(57)【要約】      （修正有）【課題】衛星用アンテナシステムにおいて位相偏差を低減する方法を提供する。【解決手段】アンテナシステムは、少なくともスポットビームを受信および／または放射するように構成されている。アンテナシステムは、反射鏡２と、放射モードにおいては前記反射鏡２を照射するようにおよび／または受信モードにおいては前記反射鏡２からの照射を受信するように構成された複数のフィードを備えるアレイフィード１と、アレイフィード１に対して反射鏡２の位置を調整するように構成されたトリミングシステム３とを備え、スポットビームにおける位相偏差を補正するために前記アレイフィード１に対して前記反射鏡２の位置を調整するステップを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
衛星用アンテナシステムにおいて位相偏差を低減する方法であって、前記アンテナシステムは、少なくともスポットビームを受信および／または放射するように構成されており、前記アンテナシステムは、
反射鏡（２）と、
放射モードにおいては前記反射鏡（２）を照射するように、および／または受信モードにおいては前記反射鏡からの照射を受信するように構成された複数のフィードを備えるアレイフィード（１）と、
前記アレイフィード（１）に対して前記反射鏡（２）の位置を調整するように構成されたトリミングシステム（３）と、を備え、
前記方法は、スポットビームにおける位相偏差を補正するために前記アレイフィードに対して前記反射鏡の位置を調整するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記アンテナシステムは、前記フィードのそれぞれの励起係数を制御するように構成された制御システム（５）を備え、
前記フィードのそれぞれの励起係数を調整することによって位相偏差を補正するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アンテナシステムは、地球表面に対して公称位置のスポットビームを放射および／または受信するように構成されており、
前記アンテナシステムによって放射および／または受信されたスポットビームの現在位置と前記公称位置との間のオフセットを検出するステップと、
前記アンテナシステムによって放射および／または受信された前記スポットビームの位相偏差の影響を低減するために前記アレイフィードに対して前記反射鏡の位置を調整するステップと、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記アンテナシステムは、地球表面に対して公称位置のスポットビームを放射および／または受信するように構成されており、
選択された方向および形状の少なくとも２つのビームを前記反射鏡で形成するために放射素子の振幅および位相を制御するステップと、
少なくとも１つのビームがその公称位置からそれていることを検出するステップと、
前記ビームが性能基準に従って動作する前記反射鏡の位置を見出すために前記反射鏡の位置を調整するステップと、を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記アンテナの焦点から離れているビームに起因する走査損失を補償するために、前記反射鏡の位置が調整されており、少なくとも２つのビームが位相および振幅において均等に重みづけされていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記アンテナシステムは、少なくとも２つのスポットビームを放射および／または受信するように構成されており、
公称性能の第１のビームを形成するために前記反射鏡の位置を調整するステップと、
少なくとも第２のビームの走査損失を補償するために前記フィードの位相および振幅を調整するステップと、を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
選択された幅を有する少なくとも１つのビームを形成するために前記反射鏡の位置が調整されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つのビームの幅を制御するために前記反射鏡が前記反射鏡の焦点軸に沿っ
て移動されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
選択された利得を有するビームを形成するために前記反射鏡の位置が調整されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイフィードを有する再構成可能なマルチビーム衛星反射鏡アンテナにおいて位相偏差（phase aberration）を低減する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許公報６，３９２，６１１号は、通信システムを搭載している軌道周回宇宙船で使用するためのアレイ給電型マルチビームアンテナシステムおよびその方法を記載している。アンテナシステムは、反射鏡と、反射鏡に比べて比較的小さなアレイフィードとを含んでいる。アレイフィードは、反射鏡を照射し、反射鏡の焦点面に配置されている放射器を備える複数のフィードを有する。電力分割回路はフィードの放射器を励起する。アンテナシステムは非常に広範囲の走査角動作を行うことができ、同期軌道宇宙船から観察される地球の表面上に渡る範囲でマルチスポットビームを提供するために用いられてもよい。走査に通常関連する位相偏差は、各アレイフィードの励起係数を調整することによって補正される。
【０００３】
しかしながら、既知のシステムは、放射ビームの最適な性能が達成されず、十分に正確ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、再構成可能なマルチビームアンテナにおいて位相偏差の影響および走査損失を低減することができる方法を提供することを目的としている。
【０００５】
その目的のために、本発明は衛星用アンテナシステムにおいて位相偏差を低減する方法を提案する。このアンテナシステムは、少なくともスポットビームを受信および／または放射するように構成されており、
このアンテナシステムは、
−  反射鏡と、
−  放射モードにおいては反射鏡を照射するように、および／または受信モードにおいては反射鏡からの照射を受信するように構成された複数のフィードを備えるアレイフィードと、
−  アレイフィードに対して反射鏡の位置を調整するように構成されたトリミングシステムと、を備えており、
この方法は、スポットビームにおける位相偏差を補正するためにアレイフィードに対して反射鏡の位置を調整するステップを有する。  
【０００６】
振幅および位相を制御すること、および位相偏差の影響や信号の走査損失を低減することにおいて、本方法は地球の表面上に放射される電力、従ってシステムの性能の形態を、決定し、改善することを可能にする。アンテナの相互依存に起因して、アンテナのこの制御は、また、地球からアンテナによって受信される信号の受信を改善することも可能にする。
【０００７】
本発明の第１の観点による方法は、個別に、または技術的に可能な組み合わせの全てに関して、以下の特徴の１または複数を有してもよい。
【０００８】
好ましくは、アンテナシステムは、フィードのそれぞれの励起係数を制御するように構
成された制御システムを備えてもよく、方法はさらにフィードのそれぞれの励起係数を調整することによって位相偏差を補正するステップを含む。
【０００９】
励起係数は、好ましくは、フィードのそれぞれの振幅および／または位相である。
【００１０】
好ましくは、アンテナシステムは、地球表面に対して公称位置のスポットビームを放射および／または受信するように構成されており、方法は以下のステップを有する。
−  アンテナシステムによって放射および／または受信されたスポットビームの現在位置と公称位置との間のオフセットを検出するステップと、
−  アンテナシステムによって放射および／または受信されたスポットビームの位相偏差の影響を低減するためにアレイフィードに対して反射鏡の位置を調整するステップと、を有する。
【００１１】
その影響を低減するために、好ましくは、詳細なステップで反射鏡が移動されるにつれて性能が改善されるフィードバック・ループが用いられる。位置は、それ以上の改善が可能でなくなったときに設定される。
【００１２】
アンテナシステムによって生成されるビームの振幅および位相は、好ましくは、地球の表面に位置する３つの地上端末によって検出されて処理される。距離をおいて離れているこれらの端末は、地球上のビーム位置を正確に連係させ、「三角法で測る」ように用いられる。アンテナからの信号は、そのとき、更なる改善ができない最適条件に信号が調整されるまで、本発明の第１の観点による方法での地上局からの命令によって調整される。
【００１３】
反射鏡は、好ましくは、トリミング機構の調整能力の範囲内で一定のオフセットを複数にわたって走査する。
【００１４】
好ましくは、アンテナシステムは、地球表面に対して公称位置のスポットビームを放射および／または受信するように構成されており、方法はさらに以下のステップを有する。
−  選択された方向および形状の少なくとも２つのビームを反射鏡で形成するために放射素子の振幅および位相を制御するステップと、
−  少なくとも１つのビームがその公称位置からそれていることを検出するステップと、
−  そのビームが性能基準に従って動作する反射鏡の位置を見出すために反射鏡の位置を調整するステップと、を有する。
【００１５】
反射鏡の位置、例えばビームが性能基準を用いて最高の対応性能で動作する反射鏡の位置は、好ましくは、２またはそれを越えるビームの最高の妥協性能を見出すためにトリミング機構の精度を用いて調整される。
【００１６】
別の実施形態によれば、性能基準は、幅および／または利得であってもよい。
【００１７】
１実施形態によれば、アンテナの焦点から離れているビームに起因する走査損失を補償するために、反射鏡の位置が調整されており、少なくとも２つのビームが位相および振幅において均等に重みづけされている。
【００１８】
２以上のビームが存在するのでビームの最適な性能が達成されるアンテナの焦点から本質的に離れるために、各ビームが最適な照準などから離れるにつれて性能を補償するようにマルチビームが均等に重みづけされてもよい。フィードアレイの振幅および位相は、地球表面上にビームを位置付けるようにビームを励起する。トリミング機構は、そのとき、反射鏡の焦点および照準から離れているビームに起因する走査損失を補償するために、ビ
ームの性能を最適化させるように用いられる。利得または性能指標は、他（のビーム）が存在しているなかで、全てのビームがそれらの最大の能力を発揮するまで監視される。
【００１９】
別の実施形態によれば、アンテナシステムは、少なくとも２つのスポットビームを放射および／または受信するように構成されており、方法は、以下のステップを有する。
−  公称性能の第１のビームを形成するために反射鏡の位置を調整するステップと、
−  少なくとも第２のビームの走査損失を補償するためにフィードの位相および振幅を調整するステップと、を有する。
【００２０】
１つまたは複数のビームは、ビームの最大値が維持されるピーク制御によって条件付きで重みづけされる。第１のビームのピーク性能は、反射鏡の位置の調整によって達成される。後続のビームの振幅および位相は、他のビームを形成しながらも、第１のビームの性能を維持するために調整される。反射鏡の微調整が、それ以降、妥協性能を補償するため、および他のビームの利得を最大化するために利用される。
【００２１】
同様にビームは、ビームの最小制御によって条件付きで重み付けされる。性能の最小しきい値は、他のビームを形成しながらも、アンテナアレイの振幅と位相成分の調整を通して達成された第１のビームのために利用される。反射鏡の微調整は、典型的にはビームのアンテナ利得の観点から、それ以降、第１のビームのこの最小のレベルを維持しながらビームの妥協性能を補償するために利用される。
【００２２】
別の実施形態によれば、
−  選択された幅を有する少なくとも１つのビームを形成するために反射鏡の位置が調整されてもよい。反射鏡は、少なくとも１つのビームの幅を制御するために、好ましくは反射鏡の焦点軸に沿って移動される。
−  選択された利得を有するビームを形成するために反射鏡の位置が調整される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】１実施形態による方法が適用可能なアンテナシステムを示す。
【図２】１実施形態による方法が適用可能な別のアンテナシステムを示す。
【図３】１実施形態による方法が適用可能な別のアンテナシステムを示す。
【図４ａ】図３のアンテナシステムによって放射された３つのビームを図式的に示す。
【図４ｂ】図３のアンテナシステムによって放射された３つの別のビームを図式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、宇宙船に設けられた通信システムに使用されるように設計されたアンテナシステムを示す。アンテナシステムは、反射鏡２およびアレイフィード１を備える。アレイフィード１は、放射モードにおいては反射鏡を照射するように、および／または受信モードにおいては反射鏡からの照射を受信するように構成された複数のフィードを含んでいる。アンテナシステムは、また、放射モードにおいてはそれぞれのフィードを励起するように構成され、および／または、受信モードにおいてはそれぞれのフィードの励起を受信するように構成された制御システムを備える。制御システムは、フィードのそれぞれの励起係数を制御するように構成されている。それ（制御システム）は、そのとき、フィードのそれぞれの振幅および位相を制御することができる。
【００２５】
送信の際に、フィードは、マルチスポットビームを生成するために、反射鏡にエネルギーを放射するように構成されている。アレイフィード１は、そのとき、反射鏡によって地球表面上に投影される１または複数のスポットビームを形成するように構成されている。
スポットビームは、フィードアレイの適切な位置決めおよび個別のスポットビームに関連した振幅および位相分布を制御することにより、関心領域を横切って走査される。フィードによって生成された振幅および位相分布を制御することにより、非常に広いカバー領域に渡るマルチビームアンテナシステムによって生成されたビーム形状を最適化するために異なる走査位置を実現する異なるビーム分布を可能にする。
【００２６】
受信の際に、フィードは、反射鏡によって反射されたエネルギーを受信するように構成されている。マルチスポットビームは、反射鏡によってフィードへ反射される。
【００２７】
アンテナシステムは、地球表面に対して公称位置のビームを放射および／または受信するように構成されている。しかしながら、アンテナシステムは非常に広い操作角動作が可能である。実際のところ、ビーム位置は固定されておらず、そのような配置は、操舵ビーム（steered beams）を提供することができる。フィード配置は、フィードアレイの振幅
および位相の制御によってこのフレキシビリティを提供する。ビームの位置が公称位置から離れるに従って、走査損失と関連している位相偏差が観察される。典型的には、米国特許公報第６，３９２，６１１号に記載されているように、これらの位相偏差は、フィードの重みづけをしながら振幅および位相を調整することによって補償される。
【００２８】
本発明によれば、通常は走査に関連している位相偏差は、アンテナシステムの性能を改善するために、アレイフィードに対して反射鏡を操舵することにより補正される。
【００２９】
そのために、アンテナシステムは、アレイフィードに対して反射鏡の位置を調整するように構成されたトリミング機構３を備えている。トリミング機構は、ＡＤＴＭ（アンテナ展開およびトリミング機構）またはＡＴＳ（アンテナトリミングシステム）であってもよい。典型的には、このトリミング機構は、単一オフセットまたはグレゴリアン構成（Gregorian configurations）において、正しい地理学的位置にビームを操舵する反射鏡の正確な位置決めに用いられる。ビームは、反射鏡シェルの成形から形作られてもよく、または楕円から形成されたスポットビームであってもよく、また一方で、アンテナの幾何学的形状および反射鏡の大きさおよび形状によって規定されてもよい。本発明の方法によれば、トリミング機構は、またアレイ給電反射鏡の構成に適用される。これにより、アンテナシステムが、フィードアレイによって生成されている１または複数のビームを高い精度を有しておよび技術的な進歩を通して、最適な位置へ制御することおよび操舵することを可能にし、改善された性能を提供する。このようにして本方法は、そのようなアンテナシステムによって通常観察される損失をアレイフィードの励起の制御およびトリミング機構の制御の両方によって補償することでハードウエアの能力を十分に活用する。
【００３０】
アンテナシステムは、そのとき、反射鏡の再位置決めによってビームの走査損失が低減され引き続き最適化されるように、フィード配置を精度の良いトリミング機構に結び付ける。
【００３１】
図１で示される１実施形態によれば、このトリミング機構は反射鏡２の端部３に固定されてもよい。図２で示される別の実施形態によれば、トリミング機構は反射鏡２の中央部５に固定されてもよい。トリミング機構は、ステップごとに少なくとも０．００２５度の精度を提供することが今日、工業的に可能になっている。そのような機構は本発明による方法を実施するために好ましい。反射鏡の微調整の能力が反射鏡の位置決めをより正確にする。
【００３２】
走査に通常関連する位相偏差は、アレイフィードに対して反射鏡の位置を調整することで補正される。
【００３３】
より正確には、アンテナシステムは、地球表面に対して公称位置のスポットビームを放射および／または受信するように構成されている。
【００３４】
本方法は、そのとき、最初にアンテナシステムによって放射および／または受信されたスポットビームの現在位置と公称位置との間のオフセットを検出するステップを有してもよい。本方法は、その次に、アンテナシステムによって放射および／または受信されたスポットビームの位相偏差の影響を低減するために、アレイフィードに対して反射鏡の位置を調整するステップを有してもよい。そのため、位相偏差は抑制されないが反射鏡の位置を調整するために、好ましくは、フィードバック・ループが用いられる。フィードバック・ループは、そのとき、走査損失の影響を低減するために反射鏡の位置が微細なステップで移動されるにつれてアンテナシステムの性能を改善することができる。位置は、さらなる改善ができなくなったときに設定される。
【００３５】
１実施形態によれば、アンテナシステムによって生成されたスポットビームの振幅および位相は、地球の表面に位置する３つの地上端末によって検出されて処理される。距離をおいて離れているこれらの端末は、地球上のスポットビームの位置を正確に連係させ、「三角法で測る」ように用いられる。現在のスポットビームの位置と公称スポットビームの位置との間のオフセットが検出されればアンテナシステムからの信号が調整される。好ましくは、アレイフィードに対して反射鏡を操舵することによる地上局からの命令によって更なる改善ができないような最適条件になるまで信号が調整される。
【００３６】
本方法は、さらに、マルチビームが要求される遠隔通信システムの動作シナリオの構成に適用されてもよい。
【００３７】
図３に示すように、ビームＡは、反射鏡の焦点に応じた最適位置に相当する公称位置７に操舵される。第２のビームＢは、干渉位置８に相当する第２の位置に操舵される。アレイフィードは、公称ビーム９を形成するために使用される。フィードの振幅および位相の重み付けは、適切なビーム励起を提供するために制御システム５によって調整される。
【００３８】
アレイフィード１に対して反射鏡２の位置が以下の目的のために反射鏡の機械的操舵によって最適化される。
−  ビーム性能をビーム位置にさらに最適に適合させる。
−  走査損失の影響を低減させる。
−  反射鏡表面の有効な機械的な変形（active mechanical deformation）を補償しお
よび低減する。
【００３９】
図３で説明されるように、アンテナシステムが複数のビームを放射するとき、反射鏡の位置は、２またはそれを越えるビームの最良の妥協性能を見出すためにトリミング機構の繊細な精度を用いて調整されてもよい。すなわち、例えば、反射鏡の微調整を通して観察されて最適化されたアンテナ利得の観点から、ビームが最高の対応性能で動作する反射鏡の位置がビームのピークまたは最小の性能が監視されて予め与えられている性能基準例を用いて調整されてもよい。
【００４０】
本発明の２つの実施形態を以下に詳述する。
【００４１】
第１の実施形態によれば、２以上のビームが存在するためにビームの最適な性能が達成されるアンテナの焦点から本質的に離れるので、各ビームが最適な照準などから離れるにつれて性能を補償するようにマルチビームが均等に優先順位を付けられてもよい。フィードアレイの振幅および位相は、地球表面上にビームを位置付けるようにビームを励起する。トリミング機構は、そのとき、アンテナの焦点および照準から離れているビームに起因
する走査損失を補償するために、ビームの性能を最適化させるように用いられる。利得または性能指標は、他（のビーム）が存在しているなかで、全てのビームがそれらの最大の能力を発揮するまで監視される。
【００４２】
図４ａに示すように、ビーム１のピーク性能は、請求項１に記載の方法によって達成される。後続のビームの振幅および位相は、ビーム２、３などを形成しながらもビーム１の性能を維持するために調整される。反射鏡の微調整は、それ以降、妥協性能を補償するため、およびビーム２、３などの利得を最大化するために利用される。
【００４３】
第２の実施形態によれば、１つまたは複数のビームは、ビームの最大値が維持されるピーク制御によって条件付きで重みづけされている。図４ｂは、１つまたは複数のビームが、最小性能要件の制御によって条件付きで重み付けされる方法を示す。ビーム１の最小しきい値性能は、請求項１に記載の方法によって達成される。後続のビームの振幅および位相は、ビーム２、３などを形成しながらも第１のビームの、その（最小の）しきい値性能を維持するために調整される。アンテナの反射鏡の微調整がそれ以降、ビーム２、３などの利得を可能な限り最大化するために利用される。ビーム２、３などの性能は、さらに請求項５に記載された方法、すなわち、アレイ素子の振幅および位相がビーム１の、その（最小の）しきい値性能を維持しながらも、ビーム２、３の性能を最大化するように最適化される方法、によって最大化される。
【００４４】
好ましくは、本方法は、さらに、アンテナシステムによって放射された少なくとも１つのビームの幅を制御するために、アレイフィードに対して反射鏡の位置を調整するステップを有する。このために、本方法は、好ましくは、アンテナシステムによって放射された少なくとも１つのビーム幅を変更するために反射鏡をその焦点軸に沿って動かすステップを有する。実際のところ、アレイ素子によって生成されたビームの幅を更に最適化するように反射鏡のトリミング機構が用いられてもよい。トリミング機構は、従って、アレイフィードの方に、またはアレイフィードから離れるように、反射鏡を焦点面の軸に沿って動かすことができる。これは、地球上で観測されるビームの幅を変化させる効果を有する。
【００４５】
トリミング機構は、反射鏡を操舵することができるのみならず、反射鏡をアンテナのアレイフィードに向かう平面内で動かすことができる。これは、地球へ反射され放射される対応するビームの幅を順に変える。走査されたビームによって観察されるパターンの劣化およびビームスクイント（beam squint）は、反射鏡がこの平面に沿って細かいステップ
で調整されるにつれて、最高の性能が達成されるまでビームの最適化によって低減される。
【００４６】
マルチビームの性能は従って、すでに詳述した方法、すなわち、性能が利得だけでなく幅にも基づいて条件付けされることができる方法により条件付けられる。ビーム幅の改善によって走査損失およびビームスクイエントの影響を低減するために、好ましくは、反射鏡位置が焦点面の軸において微細なステップで移動されるにつれて性能が向上されるフィードバック・ループが用いられる。位置は、更なる改善ができなくなったときに設定される。
【００４７】
アンテナシステムによって生成されるビームの振幅および位相は、好ましくは、地球の表面に位置する３つの地上端末によって検出されて処理される。距離をおいて離れているこれらの端末は、地球上のビーム位置を正確に連係させ、「三角法で測る」ように用いられる。アンテナからの信号は、そのとき、更なる改善ができない最適条件に信号が調整されるまで、本発明の第１の観点による方法での地上局からの命令によって調整される。
【００４８】
反射鏡は、好ましくは、トリミング機構の調整能力の範囲内で一定のオフセットを複数
にわたって走査する。
【００４９】
好ましくは、アンテナシステムは、地球表面に対して公称位置のスポットビームを放射および／または受信するように構成されており、前記方法は、更に以下のステップを有する。
−  選択された方向および形状の少なくとも２つのビームを反射鏡で形成するために放射素子の振幅および位相を制御するステップと、
−  少なくとも１つのビームがその公称位置からそれていることを検出するステップと、
−  そのビームが性能基準に従って動作する反射鏡の位置を見出すために反射鏡の位置を調整するステップと、を有する。
−  そのビームが性能基準に従って動作する反射鏡の位置を見出すために焦点面の方向に反射鏡の位置を調整するステップと、を有する。
【００５０】
反射鏡の位置、例えばビームが性能基準を用いて最高の対応性能で動作する反射鏡の位置は、好ましくは、２またはそれを越えるビームの最高の妥協性能を見出すためにトリミング機構の精度を用いて調整される。  
【００５１】
その結果として、提案された方法は、アレイ係数のみの振幅および位相の観点から補償する先行技術によるシステムと比較して、アンテナシステムの性能および敏捷性をさらに改善するためにトリミング機構を活用する。
【００５２】
加えて、反射鏡の再位置決めは、走査損失の存在下でアンテナシステムの性能をさらに最適化するために、フィードアレイの振幅および位相の重み付けを組み合わせて機械的に用いられてもよい。最近の技術の進歩がなくてもジンバルシステムは、地球規模の位置決めおよびビームの操舵に用いることができる。しかしながら、それらのトリミング能力では、観察された損失を補償するための十分な解像度を得ること、および従って、性能を最大化することはできなかった。提案された方法は、アンテナシステムの性能をさらに改善するために先行技術による方法を組み合わせてもよい。その実施形態において、本方法は、ビームの位相偏差の影響をさらに低減するためにアレイの放射素子の振幅および位相の重みづけを調整するステップを有してもよい。
【００５３】
好ましい実施形態を参照して本発明を具体的に記載しているとはいえ、本発明の発明の範囲を逸脱しない範囲で形態や詳細の変更や修正を行ってもよいことが明らかであることは、当業者には当然のことである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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