Система и способ ориентации адаптивной антенной решетки

 

Изобретение относится к радиочастотной телеметрии, а именно к установлению радиочастотного канала связи между летящим самолетом и приемником. Техническим результатом является повышение надежности каналов связи, особенно в условиях, при которых выходная мощность передающей антенны на борту летящего самолета ограничена. Система для ориентации приемного лепестка диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в сторону летящего самолета включает устройство вычисления вектора местоположения самолета и генератор весового вектора антенны. Устройство вычисления вектора местоположения самолета принимает информацию о местоположении самолета от службы слежения за самолетами и вычисляет на основании полученной информации о местоположении самолета вектор g местоположения самолета. Генератор весового вектора антенны принимает вектор g местоположения самолета от устройства вычисления вектора местоположения самолета и генерирует на основании вектора g местоположения самолета весовой вектор w элементов антенны. Весовой вектор w антенны подается к элементам адаптивной антенной решетки, чтобы ориентировать приемный лепесток диаграммы направленности антенной решетки в направлении летящего самолета. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Перекрестная ссылка к родственным заявкам Это изобретение заявляет приоритет предварительных заявок номер 60/076.666, поданной 3.03.98 г., и 60/076.610, поданной 3.03.98 г., обе из которых включены сюда в виде ссылки.

Предшествующий уровень техники Настоящее изобретение относится к антеннам для применения в радиочастотной телеметрии, и более конкретно, к системе и способу ориентации адаптивной антенной решетки в направлении летящего самолета, чтобы остановить радиочастотный (РЧ, RF) канал связи между летящим самолетом и приемником.

Значительная проблема, с которой сталкиваются в технике телеметрии полетов, относится к частоте, и что более важно, мощности, с которой устройства телеметрии могут передавать РЧ сигналы. До введения в действие Федеральной Комиссией Связи (ФКС, FCC) части 15.247 Правил и Постановлений ФКС, системы авиационной телеметрии были в первую очередь ограничены полосой ОВЧ (174-216 МгГц), и могли работать только на очень малых мощностях передачи ниже 0,1 милливатта (мВт, mW) (ФКС Часть 15.241). Это ограничение по мощности передачи значительно ограничивало диапазон передачи (т.е. максимальное расстояние между передатчиком и приемником) устройств авиационной телеметрии при полете.

Направленные антенны, такие как используемые в обычных РЧ приемниках связи, имеют направленные вперед лепестки диаграммы направленности или лучи, которые представляют собой области максимального усиления приемника. Коэффициент усиления приемника в общем является наивысшим, когда эти лучи расположены в направлении источника сигнала. Такие антенны также обычно имеют нули диаграммы направленности или области наименьшего усиления, например, в их боковых направлениях. Нули могут быть расположены так, чтобы уменьшить реакцию на нежелательные сигналы на основании их направления поступления. Положение основных лепестков и нулей диаграммы направленности в общем фиксируется при установке и остается фиксированным во времени.

Однако положение летящего самолета постоянно изменяется относительно данной находящейся на земле приемной антенны. Соответственно существует проблема в технике телеметрии относительно установления надежных каналов связи между летящим самолетом и наземным приемником, особенно в условиях, при которых выходная мощность передающей антенны на борту летящего самолета ограничена.

Раскрытие изобретения Настоящее изобретение преодолевает эту проблему путем обеспечения системы и способа электронного управления главным лепестком диаграммы направленности приемной антенной решетки в направлении летящего самолета, при одновременной минимизации чувствительности приемника к сигналам с других направлений, включая сигналы интерференции с других направлений и фоновый тепловой шум с других направлений. В примере выполнения изобретения система и связанный с ней способ ориентации главного приемного лепестка диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлении летящего самолета содержит устройство вычисления вектора местоположения самолета и генератор весового вектора антенны. Устройство вычисления вектора местоположения самолета принимает информацию о местоположении самолета от средства слежения за самолетом, такого как служба слежения за самолетами. Устройство вычисления вектора местоположения самолета вычисляет вектор местоположения самолета g для выбранного летящего самолета и выдает на выходе вектор местоположения g. Генератор весового вектора антенны принимает вектор местоположения самолета g от устройства вычисления вектора местоположения самолета и генерирует весовой вектор антенны w на основании вектора местоположения g. Генератор весового вектора подает весовой вектор антенны w к элементам антенны адаптивной антенной решетки, так чтобы приемный лепесток направленности адаптивной антенной решетки был направлен к летящему самолету.

Краткое описание чертежей Фиг. 1 показывает блок-схему системы для ориентации адаптивной антенной решетки согласно варианту воплощения изобретения.

Фиг. 2 - блок-схема шагов способа для вычисления вектора местоположения самолета g согласно варианту воплощения изобретения.

Фиг. 3 показывает примерную спецификацию канала связи согласно варианту воплощения изобретения.

Подробное описание изобретения Блок-схема адаптивной антенной решетки 50 и системы для ориентации адаптивной антенной решетки (называемой здесь далее как ориентирующая антенну система 300) согласно варианту воплощения настоящего изобретения показана на фиг.1. Как это используется здесь, термин "адаптивная антенная решетка" относится к антенной решетке, способной электронно управлять лучом в направлении желаемого сигнала, таким образом максимизируя отношение сигнал-шум желаемого сигнала. Полное описание общих адаптивных решеток смотри в "Антенны" Джона Д. Краусса, Второе издание. Раздел 11-13, "Адаптивные решетки и интеллектуальные антенны" (John D. Krauss, Second Edition, Section 11-13, "Adaptive Arrays and Smart Antennas").

Ориентирующая антенну система 300 согласно настоящему изобретению содержит устройство 315 вычисления вектора местоположения самолета, соединенное с генератором 320 весового вектора. Блок 330 управления присоединен к генератору 320 весового вектора так, что блок управления распределяет выходной сигнал w от генератора 320 весового вектора к отдельным элементам решетки 50. Значение вектора w содержит n комплексных элементов (причем n есть количество элементов в решетке 50), то есть n пар амплитуды и фазы, где каждая пара. соответствует отдельному элементу решетки 50. Например w_i управляет элементом i решетки 50. Таким образом, ориентирующая антенну система 300 позволяет антенной решетке 50 электронно изменять, или адаптировать, свою диаграмму направленности излучения по времени, чтобы оптимизировать прием сигнала в направлении самолета 350.

Устройство 315 вычисления вектора местоположения самолета является программируемым устройством вычисления, или процессором, запрограммированным для вычисления вектора местоположения g для самолета, выбранного блоком 330 управления. Вектор местоположения g определен здесь как вектор, направленный вдоль оси от антенной решетки 50 к выбранному самолету 350. Вектор местоположения g вычисляется из данных местоположения, показывающих положение выбранного самолета 350. Как это используется здесь, термин "самолет" включает в себя все летательные аппараты, такие как вертолеты, аэропланы, планеры, управляемые снаряды и аэростаты.

В варианте воплощения согласно настоящему изобретению данные местоположения включают, но не ограничиваются этим, информацию о широте, долготе и высоте подъема, связанную с местоположением самолета 350. Данные о местоположении могут также включать данные о дальности и азимуте для самолета 350, такие как полученные самолетом 350 от бортового оборудования ОВЧ ненаправленного дальномера (ОНД, VOR), или других приборов определения направления или местоположения. В варианте выполнения настоящего изобретения данные местоположения для самолета 350 подаются к системе 300 службой слежения за самолетами 310. Пример коммерческого поставщика программного обеспечения для слежения за самолетами, пригодного для использования в настоящем изобретении - это программное обеспечение RLM из Бостона, Массачусетс. Другим примером службы 310 слежения за самолетами является Airtrak, программа слежения за самолетами, легко доступная от METSYS Software & Services (Программы и службы Метсис), Кроптон, Пиккеринг, Северный Йоркшир, Y018 8HL, Англия. Программа Airtrak позволяет пользователю создавать карты для любого района мира, накладывать эти карты на сетку широты/долготы, указывая пункты, города и аэродромы.

Программа Airtrak чертит (на графопостроителе) курс требуемого полета по мере его продолжения. Следует, однако, иметь в виду, что Airtrak лишь одно из многих доступных средств слежения за местоположением самолета, пригодных для использования в настоящем изобретении. Другие подходящие средства включают систему слежения Систему Глобального Позиционирования (СГП, GPS), спутниковые средства слежения.

Устройство 315 вычисления вектора местоположения использует вычисления, обычно применяемые в технике навигации, чтобы вычислить относительное положение объекта относительно другого объекта на основании информации о широте, долготе и высоте. Один пример вычисления, выполненный устройством 315 вычисления вектора местоположения в варианте выполнения этого изобретения, показан на фиг.2.

Сначала информация 333 о местоположении, т.е. высота (Е), широта (L₁) и долгота (γ₁) самолета 350 получена от службы 310 слежения за самолетами и записана в память, как показано в блоке 400. В памяти также записаны широта (L₂), долгота (γ₂) и высота (А) антенной решетки 50, как показано в блоке 410. Расстояние D от антенной решетки 50 до самолета 350 вычисляется из соотношения: как показано в блоке 420, где L₁ относится к широте самолета 350, L₂ относится к широте решетки 50, γ₁ относится к долготе самолета 350 и γ₂ относится к долготе решетки 50.

Когда D получено, азимут Н самолета 350 относительно антенной решетки вычисляется согласно соотношения: как показано в блоке 430.

Корректировки азимута для южных широт и восточных долгот выполняются как показано в блоке 440. Наконец, угол подъема вычисляется согласно соотношения:

как показано в блоке 450. Соответственно, вектор местоположения g содержит угол подъема и азимут, вычисленные на фиг.2.

По мере того, как самолет летит, его вектор местоположения g изменяется, и оптимальные массы решетки пересчитываются, чтобы отслеживать эти изменения. Эта адаптивная природа ориентирующей антенну системы 300 позволяет ей хорошо работать в нестационарной среде. В примере воплощения настоящего изобретения ориентирующая антенну система 300 выполнена в режиме реального времени, используя микросхему программируемого Процессора Цифровых Сигналов (ПЦС, DSP). Вариант воплощения настоящего изобретения использует TMS320C50, ПЦС, который доступен от Texas Instruments.

Расчеты управления лучом, алгоритмы и устройства для ориентации антенного луча адаптивной антенной решетки в желаемом направлении с помощью весовых индивидуальных элементов антенной решетки широко используются. Смотри, например, Справочник по радарам, Меррил И. Скольник, Второе издание, в частности, гл. 7, "Фазированные решетчатые радарные антенны" (Radar Handbook, Merrill I. Skolnik, Second Edition, particularly Chap. 7, "Phased Array Radar Antennas"). Как это используется здесь, термин "взвешивание" в применении к элементу антенной решетки, относится к подаче сигнала, включающего угол фазового сдвига и амплитуду, так, чтобы луч антенной решетки электронно ориентировался в желаемом направлении.

Система 300 согласно настоящему изобретению действует путем взвешивания антенной решетки 50. Согласно изобретению система 300 определяет эти веса на основании g, т.е. данных о широте, долготе и подъеме самолета 350. То есть генератор 320 весового вектора выдает выходной сигнал w на основании вектора местоположения самолета g, чтобы подать желаемые характеристики излучения к антенной решетке 50. Эти характеристики включают направленность и положение главного лепестка диаграммы направленности в направлении g самолета вместе с малыми боковыми лепестками вдоль других направлений. В варианте воплощения изобретения весовой вектор w содержит индивидуальные веса w, т.е. индивидуальные значения фазы и амплитуды, или управляющие величины, для отдельных элементов адаптивной антенной решетки 50, так чтобы главный приемный лепесток диаграммы направленности или луч адаптивной антенной решетки 50 был направлен или послан в направлении g, то есть в направлении самолета 350. В варианте воплощения настоящего изобретения генератор 320. весового вектора использует процессор цифровых сигналов (ПЦС, DSP), запрограммированный, чтобы выполнить расчеты управления, которые создают весовой вектор w. ПЦС может быть тем же ПЦС, используемым для исполнения устройства 315 вычисления вектора местоположения. Альтернативные воплощения этого изобретения содержат другие вычислительные средства для генерирования весового вектора w, такие как компьютер или микропроцессор.

В работе, когда желательно получить информацию от конкретного летящего самолета, такого как самолет 350, блок 330 управления посылает сообщение 332 к службе 310 слежения за самолетами, запрашивая информацию о местоположении, относящуюся к самолету 350. В варианте воплощения настоящего изобретения в сообщении 332 содержатся стандартизованные коды идентификации воздушных линий, широко используемые в технике воздушных сообщений, чтобы идентифицировать конкретный самолет, для которого запрошена информация о местоположении.

Как описывалось ранее, по получении сообщения 332 служба 310 слежения за самолетами начинает выдавать информацию 333 о местоположении, включающую данные о широте, долготе и высоте для самолета 350, к устройству 315 вычисления вектора местоположения. Устройство 315 вычисления вектора местоположения самолета принимает информацию 333 о местоположении и вычисляет вектор g местоположения самолета на основании информации 333 о местоположении и известной информации о местоположении, то есть о широте, долготе и высоте антенной решетки 50. Генератор 320 весового вектора принимает вектор g местоположения самолета и генерирует весовой вектор w. Весовой вектор w подается к антенной решетке 50 через блок 330 управления, что приводит к тому, что элементы антенной решетки 50 ориентируются в направлении самолета 350. Конструкция блока 330 управления известна в технике обработки сигналов радара, где он широко используется в электронном управлении отдельными элементами антенной решетки, используя пары сигналов фазы и амплитуды, полученные из массива векторов.

С вводом в действие Части 15.247 в 1985 г. ФКС разрешила использование Индустриального, Научного и Медицинского (ИНМ, ISM) диапазона 902-928 МгГц, 2400-2483,5 МгГц и 5725-5850 МгГц. Вариант воплощения этого изобретения использует преимущество диапазона ИНМ, РЧ спектра, для которого не требуется никакой лицензии, и который сравнительно мало загружен и ожидается, что останется таковым достаточный период времени. В варианте воплощения настоящего изобретения антенная решетка 50 адаптирована для установления канала связи диапазона ИНМ с самолетом 350.

Спецификация модели канала связи для варианта воплощения системы 300, включая приемник, адаптированный для установления канала связи самолет в полете-земля диапазона ИНМ с самолетом 350, дана на фиг.3. В этом варианте воплощения изобретения не моделирован обратный канал (канал земля-воздух), и модель предполагает схему модуляции цифровой квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK) типа, широко известного в технике. Показана мощность передачи модели, длины волны несущей частоты, коэффициент усиления передающей антенны и эффективная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ, EIRP) для варианта воплощения этого изобретения.

Показаны также диаметр элемента приемной антенны (показанной на фиг.2 под ссылочным номером 50), коэффициент усиления приемной антенны и коэффициент полезного действия антенны. В этом варианте воплощения изобретения модель для адаптивной антенной решетки 50 содержит 16 элементов. Как показано на фиг.3, предполагается скорость передачи данных в общем диапазоне примерно в один мегабит в секунду.

Другой вариант воплощения этого изобретения включает канал земля-воздух, имеющий номинальные и разрешенные ФКС значения параметров. Этот канал устанавливает обратный канал в дополнение к каналу воздух-земля. Канал данных земля-воздух используется, чтобы выдать команды телеметрии самолету 350. В варианте воплощения настоящего изобретения исполняется типовой протокол управления, использующий узкополосные каналы связи земля-самолет, которые уже находятся в использовании; а другой вариант воплощения настоящего изобретения использует антенну и модем, которые уже установлены в наземном пункте для других целей.

Альтернативное воплощение настоящего изобретения имеет в виду приемопередатчики диапазона 5,7 ГГц. Как диапазон 2,4 ГГц, так и диапазон 5,7 ГГц являются желательными воплощениями, поскольку в настоящее время в этих диапазонах нет значительной активности. Кроме того, самым проблематичным источником помех в диапазоне 2,4 ГГц являются микроволновые печи, помехи от которых незначительны.

Опытным специалистам будет ясно, что, хотя это изобретение было показано и описано здесь в соответствии с патентными статусами, в описанных вариантах воплощения могут быть сделаны модификации и изменения без отклонения от истинного духа и рамок изобретения. Поэтому должно быть понятно, что прилагаемые пункты формулы изобретения предназначены покрыть все такие модификации и изменения, как попадающие в пределы истинного духа этого изобретения.

Формула изобретения

1. Система для ориентации приемного лепестка диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлении летящего самолета, содержащая устройство вычисления вектора местоположения самолета, для приема информации о местоположении самолета от службы слежения за самолетами, и для вычисления на основании упомянутой информации о местоположении самолета вектора g местоположения самолета, генератор весового вектора антенны, выполненный с возможностью приема упомянутого вектора g местоположения самолета от устройства вычисления вектора местоположения самолета и генерирования на основании вектора g местоположения самолета весового вектора w элемента антенны, и адаптивную антенную решетку, содержащую множество элементов антенны, выполненных с возможностью приема весового вектора w элементов антенны и регулирования соответствующих весов упомянутых элементов в соответствии с весовым вектором w так, чтобы приемный лепесток диаграммы направленности адаптивной антенной решетки был ориентирован в сторону летящего самолета.

2. Система по п. 1, в которой информация о местоположении самолета содержит широту, долготу и высоту самолета.

3. Система по п. 1, в которой информация о местоположении самолета обеспечивается службой слежения за самолетами на основании Интернет.

4. Система по п. 1, в которой адаптивная антенная решетка выполнена с возможностью приема радиочастотных передач в диапазоне ИНМ (ISM).

5. Система по п. 1, в которой устройство вычисления вектора местоположения самолета и генератор весового вектора выполнены на процессоре цифровых сигналов (ПЦС, DSP).

6. Система по п. 1, в которой адаптивная антенная решетка содержит М элементов решетки для приема радиочастотной энергии в диапазоне ИНМ, в которой коэффициент усиления М_i-го элемента решетки пропорционален весу w_i.

7. Способ ориентирования приемного лепестка диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлении летящего самолета, содержащий шаги обеспечения службы слежения за самолетами и получения от нее информации о положении самолета, вычисления вектора g местоположения самолета на основании информации о местоположении самолета, причем вектор g местоположения самолета представляет собой направление самолета от адаптивной антенной решетки, вычисления весового вектора w на основании вектора g местоположения самолета и подачи весового вектора w к элементам адаптивной антенной решетки так, чтобы приемный лепесток диаграммы направленности адаптивной антенной решетки был направлен в сторону самолета.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3