ОБЛЕГЧЕННАЯ СИСТЕМА С АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Российский патент 2009 года по МПК H01Q3/34 H01Q21/29 H04B7/185 G06F15/04 

Уровень техники

Главное преимущество фазированных антенных решеток состоит в их способности электронного управления лучом, исключающей необходимость в механическом указании и совмещении. Другая выгода состоит в том, что управление лучом можно выполнять быстро, что позволяет отслеживать быстро перемещающиеся цели и отслеживать множество целей. Быстрое управление лучом облегчает также применения, где антенна находится на подвижной платформе (к примеру, на судне в море), чтобы поддерживать контакт с фиксированным объектом, таким как линии связи или широковещательные спутники.

Обычным применением фазированных антенных решеток является воплощение в радарных системах, особенно в радарных системах с синтезированной апертурой.

Обнаружение и определение дальности с помощью радиоволн, или радары, как общеизвестно, существуют со Второй Мировой войны и используются в широком разнообразии применений. Например, радары используются для отслеживания положения объектов, таких как аэропланы, суда и другие транспортные средства, или для контроля атмосферных условий. Формирующие изображение радары разработаны для построения изображений земли или объектов.

Стандартные радарные системы работают путем передачи высокочастотного сигнала, обычно в виде короткого импульса, к цели. Стандартная радарная система ограничена как в разрешении по дальности, так и в разрешении по азимуту. Разработаны различные методы для преодоления ограничений стандартной радарной системы. Например, для улучшения разрешения по дальности можно использовать такие методы, как сжатие импульсов.

Чтобы улучшить разрешение по азимуту без требования неприемлемо большой антенны, разработан метод радара с синтезированной апертурой. Радары с синтезированной апертурой в настоящее время широко используются как в авиационных, так и в космических (к примеру, аэропланы и спутники) бортовых применениях.

Современные радарные системы с синтезированной апертурой требуют рабочей гибкости путем поддержки формирования изображений по широкому диапазону разрешений и ширин полосы изображения. Эта рабочая гибкость требует использования системы активной фазированной антенной решетки.

Существующие системы активных фазированных решеток для космических бортовых применений страдают от нескольких ограничений, которые препятствуют их более широкому использованию. Антенны относительно большие, порядка 10-20 метров в длину и 1-2 метра в ширину. Чтобы сохранять качество луча и поддерживать его стабильным, требуется, чтобы сама антенна была жесткой и чтобы она имела жесткую опору для поддержания антенны плоской в требуемых допусках. Это приводит к антенне с большой массой и требует опорных ферм или иных механических средств для обеспечения требуемой жесткости при разворачивании.

Размер антенны, в общем, запрещает запуск антенн в их рабочей конфигурации, т.к. она слишком велика для размещения в доступном объеме полезной нагрузки ракеты-носителя. Антенну нужно сложить и уложить для запуска, а затем развернуть на орбите. Сложные и дорогостоящие механизмы для развертывания антенны и удержания ее жесткой при развертывании должны специально проектироваться. Могут также проектироваться и конструироваться механизмы специального назначения для того, чтобы безопасно удерживать антенные панели в уложенном состоянии во время запуска и гарантировать, что антенна не повреждена нагрузками, испытываемыми во время запуска. Большая масса антенны делает задачу ее укладки и развертывания намного сложнее.

Элементы активной фазированной решетки требуют сложного набора межсоединений между основной шинной структурой и антенными элементами. Соединения необходимы для запитки, управления, контроля и распределения высокочастотных сигналов как на передачу, так и на прием. Требуются сложные устройства и межсоединения для формирования диаграммы направленности по азимуту и углу места. Эти межсоединения далее добавляют общую массу, сложность и стоимость антенны. Помимо этого, межсоединения могут быть сделаны для мостовых соединений шарниров между панелями антенны, добавляя сложность изготовления и стоимость и снижая общую надежность.

Космический аппарат RADARSAT-2 является примером существующей радарной системы с синтезированной апертурой, использующей антенну с активной фазированной решеткой. Антенна в этом случае имеет длину 15 метров и ширину 1,5 метра. Она состоит из двух крыльев, содержащих каждое 2 панели, и каждая панель составляет приблизительно 3,75 метра в длину и 1,5 метра в ширину. Каждая панель содержит 4 столбца, а каждый столбец содержит 32 приемопередающих модулей, каждый из которых имеет относящуюся к нему субрешетку с 20 излучающими элементами. Всего в этой антенне используются 512 приемопередающих модулей. Общая масса антенны составляет приблизительно 785 кг. Раздвижная опорная структура, требуемая для развертывания антенных панелей и их поддержания на месте, имеет массу приблизительно 120 кг. Механизмы, используемые для удержания антенны сложенной, а затем ее освобождения для развертывания, добавляют к массе приблизительно 120 кг. Требуемая для антенны полная масса составляет приблизительно 1025 кг. Эта большая масса в свою очередь побуждает к конструированию шинной структуры космического аппарата и системы ориентации, в результате чего получается более крупный и более тяжелый космический аппарат.

Большая масса и сложная конструкция означают, что полная стоимость разработки, построения и запуска этого класса космических аппаратов высока. Это ограничивает использование данной технологии до специализированных приложений и ограничивает число космических аппаратов, которые можно запускать, снижая частоту наблюдения и ограничивая рабочие задания, которые можно поддерживать.

Краткое описание чертежей

На чертежах тесно связанные фигуры имеют один и тот же номер, но разные буквенные индексы.

Фиг.1 - общий вид одной конфигурации космического аппарата.

Фиг.2А - блок-схема антенной системы.

Фиг.2В - временная диаграмма для антенной системы.

Фиг.3 - блок-схема активного антенного узла.

Фиг.4 - блок-схема функций высокочастотной схемы, содержащейся в активном антенном узле.

Фиг.5А - задняя сторона одной антенной панели.

Фиг.5В - подробный вид части задней стороны антенной панели.

Фиг.5С - подробный вид при взгляде с торца части задней стороны антенной панели.

Фиг.5D - подробный вид части передней (излучающей) стороны антенной панели.

Фиг.6А - вид с вырезом части передней стороны антенной панели.

Фиг.6В - вид в разрезе через часть антенной панели.

Фиг.7 - цели, используемые для системы геометрической компенсации и оптические тракты в несущем отсеке для сбора изображений.

Фиг.8А - подробный вид головной части стрелы, на которой установлена освещаемая цель.

Фиг.8В - размещение освещаемых целей на двух антенных панелях.

Фиг.8С - детали одной из целей.

Фиг.9 - вид одного крыла, показывающего местоположение целей на антенных панелях. Вид, наблюдаемый системой получения изображений (внизу чертежа) и размещение целей, так что ближние цели не загораживают более удаленные цели.

Фиг.10 - компоненты системы геометрической компенсации. Геометрическая компенсация используется для регулировки фазовых установок антенных элементов, чтобы скомпенсировать механические искажения в антенне.

Фиг.11А - космический аппарат с антенными панелями и стрелой, сложенными для запуска.

Фиг.11В - космический аппарат в процессе развертывания одного крыла антенны и стрелы.

Фиг.11С - космический аппарат в рабочей конфигурации с развернутыми двумя крыльями и стрелами.

Фиг.12А - альтернативная конфигурация несущего отсека.

Фиг.12В - другая альтернативная конфигурация несущего отсека.

Фиг.12С - другая альтернативная конфигурация несущего отсека.

Фиг.13 - последовательность операций для активного антенного узла.

Фиг.14 - общая последовательность операций для активной фазированной антенной решетки.

Фиг.15 - временные соотношение между управляющими сигналами активного антенного узла и сигналами, передаваемыми и принимаемыми от активной фазированной антенной решетки.

Фиг.16 - последовательность операций для выполнения геометрической компенсации.

Фиг.17 - блок-схема функций высокочастотной схемы в активном антенном узле для активной фазированной антенной решетки с возможностью обеспечения множества поляризаций.

Ссылочные позиции чертежей

100 - Несущий отсек космического аппарата

105 - Антенная панель

110 - Носовое антенное крыло, состоящее из одной или нескольких антенных панелей (в данном примере показаны четыре панели)

115 - Кормовое антенное крыло, состоящее из одной или нескольких антенных панелей (в данном примере показаны четыре панели)

120 - Излучающая поверхность антенной панели

125 - Задняя поверхность антенной панели

130 - Носовая стрела

135 - Кормовая стрела

140 - Узел стреловой антенны

145 - Солнечная батарея (для обеспечения питания отсека)

150 - Фазированная антенная решетка (состоящая из носового крыла и кормового крыла)

200 - Оборудование, размещенное в несущем отсеке космического аппарата

205 - Системы отсека космического аппарата (питание, управление, обработка данных и т.п.)

210 - Приемник/возбудитель

215 - Стабильный гетеродин

220 - Генератор передаваемых импульсов

225 - Приемник

230 - Блок выделения и декодирования сигнала

235 -Транслированный сигнал стабильного гетеродина

240 - Двунаправленная линия с передаваемыми и принимаемыми сигналами с переносом по частоте

245 - Двухпроводная управляющая шина для шины CAN

250 - Установленная на стреле антенна для распределения передаваемых и принимаемых сигналов

255 - Установленная на стреле антенна для распределения опорной частоты стабильного гетеродина

260 - Управляющая шина

265 - Модулирующий сигнал с линейным изменением по частоте

270 - Антенный контроллер

300 - Активный антенный узел

305 - Узел солнечной батареи антенного узла

310 - Регулятор заряда аккумулятора

315 - Перезаряжаемый аккумулятор

320 - Узел источника питания и переключателя питания

325 - Антенна для приема опорной частоты стабильного гетеродина

330 - Узел обработки опорной частоты

335 - Антенна для передаваемого/принимаемого сигнала

340 - Узел передатчика

345 - Узел приемника

350 - Субрешетка

355 - Контроллер антенного узла

360 - Микроконтроллер

365 - Средство цифроаналогового преобразования

370 - Сигналы управления фазой

375 - Сигнал управления усилением на передачу

380 - Сигнал управления усилением на прием

385 - Передаваемые и принимаемые сигналы из антенны

400 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

405 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

410 - Смеситель

415 - Мощный усилитель

420 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

425 - Малошумящий усилитель

430 - Смеситель

435 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

440 - Малошумящий усилитель

445 - Удвоитель частоты

450 - Прямой модулятор

455 - Делитель мощности

460 - Опорная частота со сдвинутой фазой

500 - Модуль узловой электроники

505 - Батарея солнечных элементов

510 - Волноводные щели

600 - Радиопрозрачный материал (к примеру, кварцевые соты)

605 - Панельная структура

610 - Скрепленный алюминиевый лист (передняя поверхность антенной панели)

615 - Волноводный возбудитель для ввода сигнала в волновод

700 - Местоположение оптического узла и блока обработки изображений

705 - Оптический тракт для изображений антенных крыльев

710 - Оптический тракт для изображений стрел

715 - Освещенные цели на антенных панелях (указаны не все цели)

720 - Освещенная цель на носовой стреле

725 - Освещенная цель на кормовой стреле

800 - Примерная освещенная цель на антенной панели

1000 - Оптический узел

1005 - Апертуры для носового и кормового крыльев и носовой и кормовой стрел

1010 - Изображение носового и кормового крыльев и носовой и кормовой стрел

1015 - Объединенное изображение

1020 - Твердотельная матрица получения изображений

1025 - Блок обработки изображений

1030 - Контроллеры освещения целей носового крыла

1035 - Контроллеры освещения целей кормового крыла

1040 - Контроллер освещения цели носовой стрелы

1045 - Контроллер освещения цели кормовой стрелы

1050 - Управляющие сигналы освещения крыла

1055 - Управляющие сигналы освещения стрелы

1060 - Интерфейс к антенному контроллеру

1100 - Головной обтекатель ракеты-носителя

1200 - Несущий отсек космического аппарата (альтернатива 1)

1205 - Батарея солнечных ячеек для питания отсека (альтернатива 1)

1210 - Несущий отсек космического аппарата (альтернатива 2)

1215 - Батарея солнечных ячеек для питания отсека (альтернатива 2)

1220 - Несущий отсек космического аппарата (альтернатива 3)

1225 - Батарея солнечных ячеек для питания отсека (альтернатива 3)

1230 - Узел развертываемой стрелы

1400 - Синхронизирующее и управляющее сообщение шины CAN

1405 - Разрешение режима передачи активного антенного узла

1410 - Разрешение режима приема активного антенного узла

1700 - Антенна

1702 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

1704 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

1706 - Смеситель

1708 - Делитель мощности

1710 - Мощный усилитель (горизонтальная поляризация)

1712 - Мощный усилитель (горизонтальная поляризация)

1714 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

1716 - Узел запитки горизонтальной поляризации

1718 - Узел запитки вертикальной поляризации

1720 - Субрешетка

1722 - Малошумящий усилитель

1724 - Смеситель

1726 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

1728 - Устройство маршрутизации сигналов (к примеру, циркулятор, переключатель, ответвитель и т.п.)

1730 - Малошумящий усилитель

1732 - Смеситель

1734 - Усилитель с переменным коэффициентом усиления

1736 - Антенна

1738 - Антенна

1740 - Малошумящий усилитель

1742 - Делитель мощности

1744 - Удвоитель частоты

1746 - Прямой модулятор

1748 - Прямой модулятор

1750 - Делитель мощности

1752 - Сигнал управления фазой

1754 - Сигнал управления фазой

1756 - Опорная частота со сдвинутой фазой (передатчик)

1758 - Опорная частота со сдвинутой фазой (горизонтальная поляризация приема)

1760 - Опорная частота со сдвинутой фазой (вертикальная поляризация приема)

1762 - Сигнал выбора поляризации передачи

1764 - Сигнал компенсации усиления передачи

1766 - Сигнал управления усилением приема (горизонтальная поляризация)

1768 - Сигнал управления усилением приема (вертикальная поляризация)

1770 - Двунаправленная линия с передаваемым и принимаемым сигналами с переносом по частоте

1772 - Однонаправленная линия с принимаемым сигналом с переносом по частоте

Подробное описание

Варианты осуществления изобретения обеспечивают способ и систему для построения находящейся на борту космического летательного аппарата системы с активной фазированной антенной решеткой, которая сохраняет эксплуатационные возможности традиционных систем с фазированными антенными решетками, но с более низкой массой, более низкой сложностью изготовления, а следовательно, более низкой общей стоимостью полета. Пространственная запитка распределяет сигналы к активным антенным узлам, причем активные антенные узлы содержат локальное средство генерирования и хранения электроэнергии, технологию построения, производящую антенные панели малого веса, а система компенсации измеряет и компенсирует искажения в геометрии антенны.

Теперь будут описаны различные варианты осуществления изобретения. Нижеследующее описание обеспечивает конкретные подробности для досконального понимания и восприятия описания этих вариантов осуществления. Специалист поймет, однако, что изобретение может быть осуществлено без многих из этих подробностей. Помимо этого, некоторые общеизвестные структуры или функции могут быть не показаны и не описаны подробно, чтобы избежать чрезмерного затемнения соответствующего описания разнообразных вариантов осуществления.

Используемая в представленном ниже описании терминология предполагает интерпретацию в наиболее широком виде, даже хотя она используется вместе с подробным описанием некоторых конкретных вариантов осуществления изобретения. Некоторые термины могут быть даже подчеркнуты ниже; однако любая терминология, предназначенная для интерпретации каким-либо ограничительным образом, будет явно и конкретно определена как таковая в данном разделе подробного описания.

Фиг.1 показывает конфигурацию космического аппарата, использующего систему с активной фазированной антенной решеткой малого веса с пространственной запиткой. Фазированная антенная решетка 150 состоит из множества антенных панелей 105. Каждая панель имеет переднюю поверхность, называемую излучающей поверхностью 120 для передачи сигнала к цели и приема обратного сигнала, отраженного от цели. Задняя поверхность 125 каждой панели содержит множество активных антенных узлов 300, которые образуют активную фазированную решетку.

Антенные панели 105 размещены в двух группах, которые будут именоваться крыльями. Ведущее крыло 110 относительно направления полета космического аппарата называется носовым крылом. Другое крыло 115 называется кормовым крылом.

Подлежащий передаче сигнал с переносом по частоте распределяется к активным антенным узлам носового крыла через схему пространственной запитки, использующую антенну 250, содержащуюся в узле 140 стреловой антенны, установленном на развертываемой стреле 130. Сигнал для кормового крыла распределяется с помощью другого узла 140 стреловой антенны на аналогичной развертываемой стреле 135. Антенны, расположенные на этих двух узлах стреловой антенны, тоже принимают сигналы с переносом по частоте, переданные из активных антенных узлов. Принятый сигнал с переносом по частоте содержит обратный сигнал от цели, принятый на излучающей поверхности фазированной антенной решетки.

Каждый узел 140 стреловой антенны содержит также вторую антенну 255. Эта вторая антенна используется для трансляции стабильной опорной частоты к каждому из активных антенных узлов.

В показанных вариантах осуществления антенны 250 и 255 представляют собой мозаичные антенны, однако и иные типы антенны тоже можно использовать.

Несущий отсек 100 обеспечивает механическую опору для системы активной фазированной антенной решетки. Отсек содержит внутри себя системы, обычно находящиеся на большинстве космических аппаратов, для выполнения функций, включая связь, управление ориентацией, контроль и управление космическим аппаратом, тепловой контроль, обработку данных, тяговую установку и т.п. Солнечные батареи 145, установленные на обращенных к солнцу поверхностях несущего отсека, обеспечивают электроэнергией все части космического аппарата за исключением активных антенных узлов 300, которые могут обеспечиваться собственной электроэнергией.

Блок-схема на фиг.2А показывает главные компоненты системы активной фазированной антенной решетки и как они взаимодействуют между собой. Для простоты показана только одна антенная панель единственного крыла. Остальные антенные панели аналогичны по конструкции и работе.

Приемник/возбудитель 210 находится в несущем отсеке 100. Этот приемник/ возбудитель генерирует опорную частоту и модулированные передаваемые сигналы, применяемые для радарного приложения. Приемник/возбудитель также принимает обратный сигнал от панели и обеспечивает функции выделения и декодирования сигнала для оцифровки и форматирования данных принятого сигнала.

Приемник/возбудитель взаимодействует с системами 205 отсека космического аппарата для работы и для переноса принятых данных. Антенный контроллер 270 в приемнике/возбудителе соединен с процессором отсека космического аппарата по управляющей шине 260, чтобы обеспечить управление и контроль антенной системы. Для управляющей шины нет специальных требований, и она может быть воплощена с помощью любой из доступных технологий, таких как MIL STD 1553 В или Шина CAN.

Антенный контроллер 270 обеспечивает управление и контроль всех блоков в приемнике/возбудителе и активных антенных узлах 300.

Стабильный гетеродин 215 генерирует стабильную немодулированную опорную частоту. Эта опорная частота локально передается к генератору 220 передаваемых импульсов и приемнику 225, а также транслируется ко всем активным антенным узлам 300 с помощью антенны 255 в узлах 140 стреловой антенны. Используется единственный стабильный гетеродин для возбуждения обоих узлов стреловой антенны через простой делитель мощности.

Генератор 220 передаваемых импульсов вырабатывает колебание передаваемого импульса. Для радарных систем это обычно импульс с линейной частотной модуляцией, обычно известный как импульс с ЛЧМ. Способы генерирования этого типа импульса общеизвестны из уровня техники.

Импульс с ЛЧМ передается 240 из узла 140 стреловой антенны ко всем активным антенным узлам 300 в соответствующем крыле. В каждом активном антенном узле импульс с ЛЧМ принимается, преобразуется на рабочую частоту антенны, регулируется по фазе и амплитуде, усиливается и передается из излучающей поверхности антенны.

Активные антенные узлы 300 принимают обратный сигнал от цели и переизлучают этот сигнал так, чтобы он мог быть принят антенной 250 на узле 140 стреловой антенны.

Чтобы избежать интерференции с другими сигналами, импульс с ЛЧМ и принятые сигналы, переданные с помощью пространственной запитки, преобразуются на отдельную несущую частоту согласно заданному частотному плану, чтобы получить варианты исходных сигналов с переносом по частоте. В качестве примера, частотный план для типичного поисково-спасательного (SAR) применения был бы следующим: рабочая частота SAR равна 5,400 ГГц (С-диапазон), частота стабильного гетеродина равна 2,400 ГГц и несущая частота для передаваемого импульса 240 с ЛЧМ с переносом по частоте и принимаемых сигналов 240 равна 10,200 ГГц (Х-диапазон). Нижеследующее описание предполагает этот примерный частотный план.

Фиг.2В показывает пример временных соотношений между различными сигналами. Опорная частота стабильного гетеродина непрерывно транслируется 235 к каждому активному антенному узлу. Генератор 220 передаваемых импульсов генерирует модулирующий сигнал 265 с линейным изменением по частоте и модулированный сигнал с ЛЧМ в Х-диапазоне, который также транслируется 240 ко всем активным антенным узлам. В активном антенном узле сигнал с ЛЧМ в Х-диапазоне преобразуется в С-диапазон и регулируется по фазе перед передачей 385 к цели. Обратный сигнал 385 от цели регулируется по фазе и коэффициенту усиления и преобразуется из С-диапазона в X-диапазон и передается 240 к приемнику 225. Регулировки 375 и 380 усиления используются для компенсации разностей трактов пространственной запитки. Регулировка 380 усиления также обеспечивает аподизацию апертуры антенны.

Приемник 225 принимает преобразованный транслированный сигнал 240, демодулирует его и направляет модулирующий сигнал к блоку 230 выделения и кодирования сигналов. Сигнал оцифровывается, кодируется и форматируется, и результирующие цифровые данные переносятся в системы 205 отсека космического аппарата для обработки, хранения и (или) передачи на наземный приемный терминал.

Фазированная антенная решетка 150 состоит из множества антенных панелей 105. Каждая антенная панель содержит множество активных антенных узлов 300, установленных на задней поверхности 125 панели. В качестве примера, активная фазированная антенная решетка для радарного приложения с синтезированной апертурой будет содержать порядка 8 антенных панелей, а каждая панель содержит порядка 64 активных антенных узлов, всего 512 активных антенных узлов.

Фиг.3 показывает блок-схему активного антенного узла 300. Активный антенный узел содержит собственное средство генерирования и хранения электроэнергии, чтобы обеспечить питание для всех своих компонентов. Для обеспечения генерирования электроэнергии на задней поверхности антенной панели 125 установлена батарея 305 солнечных ячеек. При нормальной работе излучающая поверхность антенной панели 120 будет направлена на землю под углом по меньшей мере 30 градусов от надира. При такой ориентации космического аппарата батареи солнечных ячеек на задней поверхности антенных панелей будут обращены к солнцу, когда космический аппарат размещается на соответствующей орбите, такой как солнечно-синхронная орбита для полетов на рассвете и в сумерках. Космический аппарат может поворачиваться для лучшей ориентации солнечных батарей к солнцу для более эффективного генерирования электроэнергии солнцем и заряда аккумуляторов. Это может происходить в периоды, которые не требуют работы антенной системы, такие как интервалы, когда не запрашивается получение изображений SAR.

Регулятор 310 заряда аккумулятора на интегральной схеме регулирует электроэнергию от батареи 305 солнечных ячеек и заряжает перезаряжаемый аккумулятор 315. Регулируемый источник питания с переключающими схемами 320 обеспечивает электроэнергию для всех прочих компонентов активного антенного узла и обеспечивает элементам активного антенного узла, например передатчику или приемнику, независимое включение или выключение.

Высокочастотные компоненты активного антенного узла состоят из двух антенн 325 и 335, схемы 330 обработки опорной частоты, передающей схемы 340, приемной схемы 345 и субрешетки 350. Работа высокочастотных компонентов активного антенного узла описывается далее при обсуждении фиг.4.

В показанном варианте осуществления антенны 325 и 335 представляют собой мозаичные антенны, однако можно использовать и иные типы антенн.

В показанном варианте осуществления субрешетка 350 представляет собой щелевую волноводную субрешетку, однако можно использовать и иные схемы. Одним примером альтернативного размещения является субрешетка, состоящая из множества мозаичных выпуклых или плоских излучателей, прикрепленных к передней или задней поверхности антенной панели. При прикреплении к задней панели эта панель будет радиопрозрачной; такая альтернатива обеспечит простоту и снизит массу при установке и запитке элементов излучающей субрешетки, обеспечивая в то же время конструктивную опору.

Управление активным антенным узлом можно получить с помощью микроконтроллера или иного программируемого логического элемента, такого как программируемая пользователем вентильная матрица. Показанный вариант осуществления использует микроконтроллер 360, такой как Intel 8051, который включает в себя встроенный интерфейс шины CAN. Двухпроводное соединение 245 интерфейса шины CAN используется для обеспечения управляющих и синхронизирующих сигналов от антенного контроллера 270 к активному антенному узлу и для слежения за состоянием узла. Хотя для этого интерфейса можно использовать вариант осуществления с помощью беспроводного соединения, некоторая проводка может все же потребоваться, чтобы обеспечить проводящие тракты для рассеивания электростатического заряда, который может накапливаться на антенных панелях. Проводная же шина и легче для воплощения, и может использоваться для рассеивания этого электростатического заряда. Микроконтроллер управляет цифроаналоговым преобразователем 365, который вырабатывает аналоговые управляющие сигналы 380, 375, 370, используемые для управления коэффициентом усиления передатчика, коэффициентом усиления приемника и фазой (как передатчика, так и приемника) соответственно.

Фиг.4 показывает ВЧ схему активного антенного узла. Отметим, что в этой схеме опущены фильтры, чтобы упростить ее. На фильтры и их использование нет необычных требований, проект и конструкция хорошо понятны из уровня техники. Антенна 325 принимает транслируемый сигнал 235 стабильного гетеродина. Этот сигнал усиливается малошумящим усилителем 440, а затем удваивается по частоте с помощью удвоителя 445 частоты, хотя может применяться и иная регулировка частоты. Прямой модулятор 450 используется для регулировки фазы сигнала на основе сигнала 370 управления фазой от цифроаналогового преобразователя 365. Отрегулированный по фазе опорный сигнал разделяется с помощью делителя 455 мощности (или переключателя) и отрегулированные по фазе опорные сигналы 460 направляются как к передающей 340, так и к приемной 345 секциям активного антенного узла. Альтернативный вариант осуществления может использовать фазосдвигающее устройство вместо прямого модулятора 450 или два модулятора вместо делителя мощности.

Активный антенный узел принимает сигнал 240 с ЛЧМ с переносом по частоте с помощью антенны 335. Устройство 400 маршрутизации сигнала маршрутизирует этот сигнал к усилителю 405 с переменным коэффициентом усиления, коэффициент усиления которого устанавливается микроконтроллером посредством сигнала 375. Смеситель 410 преобразует сигнал на рабочую частоту радара и регулирует сигнал по фазе, чтобы сформировать луч. Сигнал усиливается с помощью мощного усилителя 415 и направляется к субрешетке 350 через устройство 420 маршрутизации сигнала.

Отраженные от цели сигналы принимаются субрешеткой 350 и направляются в приемную секцию активного антенного узла посредством устройства 420 маршрутизации сигнала. Малошумящий усилитель 425 усиливает сигнал. Смеситель 430 преобразует сигнал с повышением частоты и регулирует фазу сигнала, чтобы сформировать приемный луч. Сигнал усиливается, и его коэффициент усиления регулируется усилителем 435 с переменным коэффициентом усиления, коэффициент усиления которого устанавливается микроконтроллером посредством сигнала 380. Устройство 400 маршрутизации сигнала направляет сигнал к антенне 335 для передачи к приемнику 225 в приемнике/возбудителе 210.

Альтернативный вариант осуществления может использовать кольцевой смеситель с двойной или тройной балансировкой вместо любого или обоих смесителей 410 и 430.

Для повышения отношения сигнал-шум принятых сигналов диаграмма направленности антенны делается более узкой по углу места в режиме приема, что приводит к увеличенному усилению по этой оси. Для поддержания покрытия площади цели диаграмма направленности развертывается по площади цели от ближнего диапазона к дальнему диапазону. Это развертывание синхронизируется для наведения луча по углу места, чтобы принимать сигналы от целей в ближнем диапазоне в начале развертывания, а от цели в дальнем диапазоне в конце развертывания. Микроконтроллер 360 управляет разверткой луча с помощью цифроаналогового преобразующего средства 370 для регулировки фазы принятого сигнала. Этот способ управления лучом в процессе приема поддерживает соотношение сигнал-шум при низкой мощности передачи, позволяя использовать меньше или менее мощные активные антенные узлы, что еще более снижает массу и упрощает конструкцию.

Сигналы активного антенного узла по пространственной запитке должны быть изолированы от сигналов, передаваемых/принимаемых от передней поверхности антенных панелей к/от цели. Такая изоляция требуется для предотвращения связывания сигналов между этими двумя высокочастотными линиями. Описанный выше вариант осуществления использует перенос по частоте для достижения этой изоляции. (Хотя в одном варианте осуществления такая частотная изоляция выполняется в узлах, а не в несущем отсеке 100, альтернативный вариант осуществления может использовать обратное.) Можно также использовать иные методы для достижения этой изоляции или для подавления интерференции между сигналами. Возможные методы могут включать в себя один или комбинацию любых из следующих методов: электромагнитное экранирование, использование сигналов с разной поляризацией, использование методов цифровой обработки сигналов, использование по-разному кодированных каналов с расширенным спектром, использование мультиплексирования во временной области автономно или с локальным хранением сигнала.

Фиг.5А показывает размещение активных антенных узлов на задней поверхности 125 антенной панели 105. Число и размещение активных антенных узлов можно регулировать, чтобы приспособить к нуждам предполагаемого приложения. Показанное размещение является типичным для приложения радара с синтезированной апертурой. Это примерное размещение имеет 64 активных антенных узла на одну антенную панель, размещенных как два столбца из 32 активных антенных узлов на столбец. Возможны и альтернативные размещения, например, шесть панельных антенн с общим числом 384 активных антенных узла и с размерами панелей, регулируемыми для обеспечения желательного размера апертуры.

Фиг.5А показывает также модули 500 узловой электроники и батареи 505 солнечных ячеек для каждого активного антенного узла.

Фиг.5В показывает подробный вид части панели 125 с обозначенными модулем 500 узловой электроники и батареей 505 солнечных ячеек.

Фиг.5С показывает вид с края части антенной панели с излучающей поверхностью 120 и задней поверхностью 125 антенной панели антенны и с модулем 500 узловой электроники.

Фиг.5D показывает излучающую поверхность 120 антенной панели со щелями 510 для видимой щелевой волноводной решетки. Размещение, размер и число щелей зависят от рабочей частоты и эксплуатационных требований для антенны, и средства для определения этих характеристик общеизвестны и документированы в уровне техники.

Фиг.6А показывает с вырывом вид части антенной панели для иллюстрации конструкции щелевой волноводной решетки. Рама 605 антенной панели построена из проводящего материала, такого как алюминий, или непроводящего материала с проводящим покрытием, такого как углеродное волокно, чтобы сформировать структуры для поддержки модулей 500 узловой электроники и образовать полости для щелевых волноводных субрешеток. Для обеспечения поддержки конструкции полость щелевой волноводной субрешетки можно заполнить радиопрозрачным материалом 600, таким как кварцевые соты. Материал кварцевых сот коммерчески доступен для космических приложений. Можно также использовать и иные радиопрозрачные материалы.

Фиг.6В показывает разрез по всей антенной панели. Деталь «В» показывает конструкцию панели с рамой 605 антенной панели и радиопрозрачным материалом 600. Алюминиевый лист или лист 610 из углеродного волокна с проводящим покрытием со щелями 510 прикреплен к раме антенны и радиопрозрачному материалу с помощью проводящего клея, формируя излучающую поверхность антенны и обеспечивая прочность конструкции. Деталь «А» показывает часть модуля 500 узловой электроники и волноводного возбуждающего элемента 615, используемого для связи ВЧ-сигналов между электронным модулем и щелевой волноводной субрешеткой.

Существующие активные фазированные антенные решетки, такие как используемая для программы RADARSAT-2, имеют массу порядка 45 кг на м². Комбинация конструктивных антенных панелей, как описано, и исключение жгутов электропроводки для распределения питания и ВЧ-сигналов дает активную фазированную антенную решетку с массой порядка 5 кг на м². Значительное снижение массы делает возможным использование технологии, разработанной в космической индустрии для развертывания больших солнечных панелей для космических аппаратов. Эту технологию можно легко приспособить для поддержки и развертывания активной фазированной антенной решетки. Эта технология является недорогим, наиболее надежным путем развертывания больших апертур. Многие компании успешно построили и развернули большие солнечные панели, и использованные методы полностью проверены и установлены.

В конструкции и работе антенны применяется компенсация для эффектов, вносимых размещением пространственной запитки. Один эффект имеет место вследствие неравномерной диаграммы направленности из антенн на стрелах и активных антенных узлов. Другим эффектом является изменение усиления и фазы из-за разностей в длинах трактов от узлов 140 антенн с пространственной запиткой и активных антенных узлов. Этот эффект зависит от геометрии антенны.

Диаграммы направленности можно измерить на земле и вычислить компенсацию на каждом активном антенном узле. Компенсация для эффектов, которые зависят от геометрии антенны, требует, чтобы эта геометрия была известна, пока антенна работает. Идеальная активная фазированная решетка имела бы переднюю излучающую поверхность, которая была бы плоской и не подвержена механическому или тепловому искажению. Геометрия антенны была бы постоянной и ее можно было бы измерить на земле до запуска и вычислить необходимую компенсацию на каждом активном антенном узле.

Недостаток используемой технологии солнечных панелей состоит в том, что нельзя достичь этих идеальных характеристик, т.к. развертываемая апертура не является жесткой и может иметь механические и тепловые искажения и колебания. Ожидаемое отклонение от идеальной вследствие этих искажений и колебаний составляет порядка нескольких сантиметров на частотах 0,1 Гц или менее. Это неотъемлемое ограничение следует преодолевать с помощью того, что обеспечивает геометрическую компенсацию антенны.

Имеется несколько возможных вариантов осуществления на борту космического аппарата динамической компенсации антенных искажений в реальном времени. Альтернативный подход состоит в осуществлении геометрической компенсации как коррекции не в реальном времени, примененной на земле во время обработки получаемых радарных данных. Выбранный подход зависит от размера антенной апертуры, динамики антенны и приложения.

Показанное средство геометрической компенсации использует оптический метод получения множества изображений освещенных целей, установленных на задней поверхности антенных панелей и на носовой и кормовой стрелах для выполнения динамической геометрической компенсации в реальном времени на борту космического аппарата.

Фиг.7 дает обзор для динамической геометрической компенсации активной фазированной антенной решетки. Полость 700 в несущем отсеке 100 космического аппарата вмещает в себя оптический и электронный узлы, которые содержат систему динамической компенсации. Оптические тракты 705 и 710 выполнены от полости оптического узла к носовому и кормовому крыльям и к носовой и кормовой стрелам соответственно. Цели 715, 720 и 725 закреплены на задней стороне антенной панели и на концах носовой стрелы и кормовой стрелы соответственно. Эти цели содержат внутренний источник для освещения поверхности цели, обращенной в направлении оптического тракта. Световой источник может включаться и выключаться под управлением системы динамической геометрической компенсации. Форма освещенной поверхности целей выбирается для облегчения точного нахождения центра в положении цели на изображении цели. Например, для улучшения нахождения позиции используется круговая форма такого размера, чтобы результирующее изображение цели имело ширину в много пикселов и обеспечивало метод определения местоположения центроида изображения цели. Искажения стрел и антенных панелей в направлении вдоль их соответствующих длин мало и влияние этого искажения ничтожно, и средство геометрической компенсации не требуется для измерения в этом направлении. Искажения более выражены в других двух направлениях и их влияние значительно. Оптический тракт размещается так, чтобы достичь высокой точности в этих двух направлениях за счет получения изображений по длине измеряемых структур.

Чтобы еще более улучшить способность выделять цели на изображении, эти цели могут использовать твердотельные источники света с узкой спектральной полосой. Оптические фильтры с соответствующей полосой пропускания помещаются в оптическом узле для отфильтровывания света, который попадает вне полосы пропускания фильтра.

Фиг.8А показывает подробности установочного местоположения цели 720 на носовой стреле 130. Фиг.8В показывает две антенные панели 105. Каждая антенная панель за исключением панелей, ближайших к несущему отсеку космического аппарата, имеют 4 цели, установленные в показанных позициях. Две панели, ближайшие к несущему отсеку космического аппарата (не показано), имеют только две установленные цели. Установочные позиции целей для ближайшей панели размещаются так, чтобы избежать затенения более близкой целью вида на более далекую цель из оптического узла. Это иллюстрируется на фиг.9 показанными пунктиром оптическими трактами. Цели устанавливаются в достаточной мере над поверхностью антенной панели или стрелы, чтобы они оставались видны, когда антенное крыло или стрела искажается или колеблется. Фиг.8С показывает примерную цель 800. Цели могут складываться к панелям, когда панели укладываются перед запуском, и могут развертываться с помощью простой пружины или иного средства после того, как панели развертываются.

Фиг.10 показывает оптические и электронные компоненты системы геометрической компенсации. Оптический узел 1000 принимает свет 1010 от носовой и кормовой стрел и носового и кормового крыльев. Оптический узел объединяет свет от четырех апертур с тем, чтобы образовать единое комбинированное изображение 1015, которое проецируется на формирующую изображение поверхность твердотельной двумерной матрицы 1020 формирования изображений. Выходной сигнал матрицы формирования изображений принимается, обрабатывается и интерпретируется блоком 1025 обработки изображений на основе компьютера. Контроллеры 1040 и 1045 стреловых целей управляют освещением целей на носовой и кормовой стрелах соответственно. Контроллеры 1030 и 1035 панельных целей, расположенные на каждой антенной панели носового и кормового крыльев соответственно, управляют освещением панельных целей.

Управляющие сигналы 1055 для контроллеров стреловых целей подаются посредством проводного соединения из блока 1025 обработки изображений. Управляющие сигналы 1050 для контроллеров панельных целей подаются посредством управляющего сигнала, инициируемого блоком 1025 обработки изображений и передаваемого к каждому контроллеру панельных целей с помощью сигнала шины CAN. Альтернативно для обеспечения этой функции управления можно использовать кодированный инфракрасный сигнал, вырабатываемый блоком 1025 обработки изображений и направляемый к контроллерам панельных целей и принимаемый от них.

Работа системы геометрической компенсации описывается ниже.

Работа

Приведенное выше описание описывает работу отдельных элементов системы активной фазированной антенной решетки. Здесь же будет описана общая работа системы с помощью примера такого типичного радарного приложения на борту космического аппарата, как радар с синтезированной апертурой, который используется для получения изображений для наблюдения земной поверхности.

Перед запуском космический аппарат помещается в свою пусковую конфигурацию. Фиг.11А показывает космический аппарат с носовой и кормовой стрелами 130, 135 и антенными панелями носового и кормового крыльев 110, 115 в их уложенном положении внутри головного обтекателя 1100 ракеты-носителя.

После запуска и начальной проверки крылья и стрелы развертываются в их рабочие конфигурации. Фиг.11В показывает космический аппарат на орбите с частично развернутыми носовой стрелой 130 и носовым крылом 110. Фиг.11С показывает космический аппарат в его полностью развернутой рабочей конфигурации.

В этом примерном приложении, равно как и в иных приложениях, радар работает прерывисто, будучи активным (собирая данные изображения в этом примере) по интересующим площадям и оставаясь неактивным в остальное время.

Для экономии электроэнергии система активной фазированной антенной решетки помещается в состояние ожидания, в котором ее внутренние блоки либо выключены полностью, либо переведены в состояние низкого потребления электроэнергии, которое позволяет им оставаться реагирующими на команды. В этом состоянии космический аппарат будет в общем повернут в ориентацию, которая улучшает выработку солнечной электроэнергии.

Схемы блоков, которые содержат приемник/возбудитель 210, отключаются от питания кроме тех элементов, которые отвечают на сигналы на управляющей шине 260, которые командуют блокам включаться и становиться активными.

Аналогичный подход используется для фазированной антенной решетки. Поскольку в антенне имеется много активных антенных узлов, каждый узел проектируется для потребления минимальной мощности, когда он не используется. Это состояние ожидания достигается отключением питания всех схем в узле кроме схем заряда аккумулятора и подачи питания и микроконтроллера. Микроконтроллер помещается в состояние ожидания с очень низкой потребляемой мощностью, которое позволяет ему отвечать на сигнал активизации, посланный ему через интерфейс шины CAN.

Чтобы сделать понимание всей работы более легким, первой будет описана работа активного антенного узла.

Фиг.13 показывает последовательность событий для перевода активного антенного узла из неактивного состояния в рабочее состояние. Чертеж иллюстрирует один вариант осуществления, а альтернативные подходы тоже можно использовать для достижения той же самой цели. Предполагается, что узел находится в описанном выше состоянии ожидания в начале этой последовательности.

Схемы микроконтроллера отслеживают на шине CAN сигнал активизации (этап 1). Когда принимается сигнал активизации, часы микроконтроллера разблокируются, и он выходит из режима ожидания и возобновляет исполнение своих программ (этап 2). Затем микроконтроллер начинает исполнение последовательности самотестирования, которая устанавливает правильность работы самого микроконтроллера, и включает питание остальных схем в узле, и определяет их работоспособное состояние. Измеряются также температуры и напряжения, чтобы определить, находятся ли они в приемлемом диапазоне.

Если обнаруживается значительный отказ, то об этом отказе сообщается антенному контроллеру 270 (этап 5), и узел входит в режим технического обслуживания (этап 6). Режим обслуживания переводит узел в безопасный режим и разрешает дальнейшее диагностическое тестирование и загрузку команд или программных корректировок для коррекции отказа. Команда на интерфейс шины CAN от антенного контроллера заставляет микроконтроллер выйти из режима технического обслуживания (этап 7). Затем микроконтроллер возвращает узел в его состояние ожидания с низким потреблением электроэнергии (этап 8).

Если не обнаружено никаких отказов, тогда узел ожидает команду на его перевод в рабочий режим (этап 9). Если эта команда не принимается в течение конкретного периода времени, узел войдет в режим технического обслуживания. Если команда принимается, узел входит в рабочий режим (этап 10). В рабочем режиме узел реагирует на управляющие и синхронизирующие сообщения от антенного контроллера и обрабатывает передаваемые и принимаемые радаром сигналы. Дальнейшие подробности предоставляются ниже в обсуждении по фиг.14.

В рабочем режиме микроконтроллер отслеживает работу узла для обнаружения какого-либо отказа или нештатных условий, таких как слишком высокая температура (этап 10). Если отказ обнаруживается, узел выходит из рабочего режима (этап 11), сообщает о неисправном состоянии (этап 5) и входит в режим технического обслуживания (этап 6). Работа в режиме технического обслуживания происходит как описано ранее.

Если в рабочем режиме не обнаружено никакого отказа, микроконтроллер определяет, принят ли сигнал выключения от антенного контроллера (этап 12). Если сигнал выключения не принят, рабочий режим продолжается. Если принят сигнал выключения, микроконтроллер возвращает узел в его состояние ожидания с низким потреблением электроэнергии (этап 8), и в узле завершается сеанс работы радара.

Фиг.14 показывает общую работу системы фазированной антенной решетки. Предполагается, что система находится в состоянии ожидания в начале последовательности.

Работа радара планируется так, чтобы она происходила в конкретные моменты, когда космический аппарат находится в правильном положении на своей орбите для желательной операции получения изображений. Планирование достигается с помощью команд с временной меткой, выдаваемых из центра управления космическим аппаратом на земле. Вскоре после запланированного начального момента получения изображений включается аппаратура приемника/возбудителя 210, расположенная в отсеке космического аппарата (этап 1). Антенный контроллер 270 посылает сигнал активизации к активным антенным узлам (этап 2). Активные антенные узлы начинают исполнять свою последовательность запуска и действия по самотестированию, как описано выше.

Антенный контроллер начинает последовательность самотестирования для всей системы фазированной антенной решетки, удостоверяя правильную работу всех блоков, установленных в несущем отсеке и принимая состояние от активных антенных узлов (этап 3). Если обнаруживается крупный отказ (этап 4), антенный контроллер сообщает об отказе в антенной телеметрии (этап 5), и антенна входит в режим технического обслуживания (этап 6). Режим технического обслуживания переводит антенную систему в безопасное состояние и позволяет дальнейшее диагностическое тестирование и загрузку команд или программных корректировок для коррекции отказа. Когда операции по техническому обслуживанию завершены, антенный контроллер выходит из режима технического обслуживания (этап 7). Сигнал выключения посылается в активные антенные узлы (этап 8), и приемник/возбудитель отключается от питания и возвращается в состояние ожидания (этап 9).

Если не обнаружено никакого отказа, тогда антенный контроллер определяет, является ли запланированная для антенны деятельность деятельностью технического обслуживания или рабочей деятельностью (этап 10). Если это деятельность по техническому обслуживанию, тогда система входит в режим технического обслуживания (этап 6). Если это не деятельность по техническому обслуживанию, антенна начинает свою штатную работу.

Первый этап штатных операций состоит в инициализации активных антенных узлов параметрами луча и другими рабочими параметрами, например тактированием и длительностью окна передачи и приема, требуемых для данного изображения (этап 11). Начинается процесс геометрической компенсации, чтобы измерить геометрию антенны и определить компенсацию амплитуды и фазы для каждого активного антенного узла (этап 12). Работа в процессе геометрической компенсации описывается ниже.

В запланированный момент получения изображений начинает работать активная фазированная антенная решетка (этап 13). Эта работа управляется синхронизирующими и управляющими сообщениями 1400, транслируемыми на шине CAN ко всем активным антенным узлам антенным контроллером 270. Сообщения посылаются на частоте повторения передаваемых импульсов.

Фиг.15 показывает пример соотношений синхронизации. Синхронизирующее и управляющее сообщение шины CAN посылается незадолго до следующего передаваемого импульса. Это сообщение определяет опорную точку синхронизации для следующего периода повторения импульсов. Микроконтроллер активного антенного узла использует принятое синхронизирующее и управляющее сообщение, чтобы установить два окна синхронизации: окно синхронизации передачи, представленное разрешением 1405 режима передачи и окно синхронизации приема, представленное разрешением 1410 режима приема. Эти окна сделаны слегка больше, чем требуется, чтобы допустить неустойчивую синхронизацию в сообщениях шины CAN. Точная синхронизация для передаваемого импульса устанавливается генератором 220 передаваемых импульсов.

Работа продолжается (этапы 15 и 16) до тех пор, пока не будет достигнуто запланированное время окончания (этап 14) или обнаружится крупный отказ (этап 17).

В случае достижения запланированного времени окончания операции работа радара и процессы геометрической компенсации прекращаются (этап 19). Сигнал выключения посылается к активным антенным узлам, чтобы возвратить их в их состояние ожидания. Компоненты в приемнике/возбудителе также запитываются так, чтобы экономить мощность аккумулятора (этап 9).

В случае, когда обнаружен отказ, об этом отказе сообщается в антенной телеметрии (этап 18), работа радара и процессы геометрической ориентации завершаются (этап 19), и антенная система выключается и возвращается в свое состояние ожидания (этапы 8 и 9).

Фиг.16 показывает последовательность операций для выполнения геометрической компенсации и описывает, как работает система геометрической компенсации. Возможны иные последовательности, которые собирают опорные изображения более или менее часто или собирают изображения целей в ином порядке, но общая концепция остается той же самой.

Операция геометрической компенсации инициируется всякий раз, когда активная фазированная антенная решетка активна. Источники света всех целей 715, 720 и 725 выключаются (этап 1), и опорное изображение воспринимается и сохраняется (этап 2). Опорное изображение состоит из наложенных изображений носовой и кормовой стрел и носового и кормового крыльев. Условия освещения стрел и крыльев не являются критичными. Источники света панели 1 носового крыла включаются (этап 3), и изображение собирается (этап 4). Это изображение состоит из наложенных изображений носовой и кормовой стрел и носового и кормового крыльев, однако теперь цели на одной панели освещены. Отметим, что неважно, какая панель назначена как панель 1, т.к. изображения всех панелей будет получены в каждом цикле.

Опорное изображение этапа 2 вычитается из изображения этапа 4 (этап 5). Поскольку номинальное положение цели известно, необходимо обрабатывать только область изображения вокруг номинального положения цели. Поскольку изображения получены через доли секунды, различия в двух изображениях будут следствием только освещения целей на панели 1 носового крыла. Результирующее изображение будет содержать только освещенные цели, эффективно выделяя цели из изображений. Цели идентифицируются на основе их относительного положения, и положение каждой цели на изображении находится путем применения алгоритма для определения местоположения центроида каждой цели (этап 6) и вычисления двумерного местоположения. Третья размерность фиксируется и может быть получена путем наземных измерений перед запуском. Результирующие трехмерные положения целей сохраняются (этап 7).

Источники света на панели 1 выключаются (этап 8), и процесс нахождения положений целей повторяется для панели 2 (этап 9). Аналогично получают измерения панели 3 (этап 10) и панели 4 (этап 11). Процесс сбора опорного изображения с включением ламп для каждой панели по очереди и нахождения положений целей повторяется для четырех панелей кормового крыла (этап 12).

Новое опорное изображение собирается и сохраняется (этап 13). Освещается цель на носовой стреле (этап 14) и находится положение цели на носовой стреле (этап 15). Аналогично находится положение цели на кормовой стреле (этап 16). Для снижения шума при измерениях и улучшения общей точности несколько измерений делаются (этап 17) и усредняются (этап 18), чтобы получить конечное определение положения для каждой цели (этап 19).

С помощью этих измерений положений строится геометрическая модель антенны (этап 20). Эта модель используется для вычисления фазовых ошибок, вносимых механическими искажениями и колебаниями в антенне в каждом положении активного антенного узла, и фазовой коррекции, требуемой для компенсации этих ошибок (этап 21). Для каждого активного антенного узла последнее вычисленное значение фазовой компенсации сравнивается с ранее вычисленным значением для этого узла, чтобы найти, каким узлам нужно обновить информацию коррекции. Обновленная информация коррекции передается к тем узлам, которым она требуется, с помощью интерфейса шины CAN (этап 22).

Этот процесс измерения и обновления фазовой компенсации антенных узлов работает непрерывно, пока антенна активна (этап 23).

Описание и работа дополнительных вариантов осуществления

Показанный вариант осуществления использует структуру 100 несущего отсека квадратного сечения. Различные другие сечения могут быть использованы и могут иметь преимущества в некоторых приложениях. Даются три примера различных конфигураций. Фиг.12А показывает треугольный несущий отсек 1200 с солнечными панелями, установленными на поверхности 1205 и используемыми для обеспечения электроэнергии отсека. Фиг.12В показывает вариант треугольной формы, который обеспечивает больше внутреннего объема в несущем отсеке 1210. Солнечные ячейки для обеспечения электроэнергии отсека могут быть установлены на поверхности 1215. Фиг.12С показывает альтернативное размещение, в котором фазированная антенная решетка устанавливается снаружи несущего отсека 1220. В этом размещении требуется только единственный стреловой узел 1230. Солнечные ячейки для обеспечения электроэнергии отсека устанавливаются на поверхности 1225.

Один вариант осуществления изобретения представляет радар, который работает с одной и той же поляризацией как на передачу, так и на прием, например вертикальная поляризация на передачу и вертикальная же поляризация на прием. Данная система может быть воплощена для получения радара, способного работать с избирательной поляризацией для передаваемых сигналов и двойной поляризацией для принимаемых сигналов. Например, передаваемые сигналы можно выбирать либо с горизонтальной поляризацией, либо с вертикальной поляризацией, а приемные сигналы можно выбирать с горизонтальной поляризацией, вертикальной поляризацией или с обеими поляризациями одновременно. Тем самым можно получить радар с четырьмя поляризациями путем передачи горизонтальной и вертикальной поляризаций на чередующихся передаваемых импульсах и одновременного приема горизонтальной и вертикальной поляризации для всех импульсов.

Основные идеи и характеристики, описанные в приведенном выше варианте осуществления, однако для поддержки дополнительной поляризации могут быть применены некоторые модификации, такие как отличное размещение для субрешетки в активном антенном узле. Хотя щелевое волноводное размещение можно сконструировать для двойной поляризации, оно может иметь тот недостаток, что приведет к более толстой антенной панели, увеличению массы и сделает укладку и развертывание более трудными. Вместо щелевой волноводной субрешетки можно использовать тонкий узел 1720 субрешетки, состоящий из множества мозаичных излучателей, прикрепленных на передней поверхности антенной панели. Каждый мозаичный излучающий элемент возбуждается двумя узлами запитки - один для горизонтальной поляризации 1716, а другой для вертикальной поляризации 1718. Механическая конструкция антенной панели упрощается за счет исключения проводящих полостей под щелевым волноводом.

На передающей стороне предусматривается средство для выбора того, какую из двух запиток возбуждать для каждого импульса управляющими сигналами, вырабатываемыми микроконтроллером в активном антенном узле. На приемной стороне предусматриваются два приемных канала как в активном антенном узле, так и в приемнике/возбудителе.

Фиг.17. Показывает блок-схему функций высокочастотной схемы, содержащейся в активном антенном узле для активной фазированной антенной решетки с возможностью множества поляризаций. Передаваемый импульс с переносом по частоте принимается антенной 1700 и направляется в передающую схему устройством 1702 маршрутизации сигналов. Принятый сигнал сначала усиливается усилителем 1704 с переменным коэффициентом усиления, а затем преобразуется на рабочую частоту радара смесителем 1706. Амплитуда и фаза регулируются с помощью сигнала 1764 управления коэффициентом усиления и сигнала 1752 управления фазой. Мощные усилители 1710 и 1712 избирательно разблокируются для возбуждения либо горизонтальной, либо вертикальной запитки субрешетки соответственно сигналом 1762 выбора поляризации. Устройства 1714 и 1728 маршрутизации сигналов подключают передаваемый сигнал к узлам 1716 и 1718 горизонтальной и вертикальной запитки соответственно.

Отраженный сигнал, возвращающийся от цели, принимается мозаичными излучателями в субрешетке, и горизонтальная и вертикальная поляризации направляются в два отдельных приемных канала устройствами 1714 и 1728 маршрутизации сигналов. Горизонтальная поляризация усиливается малошумящим усилителем 1722 и преобразуется по частоте и подстраивается по фазе смесителем 1724. Сигнал усиливается усилителем 1726 с переменным коэффициентом усиления и направляется устройством 1702 маршрутизации сигналов в антенну 1700 для передачи к антенному стреловому узлу 140. Амплитуда и фаза подстраиваются с помощью сигнала 1766 управления коэффициентом усиления и сигнала 1752 управления фазой. Вертикальная поляризация аналогично обрабатывается с помощью устройства 1728 маршрутизации сигналов, малошумящего усилителя 1730, смесителя 1732 и усилителя 1734 с переменным коэффициентом усиления. Антенна 1736 используется для передачи сигнала к стреловому антенному узлу. Амплитуда и фаза подстраиваются с помощью сигнала 1768 управления коэффициентом усиления и сигнала 1754 управления фазой.

Поскольку вторая принимаемая частота должна передаваться одновременно к стреловому антенному узлу, частотный план для пространственной запитки должен быть расширен. Расширяя представленный ранее пример, частотный план для типичного приложения SAR с множеством поляризаций будет следующим: рабочая частота SAR равна 5,400 ГГц (С-диапазон), частота стабильного гетеродина равна 2,400 ГГц, несущая частота для передаваемого импульса с ЛЧМ и переносом по частоте и сигнала 1770 горизонтальной принимаемой поляризации равна 10,200 ГГц, а несущая частота для сигнала 1772 вертикальной принимаемой поляризации с переносом по частоте равна 7,8 ГГц.

Транслируемый сигнал стабильного гетеродина принимается антенной 1738, усиливается малошумящим усилителем 1740 и делится на два сигнала делителем 1742 мощности. Один выход делителя выдает непосредственно опорную частоту, используемую для принимаемой вертикальной поляризации. Другой выход делителя удваивается по частоте удвоителем 1744 частоты для выдачи опорной частоты, используемой преобразования с понижением частоты импульса с ЛЧМ и переносом по частоте и преобразования с повышением частоты принимаемой горизонтальной поляризации. Фаза опорных частот подстраивается прямыми модуляторами 1748 и 1746 на основе управляющих сигналов 1754 и 1752 соответственно. Поскольку передача и прием происходят не одновременно, прямой модулятор 1746 может быть использован для выдачи опорной частоты с подстраиваемой фазой для приемных схем как вертикальной, так и горизонтальной поляризации через делитель 1750 мощности. Сигнал 1752 управления фазой подстраивается в течение периода импульсов, чтобы сначала получить требуемую фазу для передаваемого импульса, а затем требуемую фазу для принимаемого импульса.

Возможны и другие варианты осуществления антенны с множеством поляризаций, однако основные принципы остаются теми же самыми.

Систему геометрической компенсации можно альтернативно воплотить с помощью пассивных целей, поверхность которых покрыта материалом с остронаправленным отражением. Цели избирательно освещаются узкими ручками света, проецируемыми из источников света, расположенных вблизи оптического узла. Используются источники света с узкой спектральной полосой и соответствующие фильтры в оптическом тракте. Работа аналогична описанной для целей со встроенными источниками света за исключением того, что источники света в несущем отсеке освещаются последовательно вместо источников света в целях. Этот подход упрощает конструкцию целей и исключает необходимость в управляющих схемах и источниках питания для целей на антенных панелях. Недостаток состоит в более сложном оптическом узле, потому что в нем должны быть встроены источники света рядом с оптической осью.

Искажения антенны можно разложить на две составляющих: фиксированные искажения и переменные искажения. Фиксированные искажения можно измерить и скомпенсировать с помощью классического калибровочного подхода, традиционно используемого в таких системах. Например, в системе SAR диаграмму направленности можно измерять по хорошо выбранной площади цели, и искажения можно найти и удалить применением фазовой компенсации с помощью тех же самых фазосдвигающих устройств, используемых для формирования луча. Компенсация переменной составляющей включает в себя выполнение измерений на орбите за то время, когда антенна используется, и применение динамической компенсации. Геометрическая компенсация, которая дает преимущество этой характеристике, также может быть использована вместо дохода основанной на оптике компенсации.

Одна альтернатива состоит в использовании наземной обработки орбитальных измерений. Способ выполнения этого описан Luscombe et al. (In orbit Characterisation of the RADARSAT-2 Antenna - Proceedings of the Committee on Earth Observation Standards - Working Group on Calibration and Validation - Synthetic Aperture Radar Workshop 2004). Этот метод использует часть антенны как эталон для получения данных об относительном геометрическом смещении отличной части антенны (к примеру, строки или столбца), которая измеряется. Первоначально используемая эталонная часть затем измеряется с помощью ранее измеренной части антенны в качестве эталона. Полный набор измерений может быть выполнен за относительно короткий период времени (как правило, <2 секунд). При работе набор измерений выполняется непосредственно перед и после сбора данных для изображения. Измеренные результаты передаются на землю и обрабатываются впоследствии для нахождения антенной геометрии, имевшейся во время операции получения изображения. Эта информация о геометрии используется затем для компенсации антенных искажений во время обработки данных изображения.

Другое альтернативное средство геометрической компенсации состоит в измерении температуры в нескольких точках по антенне в качестве средства для нахождения переменного искажения. Для нахождения и компенсации фиксированных искажений будут использоваться классические методы, как описано выше. Затем будет проводиться операция калибровки для характеризации антенных искажений как функции температуры. Эта операция калибровки будет включать в себя повторные измерения антенной диаграммы по хорошо выбранной площади цели. Температура антенны перед этими измерениями была бы переменной, например за счет нагревания антенны из-за переориентации космического аппарата или путем использования антенны для переменных длин изображения перед измерением (тем самым рассеивая больше или меньше мощности от модулей передачи-приема в антенную структуру). Наземный анализ полученных антенных диаграмм дал бы данные калибровки компенсации искажений. Затем можно было бы применить компенсацию антенных искажений либо в качестве коррекции на космическом аппарате в реальном времени (измерение температур и применение соответствующей фазовой коррекции в каждой точке антенны), либо как часть наземной обработки данных SAR.

В одном варианте осуществления антенной системы используется конфигурация активной линзы. Поскольку конфигурация линзы по своей природе менее чувствительна к физическим искажениям антенны, нежели непосредственно запитываемая решетка или зеркало, она в особенности пригодна для любого из вышеуказанных альтернативных подходов геометрической компенсации.

Конструкция активной фазированной антенной решетки для радарных приложений обеспечивает преимущество антенны в отсутствие необходимости поддерживать одновременные функции передачи и приема. Однако антенна может быть приспособлена для использования в приложениях иных, нежели радарные системы, например в системе связи, где требуются одновременные и непрерывные передача и прием. Этот подход должен использовать две несущих частоты на каждой из пространственных запиток и поверхности активной фазированной антенной решетки, одна частота для сигнала, подлежащего передаче, и одна для принимаемого сигнала. Основная структура активного антенного узла остается неизменной. Пример частотного плана: рабочая частота передачи в линии связи равна 5,700 ГГц, частота приема равна 5,100 ГГц, частота стабильного гетеродина равна 2,400 ГГц, несущая частота для передаваемого сигнала с переносом по частоте равна 10,5 ГГц, а принимаемого сигнала с переносом по частоте 9,900 ГГц.

Если только контекст не указывает явно на обратное, по всему описанию и формуле изобретения слова «содержит», «содержащий» и тому подобные должны пониматься в смысле включения, в противоположность исключительному или исчерпывающему смыслу; то есть в смысле «включающий в себя, но не ограниченный этим». Как используется здесь, термины «соединенный», «связанный» или любой их вариант означает любые соединение или связь, прямую или косвенную, между двумя или более элементами; связь или соединение между элементами может быть физической, логической или их комбинацией. Помимо того, слова «здесь», «выше», «ниже» и слова аналогичного смысла при использовании в данной заявке должны относиться к данной заявке как к целому, а не к каким-либо конкретным частям данной заявки. Если контекст позволяет, слова в вышеприведенном подробном описании, использующие единственное или множественное число, могут также включать в себя множественное или единственное число соответственно. Слово «или» в применении к списку из двух или более пунктов, покрывает все из нижеследующих интерпретаций слова: любой из пунктов в списке, все из пунктов в списке, и любая комбинация пунктов в списке.

Вышеприведенное подробное описание вариантов осуществления изобретения не предназначено быть исчерпывающим или ограничивать изобретение описанной выше точной формой. Хотя конкретные варианты осуществления и примеры изобретения описаны выше для иллюстративных целей, различные эквивалентные модификации возможны в объеме изобретения, как понятно специалистам. Например, хотя процессы или блоки представлены в заданном порядке, альтернативные варианты осуществления могут выполнять подпрограммы с этапами или использовать системы с блоками в отличном порядке, и некоторые процессы или блоки могут быть опущены, перемещены, добавлены, подразделены, объединены и (или) модифицированы, чтобы получить альтернативы или подкомбинации. Каждый из этих процессов или блоков может быть воплощен во множестве различных путей. Кроме того, хотя процессы или блоки выполняются временами как последовательные, эти процессы или блоки могут вместо этого выполняться параллельно, либо могут выполняться в отличные моменты.

Приведенные здесь сведения об изобретении могут быть применены к другим системам, а не обязательно к описанной выше системе. Элементы и действия различных описанных выше вариантов осуществления можно объединять для получения дальнейших вариантов осуществления.

Все вышеуказанные патенты, и заявки, и прочие ссылки, в том числе любые, которые могут быть перечислены в совместно поданных документах, включены сюда посредством ссылки. Объекты изобретения можно модифицировать, если необходимо, для применения систем, функций и идей различных описанных выше ссылок, чтобы получить дальнейшие варианты осуществления изобретения.

Эти и другие изменения можно делать в изобретении в свете вышеприведенного подробного описания. Хотя вышеприведенное описание описывает некоторые варианты осуществления изобретения и описывает наилучший предполагаемый режим, независимо от того, насколько подробно вышеописанное представлено в тексте, изобретение можно осуществлять на практике многими способами. Детали системы могут значительно различаться по своему воплощению, оставаясь все же охваченными раскрытым здесь изобретением. Как отмечено выше, конкретная терминология, использованная при описании некоторых признаков или объектов изобретения не должна подразумевать, что эта терминология пересмотрена здесь, чтобы ограничивать какие-либо конкретные характеристики, признаки или объекты изобретения, с которыми эта терминология связана. В общем, используемые в нижеследующей формуле изобретения термины не должны толковаться как ограничивающие изобретение конкретными вариантами осуществления, раскрытыми в описании, если только раздел подробного описания явным образом не определяет такие термины. Соответственно, реальный объем изобретения охватывает не только раскрытые варианты осуществления, но также все эквивалентные пути реализации или воплощения изобретения.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радарных системах, например в радарных системах с синтезированной апертурой. Техническим результатом является снижение массы, упрощение и уменьшении стоимости. Облегченная система включает в себя базовую систему и множество узлов для генерирования активной фазированной решетки. Каждый узел включает в себя приемопередатчик для беспроводного приема передаваемого сигнала от базовой системы, для беспроводной передачи передаваемых сигналов к цели, для беспроводного приема принимаемых сигналов от цели и для беспроводной передачи принятого сигнала назад к базовой системе. Система также включает в себя подсистему для подавления интерференции сигналов между передаваемым и принимаемым сигналами. Каждый из узлов может также включать в себя схему локального генерирования электроэнергии. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 28 ил.

1. Космическая антенная система для спутника, содержащая центральную систему космической антенной системы, включающую в себя стабильный гетеродин, выполненный с возможностью генерировать сигнал опорной частоты, схему, выполненную с возможностью генерировать передаваемые сигналы на основе, по меньшей мере, частично, сигнала опорной частоты, по меньшей мере, одну приемопередающую систему для передачи сигнала опорной частоты и передаваемого сигнала и для приема принимаемого сигнала; и множество антенных узлов, образующих часть системы активной фазированной антенной решетки, причем каждый активный антенный узел включает в себя по меньшей мере, один узловой приемопередатчик, выполненный с возможностью приема сигнала опорной частоты и передаваемого сигнала из системного приемопередатчика и для передачи принимаемого сигнала к системному приемопередатчику, схему переноса по частоте для приема сигнала опорной частоты и для обеспечения переноса сигнала между передающим и принимаемым сигналами, для подавления интерференции между передающим и принимаемым сигналами, часть генерирования электроэнергии, и управляющую схему, связанную с узловым приемопередатчиком и частью генерирования электроэнергии, причем указанная управляющая схема выполнена с возможностью обработки или управления передаваемого и принимаемого сигналов и с возможностью, по меньшей мере, облегчать управление формированием луча и управление движением луча космической антенной системы с помощью, по меньшей мере, частично, сигнала опорной частоты и передаваемого и/или принимаемого сигнала.

2. Система по п.1, в которой управляющая схема применяет синхронизирующие сигналы, местные по отношению к узлу, при этом космическая антенная система применяет управление фазой с помощью переданной опорной частоты.

3. Система по п.1, содержащая, по меньшей мере, одно антенное крыло, которое удерживает, по меньшей мере, некоторые из активных антенных узлов, и систему компенсации антенных искажений, которая включает в себя множество оптических целей, расположенных на антенном крыле; по меньшей мере, один датчик изображения для определения местоположения, по меньшей мере, некоторых из множества целей на антенном крыле и выдачи сигнала изображения; и подсистему геометрической компенсации для обработки выходного сигнала изображения и генерирования сигнала компенсации искажений.

4. Система по п.1, содержащая, по меньшей мере, одно антенное крыло, которое удерживает, по меньшей мере, некоторые из активных антенных узлов, причем антенное крыло включает в себя часть излучающей панели на одной стороне и солнечные ячейки на обратной стороне, и обеспечивает структурную опору, и действует в качестве антенны.

5. Система по п.1, содержащая схему управления фазой стабильного гетеродина, связанной со стабильным гетеродином, для реализации режима панорамного приема на космической антенной системе, причем схема управления фазой выполнена с возможностью подстраивать фазу развертки принятого сигнала для указания луча по углу места, чтобы принимать сигналы на ближнем краю диапазона в начале развертки, а на дальнем краю диапазона в конце развертки.

6. Система активной фазированной антенной решетки для спутника, включающая в себя базовую систему, содержащую управляющее средство для генерирования передаваемых сигналов, приемопередающее средство для беспроводной передачи опорного сигнала и передаваемого сигнала из базовой системы в узловые средства и для беспроводного приема принимаемого сигнала из узловых средств; множество узловых средств для генерирования активной фазированной решетки, причем каждое узловое средство содержит узловое приемопередающее средство для беспроводного приема опорного сигнала и передаваемого сигнала из базовой системы, передачи передаваемых сигналов к цели, приема принимаемых сигналов от цели и для беспроводной передачи принятого сигнала к базовой системе, средство для подавления интерференции сигналов между передаваемым и принимаемым сигналами между базовой системой и узлом и между узлом и целью, и узловое управляющее средство, соединенное с приемопередающим средством и средством для подавления интерференции сигналов для управления или обработки передаваемого и принимаемого сигналов.

7. Система по п.6, содержащая в каждом узловом средстве средство генерирования электроэнергии, при этом узловое управляющее средство включает в себя средство для облегчения формирования луча и управления лучом на основе, по меньшей мере, частично, передаваемого сигнала.

8. Система по п.6, содержащая гетеродинное средство, связанное с управляющим средством для генерирования сигнала стабильной опорной частоты, при этом приемопередающее средство включает в себя средство для передачи сигнала опорной частоты к узловому средству.

9. Система по п.б, содержащая крыло для размещения некоторых из множества узлов; и средство компенсации, связанное с управляющим средством, для определения искажения крыла и для генерирования, по меньшей мере, одного сигнала компенсации на основе выявленного искажения.

10. Космическая активная линзовая радарная система с, по меньшей мере, одним крылом, включающая в себя множество узлов, которые несет крыло и которые формируют, по меньшей мере, часть космической активной линзовой радарной системы, причем каждый узел содержит передающую часть, выполненную с возможностью принимать с помощью радиосвязи пространственно возбуждаемый сигнал от радарной системы и генерировать передаваемый сигнал, подлежащий направлению на цель в качестве части передаваемого луча; приемную часть, выполненную с возможностью принимать эхо сигнал от цели и генерировать принимаемый сигнал для передачи с помощью радиосвязи к радарной системе; изолирующую сигналы часть, связанную с, по меньшей мере, одной из передающей и приемной частей и выполненную с возможностью подавлять интерференцию сигналов между передаваемым сигналом и принимаемым сигналом; и контроллер, связанный с передающей, приемной и изолирующей сигналы частями.

11. Система по п.10, содержащая средство локального генерирования электроэнергии в каждом узле для обеспечения питания для контроллера и для передающей, приемной и изолирующей сигналы частей в узле.

12. Система по п.10, содержащая регулятор частоты для регулирования принятого опорного сигнала и для выработки регулированного по частоте сигнала, модулятор для выработки модулированного сигнала на основе регулированного по частоте сигнала, передающий и приемный тракты, каждый со смесителем для смешивания модулированного сигнала, и селектор сигналов для выборочной подачи модулированного сигнала к передающему и приемному трактам.

13. Система по п.10, в котором задняя часть крыла несет множество узлов, при этом передняя часть крыла выполнена с возможностью передавать, по меньшей мере, часть передаваемого луча и принимать, по меньшей мере, часть эхо сигнала.

14. Система по п.10, в которой изолирующая сигналы часть выполнена с возможностью подавлять интерференцию сигналов между совпадающими по времени передачи передаваемым сигналом и принимаемым сигналом посредством переноса по частоте, электромагнитного экранирования, использования различных поляризаций сигнала, использования методов цифровой обработки сигналов, использования различным образом кодированных сигналов с расширенным спектром или использования мультиплексирования во временной области.

15. Космическая активная линзовая радарная система с, по меньшей мере, одним крылом, включающая в себя множество узлов, которые несет крыло и которые формируют, по меньшей мере, часть космической активной линзовой радарной системы, причем каждый узел содержит часть обработки сигналов, выполненную с возможностью, по меньшей мере, способствовать направлению передаваемого сигнала на цель, в качестве части передаваемого луча, и принимать эхо сигнал от цели; контроллер узла, связанный с частью обработки сигналов; и схему локального генерирования электроэнергии для локального обеспечения электроэнергией контроллера узла и части обработки сигналов, без использования проводки для внешней электроэнергии или проводки для распределения внешней электроэнергии от радарной системы к множеству узлов.

16. Система по п.15, в которой схема локального генерирования электроэнергии включает панель солнечных ячеек, аккумулятор энергии и регулятор, включенный между панелью солнечных ячеек и аккумулятором энергии.