СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ДЛЯ АНТЕНН С РЕКОНФИГУРИРУЕМЫМИ ФАСЕТОЧНЫМИ ОТРАЖАТЕЛЯМИ
SYSTEMS AND METHODS FOR RECONFIGURABLE FACETED REFLECTOR ANTENNAE

[0001] Уровень техники
[0002] Коммерческие геостационарные спутники обычно используют антенны с профилированными отражателями для формирования диаграмм направленности с контурами, соответствующими необходимым зонам обслуживания. Например, коммерческие спутники могут иметь отражатели, сконструированные для формирования контуров диаграмм направленности антенн, которые, при проецировании с орбиты, воспроизводят границы континентальной части США (continental United States - CONUS), Европы, или северной Африки, минимизируя, таким образом, направленность на необслуживаемые области. Антенны с профилированными отражателями имеют преимущества более эффективного использования мощности ретранслятора и обладания существенно меньшей массой, по сравнению с другими антенными технологиями, обеспечивающими подобные результаты, такими как антенны с фазированными решетками. Профилированные отражатели также имеют прекрасные характеристики диаграммы направленности (конкретно, выделение поперечной поляризации, подавление боковых лепестков диаграммы направленности, и другие характеристики диаграммы направленности, необходимые для соблюдения нормативных требований и координации между операторами), способность управления большой мощностью, возможность простого развертывания на орбите, и подтвержденную надежность на орбите. Эти профилированные отражатели имеют непрерывные, фиксированные поверхности двойной кривизны, обычно отформованные с использованием углеродного композитного материала.
[0003] Один недостаток, связанный с общепринятыми профилированными отражателями, состоит в том, что их форма не может быть изменена после изготовления. Геостационарные спутники обычно строят с расчетом на срок службы, равный 15 и более лет. В течение срока службы спутника, его оператор может пожелать изменить его орбитальную позицию или зону обслуживания. Однако, поскольку профилированные отражатели зафиксированы для конкретной орбитальной позиции и зоны обслуживания при изготовлении, спутник, который перемещают на другую орбитальную позицию и/или переориентируют на обслуживание другой зоны, не будет эффективно освещать новую зону обслуживания. Другой недостаток, связанный с общепринятыми профилированными отражателями, состоит в том, что часто трудно исправить ошибки поверхностей отражателей или неправильную форму после изготовления, что может привести к существенным затратам и срыву графика производства спутников.
[0004] Дополнительно, изготовителям спутников может быть необходимо сконструировать антенные системы до назначения орбитальной позиции спутника или определения его предполагаемой зоны обслуживания. Например, спутник может иметь диапазон долготы 100 градусов, в пределах которого будет назначена его орбитальная позиция. Оптимальная конфигурация антенны для конкретной зоны обслуживания зависит от орбитальной позиции, поскольку проецируемый контур области Земли может сильно отличаться по размеру и форме при нахождении в точках наблюдения разных орбитальных позиций. Итак, когда фактическая орбитальная позиция является неизвестной, невозможно сконструировать оптимальную антенную систему. Когда орбитальная позиция еще подлежит определению, изготовитель спутника может сконструировать отражатель для средней позиции диапазона, посредством усреднения зон обслуживания двух крайних позиций возможного диапазона, или посредством охвата всех возможных диаграмм направленности по всему диапазону проецируемых контуров. В любом случае, отражатель не будет оптимизирован для конечной орбитальной позиции, что ведет к неоптимальной производительности.
[0005] В другом случае, спутник может быть перенацелен оператором, в качестве реакции на изменение потребностей рынка, на совершенно другую область от своего первоначально назначенного развертывания, со значительно отличающимися контурами (например, перемещение спутника, сконструированного для CONUS, для обслуживания Африки). В этом случае, оператор вынужден допустить частичную зону обслуживания, допустить направленность, затрачиваемую на необслуживаемые области, и координировать вопросы возможных помех с операторами соседних спутников.
[0006] Кроме того, антенны с профилированными отражателями являются долгосрочными изделиями с длительным циклом изготовления в критическом пути последовательности операций изготовления спутника, и определение их поверхностей должно быть завершено в пределах года перед запуском, причем в течение этого времени необходимая зона обслуживания может изменяться. Однако в настоящее время не существует возможности гибкого изменения поверхности отражателя после изготовления.
[0007] Наконец, фиксированные профилированные отражатели не могут скомпенсировать однократные и динамические орбитальные эффекты, такие как деформацию вследствие гигроскопичности, суточную и сезонную термическую деформацию, и различные источники отклонений. Дополнительно, фиксированные отражатели не могут быть выполнены с возможностью устранения проблемы ухудшения условий динамической связи, такой как локальное замирание, обусловленного ливневыми осадками, помех линии связи «Земля - космический аппарат», и операций на наклонной орбите во время продленного срока службы спутника.
[0008] Сущность изобретения
[0009] Таким образом, в данной области техники существует потребность в отражателе, который может быть динамически реконфигурирован на орбите. Отражатель, который может быть реконфигурирован на орбите, может обеспечить операторам спутников возможность переориентации спутников на другие орбитальные позиции и зоны обслуживания, при обеспечении при этом оптимальной или высокой производительности. Если оператор изменяет орбитальную позицию или целевые зоны обслуживания, то способность реконфигурации спутника на орбите обеспечивает превосходный результат для перемещения спутника, отражатели которого оптимизированы для другой зоны обслуживания и орбитальной позиции. Реконфигурация спутника на орбите также является гораздо более эффективной, чем постройка и запуск на орбиту запасных частей, или конструирование и запуск новых спутников при изменении зон обслуживания или орбитальных позиций.
[0010] При нахождении на орбите, реконфигурируемая поверхность отражателя, под управлением с обратной связью или без обратной связи, обеспечит возможность адаптивной компенсации динамических эффектов, таких как суточная или сезонная термическая деформация, локальные замирания, обусловленные ливневыми осадками, отклонения ориентации космического аппарата, и нестатические контуры диаграммы направленности во время операций на наклонной орбите. Кроме того, возможны другие инновационные применения способности динамической настройки диаграмм направленности, такие как автоматическое сопровождение для применений с иглообразным лучом диаграммы направленности, геолокация, и подавление интерференции/помех.
[0011] Дополнительно, в данной области техники существует потребность в отражателе, который может быть реконфигурирован на Земле перед запуском. Такой отражатель может не требовать определения конечной зоны обслуживания до поздних этапов процесса изготовления спутника, обеспечивая значительную гибкость для оператора во время фазы приобретения. В отличие от фиксированных отражателей, этот реконфигурируемый отражатель может легко компенсировать ошибки изготовления, повреждения, и отклонения, детектированные перед запуском, при минимальных затратах и минимальном влиянии на производственный график.
[0012] Реконфигурируемый отражатель может быть составлен из некоторого количества независимых отражательных фасеток (ячеек, сегментов), некоторые из которых или все имеют независимо настраиваемые положения и/или ориентации. Эти настраиваемые положения и/или ориентации могут быть зафиксированы перед запуском, или ими можно управлять посредством управляемых исполнительных механизмов, что обеспечивает возможность реконфигурации на орбите. Посредством независимой настройки положений и/или ориентаций отражательных фасеток, реконфигурируемый отражатель может быть перепрофилирован для формирования, фактически, бесконечного количества зон обслуживания и форм луча диаграммы направленности антенны. Достаточное управление диаграммой направленности антенны может быть обеспечено единственной степенью свободы посредством линейного перемещения фасетки, значительно упрощая механическую реализацию и уменьшая размер и массу антенной системы. Для статистических применений, положения фасеток могут быть установлены и зафиксированы на поздних этапах процесса изготовления с использованием общей антенной платформы для всей номенклатуры изделий, устраняя изготовление уникального отражателя для каждой спутниковой антенны. Для динамического, орбитального управления, каждая фасетка (или подмножество фасеток) может быть интегрирована с независимым, управляемым, приводным исполнительным механизмом. Фасетки имеют жесткие поверхности и могут быть изготовлены из стандартных материалов, пригодных к использованию в космических условиях и традиционных для космических полетов, что устраняет необходимость обеспечения новых материалов, таких как непрерывные гибкие мембраны, которые могут быть необходимы для непрерывных настраиваемых поверхностей. Подобным образом, исполнительные механизмы могут быть реализованы с использованием существующих материалов и конструкций, пригодных к использованию в космических условиях. Реконфигурируемый отражатель может быть основным отражателем, вспомогательным отражателем, или и тем, и другим. Реконфигурируемый отражатель может быть использован в коммерческих спутниках связи, военных спутниках связи (например, в Глобальной службе широковещания (Global Broadcast Service)), или других применениях.
[0013] Некоторые варианты осуществления включают в себя реконфигурируемый фасеточный (фасетированный, ячеистый, фрагментный) отражатель для формирования множества диаграмм направленности антенны. Реконфигурируемый отражатель включает в себя поддерживающую структуру, множество настраивающих механизмов, установленных на поддерживающей структуре, и множество отражательных фасеток. Каждая из множества отражательных фасеток соединена с соответствующим одним из множества настраивающих механизмов, для настройки положения отражательной фасетки, с которой он соединен. Отражательные фасетки выполнены с возможностью формирования первой диаграммы направленности антенны из множества диаграмм направленности антенны. Посредством настройки множества настраивающих механизмов, положение каждой из отражательных фасеток, соединенной с соответствующим одним из множества настраивающих механизмов, настроено таким образом, чтобы отражательные фасетки могли формировать вторую диаграмму направленности антенны из множества диаграмм направленности антенны.
[0014] В некоторых вариантах осуществления, один или несколько настраивающих механизмов являются механическими настраивающими механизмами. В других вариантах осуществления, один или несколько настраивающих механизмов являются исполнительными механизмами, такими как линейные исполнительные механизмы. Если настраивающие механизмы являются линейными исполнительными механизмами, то каждый из линейных исполнительных механизмов может иметь соответствующий диапазон, и диапазоны множества линейных исполнительных механизмов могут обеспечить возможность оптимизации линейных положений первого количества отражательных фасеток, по меньшей мере для двух разных зон обслуживания. Линейные исполнительные механизмы могут быть ориентированы на перемещение всех фасеток в одинаковом направлении, например, в направлении облучателя, в направлении апертуры, или вдоль другой общей оси. Альтернативно, линейные исполнительные механизмы могут независимо перемещать каждую фасетку в разных направлениях.
[0015] Отражательные фасетки могут быть, по существу, плоскими или криволинейными. Отражательные фасетки могут иметь одинаковый размер или неодинаковый размер. Форма отражательных фасеток может быть, например, круглой, шестиугольной, прямоугольной, квадратной, суперэллиптической, трапецеидальной, или треугольной. В некоторых вариантах осуществления, реконфигурируемый отражатель включает в себя множество фиксированных отражательных фасеток, которые установлены на поддерживающей структуре и не соединены с настраивающим механизмом. Профиль поддерживающей структуры может быть, например, параболическим, эллипсоидальным, плоским, гиперболическим, или сферическим.
[0016] В некоторых вариантах осуществления, реконфигурируемый отражатель включает в себя множество наклоняющих механизмов. Каждый из множества наклоняющих механизмов может быть соединен с соответствующей одной из множества отражательных фасеток для наклона соответствующей одной из множества отражательных фасеток относительно поддерживающей структуры. В некоторых вариантах осуществления, реконфигурируемый отражатель включает в себя множество перемещающих механизмов. Каждый из множества перемещающих механизмов может быть соединен с соответствующей одной из множества отражательных фасеток для наклона соответствующей одной из множества отражательных фасеток относительно поддерживающей структуры. С использованием множества наклоняющих и перемещающих механизмов, вплоть до 6 градусов свободы может быть обеспечено для каждого положения и ориентации фасетки.
[0017] Другой аспект включает в себя способ формирования диаграммы направленности антенны с использованием реконфигурируемого фасеточного отражателя. Способ включает в себя прием данных, описывающих зону обслуживания, и/или форму луча необходимой диаграммы направленности антенны, и определение, на основе необходимой зоны обслуживания и/или формы луча необходимой диаграммы направленности антенны, оптимальных положений для множества отражательных фасеток, для излучения необходимой диаграммы направленности антенны. Множество отражательных фасеток соединено с множеством настраивающих механизмов для настройки положений множества отражательных фасеток, и множество настраивающих механизмов установлено на поддерживающей структуре. Способ дополнительно включает в себя настройку, с использованием множества настраивающих механизмов, положений и/или ориентаций множества отражательных фасеток на определенные оптимальные положения для множества отражательных фасеток.
[0018] В некоторых вариантах осуществления, оптимальные положения множества отражательных фасеток минимизируют направленность антенны на направления и области за пределами необходимой зоны обслуживания. В некоторых вариантах осуществления, один или несколько настраивающих механизмов являются механическими настраивающими механизмами. В таких вариантах осуществления, положения множества отражательных фасеток могут быть настроены на определенные оптимальные положения на Земле.
[0019] В других вариантах осуществления, один или несколько настраивающих механизмов являются исполнительными механизмами, такими как линейные исполнительные механизмы. В таких вариантах осуществления, команды для настройки положений множества отражательных фасеток могут быть переданы к исполнительным механизмам. Способ может также включать в себя прием признака отказа по меньшей мере одного из по меньшей мере одного исполнительного механизма. В этом случае, определение оптимальных положений множества отражательных фасеток может быть дополнительно основано на признаке отказа по меньшей мере одного из по меньшей мере одного исполнительного механизма.
[0020] В некоторых вариантах осуществления, исполнительные механизмы являются линейными исполнительными механизмами, и команды для настройки множества положений отражательных фасеток являются командами для независимой настройки каждого из по меньшей мере одного линейного исполнительного механизма для перемещения каждой из множества отражательных фасеток в направлении поддерживающей структуры или от нее.
[0021] В некоторых вариантах осуществления, оптимальные положения множества отражательных фасеток могут быть дополнительно основаны на орбитальной позиции космического аппарата. В других вариантах осуществления, оптимальные положения множества отражательных фасеток могут быть дополнительно основаны на диапазоне доступных положений каждой из множества отражательных фасеток.
[0022] В некоторых вариантах осуществления, множество отражательных фасеток, множество настраивающих механизмов, и поддерживающая структура образуют основной отражатель. В таких вариантах осуществления, способ может включать в себя определение оптимальных положений второго множества отражательных фасеток, соединенных со вторым множеством настраивающих механизмов, и установленных на второй поддерживающей структуре. В этом случае, второе множество отражательных фасеток, второе множество настраивающих механизмов, и вторая поддерживающая структура могут образовывать вспомогательный отражатель.
[0023] В некоторых вариантах осуществления, способ включает в себя прием второй необходимой зоны обслуживания, которая является отличной от первой необходимой зоны обслуживания, и определение, на основе второй необходимой зоны обслуживания, вторых оптимальных положений для множества отражательных фасеток, для облучения второй необходимой зоны обслуживания. Команды для настройки множества положений отражательных фасеток на определенные вторые оптимальные положения множества отражательных фасеток для облучения второй необходимой зоны обслуживания могут быть затем переданы к настраивающим механизмам.
[0024] Краткое описание чертежей
[0025] Фиг. 1А является видом сбоку сечения реконфигурируемого отражателя с одинаковыми по размеру и форме отражательными фасетками, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0026] Фиг. 1В является видом спереди реконфигурируемого отражателя фиг. 1А, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0027] Фиг. 2А является видом сбоку реконфигурируемого отражателя с отражательными фасетками различных размеров, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0028] Фиг. 2В является видом спереди реконфигурируемого отражателя фиг. 2А, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0029] Фиг. 3А является моделью реконфигурируемого основного отражателя в одиночном отражателе со смещенным облучателем, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0030] Фиг. 3В является моделью двойного отражателя со смещенным облучателем, имеющего реконфигурируемый основной отражатель и вспомогательный отражатель фиксированной конфигурации, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0031] Фиг. 3С является моделью двойного отражателя со смещенным облучателем, имеющего основной отражатель фиксированной конфигурации и реконфигурируемый вспомогательный отражатель, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0032] Фиг. 3D является моделью двойного отражателя со смещенным облучателем, имеющего реконфигурируемый основной отражатель и реконфигурируемый вспомогательный отражатель, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0033] Фиг. 4А является моделью реконфигурируемого одиночного отражателя со смещенным облучателем, выполненного с возможностью обслуживания Африки/ Европы, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0034] Фиг. 4В является картой зоны обслуживания одиночного отражателя со смещенным облучателем, выполненного с возможностью обслуживания Африки/ Европы, смоделированного на фиг. 3А, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0035] Фиг. 4С является моделью реконфигурируемого одиночного отражателя со смещенным облучателем, выполненного с возможностью обслуживания CONUS, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0036] Фиг. 4D является картой зоны обслуживания одиночного отражателя со смещенным облучателем, выполненного с возможностью обслуживания CONUS, смоделированного на фиг. 3С, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0037] Фиг. 5А является последовательностью операций для конфигурирования реконфигурируемого отражателя на орбите, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0038] Фиг. 5В является последовательностью операций, показывающей способ для конфигурирования реконфигурируемого отражателя перед запуском, согласно иллюстративному варианту осуществления данного изобретения.
[0039] Подробное описание
[0040] Для обеспечения общего понимания данного изобретения, теперь будут описаны некоторые иллюстративные варианты осуществления, включающие в себя системы и способы для реконфигурируемых фасеточных отражателей, для формирования многочисленных диаграмм направленности излучения. Однако, специалистам в данной области техники следует понимать, что системы и способы, описанные здесь, могут быть приспособлены и модифицированы в соответствии с целевым применением, и что системы и способы, описанные здесь, могут быть использованы в других подходящих применениях, и что такие другие дополнения и модификации не будут выходить за рамки объема данного изобретения.
[0041] Реконфигурируемый отражатель, который может быть использован для формирования многочисленных разных диаграмм направленности излучения, может быть составлен из многочисленных отражательных фасеток, которые являются независимо перемещаемыми, с подходящими результатами, достигаемыми посредством единственной линейной оси перемещения. Фиг. 1А и 1В показывают, соответственно, вид сбоку и вид спереди реконфигурируемого отражателя 100, который может быть настроен для формирования разных диаграмм направленности излучения. Реконфигурируемый отражатель 100 включает в себя поддерживающую структуру 102 и множество отражательных фасеток 104, установленных на поддерживающей структуре 102 посредством соединительного стержня 112. Отражательные фасетки 104 образуют отражательную поверхность 108. Отражательные фасетки 104 могут содержать обработанные края, такие как волнистые поверхности (не показаны) по краям фасеток 104, перпендикулярные к их лицевым поверхностям, для уменьшения эффекта краевого рассеяния. Как показано на фиг. 1А и 1В, исполнительные механизмы 106 могут быть установлены на поддерживающей структуре для обеспечения возможности реконфигурации. Каждый исполнительный механизм 106 позиционирован между одной из отражательных фасеток 104 и поддерживающей структурой 102 для перемещения соединительного стержня 112 и соответствующей ему отражательной фасетки 104 относительно поддерживающей структуры 102, например, ближе к поддерживающей структуре 102, или дальше от нее. Настройка исполнительного механизма 106 также обеспечивает возможность перемещения соответствующей отражательной фасетки 104 относительно других отражательных фасеток 104, с изменением, таким образом, формы отражательной поверхности 108. Это обеспечивает возможность оптимизации отражательной поверхности 108 для необходимой зоны обслуживания, формы луча диаграммы направленности антенны, и/или орбитальной позиции.
[0042] Поддерживающая структура 102 может быть любой поддерживающей структурой, подходящей для поддержки многочисленных исполнительных механизмов 106 и многочисленных отражательных фасеток 104. Поддерживающая структура 102 может быть выпуклой, как показано, или плоской или вогнутой. Поддерживающая структура 102 может иметь параболический, эллипсоидальный, плоский, гиперболический, или сферический профиль. Отражательные фасетки 104 могут быть выполнены из любого материала для отражения электромагнитных волн, такого как углеродный композит или алюминий. Отдельные отражательные фасетки 104 могут быть плоскими, как показано, или криволинейными. Плоские отражательные фасетки 104 легче изготовить, чем криволинейные отражательные фасетки, поскольку изготовление плоских отражателей не включает в себя создание и использование криволинейных пресс-форм. Стандартные формы фасеток и/или профили поверхностей уменьшают производственные затраты и риск срыва производственного графика. Исполнительные механизмы 106 могут быть линейными исполнительными механизмами, которые относятся к различным типам, таким как электромеханические или пьезоэлектрические устройства. Доступны линейные исполнительные механизмы с характеристиками для космических полетов. Если, например, исполнительные механизмы 106 являются электромеханическими исполнительными механизмами, то каждый из них может включать в себя пару «винт-гайка» и шаговый двигатель; пара «винт-гайка» преобразует вращательное движение шагового двигателя в линейное выходное перемещение.
[0043] Исполнительные механизмы 106 могут быть соединены с одним или несколькими контроллерами (не показаны) для обеспечения входного сигнала. Исполнительный механизм 106 настраивает положение соединенной с ним отражательной фасетки 104 посредством соединительного стержня 112, на основе входного сигнала. Контроллер может принимать управляющий сигнал посредством бортовой обработки данных или команды с Земли, указывающей на необходимые положения отражательных фасеток, и контроллер может отправлять входные сигналы к исполнительным механизмам 106 согласно этим положениям. Альтернативно, управляющие сигналы могут указывать на относительные настройки, подлежащие выполнению для каждого положения отражательной фасетки, например, первая отражательная фасетка 104 должна быть перемещена, например, на 0.5 дюйма дальше от поддерживающей структуры 102 от ее текущего положения, вторая отражательная фасетка 104 должна быть перемещена на 0.25 дюйма в направлении поддерживающей структуры 102 от ее текущего положения, и т.д. Альтернативно, космический аппарат может хранить оптимальные настройки исполнительных механизмов для одной или нескольких зон обслуживания; в этом случае, сигнал с Земли передает управляющий сигнал, указывающий на зону обслуживания, подлежащую применению. Альтернативно, контроллер космического аппарата может запустить алгоритм для определения настроек исполнительных механизмов для данной зоны обслуживания, которая может быть предоставлена наземной станцией.
[0044] В некоторых вариантах осуществления, бортовой процессор может обеспечить автономное, с обратной связью, управление реконфигурируемым отражателем посредством использования орбитального измерения положений и/или ориентаций фасеток. Эти измерения могут быть выполнены с использованием фотограмметрии, если оптические мишени расположены на поверхностях фасеток. Альтернативно, при использовании шагового двигателя, положения каждого из отражателей могут быть сохранены. Бортовые приемники могут обеспечить дополнительные входные сигналы для алгоритмов позиционирования фасеток, для обеспечения возможности адаптивной настройки диаграммы направленности, с ослаблением динамического, временного ухудшения связи вследствие эффектов, таких как помехи линии связи «Земля - космический аппарат» и локальное замирание, обусловленное ливневыми осадками.
[0045] После запуска, существует риск, что один или несколько исполнительных механизмов 106 откажут. В этом случае, признак отказа исполнительного механизма (т.е., положение, в котором отражательная фасетка 104, прикрепленная к исполнительному механизму 106, зафиксирована, диапазон положений, доступный теперь для отражательной фасетки 104, или потеря или повреждение отражательной фасетки 104) может быть передан к наземной станции или учтен в бортовой обработке. На основе признака отказа, конфигурация отражателя 100 может быть повторно оптимизирована, и вычисление будущих конфигураций может учитывать положение отказа для ослабления влияния отказа.
[0046] Дополнительные признаки также могут учитываться при оптимизации конфигурации отражательных фасеток. Например, конфигурация отражателя может быть настроена для компенсации деформации вследствие гигроскопичности и суточной/ сезонной термической деформации. Конфигурация отражателя может быть, дополнительно или альтернативно, выполнена с возможностью уменьшения помех от других спутников, например, посредством орбитальной настройки характеристик бокового лепестка диаграммы направленности антенны и спада частотной характеристики. Дополнительно, реконфигурируемый отражатель может быть использован для динамического наведения луча диаграммы направленности антенны для компенсации отклонений в антенной системе. Наведение луча диаграммы направленности антенны может уменьшить или устранить необходимость использования карданных подвесов для повторного позиционирования антенн, и может улучшить зону обслуживания в наклонных орбитах или при ухудшениях орбиты. Любые из этих или другие условия и соображения могут быть учтены бортовым контроллером или наземным контроллером для оптимизации настроек исполнительных механизмов и, таким образом, конфигурации отражателя.
[0047] Реконфигурируемый отражатель может быть также использован для подавления помех и противодействия преднамеренной постановке помех, например, в военных применениях. В этом случае, приемники линии связи «Земля - космический аппарат» (не показаны) и бортовой или наземный контроллер используют для определения наличия преднамеренных или непреднамеренных помех. Геолокация источника помех для линии связи «Земля - космический аппарат» может быть обеспечена посредством динамического управления лучом диаграммы направленности антенны посредством реконфигурируемого отражателя способом, подобным моноимпульсному сопровождению. Затем, контроллер может определить настройку для положений отражательных фасеток для формирования нуля диаграммы направленности антенны в направлении помех. Эти настройки выполняют посредством исполнительных механизмов 106. Подобным образом, отслеживание уровней принимаемых сигналов радиомаяков линии связи «Земля - космический аппарат» или несущих из разных областей зоны обслуживания может быть использовано для реализации бортовых или наземных настроек диаграммы направленности антенны для компенсации ухудшений качества прохождения сигнала, главным образом, замирания, обусловленного ливневыми осадками.
[0048] Фиг. 1А показывает отражатель 100 в двух разных конфигурациях. Левый отражатель 100 показывает отражательные фасетки 104, образующие первую конфигурацию; правый отражатель 100 показывает отражательные фасетки 104, образующие вторую конфигурацию. Например, при переходе от левой конфигурации отражателя к правой конфигурации отражателя, верхний исполнительный механизм 106 отражателя 100 перемещает соединенную и ним отражательную фасетку 104 в направлении поддерживающей структуры 102. Второй сверху исполнительный механизм 106 перемещает соединенную с ним отражательную фасетку 104 от поддерживающей структуры 102. Таким образом, в то время как в левой конфигурации отражателя, самая верхняя отражательная фасетка 104 была дальше от поддерживающей структуры 102, чем вторая сверху отражательная фасетка 104, их относительные положения поменялись местами в правой конфигурации отражателя.
[0049] Как показано на фиг. 1А, поддерживающая структура 102 является вогнутой. Исполнительные механизмы 106 продолжаются, приближенно, перпендикулярно к поддерживающей структуре 102, делая отражательную поверхность 108, образованную отражательными фасетками 104, в общем, вогнутой. Например, если все исполнительные механизмы 106 установить таким образом, чтобы отражательные фасетки 104 достигли опорной линии 110, то каждая отражательная фасетка 104 будет находиться на одинаковом расстоянии от поддерживающей структуры 102. В этом случае, отражательные фасетки 104 совместно образуют, приближенно, непрерывную вогнутую поверхность.
[0050] Иллюстративное расположение отражательных фасеток 104 показано на фиг. 1В. Отражательные фасетки 104 пригнаны друг к другу для образования почти непрерывной отражательной поверхности 108. Отражательные фасетки 104 изображены образующими плоскую поверхность, хотя, как показано на фиг. 1А, они могут образовывать параболическую поверхность или другой тип криволинейной поверхности. Если отражательные фасетки 104 образуют криволинейную поверхность, то они могут быть позиционированы друг относительно друга таким образом, чтобы две отражательной фасетки 104 в своих крайних положениях (т.е. самых удаленных направо от пунктирной линии на фиг. 1А положениях, которые они могут достичь) не перекрылись. Если ориентация отражательных фасеток 104 допускает возможность перекрывающихся положений, то алгоритмы оптимизации поверхности должны предотвратить решения, которые вызывают физическое столкновение между отражательными фасетками 104, чтобы они не повредили друг друга.
[0051] На фиг. 1А, все изображенные отражательные фасетки 104 показаны соединенными с исполнительным механизмом 106, который обеспечивает возможность настройки каждого из положений отражательных фасеток 104. В других вариантах осуществления, не каждая отражательная фасетка 104 соединена с поддерживающей структурой 102 посредством исполнительного механизма 106. Например, самые центральные или крайние отражательные фасетки 104 могут быть соединены с поддерживающей структурой 102 посредством зафиксированных, ненастраиваемых соединительных стержней.
[0052] Отражатель 100 может включать в себя любое количество отражательных фасеток 104 и исполнительных механизмов 106, в зависимости от необходимого размера отражателя 100, необходимого размера отражательных фасеток 104, необходимого веса отражателя 100, и других факторов. В некоторых вариантах осуществления, отражательные фасетки 104 имеют размер порядка нескольких дюймов в диаметре, а отражатель 100 имеет размер порядка нескольких метров в диаметре. Как показано на фиг. 2А и 2В, отражательные фасетки 104 могут иметь разные формы и размеры.
[0053] Иллюстративный отражатель 200, составленный из разных по размеру и форме отражательных фасеток, показан на фиг. 2А и 2В. Фиг. 2А показывает две разные конфигурации отражателя 200, который составлен из поддерживающей структуры 202, многочисленных отражательных поверхностей 204, многочисленных исполнительных механизмов 206, и многочисленных соединительных стержней 212. Отражатель 200 и его составные части являются подобными отражателю 100 и его составным частям, но, в отличие от отражательных поверхностей 104, отражательные поверхности 204 имеют переменный размер. Конкретно, отражательные поверхности 204 в направлении к центру отражателя 200 являются меньшими, чем отражательные поверхности 204 в направлении края отражателя 200.
[0054] Переменные размеры и формы отражательных фасеток 204 также показаны на фиг. 2В. В центре отражателя 200, самая внутренняя отражательная фасетка 204 является маленьким, правильным шестиугольником. При перемещении к краям, отражательные фасетки 204 становятся больше и становятся менее правильными. На краю отражателя 200, отражательные фасетки 204 являются самыми большими в отражателе 200 и являются удлиненными. В то время как все отражательные фасетки 104 и 204 являются шестиугольниками, могут быть использованы другие формы, и может быть использована комбинация разных форм. Например, отражательные фасетки 104 и 204 могут быть круглыми, шестиугольными, прямоугольными, квадратными, суперэллиптическими, трапецеидальными, или треугольными.
[0055] В то время как фиг. 1А-2В показывают отражательные фасетки 104 и 204, которые могут перемещаться по единственной оси линейного перемещения, в некоторых вариантах осуществления, может быть обеспечена возможность разных типов перемещения, посредством разных или дополнительных исполнительных механизмов, вплоть до полного набора из шести степеней свободы (трех поступательных и трех вращательных). Например, отражательные фасетки 104 и 204 могут быть способны наклоняться или поворачиваться в одном или нескольких направлениях. Это может быть обеспечено посредством механизма наклона, на котором отражательная фасетка установлена. В качестве другого примера, другой исполнительный механизм может обеспечить возможность перемещения отражательных фасеток 104 или 204. Например, исполнительный механизм 106 или 206 может быть установлен на балке, и некоторый механизм может перемещать исполнительный механизм вдоль балки, перемещая, таким образом, соединенную с ним отражательную фасетку в направлении, параллельном балке. Эти или другие механизмы или исполнительные механизмы могут быть объединены для обеспечения увеличенного диапазона перемещения. Любые из этих механизмов или исполнительных механизмов могут быть реализованы на всех или некоторых отражательных фасетках.
[0056] В некоторых вариантах осуществления, реконфигурируемый отражатель может не быть реконфигурируемым на орбите, а вместо этого может быть реконфигурируемым только на земле перед запуском. В таких вариантах осуществления, орбитальные органы управления, описанные выше, не нужны. Дополнительно, исполнительные механизмы 106 могут быть заменены простым механизмом настройки, таким как винт или другое механическое устройство. Положения фасеток 104 могут быть установлены на поздних этапах процесса изготовления спутника, обеспечивая большую гибкость по сравнению с фиксированными отражателями, посредством обеспечения оператору или приобретателю возможности конфигурирования отражателя перед запуском, например, после выбора орбитальной позиции и зоны обслуживания. Кроме того, если ошибки изготовления, повреждения, и/или отклонения детектированы перед запуском, то могут быть выполнены настройки положений фасеток 104 для минимизации результатов этих ошибок.
[0057] Отражатели 100 и 200, описанные выше, могут быть реализованы в виде основных отражателей и/или вспомогательных отражателей в различных реализациях. Четыре возможные реконфигурируемые антенные конфигурации показаны на фиг. 3А-3D.
[0058] Фиг. 3А является моделью антенной системы 300 с одиночным отражателем со смещенным облучателем (single offset reflector - SOR). Эта антенная система включает в себя антенный облучатель 302 и реконфигурируемый отражатель 304, составленный из отражательных фасеток 306. Реконфигурируемый отражатель 304 имеет структуру, подобную структуре отражателей 100 и 200, описанных выше: отражательные фасетки 306 установлены на поддерживающей структуре (не показана), и положениями отражательных фасеток управляют исполнительные механизмы (не показаны). Антенный облучатель 302 передает излучение в направлении отражателя 304, который отражает это излучение, обычно в направлении Земли. Диаграмму направленности отраженного излучения определяет конфигурация отражателя 304. Посредством настройки положений отражательных фасеток 306 с использованием исполнительных механизмов (например, исполнительных механизмов 106 или 206), диаграмма направленности отраженного излучения также будет настроена. Две иллюстративные конфигурации и соответствующие им диаграммы направленности отраженного излучения показаны на фиг. 4А-4D.
[0059] Фиг. 3В является моделью антенной системы 310 с двойным отражателем со смещенным облучателем (dual offset reflector - DOR), с использованием реконфигурируемого основного отражателя 314, составленного из отражательных фасеток 316. Реконфигурируемый основной отражатель 314 подобен реконфигурируемому основному отражателю 304 на фиг. 3А. Антенная система 310 с DOR дополнительно включает в себя антенный облучатель 312 и вспомогательный отражатель 318, который не является реконфигурируемым. Антенный облучатель 312 передает излучение в направлении вспомогательного отражателя 318, который отражает это излучение в направлении основного отражателя 314, который затем отражает это излучение, например, в направлении Земли. В этом случае, в то время как вспомогательный отражатель 318 может влиять на диаграмму направленности излучения, изменения диаграммы направленности излучения формируют посредством настройки положений отражательных фасеток 316 реконфигурируемого основного отражателя 314.
[0060] Фиг. 3С является моделью антенной системы 320 с двойным отражателем со смещенным облучателем (DOR), имеющей антенный облучатель 322, основной отражатель 324 фиксированной конфигурации, и реконфигурируемый вспомогательный отражатель 328. Реконфигурируемый вспомогательный отражатель 328 составлен из фасеток 330 вспомогательного отражателя. Структура вспомогательного отражателя 328 является подобной структуре отражателя 100, описанного выше. Антенная система 320 с DOR функционирует подобно антенной системе 310 с DOR, но изменения в конечной диаграмме направленности излучения, отражаемой фиксированным основным отражателем 324, формируют посредством настройки положений фасеток 330 вспомогательного отражателя, а не фасетками основного отражателя 324.
[0061] Фиг. 3D является моделью антенной системы 340 с двойным отражателем со смещенным облучателем (DOR), имеющей антенный облучатель 342, реконфигурируемый основной отражатель 344, и реконфигурируемый вспомогательный отражатель 348. Реконфигурируемый основной отражатель 344 составлен из отражательных фасеток 346, а реконфигурируемый вспомогательный отражатель 348 составлен из фасеток 350 вспомогательного отражателя. Антенная система 340 с DOR функционирует подобно антенным системам 310 и 320 с DOR, но изменения в конечной диаграмме направленности излучения, отражаемой фиксированным основным отражателем 344, могут быть сформированы посредством настройки положений фасеток 350 вспомогательного отражателя 348 и/или посредством настройки положений отражательных фасеток 346 основного отражателя 344.
[0062] Фиг. 4А является моделью реконфигурируемого одиночного отражателя со смещенным облучателем (SOR) 400, сконфигурированного для обслуживания Африки/ Европы. Этот SOR является подобным реконфигурируемому отражателю 100, показанному на фиг. 1А-1В. Отражательные фасетки смещены от опорного положения (например, криволинейной пунктирной линии, показанной на фиг. 1А) на расстояние вплоть до 0.68 дюйма вдоль единственного линейного измерения. В модели фиг. 4А, расстояние от опорного положения для каждой отражательной фасетки указано посредством затемнения. Шкала 404 затемнения указывает на расстояние от опорного положения, которому соответствует каждый оттенок. Например, самые светлые отражательные фасетки в отражателе 400 находятся на расстоянии приблизительно 0.515 дюйма выше опорного положения, а следующие самые светлые отражательные фасетки в отражателе 400 находятся на расстоянии приблизительно 0.383 дюйма выше опорного положения и т.д.
[0063] Когда отражатель 400 освещен облучателем 402, показанным на фиг. 4А, отражатель 400, при позиционировании на орбитальной позиции, для которой оптимизирована конфигурации отражателя 400, будет иметь в дальней зоне диаграмму направленности излучения на основной поляризации, показанную на фиг. 4В. Карта 410 зоны обслуживания на фиг. 4В показывает, что диаграмма направленности излучения покрывает Африку и Европу. За пределами африканского и европейского континентов, величина излучения, достигающая Земли, быстро уменьшается. Таким образом, в то время как целевые континенты принимают сильный сигнал, спутник не будет расходовать энергию, посылая сильный сигнал к областям за пределами целевой зоны обслуживания (например, в океане).
[0064] Фиг. 4С является моделью реконфигурируемого одиночного отражателя со смещенным облучателем (SOR) 420, сконфигурированного для обслуживания континентальной части США (CONUS). SOR 422 может быть таким же отражателем, как реконфигурируемый отражатель 400, показанный на фиг. 4А, но положения его отражательных фасеток реконфигурировано таким образом, чтобы отражатель был оптимизирован для обслуживания CONUS, и он перемещен в другую орбитальную позицию. Отражательные фасетки смещены от опорного положения на расстояние вплоть до, приблизительно, половины дюйма. Как и на фиг. 4А, расстояние от опорного положения для каждой отражательной фасетки указано посредством затемнения.
[0065] Когда отражатель 420 освещен облучателем 422, показанным на фиг. 4С, отражатель 420, при позиционировании на орбитальной позиции, для которой оптимизирована конфигурация отражателя 420, будет иметь в дальней зоне диаграмму направленности излучения на основной поляризации, показанную на фиг. 4D. Карта 430 зоны обслуживания на фиг. 4D показывает, что диаграмма направленности излучения покрывает CONUS. За пределами континентальной части США, величина излучения, достигающая Земли, уменьшается. Таким образом, в то время как необходимая зона обслуживания принимает сильный сигнал, спутник не будет расходовать энергию, посылая сильный сигнал к областям за пределами целевой зоны обслуживания (например, в океане, Канаде или Мексике).
[0066] Фиг. 5А является последовательностью операций, показывающей способ для конфигурирования реконфигурируемого отражателя на орбите. Сначала, необходимую зону обслуживания или форму луча диаграммы направленности антенны задает оператор на наземной станции (этап 502). Например, оператор может ввести данные, задающие, что отражатель должен быть сконфигурирован для обслуживания Африки/ Европы, как показано на фиг. 4А, или CONUS, как показано на фиг. 4С. Данные, описывающие различные предварительно определенные зоны обслуживания или формы луча диаграммы направленности антенны, могут быть доступны для оператора, или оператор может ввести границы зоны обслуживания или область, подлежащую обслуживанию, вместе с другими ограничениями диаграммы направленности антенны. Оператор также задает орбитальную позицию (этап 504), например, широту для геостационарной орбиты.
[0067] На основе этой информации, наземный или орбитальный процессор определяет оптимальные положения для отражательных фасеток, для достижения необходимой диаграммы направленности (этап 506). Контур необходимой диаграммы направленности может соответствовать контуру необходимой зоны обслуживания и может минимизировать направленность антенны на направления и области за пределами необходимой зоны обслуживания. Оптимальные положения могут быть ограничены диапазоном перемещения и типами перемещения (например, линейным перемещением перпендикулярно поддерживающей структуре, поворотом вокруг оси, другими поступательными степенями свободы), доступного для отражательных фасеток, и могут учитывать, что разные отражательные фасетки имеют разные диапазоны и типы доступного перемещения, как описано выше. Эти положения могут быть также ограничены отказами исполнительных механизмов или отражательных фасеток, как описано выше. Алгоритм для определения оптимального положения может быть подобен алгоритмам, используемым для конструирования непрерывных отражателей фиксированной формы. Этот алгоритм может также рассматривать эффекты дифракции или рассеяния, создаваемые неоднородностями на поверхности отражателя.
[0068] Процессор также извлекает текущие положения фасеток (этап 508). Эти положения могут быть измерены на расстоянии прямо у отдельных исполнительных механизмов или определены посредством бортовой фотограмметрии оптических мишеней, расположенных на поверхностях фасеток, как описано выше. На основе оптимальных положений отражательных фасеток, определенных на этапе 506, и текущих положений отражательных фасеток, процессор определяет настройки, подлежащие выполнению, из текущих положений отражательных фасеток, для получения оптимальных положений отражательных фасеток (этап 510). Затем, процессор выводит эти настройки и, в случае наземной обработки, наземная станция отправляет их к космическому аппарату (этап 512). Подсистема команд и обработки данных космического аппарата ретранслирует сигналы к исполнительным механизмам, обеспечивая настройку исполнительными механизмами положений отражательных фасеток согласно принятым командам (этап 514).
[0069] Один или несколько этапов, предшествующих этапу 512, могут быть выполнены на космическом аппарате, а не на наземной станции. Например, космический аппарат может хранить текущие положения отражательных фасеток и, на основе этих положений, определить настройки из текущих положений отражательных фасеток (этап 510). В качестве другого примера, настройки против помех, описанные в отношении фиг. 1, могут быть выполнены полностью посредством бортового оборудования, без вмешательства оператора. Способ, описанный выше, может быть также применен к конфигурациям с двойным отражателем, показанным выше, но процессор должен определить положения фасеток вспомогательного отражателя, а не фасеток основного отражателя, или в дополнение к положениям фасеток основного отражателя.
[0070] Фиг. 5В является последовательностью операций, показывающей способ для конфигурирования реконфигурируемого отражателя перед запуском. Сначала, необходимую зону обслуживания или форму луча диаграммы направленности антенны задает изготовитель или оператор (этап 552). Например, после назначения зоны обслуживания, изготовитель может ввести данные, задающие, что отражатель должен быть сконфигурирован для обслуживания Африки/ Европы, как показано на фиг. 4А, или CONUS, как показано на фиг. 4С. Данные, описывающие различные предварительно определенные зоны обслуживания или формы луча диаграммы направленности антенны, могут быть доступны для изготовителя, или оператор может ввести границы зоны обслуживания или область, подлежащую обслуживанию. Изготовитель или оператор также задает орбитальную позицию (этап 554), например, широту для геостационарной орбиты.
[0071] На основе этой информации, процессор определяет оптимальные положения для отражательных фасеток для достижения необходимой диаграммы направленности излучения (этап 506). Контур необходимой диаграммы направленности может соответствовать контуру необходимой зоны обслуживания и может минимизировать направленность антенны на направления и области за пределами необходимой зоны обслуживания. Оптимальные положения могут быть ограничены диапазоном перемещения и типами перемещения (например, линейным перемещением перпендикулярно поддерживающей структуре, поворотом вокруг оси, другими поступательными степенями свободы), доступными для отражательных фасеток, и могут учитывать, что разные отражательные фасетки имеют разные диапазоны и типы доступного перемещения, как описано выше. Эти положения могут быть также ограничены любыми ошибками изготовления, повреждениями, или отклонениями, как описано выше. Алгоритм для определения оптимального положения может быть подобен алгоритмам, используемым для конструирования непрерывных отражателей фиксированной формы. Этот алгоритм может также рассматривать эффекты дифракции или рассеяния, создаваемые неоднородностями на поверхности отражателя.
[0072] Затем, после вычисления оптимальных положений отражательных фасеток, процессор выводит оптимальные положения отражательных фасеток для изготовителя, который устанавливает фасетки в их оптимальные положения (этап 558). В некоторых вариантах осуществления, положения фасеток могут быть установлены в ручном режиме изготовителем с использованием одного или нескольких ручных механических настроечных приспособлений, соединенных с каждым фасетом. В других вариантах осуществления, фасетки могут быть автоматически установлены в их оптимальные положения с использованием исполнительных механизмов, как описано в отношении фиг. 5А.
[0073] Хотя здесь показаны и описаны предпочтительные варианты осуществления данного изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что эти варианты осуществления представлены только в качестве примера. Многочисленные вариации, изменения и замены могут выполняться специалистами в данной области техники без отступления за рамки данного изобретения. Следует понимать, что различные альтернативы к вариантам осуществления, описанным здесь, могут быть использованы при применении на практике данного изобретения. Предполагается, что последующая формула изобретения определяет объем данного изобретения, и что способы и структуры в пределах объема этой формулы изобретения и ее эквивалентов должны быть ею охвачены.