[0001] La présente invention concerne un procédé de repointage pour antenne réseau à réflecteur,
et plus particulièrement pour antenne réseau à réflecteur utilisée à bord d'un satellite
géostationnaire.
[0002] De manière connue, les antennes réseaux permettent de former un ou plusieurs diagrammes
de rayonnement en utilisant un ensemble de sources élémentaires dont les signaux sont
combinés par un dispositif appelé réseau formateur de faisceaux, numérique ou analogique.
Les antennes réseaux permettent ainsi de former simultanément plusieurs diagrammes,
c'est-à-dire de former une couverture multifaisceaux, par application de plusieurs
lois d'alimentation différentes. Ces couvertures multifaisceaux sont fréquemment utilisées
dans le domaine des télécommunications, notamment par les satellites géostationnaires.
[0003] Compte tenu de l'altitude très élevée des satellites géostationnaires, la couverture
multifaisceaux des antennes réseaux utilisées à bord de ces satellites est constituée
de faisceaux très fins, ayant typiquement une largeur de l'ordre du degré. Pour des
diagrammes aussi directifs, un faible dépointage peut induire de fortes variations
dans la puissance rayonnée dans une direction donnée. Par conséquent, il est important
que le pointage de ces faisceaux soit très précis. On requiert à l'heure actuelle
une précision de pointage de l'ordre de 0,03°.
[0004] Des erreurs de pointage apparaissant au cours de l'utilisation des satellites. On
appelle de manière générale erreur de pointage la différence angulaire sur chaque
axe d'un référentiel à trois dimensions entre la position théorique de l'antenne (et/ou
de son réflecteur) et sa position réelle.
[0005] Les erreurs de pointage sont notamment liées aux instabilités angulaires de la position
du satellite d'une part, aux erreurs relatives de position de l'antenne par rapport
au satellite d'autre part, et enfin aux déformations internes de l'antenne, telles
que les déformations d'origine thermique du réflecteur. Le deux premières sources
d'erreur, qui entraînent une erreur de pointage globale de tous les spots formés par
l'antenne, sont prépondérantes.
[0006] Le satellite dispose de systèmes de contrôle d'attitude ; cependant, ces derniers
n'assurent qu'une précision de l'ordre du dixième de degré, c'est-à-dire insuffisante
dans le cas des satellites géostationnaires à couverture assurée par des faisceaux
fins multiples. L'antenne doit par conséquent disposer d'un système de repointage
qui lui est propre.
[0007] Les antennes réseaux utilisées à bord des satellites peuvent être de deux types principaux,
bien connus : les antennes à rayonnement direct et les antennes à réflecteur.
[0008] Pour les antennes à rayonnement direct, on dispose d'un modèle analytique simple
du signal reçu par les éléments du réseau. La phase des signaux reçus par les éléments
rayonnants est directement liée à la direction d'arrivée du signal incident. Le faisceau
est repointé en additionnant en phase les signaux reçus par les différents éléments
rayonnants et venant de la direction de pointage souhaitée. De la même manière, le
repointage est donc effectué simplement en fonction de l'erreur de pointage mesurée
ou estimée, en ajoutant la phase correspondant à l'erreur de pointage à la phase appliquée
par la loi nominale.
[0009] En revanche, pour les antennes à réflecteur, le signal reçu ne peut pas être exprimé
sous forme analytique simple, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de relation directe entre
le pointage souhaité et les lois d'alimentation des éléments rayonnants.
[0010] La solution actuellement envisagée pour corriger l'erreur de pointage de ces antennes
réseaux à réflecteur est une solution mécanique : deux à trois moteurs commandent
la position du réflecteur, qui est modifiée de manière à corriger l'erreur de pointage,
cette dernière mettant en jeu, comme on l'a vu, deux à trois axes de rotation possibles.
[0011] Cette solution implique l'implantation de moteurs de très haute précision. Elle est
donc encombrante et coûteuse.
[0012] D'autre part, la modification de la position du réflecteur par rapport au réseau
entraîne un changement de configuration de l'antenne qui peut avoir pour effet une
dégradation des performances (due notamment à une moins bonne focalisation).
[0013] En outre, cette solution n'est pas suffisamment précise dans le cas de réflecteurs
de grande taille.
[0014] Enfin, cette solution nécessite l'utilisation d'antennes et récepteurs additionnels
spécifiques dédiés à l'estimation de l'erreur de pointage.
[0015] Le but de la présente invention est donc de mettre au point un procédé de repointage
pour antenne réseau à réflecteur qui permette de s'affranchir de l'utilisation de
moteurs complexes, coûteux et encombrants tout en assurant une précision suffisante,
requise notamment dans le cas des satellites géostationnaires.
[0016] La présente invention propose à cet effet un procédé de repointage pour antenne réseau
à réflecteur, ladite antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants et étant
du type à formation de faisceaux par le calcul, de sorte que chaque signal reçu par
ladite antenne est échantillonné ledit procédé étant
caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :
- on estime le dépointage du diagramme de rayonnement de ladite antenne pour obtenir
une matrice dite de déphasage,
- on calcule la transformée de Fourier inverse discrète des échantillons de signal fournis
par les éléments rayonnants,
- on effectue un produit entre ladite matrice de déphasage et ladite transformée de
Fourier inverse dudit signal échantillonné,
- on calcule la transformée de Fourier directe discrète dudit produit.
[0017] La présente invention propose également un procédé de repointage pour antenne réseau
à réflecteur, ladite antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants et étant
du type à formation de faisceaux par le calcul, de sorte que chaque signal prêt à
émettre par ladite antenne est également échantillonné
ledit procédé étant
caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes :
- on estime le dépointage du diagramme de rayonnement de ladite antenne pour obtenir
une matrice dite de déphasage,
- on calcule la transformée de Fourier directe discrète des échantillons de signal devant
être transmis par les éléments rayonnants à un instant donné,
- on effectue un produit entre ladite matrice de déphasage et ladite transformée de
Fourier directe dudit signal échantillonné,
- on calcule la transformée de Fourier inverse discrète dudit produit.
[0018] Grâce à l'invention, on effectue donc une correction numérique du signal émis ou
reçu par l'antenne, au lieu d'appliquer une correction mécanique.
[0019] L'idée de base de l'invention repose d'une part sur le fait que le dépointage du
diagramme de rayonnement de l'antenne correspond à un décalage spatial (c'est-à-dire
à un déphasage) des signaux reçus (ou émis) par les éléments rayonnants au foyer du
réflecteur, et d'autre part sur le fait que, grâce aux propriétés de la transformée
de Fourier, le décalage de la tache focale dans le plan focal du réflecteur est converti
en simple multiplication par une phase. Ces opérations permettent ainsi de corriger
par le calcul les signaux reçus ou émis par l'antenne dépointée, en simulant les signaux
de l'antenne correctement pointée.
[0020] Le fait d'effectuer une transformée de Fourier directe ou inverse après le produit
par la matrice de déphasage permet de retrouver des signaux équivalents à ceux réellement
reçus ou émis par les éléments rayonnants de l'antenne.
[0021] En outre, le procédé de l'invention permet d'effectuer une repointage simultané de
tous les faisceaux d'une antenne réseau à réflecteur.
[0022] De manière avantageuse, l'échantillonnage peut être effectué après descente en fréquence
du signal radiofréquence en bande intermédiaire ou bande de base.
[0023] Avantageusement, l'estimation du dépointage est effectuée par une boucle numérique
du premier ordre à partir de la position connue d'au moins une balise fixe.
[0024] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans
la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre
illustratif et nullement limitatif.
[0025] Dans les figures suivantes :
- la figure 1 illustre de manière schématique le fonctionnement général d'une antenne
à formation de faisceau par le calcul, à la réception,
- la figure 2 donne la définition du dépointage ou erreur de pointage,
- la figure 3 illustre schématiquement le principe du repointage selon l'invention
- la figure 4 illustre schématiquement et de manière fonctionnelle le principe du repointage
selon l'invention de la figure 3,
- la figure 5 illustre également schématiquement la boucle numérique d'estimation de
l'erreur de pointage selon l'invention.
[0026] Dans toutes ces figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.
[0027] De manière générale, les réseaux de formation de faisceaux sont des dispositifs possédant
autant d'entrées qu'il y a d'éléments rayonnants, et autant de sorties qu'il y a de
faisceaux à former. Deux types de formations de faisceaux existent : la formation
de faisceaux analogique, utilisant un support radiofréquence, et la formation de faisceaux
numérique (dite aussi formation de faisceaux par le calcul), dans laquelle le signal
reçu par les éléments rayonnants est mis en forme puis échantillonné, et alors traité
par des processeurs numériques afin d'en extraire les informations utiles.
[0028] Dans tout ce qui suit, on se réfère pour les besoins de la description à une antenne
utilisée en réception, mais tout ce qui va être expliqué est également applicable,
mutatis mutandis, aux antennes utilisées en émission, qui diffèrent des antennes utilisées
en réception principalement dans leur réalisation pratique.
[0029] Comme illustré en figure 1, une antenne à formation de faisceaux par le calcul 1
comporte les éléments suivants :
- un réseau 10 d'éléments rayonnants 11
- en aval de chaque élément rayonnant 11 (ou éventuellement de chaque groupe d'éléments
rayonnants), une chaîne de réception 12 amplifie le signal radiofréquence reçu par
l'antenne et le transpose soit en bande de base, soit à fréquence intermédiaire afin
qu'il soit échantillonné
- un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique (CAN) 13 destinés à échantillonner
les signaux issus des chaînes de réception 12
- un bloc de pondération 14 par des poids complexes des signaux échantillonnés
- un sommateur 15 pour sommer les signaux échantillonnés et pondérés.
[0030] La pondération et la sommation complexes assurent la formation de faisceaux par le
calcul.
[0031] A noter que, dans la figure 1, on donne l'exemple d'un échantillonnage complexe sur
deux voies en quadrature de phase. Sous certaines conditions, et sans aucune changement
de principe de l'invention, l'échantillonnage complexe peut être réalisé sur une seule
voie, avec une fréquence d'échantillonnage différente.
[0032] En pratique, dans un charge utile de satellite de télécommunications, la formation
de faisceaux par le calcul est intégrée à un processeur numérique (non représenté)
qui assure également d'autres fonctions de la charge utile telle que par exemple le
démultiplexage du signal d'entrée. La formation de faisceaux proprement dite est commandée
par un processeur de contrôle (non représenté) qui actualise notamment les coefficients
de pondération.
[0033] La chaîne de réception 12 est constituée d'une partie analogique, destinée à amplifier
le signal et à transposer la fréquence radio à une fréquence compatible de l'échantillonnage,
et d'un bloc assurant l'échantillonnage lui-même.
[0034] L'échantillonnage numérique des signaux de chacun des éléments rayonnants 11 (ou
groupes d'éléments rayonnants) permet de garder ces signaux disponibles pour des traitements
à effectuer (contrairement au formateur de faisceau analogique pour lequel seule est
disponible la sortie). De plus, une fois échantillonnés, et sous réserve d'un dimensionnement
correct du calculateur à chacune des étapes du calcul, les signaux ne subissent que
des dégradations négligeables devant les dégradations amenées par la partie analogique
de la chaîne. En outre, l'échantillonnage numérique permet d'utiliser les signaux
échantillonnés autant de fois que nécessaire par simple duplication du signal, par
exemple dans des traitements annexes à la formation de faisceaux, tels que le traitement
du procédé de la présente invention qui sera décrit en détail plus loin.
[0035] La formation de faisceaux par le calcul présente donc de nombreux avantages pour
des charges utiles de satellites de télécommunications, notamment dans le cas d'antennes
de télécommunications à couverture multifaisceaux telles que celles utilisées dans
les satellites géostationnaires. En effet, dans un réseau à formation de faisceaux
par le calcul, le signal est copié sans perte pour être utilisé dans la formation
de plusieurs faisceaux, au lieu d'être divisé, comme c'est le cas dans les dispositifs
analogiques. La formation de faisceaux par le calcul a d'ailleurs déjà été utilisée
avec une antenne réseau à réflecteur au sein du satellite Thuraya.
[0036] On va maintenant décrire, en relation avec les figures 2 à 4, le fonctionnement du
procédé selon l'invention dans le cas d'une antenne réseau à réflecteur d'un satellite
géostationnaire à couverture multifaisceaux, utilisant la formation de faisceaux par
le calcul à la réception.
[0037] On rappelle que, pour une antenne à réflecteur, le signal reçu par l'antenne ne peut
pas être exprimé sous forme analytique simple. La mise au point du procédé selon l'invention
nécessite donc d'abord de modéliser le signal reçu pour trouver la relation qui le
lie au signal « idéal » en fonction de l'erreur de pointage de l'antenne.
[0038] En cas de dépointage de l'antenne, l'axe de l'ensemble antenne et réflecteur ne pointe
plus vers la direction, fixe, de pointage nominal, mais vers une direction décalée
par rapport à cette dernière. C'est ce qui est illustré en figure 2, où le réflecteur
de l'antenne est référencé 20 et où :
(xres,yres,zres) est un repère qui définit le plan du réseau
(xant,yant,zant) est le repère de définition du pointage nominal de l'antenne, lié à la position
nominale du réflecteur
(x'ant ,y'ant, z'ant) est le repère de définition du pointage effectif de l'antenne.
[0039] Le dépointage de l'antenne, qui fait passer de l'axe théorique de pointage
zant à l'axe réel (décalé) de pointage
z'ant peut se décomposer sous la forme de deux rotations successives :
- une rotation d'angle εx autour d'un axe orthogonal à xres et parallèle au plan (xres,yres)
- une rotation d'angle εy autour d'un axe orthogonal à yres et parallèle au plan (xres,yres).
[0040] Dans le cadre de la présente invention, on a montré que le dépointage de l'antenne
suivant ces deux axes correspond à une translation du champ rayonné dans le plan focal
du réflecteur 20, c'est-à-dire à un décalage spatial des signaux reçus par les éléments
rayonnants. Le dépointage de l'antenne est équivalent à un décalage de l'angle d'incidence
apparent des ondes sur l'antenne. Pour une onde plane incidente depuis une direction
donnée, on voit ainsi en figure 3 la représentation de l'amplitude du champ rayonné
nominal dans le plan focal P du réflecteur 20 représenté par la courbe 30 en trait
plein, et l'amplitude du champ rayonné décalé dans le plan focal P représenté par
la courbe 30' en trait interrompu. La direction nominale de l'onde incidente sur le
réflecteur 20 est représentée en trait plein et référencée D en figure 3, et la direction
décalée de l'onde incidente du fait de l'erreur de pointage de l'antenne est représentée
en trait interrompu et référencée D'en figure 3.
[0041] On a également représenté en figure 3 en trait plein le plan de phase nominal ϕ équivalent
après transformée de Fourier inverse, et en trait interrompu le plan de phase décalé
ϕ'.
[0042] Etant donné que lorsque l'on fait une transformée de Fourier, un décalage spatial
devient une multiplication par une phase pure, compenser par le calcul, selon l'invention,
la translation du champ rayonné dans le plan focal due au dépointage de l'antenne
revient à multiplier la transformée de Fourier inverse des signaux reçus par une phase
pure, autrement dit à appliquer une multiplication par un plan de phase sur la transformée
de Fourier inverse des signaux recueillis par les éléments rayonnants 11 de l'antenne.
C'est ce qui est illustré aux figures 3 et 4.
[0043] Il est important de noter que dans le cadre de la présente invention, chaque fois
qu'il est question de transformée de Fourier, celle-ci relie les angles du diagramme
d'antenne aux coordonnées linéaires dans le plan focal, et non pas l'espace des temps
à celui des fréquences. Les transformées de Fourier directe et inverse sont donc des
transformées spatiales sur des échantillons reçus simultanément pas les différents
éléments rayonnants.
[0044] On suppose l'erreur de pointage connue (on verra en relation avec la figure 5 comment
on peut l'estimer, selon l'invention). On voit en figure 4 le réflecteur 20 de l'antenne
à repointer, les éléments rayonnants 11 du réseau de l'antenne envoyant les signaux
recueillis (un fois échantillonnés selon le principe expliqué en relation avec la
figure 1) à un calculateur 40 effectuant la transformée de Fourier inverse discrète
de ces signaux.
[0045] Ensuite, on effectue dans une autre fonction 41 du calculateur, le produit de cette
transformée de Fourier inverse des signaux reçus avec le plan de phase. Ceci est effectué
mathématiquement par le produit matriciel entre le vecteur donnant les composantes
de la transformée de Fourier inverse des signaux recueillis par les éléments rayonnants
et la matrice correspondant au déphasage.
[0046] Après le produit effectué par le calculateur 41, le plan de phase décalé est corrigé
pour obtenir un plan de phase corrigé ϕ
c (voir figure 3), identique au plan de phase nominal ϕ.
[0047] Cette matrice de déphasage peut se décomposer en produit de deux matrices, correspondant
aux pentes de phase à appliquer pour compenser respectivement les dépointages. Ainsi,
p
x est la composante de cette matrice de déphasage qui est fonction de ε
x, et p
y celle qui est fonction de ε
y. Chacune de ces deux matrices ne dépend que de la position des éléments rayonnants,
et de la pente à appliquer suivant x et y .
[0048] Enfin, le résultat obtenu en sortie du calculateur 41 passe dans un dernier calculateur
42 qui lui applique une transformée de Fourier afin de retrouver des signaux équivalents
à ceux réellement récupérés par les éléments rayonnants 11, mais repointés. Ces signaux
repointés peuvent alors être traités au sein du processeur (non représenté) qui se
trouve à bord du satellite pour y subir les traitements habituels qui ne seront pas
expliqués plus en détail ici.
[0049] Il est important de noter ici que, selon l'invention, pour une antenne multifaisceaux
de satellite géostationnaire, la même pente de phase permet de repointer simultanément
tous les faisceaux formés par l'antenne, car on a montré que le déplacement de la
tache focale dû au dépointage de l'antenne est indépendant au premier ordre de la
direction d'arrivée de l'onde plane incidente.
[0050] On vient d'expliquer le procédé de correction de pointage selon l'invention, en supposant
connue l'erreur angulaire de pointage. On va à présente expliquer comment, selon l'invention,
est effectuée la détection de l'erreur de pointage qui permet de calculer une estimée
de la pente de la phase linéaire à appliquer pour effectuer le repointage.
[0051] Pour estimer la pente du déphasage linéaire à appliquer pour corriger l'erreur de
pointage, on peut estimer directement à partir des senseurs embarqués à bord du satellite
la direction d'arrivée apparente de l'onde provenant d'une balise terrestre fixe (de
position connue), et en déduire le dépointage par comparaison avec la direction théorique
d'arrivée de cette onde. Cependant, cette méthode peut s'avérer insuffisante pour
détecter les erreurs de pointage de l'ordre de quelques centièmes de degré.
[0052] C'est pourquoi il est proposé, selon la présente invention, d'avoir recours à une
estimation par verrouillage d'un système en boucle fermée sur une référence donnée
par une balise terrestre de position connue.
[0053] Cette estimation repose sur le principe suivant. Lorsqu'une onde émise par une source
ponctuelle est reçue simultanément par deux capteurs, l'amplitude et la phase du signal
vues par chacun d'eux varient en fonction du milieu de propagation, mais pas les valeurs
relatives de l'amplitude et de la phase des deux signaux, qui sont fonction uniquement
de la direction d'arrivée de l'onde.
[0054] Dans le cas présent, on va plus particulièrement utiliser le rapport des signaux
différence et somme issus de deux capteurs (par exemple de sources adjacentes de l'antenne)
pour estimer la pente de phase à appliquer. Ceci suppose qu'il existe une relation
linéaire, valable localement pour de petits dépointages, qui lie la pente de la phase
à appliquer à

, rapport de la différence sur la somme des amplitudes des signaux issus de deux sources
adjacentes.
[0055] La boucle numérique de calcul des pentes du plan de phase linéaire à appliquer pour
repointer le diagramme est illustrée schématiquement en figure 4.
[0057] La boucle est verrouillée sur
k0, de manière à estimer
pl, à une précision fixée par l'utilisateur, et qui doit être choisie en fonction du
plancher de bruit, et de la précision que l'on peut obtenir sur
k0.
[0058] Ainsi, on utilise une boucle d'asservissement en réception qui permet d'estimer l'erreur
de pointage nécessaire ensuite au procédé de repointage selon l'invention. Cette boucle
d'asservissement utilise des balises fixes comme référence, c'est pourquoi elle fonctionne
au départ uniquement en réception. En revanche, une fois l'estimation faite selon
cette boucle d'asservissement, on peut ensuite appliquer le principe de l'invention
aux signaux émis par l'antenne.
[0059] L'invention permet donc d'effectuer un repointage de tous les faisceaux d'une antenne
réseau à réflecteur de type multifaisceaux en même temps.
[0060] En outre, elle utilise une méthode numérique qui n'est donc pas limitée en terme
de puissance de calcul et permet donc d'assurer un pointage précis.
[0061] Elle ne requiert en outre pas d'antennes et récepteurs spécifiques dédiés à l'estimation
de l'erreur de pointage.
[0062] Enfin, elle ne nécessite que l'utilisation d'un processeur déjà présent au sein d'un
satellite, c'est-à-dire qu'elle n'implique pas d'avoir recours à des moteurs mécaniques
encombrants et coûteux.
[0063] Une fois la correction calculée selon le procédé de l'invention (comme revendiquée
dans les revendications 1 à 6), elle pourra être avantageusement appliquée en réactualisant
uniquement les lois d'alimentation. Ces dernières seront corrigées simultanément pour
tous les faisceaux en appliquant une FFT inverse, puis la loi de phase opposée à celle
estimée par le procédé de l'invention, et en calculant la FFT. L'intérêt de ce mode
d'application consiste en ce qu'il permet de ne recalculer uniquement les lois, à
un rythme lié au dépointage de l'antenne. Ce rythme sera de l'ordre de 1Hz. Dans le
cas où l'on calcule FFTI, déphasage et FFT des signaux, ces calculs devront être effectués
à un rythme égal à la fréquence d'échantillonnage des signaux, soit plusieurs dizaines
voire plusieurs centaines de MHz.
[0064] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être
décrit.
[0065] En particulier, comme on l'a déjà indiqué, le procédé selon l'invention peut s'appliquer
à la fois en réception et en émission.
[0066] Par ailleurs, la méthode proposée d'estimation de l'erreur de pointage, bien que
particulièrement intéressante, peut être remplacée par toute autre méthode d'estimation
connue de l'homme du métier et qui ne sera pas décrite plus en détail ici.
[0067] Enfin, on pourra remplacer tout moyen par un moyen équivalent sans sortir du cadre
de l'invention.