(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の放射要素を含み、かつ計算によってビームを形成するタイプの反射器アレイアンテナの指向を修正し、前記アンテナによって受信される各信号がサンプリングされる方法であって、
前記アンテナの放射パターンの指向のずれを推定して位相シフト行列を得る動作と、
前記放射要素によって供給される信号サンプルの離散逆フーリエ変換を計算する動作と、
前記位相シフト行列に前記サンプリングした信号の前記逆フーリエ変換を乗算する動作と、
前記位相シフト行列と前記サンプリングした信号の前記逆フーリエ変換の積の離散直接フーリエ変換を計算する動作とを含み、
前記位相シフト行列を得るため、指向ずれの推定が、少なくとも１つの固定ビーコンの既知の位置から１次のデジタル閉ループによって行なわれ、
前記デジタル閉ループが、前記アンテナの２つの隣接する放射要素からの信号振幅の和に対する差の比を使用する方法。
【請求項２】
複数の放射要素を含み、かつ計算によってビームを形成するタイプの反射器アレイアンテナの指向を修正し、前記アンテナによる送信準備の整った各信号がサンプリングされる方法であって、
前記アンテナの放射パターンの指向のずれを推定して位相シフト行列を得る動作と、
所与の時点で前記放射要素によって伝送される信号サンプルの離散直接フーリエ変換を計算する動作と、
前記位相シフト行列に前記サンプリングした信号の前記直接フーリエ変換を乗算する動作と、
前記位相シフト行列と前記サンプリングした信号の前記直接フーリエ変換の積の離散逆フーリエ変換を計算する動作とを含み、
前記位相シフト行列を得るため、指向ずれの推定が、少なくとも１つの固定ビーコンの既知の位置から１次のデジタル閉ループによって行なわれ、
前記デジタル閉ループが、前記アンテナの２つの隣接する放射要素からの信号振幅の和に対する差の比を使用する方法。
【請求項３】
前記フーリエ変換が、前記アンテナの前記放射パターンの角度を前記反射器の焦点面における線形座標に関連付ける請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
サンプリングが、無線周波数信号の周波数を中間周波数またはベースバンドまで下げた後で行なわれる請求項１から３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射器アレイアンテナの指向を修正する方法に関し、特に静止衛星上で使用する反射器アレイアンテナの指向を修正する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既知の方法で、アレイアンテナは、信号がデジタルまたはアナログのビーム形成ネットワークと呼ぶ装置によって組み合わされる１組の基本ソースを使用して、１つまたは複数の放射パターンを形成することが出来る。したがって、アレイアンテナは、複数の異なる給電法則を適用することにより、複数のパターンを同時に形成する、すなわち、マルチビームカバレージを形成することができる。マルチビームカバレージは、遠隔通信において、特に静止衛星を使用する通信においてしばしば使用される。
【０００３】
静止衛星の非常に高い高度を考慮して、静止衛星上で使用するアレイアンテナのマルチビームカバレージは、通常度のオーダの幅を有する非常に狭いビームからなる。これほど指向性の高いパターンの場合、わずかな量の指向のずれが、所与の方向の放射電力において強度の変動を引き起こす可能性がある。したがって、ビーム指向が非常に正確であることが重要である。現在、０．０３°程度の指向精度が必要とされる。
【０００４】
指向誤差は、衛星の動作中に生じる。一般に、指向誤差は、アンテナ（および／または、反射器）の理論上の位置と実際の位置との間における、３次元の各参照軸に対する角度差である。
【０００５】
指向誤差は、特に、一方では衛星位置の角度不安定性、他方では衛星に対するアンテナ位置の相対誤差、および、反射器の熱による変形などの、アンテナの内部の変形に関連している。２つの誤差の１次原因が、支配的であり、アンテナによって形成されるすべての箇所の全体的な指向誤差をもたらす。
【０００６】
衛星は、高度制御システムを有するが、このシステムでは、１／１０度程度の精度しか保証されず、この精度は、複数の狭ビームによって保証されるカバレージを持つ静止衛星の場合不十分である。したがって、アンテナは、自らに適した指向修正システムを有していなければならない。
【０００７】
衛星上で使用するアレイアンテナは、よく知られた２つの主なタイプが可能であり、直接放射アンテナおよび反射器アンテナである。
【０００８】
直接放射アンテナでは、アレイ要素によって受信する信号の簡単な分析モデルが存在する。放射要素によって受信する信号の位相は、入射信号の到来方向に直接に関連している。ビームは、様々な放射要素によって受信され、望ましい指向方向から来る信号位相を加算することによって指向が修正される。同様に、指向の修正は、したがって、指向誤差に対応する位相を理論的法則によって適用される位相に加算することにより、測定、または推定された指向誤差に応じて行なわれる。
【０００９】
これとは対照的に、反射器アンテナでは、受信信号は、簡単な分析形式で表現することができない、すなわち、望ましい指向と放射要素の給電法則の間に直接的関係が存在しない。
【００１０】
現在、反射器アレイアンテナの指向誤差を修正するために、機械的解決策が構想されており、反射器の位置を制御する２つまたは３つのモータが、前述したとおり、２つまたは３つの回転軸に関連する指向誤差を修正するように反射器の位置を変更する。
【００１１】
この解決策は、高精度モータの搭載を意味する。したがって、この解決策は、かさばり、高価である。
【００１２】
また、アレイに対して反射器の位置を変更することは、アンテナの構成を変えることになり、性能（特に集束の劣化による）を低下させる可能性がある。
【００１３】
さらに、この解決策は、大きい反射器の場合、十分に正確ではない。
【００１４】
最後に、この解決策は、指向誤差を推定するため、専用の追加アンテナおよび受信機の利用を必要とする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、複雑で、費用がかかり、かさばるモータの使用を避け、しかも、十分な精度を、特に、静止衛星の場合に必要な精度を保証する、反射器アレイアンテナの指向を修正する方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、複数の放射要素を含み、かつ計算によってビームを形成するタイプの反射器アレイアンテナの指向を修正し、前記アンテナによって受信する各信号がサンプリングされる方法を提供し、
前記方法は、以下の動作を含むことを特徴とする：
前記アンテナの放射パターンの指向のずれを推定して位相シフト行列を得る動作、
放射要素によって供給される信号サンプルの離散逆フーリエ変換を計算する動作、
前記位相シフト行列に前記サンプリングした信号の前記逆フーリエ変換を乗算する動作、および
前記位相シフト行列と前記サンプリングした信号の前記逆フーリエ変換の積の離散直接フーリエ変換を計算する動作。
【００１７】
また、本発明は、複数の放射要素を含み、かつ計算によってビームを形成するタイプの反射器アレイアンテナの指向を修正し、前記アンテナによる送信準備の整った各信号もサンプリングされる方法も提供し、
前記方法は、以下の動作を含むことを特徴とする：
前記アンテナの放射パターンの指向のずれを推定して位相シフト行列を得る動作、
所与の時点で放射要素によって伝送される信号サンプルの離散直接フーリエ変換を計算する動作、
前記位相シフト行列に前記サンプリングした信号の前記直接フーリエ変換を乗算する動作、および
前記位相シフト行列と前記サンプリングした信号の前記直接フーリエ変換の積の離散逆フーリエ変換を計算する動作。
【００１８】
したがって、本発明は、機械的修正を適用するのではなく、アンテナによって送信または受信する信号に、デジタル修正を適用する。
【００１９】
本発明の基本的考え方は、一方でアンテナの放射パターンの指向ずれが、反射器の焦点にある放射要素によって受信（または送信）される信号の空間オフセット（すなわち、位相シフト）に対応するという事実、および、他方でフーリエ変換の特性により、反射器の焦点面において焦点をずらすことが、位相を単純に乗算することに変換されるという事実に依拠する。したがって、以上の動作によって、正しく指向するアンテナの信号をシミュレートとすることにより、指向のずれたアンテナによって受信または送信される信号の計算による修正が可能となる。
【００２０】
位相シフト行列を乗算した後、直接または逆フーリエ変換を実施することにより、アンテナの放射要素によって実際に受信または送信される信号と等価の信号を再生することが出来る。
【００２１】
また、本発明の方法により、反射器アレイアンテナのすべてのビームの指向を同時に修正することが出来る。
【００２２】
サンプリングは、有利には、中間周波数帯域またはベースバンドまで無線周波数信号の周波数を下げた後、行うことができる。
【００２３】
指向ずれの推定は、有利には、少なくとも１つの固定ビーコンの既知の位置から、１次デジタルループによって行なわれる。
【００２４】
本発明のその他の特徴および利点は、非限定的で、ただ説明のための例として提示する、本発明の一実施形態の以下の説明から明白となる。
【００２５】
すべての図で、共通の構成要素には、同一の参照番号を付している。
【００２６】
一般に、ビーム形成アレイは、放射要素と同数の入力と形成するビームと同数の出力を有する装置である。次の２つのビーム形成タイプが存在する。無線周波数媒体を使用するアナログビーム形成、および、放射要素によって受信された信号を、有効情報を抽出するため、サンプリングし、次にデジタルプロセッサによって処理するデジタルビーム形成（計算によるビーム形成とも呼ばれる）。
【００２７】
以降では全体に、説明の都合上、受信に用いるアンテナについて説明するが、説明する内容のすべてが、必要な変更を加えて、送信に用いるアンテナにも同様に適用可能であり、送信アンテナは、主に実際の実現形態において受信アンテナと異なる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、計算によりビームを形成するアンテナ１は以下の構成要素を含む：
放射要素１１のアレイ１０、
各放射要素１１（または放射要素の各グループ）の下流で、受信システム１２がアンテナによって受信された無線周波数信号を増幅し、前記信号をサンプリングするために、ベースバンドまたは中間周波数に転移する、
受信システム１２からの信号をサンプリングするための１つまたは複数のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１３、
サンプリングした信号の複素加重による重み付けブロック１４、および
サンプリングし、重み付けした信号を合計するための加算器１５。
【００２９】
重み付けおよび複素加算により計算によるビーム形成を保証する。
【００３０】
図１で、位相の９０度異なる２つのチャネルに対する複素サンプリングの例を示すことに留意されたい。条件によっては、本発明の原理を全く変更することなく、異なるサンプリング周波数で単一のチャネルに対して複素サンプリングを行うことができる。
【００３１】
実際に、遠隔通信衛星ペイロードにおいて、計算ビーム形成は、例えば、入力信号の多重分離などのペイロードの他の機能を保証するデジタルプロセッサ（図示せず）に組み込まれる。前記ビーム形成は、とりわけ、重み付け係数を実行する制御プロセッサ（図示せず）によって制御される。
【００３２】
受信システム１２は、信号を増幅し、無線周波数をサンプリングに適合する周波数に転移するためのアナログ部、およびサンプリングそれ自体を保証するブロックからなる。
【００３３】
放射要素１１（または放射要素グループ）のそれぞれの信号のデジタルサンプリングにより、（出力だけが利用可能なアナログビーム形成装置とは異なり）処理の実施に利用可能な信号を確保することが可能になる。さらに、サンプリングされ、計算の各ステップでコンピュータの適正な容量を確保できれば、信号は、システムのアナログ部によって引き起こされる劣化に比べて無視できる劣化しか蒙らない。さらに、デジタルサンプリングにより、単に信号を複製することにより、後に詳細に説明する本発明による方法の処理などの、ビーム形成自体に副次的な処理において、サンプリングした信号を必要なだけ何回でも使用できる。
【００３４】
したがって、計算ビーム形成は、特に、静止衛星上で使用するマルチビームカバレージを有する遠隔通信アンテナなどにおける、遠隔通信衛星の有効ペイロードに対して多くの利点を有する。計算ビーム形成アレイでは、信号は、損失なくコピーされ、アナログ装置におけるように区分されることなく、複数ビームの形成に使用することができる。なお、計算ビーム形成は、Ｔｈｕｒａｙａ衛星内部で反射器アレイアンテナと共に既に使用されている。
【００３５】
次に、図２から４を参照して、受信における計算ビーム形成を使用するマルチビームカバレージを有する静止衛星の反射器アレイアンテナの場合における本発明による方法の動作を説明する。
【００３６】
反射器アンテナの場合、アンテナによって受信される信号は、簡単な分析形式では表現することができない。したがって、本発明の方法は、最初に、受信信号をモデル化して、受信信号をアンテナの指向誤差に応じて「理想的」信号に関連付ける関係を見つける必要がある。
【００３７】
アンテナの指向がずれている場合、アンテナと反射器の組み合わせの軸は、もはや、設計した指向方向の固定した方向に向いておらず、設計方向に対してずれた方向を向いている。これを図２で示し、アンテナ反射器は２０で示す、ここで、
（ｘｒｅｓ，ｙｒｅｓ，ｚｒｅｓ）は、アレイ平面を定義する標準座標であり、
（ｘａｎｔ，ｙａｎｔ，ｚａｎｔ）は、反射器の設計位置に関連するアンテナの設計指向方向を定義する標準座標であり、
（ｘ’ａｎｔ，ｙ’ａｎｔ，ｚ’ａｎｔ）は、アンテナの実際の指向方向を定義する標準座標である。
【００３８】
指向ｚａｎｔの理論軸から指向ｚ’ａｎｔの実際の軸（ずれた）に移動させるアンテナの指向のずれを２つの連続する回転に分解することができる。
【００３９】
ｘｒｅｓに直交し、平面（ｘｒｅｓ，ｙｒｅｓ）に平行な軸のまわりの角εｘの回転、および
ｙｒｅｓに直交し、平面（ｘｒｅｓ，ｙｒｅｓ）に平行な軸のまわりの角εｙの回転。
【００４０】
本発明の場合、以上２つの軸に沿ったアンテナの指向のずれが、反射器２０の焦点面における放射フィールドの平行移動、すなわち、放射要素によって受信する信号の空間的ずれに対応することが示される。アンテナの指向のずれは、アンテナに入射する波の見掛けの入射角のずれと等価である。したがって、図３は、所与の方向からの入射平面波に関して、実線の曲線３０で示す、反射器２０の焦点面Ｐにおける設計上の放射フィールドの振幅、および破線の曲線３０’で示す、焦点面Ｐでずれた放射フィールドの振幅を示している。反射器２０への入射波の設計上の方向を図３に実線Ｄで示し、アンテナの指向誤差による入射波のずれた方向を図３に破線Ｄ’で示している。
【００４１】
また、図３は、逆フーリエ変換を適用した後の等価設計位相面φを実線で示し、ずれた位相面φ’を破線で示している。
【００４２】
フーリエ変換が行なわれたとき、空間的ずれは、純粋な位相の乗算となる場合、アンテナの指向ずれに起因する焦点面における放射フィールドの平行移動の本発明による計算による補償は、受信した信号の逆フーリエ変換に純粋な位相を乗算することにし、言い換えれば、アンテナの放射要素１１によってピックアップされた信号の逆フーリエ変換に位相面を乗算することに帰着する。これを図３および４に示している。
【００４３】
本発明の場合、フーリエ変換を問題にするときはいつも、この変換が、時間領域を周波数領域に関連付けるのではなく、アンテナパターンの角度を焦点面における線形座標に関連付けることに留意されたい。したがって、直接および逆フーリエ変換は、様々な放射要素によって同時に受信されたサンプルに対する空間変換である。
【００４４】
指向誤差が既知であるものと想定する（どのように指向誤差を本発明に従って推定できるかは、図５に関連して以下に説明する）。図４は、指向の修正を行うアンテナの反射器２０、およびピックアップした信号を（図１を参照して説明した原理に従ってサンプリングして）信号の離散逆フーリエ変換を行なうコンピュータ４０に送信するアンテナアレイの放射要素１１を示している。
【００４５】
次に、コンピュータの別の機能４１が、受信信号の逆フーリエ変換に位相面を乗算する。乗算は、放射要素によってピックアップされた信号の逆フーリエ変換の成分を与えるベクトルと、位相シフトに対応する行列との行列積により数学的に行われる。
【００４６】
積をコンピュータ４１によって計算した後、ずれた位相面を修正して、設計位相面φに等しい修正した位相面φｃ（図３参照）を得る。
【００４７】
位相シフト行列は、それぞれの指向のずれを補償するために適用する位相勾配に対応する２つの行列の積に分解することができる。したがって、ｐｘは、εｘの関数である位相シフト行列の成分であり、またｐｙは、εｙの関数である成分である。以上２つの行列のそれぞれは、放射要素の位置およびｘ方向およびｙ方向において適用される勾配だけに依存する。
【００４８】
最後に、コンピュータ４１の出力で得た結果を最終コンピュータ４２に送り込み、コンピュータ４２は、出力結果にフーリエ変換を適用して放射要素１１によって実際にピックアップされた信号と等価であるが、指向修正した信号を得る。次に、指向修正した信号を衛星上のプロセッサ（図示せず）において処理して、本明細書ではさらに詳細に説明しない通常の処理に従わせることができる。
【００４９】
この場合、本発明により、静止衛星のマルチビームアンテナに関して、同一の位相勾配が、アンテナによって形成されるすべてのビームの指向を同時に修正出来ることに留意することが重要である、というのは、アンテナの指向ずれによって焦点がずれることは、１次的には、入射平面波の到来方向とは独立だからである。
【００５０】
本発明の指向修正方法を、指向の角度誤差が既知であるものと想定して説明した。本発明に従って指向修正を行うために適用する線形位相勾配の推定計算を可能とする指向誤差の検出がいかに行なわれるかを以下に説明する。
【００５１】
指向誤差を修正するために適用する線形位相シフト勾配を推定するために、（既知の位置にある）固定地上ビーコンからの波の見掛けの到来方向を衛星上のセンサから直接に推定し、波の理論上の到来方向と比較することにより、指向ずれを導出して推定することが出来る。ただし、この方法は、数百分の１度程度の指向誤差を検出するためには不十分であると判明する可能性がある。
【００５２】
本発明が、既知の位置にある地上ビーコンによって与えられる基準に閉ループシステムをロックすることによって推定を行なうことを提案するのは、このためである。
【００５３】
推定は、以下の原理に基づく。点からなるソースによって送信された波が、２つの受信機によって同時に受信された場合、２つの受信機のそれぞれによって見た信号の振幅および位相は、伝播媒体に応じて変動するが、２つの信号の振幅および位相の相対値は変動せず、相対値は、波の到来方向だけに関係する。
【００５４】
この実例では、２つの受信機（例えば、アンテナの隣接するソース）からの和信号と差信号の比を使用して、適用する位相勾配を推定する。このことは、適用する位相勾配をΔ／Σに関連付ける、小さい指向ずれに関して局所的に有効な、線形関係が存在することを想定する。Δ／Σは、２つの隣接するソースからの信号振幅の和に対する差の比である。
【００５５】
図４は、パターンの指向を修正するために適用する線形位相面の勾配を計算するデジタルループを概略的に図示している。
【００５６】
図では、指標１が、ｘまたはｙを表し、
ｋ０は、指向ずれのない（設計上の指向）設計上のΔ／Σの値であり、
Ｇ１は、ｐ１−ｐ＾１（ｐ１から推定した）をΔ／Σ−ｋ０に、すなわち、検出器の利得に関連付ける伝達関数であり、
Ｆ１は、１次ループの再帰係数であり、ループ安定条件を考慮して選択されなければならず、
１／（ｚ−１）が、従来の変数ｚを使用して表したデジタルループ積分器である。
【００５７】
ユーザによって設定された精度ｐ１を推定するように、ループはｋ０にロックされ、ｐ１は雑音の下限、およびｋ０で得ることが可能な精度との関係で選択されなければならない。
【００５８】
したがって、受信制御ループを使用して、本発明による指向修正方法において後に必要となる指向誤差を推定することが出来る。この制御ループは、固定ビーコンを基準として使用する。この制御ループが、最初に専ら受信モードで動作するのは、このためである。ただし、この制御ループによって推定が一度行なわれると、本発明の原理をアンテナによって送信される信号に適用することができる。
【００５９】
したがって、本発明は、マルチビーム型反射器アレイアンテナのすべてのビームの指向を同時に修正することができる。
【００６０】
また、本発明は、計算能力の点で制限されることが無く、したがって、正確な指向を保証する、デジタル方法を使用する。
【００６１】
さらに、本発明は、指向誤差を推定するのに専用のアンテナおよび受信器を必要としない。
【００６２】
最後に、本発明は、衛星に既に存在するプロセッサの使用しか必要としない。すなわち、本発明は、かさばり、高価な機械的モータに頼らなくとも良い。
【００６３】
修正値が本発明による方法によって計算されると（請求項１ないし６に請求のとおり）、修正値は、有利には、給電法則を更新することだけに適用することができる。これらの法則は、逆ＦＦＴを適用し、次に位相法則を本発明の方法によって推定された法則と比較し、ＦＦＴを計算することにより、すべてのビームに関して同時に修正することができる。この適用モードの利点は、アンテナの指向のずれに関連する周期で、以上の法則だけを再計算しなくとも良いことである。この周波数は１Ｈｚ程度である。信号のＦＦＴＩ、位相シフト、およびＦＦＴを計算する際、計算は、数十ＭＨｚないし数百ＭＨｚの信号サンプリング周波数と等しい周期で行わなければならない。
【００６４】
もちろん、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されない。
【００６５】
特に、既に示したとおり、本発明の方法は、受信と送信に同時に適用することができる。
【００６６】
さらに、指向誤差を推定する提案の方法は、特に有益ではあるが、当分野の技術者に知られ、本明細書でさらに詳細に説明はしない別の推定方法で置き換えることができる。
【００６７】
最後に、どの手段も、本発明の範囲を逸脱することなく、同等の手段で置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】計算によってビームを形成する受信アンテナの一般的動作を示す図である。
【図２】指向誤差（指向のずれ）を定義する図である。
【図３】本発明による指向修正の原理を示す概略図である。
【図４】図３に示す本発明による指向修正の原理を概略的にそして機能的に示す図である。
【図５】本発明による指向誤差を推定するためのデジタルループの概略を示す図である。
【符号の説明】
１  アンテナ
１０  放射要素のアレイ
１１  放射要素
１２  受信システム
１３  アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
１４  重み付けブロック
１５  加算器
２０  反射器
４０、４１、４２  コンピュータ
【図１】
0004088109.tif 000002
【図２】
0004088109.tif 000003
【図３】
0004088109.tif 000004
【図４】
0004088109.tif 000005
【図５】
0004088109.tif 000006