RS63456B1 - 1d fazirani antenski niz za radar i komunikacije - Google Patents

Description

Opis

POVEZANE PRIMENE

POZADINA PRONALASKA

[0001] Postoji nekoliko primena u kojima bi bile poželjne jeftine, sa velikim otvorom, upravljive i/ili sektorske (eng. multibeam) antene. Ove primene uključuju detekciju rezidentnih svemirskih objekata (RSO) sa aktivnim radarom, komunikacione sisteme sa više prijemnih i predajničkih antena (MIMO), istovremenu komunikaciju između zemaljskih stanica i mnogo satelita, pasivni prijem sa više satelita. Trenutno, veliki deo tehnologije za rešavanje ovih potreba može uključivati 2D nizove, koji su često preterano skupi zbog velikog broja elemenata potrebnih za popunjavanje otvora. EP 2637253 A1 opisuje univerzalni uređaj za koncentraciju energije, koji sadrži reflektor i izvor emisije ili prijemnik, reflektor je u obliku bar dela površine obrtnog tela, a izvor emisije ili prijemnik je u obliku raspoređenog sistema aktivnih ili pasivnih elemenata u skladu sa tim, postavljenih na podjednakoj udaljenosti od reflektora, koji čini 0.3 – 0.5 poluprečnika njegove krivine. Osim toga, reflektor može biti u obliku cilindrične površine ili njenog segmenta, ili u obliku sferne površine ili njenog skraćenog segmenta, ili poprečni presek reflektora može biti u obliku kružnog luka u prvoj ravni i krive drugog stepena u ravnima normalnim na navedenu prvu ravan, ili se u vertikalnoj ravni može koristiti deo sfere ili parabole. Osim toga, površina reflektora može biti u obliku rotacionog tela koje se, u poprečnom preseku, sastoji od dve elipse spojene na način da se po jedan fokus svake od elipsi poklapa sa osom rotacionog tela, pri čemu se sistem aktivnih ili pasivnih elemenata postavlja u drugi fokus elipse. WO 02/31915 A2 opisuje prvi 2D fazni antenski niz koji generiše prvo vidno polje i drugo vidno polje. Prvi i drugi motor su povezani sa 2D faznim antenskim nizom kako bi rotirali prvo i drugo vidno polje oko prve i druge ose, respektivno, da bi istovremeno pratili prvo i drugo svemirsko vozilo. Treći motor rotira 2D fazni antenski niz oko treće ose kako bi izjednačio primljenu magnitudu prvog i drugog signala (VC1, VC2) koji se prostiru unutar prvog i drugog vidnog polja. Y. Rahmat-Samii et al: "Advanced precipitation Radar antenna: array-fed offset membrane cylindrical reflector antenna", IEEE TRANS. ANTENNAS PROPAG., vol. 53, br. 8, str. 2503-2515, 1 Avg. 2005 opisuje model prototipa male težine, dvojne frekvencije i antene za skeniranje širokog opsega za sledeću generaciju satelitskog radara za padavine u svemiru. On radi na radarskim kanalima na 13,6 i 35 GHz radi poboljšane preciznosti pronalaženja padavina. Antena za predloženi satelitski radar za padavine u svemiru je ofset parabolični cilindrični reflektor koji napaja 2D niz, odnosno dva linearna niza. Ovaj dizajn je usvojen, umesto dvostruko zakrivljenog ofset reflektora, pošto obezbeđuje potreban široki ugao skeniranja u poprečnoj ravni iz svemira na radnim frekvencijama Ku i Ka opsega. US 6169522 B 1 opisuje uređaj za detekciju reflektovane energije koji sadrži predajnik za predaju elektromagnetnog signala i prijemnik za prijem reflektovanog elektromagnetnog signala. Antena može biti operativno povezana sa predajnikom i prijemnikom za zračenje elektromagnetnog signala i hvatanje reflektovanog elektromagnetnog signala, a antena može biti pokretna. Glavni kontroler može biti obezbeđen za kontrolu rada predajnika i prijemnika, a kretanje antene i uređaj za detekciju reflektovane energije može dalje uključivati i najmanje jednu platformu. Najmanje jedna platforma može podržavati udaljeni reflektor koji je dimenzionisan i konfigurisan da preusmeri elektromagnetni signal u željenom pravcu i kontroler platforme koji je konfigurisan da komunicira sa glavnim kontrolerom i da održava poravnanje između udaljenog reflektora i antene. US 2014/225796 A1 opisuje višekanalni offset Cassegrain dihroični antenski sistem ultra širokog propusnog opsega koji služi za dvosmerni prenos signala između zemaljskog sistema i najmanje jednog satelita. Pravilnim odabirom visokofrekventnog i niskofrekventnog opsega, obezbeđuju se ultra široki opsezi za signale visoke i niske frekvencije. Širina opsega je oko 15%, čak i do 50% od noseće frekvencije. Posebno, širine opsega za signale visokofrekventnog opsega su mnogo šire od onih za signale niskofrekventnog opsega. Opseg niske frekvencije može biti od 10.7 do 12.75 GHz dok opseg visoke frekvencije može biti od 17 do 30 GHz. Osim toga, kako bi se postigao ultraširoki propusni opseg površina dihroičnog pomoćnog tanjira je podeljena na više jediničnih površina. Raspored metalnog dihroičnog elementa jedne jedinične površine se malo razlikuje od druge jedinične površine f, dok su metalni elementi na istoj jediničnoj površini identični. "Advanced architecture for a low cost Multifunction Phased Array Radar", IEEE MTT-S INTERN. MICROW. SYMP. DIG., 23 May 2010, strane 676-679, ISBN: 978-1-4244-6056-4, opisuje tehnologiju multifunkcionalnog radara sa faznim nizom (MPAR) za kontrolu vazdušnog saobraćaja sledeće generacije i nacionalnu službu za praćenje vremenskih prilika korišćenjem 2D nizova.

[0002] Za radarske primene ne postoji jeftino rešenje koje omogućava detekciju malih RSO, definisanih kao oni objekti čiji je prečnik u opsegu 1-2 cm. Detekcija SO sa visokom preciznošću je poželjna za izbegavanje sudara satelita, praćenje satelita, podršku za lansiranje satelita, podršku satelitskim anomalijama i generalne operacije satelitskih misija. Kada se predvidi sudar, zemaljski operateri mogu manevrisati satelitom kako bi izbegli sudar. Ovo produžava životni vek satelita i smanjuje rizik od nastanka krhotina koje mogu dovesti do budućih sudara. Sa trenutno dostupnim sistemima, rutinsko otkrivanje i praćenje objekata je ograničeno na 10 cm i više. Objekti manji od 10 cm mogu ostati neotkriveni, ali i dalje mogu predstavljati značajan rizik za satelite. Predviđeno buduće postavljanje velikih konstelacija satelita zahteva praćenje objekata manjih dimenzija kako bi se izbegao problem kaskadnih krhotina. Broj objekata krhotina u svemiru raste eksponencijalno sa smanjenjem veličine. Postoji potreba za detekcijom objekata od 2 cm ili više sa isplativim sistemom.

[0003] Za komunikacione priemene, planirano je postavljanje velikih konstelacija sa niskom orbitom oko zemlje (low Earth orbit (LEO)) koje se sastoje od stotina do hiljada satelita zahteva komunikaciju velikog propusnog opsega kako bi se omogućio prenos podataka sa više satelita istovremeno. Ove konstelacije se mogu sastojati od stotina satelita po orbitalnoj ravni, od kojih bi desetine satelita mogle istovremeno biti vidljive zemaljskoj stanici. Tradicionalna rešenja se fokusiraju na veliki broj upravljivih tanjira za komunikaciju, što je skupo i neefikasno. Postoji potreba za jeftinim rešenjem faznog niza koje može komunicirati sa desetinama satelita istovremeno.

REZIME

[0004] U prvom aspektu, obezbeđen je fazni antenski sistem koji uključuje najmanje jedan koritasti reflektor, pri čemu svaki koritasti reflektor ima najmanje jedan jednodimenzionalni (1D) fazni niz lociran u feed tački reflektora, 1D fazni niz koji se sastoji od niza elemenata koji se nalaze na dugoj ose reflektora sa razmacima jednakim jednoj polovini centralne talasne dužine emitovanja, višekanalnog beamformera povezanog sa bar delom niza elemenata kako bi se proizveo zbirni snop, digitalizator spojen sa beamformerom, pri čemu digitalizator digitalizuje zbirni snop, pri čemu je fazni antenski sistem konfigurisan da generiše simultane snopove u različitim pravcima kontrolisanjem bar dela niza elemenata. U drugom aspektu, obezbeđen je metod za praćenje korišćenjem sistema iz prvog aspekta, gde praćenje uključuje najmanje jedno ili svemirsko praćenje, praćenje satelita i praćenje svemirskog otpada.

KRATAK OPIS CRTEŽA

[0005]

Slika 1 1D antenski sistem sa faznom rešetkom sa 1D faznim nizom sistema i koritastim reflektorom.

Slika 2 prikazuje realizaciju jednog dela 1D faznog niza.

Slika 3 prikazuje realizaciju jednog elementa 1D faznog niza.

Slike 4 i 5 su ilustracija dijagrama usmerenosti dalekog polja skenirajućeg 1D faznog niza.

Slika 6 prikazuje ilustraciju snimanja vidnog polja.

Slika 7 prikazuje realizaciju dva antenska sistema sa 1D faznim nizom usmerena u različitim pravcima.

Slika 8 prikazuje realizaciju projekcije vidnog polja snimanja na nebo.

Slika 9 prikazuje realizaciju konfiguracije tri antenska sistema sa 1D faznim nizom.

Slika 10 prikazuje realizaciju projekcije vidnog polja snimanja na nebo.

Slika 11 prikazuje vidno polje snimanja.

Slika 12 ilustruje dobitak kao funkciju dužine i prečnika korita za 1-D fazni niz na 446 MHz.

Slika 13 ilustruje jednu realizaciju koritastog reflektora i sistema 1D faznog niza.

Slika 14 ilustruje jednu realizaciju arhitekture digitalnog beamformera.

Slika 15 prikazuje jednu realizaciju arhitekture analognog beamformera.

Slika 16 prikazuje realizaciju arhitekture hibridnog beamformera.

Slika 17 prikazuje realizaciju upotrebe prenosnog signala za dekodiranje.

Slike 18 i 19 prikazuju realizacije offset reflektora.

Slika 20 prikazuje višestruke snopove.

Slika 21 prikazuje realizaciju dvopojasnog sistema sa horizontalnim pomerajem.

Slika 22 prikazuje realizaciju dvopojasnog sistema sa vertikalnim pomerajem.

DETALJAN OPIS REALIZACIJA

[0006] Da bi se zadovoljile potrebe radarskih primena opisanih gore, pristup opisan u nastavku se sastoji od jeftine antene sa 1D faznim nizom koja aktivno osvetljava krhotine i satelite za detekciju i merenje rastojanja, doplera i ugla. 1D niz elemenata je raspoređen u feed tački izduženog reflektora kao što je parabolično korito. Ovaj reflektor koncentriše snagu u jednom smeru i može se napraviti od metalne mreže. Upotreba mreže doprinosi niskoj ceni. Mogu se koristiti i drugi odgovarajući materijali. Koncentracija snage nastaje uglavnom zbog dva faktora. U ravni skeniranja koncentracija je rezultat fokusiranja niza. U elevacionoj ravni koncentracija je rezultat oblika elevacionog otvora korita.

[0007] RF, digitalni i analogni hardver je napravljen pomoću Advanced Modular Incoherent Scatter Radar (AMISR) tehnologije, koja je dizajnirana za visoku pouzdanost i nisku cenu. Niska cena proizlazi iz nekoliko različitih metodologija dizajna. Jedan posebno dolazi iz analognodigitalne hibridne arhitekture sistema 1D faznih nizova. U ovoj arhitekturi, digitalizacija signala se dešava nakon sumiranja snopa, što negira potrebu za korištenjem digitalizatora za svaki element. Osim toga, korišćenje strukture korita smanjuje broj potrebnih elemenata. Tipično, faktor redukcije može biti kvadratni koren (funkcionalno faktor od ~8) u odnosu na 2D niz. To doprinosi soluciji znatno niže cene. Korito omogućava anteni da se elektronski usmerava u jednoj dimenziji tako da može detektovati veliko polje snimanja koje sadrži objekte kao što su krhotine ili sateliti, na primer.

[0008] Da bi se odgovorilo na potrebe komunikacije, pristup se na sličan način fokusira na upotrebu paraboličnog reflektora sa 1D nizom elemenata u tački feeda. Ovaj pristup se može korisno primeniti na komunikacione potrebe LEO konstelacije. Ove konstelacije će se sastojati od više satelita koncentrisanih u orbitalnim ravnima. Tehnologija 1D skeniranja omogućava operateru da koristi višestruke emisione i/ili prijemne signale (MIMO komunikacije) u orbitalnoj ravni. Na ovaj način niz može istovremeno komunicirati sa mnogim satelitima, smanjujući ili uklanjajući potrebu za velikim brojem mehanički upravljivih antena ili skupih 2-D faznih nizova.

Da bi pokrili punu orbitalnu ravan, biće potrebno da se nizovi upravljaju po azimutu i/ili elevaciji, a pojedino mesto može zahtevati višestruke nizove.

[0009] Pristup koji je gore naveden ima mnogo prednosti. 1D radarski sistem opisan u nastavku je pogodan za isplativ dizajn. Ovo omogućava nekoliko primena kao što je, ali ne ograničavajući se na postavljanje više ovih radarskih sistema za praćenje velike površine prostora i postizanje visoke stope ponovljenih poseta na LEO RSO. Skuplji sistemi mogu ostvariti praćenje pomoću konvencionalne tehnologije. Slično, u komunikacijama, kada se satelitske konstelacije raspoređuju sa više satelita, jedan ili više 1D antenskih sistema se mogu postaviti tako da komuniciraju istovremeno sa ovim satelitima. Ovo su samo neke od prednosti sistema opisanog u nastavku.

[0010] Korišćenjem više reflektora, od kojih svaki reflektor ima jedan ili više faznih nizova, sistem može meriti uglove pomoću radarske ili radio interferometrije. Osim toga, sistem, sa jednim ili više reflektora se može koristiti za monostatički radar, bistatički radar, multistatički radar, pasivnu i aktivnu interferometriju, kao i za komunikacije. Monostatički radar se odnosi na radar u kojem su predajnik i prijemnik kolocirani. U bistatičkom radaru, predajnik i prijemnik su razdvojeni. Multistatički radarski sistem uključuje više monostatičkih ili bistatičkih radara i ima zajedničko područje pokrivenosti.

[0011] Slika 1 prikazuje antenski sistem sa 1D faznim nizom sa paraboličnim koritom 10 reflektora, sa reflektorom 20, nizom elemenata 30, bazom 50 i nosećim konstrukcijama 40 i 60. Noseće konstrukcije 40 i 60 osim što pružaju mehaničku podršku takođe mogu da obezbeđuju vodove za električne žice za napajanje pojedinih elemenata 1D niza. Treba napomenuti da se ova diskusija može odnositi na antenski sistem sa 1D faznim nizom sa koritastim reflektorom kao '1D sistem sa faziranom rešetkom', '1D sistem' ili 'sistem'.

[0012] Dok realizacija na Slici 1 pokazuje parabolično korito, sistem može koristiti druge odgovarajuće oblike kao što su, ali ne ograničavajući se na cilindrični, hiperbolični, toroidni i katenarni. Reflektor se može sastojati od bilo kog prikladnog materijala, zavisno od frekvencije, kao što su, ali ne ograničavajući se na metalnu mrežu, ekspandirani metal, metalizovana pena i metalizovani limovi. Generalno, veličina otvora mreže, veličina otvora u mreži, mogu biti znatno manje od radne talasne dužine radara.

[0013] Mreža sa malim otvorom obezbeđuje visoku refleksivnost i nisko curenje. Curenje signala kroz mrežu povećava zadnji lob antene i temperaturu sistema. Zadnji lob antene se odnosi na zračenje energije iz antene u smeru suprotnom od smera glavnog zračenja. Povećanje zadnjeg loba smanjuje energiju antene koja zrači u glavnom smeru. Mreža sa velikim otvorom je jeftinija, lakša i ima smanjeno opterećenje vetrom. Dizajn otvora mreže će uzeti u obzir takve faktore. Osim toga, farbanje mreže može zaštititi materijal od vremenskih prilika. Bela boja odbija sunčevu svetlost sa površine korita i na taj način smanjuje termičke deformacije konstrukcije. Materijali i metode korišćene za konstruisanje korita reflektora mogu pomoći da se smanji cena sistema sa 1D faznim nizom.

[0014] Dimenzije korita reflektora su odabrane na način koji odgovara primeni. Jedna primena bi pratila LEO objekte prečnika oko 10 cm sa UHF koritom. Ako elementi imaju vršnu snagu od 500 W i radni ciklus od 10%, temperaturu sistema od 150 K i vreme integracije od oko 100 ms, odgovarajuće korito bi imalo dužinu od približno 45 metara. Ovo odgovara približno 128 elemenata sa razmakom od polovine talasne dužine, sa paraboličnim otvorom od 13 m.

[0015] Kao što je prikazano na Sl. 1, niz elemenata 30 je lociran na feed tački koritastog reflektora. Slika 2 ilustruje deo ovog niza. Niz se može sastojati od više elemenata kao što su 96, 128 ili drugi odgovarajući broj. Jedan element u nizu, kao što je 35, može se montirati sa drugim elementima na noseću konstrukciju 37. Crtež prikazuje elemente kao krugove samo radi pogodnosti. Oblik i faktor oblika elemenata su odgovarajuće dizajnirani za primenu.

[0016] Slika 3 prikazuje primer elementa iz AMISR UHF tehnologije, sa unakrsnom dipolnom antenom 70. Elektronika za predaju, prijem za ovaj primer elementa može biti smeštena u kućištu 75. Dijagram antene i oblik kućišta mogu da se razlikuju od onih prikazanih na slici, zavisno od mnogih faktora uključujući npr. frekvenciju i primenu. Pozivajući se ponovo na Sliku 1, sa nizom elemenata kao što je prikazano, može se postići upravljanje snopom u X-dimenziji ili u pravcu azimuta.

[0017] Prisustvo lobova može ograničiti uglove upravljanja. Lobovi rešetke nastaju kada je razmak pojedinačnih elemenata u nizu jednak ili veći od polovine talasne dužine. Slično tome, lokacija lobova zavisi od razmaka između elemenata i frekvencije signala. Da bi se maksimizovao ugao upravljanja, elementi mogu biti razmaknuti na blizu polovine talasne dužine. Sa ovom konfiguracijom, jedan niz elemenata može skenirati X-Z ravan. Diverzitet uglova elevacije se može postići na više načina i biće dalje opisan u nastavku.

[0018] Iako nije prikazano na slici, osnova cele konstrukcije reflektora može biti pokretna. Potreba za pokretnom osnovom bi se mogla javiti, na primer, u komunikacionom sistemu zbog potrebe da se prati jedna orbitalna ravan dok precesira preko neba od revolucije do revolucije. Pokretna osnova tada omogućava satelitima u datoj orbitalnoj ravni da ostanu u ravni skeniranja sistema sa 1D faznim nizom. Sistem motora i pokretačkih mehanizama pod kontrolom upravljačkog sistema može obezbediti pokretanje osnove. Sa ovim kontrolnim sistemom, količina i vrsta kretanja se mogu izračunati na osnovu brojnih situacija kao što je, ali ne ograničavajući se na projektovanu putanju satelita ili drugih objekata. Projektovana putanja se može izračunati na osnovu merenja ili drugih podataka i korišćenjem modela orbite.

[0019] Sistem može da prikaže mnogo različitih tipova kretanja. Ona mogu uključivati, ali ne ograničavajući se na azimut, elevaciju i nagib. Kao što je ranije opisano, 1D koritasta antena ima reflektor 20. Ovaj reflektor se može sastojati od različitih materijala uključujući aluminijum, čelik, metalnu mrežu ili metalizovanu penastu podlogu, na primer. Ovi materijali se mogu odabrati na osnovu brojnih faktora, uključujući, na primer, cenu materijala, cenu proizvodnje i specifične primene za koje je koritasta antena dizajnirana. Na primer, ako se antena nalazi na pokretnoj osnovi, može se odabrati lakši materijal. Lakši materijali mogu uključivati npr. aluminijum, liveni magnezijum ili metalnu mrežu. Ovo može smanjiti zahteve za veličinom i kapacitetom aktuatora koji pokreću osnovu.

[0020] Sl.4 i 5 ilustruju primere dijagrama usmerenosti i zračenja iz 1D paraboličnog koritastog sistema. Ova realizacija se sastoji od 9 predajničkih elemenata koji rade na 446 MHz sa razmakom elemenata od 0.37 metara, koji osvetljavaju korito dugo 16 metara sa paraboličnom aperturom od 13 metara. Slika 4 ilustruje ravan usmerenosti dalekog polja XZ ravni. Različite krive ilustruju dijagram usmerenosti za različite uglove upravljanja snopom. Na primer, kriva 100 ilustruje dijagram usmerenosti za snop usmeren na 0°, dok kriva 110 ilustruje snop na 57,3°. Slika 5 ilustruje iste informacije u polarnom dijagramu, osim što ovaj dijagram ilustruje upravljanje snopom. Ove dve slike ilustruju da se pomoću skupa parametara odabranih za ovaj primer, snopom može upravljati za /- oko 60°. Slika 6 ilustruje kako se ovo upravljanje može koristiti za pokrivanje polja snimanja. Na ovoj slici, deo zemlje je prikazan kao 120. Polje snimanja 1D sistema je prikazano kao 130. 1D sistem može očistiti ovu oblast u operaciji emitovanja i prijema prilagođavanjem faza za svaki element.

[0021] Višestruki 1D sistemi se mogu postaviti tako da skeniraju više delova neba, sa višestrukim mogućnostima za konfigurisanje. U jednoj konfiguraciji, dva 1D sistema mogu biti locirana i usmerena u različitim pravcima na nebu. Na primer, dva 1D sistema mogu biti smeštena na istoj zemaljskoj lokaciji, pri čemu je jedan sistem usmeren prema severu, a drugi prema jugu sa smerom skeniranja u ravni istok-zapad. Slika 7 ilustruje orijentaciju takvog kombinovanog sistema.

[0022] Na ovoj slici, 10A i 10B su 1D sistemi orijentisani u pravcu severa i juga. Strelice 12A i 12B označavaju ravan skeniranja sa ravni koja ide poprečno na ravan papira. Slika 8 prikazuje ugaoni grafik neba koji gleda nagore, a krive 130A i 130B pokazuju ugaonu širinu polja snimanja koje odgovara sistemima sa 1D faznim nizovima 10A i 10B respektivno, projektovanim na ugaoni grafik.

[0023] Slika 9 ilustruje drugu konfiguraciju. U ovoj realizaciji, tri 1D sistema se postavljaju od kojih je jedan usmeren ka severu 10C, drugi ka jugoistoku 10D i treći ka jugozapadu 10E. Slika 10 ilustruje dijagram sa ugaonim opsegom skeniranja kao krive 130C, 130D i 130E. Kao napomena, linije 130A-130E krive zbog projekcije prave linije na ugaoni grafik. Ove grafike možemo zamisliti kao sfere, a krive pokazuju gde se ravni skeniranja seku sa tom sferom.

[0024] Sa ovim primerima, sada se može razumeti kako napraviti 'prostornu ogradu'. Drugim rečima, 1D sistemi su raspoređeni tako da detektuju bilo koji objekat iznad određene veličine, koji leti u određenim orbitama u delu prostora iznad sistema. Konfiguracija sa Slika 7 i 8 mogu otkriti objekte koji lete na orbitama sever jug. Međutim, sa ovom konfiguracijom objekti koji lete u pravcu istok-zapad ili zapad istok mogu ostati neotkriveni, a druge inklinacije mogu rezultirati otkrivanjem od strane samo jednog od sistema.

[0025] Konfiguracija sa Slika 9 i 10 ublažavaju ove probleme pošto objekti koji lete u bilo kojoj orbiti mogu biti otkriveni. Osim toga, konfiguracija može pružiti najmanje dva uočavanja objekta. Ovo omogućava odgovarajući izbor u zavisnosti od zahteva detekcije. Treba napomenuti da su mogući i drugi uglovi i konfiguracije. Osim toga, ovi sistemi ne moraju biti locirani na jednoj lokaciji. Sistemi bi se mogli postaviti daleko jedan od drugog, na primer, jedan na svakom polu i jedan na ekvatoru. Međutim, budući da antena može otkriti svemirske letelice samo unutar linije vida i unutar granica svoje osetljivosti, sateliti ili krhotine u orbitama sa malom inklinacijom se ne bi mogli otkriti sa polarne stanice. Zbog toga se preporučuju višestruka ekvatorijalna mesta kako bi se satelit sa malom inklinacijom mogao uočiti više puta po revoluciji.

[0026] Višestruki 1D sistemi se takođe mogu koristiti za postizanje diverziteta uglova elevacije. Ovo se može postići postavljanjem sistema 10G i 10F pod uglom jedan prema drugom i prema ravni XY. Ravan skeniranja bi tada pokazivala na različite elevacione uglove sa različitim vidnim poljima 130G i 130F kao što je prikazano na Slici 11.

[0027] Pokretna baza omogućava promene položaja 1D sistema kao što je gore opisano. U daljem konceptu, 1D sistem može uključivati mehanizme koji omogućavaju podešavanje orijentacije. Pozivajući se na Sliku 1, osnova 50 se može pokretati pomoću sistema zupčanika, motora ili drugih tipova aktuatora, koji nisu prikazani na slici. Na primer, mehanizmi mogu omogućiti rotaciju celog sistema oko Z-ose. Drugi mehanizmi mogu omogućiti promenu orijentacije koritaste antene. Može se vizualizovati orijentacija ispitivanjem jednog od sistema na Slici 7.

[0028] Strelica 12A ili 12B bi pokazivala pod drugačijim uglom kada se orijentacija promeni. U ovom slučaju, pokretački mehanizmi bi uzrokovali da se korito usmeri u drugom pravcu. Mogućnost prilagođavanja ili modifikacije položaja i orijentacije može imati prednosti u mnogim situacijama. U jednom primeru, modifikacije oblika ograđenog prostora mogu omogućiti bolje otkrivanje cilja. Pozivajući se na Sliku 8, ako je objekat leteo preko neba uglavnom u pravcu istok-zapad sa malim uglom od jugoistoka prema severozapadu, tako da su se objekat i vidno polje 1D sistema ukrštali vrlo kratko ili za kratak vremenski period, jedan ili oba 1D-sistema prikazana na Slici 7 se mogu rotirati oko svojih Z-osa. Prilikom sledećeg prolaska objekta, ako kruži oko Zemlje, rotirani sistemi mogu da obezbede bolji signal.

[0029] Dužina i prečnik korita predstavljaju samo neke od mnogih parametara dizajna za 1D fazni antenski sistem. Dobitak antene je jedan od faktora koji se uzima u obzir pri odabiru dužine i prečnika. Slika 12 prikazuje proračun dobitka antene u funkciji prečnika i dužine korita za UHF sistem. Takođe pokazuje da ako se želi određeni dobitak, prečnik i dužina mogu biti promenjeni kako bi najbolje odgovarali okruženju u kojem će se 1D sistem primeniti. Dobitak antene je dat jednakošću:

gdje je λ talasna dužina radara, a Aeff efektivni otvor je dat kao:

gde Dlengthi Dwidthpredstavljaju širinu i dužinu reflektora, a ε je efikasnost otvora.

[0030] Potrebna veličina korita za primenu radara je određena brojnim faktorima, uključujući detektabilnost cilja. Primljena snaga je data sa:

gdje Ptxje snaga predaje, Gtxje dobitak predajničke antene, Grxje dobitak prijemne antene, σrcsje radarski poprečni presek rasejača, λ je talasna dužina radara, Rtxje rastojanje predajnika od cilja, Rrxje rastojanje prijemnika od cilja, a L je faktor gubitaka. Potrebno vreme integracije za postizanje datog odnosa signal-šum (SNR) je:

gdje je kBBolcmanova konstanta, Tsysje temperatura sistema, a Fdutyje radni ciklus sistema, a Fsafetyje sigurnosna margina detekcije.

[0031] Suprotno tome, minimalni detektabilni RCS za radar je dat jednakošću:

[0032] Mapiranje RCS na veličinu fizičkog objekta zavisi od svojstava rasejavanja objekta, materijala i mnogih drugih faktora. Za sferičnu provodnu sferu, može se pretpostaviti Rajlijevo rasejanje ako je obim objekta, Cobj= 2πRobj, manji od približno 0.1λ. U ovom režimu, odnos RCS prema veličini objekta za sferičnu provodnu sferu je dat sa:

gde je Aobjpovršina poprečnog preseka cilja. Za obim objekta veći od 0.1λ, RCS se može tretirati korištenjem Mie rasejavanja i RCS je teže predvideti. Za veoma velike objekte, RCS se približava optičkom poprečnom preseku (Aobj). Za dati željeni minimalni poprečni presek koji se može detektovati u željenom opsegu, kao i za željeno vreme integracije, sistemski parametri se mogu izračunati.

[0033] Slika 13 ilustruje primer geometrije korita. Korito 20, prikazano kao puna linija, vidi se kao deo paraboličnog luka 25, prikazanog kao isprekidana linija. Tačka feeda je naznačena. Ovde se mogu nalaziti elementi 1D niza, koji su u ravni papira. U ovom konkretnom primeru, tačka feeda se nalazi na 5.63 m iznad najniže tačke parabole. Ugao od tačke feeda i ivice korita je 60°. Dubina tanjira u ovom slučaju je 1.88 m. Ovi brojevi zavise od dijagrama snopa elementa.

[0034] Subreflektor može ponuditi dodatne prednosti dizajnu korita. To je dodatni reflektor koji se može nalaziti između feeda i glavnog korita. Može se koristiti za preusmeravanje, fokusiranje ili širenje energije radio frekvencije koja putuje između feeda i glavnog korita. Korištenjem subreflektora dobitak antene i nivoi bočnih lobova se mogu dodatno optimizovati. Ovo takođe može smanjiti troškove servisiranja feeda jer se tačka feeda može nalaziti bliže nivou tla. Osim toga, orijentacija opreme za napajanje antene se može podesiti kako bi se olakšala instalacija i servisiranje, i tako da gravitacioni otvori za odvod vlage ne ometaju elektroniku ili uzemljenje.

[0035] Tabela 1 ispod ilustruje primere konfiguracije 1D sistema kao što je gore opisano.

[0036] Za iste karakteristike objekta i za iste opšte karakteristike kao što je frekvencija, za dati proizvod snaga-otvor, proizvod snaga-otvor određuje performanse radara. U tabeli se poredi niz korita i 2D niz. Iz ove tabele se može videti da za UHF sistem od 500 W, za objekat prečnika 10 cm, s obzirom na isti proizvod snaga-otvor, 1D sistem ima dužinu korita od 49 m i širinu od 13 m u poređenju sa linearnom dimenzijom 13.71 m za 2D niz. Međutim, broj elemenata potrebnih u 1D sistemu je 147 u poređenju sa 1690 za 2D niz. Ovo ilustruje troškovnu prednost 1D-sistema.

[0037] Na slikama 14-16 su prikazani neki primeri arhitekture beamformer prijemnika. Arhitekture beamformera su dobro poznate i razumljive. Slika 14 je najopštija konfiguracija, gde se signali iz N elemenata pojačavaju i digitalizuju, i ulaze u N-kanalni beamformer koji se funkcionalno sastoji od digitalnog kašnjenja i sumiranja. Iako atraktivno, ovo rešenje može biti preterano skupo za komercijalne primene jer zahtevi za beamforming mogu biti preveliki, na primer da zahtevaju propusni opseg od 2 GHz preko 1000 kanala.

[0038] Slika 15 prikazuje alternativno rešenje analognog pristupa beamformingu. U ovoj varijanti, svaki signal se pojačava, a zatim šalje u banku faznog prebacivača i sumira, proizvodeći N-kanalni analogni tok. Signal se zatim digitalizuje. Ova konfiguracija zahteva manje digitalizatora. Slika 16 ilustruje hibridni pristup gde se grupe kanala, od 1 do M u primeru, sabiraju. Parcijalne sume se zatim digitalizuju kako bi se formirala ukupna suma. Svaka konfiguracija ima svoje prednosti i nedostatke u smislu cene, potrošnje energije i preciznosti procesa beamforminga. Oni su dobro poznati u literaturi i ovde neće biti opisani. Osim toga, iako slike opisuju putanju prijemnog signala, putanja emitovanog signala je slična i ovde se neće ponavljati.

[0039] Koherentno procesiranje je tehnika za poboljšanje odnosa signala i šuma (SNR) koja povećava detektivnost za radarske primene. Širina opsega prenošenog talasnog oblika određuje rezoluciju po rastojanju za radar. Za fazno kodirane talasne forme, gde je impuls fazno kodiran sa Nbaudbrojem "bauda" raspoređenih svakih Tbaudsekundi, gde je ukupna dužina impulsa Tpulse= NbaudTbaud, rezolucija po rastojanju je data sa cTbaud/2 gde je c brzina svetlosti. Iako je ovo osnovna rezolucija preko koje radar može da razdvaja, interpolacija se može koristiti za poboljšanje statističke tačnosti merenja rastojanja na više od 10 puta ova vrednost, u slučaju visokog povratnog SNR.

[0040] Dok se merenja rastojanja iz pojedinačnih impulsa mogu "nekoherentno" uprosečiti, ili uklopiti sa orbitalnim modelom, kako bi se poboljšala statistika merenja kao √Nintgde je Nintbroj nekoherentnih integracija, Umesto toga se može primeniti koherentno procesuiranje koje povećava statistiku merenja kao Nint. Da bi se to postiglo, više impulsa se može koherentno kombinovati pod pretpostavkom da je ciljna amplituda stacionarna tokom vremena integracije. Koherentno sumiranje se odnosi na sumiranje koje se vrši u kompleksnom domenu gde su faze očuvane, za razliku od nekoherentnog sumiranja gde se sumiranje vrši nakon detekcije magnitude.

[0041] U prvoj sekvenci kada predajnici prenose 'Puls 1', 'Puls 2', 'Puls 3' i tako dalje. Nakon što se Puls 1 emituje, reflektovani signal, Signal 1 se prima na cilju. Slično, neki signal, Signal 2, se vraća nakon slanja Pulsa 2. Prijemni signal može biti prilično slab i blizu praga šuma. U ovom slučaju, Signal 1 i Signal 2 se mogu koherentno sumirati da se poboljša SNR.

[0042] Da bi se matematički objasnio ovaj koncept, ako je poslati talasni oblik dat sa:

gde je e(t) sporo promenljiva kompleksna ovojnica transmisije, a ω0je radijanska noseća frekvencija. Primljeni signal se modelira prema:

što odgovara skaliranom (b) vremenu kašnjenja (t-2R/c), verziji primljenog signala sa doplerovim pomerajem (ωD), kao što je objašnjeno u "Real-Time Space Debris Monitoring with EISCAT," Advances in Space Research, vol. 35, br. 7, str. 1197-1209, 2005. Dodatni nivoi složenosti mogu biti dodati ovom modelu. Na primer, ako sam Doplerov pomeraj varira sa vremenom, onda to može biti modelirano kao što je prikazano u referenci.

[0043] Procena primljenog signala se može postići jednostavnim konvolviranjem primljenog signala, z(t), sa vremenom kašnjenja, reprezentacijom talasnog oblika prenosa sa Doplerovim pomerajem. Prema tome:

gde je s(t) procenjeni prijemni signal. Iako većina aplikacija tretira T kao dužinu impulsa (Tpulse), ona može biti i nekoliko impulsa sve dok se održava koherentnost. U ovom slučaju, višestruki impulsi se mogu koherentno dekodirati, uzimajući u obzir Doplerov pomeraj primljenih talasnih oblika. Jednačina 9 se može diskretiziovati i napisati kao diskretna Fourierova transformacija. Procenjeni signal se može izračunati na svim rešivim frekvencijama korišćenjem algoritma brze Fourierove transformacije. Na ovaj način se može uočiti više ciljeva u vidnom polju, ali sa različitim Doplerovim pomacima.

[0044] Duga vremena koherentne integracije imaju prednost povećanja Doppler rezolucije. Doppler rezolucija je određena sa 1/T u gornjoj jednačini. Koherentna obrada povećava SNR i značajno poboljšava Doppler rezoluciju.

[0045] U drugom razmatranju, koherentna integracija proizvodi veliku prednost u ograničenim vremenskim intervalima sve dok signali sa ciljeva ostaju koherentni. Promene uglova gledanja sistema, orijentacije satelita (rotacije) ili stanja jonosfere uzrokuju gubitak koherentnosti povratnog signala. Ova smanjena koherentnost smanjuje efikasnost koherentnih algoritama integracije. Šema koja kombinuje kratke koherentne intervale integracije sa dužim nekoherentnim intervalima integracije često daje optimalne performanse sistema. Može se izvršiti nekoliko vrsta nekoherentne integracije operacija. Na primer, sumiranje se može izvršiti nakon detekcije ili se može sumirati snaga iz svakog kanala.

[0046] Kao što je gore spomenuto, rezolucija radara je određena propusnim opsegom predaje. U konvencionalnim radarskim sistemima, često se koriste frekvencijski čirpovi da bi se omogućilo ovo proširenje propusnog opsega. Međutim, performanse ovih sistema su ograničene prisustvom klatera i smetnji, a frekvencijski čirpovi imaju inherentnu Doplerovu neodređenost po rastojanju. Nasumično biranje parametara impulsa predaje signala daje prednost za prevazilaženje nekih od ovih problema, posebno ako se prati više ciljeva na širokom rasponu visina. Dužina impulsa (Tpulse) i vreme između impulsa (Tipp) koje se može randomizovati, ponekad se naziva aperiodično kodiranje. Osim toga, ranije opisana dužina bauda (Tbaud) takođe može biti randomizovana.

[0047] Da ovo malo dalje objasnimo, statističko svojstvo pseudoslučajnih sekvenci je da su ortogonalne. Za dva pseudoslučajna niza ovo se matematički može zapisati kao:

Randomizovane impulsne sekvence koriste ovo statističko svojstvo da smanje ili eliminišu dvosmisleni sopstveni klater iz neželjenih opsega. U jednom primeru, randomizovane impulsne sekvence se mogu koristiti za otkrivanje objekata na različitim visinama. U nizu impulsa koji su nasumično raspoređeni, jedan impuls se može koristiti za detekciju objekata na niskoj zemljinoj orbiti, dok se kombinacija više impulsa može tretirati kao duži niz impulsa za detekciju objekata u geosinhronoj ekvatorijalnoj orbiti (GEO) (na višim nadmorskim visinama).

[0048] U drugom primeru, svaki impuls može imati jedinstvenu randomizovnanu sekvencu tako da kada se dekodiraju prijemni signali iz jednog impulsa za slanje, signali iz drugih impulsa ne ometaju klater iz prvog impulsa i u suštini se randomizuju u šum. Kada je u vidnom polju istovremeno prisutno više ciljeva, konvencionalni radar ih možda neće razlikovati. Međutim, korišćenjem randomizacije impulsa sa jedinstvenim sekvencama, postaje moguće identifikovati odakle potiču prijemni signali.

[0049] U drugom primeru, randomizacija Tippkorišćenjem aperiodičnih sekvenci bi bila korisna za ciljeve na velikim visinama. To je zato što otkrivanje ciljeva koji se nalaze na velikim visinama (npr. GEO) obično traje 100 milisekundi, tokom kojih se prenosi nekoliko impulsa. Randomizovanjem IPP, u suštini se vrši randomizovanje impulsa predajnika korišćenjem "0"s, vremena isključenja predajnika, ograničeno inter-pulsnim periodom predajnika (IPP), i u suštini prenošenjem izuzetno dugog impulsa sa dobrim svojstvima koherentnosti. Ove "0"s, ako se periodično ponavljaju, pod uslovom da je Doplerova neodređenost određena Fourierovom transformacijom transmisionog talasnog oblika. Randomizovanje Tipp, smanjuje ovu neodređenost i stoga smanjuje verovatnoću lažnih ili biasnih detekcija od šumova. Osim toga, talasni oblici radara bi mogli biti randomizovani.

[0050] Kombinacija elektronski skeniranog faznog niza i koherentne obrade dovodi do mogućnosti praćenja više objekata istovremeno sa dobrom Doplerovom rezolucijom i rezolucijom po udaljenosti. Na primer, može se istovremeno pratiti 10 objekata sa UHF sistemom sa procenjenim vremenom koherentnosti objekta od 100 ms, sa Doplerovom rezolucijom od 10 Hz (3.35 m/s na UHF). Objekt bi ostao u snopu 5s, a vreme provedeno po objektu bi bilo 500 ms. Broj koherentnog dometa i Doplerove procene bi bio 5 dok je objekat u snopu.

[0051] Kao što je ranije pomenuto, impulsi transmisije ponekad mogu biti kodirani radi poboljšanja parametara kao što je odnos signala i šuma. Ovi kodirani signali moraju biti dekodirani kada se primaju u 1D sistemu. Obično se tokom procesa dekodiranja koristi kopija predviđenog talasnog oblika. Međutim, korišćenje kopije predviđenog talasnog oblika transmisije može rezultirati nezadovoljavajućim nivoima artefakata zbog nepravilnog dekodiranja. To je zato što stvarni talasni oblik transmisije koji proizilazi iz pojedinačnih elemenata može biti drugačiji od predviđenog talasnog oblika zbog izobličenja u fazi, amplitudi i vremenu. Za proces dekodiranja je povoljno da se koristi stvarni talasni oblik transmisije.

[0052] Slika 17 ilustruje ovaj koncept. Ova slika prikazuje neke od funkcionalnih blokova obrade sistema za prenos/prijem. Primer predviđenog signala za prenos 620 je prikazan na izlazu generatora signala 610. Kako se ovaj signal širi do antene 630 i emituje, pretrpeće dalje promene magnitude i faze. Nakon transmisije, signal putuje do cilja i reflektuje se nazad do antene. Elektronika prijemnika, koja može uključivati procesor koji izvršava instrukcije, obrađuje ovaj signal. Kao što je prikazano, signal na izlazu prijemnog beamformera 670 može biti različit po magnitudi i fazi u poređenju sa predviđenim signalom transmisije 620.

[0053] Upotreba predviđenog talasnog oblika za dekodiranje prijemnog signala može dovesti do artefakata. Da bi se izbegli ovi artefakti, koristi se signal koji se širi kroz funkcionalne blokove za slanje i prijem, ali se ne širi u slobodni prostor. Ovaj signal je rezultat curenja uzrokovanog cirkulatorom ili prekidačem za prenos/prijem 640 koji je dizajniran sa nekom spojnicom. Tokom operacije predaje, određeni deo signala se šalje sa strane predaje na stranu prijema. Ovaj spregnuti signal se zatim digitalizuje i memoriše i koristi se za dekodiranje signala primljenih od cilja.

[0054] Radar sa inverznom sintetičkom aperturom (ISAR) je tehnika za snimanje objekta, kao što je komad krhotine ili svemirska letelica, sa više radarskih sistema. Ove slike mogu identifikovati objekat, posebno ako je veliki, i poboljšati sposobnost povezivanja merenja obavljenih jednim radarom sa merenjima na drugom radaru. Kvalitet slike formirane ISAR tehnikom zavisi od kretanja satelita i širine signala. Slike formirane ovom tehnikom su dvodimenzionalne, pri čemu je jedna osa usmerena duž ose korita, a druga osa je usmerena u pravcu dometa korita. Najbolja rezolucija slike se postiže kada radar može sagledati objekat od horizonta do horizonta i kada radar ima vrlo širok propusni opseg. Korišćenje 1D sistema sa razmakom između elemenata manjim ili jednakim λ/2 je u ovom slučaju prednost jer omogućava korišćenje upravljivih snopova; ovo poboljšava vreme u kojem je cilj vidljiv 1D sistemu, čime se omogućava formiranje ISAR slika.

[0055] Slika 18 ilustruje primer geometrije korita. Tačka feeda se vidi otprilike 5 m direktno iznad najniže tačke korita i otprilike 6 m od ivice tanjira. Može biti teško imati fizički pristup feed tačkama bez posebne opreme. Pored problema sa pristupom, postavljanje feed tačke direktno iznad korita povećava blokadu signala u glavnom delu snopa. Na slici 18 je prikazana druga konfiguracija koja prevazilazi ove probleme. Ovde je feed tačka locirana sa strane antene, a ne direktno iznad nje, ali još uvek u fokusnoj tački parabole. U ovom primeru, fideri su rotirani za 60° i okrenuti prema koritu. Ovo rezultira aperturom od 13 m za korito, međutim, kao što se može videti sa slike, feed tačke su samo oko 3.7 m iznad dna korita.

[0056] Slika 19 prikazuje drugu konfiguraciju gde su feed tačke rotirane za 55°. Ovde su feed tačke oko 3m iznad i oko 2m udaljene od ivice tanjira. Moguće su i druge konfiguracije pomeraja. Ove konfiguracije snižavaju feed tačke i čine ih pristupačnijim. Ove konfiguracije takođe minimiziraju blokadu uzrokovanu feed tačkama.

[0057] S obzirom na fizičku veličinu 1D sistema, mogu postojati varijacije u položaju elemenata. Ove varijacije mogu uzrokovati varijacije u veličini i fazi signala za prijem i emitovanje. Varijacije u signalima takođe mogu biti uzrokovane drugim faktorima koji nisu povezani sa veličinom 1D sistema, kao što su karakteristike kabla, elektronika, unakrsna sprega od signala koji potiču iz susednih elemenata. Na kraju, ove varijacije mogu uzrokovati degradaciju snopa utičući na dijagram snopa i senzitivnost snopa. Možda bi bilo korisno izmeriti varijacije, a zatim se prilagoditi varijacijama.

[0058] Proces kalibracije se generalno može sastojati od najmanje dva koraka. U prvom koraku, elektromagnetni model sistema, koji uključuje geometriju elemenata i 1D korito, može biti generisan na osnovu merenja položaja elemenata iz referentne tačke. Ova merenja se mogu izvesti na primer laserskim uređajem ili iz višestrukih aero-fotografija iz više uglova iz kojih se pravi 3D model sistema. Drugi korak zahteva kalibracionu antenu smeštenu na poznatoj poziciji. Svaki element jedan po jedan šalje i prima signale sa kalibracione antene. Tada se izmerena faza primljenih signala upoređuje sa predviđenom fazom iz modela za svaki element. Treba napomenuti da elektromagnetni model može sadržati i lokaciju kalibracione antene.

[0059] Ova odstupanja na bazi element po element daju faznu distorziju ili modifikaciju koja se javlja zbog elektronike i drugih faktora. Ove vrednosti odstupanja, koje se nazivaju vrednosti kalibracije se dobijaju odvojeno za operacije slanja i prijema. Da bi se dobile vrednosti kalibracije prenosa, izvodi se operacija obrnuta od gornje; drugim rečima, signali se prenose sa svakog elementa na bazi element po element i primaju na kalibracionoj anteni. Odgovarajuće vrednosti emitovanja ili prijema se zatim, kada je sistem ponovo u radu, primenjuju na bazi element po element.

[0060] Za potrebe praćenja satelita, svemirskih letelica i svemirskog otpada, korisno je izmeriti elektronsku gustinu kao funkciju dubine jonosfere. Elektromagnetni talasi koji putuju kroz jonosferu mogu doživeti kašnjenja u UHF opsegu. To može dovesti do vremenski promenjivih baza u merenjima udaljenosti. U prvom redu, fazno kašnjenje izazvano elektromagnetnim talasima kroz jonosferu je 40.3 TEC/f, gde je TEC ukupan sadržaj elektrona (jedinice elektrona po m<2>) i/je radna frekvencija u Hz. Kašnjenja u dvosmernom dometu mogu biti u rasponu od 10-100 metara i vrlo varijabilna zbog varijabilnosti uslova jonosfere. Ovo je posebno tačno na srednjim i niskim geografskim širinama gde je jonosfera najpromenljivija.

[0061] Konvencionalni način rešavanja ovog problema uključuje modeliranje jonosfere i korištćenje modela za korekciju merenja udaljenosti. Međutim, karakteristike jonosfere se menjaju kao funkcija lokacije i vremena, smanjujući vrednosti korišćenja modela za ispravljanje grešaka. U metodi opisanoj u nastavku, nekoherentno rasejavanje koje nastaje kao rezultat predaje mernih impulsa se prima i analizira. Korišćenjem pulsa i amplitude primljenih signala, generiše se model jonosfere u realnom vremenu. Upotreba ovog modela može rezultirati preciznijim procenama udaljenosti.

[0062] Da bismo ovo objasnili u matematičkim terminima, nekoherentno rasejanje (IS) je termalno povratno rasejanje jonosferskih elektrona, kako je objasnio J.V. Evans u " "Theory and Practice of Ionosphere Study by Thomson Scatter Radar," Zbornik radova IEEE, vol. 57, br. 4, str. 496-530, 1060. Nekoherentni poprečni presek povratnog rasejanja je u tom radu dat kao:

gdje je σe radarski presek elektrona, Tei Tisu temperature elektrona i jona, a α je Debajeva dužina plazme zavisna od talasne dužine. Ukupna primljena snaga je tada proporcionalna ukupnom broju elektrona unutar osvetljene zapremine, a time i gustini broja elektrona Ne, kao i proizvodu snage i otvora. Primljena snaga se smanjuje kao:

[0063] Analizom primljene snage, ISR može efikasno profilisati gustinu broja elektrona, kao i druga svojstva sredine kroz interpretaciju IS Doplerovog spektra.

[0064] U praksi, impulsi sondiranja jonosfere se mogu preplitati sa impulsima satelitskog praćenja za merenje profila elektronske gustine koji su razdvojeni po rastojanju. Ukupan sadržaj elektrona u jonosferi (TEC) između predajnika i satelita se može izračunati integracijom izmerene gustine elektrona duž putanje od predajnika do satelita. Kašnjenje po rastojanju se može izračunati pomoću gornje jednačine faznog kašnjenja.

[0065] Kao što je ranije rečeno, za komunikacione primene, predviđeno postavljanje konstelacija niske zemaljske orbite (LEO) koje se sastoje od više satelita, zahteva komunikaciju velikog propusnog opsega kako bi se omogućila istovremena komunikacija sa satelitima. Ove konstelacije se mogu sastojati od stotina satelita po orbitalnoj ravni, od kojih bi desetine satelita mogle biti istovremeno vidljive zemaljskoj stanici. Ovde opisani pristup koristi višestruke prijemne snopove za istovremenu komunikaciju sa više satelita.

[0066] Sl. 20 ilustruje konfiguraciju u kojoj je generisano više snopova. Ovo je povoljna konfiguracija za komunikacioni sistem sa zahtevom za uplink i/ili downlink sa više satelita istovremeno. U ovom primeru su ilustrovana tri 1D sistema, iako se samo jednim sistemom može generisati više snopova. Vidno polje snimanja svakog 1D sistema je ilustrovano sa 310, 320 i 330. Raspoređivanjem sistema u ravni, može se stvoriti kompozitno vidno polje u XZ ravni i više satelita u istoj orbitalnoj ravni može biti adresirano.

[0067] U nekim primenama kao što su komunikacije, pogodno se mogu koristiti različiti opsezi frekvencija. Na primer, S-opseg (2-4 GHz) se može koristiti za uplink, a X-band (8-12GHz) se može koristiti za downlink. Za referencu, uplink se odnosi na komunikaciju između zemaljskih stanica i satelita, a downlink se odnosi na komunikaciju od satelita ka zemaljskim stanicama. Neki protokoli za downlink podataka sa satelita zahtevaju da se uplink uspostavi i održava tokom preuzimanja. Ovo se radi kako bi se dobile informacije o kvalitetu veze i odredila brzina podataka koja će se koristiti za downlink. Uplink zahteva samo manju brzinu prijenosa podataka, na primer, često je za uplink dovoljan snop uskog propusnog opsega (oko 1-2 MHz). Za downlink je često potreban širi propusni opseg. Na primer, odgovarajući propusni opseg može biti oko 100MHz.

[0068] Druge frekvencije i propusni opseg su mogući za uplink i downlink. Na primer, Ku opseg (12-18 GHz) se može koristiti za uplink a Ka opseg (26.5-40GHz) se može koristiti za downlink. Postoji nekoliko načina na koje se antene za dva različita opsega mogu konfigurisati u kontekstu 1D sistema. U jednoj konfiguraciji, dva 1D fazna niza su raspoređena sa horizontalnim pomerajem. Ovo je ilustrovano na Slici 9A.

[0069] Na Slici 21 lokacija označena sa 500 može biti lokacija dovoda downlink veze X-opsega, dok lokacija označena strelicom 510 može biti lokacija dovoda uplink veze S-opsega. Strelica 520 ukazuje na udaljenost za koju je S-opseg pomeren. U ovom slučaju feed X-opsega je postavljen u fokusnu tačku korita, a S-opseg je horizontalno pomeren. Za izračunavanje iznosa horizontalnog pomeraja prikazanog na 520 se mogu koristiti različita pravila. Međutim, jedna poželjna konfiguracija je da se antena više frekvencije postavi u fokus a antena niže frekvencije pomeri i da ovaj pomeraj bude jednak 1⁄4 (talasna dužina X-opsega talasna dužina S-opsega), što efektivno postavlja feed-ove jedan pored drugog. Feed-ovi su često polovina talasne dužine.

[0070] Pomeranje feeda od fokusa degradira performanse sistema; međutim, performanse sistema sporije degradiraju na nižim frekvencijama. Dakle, visokofrekventno napajanje se postavlja na optimalnu lokaciju, a niskofrekventno napajanje se postavlja u blizini. Ova konfiguracija osigurava da se na signale više frekvencije minimalno ili uopšte ne utiče, ali signali sa niske frekvencije mogu biti niži na cilju zbog neusklađenosti antene i feeda. Standardno pravilo inženjerskog dizajna je da se prihvati maksimalno 3 dB degradacije, ali je poželjna manja degradacija.

[0071] Ako je frekvencija downlink-a odabrana kao 8.1 GHz, sa talasnom dužinom od 3.7 cm, u X-opsegu, a frekvencija uplink veze je odabrana kao 2.056 GHz, sa talasnom dužinom od 15 cm, u S-opsegu, tada je maksimalni pomeraj koji uzrokuje 3 dB degradacije sistema uzlazne veze 4.6 cm. Pored degradiranja performansi sistema, pomeraj feeda menja pravac usmeravanja glavnog snopa. Ako su promene dovoljno velike, onda antena neće biti usmerena na satelit, već na prazno nebo u blizini. Na primer, kada je pomeraj 4.6 cm iznad i širina korita 2 metra, Tabela 2 ispod prikazuje promenu smera snopa S-opsega u stepenima (θ) za različite fokalne visine prikazane sa 530. Tabela takođe prikazuje koliki je ugao napajanja feeda X-opsega u stepenima (α) za ove žižne visine.

[0072] Ugao feeda je širina korita, merena kao ugao, kada se posmatra sa lokacije feeda. Sistem će najbolje raditi kada je širina snopa feeda jednaka uglu feeda korita, inače je korito previše osvetljeno što troši energiju ili je nedovoljno osvetljeno pri čemu se korito ne koristi maksimalno. Širina snopa od 90° je uobičajena za komercijalno dostupne feed-ove. Promena zakrivljenosti korita, iz primera X-opsega o kojem je gore raspravljano, tako da feed ugao koji iznosi 90° rezultira optimalnom fokalnom visinom od 1.2 m.

Tabela 2

[0073] U alternativnoj konfiguraciji, antena S-opsega može biti pomerena vertikalno u odnosu na antenu X-opsega, koja bi bila postavljena u fokusu reflektora. Slika 22 ilustruje ovu situaciju. Antena za S-opseg je postavljena na lokaciju 540, dok je antenna za X-opseg postavljena na lokaciju 500. Vertikalni pomeraj je označen strelicom 550 i kao i ranije, fokalna visina je označena sa 530. Za izračunavanje iznosa vertikalnog pomeraja 550 se mogu koristiti različita pravila. Međutim, u jednoj poželjnoj konfiguraciji, vertikalni pomeraj je odabran tako da razlika dužine putanje između obodnog zraka i temenog zraka, dužina putanje između 540 do 550 i nazad do 560, bude 90°. Ovaj uslov obezbeđuje da reflektovani snop koji dolazi sa ivice reflektora i sa lokacije 560 ne interferiraju ni konstruktivno ni destruktivno. Zraci koji izlaze iz svih ostalih tačaka interferiraju sve konstruktivnije.

[0074] U još jednoj alternativnoj konfiguraciji, 1D sistem se može napraviti u sekcijama i svaka sekcija može imati samo jedan tip feed antene. Ovo je slučaj 1D komunikacionog sistema koji ima tri sekcije, srednji deo može biti za X-opseg, a spoljne dve sekcije mogu biti za S-opseg.

[0075] U drugoj konfiguraciji, dihroični sub-reflektor je postavljen između korita i primarnog fokusa 500 na Slici 22 duž linijskog segmenta koji povezuje 500 i 550 na Sl. 9B. Jedan feed može biti postavljen u glavnom fokusu, a drugi može biti postavljen sa strane korita, iza korita ili između korita i dihroičnog reflektora. Ako je drugi feed iza korita, tada se u koritu mora formirati rupa kako bi se omogućilo da energija radio frekvencije prođe između sub-reflektora i feeda. Dihroični sub-reflektor može biti dizajniran tako da bude transparentan na frekvenciji prvog feeda, tako da prvi feed vidi korito kao da sub-reflektor nije prisutan. Osim toga, dihroični sub-reflektor može biti dizajniran tako da bude visoko reflektujući na frekvenciji drugog feeda. Sub-reflektor preusmerava energiju tako da je fokusira u novu tačku na drugoj lokaciji od glavnog fokusa korita. Ovo stvara dve fokusne tačke za sistem, svaku na različitoj frekvenciji i lokaciji, tako da performanse oba feeda mogu biti optimizovane a da oni ne moraju biti locirani blizu jedan drugom.

[0076] Sada se može videti da postoji nekoliko tehnika koje omogućavaju postavljanje različitih tipova antena u isti reflektor. Poželjna konfiguracija je korištenje dva odeljka - jedan odeljak namenjen za uplink vezu i drugi deo namenjen za downlink vezu - sa svim feed-ovima postavljenim na optimalnim lokacijama, tačkama fokusa. Ovo je učinjeno jer korištenje offset feeda može biti vrlo skup konstrukcioni izazov. Postavljanje feed-ova jedan pored drugog ili jedan iza drugog može dovesti do elektromagnetnog povezivanja i radio frekvencijskih smetnji, pri čemu signali iz sistema za slanje (uplink) degradiraju informacije sistema za prijem (downlink). Dodatni trošak dizajna za offset feed je često veći od jednostavne gradnje višestrukih korita.

[0077] S obzirom na dati skup zahteva za integritet signala za bilo koji ili za grupu satelita, može se usvojiti konzistentan pristup za projektovanje dužine i širine korita antene. Kao primer, s obzirom na zahteve za kvalitet veze, može se odrediti ukupna sabirna površina korita. Slično, orbitalna ravan satelita se može koristiti za određivanje širine antene pošto širina određuje širinu elevacionog snopa. Izbor širine i veličine elevacionog snopa može biti takav da satelit uvek ostane u ravni skeniranja 1D sistema. Sa širinom i sabirnom površinom izračunatim kao što je gore opisano, može se odrediti dužina korita.

[0078] Gore opisani 1D sistemi mogu biti konfigurisani kao deo sistema za kontrolu satelita. U jednoj prijavi ovog kontrolnog sistema, sistem se može koristiti za slanje upozorenja kada očekivani ciljevi ne budu otkriveni. Ovo se može dogoditi na primer kada se sateliti udaljavaju sa svojih orbita. Konkretno, sateliti na malim visinama skloniji su skretanju zbog atmosferskog otpora. Kada se satelit očekuje, ali nije otkriven, operaterima se mogu slati upozorenja. Osim toga, obrazac skeniranja 1D sistema može biti modifikovan da se pokuša da se pronađe satelit. Na primer, vidno polje se može proširiti na veći ugao tako da se pokrije više područja. Osim toga, ako je sistem montiran na mobilnu platformu, posebno ako je sistem radio u S-opsegu, K-opsegu ili X-opsegu kada bi veličina korita bila nekoliko metara, onda 1D sistem može da se repozicionira na jedan od različitih načina kako bi se satelit pronašao. Osim toga, treba napomenuti da iako je gornja diskusija bila usmerena na 1D fazne nizove, diskusija se takođe odnosi i na 2D fazne nizove.

[0079] Treba imati u vidu da se varijante gore otkrivenih i drugih karakteristika i funkcija, ili njihove alternative, mogu kombinovati u mnoge druge različite sisteme ili aplikacije. Stručnjaci mogu naknadno napraviti različite trenutno nepredviđene ili neočekivane alternative, modifikacije, varijacije ili poboljšanja, kako je definisano priloženim zahtevima.

Claims (17)

Patentni zahtevi

1. Sistem faziranih antenskih nizova, koji se sastoji od:

najmanje jednog koritastog reflektora (10), pri čemu svaki koritasti reflektor ima:

najmanje jedan jednodimenzionalni, 1D, fazni niz lociran u feed tački reflektora, 1D fazni niz koji se sastoji od niza elemenata (30) lociranih na dugoj osi reflektora sa razmakom jednakim polovini centralne talasne dužine prenosa;

višekanalni beamformer (650) povezan najmanje sa delom niza elemenata pri čemu je višekanalni beamformer konfigurisan da proizvodi zbirni snop; i

naznačen time da sistem faznih antenskih nizova dalje sadrži digitalizator povezan sa beamformerom, pri čemu je digitalizator konfigurisan da digitalizuje zbirni snop; pri čemu je fazni antenski sistem konfigurisan da generiše simultane snopove u različitim pravcima, kontrolisanjem bar dela niza elemenata.

2. Sistem prema patentnom zahtevu 1, pri čemu je reflektor (10) napravljen od jednog ili više odabranog od sledećeg: metalna mreža, aluminijum, liveni magnezijum, metalizovana pena, ekspandirani metal i metalizovani limovi.

3. Sistem prema bilo kojem od patentnih zahteva 1 ili 2, koji dalje sadrži pokretnu osnovu na koju je montiran koritasti reflektor.

4. Sistem prema patentnom zahtevu 3, pri čemu je pokretna osnova (50) konfigurisana da omogući kretanje reflektora (10) na bazi unapred programiranih, izračunatih, ručnih ili drugih tipova unosa.

5. Sistem prema patentnom zahtevu 4, pri čemu kretanje obuhvata položaj i orijentaciju u ravni XY, rotaciju oko Z-ose, nagib i rotaciju korita oko X-ose, pri čemu je koritasti reflektor sa svojom dužom osom postavljen duž X-ose na XY ravan.

6. Sistem prema bilo kojem od patentnih zahteva od 1 do 5, pri čemu najmanje jedan koritasti reflektor (10) sadrži najmanje dva koritasta reflektora (10), svaki sa najmanje jednim 1D faznim nizom, pri čemu su reflektori postavljeni tako da im se omogući da koordiniraju pokrivenost neba.

7. Sistem prema patentnom zahtevu 6, pri čemu su reflektori (10) pozicionirani po jedan od jednog i drugog zajedno ili u geografski odvojenim područjima.

8. Sistem prema bilo kojem od patentnih zahteva od 1 do 7, pri čemu sistem ima najmanje jedan procesor, koji procesor je konfigurisan tako da izvršava kod koji ovom procesoru omogućava da izvrši koherentno procesuiranje kojim se impulsi kombinuju u kompleksan domen u kojem su faze očuvane, i randomizaciju parametara prenosa za impulse.

9. Sistem prema bilo kojem od patentnih zahteva od 1 do 8, pri čemu je najmanje jedan 1D fazni niz konfigurisan za prijem od, i slanje ka više satelita istovremeno.

10. Sistem prema patentnom zahtevu 9, pri čemu se najmanje jedan 1D fazni niz sastoji od dva 1D fazna niza, prvog 1D faznog niza konfigurisanog za slanje (620) ka satelitima i drugog 1D faznog niza konfigurisanog za prijem (670) od satelita.

11. Sistemi prema patentnom zahtevu 10, pri čemu su prvi i drugi 1D fazni niz konfigurisani tako da komuniciraju sa jednim istim satelitom, dva različita satelita, ili sa istim satelitom i različitim satelitima.

12. Sistem prema bilo kojem od patentnih zahteva od 1 do 11, pri čemu se najmanje jedan 1D fazni niz sastoji od najmanje dva 1D fazna niza koji se nalaze u jednom koritastom reflektoru (10), pri čemu svaki 1D fazni niz radi na različitoj frekvenciji.

13. Sistem prema patentnom zahtevu 12, pri čemu jedan 1D fazni niz radi na prvoj frekvenciji i nalazi se na žižnoj visini (530) reflektora (10), a drugi 1D fazni niz radi na drugoj frekvenciji i lociran je sa pomerajem od žižne visine, pri čemu je prva frekvencija viša od druge frekvencije.

14. Sistem prema patentnom zahtevu 13, pri čemu je pomeranje jedno od horizontalnih pomeranja (520) na približno 1⁄4 zbira talasnih dužina koje odgovaraju prvoj frekvenciji, i druge talasne dužine koja odgovara drugoj frekvenciji, i vertikalnog pomeranja (550) tako da se dužine putanja obodnog zraka i temenog zraka razlikuju za oko 90 stepeni.

15. Sistem prema patentnom zahtevu 12, koji dalje sadrži dihroični pomoćni reflektor postavljen između koritastog reflektora (10) i glavne žiže (500) reflektora.

16. Sistem prema patentnom zahtevu 15, pri čemu je jedan 1D fazni niz postavljen u glavnoj žiži (500), a drugi 1D fazni niz je postavljen na drugom mestu koje obuhvata jednu od strana korita, iza korita i između korita i dihroičnog reflektora.

17. Metod praćenja korišćenjem sistema prema bilo kojem od patentnih zahteva od 1 do 16, pri čemu praćenje obuhvata najmanje jedno od: praćenje svemirskih letelica, satelitsko praćenje i praćenje svemirskog otpada.