Brevet FR2629642A1 — publié le 19891006

Les stations terriennes de télécommunications communiquent avec les satellites géo-stationnaires par l'intermédiaire d'antennes de diamètre variable (jusqu'à 32 mètres). Pour assurer une bonne communication, ces antennes doivent être pointées sur une balise émettrice installée sur Le satellite et émettant en permanence un signal constant. - Etant donné que d'une part le satellite dérive lentement au cours du temps et que d'autre part la structure de l'antenne est soumise au vent, il est nécessaire de prévoir un système de repointage automatique, pilotant une motorisation électrique des arbres élévation et azimut de l'antenne. On connaît des dispositifs susceptibles d'assurer le repointage des antennes. Une première solution consiste à réaliser un système élaborant un signal électrique proportionnel à l'écart entre l'axe d'incidence du sa- tellite et l'axe de visée de l'antenne, et ceci de manière indépendante sur l'arbre azimut et l'arbre élévation. Ce système porte le nom de "Monopulse". Il reste alors à agir sur la motorisation en fonction de ce signal d'écart. La fonction de repointage est réalisée par une commande proportionnelle complétée par un filtrage approprié. Cette solution est techniquement irréprochable: l'erreur de poin- tage est nulle en moyenne, et l'effet des rafales de vent est sensible- ment divisé par 2. Toutefois, le coût de l'écartrométrie est élevé, et comme par ailleurs la technologie actuelle permet de diminuer le diamè- tre des antennes (et donc leur prix), iL semble que cette technique soit condamnée à terme, pour des questions économiques. Une seconde solution consiste à réaliser industriellement divers algorithmes de détection de la position optimale. IL s'agit en général de recherches par pas ou "Step-Tracking". Le processus alterne des éta- pes de déplacements et d'arrêts pendant lesquels Le signal reçu est analysé afin de définir au mieux Le déplacement suivant. On peut aussi utiliser une méthode un peu différente, reposant sur la dérivée par rapport au temps du signal reçu. L'antenne avançant suivant un axe à vitesse constante, le signal reçu est dérivé par un filtrage numérique. Tant que la dérivée est positive, on continue d'avancer dans La même - direction. Lorsque la dérivée devient négative, le mouvement s'arrête et l'antenne repart en sens inverse avant d'explorer l'autre axe. Ce procédé fait L'objet du brevet d'invention déposé le 8 janvier 1980 sous le numéro 80.00324. Les solutions actuelles posent toutefois quelques problèmes. On a vu que l'antenne était soumise au vent, qui peut avoir un ef- fet considérable sur une structure légère de grand diamètre compte-tenu des précisions demandées (quelques dizaines de millidegrés). Les déci- sions de déplacement doivent s'effectuer malgré un dépointage aléatoire dû au vent. D'autre part -et c'est le problème le plus délicat- le si- gnal de balise peut être très perturbé lors de sa traversée de l'atmos- phère, c'est-à-dire que sa valeur théoriquement constante varie en fait de manière considérable dans le temps. Dans les cas extrêmes, l'amplitu- de du bruit peut être 100 fois plus forte que celle du signal utile. Les algorithmes de recherche de maximal par déplacements successifs sont alors tous plus ou moins mis en difficulté du fait qu'ils ne peuvent discerner si la variation du signal enregistré est due au déplacement de l'antenne ou à la perturbation atmosphérique. Les perfectionnements qui font l'objet de la présente invention visent à remédier à ces inconvénients et à permettre la mise au point d'un procédé de repointage qui réponde mieux que jusqu'à présent aux desiderata de la technique. A cet effet le procédé suivant l'invention consiste: - à appliquer une modulation ou excitation périodique à l'axe radio-électrique de réception du signal de la balise du satellite (S); - à multiplier le signal de balisage enregistré (Sr), celui-ci contenant alors une composante périodique due à l'application de ladite modulation périodique par un signal sinusoidal de même fréquence et même phase que le mouvement de l'axe; - à filtrer le résultat afin d'éliminer toutes les fréquences supérieures ou égales à celle de la modulation périodique, afin d'en déduire une estimation du dépointage dudit axe radio-électrique; - à traiter le produit filtré (Scc) de manière à déduire la direction dans laquelle l'antenne doit être repointée; - et à repointer l'antenne en agissant sur sa motorisa- tion en fonction de l'estimation du repointage. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer: Fig. 1 est un schéma par blocs illustrant le procédé suivant l'invention. Fig. 2 montre la courbe d'action du vent sur l'antenne. Fig. 3 indique un repointage avec l'ancienne méthode, la cour- be en traits pleins illustrant le repointage de l'axe "azimut" avec vent et celle discontinuele repointage de L'axe "'élévation" sans vent. Fig. 4 illustre le résultat du repointage par application du procédé suivant l'invention, la courbe en traits pleins illustrant le repointage de l'axe "azimut" avec vent et celle en traits discontinus celui de l'axe "élévation" sans vent. Il faut tout d'abord noter que l'axe radioélectrique de l'antenne 1 coïncide normalement avec son axe de symétrie géométrique et avec son arbre de commande 2a. En supposant que la balise du satellite S émette un signal constant SO, la station terrienne, c'est-à-dire l'antenne 1, reçoit en fait So+b(t), b(t) étant le bruit aléatoire de propagation variable en fonc- tion du temps.,C'est ce signal que reçoit L'antenne 1 si elle est poin- tée. Si elle est légèrement dépointée d'un angle Ae en élévation et Aa en azimut, elle enregistre le signal atténué: 2 2 Sr - So + b(t) - K (Ae + Aa) K est un coefficient constant dépendant entre autres grandeurs physiques du diamètre, et de la fréquence de réception de l'antenne. Le procédé suivant l'invention, illustré par le diagramme par blocs de la fig. 1, consiste à imposer tout d'abord un mouvement sinuso1dal d'excitation de fréquence w et d'amplitude Ao connues à l'axe radio électrique la de l'antenne 1, par exemple par l'intermédiaire du moteur 2 de commande de l'arbre 2a de l'élévation de cette antenne, ou encore sur le moteur de l'arbre de commande de sa rotation. On a donc la formule: A'e = Ae + Ao cos (wt) dans laquelle Ae est le dépointage réel. L'antenne reçoit ainsi le signal: Sr = So + b(t) - K((Ae + Ao cos(wt))2 + Aa2) Le signal reçu est ensuite multiplié par un signal périodique tel que cos (wt), quiestun mouvement sinuqoidal de même fréquence et de même phase que le signal appliqué à l'axe cité plus haut, dans un multiplica- teur 3 de sorte qu'il devient: Sw = Sr cos(wt) soit en remplaçant Sr par sa valeur ci-dessus: Sw=(So+b(t)-K (Ae2+Aa2)cos(wt)-2KAe Ao cos2 (wt) kAo2cos3(wt) On sait que 2 cos (wt) = cos(2wt) + 1. Si L'on fait l'hypothèse que b(t) ne contient pas de termes en cos(wt), le seul terme indépendant de w ou 2w dans l'expression ci-dessus est: Scc = - KAeAo On peut accéder à cette composante continue en filtrant Sw dans un filtre 4 qui élimine toutes les fréquences supérieures ou égales à la fréquence d'excitation. Il peut s'agir d'un filtre passe-bas d'un type quelconque (récursifs non récursif; moyenneur...). On obtient ainsi ladite valeur Scc qui est modifiée dans un correcteur 5 pour obtenir un signal de décalage Sd = H(Scc), H étant la fonction de transfert du filtre. En l'absence de vent, Scc est constant, malgré la perturbation b(t). Dans le cas contraire, l'estimation est valable en régime transi- toire, dans la limite de la bande passante du filtre. On arrive ainsi à séparer des variations du signal de balise dues aux perturbations atmos- phériques, de celles dues au mouvement de l'antenne. Il est possible d'estimer le dépointage de l'antenne en appliquant un mouvement périodique Spp par exemple Sin(wt) sur chaque moteur suc- cessivement. Si les moteurs sont pilotés en vitesse (cas de la figure o le moteur 2 reçoit une consigne de vitesse Cv), il faut ajouter algébriquement par le sommateur 6 au signal périodique particulier Spp la composante Sd définie ci-dessus. La valeur moyenne de la vitesse n'est alors pas nulle et l'antenne se repointe. S'ils sont pilotés en position le correcteur 5 doit contenir une action intégrale de manière que la somme algébrique du signal Sd qui en sort et du signal Spp dans le sommateur 6 évolue tant que Scc n'est pas nul. On réalise alors une sorte d'asservissement qui peut très bien être complété par l'adjonction de filtres correcteurs tels qu'une action dérivée par exemple. Ainsi, même une estimation peu précise de Scc suffit à indiquer le sens du re- pointagedu dispositif. Par ailleurs, les deux axes peuvent très bien être traités simul- tanément, les excitations étant à des fréquences différentes par exemple de 1 à 1,5, ou simplement déphasées de 90 . Le choix de la fréquence d'excitation est guidé par l'analyse sui- vante: plus la fréquence est éLevée, plus vite on arrive à extraire Scc, et plus efficace est la réaction aux perturbations. D'un autre côté, dans le cas o la perturbation se réalise par motorisation la structure de l'antenne possède des fréquences de résonances qu'il n'est pas souhaitable de dépasser. En effet- le système oscillant représenté 1C par l'antenne transmet un signal sinuso*dal sans atténuation et sans déphasage, si la fréquence du signal est inférieure à sa fréquence d'excitation la plus basse (premier mode). Si la fréquence est supérieure à celle du premier mode, on constate un déphasage de 180 entre l'entrée et la sortie (en l'occurence la position du moteur et la position de l'antenne), et par ailleurs l'amplitude de l'entrée est rapidement atténuée. En conséquence, il convient de choisir une fréquence d'excitation inférieure à la fréquence du-premier mode. On peut cependant profiter de l'effet d'amplification du signal au voisinage de la résonnance, en l'approchant par valeurs inférieures diminuant ainsi l'amplitude des oscillations de vitesse. Les fréquences d'excitation des deux arbres peuvent différer de quelques dixièmes d'Hertz. Pour illustrer les performances de la nouvelle méthode, on a uti- lisé une simulation numérique utilisant des enregistrements de perturba- tions réelles. Au début du calcul, l'antenne est dépointée de +40 milli- degrés en élévation, et de -40 millidegrés en azimut. La position de l'antenne est telle que l'azimut est soumis au vent représenté en fig. 2. La fig. 3 indique un repointage avec l'ancienne méthode. La fig. 4 illustre le résultat de repointage avec le procédé sui- vant l'invention appliqué simultanément sur les deux arbres avec la même fréquence d'excitation de 2 Hz. L'écart entre les signaux est comblé immédiatement et l'antenne reste pointée suffisamment. D'autres simulations ont montré que la méthode était encore réali- sable en imposant une loi de vitesse en créneaux, ou plus généralement périodique. Le coût de l'appareillage pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention est de quatre à cinq fois inférieur à celui du procédé "Monopuise" précité, pour une précision de repointage sensiblement équivalente. Il doit d'aiLLeurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne Limite nullement le domai- ne de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. Par exemple, le dépointage périodique de l'axe radio électrique peut se faire de multiples façons, le déplacement mécanique n'étant qu'une solution parmi d'autres. L'on pourrait ainsi appliquer l'excitation périodique de l'axe radio électrique de l'antenne 1 mécaniquement en agissant sur le guide d'ondes ou émetteur-récepteur la propre à créer le signal périodique perturba- teur Spp. On peut aussi effectuer cette excitation périodique en en- voyant des impulsions périodiques de manière électronique sur le guide d'ondes la sans que celui-ci ne bouge, une telle émission d'impulsions étant réalisée suivant une méthode bien connue des techniciens en la matière. En particulier, il va de soi que l'invention se rapporte aussi à l'appareillage pour mettre en oeuvre le procédé décrit. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de repointage automatique des antennes de téLécommunica- tion, comportant deux liaisons mécaniques ou arbres de commande en azimut et en élévation, caractérisé en ce qu'il consiste: - à appliquer une modulation ou excitation périodique à l'axe radio-électrique de réception du signal de la balise du satellite (S); - à multiplier le signal de balisage enregistré (Sr), celui-ci contenant alors une composante périodique due à l'application de ladite modulation périodique, par un signal sinusoidal de même fréquence et même phase que le mouvement de l'axe; - à filtrer (en 4) le résultat afin d'éliminer toutes les fréquences supérieures ou égales à celle de la modulation périodique; afin d'en déduire une estimation du dépointage dudit axe radio-élec- trique; - à traiter le produit filtré (Scc) en (5) de manière à déduire la direction dans laquelle l'antenne (1) doit être repointée; - et à repointer l'antenne (1) en agissant sur sa motorisa- tion en fonction de l'estimation du repointage. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il con- siste à appliquer une excitation périodique simultanément sur les deux arbres de commande de l'antenne soit avec la même fréquence et un dépha- sage de 900 , soit avec des fréquences différentes. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il con- siste a appliquer au produit filtré (Scc) une amplification (H) dans un amplificateur (5) et, ensuite à sommer le signal obtenu (Sd = H Scc) à l'excitation périodique (Spp) du moteur (2) dans un sommateur (6) de ma- nière à provoquer le repointage de l'antenne, si les moteurs sont pilo- tés en vitesse. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il con- siste à appliquer au produit filtré (Scc) une action intégrale de maniè- re que la somme algébrique du signal '(Sd) qui sort de (5) et qui's'ajou- te au signal (Spp) dans le sommateur (6), évolue tant que (Scc) n'est pas nul lorsque le pilotage de l'antenne se fait en position. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer l'excitation périodique à l'axe radio-électrique de réception de l'antenne (1) par application d'un mouvement mécanique au guide d'ondes (1a) de l'antenne (1). 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il con- siste à appliquer l'excitation périodique à L'axe radio-électrique de réception de l'antenne (1) en envoyant des impulsions périodiques de manière électronique sur le guide d'ondes (1ta) sans que celui-ci ne bouge. 7. Appareillage, caractérisé en ce qu'il est destiné à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quetconque des revendications i à 6.