СПОСОБ ХАРАКТЕРИЗАЦИИ ПЕРЕДАЮЩЕЙ АНТЕННЫ ОРБИТАЛЬНОГО СПУТНИКА И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 2017 года по МПК H04B7/185 

Изобретение касается способа и системы тестирования полезной нагрузки орбитального спутника. В частности, изобретение касается характеризации передающей антенны орбитального спутника.

Изобретение относится к области способов и систем, позволяющих тестировать номинальную работу передающей антенны орбитального спутника, то есть характеризовать диаграмму направленности антенны и сравнить ее с ожидаемыми рабочими характеристиками.

В частности, изобретение находит свое применение для тестирования на орбите телекоммуникационного спутника, а также любого спутника, полезная нагрузка которого состоит, по меньшей мере, из одного ретранслятора и из передающей антенны по нисходящей линии связи.

Известные способы тестирования полезной нагрузки орбитального спутника чаще всего основаны на использовании тестового сигнала на не модулированной несущей частоте, который генерируют и передают по восходящей линии связи орбитального спутника при помощи наземной станции, связанной с тестовым устройством. Спутник принимает этот тестовый сигнал через принимающую антенну, при этом сигнал проходит через ретранслятор и ретранслируется на наземную станцию через передающую антенну. На основании измерений, произведенных на сигнале, переданном по нисходящей линии связи спутника, можно характеризовать реакцию передающей антенны спутника.

Способы тестирования, основанные на применении тестовых сигналов, имеют ряд недостатков.

Тестирование передающей антенны ограничено частью зоны охвата принимающей антенны. Действительно, для применения способа тестирования наземная станция, которая производит одновременно передачу тестового сигнала по восходящей линии связи и прием сигнала, ретранслированного спутником по нисходящей линии связи, должна быть расположена в зоне пересечения зон охвата принимающей антенны и передающей антенны спутника. Таким образом, передающую антенну невозможно тестировать по всему ее угловому охвату.

Кроме того, выделение действия только передающей антенны требует применения автоматического контура усиления, чтобы компенсировать изменения коэффициента усиления принимающей антенны. Этот контур обеспечивает постоянный уровень на входном интерфейсе передающей антенны, что позволяет измерить на земле только изменения передающей антенны. Однако, поскольку диаграмма направленности принимающей антенны, как правило, отличается большей направленностью, чем передающая антенна, динамика измерения при тестировании передающей антенны ограничена имеющейся динамикой в контуре автоматического контроля усиления.

Кроме того, измерения изоляции, то есть характеризация передающей антенны по зонам охвата, в которых коэффициент усиления является очень низким, ограничены также низким уровнем приема на принимающей антенне.

Другая проблема, связанная с применением тестовых сигналов, состоит в том, что когда необходимо протестировать работу многолучевой передающей антенны или многочастотной передающей антенны, это требует генерирования тестовых сигналов на нескольких несущих частотах и, следовательно, наличия устройства генерирования таких сигналов, что повышает сложность системы тестирования.

Наконец, генерирование тестовой несущей частоты может создавать помехи другим соседним спутникам, что требует общей координации по частоте.

Настоящим изобретением предложены способ и система, которые позволяют характеризовать передающую антенну орбитального спутника во всей ее динамике и по всей ее зоне охвата, независимо от характеристик принимающей антенны.

Изобретение не требует применения тестовых сигналов на не модулированной несущей частоте и, следовательно, позволяет устранить недостатки, связанные с их использованием.

Кроме того, изобретение позволяет тестировать многолучевую и/или многочастотную передающую антенну спутника без необходимости модификации оборудования для тестирования, и не повышая, таким образом, сложность устройств.

В связи с этим, объектом изобретения является способ характеризации передающей антенны орбитального спутника, содержащего полезную нагрузку, содержащую средства усиления сигнала, при этом упомянутый способ состоит в том, что:

- упомянутые средства усиления конфигурируют для генерирования теплового шума на входе передающей антенны,

- при помощи наземной станции принимают сигнал, передаваемый передающей антенной по нисходящей линии связи спутника в течение заранее определенного времени,

- в течение упомянутого заранее определенного времени орбитальным спутником управляют таким образом, чтобы задавать ему угловое смещение с заранее определенным изменением и регистрировать это изменение,

- производят корреляцию сигнала, переданного по нисходящей линии связи, и изменения углового смещения спутника, чтобы на основании этого вывести изменения коэффициента усиления передающей антенны в зависимости от углового смещения спутника.

Предпочтительно средства усиления конфигурируют для работы с насыщением.

Средства усиления могут также содержать первое средство промежуточного усиления и второе средство высокомощного усиления, при этом упомянутое средство промежуточного усиления конфигурируют для усиления сигнала до заранее определенного уровня на входе второго средства высокомощного усиления, при этом упомянутый уровень определяют таким образом, чтобы уровень выходного сигнала второго средства высокомощного усиления превышал уровень шума, генерируемого антенной наземной станции.

Согласно частному варианту выполнения изобретения, полезная нагрузка содержит, по меньшей мере, одну принимающую антенну и канал приема, при этом канал приема отключают от принимающей антенны, чтобы ограничить влияние шума, происходящего от восходящей линии связи спутника.

Объектом изобретения является также система для характеризации передающей антенны орбитального спутника, содержащего полезную нагрузку, содержащую средства усиления сигнала, при этом упомянутая система содержит:

- средства конфигурирования упомянутых средств усиления для генерирования теплового шума на входе передающей антенны,

- средства приема сигнала, передаваемого передающей антенной по нисходящей линии связи спутника в течение заранее определенного времени,

- средства управления орбитальным спутником в течение упомянутого заранее определенного времени, задающие ему угловое смещение с заранее определенным изменением, и средства регистрации этого изменения,

- средства корреляции измерения сигнала, передаваемого по нисходящей линии связи, и изменения углового смещения спутника с целью выведения изменений коэффициента усиления передающей антенны в зависимости от углового смещения спутника.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 - схема, иллюстрирующая известный способ тестирования передающей антенны орбитального спутника.

Фиг. 2 - диаграмма, иллюстрирующая ограничение, связанное со способом тестирования, представленным на фиг. 1, на угловой динамике отклонения тестируемой передающей антенны.

Фиг. 3 - схема, иллюстрирующая некоторые недостатки способа тестирования, представленного на фиг. 1.

Фиг. 4 - схема, иллюстрирующая заявленный способ тестирования.

Фиг. 5 - схема полезной нагрузки тестируемого спутника и, в частности, бортовой цепи усиления.

Фиг. 6а - диаграмма усиления сигнала, измеряемого на нисходящей линии связи спутника, в зависимости от времени.

Фиг. 6b - диаграмма углового смещения, задаваемого спутнику во время приема сигнала по нисходящей линии связи в зависимости от того же интервала времени, что и на фиг. 6а.

Фиг. 6с - пример диаграммы направленности антенны, полученной посредством комбинирования измерений, показанных на фиг. 6а и 6b.

Фиг. 6d иллюстрирует сравнение полученной диаграммы направленности антенны со спецификациями передающей антенны спутника.

На фиг. 1, 2 и 3 в виде различных схем и диаграмм представлен принцип известного способа тестирования передающей антенны орбитального спутника, а также его недостатки, упомянутые выше во вступительной части настоящей заявки.

На схеме, показанной фиг. 1, представлен принцип известного способа тестирования передающей антенны 102 орбитального спутника 100.

Связанную с антенной 103 станцию 104 тестирования используют для генерирования тестового сигнала на не модулированной несущей частоте и для его передачи по восходящей линии связи спутника 100. Тестовый сигнал принимается принимающей антенной 101 спутника 100, затем ретранслируется передающей антенной 102 спутника 100 по нисходящей линии связи. Сигнал принимается антенной 103 станции 104 тестирования, которая производит на нем измерения, позволяющие характеризовать диаграмму направленности передающей антенны 102.

Как было указано выше, недостатком этого способа является то, что тестируемая зона охвата ограничена зоной 130 пересечения между зоной охвата 110 принимающей антенны 101 и зоной охвата 120 передающей антенны 102.

На диаграмме, представленной на фиг. 2, показано относительное усиление 201 антенны, выраженное в децибелах, в зависимости от углового смещения 202, задаваемого спутником, по отношению к контрольному направлению наводки. На диаграмме на фиг. 2 показаны кривые коэффициента усиления соответственно принимающей антенны 210 и передающей антенны 220 спутника. Как правило, принимающая антенна является более направленной, чем передающая антенна, что приводит к более быстрому ослаблению коэффициента усиления антенны при увеличении углового смещения.

Чтобы компенсировать изменения коэффициента усиления принимающей антенны, в полезной нагрузке спутника активируют контур автоматического контроля коэффициента усиления, чтобы привести сигнал на входе передающей антенны к постоянному уровню 211. Таким образом, наземная станция может измерять на сигнале, принимаемом по нисходящему каналу, только изменения коэффициента усиления передающей антенны.

Контур автоматического контроля коэффициента усиления имеет ограниченную входную динамику работы. В примере, представленном на фиг. 2, он работает только до входного уровня порядка -20 дБ. Таким образом, при угловых смещениях, превышающих заданное значение, порядка 1,5°, в примере на фиг. 2, изменения коэффициента усиления принимающей антенны уже невозможно компенсировать, поэтому угловые отклонения 230 сверх определенного порога протестировать невозможно.

Фиг. 3 иллюстрирует необходимость плана частотной координации для восходящей линии связи тестируемого спутника 100. Антенна 103 станции 104 тестирования излучает тестовый сигнал на не модулированной несущей частоте 310 по восходящей линии связи спутника 100. Во время приема станция 104 тестирования восстанавливает, фильтрованием, не модулированную несущую частоту, ретранслированную по нисходящей линии связи спутника 100.

Передача не модулированной несущей частоты 310 по восходящей линии связи может привести к помехам 301 на одном или нескольких соседних спутниках 300. Таким образом, необходим план частотной координации, чтобы избежать помех на частотах, используемых также другими спутниками.

Фиг. 4 иллюстрирует применение способа в соответствии с изобретением, позволяющего характеризовать передающую антенну 102 орбитального спутника 100 без генерирования и передачи тестового сигнала по восходящей линии связи спутника.

Согласно заявленному способу, на борту спутника в полезной нагрузке генерируют тепловой шум, имеющий достаточную мощность, чтобы обеспечить на входном интерфейсе передающей антенны 102 присутствие широкополосного шума по существу постоянного уровня, не зависящего от угловых отклонений спутника. Таким образом, сигнал, переданный передающей антенной 102 по нисходящей линии связи спутника, принимается антенной 103 станции 104 тестирования, затем подвергается анализу для характеризации коэффициента усиления антенны во всей зоне охвата 120, которая не ограничивается пересечением с зоной охвата принимающей антенны 101.

Станция 104 тестирования фильтрует шум 400, генерируемый на входном интерфейсе антенны 102, в заранее определенном частотном диапазоне анализа.

На фиг. 5 в виде упрощенной схемы показан пример полезной нагрузки 500 спутника, которая включает в себя принимающую антенну 501, канал приема 502, фильтр 503 канала, цепь 504 промежуточного усиления, усилитель 505 высокой мощности и передающую антенну 506. В этом составе полезная нагрузка 500 выполняет функцию ретранслятора, то есть сигнал, принимаемый через канал 502 приема, ретранслируется по нисходящей линии связи через передающую антенну 506. В примере на фиг. 5 показан только один ретранслятор, однако полезная нагрузка может содержать несколько ретрансляторов, соответствующих нескольким разным частотам приема и/или передачи.

Если никакой сигнал не принят принимающей антенной 501, полезная нагрузка 500 все же генерирует шум, который имеет две главные составляющие: первую составляющую шума от излучения Земли, передаваемого в полезную нагрузку через принимающую антенну 501 и потенциально содержащего помехи от соседних спутниковых систем, и вторую составляющую теплового шума, генерируемого самим ретранслятором, в частности цепью 502 приема.

Конфигурируя 510 цепь 504 промежуточного усиления таким образом, чтобы заставить ее работать с насыщением и вызвать, таким образом, насыщение усилителя 505 высокой мощности, можно получить достаточный уровень шума на входном интерфейсе передающей антенны 506, чтобы можно было характеризовать ее диаграмму направленности. Уровень шума, генерируемого на выходе усилителя 505 высокой мощности, должен превышать уровень шума, генерируемого антенной 103 наземной станции тестирования.

Далее следует более детальное описание примера выполнения цепи 504 промежуточного усиления и соответствующего конфигурирования для получения необходимого эффекта с целью характеризации передающей антенны 506.

Цепь 504 усиления содержит, по меньшей мере, первый усилитель 541, который позволяет регулировать уровень сигнала на выходе канального фильтра 503 для обеспечения его совместимости с динамикой контура 542 автоматического контроля коэффициента усиления, расположенного на выходе первого усилителя 541. Контур 542 автоматического контроля коэффициента усиления позволяет получить сигнал постоянного уровня на входе второго усилителя 543, который выполнен с возможностью усиления сигнала, чтобы получить необходимую рабочую точку на входе усилителя 505 высокой мощности. На выходе второго усилителя 543 имеется третий усилитель 544 для компенсации нелинейности усилителя 505 высокой мощности.

Пример цепи 504 усиления, описанной со ссылками на фиг. 5, является иллюстративным и не ограничительным. В частности, в нее можно включить другие усилители, расположенные в виде каскада. Например, контур 542 автоматического контроля коэффициента усиления может быть факультативным.

Для получения достаточного уровня шума на входе передающей антенны 506 первый и второй усилители 541, 543 конфигурированы для усиления входного сигнала с максимальным коэффициентом усиления с целью достижения работы с насыщением. Третий усилитель 544 конфигурирован для получения насыщения усилителя высокой мощности или получения достаточного рабочего уровня, который зависит от баланса связи передающей антенны и от баланса связи антенны наземной станции 103. Уровень генерируемого таким образом шума имеет высокую стабильность во времени, что позволяет осуществлять прием сигнала через нисходящий канал связи в течение времени, достаточного для осуществления измерений, необходимых для характеризации передающей антенны 506.

В варианте выполнения канал приема 502 полезной нагрузки можно отключить от принимающей антенны 501 спутника, например, соединив ее вход с входом другого канала приема (не показан). Таким образом, шум, принимаемый принимающей антенной 501, подавляется, и используют только тепловой шум, генерируемый самим ретранслятором.

Использование цепи усиления полезной нагрузки при работе с насыщением позволяет заменить тестовый сигнал, обычно генерируемый в восходящем канале связи спутника. Таким образом, способ тестирования не требует никакого специального сигнала и не зависит от характеристик и от работы принимающей антенны 501 спутника.

Способ тестирования в соответствии с изобретением включает в себя следующие этапы.

Станцию 104 тестирования, которая содержит средства приема сигнала, передаваемого по нисходящей линии связи спутника, и средства измерения и спектрального анализа этого сигнала, соединяют по нисходящей линии связи спутника.

Цепь 504 промежуточного усиления в полезной нагрузке на борту спутника конфигурируют для усиления шума ретранслятора таким образом, чтобы достичь уровня насыщения усилителя 505 высокой мощности или рабочего уровня шума, достаточного для входного интерфейса передающей антенны 506. Конфигурирование полезной нагрузки спутника осуществляет центр управления спутником, удаленный от станции тестирования.

Спектральный анализ сигнала производят, например, при помощи спектрального анализатора, конфигурируемого для выполнения фильтрации нижних частот принимаемого сигнала, чтобы сгладить уровень сигнала за счет подавления высокочастотных составляющих. В ходе временного сканирования получают несколько последовательных точек измерения.

Кроме того, спутнику задают угловое смещение относительно его контрольного направления наведения для обеспечения характеризации антенны во всей ее зоне охвата и для наблюдения изменения коэффициента усиления антенны в зависимости от времени. Управление наведением спутника тоже осуществляют из удаленного центра управления при помощи линии дистанционного управления и телеметрии.

Затем приводят в действие средства обработки сигнала, принятого станцией 104 тестирования, которые могут входить в состав станции тестирования или могут быть удаленными, чтобы произвести измерение диаграммы направленности передающей антенны спутника. Фиг.6а, 6b, 6c, 6d иллюстрируют виды обработки, производимой на принимаемом сигнале.

На диаграмме на фиг. 6 показано измерение уровня сигнала, принимаемого станцией тестирования, в децибел-милливатт (дБм) в зависимости от времени t.

На фиг. 6b в той же шкале времени, что и на фиг. 6а, показано изменение углового смещения направления наведения спутника, в градусах.

Посредством корреляции диаграмм фиг. 6а и 6b получают диаграмму фиг. 6с, которая дает уровень принимаемого сигнала в зависимости от углового смещения, задаваемого спутнику.

Фиг. 6d иллюстрирует последний этап заявленного способа, на котором изменения коэффициента усиления 603 антенны, воспроизведенного в заданном диапазоне углового изменения, сравнивают с установленным шаблоном диаграммы направленности передающей антенны спутника. Такой шаблон представляет собой, например, кривую 601 максимального коэффициента усиления и кривую 602 минимального коэффициента усиления, между которыми может колебаться измеряемый коэффициент усиления.

Изобретение относится к области связи и касается тестирования полезной нагрузки орбитального спутника, в частности характеризации передающей антенны (506) орбитального спутника (100), который содержит полезную нагрузку (500), включающую средства (504, 505) усиления сигнала, средства (504, 505) усиления конфигурируют для генерирования теплового шума на входе передающей антенны (102, 506), при помощи наземной станции (103, 104) принимают сигнал, передаваемый передающей антенной (102, 506) по нисходящей линии связи спутника (100) в течение заранее определенного времени, в течение упомянутого заранее определенного времени орбитальным спутником (100) управляют таким образом, чтобы задавать ему угловое смещение с заранее определенным изменением и регистрировать это изменение, производят корреляцию сигнала, переданного по нисходящей линии связи, и изменения углового смещения спутника, чтобы на основании этого вывести изменения коэффициента усиления передающей антенны (102, 506) в зависимости от углового смещения спутника. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ характеризации передающей антенны (102, 506) орбитального спутника (100), содержащего полезную нагрузку (500), содержащую средства (504, 505) усиления сигнала, упомянутый способ, отличающийся тем, что он состоит в том, что:

- упомянутые средства (504, 505) усиления конфигурируют для генерирования теплового шума на входе передающей антенны (102, 506),

- при помощи наземной станции (103, 104) принимают сигнал, передаваемый передающей антенной (102, 506) по нисходящей линии связи спутника (100) в течение заранее определенного времени,

- в течение упомянутого заранее определенного времени орбитальным спутником (100) управляют таким образом, чтобы задавать ему угловое смещение с заранее определенным изменением и регистрировать это изменение,

- производят корреляцию измерения сигнала, переданного по нисходящей линии связи, и изменения углового смещения спутника, чтобы на основании этого вывести изменения коэффициента усиления передающей антенны (102, 506) в зависимости от углового смещения спутника.

2. Способ характеризации по п.1, согласно которому упомянутые средства (504, 505) усиления конфигурируют для работы с насыщением.

3. Способ характеризации по п.1, согласно которому упомянутые средства (504, 505) усиления содержат первое средство (504) промежуточного усиления и второе средство (505) высокомощного усиления, при этом упомянутое средство (504) промежуточного усиления конфигурируют для усиления сигнала до заранее определенного уровня на входе второго средства (505) высокомощного усиления, при этом упомянутый уровень определяют таким образом, чтобы уровень выходного сигнала второго средства (505) высокомощного усиления превышал уровень шума, генерируемого антенной (103) наземной станции.

4. Способ характеризации по одному из предыдущих пунктов, согласно которому полезная нагрузка (500) содержит по меньшей мере одну принимающую антенну (501) и канал (502) приема и согласно которому канал (502) приема отключают от принимающей антенны (501), чтобы ограничить влияние шума, происходящего от восходящей линии связи спутника.

5. Система для характеризации передающей антенны (102, 506) орбитального спутника (100), содержащего полезную нагрузку (500), содержащую средства (504, 505) усиления сигнала, при этом упомянутая система содержит:

- средства конфигурирования упомянутых средств (504, 505) усиления для генерирования теплового шума на входе передающей антенны (102, 506),

- средства (103, 104) приема сигнала, передаваемого передающей антенной (102, 506) по нисходящей линии связи спутника (100) в течение заранее определенного времени,

- средства управления орбитальным спутником (100) в течение упомянутого заранее определенного времени, задающие ему угловое смещение с заранее определенным изменением, и средства регистрации этого изменения,

- средства корреляции измерения сигнала, передаваемого по нисходящей линии связи, и изменения углового смещения спутника с целью выведения изменений коэффициента усиления передающей антенны (102, 506) в зависимости от углового смещения спутника.