Brevet FR2681190A1 — publié le 19930312

"Système de commande de diagramme de rayonnement d'un réseau d'antennes" La présente invention se rapporte aux satellites de télécom- munications géosynchrones et, plus particulièrement, à un système à boucle fermée localement d'un type nouveau destiné à régler électri- quement le diagramme de rayonnement re-configurable d'au moins une antenne de télécommunications de vaisseau spatial afin qu'elle soit dirigée avec précision sur une zone cible éloignée particulière, même si le vaisseau spatial est réorienté par rapport à ladite zone cible. Il est maintenant bien connu d'utiliser des satellites de télé- communications placés en orbite géosynchrone autour de l'équateur de la Terre pour relayer des transmissions de signaux radioélectriques d'un point à l'autre de la Terre Il est également bien connu de prévoir divers moyens mécaniques qui maintiennent l'alignement de chacun des diagrammes de couverture des antennes des satellites sur une zone prédéterminé spécifique de Tla-terre, particulièrement-si l Ies diagrammes de rayonnement des antennes de communications sont confor- més et dirigés de manière à correspondre avec un maximum de précision à une zone prédéterminée de la surface de la terre qui est destinée à être desservie par un tel satellite De nombreuses formes de systèmes de commande du pointage des antennes de vaisseaux spatiaux ont été proposées jusqu'à-présent, par exemple celle qui est décrite par I. Brown dans le brevet US No 4 630 058, qui enseigne la réception d'au moins un signal émis par un satellite par au moins une station terres- tre située autour de la périphérie d'une zone de couverture de diagram- me de rayonnement d'antenne de télécommunications désirée située sur là Terre, de manière à fournir un signal de détection qui pourra être renvoyé au satellite, par l'intermédiaire d'une boucle de commande à distance, pour assurer la commande mécanique de l'attitude du satellite, et ainsi le déplacement du diagramme de rayonnement d'antenne, pour compenser une diminution quelconque du signal dans la zone de couver- ture Cependant, le déplacement du vaisseau-spatial dans son ensemble,à l'aide de l'une quelconque d'une pluralité de techniques dites 'à inertie' a pour effet de réduire la quantité d'énergie emmagasinée du satellite Dans la plupart des satellites de télécommunications modernes faisant appel à des antennes à diagramme de rayonnement fixe, un système de commande d'attitude (ACS) à trois axes est prévu pour diriger les antennes avec précision sur la zone de couverture de télécommunications désirée sur la Terre; le système ACS utilise typiquement des détecteurs de terre et de soleil pour assurer la détection d'attitude et des moyens de type à inertie (des roues à réaction pour corriger des erreurs d'attitude relativement faibles et la propulsion à l'hydrazine pour la correction d'erreurs plus importantes et le maintien de position en orbite) la précision typique requise étant de 0,1 degrés en roulis, tangage et lacet et de 0,1 degrés pour le positionnement en orbite En raison de ces exigences sévères, les besoins en carburant des propulseurs de correction d'attitude augmentent et ainsi, pour un satellite portant une quantité fixe de carburant, la durée de mission est réduite en conséquence et les besoins en matière de logistique de soutien terrestre en vue d'assurer la gestion des opérations en orbite en sont accrus Dans le cas d'un satellite de télécommunications commercial, la consommation accrue de carburant représente une réduction de la durée de vie et une perte financière correspondante Il est ainsi hautement désirable de proposer un nouveau moyen permettant le déplacement d'un diagramme de rayonnement d'antenne de vaisseau spatial permettant de compenser de façon continue le déplacement du vaisseau spatial et/ou sa dérive orbitale, et de maintenir le diagramme de rayonnement d'antenne dirigée avec précision sur une zone souhaitée de la Terre éloignée du vaisseau spatial, Selon l'invention, un système de commande d'un diagramme de rayonnement d'un réseau d'antennes d'une pluralité d'éléments, tous portés à bord d'un vaisseau spatial, servant à fournir et à maintenir une diagramme souhaité sur une zone présélectionnée éloignée dudit vaisseau spatial, sans déplacement physique du réseau par rapport au vaisseau spatial, même si le vaisseau spatial est ré-orienté physiquement par rapport à la zone éloignée, utilise des détecteurs, portés à bord du vaisseau spatial, pour déterminer la ré-orientation spatiale par rapport à la zone de la Terre sélectionnée, de manière à fournir au moins un signal d'erreur en réponse à une ré-orientation quelconque du vaisseau spatial; des moyens électroniques, tels qu'un système d'antennes de réseau en phase, servant à re- configurer sans inertie le diagramme de rayonnement du réseau en réponse à un ensemble de données de pointage directionnel; et des moyens de boucle locale servant à fournir lesdites données de pointage directionnel de manière à réduire au minimum les signaux d'erreur en provenance des moyens de détection et à assurer ainsi que le diagramme de rayonnement reste sensiblement fixé sur la zone de terre éloignée même si le vaisseau spatial est ré-orienté La ré-orientation due au déplacement du vaisseau spatial ou à la dérive orbitale peut être corrigée en re-configurant (en modifiant) le diagramme de rayonnement de l'antenne, par rapport au vaisseau spatial, sur un angle situé à l'intérieur d'un cône quelconque d'angles de réorientation maximale Des moyens de type à inertie peuvent prévus pour déplacer l'ensemble du vaisseau spatial pour obtenir une ré-orientation grossière à travers des angles supérieurs à l'angle de direction sans inertie le plus important des antennes de réseau en phase En réglant le diagramme de rayonnement électroniquement de cette manière, au lieu de déplacer le vaisseau spatial avec inertie, il est plus facile d'obtenir la zone de couverture ou "empreinte" sur la Terre de l'antenne spécifiée sur une plus large gamme d'attitudes et de déplacements orbitaux du vaisseau spatial. Dans le mode de réalisation couramment préféré, une antenne de réseau en phase est utilisé en association avec un dispositif de commande de faisceaux qui réagit également à des commandes reçues à partir d'un emplacement éloigné, tel qu'une station de commandement terrestre, de sorte qu'une commande de correction destinée à tenir compte de la dérive orbitale, qui est mesurée normalement à l'aide de systèmes de poursuite terrestre, puisse être transmise directement au dispositif de commande de faisceaux en vue de son exécution directe, ce qui permet de réduire la consommation de carburant relativement importante normalement requise pour effectuer des corrections pour tenir compte de la dérive nord-sud (transéquatoriale). La présente invention a donc pour objet de proposer un système de commande de diagramme de rayonnement pour antennes de vaisseaux spatiaux de type nouveau dans lequel un système de commande à boucle locale est utilisé pour assurer la re- configuration sans inertie d'un diagramme de rayonnement d'un réseau d'antennes de manière à faire maintenir le diagramme de rayonnement sur une zone présélectionnée éloignée du vaisseau spatial même si le vaisseau spatial est ré-orienté physiquement par rapport à cette zone éloignée. Cet objet, ainsi que d'autres objets de la présente invention apparaîtront clairement maintenant à l'homme de l'art à la lecture de la description détaillée suivante, prise en conjonction avec le dessin annexe. La figure unique est un schéma fonctionnel d'un vaisseau spatial doté d'un système de commande de diagramme de rayonnement d'antenne selon la présente invention, et de la relation entre le vaisseau spatial et la zone de couverture présélectionnée sur la Terre. On se réfère maintenant à la figure unique, sur laquelle une partie du vaisseau spatial 10 porte au moins un moyen 11 formant antenne de communications, qui présente un diagramme de rayonnement lla qui est susceptible d'être re-configuré (c'est-à-dire dirigé) suivant n'importe quel angle a à l'intérieur d'un cône d'angles donné par un angle de direction maximal aulx par rapport à une ligne normale à la surface du réseau, de manière à fournir un diagramme llb de rayonnement d'antennes réel qui est dirigé sur une zone 12 éloignée désirée, telle que les Etats-Unis continentaux (CONUS) sur la Terre A l'aide d'une antenne de réseau en phase ayant une pluralité de canaux, ou éléments, 11-1 à 11- n, chacun recevant des données de réglage de phase individuelles et étant utilisé en association avec une ligne 11 RF de signaux radio-fréquence commune, il est possible d'établir aussi bien le diagramme de rayonnement que la direction du faisceau llb re- configurable Comme illustré, le satellite géosynchrone est doté d'un transpondeur 14 ayant sa propre antenne 14 a pour recevoir des signaux 14 b en provenance de stations terrestres (non représentées) et pour fournir un signal reçu sur le bus 11 RF d'entrée d'antenne. L'angle de rayonnement du faisceau llb est établi par les retards ei 1 de phase individuels pour chacun des 1 Éi N canaux de réseau, en réponse aux données de phase de canal individuelles fournies au niveau d'une porte 11} de données, à partir d'une sortie 16 a d'un moyen 16 formant dispositif de commande de faisceaux Le moyen 16 formant dispositif de de commande de faisceaux coopère avec les déphaseurs de réseau pour assurer la re-configuration sans inertie du diagramme de rayonnement d'antenne par rapport au vaisseau spatial physique Ainsi, le moyen formant dispositif de commande de faisceaux va convertir des signaux au niveau d'une entrée 16 b du moyen formant dispositif de commande de faisceaux en données de phase de sortie assurant l'exécution d'une instruction de commande d'un actionneur de l'entrée 16 b Le signal de commande d'actionneur est fourni à partir de sources locales ou éloignées par l'action d'un premier moyen 18 de commutation, recevant un signal local au niveau d'une première borne 18 a sélectionnable et recevant un signal de commande émis à distance au niveau d'une seconde borne 18 a sélectionnable, en vue d'un raccordement sélectionnable à une borne 18 c commune (couplée à l'entrée 16 b du moyen formant dispositif de commande de faisceaux) en réponse à l'état d'un signal de sélection au niveau d'une entrée 18 d de sélection. Les signaux de commande d'actionnement locale sont fournis au niveau de la sortie 20 a d'un moyen 20 de traitement de faisceaux qui reçoit des signaux d'erreur ACS au niveau d'une entrée 20 b de celui-ci, et qui assure tout traitement de signaux nécessaire pour convertir le format de signal de sortie ACS au format requis pour signaux de commande d'actionnement au niveau de l'entrée 16 b du dispositif de commande de faisceaux Les signaux de sortie ACS destinés au réseau en phase apparaissent au niveau d'une première borne 24 a sélectionnable d'un second moyen 24 de commutation, ayant une seconde borne 24 b sélectionnable fournissant des signaux ACS à un système 26 de correction de type à inertie Le signal de sortie ACS est fourni à une borne 24 c commune du second moyen de commutation, borne qui est reliée de manière sélectionnable à des première ou seconde bornes 24 a/24 b sélectionnables en réponse à l'état d'un signal de sélection de mode au niveau d'une entrée 24 d de commutation de mode Un moyen 28 électronique du système de commande d'attitude a une première entrée 28 a recevant le signal de sortie en provenance d'au moins un moyen 30 de détection de la Terre et une seconde entrée 28 b recevant le signal de sortie en provenance d'au moins un moyen 32 de détection du soleil En réponse aux signaux de sortie des détecteurs 30 et 32, le moyen 28 électronique du système de commande d'attitude calcule le signal de sortie ACS, contenant des informations d'erreurs de pointage, et fournit ce signal à partir d'une sortie 28 c du moyen à la borne 24 c commune du second moyen de commutation Tant que la valeur du signal de pointage correspond à un angle a de décalage d'erreur inférieur à l'angle emax de direction du réseau en phase, le moyen 28 fournit un signal au niveau d'une sortie 28 d auxiliaire qui est d'un premier niveau logique binaire, ce qui a pour effet que le moyen 24 de commutation relie la borne 24 c commune à la borne 24 a sélectionnable du réseau en phase, de sorte que le système à boucle fermée locale re- configure (dirige) de façon constante le diagramme de rayonnement du réseau pour compenser le déplacement du vaisseau spatial et pour maintenir le diagramme de rayonnement désiré sur la zone 12 de la Terre présélectionnée Au cas o les détecteurs détectent une ré- orientation du vaisseau spatial de valeur supérieure à l'angle du cône de direction maximal, l'autre état binaire du signal est fourni au niveau de la sortie 28 d, pour entraîner l'actionnement du moyen 24 de commutation de manière à relier la borne 24 c commune du commutateur à la borne 24 b du commutateur et à modifier avec inertie la position du vaisseau spatial pour compenser la modification importante du déplacement précédemment subie On comprendra que, étant donné que le système de commande à inertie n'est utilisé que pour assurer les modifications grossières, les modifications plus fines étant prises en charge électriquement au niveau du système 15 de réseau d'antennes re- configurable à boucle fermée locale sans inertie, la quantité d'énergie qui est perdue dans le système à inertie est diminuée, ce qui permet au vaisseau spatial de rester en station pendant une période de temps plus longue, grâce à la réduction de la consommation de carburant requise. Le système 15 à boucle fermée locale peut être mis hors service temporairement, par l'actionnement du commutateur 18 en réponse à un signal de commande fourni au niveau d'une sortie 22 a d'un moyen 22 formant récepteur de commande terrestre, de manière à transmettre des données de commande terrestre, fournies au niveau d'une autre sortie 22 b, à la borne 18 b éloignée du premier moyen 18 de commutation Les données de commande terrestres sont fournies en réponse à des signaux 22 c reçus au niveau de l'antenne 22 d du récepteur de commande terrestre, d'une manière bien connue de l'art. L'utilisation de la commande à distance permet la correction de la dérive orbitale par le système normal servant à mesurer une telle dérive à l'aide du système de poursuite terrestre et de l'envoi de commandes de correction au vaisseau spatial. Comme représenté, la dérive orbitale est illustrée comme présentant une valeur suffisamment faible pour être corrigée par l'introduction d'un angle d'inflexion de direction dans le moyen 16 formant dispositif de commande de faisceaux, angle d'inflexion qui est utilisé de manière continue dans le réseau en phase, afin d'effectuer des corrections pour tenir compte de la dérive nord-sud Quoique cela ne soit pas illustré, il est possible de re-configurer le système ACS en vue de relier les informations de correction de dérive orbitale au moyen 28 électronique du système ACS, aux fins de correction de type à inertie de la manière bien connue de l'art de la commande des satellites. Bien qu'un mode de réalisation actuellement préféré du nouveau système de commande de diagrammes de rayonnement pour vaisseaux spatiaux ait été représenté et décrit d'une manière assez détaillée dans ces présentes, de nombreuses variantes et modifications seront maintenant évidentes pour l'homme de l'art En particulier, on comprendra que le système puisse s'appliquer aussi bien aux antennes d'émission qu'aux antennes de réception et qu'il puisse être utilisé en association avec plusieurs réseaux d'antennes d'émission et/ou réception simultanément, même dans les cas o chaque réseau est dirigé sur une zone 12 d'intérêt éloignée différente. REVENDICATIONS 1 Système de commande d'un diagramme de rayonnement (lia) d'un réseau d'antennes comportant une pluralité d'éléments ( 11-1 à lin), tous portés à bord d'un vaisseau spatial, servant à fournir et à maintenir un diagramme souhaité sur une zone présélectionnée ( 12) éloignée dudit vaisseau spatial, sans déplacement physique du réseau par rapport au vaisseau spatial, même si le vaisseau spatial est ré-orienté physiquement par rapport à la zone éloignée, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 30, 32) portés à bord dudit vaisseau spatial pour détecter une ré-orientation du vaisseau spatial par rapport à la zone présélectionnée, en vue de fournir au moins un signal d'erreur en réponse à une ré-orientation détectée quelconque; des moyens ( 16) servant à reconfigurer sans inertie le diagramme de rayonnement du réseau en réponse à un ensemble de données de pointage directionnel; et des moyens ( 15) de boucle locale servant à fournir lesdites données de pointage directionnel de manière à réduire au minimum ledit signal d'erreur en provenance desdits moyens de détection pour assurer que ledit diagramme de rayonnement du réseau reste sensiblement fixé sur la zone éloignée même si ledit vaisseau spatial est ré-orienté. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit diagramme de rayonnement du réseau d'antennes est dirigé électroniquement. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens ( 15) de boucle locale comprennent des moyens servant à faire varier un paramètre du signal appliqué à chaque élément du réseau d'antennes en réponse à une donnée associée de l'ensemble de données de pointage, pour entraîner le déplacement spatial du diagramme de rayonnement du réseau d'antennes. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le paramètre est la phase et chaque élément dudit réseau d'antennes a un dispositif de déphasage variable qui y est couplé fonctionnellement et qui est commandé individuellement par une donnée associée de l'ensemble de données de pointage. 5 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent en outre des moyens servant à recevoir des commandes émises à distance pour re-diriger le diagramme du réseau d'antennes. 6 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit vaisseau spatial contient également des moyens ACS (système de commande d'attitude) ( 28) servant à stabiliser le vaisseau spatial le long d'une pluralité d'axes; et des moyens pour permettre aux moyens de stabilisation ACS de déplacer le diagramme de rayonnement si la valeur du signal d'erreur dépasse un niveau prédéterminé. 7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens ACS constituent un sous-système de stabilisation à trois axes. 8 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens ACS comprennent des éléments rotationnels et des moyens réactifs pour propulser le vaisseau spatial. 9 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le vaisseau spatial est un satellite géosynchrone. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de détection détectent la dérive nord-sud du satellite, et ladite dérive est corrigée par l'action desdits moyens de boucle locale.