电路35中执行。数字波束形成电路35同时生成多个波束(多波束形成)。在数字波束形成电路35进行的波束形成中，生成到信标站的方向的空波束。利用所生成的空波束，接收基准信号。输入所接收的信号，并且获得空输出。基于空波束的输出来校正所形成的波束的方向，如下所述。
当空波束指向信标站时，空波束的输出为零，如上所述。然而，根据卫星的姿势或反射镜的热变形，当空波束偏离信标站方向时，二维误差信号发生。当检测到此误差信号时，检测空波束信号和通用波束信号。用通常波束信号正规化空波束信号。结果，识别出是f目标彳目号低还是误差"[目号低。图4是示出用于通过数字处理来重配置权重系数的处理的闭环的说明图。图5是示出天线指向方向和信标到达方向之间的关系的说明图。当信标波的到达方向偏离天线指向方向时，误差信号发生，如上所述。当指向方向的偏离增大时，检测信号变得更大。另外，误差灵敏度越高，检测信号就越大。指向方向是由二维误差信号中包括的两 个分量的每一个确定的。误差信号被权重系数再生成电路36转换成权重系数的相位分量的改变值。结果，执行改变以使得多波束从指向方向的偏离变小。在图4中，在波束形成处理器内部生成校正前的权重向量W。权重向量W在其未被校正时不依从于时间。基于权重向量W生成固定波束。对于在用误差校正的情况下的权重向量w(t)，考虑相位变化部分(0)。权重向量w(t)对于相位变化部分(e)的依从性例如是W(t) =W*exp(i0n)。这里，0 n由2_7rdTi_sin(pA<表示。0 n是从基准福射元件算起的第n辐射元件的权重系数的相位旋转分量。另外，d是辐射元件之间的间隔距离，cp是从馈电单元来看的指向方向角度，并且\是信号的波长。根据此关系来校正指向方向偏离，并且最小化空信号生成信号输出￥吧。同时，校正后的权重系数不对多个波束中的每一个单独校正指向方向。该权重系数对于多波束一次性全部修改(校正)波束方向的指向方向。另外，Cp是从馈电单元来看的波束指向角度，并且在具有反射镜的情况下，波束被反射镜反射，并且波束(二次模式)在所需的方向上生成。因此，9不同于天线的波束指向方向。然而，从馈电单元来看的波束方向的变化与当反射镜的形状固定时最终波束方向(二次模式)的变化有唯一的关系。因此，通过生成相位变化部分，在整个天线所需的方向上生成了波束。重复以上处理，直到空波束的指向方向的偏离落在允许的范围内为止。接下来，将描述数字处理步骤闭环的操作的控制。如图4中所示，利用输入向量X(t)和空信号形成的权重系数W(t)的内积，计算信号输出Y(t)。输入向量X(t)和空信号形成的权重系数W(t)分别依从于时间t。同时，时间t是用于指示权重系数的时间变动的参数。这里，作为误差量e (t)，假定被表示为生成RF传感器波束的权重系数与来自地面的基准信号方向上的输入向量的内积的检测信号与基准信号之间的差异的平方。即，通过e(t) = (R-Y (t))2，获得误差量。通过取此误差量的变分，得出权重系数W(t)的微分方程。在数字处理步骤闭合环的操作中，如图4中所示，根据该微分方程，执行控制以使得误差分量e(t)变成零。实际数字电路上的权重系数包括时间差，并且在每个采样时间被顺次更新。根据本发明的天线波束指向装置，通过添加简单的计算功能，执行对轨道上的波束指向方向的校正。即，如图3中所示，不添加特殊的设备，只需要向已确立的波束形成装置中的运算处理器添加简单的向量计算功能。例如，用于估计天线波束到达方向的特定天线、用于校正天线波束的指向的机构、用于改变无线电波的相位平面的移相器等等的添加变得不必要。从而，抑制了装置的成本。同时，在本示例性实施例中，在图3中，向接收天线应用权重系数，但在发送天线中，可与接收天线同时校正波束指向方向。在本示例性实施例中，示出了本发明被应用到使用反射镜的相控阵列馈电单元型的天线的示例，本发明的方法也可应用到直接辐射型的相控阵列天线。已参考示例性实施例描述了本发明，但本发明不限于上述示例性实施例。在本发明的形式和细节上可执行本领域技术人员可理解的本发明的范围中的各种修改。本申请基于2009年12月3日提交的日本专利申请No. 2009-275711并要求其优先权，这里通过引用将该日本专利申请的公开内容全部并入。工业应用性 本发明可应用到天线波束指向装置。特别地，本发明可优选应用到具有含相控阵列馈电系统的反射镜天线并且校正轨道上的指向误差的天线波束指向装置。另外，本发明可实现为用于校正在固定卫星上使用的天线波束的指向方向的方法。标号列表
1天线波束指向装置
2馈电单元
11反射镜12、31辐射元件
13输入信号向量14权重向量
15权重系数再生成电路
16输入信号
17从波束指向偏离后的输入信号
18接收信号功率
19信标信号输出
20固定卫星
21地球
22搜索区域(示例)
23信标地面站
32低噪声接收机
33频率转换器
34AD转换器
35数字波束形成电路
36权重系数再生成电路
权利要求
1.一种配备有阵列馈电系统的天线波束指向装置，其特征在于包括 输入信号向量生成装置，用于利用输入信号生成输入信号向量； 权重向量保存装置，用于保存权重向量； 权重校正装置，用于基于所述输入信号向量和所述权重向量的内积的值来校正所述权重向量，以使得对于基准信号，所述内积的所述值等于第一值；以及 波束形成单元，该波束形成单元在所述基准信号的方向上形成空波束。
2.根据权利要求I所述的天线波束指向装置，其中，根据所述形成的空波束的基准信号被接收，并且 所述权重校正装置利用根据所述基准信号生成的输入信号向量和权重向量的内积以及所述第一值来生成误差分量，并且校正所述权重向量以使得所述误差分量变为零。
3.根据权利要求I或2所述的天线波束指向装置，其中，所述权重校正装置通过改变所述权重向量的分量的相位来校正所述权重向量。
4.根据权利要求3所述的天线波束指向装置，其中，通过改变所述权重向量的分量的相位，所生成的波束的方向被控制。
5.一种由配备有阵列馈电系统的天线波束指向装置进行的天线波束指向方法，其特征在于包括 利用输入信号生成输入信号向量的步骤； 基于所述输入信号向量和所述权重向量的内积的值来校正所述权重向量以使得对于基准信号所述内积的所述值等于第一值的步骤；以及 在所述基准信号的方向上形成空波束的步骤。
6.根据权利要求5所述的天线波束指向方法，还包括接收根据所述形成的空波束的基准信号的步骤；以及 利用根据所述基准信号生成的输入信号向量和权重向量的内积以及所述第一值来生成误差分量，并且校正所述权重向量以使得所述误差分量变为零的步骤。
7.根据权利要求5或6所述的天线波束指向方法，其中，通过改变所述权重向量的分量的相位，所述权重向量被校正。
8.根据权利要求7所述的天线波束指向方法，还包括通过改变所述权重向量的分量的相位来控制所生成的波束的方向的步骤。
全文摘要
本发明提供了天线波束指向装置和天线波束指向方法，可用来提高天线波束的指向精确度，而无需添加大规模装置。具有阵列馈电系统的天线波束指向装置设有用于从输入信号生成输入信号向量的输入信号向量生成装置，用于保存权重向量的权重向量保存装置，用于校正权重向量以使得基于输入信号向量和权重向量的内积值、对于基准信号的内积值变成等于第一值的值的权重校正装置，以及用于在基准信号的方向上形成空波束的波束形成单元。
文档编号G01S3/42GK102656747SQ201080055118
公开日2012年9月5日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年12月3日
发明者小石洋一 申请人:日本电气株式会社