TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft eine Richtantenne, insbesondere eine Richtantenne mit einem
Vermessungssystem zur automatischen Phasenlageneinstellung.
[0002] Antennen dienen der Abstrahlung und/oder dem Empfang elektromagnetischer Wellen.
Eine Richtantenne ist eine Antenne, bei der spezielle konstruktive Maßnahmen ergriffen
wurden, um eine bauartbedingte Richtwirkung eines einzelnen Strahlers zusätzlich zu
verstärken. Eine Richtantenne kann sowohl eine Sendeantenne als auch eine Empfangsantenne
sein. Als Sendeantenne konzentriert sie die gesendete Energie in eine gewünschte Richtung
und erzeugt dadurch eine Richtstrahlung. Als Empfangsantenne liegt ihre maximale Empfindlichkeit
in einer bestimmten Richtung, zum Beispiel zum Aufbau einer Richtfunkverbindung zwischen
zwei Punkten. Durch die Richtwirkung wird der Empfang von Störsignalen, deren Quellen
außerhalb der Hauptkeule liegen, gedämpft. Zur Beeinflussung der Richtwirkung werden
oft mehrere Einzelantennen zu einer übergeordnet wirkenden Gruppenantenne zusammengeführt.
Hochgenaue Richtantennen mit hohem Antennengewinn und hoher Richtgenauigkeit erfordern
einerseits eine ausreichende Größe als auch eine vom Wellenlängenbereich abhängige
hohe geometrische Genauigkeit und zeitliche Formstabilität. Aufgrund der Größe sowie
der insbesondere in der Raumfahrt erforderlichen Staubarkeit und Entfaltbarkeit können
diese geometrischen Genauigkeits- und zeitlichen Formstabilitätsanforderungen oft
nicht in ausreichendem Maße oder nur unter sehr großem Aufwand realisiert werden.
STAND DER TECHNIK
[0003] Im Stand der Technik sind einerseits solche Antennen bekannt, die eine fokussierend
wirkende geometrische Grundform nach dem Prinzip eines beispielsweise sphärischen
oder rotationsparaboloidischen oder rotationsellipsoidischen Spiegels verwenden. Dabei
wird die aus der geometrischen Optik bekannte Tatsache benutzt, dass parallel zur
Rotationsachse beispielsweise eines Rotationsparaboloids einkommende Strahlen im Fokalpunkt
des Paraboloides gebündelt werden. Dort wird dann ein für das gewählte Wellenlängenband
geeigneter Empfänger platziert. Wird der Empfänger durch einen Sender ersetzt, so
werden die von dort abgestrahlten Signale vom Paraboloid in eine ebene Wellenfront
umgewandelt und längs der Rotationsachse des Paraboloids abgestrahlt. Solche geometrisch
fokussierenden Antennen sind bekannt sowohl als voll ausgeführte beispielsweise Rotationsparaboloide
als auch als sogenannte "Off-Axis"-Paraboloide, in denen nur ein Teil des Rotationsparaboloids
realisiert ist, als auch als segmentierte Voll- oder Teil-Paraboloide.
[0004] Andererseits sind Richtantennen bekannt, die ein anderes physikalisches Prinzip verwenden
und die man als phasengesteuerte Gruppenantennen bezeichnen könnte. Diese erreichen
eine starke Richtwirkung dadurch, dass sie die Bündelung der Strahlungsenergie durch
eine Anordnung und Verschaltung von einer Vielzahl von Einzelstrahlern, im Folgenden
als Einzelantennenelemente bezeichnet, realisieren. Deren Einzelsignale werden im
Abstrahlvorgang überlagert und bilden durch Interferenz eine für den Anwendungsfall
entsprechend geformte, d.h. gerichtete und gebündelte Wellenfront (Überlagerung Huygens'scher
Elementarwellen). Dabei kann eine dem Anwendungsfall entsprechend geformte Wellenfront
eine ebene Wellenfront sein, was dem "Normalfall" entspricht. Die Wellenfront kann
aber auch fokussiert oder gänzlich anders geformt sein. Unterschiedliche Wellenfrontformen
können erreicht werden, indem die Einzelsignale der Einzelantennenelemente in geeignet
zueinander festgelegter Phasenlage, d.h. geeignet zeitversetzt zueinander gesendet
werden. Der erforderliche zeitliche Versatz, das heißt die relative Phasenlage zueinander,
hängt von der gewünschten Abstrahlrichtung, der gewünschten Form der Wellenfront und
von der Geometrie der Anordnung der Einzelantennenelemente ab. Durch entsprechende
Steuerung der Phasenlage der Einzelsignale in den Einzelantennenelementen ist ein
Verschwenken des Antennendiagramms der resultierenden Gesamtantenne ohne mechanisches
Verschwenken der Antennenanordnung, sondern rein auf elektronischem Wege möglich.
Genauso ist das Antennendiagramm auch hinsichtlich seiner Ausdehnung quer zur Abstrahlrichtung
formbar. Im Empfangsfall wird sinngemäß umgekehrt verfahren. Die in den Einzelantennenelementen
einlaufenden Signale werden jeweils mit einem spezifischen Zeitversatz, d.h. mit einer
Phasenlagenkorrektur versehen, die aus der Geometrie der Anordnung, d.h. den Positionen
der Einzelantennenelemente, sowie der "Lauschrichtung" und der Form der erwarteten
einlaufenden Wellenfront resultiert. Die so phasenlagenkorrigierten Einzelsignale
werden dann konstruktiv verstärkend überlagert. Diese konstruktiv verstärkende Überlagerung
ist dann im Prinzip vergleichbar mit einer Mittelwertbildung über alle Einzelsignale
aller Einzelantennenelemente, mit der man das einlaufende Signal "aus dem Rauschen
hebt". Das funktioniert aber erst nach der entsprechenden Phasenlagenkorrektur. Diese
Technologie mit phasengesteuerten Gruppenantennen ist als Phased-Array-Technologie
bekannt. Solche Richtantennen werden nachfolgend als Phased-Array-Antennen bezeichnet.
[0005] Richtantennen können fest ausgerichtet oder schwenkbar ausgeführt sein. Sie können
abhängig von der Größe transportabel oder bedingt transportabel oder ortsfest ausgeführt
sein. Da die erreichbare Antennenverstärkung proportional zur Größe der Antenne ist,
werden empfindlichere Antennen zunehmend unpraktikabel groß und sind damit in der
Regel nur in ortsfester Ausführung möglich.
[0006] Im Stand der Technik sind sowohl für die geometrisch fokussierenden als auch für
die Phased-Array-Antennen einfach entfaltbare als auch mehrfach reversibel entfaltbare
und wieder einfaltbare Antennen bekannt, die beispielsweise in der Raumfahrt bereits
seit längerem erfolgreich eingesetzt werden. Im Falle geometrisch fokussierender Richtantennen
realisieren sie die geometrische Form des Antennenkörpers durch eine Vielzahl von
Mechanismen und Gelenken, mit denen dann eine elektromagnetisch reflektierende Fläche
der gewünschten Geometrie in einer gegebenen Genauigkeit aufgespannt wird. Entfaltbare
Anordnungen bestehend aus starren Teilsegmenten von Phased-Arrays sind ebenfalls möglich
und wurden bereits realisiert.
[0007] Durch die Antennenanwendung (z.B. Kommunikationsanforderungen, Entfernung, Datenrate
oder aber bei Fernerkundung die erforderliche Auflösung) wird definiert, mit welcher
"Qualität" eine Antenne arbeiten muss, um den Anforderungen des Anwendungsfalls entsprechend
eine zu sendende Wellenfront zu generieren bzw. eine einkommende Wellenfront zu erfassen.
[0008] Die "Qualität" der Antenne drückt sich dabei einerseits in der Größe der Antennenfläche
aus, da diese maßgeblich die Empfangsleistung bzw. im Sendefall die Richtcharakteristik
bestimmt. Gleichzeitig drückt "Qualität" sich nach Stand der Technik in der Genauigkeit
aus, mit der bei einer geometrisch fokussierenden Antenne, z.B. einer Parabolantenne,
die geometrische Paraboloidform des Antennenreflektors realisiert ist. Im Fall einer
herkömmlichen Phased Array-Antenne drückt sich diese "Qualität" darin aus, wie genau
die geometrische Anordnung der Einzelantennenelemente realisiert und bekannt ist.
Wichtig und kritisch ist dabei für beide Varianten, dass diese Form- bzw. Anordnungsgenauigkeit
über die gesamte Lebensdauer der Antenne und unter allen Einsatz- und Umgebungsbedingungen
gewährleistet sein muss. Es sind auch Phased-Array-Antennen bekannt, bei denen die
geometrische Anordnung in einer als "Normalfall-Geometrie" vordefinierten Anordnung
als bekannt vorausgesetzt wird und versucht wird, kleinräumige, aufgrund mechanisch-technischer
Unvermeidbarkeiten auftretende Deformationen durch Korrekturverfahren so gut es geht
zu kompensieren. Diese Korrekturverfahren sind an enge strukturmechanische Voraussetzungen
gekoppelt und sind nur begrenzt zielführend (siehe unten).
[0009] Die genannte Form- beziehungsweise Anordnungsgenauigkeit bestimmt, mit welcher Qualität
eine abgestrahlte Wellenfront der Anwendung entsprechend geformt und gebündelt und
gerichtet ist bzw. mit welcher Qualität eine einkommende empfangene (schwache) Wellenfront
konstruktiv überlagernd verstärkt werden kann und damit "lesbar" wird.
[0010] Die Anforderung an die geometrische Form- beziehungsweise Anordnungsgenauigkeit einer
Antenne wird oft in Form der "λ/n"-Faustregel formuliert: Dazu wird die erforderliche
geometrische Genauigkeit als Bruchteil 1/n der zu verwendenden Wellenlänge λ ausgedrückt.
Erfordert der Anwendungsfall eine Form- / Anordnungsgenauigkeit von z.B. "allermindestens
besser als 1/10 der verwendeten Wellenlänge λ", also kurz "λ/10", dann bedeutet das,
dass die Summe jeglicher Verformungen durch veränderliche mechanische oder thermomechanische
Lasten wie beispielsweise Schwenken relativ zur Schwerkraftrichtung oder Windlast,
Temperaturschwankungen, Änderung in der Sonneneinstrahlung (z.B. im Orbit: Übergang
in den Erdschatten), Materialalterung, Kriechen, Setzung, usw. an jedem Ort der Antenne
über ihre gesamte Lebensdauer kleiner als 1/10 der verwendeten Wellenlänge λ bleiben
muss. λ/10 ist dabei ein realistischer Wert. Anspruchsvollere Werte wie z.B. λ/20
und kleiner sind je nach Anwendung jedoch durchaus üblich.
[0011] Die Wellenlängenbereiche können dabei von Meterwellen über die in der Satellitenkommunikation
üblichen S-Band und X-Band cm-Wellen bis zum Millimeterbereich rangieren, sind aber
abhängig vom Anwendungsfall nicht auf diese Bereiche beschränkt, sondern können darüber
hinausgehen. Dementsprechend sind gerade im letztgenannten kurzwelligeren Bereich
die Genauigkeitsanforderungen für die Realisierung der Antennen im Sub-Millimeterbereich.
Hieran sind astronomische Raumfahrt-Missionen bereits gescheitert.
[0012] Abweichungen von der Idealform eines Reflektors oder einer Phased-Array-Antenne führen
dazu, dass sich die von verschiedenen Punkten auf ihnen ausgehenden, für jeden enthaltenen
Frequenzanteil sinusförmigen Elementarwellen nicht mehr vollständig additiv überlagern
können, da sie sich nicht phasengleich begegnen, folglich auf den Gipfel einer Elementarwelle
die steil abfallende Flanke oder gar das Tal einer anderen Elementarwelle trifft,
und somit die Mittelwertbildung beider bei zunehmender Phasendifferenz rasch gegen
null strebt. Dadurch wird der physikalisch mögliche Antennengewinn nicht mehr erreicht.
Weiterhin bedeuten Abweichungen von der Idealform eines Reflektors oder einer Phased-Array-Antenne
auch eine Verkippung der Reflektions- bzw. Abstrahlrichtungen der Elementarwellen
gegeneinander und von der idealen Richtung weg, sodass das jeweils stärkste Signal
den Sammelpunkt verfehlt.
[0013] Beispielsweise ist der Spiegel des Hubble Space Telescope auf 10 nm genau geschliffen,
was im Wellenlängenbereich der Bildsensoren von 115 nm bis 1.7 µm einer Qualität der
wellenlängenrelativen Formtreue von λ/11,5 bis λ/170 entspricht, die es sicher ermöglicht,
über diesen gesamten Bereich das volle physikalisch mögliche Auflösungsvermögen, d.h.
die Abbe'sche Beugungsbegrenzung bzw. die physikalisch gleichbedeutende Rayleigh'sche
Punktquellen-Auflösungsgrenze des Hauptspiegels direkt zu erreichen. Der bekannte
Schleif-Fehler, der den Hauptspiegel zwar am Rand 2200 nm, d.h. über den genutzten
Wellenlängenbereich 19 λ bis 1,3 λ, zu flach machte, aber diese falsche Form dennoch
besser als λ/10 einhielt, konnte daher durch nachträglich im Weltraum eingebaute,
optisch präzise entgegengesetzt wirkende Korrekturspiegel vollständig korrigiert werden.
Dagegen kann kleinskalige oder lokale Welligkeit oder zufällige Rauigkeit, die zufällig
lokal oder über die gesamte Spiegeloberfläche verteilt ist, nicht durch eine einfache
korrigierende Spiegelform ausgeglichen werden, obwohl sich beide - präzise ausgeführte
Schleif-Fehler und ihre zufälligen Abweichungen - physikalisch auf gleiche Weise auswirken.
Denkt man sich die reale Form der Spiegeloberfläche in beliebig kleine Flächen aufgeteilt,
die der an ihrem Ort und über ihre Ausdehnung gemittelten Oberflächenorientierung
perfekt und ideal entsprechen, so wird unmittelbar klar, dass die Reflektionen der
auf eine solche verknitterte Spiegel-Mosaikfläche eintreffenden idealen Lichtstrahlen
in einer zufälligen Streuung den Brennpunkt zumeist etwas verfehlen. Da jedes gedachte
kleine Mosaikteilspiegelchen statt eines vereinfacht makroskopisch ideal gedachten
Strahls in der Realität ein Beugungsmuster leuchtender konzentrischer Ringe um einen
leuchtenden Punkt, ein sogenanntes Airy-Scheibchen, erzeugt, das den Abbe'schen Beugungsregeln
gemäß der Größe des gedachten Mosaikteilspiegelchens ausgebildet ist, kommt es häufig
vor, dass der zentrale leuchtende Punkt des Airy-Scheibchens eines Mosaikteilspiegelchens
in eine dunkle Zone des Airy-Scheibchens eines anderen Mosaikteilspiegelchens fällt.
Dies passiert auf allen räumlichen Skalen der Welligkeit und Rauigkeit und Signal-Wellenlänge
vielfach und zugleich. So werden durch die nicht voll konstruktive Überlagerung Kontrast
und Schärfe ausgewaschen, wie man es von Bildern kennt, die aufgenommen wurden mit
einer durch Fingerabdruck gemusterten oder durch rohes Abreiben in der Hosentasche
stumpf gewordenen Mobiltelephonkameraoptik. Es wird - oft unbemerkt - zugleich die
empfangene Helligkeit des Bildes reduziert, was dem Einsinken des Nutzsignals ins
Hintergrundrauschen entspricht. Im Extremfall kommt es bei einer Verschmierung um
λ/2 oder Vielfache davon zur gegenseitigen Auslöschung von Lichtstrahlen, wodurch
bestimmte Bildsignale abgeschwächt (sogenannte Modulationsübertragungsfunktion, welche
Phasenverschiebungseffekte vernachlässigt) und sogar örtlich umgekehrt werden können
(sogenannte Optische Übertragungsfunktion, die auch die Phasenübertragungsfunktion
enthält). Das Verhältnis der realen zur idealen Übertragungsfunktion wird in der Optik
als Strehl-Zahl zwischen 0 und 1 bezeichnet und kann über die Ruze-Formel aus der
Antennen-Theorie direkt überführt werden zum statistischen Mittelwert der Phasenabweichung,
d.h. gleichbedeutend der Formabweichung im Verhältnis zur Wellenlänge, λ/n.
J. Ruze, Antenna Tolerance Theory-A Review, Proceedings of the IEEE, vol. 54, No.
4, April 1966, gibt an, dass für einen Leistungsverlust von 1 dB, entsprechend einem Faktor 0,794
für die Signalleistung und 0,891 für sie Signalamplitude im Verhältnis zur idealen
Signalleistung bzw. Signalamplitude, die Phasenverschiebung λ/14 (rms) nicht überschreiten
darf, und somit die Formtreue eines flachen, d.h. langbrennweitigen Reflektors besser
als λ/28 (rms) sein muss, da bei Reflektion der Fehler-Weg zweimal durchlaufen wird,
von der eingehenden, ideal planar gedachten Wellenfront zur abgehenden, gestörten
Wellenfront. Der Signalleistungsfaktor entspricht dabei der Strehl-Zahl. Bei λ = 440
bzw. 633 nm waren für das Hubble Space Telescope Strehlzahlen von 0,80 bzw. 0,90 gefordert,
es erreicht üblicherweise ≈0,86 bzw. ≈0,95 und unter optimalen Bedingungen 0,90 bzw.
0,98, d.h. auch für anspruchsvolle Optiken ist der Mindestforderung nach ein Antennenverlustfaktor
von höchstens 1 dB akzeptabel, der weiterhin auch in der Größenordnung der Strehl-Zahl
für eine gerade eben beugungsbegrenzte ideale Optik von ≈0,8 liegt.
[0014] Wo Deformationen der Antenne nicht nachträglich korrigiert werden können, wie beim
Radioastronomiesatelliten "Haruka", wird die geplante Leistung verfehlt, umso stärker
je kürzer die Wellenlänge innerhalb der genutzten Wellenlängenbereiche ist. Die Entwicklung
dessen geplanter Nachfolge-Mission "Astro-G" musste nach erheblichen Ausgaben abgebrochen
werden, da die erforderliche Formtreue der Antenne von weniger als 0,4 mm (rms) nicht
erreicht werden konnte. In dessen geplanten Wellenlängenbändern um 8, 22, und 43 GHz,
also λ = 37,5; 13,6 bzw. 7,0 mm Wellenlänge, entspricht die geforderte Formtreue einem
λ/n-Wert besser als λ/94, λ/34, bzw. λ/17,4 (rms); also einer wellenlängenrelativen
Qualitätsanforderung im selben Bereich wie für den Hubble-Space-Telescope-Hauptspiegel,
jedoch für eine filigrane entfaltbare Antennen-Bauweise statt einen hochfesten Glaskeramik-Spiegel.
[0015] Im Zusammenhang mit den genannten Korrekturverfahren bei Phased-Array-Antennen sind
sogenannte Conformal-Arrays bekannt, die auf den Außenflächen von z.B. Flugzeugen
aufgebracht sind. Die geometrische Form des Phased-Arrays ist in solchen Fällen bestimmt
durch die meist aerodynamisch bestimmte Form des Flugzeugteils, auf das das Array
der Antennenelemente aufgebracht ist. Dies kann beispielsweise der gewölbte Flugzeugrumpf
sein oder die Ober- oder Unterseite einer Tragfläche. In einfachen Fällen kann die
Trägerfläche aber auch eben sein.
[0016] Typisch und auch problematisch für solche Anwendungen ist, dass die Oberfläche, die
das Phased-Array trägt, im Betriebsfall vibrieren kann oder aber durch Belastung aus
ihrer ursprünglichen unbelasteten Lage und Form beispielsweise durch Beulen oder Buckeln
abweicht. Dadurch wird die Position der Einzelantennenelemente während der Anwendung
räumlich und zeitlich hinsichtlich der erforderlichen Genauigkeit unvorhersagbar verändert.
Die Einhaltung einer für den unbelasteten Zustand erfüllten λ/n-Genauigkeit ist im
belasteten Fall nicht mehr gegeben, wodurch auch die Qualität der Antennen nicht mehr
gegeben ist und Sende- und Empfangsqualität reduziert sind.
[0017] Dasselbe gilt sinngemäß auch für Phased-Array-Antennen, die auf einem dedizierten
zum Beispiel ebenen Träger, also nicht conformal, d.h. nicht mehr beispielsweise einer
gegebenen Rumpfform folgend, realisiert sind und im Einsatz mechanischen Lasten und
Störeinflüssen, beispielsweise Vibrationen, aber auch unregelmäßigen bis quasistatischen
Bewegungen, beispielsweise durch Wind, Eis und/oder thermischen Effekte hervorgerufenen
Bewegungen, ausgesetzt sind. Dasselbe gilt sinngemäß auch für Phased-Array-Antennen
in der Raumfahrt.
[0018] Um die genannten Effekte und die damit verbundene Verschlechterung der Antennenqualität
zu korrigieren, sind beispielsweise aus dem US-Patent
US 8,184,042 B2 Vorrichtungen bekannt, die auf den Bereich eines Conformal Arrays eine Anzahl von
Kalibrationselementen aufbringen. Diese Kalibrationselemente erlauben es, untereinander
per Antenne ("monopole antenna") Kalibrationssignale auszusenden und zu empfangen
("a tone") und die Phasenlage des einkommenden Kalibrationssignals (nicht zu verwechseln
mit dem eigentlichen Sende-/Empfangssignal des eigentlichen Antennenbetriebs) zu bestimmen.
Die im unbelasteten Zustand gemessenen Phasenlagen werden in einer Phasenkalibrationstabelle
zusammengefasst. Im belasteten Zustand im Einsatz wird derselbe Vorgang wiederholt
und die Kalibrationselemente bestimmen untereinander wiederum die jeweilige Phasenlage
der empfangenen Kalibrationssignale. Aus der Differenz zwischen der Phasenlage im
unbelasteten Fall gegenüber der Phasenlage im belasteten Fall wird dann auf eine entsprechende
Veränderung des Abstands zwischen den betreffenden Kalibrationselementen geschlossen.
[0019] Aus den zwischen den Kalibrationselementen gegenüber dem unbelasteten Fall nun unter
Belastung aufgetretenen Phasenlagendifferenzen Δϕ
i wird auf Abstandsänderung Δd
i = Δϕ
i/2π ·λ
kal geschlossen.
[0020] Dies beinhaltet die stillschweigende, aber kritische Annahme, dass die durch die
Deformation oder Schwingung bewirkten Abstandsänderungen kleiner sind als die Wellenlänge
λ
kal des Kalibrationssignals.
[0021] Basierend auf der Kenntnis der Struktur der Trägergeometrie, beispielsweise des Flugzeugrumpfes,
ist es möglich, die Schwingungsmoden der das Antennenarray tragenden Fläche mathematisch
zu modellieren, denn man kennt die Form und die Fixpunkte, wo beispielsweise ein Rumpfblech
auf eine tragende Struktur genietet ist. An solchen Fixpunkten ist dann ein Schwingungsknoten
zu erwarten, während zwischen solchen Fixpunkten Schwingungsbäuche zu erwarten sind.
Führt man die aus der Gesamtheit aller Phasenlagendifferenzen abgeleitete Menge der
Abstandsänderungen in das mathematische Schwingungsmodenmodell ein, so kann man dieses
durch geeignete mathematische Methoden dahingehend lösen, dass man auf eine Veränderung
der Geometrie der das Antennenarray tragenden Fläche schließen kann. Die so berechnete
Veränderung der Lage der tragenden Fläche wird auf die Lage der Antennenelemente des
eigentlichen Phased-Arrays übertragen. Sodann wird für die einzelnen Antennenelemente
des Phased-Arrays die dann für den Sende-/Empfangsbetrieb jeweils gültige neue relative
Phasenlage für die auszusendenden oder zu empfangenden Nutzsignale berechnet und angewendet.
[0022] In derselben Quelle wird auch auf ältere Methoden verwiesen, die statt Kalibrationselementen
und Phasenlagendifferenzmessung eine Anordnung von mechanischen Sensoren verwenden,
um auf die Deformation des Conformal Arrays zu schließen und über ein Schwingungsmodenmodell
dann korrigierte Positionen und korrigierte Phasenlagenkorrekturen im Phased-Array
abzuleiten.
[0023] In derselben Quelle wird auch eine weitere ältere Methode genannt, bei der eine begrenzte
Zahl von Kalibrationsempfängern außerhalb des eigentlichen Conformal Arrays montiert
wird und aus den dort im Sendefall empfangenen Signalen auf Deformationen im Conformal
Array rückgeschlossen wird.
[0024] Auch für Phased-Array-Antennen auf dediziertem Träger, also nicht conformal, werden
ähnliche Ansätze diskutiert. In der Publikation
Lesueur et al. (2009) "Optical sensor for the management of Radar antenna distortion" werden optische Methoden untersucht, mit denen Verformungen einer nicht ideal steifen
Radarantenne gegenüber der Normallage vermessen werden. Diese Normallage entspricht
der unbelasteten Geometrie des Conformal Arrays. Die gemessenen Deformationen werden
dann in der Phasenlagenkorrektur berücksichtigt. Dabei werden über die optische Methode
also Abweichungen aus einer Normallage quantifiziert.
[0025] In de
Wit et al. (2007): "Concept for measuring and compensating array deformation" wird ein Vermessungssystem für nicht ideal steife Trägerstrukturen bei Phased-Array-Antennen
untersucht. Hierbei wird auf Beschleunigungssensoren und die Methode der Inertialvermessung
("IMU") gesetzt, die aus gemessenen Beschleunigungen über zweifache Integration dann
Positionsänderungen ableiten.
[0027] Im US-Patent
US 6,333,712 B1 wird über einen ähnlichen Ansatz berichtet, der über Dehnmessstreifen die Deformation
der Antennenstruktur misst. Die Dehnmessstreifen sind an solchen Stellen platziert,
für die aufgrund vorangegangener strukturmechanischer Analyse große und damit leichter
messbare und aussagekräftige Deformationen erwartet werden. Über ein physikalisch-mathematisches
Modell werden dann Deformationen abgeleitet und daraus Phasenlagenkorrekturen bestimmt,
die eine vorliegende Deformation korrigieren.
[0028] Im
US-Patent 6,954,173 B2 wird ein ähnlicher Ansatz berichtet, der eine "kohärente Strahlungsquelle", also
einen Sender nutzt, der gegenüber dem Phased-Array platziert ist. Dieser externe Kalibrationssender
sendet in demselben Wellenlängenbereich, in dem die Phased-Array-Antenne auch arbeitet.
Es wird eine Methode beschrieben, wie mit dem Kalibrationssignal Phasenlagenunterschiede
in den Einzelantennenelementen bestimmt werden, die durch Deformationen des Phased-Arrays
verursacht sind. Daraus wird auf die aktuellen Positionen der Einzelantennenelemente
des Phased-Arrays geschlossen und daraus werden Phasenlagenkorrekturen abgeleitet,
um damit eine vorliegende Deformation zu korrigieren.
[0029] Im US-Patent
US 6,703,970 B2 wird über eine für Weltraumanwendung geeignete und in Form mehrerer steifer Paneele
entfaltbare Phased-Array-Antenne berichtet, die dasselbe Problem behandelt: Zunächst
erfolgt die Bestimmung der Deformation der Anzahl von Paneelen, die die Phased-Array-Antennenelemente
tragen gegenüber einer "expected predetermined configuration", also einer Normalfall-Geometrie.
Daraus werden dann über einen "Beam Forming"-Algorithmus bzw. ein Beam-Forming-Netzwerk
die Phasenlagenkorrekturen bestimmt.
[0030] Bei großen Antennen und Parabolspiegeln, die zum Beispiel auf der Erde in Betrieb
sind, werden ähnliche Ansätze verwendet, um Deformation der Antennen oder Spiegel
zu berücksichtigen. Es werden mathematische Modelle aufgestellt, die das Deformationsverhalten
der Antennen oder Spiegel, beispielsweise Deformationen unter Erdschwere, wenn die
Zielrichtung durch Verschwenken verändert wird, oder Deformationen, wenn die Temperatur
sich ändert oder eine Windlast auftritt, beschreiben. Diese Modelle werden entweder
empirisch kalibriert oder aber sie verwenden analytische physikalisch-mathematische
Vorausberechnungen. Der nächste Schritt im Verfahren weicht dann aber von den bis
hierher beschriebenen Verfahren ab: Die Ergebnisse der physikalisch-mathematischen
Modelle werden dann nicht zur Phasenlagenkorrektur von Signalen verwendet, sondern
die Antennenform bzw. Spiegelform wird durch mechanische Aktuatoren aktiv korrigiert.
Deshalb wird dieser Ansatz als "Aktive Optik" bezeichnet. Es gibt hier auch regelkreisbasierte
Lösungen, bei denen ein Justagesender beispielsweise an einem Ort auf der Rotationsachse,
also im Blickfeld der Antenne, aber außerhalb der einfachen Brennweite des Paraboloids
bzw. einer anderen geeignet gewählten Geometrie untergebracht ist. Abhängig von der
Geometrie der Antenne werden die von diesem Justagesender abgestrahlten Signale an
einem anderen Ort entlang der Rotationsachse der Antenne wieder gebündelt. Ein Justageempfänger,
der an diesem Ort untergebracht wird, registriert die abgestrahlten Justagesignale.
Bei Implementierung eines geeigneten Regelkreises kann die Geometrie der Antenne unter
Zugrundelegung entsprechend angepasster analytischer Modelle ähnlich derer, wie sie
auch für die nicht-regelkreisbasierte Lösung verwendet werden, nun auch durch aktive
Maximierung des Justagesignals korrigiert werden. Bei bildgebenden Systemen, i.d.R.
optischen Teleskopen, Radioteleskopen und bildgebenden RADAR-Anwendungen, werden durch
die aktive Optik die Abbildungseigenschaften verbessert. Bei nicht-bildgebenden Systemen
wird die durch die Antennenqualität gegebene Antennenverstärkung durch die aktive
Optik optimiert.
[0031] Bei großen Antennen und Teleskopen gibt es eine weitere Methode, die prinzipiell
ähnliche Ansätze nutzt, wobei aber nicht Deformationen der Antennen oder des Teleskops
oder des Phased-Arrays korrigiert werden, sondern Störeffekte, die durch die Atmosphäre,
beispielsweise Luftflimmern, verursacht sind. Diese Methode der "Adaptiven Optik"
korrigiert nicht Abweichungen der Antenne von der idealen Antennengeometrie (interne
Effekte), sondern Verzerrungen in der einkommenden Wellenfront, die durch externe,
atmosphärische Effekte, beispielsweise Luftflimmern verursacht sind. Sie verwendet
das Signal von ausreichend lichtstarken Sternen, die im Empfangssignal in der Nachbarschaft
des zu beobachtenden Objektes enthalten sind, um die von der Atmosphäre verzerrten
Wellenfronten zu korrigieren. Beim Fehlen geeignet lichtstarker Objekte zur Korrektur
können auch mit Lasern künstliche sogenannte Laserleitsterne in der Atmosphäre erzeugt
werden, die die Korrektur ermöglichen. In beiden Fällen wird als Messgröße die relative
Phasenverschiebung benachbarter Feldpunkte der einlaufenden Wellenfront genutzt, wobei
keine Information über die Form oder Verformung der optischen Elemente erfasst wird.
[0032] Aktive Optik und Adaptive Optik können kombiniert angewandt werden, was bei modernen
optischen Großteleskopen üblich ist.
NACHTEILE DES STANDS DER TECHNIK
[0033] Der zentrale Nachteil einfach entfaltbarer als auch mehrfach reversibel entfaltbarer
und wieder einfaltbarer Antennen nach Stand der Technik liegt darin, dass sie hochkomplexe
Mechanismen mit einer Vielzahl von Gelenken und formenden Strukturbauteilen in hoher
Fertigungsgenauigkeit erfordern, um zu ermöglichen, eine geeignete Antennenfläche
in ausreichender Größe und in der erforderlichen ausreichenden Genauigkeit aufzuspannen.
Dies macht sie in der Herstellung aufwändig, teuer und aufgrund ihrer hohen Komplexität
fehleranfällig. Darüber hinaus sind sie hinsichtlich der entfaltbaren Größe eingeschränkt
durch Fertigungstoleranzen sowie beispielsweise thermo-mechanische Effekte, die unter
wechselnder Sonneneinstrahlung zu technisch kaum vermeidbaren Deformationen führen.
Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass aufgrund wechselnder Lasten, zum Beispiel
aufgrund wechselnder Sonneneinstrahlung sowie durch Degradation von Materialien, die
Formstabilität langfristig abnehmen wird. Dies führt im Laufe des Einsatzes zu Abweichungen
von der erforderlichen Idealform, was letztlich dazu führt, dass die Antenne unbrauchbar
wird oder nur noch mit minderer Qualität senden und empfangen kann. Insbesondere durch
die auf den verwendeten Trägerraketen maximal verfügbaren Staumaße sind solche entfaltbaren
Antennen durch das Zusammenspiel von Größe, gewünschter genauer Geometrie und hochgenauen
komplexen Mechanismen zur Entfaltbarkeit hinsichtlich der maximal realisierbaren Größe
kritisch begrenzt. Sinngemäß gilt dasselbe auch für (zum Beispiel durch Segmentierung)
entfaltbare Phased-Array-Antennen.
[0034] Der zentrale Nachteil der für Phased-Array-Antennen genannten Korrekturverfahren
liegt bezüglich der Conformal Arrays in der oben bereits benannten Annahme, dass die
durch Deformation verursachten Abstandsänderungen kleiner sind als die zur Korrektur
verwendete Wellenlänge, also in der Annahme, dass der Ansatz Δd
i = Δϕ
i/2π ·λ
kal richtig ist. In der durch Deformation verursachten Abstandsänderung Δd; möglicherweise
enthaltene ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge (also Δd
i = (n+Δϕ
i/2π) ·λ
kal mit n>0) werden mit diesem Ansatz nicht erfasst und sind, da der Ansatz nur Phasenlagenunterschiede
Δϕ
i misst, mit diesem Ansatz auch prinzipiell gar nicht messtechnisch erfassbar. In diesem
Fall werden falsche Eingangsdaten in das Korrekturverfahren eingeführt und die abgeleiteten
Lagekorrekturen sowie die daraus im Phased-Arrray angebrachten Phasenlagenkorrekturen
sind falsch. Das abgestrahlte oder empfangene Signal ist in seiner Qualität reduziert.
Das Korrekturverfahren ist demnach auf Anwendungen beschränkt, bei denen die Deformationen
kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Kalibrationssignals. Bei wenig biegesteifen
bis beispielsweise auch biegeschlaffen Trägern versagt der Absatz.
[0035] Weiterhin setzt das Korrekturverfahren voraus, dass das Phased-Array auf einer Fläche
aufgebracht ist, für die ein Schwingungsmodenmodell erstellt werden kann. In Anwendungsfällen,
in denen keine modellierbare Struktur vorhanden ist, wie beispielsweise im Falle biegeschlaffer
Phased-Array-Antennen, versagt der Ansatz. Darüber hinaus ist das Verfahren nur so
gut wie das Schwingungsmodenmodell. Im Rahmen der Schwingungsmodenmodellierung vorhandene
Approximationen führen zu entsprechender Verschlechterung der daraus abgeleiteten
Positionsänderungen und den daraus ihrerseits abgeleiteten Phasenlagenkorrekturen
im Antennenarray und damit zur Verschlechterung der Qualität des Phased-Arrays. Andere
Verfahren setzen eine Kalibration im unbelasteten Fall voraus. Damit ist das Verfahren
an eine Geometrie gebunden, die durch den unbelasteten Fall gegeben ist und gegenüber
der nur wenig abgewichen werden darf. Anwendungen, in denen die Geometrie im Anwendungsfall
nicht vorhersagbar ist, können hiermit nicht umgesetzt werden. Damit sind solche Verfahren
ungeeignet für Phased-Array-Anordnungen auf biegeschlaffen mehr oder weniger gut aufgespannten
Trägern.
[0036] Die optischen Vermessungsverfahren nach Lesueur können nur Abweichungen bestimmen,
die bestimmte Grenzen, die durch die Konstruktion an sich vorgegeben sind, nicht überschreiten
und die im wesentlichen parallele Ebenen ober- und unterhalb der Normalfall-Geometrie
abdecken, d.h. es werden im Wesentlichen nur Auslenkungen in Richtung der Flächennormalen
des Antennenträgers erfasst. Es ist ebenfalls ungeeignet für biegeschlaffe Träger.
[0037] Das Verfahren mit Beschleunigungssensoren nach de Wit et al. ist auf periodische
Störungen durch Schwingungen mit vergleichsweise gut messbaren Beschleunigungen ausgerichtet
und misst nur Auslenkungen in Richtung der Flächennormalen des Antennenträgers. Langsame
Driftprozesse, wie sie typischerweise bei einer biegeschlaffen, maßvoll aufgespannten
Trägerfolie auftreten, werden nur bedingt erfasst, da sie deutlich kleiner sind und
durch die für solche Trägheitsnavigationssysteme typischen langsamen Fehlerdriften
überlagert und damit nicht messbar werden. Eine Anwendung auf einem biegeschlaffen
Träger wird daher keine ausreichend genauen Korrekturen ermöglichen.
[0038] Das Selbstkalibrationsverfahren nach Yang Bo et al. setzt stillschweigend voraus,
dass zwischen der Selbstkalibration, die durch Anzielen und Bestrahlen eines geeigneten
Kalibrationszieles erfolgt, und der eigentlichen, dann korrigierten Nutzung kein Verschwenken
stattfindet. Denn ein Verschwenken würde beim biegeschlaffen Träger zu einer neuen
Deformation führen, die dann wiederum neu kalibriert werden müsste. Genauso muss sichergestellt
sein, dass die Zeit zwischen Kalibration und Anwendung der Antenne so klein ist, dass
eine durch zwischenzeitliche Drift verursachte Verschlechterung der Kalibration die
Leistungsfähigkeit der Antenne nicht unzulässig einschränkt. Außerdem muss die noch
unkalibrierte und daher vermindert leistungsfähige Antenne das Kalibrationsziel überhaupt
erfassen können, während ihre Leistung noch nicht optimal ist. Dies bedingt eine bereits
recht starre, stabile und bekannte Ausgangsform nahe einer Normalform.
[0039] Auch das Korrekturverfahren der aktiven Optik setzt voraus, dass die verwendeten
Antennen beziehungsweise Spiegel durch geeignete physikalisch-mathematische Modelle
beschrieben werden können. In Anwendungsfällen, in denen keine modellierbare Struktur
vorhanden ist, wie beispielsweise im Falle biegeschlaffer Antennen, versagt der Ansatz.
Das Verfahren ist nur so gut, wie das zugrunde gelegte physikalisch-mathematische
Modell. Das Verfahren kann dementsprechend nur Korrekturen an der Antennenform anbringen,
die durch Effekte verursacht sind, die im Rahmen des zugrunde gelegten Modells erfasst
und abgedeckt sind.
[0040] Die regelkreisbasierte Variante, die Justagesender und Justageempfänger verwendet,
hat darüber hinaus den Nachteil, dass diese Justageelemente als abschattende Elemente
im Strahlengang erforderlich sind oder aber nur außerhalb des eigentlichen Betriebs
zur Kalibration verwendet werden können, d.h. nicht für Echtzeitanwendungen geeignet
sind. Das Verfahren regelt die Form der Antenne nach, wozu eine Vielzahl von mechanisch-elektrischen
Aktuatoren erforderlich ist, was die Anordnung technisch komplex macht. Für eine entfaltbare
Antenne in der Raumfahrt wäre die Ausstattung mit einer solchen Aktuatorik aufgrund
der Komplexität extrem herausfordernd und aufwändig sowie risiko- und kostentreibend.
Darüber hinaus sind die Bereiche, innerhalb derer die Geometrie einer Antenne durch
mechanische Aktuatoren korrigiert werden kann, ist in der Regel begrenzt.
[0041] Im Gegensatz zu den bisher geschilderten Verfahren weist das Korrekturverfahren der
adaptiven Optik eine andere Zielrichtung auf, da es externe Effekte wie Luftflimmern
korrigiert. Es basiert auf der Messung der relativen Phasenlage verschiedener Punkte
derselben eingehenden Wellenfront. Als Phasenlagenvergleichsverfahren kann es Abweichungen
in ganzzahligen Vielfachen einer vollen Phasenperiode nicht erfassen. Daher ist es
anfällig für Messfehler, die aus einer Verschiebung um mehr als eine Wellenlänge resultieren.
Außerdem kontrolliert und korrigiert es weder direkt noch durch eine Modellierung
die tatsächliche Form der optischen Elemente beziehungsweise der Antenne.
[0042] Damit sind mit allen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren große Richtantennen
von hoher Qualität nur mit sehr hohem mechanisch-konstruktivem Aufwand, hoher Komplexität
und damit entsprechend hohem Ausfallrisiko herstellbar. Mechanisch-konstruktiver Aufwand
und Komplexität treiben einerseits die Kosten in die Höhe und begrenzen andererseits
die realisierbare Größe, insbesondere auch in Raumfahrtanwendungen. Bekannte Korrekturverfahren
sind hinsichtlich ihrer Wirkweise auf Korrektur kleiner und an strukturmechanisch
spezielle Vorbedingungen geknüpfte Effekte beschränkt und helfen in dieser Situation
nicht.
AUFGABE DER ERFINDUNG
[0043] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Richtantenne bereitzustellen, die die Nachteile
des Stands der Technik zumindest teilweise minimiert. Dazu kann die Richtantenne in
der Lage sein, mit hoher Qualität abzustrahlende Signale einer jeweiligen Anwendung
entsprechend geformt gebündelt und in gegebener Senderichtung gerichtet zu erzeugen
und/oder mit hoher Qualität eine aus einer gegebenen Lauschrichtung, im Folgenden
als Empfangsrichtung bezeichnet, einkommende zu empfangende, gegebenenfalls auch schwache
sowie dem Anwendungsfall entsprechende Signale rekonstruierbar zu machen. Diese Richtantenne
soll ohne schwer realisierbare aufwändige mechanisch-konstruktive Vorrichtungen der
genannten hohen Genauigkeit und zeitlich hochgenauen Formstabilität auskommen, wodurch
insbesondere entfaltbare Richtantennen beispielsweise für Raumfahrtanwendungen angegeben
werden sollen, die weniger Masse, weniger risikobehaftete Komplexität bei gleichzeitig
längerer Lebensdauer aufweisen und größer sein können als dies aus dem Stand der Technik
möglich ist oder aber bei vergleichbarer Größe höhere Antennenqualität aufweisen.
Konkret soll es erlaubt sein, dass die geometrische Form der Antenne in weiten Grenzen
beliebig und weitgehend nicht-vordefiniert sein kann und dass diese sich auch - langsam
im Verhältnis zur Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendesignale (Lichtgeschwindigkeit)
- mit der Zeit verändern darf, wobei die geometrische Form der Antenne nicht nachgeregelt
werden muss und die Antenne daher ohne mechanische Aktuatoren mit entsprechender Qualität
betreibbar ist.
[0044] Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Richtantennensystems
mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Richtantennen, die im Sinne einer übergeordneten,
großen Richtantenne zusammenwirken.
[0045] Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zum Betreiben
einer solchen Richtantenne und/oder eines solchen Richtantennensystems.
LÖSUNG DER AUFGABE
[0046] Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe durch eine Richtantenne mit den Merkmalen
des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Richtantenne
ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10.
[0047] Die weitere Aufgabe der Erfindung wird durch ein Richtantennensystem gemäß Anspruch
11 gelöst.
[0048] Die letzte Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 13
bis 16.
[0049] Eine erfindungsgemäße Richtantenne weist eine Mehrzahl von Einzelantennenelementen
auf und ist zum Empfang von einem Ziel ausgestrahlter elektromagnetischer Signale
und/oder zur Abstrahlung elektromagnetischer Signale zu einem Ziel geeignet, wobei
die elektromagnetischen Signale eine Trägerwellenlänge λ und eine Bandbreite B aufweisen,
und ist dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Einzelantennenelemente auf einem
biegeschlaffen Träger aufgebracht sind, wobei der biegeschlaffe Träger quasi-eben
ist, wobei alle Einzelantennenelemente derart auf dem biegeschlaffen Träger aufgebracht
sind, dass, sofern der biegeschlaffe Träger im Wesentlichen in Zielrichtung ausgerichtet
ist, eine wesentliche Anzahl von Einzelantennenelementen eine freie Abstrahl- beziehungsweise
Empfangsrichtung zum beziehungsweise vom Ziel hat, wobei die Richtantenne weiterhin
ein Vermessungssystem aufweist, mit dem die Position und/oder Ausrichtung aller Einzelantennenelemente
relativ zur Zielrichtung bestimmbar ist, wobei die Genauigkeit der Positionsbestimmung
der Einzelantennenelemente relativ zueinander mindestens genauso oder besser ist als
ein vorgegebener Bruchteil 1/n der Trägerwellenlänge λ, und wobei die Richtantenne
weiterhin eine Phasenlagenbestimmungseinheit aufweist, mit der die in jedem Einzelantennenelement
für die Abstrahlung des Sendesignals beziehungsweise die Rekonstruktion des empfangenen
Signals erforderliche Phasenlage des Einzelsignals aus den bestimmten Positionen und
Ausrichtungen der Einzelantennenelemente und der gewünschten Abstrahlrichtung beziehungsweise
Empfangsrichtung bestimmbar ist, und wobei die Richtantenne weiterhin eine Phasenlageneinstellungseinheit
aufweist, mit der die zuvor bestimmten erforderlichen Phasenlagen der Einzelsignale
der Einzelantennenelemente für den Sende- beziehungsweise Empfangsvorgang jeweils
einstellbar sind, und wobei die Richtantenne im Falle einer Empfangsantenne weiterhin
eine Vorrichtung aufweist, mit der bezüglich des Empfangsvorgangs aus den empfangenen
Einzelsignalen mit der derart eingestellten jeweiligen Phasenlage das empfangene Signal
rekonstruierbar ist.
[0050] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Realisierung von mechanisch-konstruktiv
einfach ausgeführten und damit leichter herstellbaren großen Richtantennen mit gleichzeitig
hoher Antennenqualität ein Blickwechsel, ein Paradigmenwechsel erforderlich ist.
[0051] Die vorliegende Erfindung formuliert einen solchen Paradigmenwechsel, der einen signifikanten
Qualitätssprung ermöglicht hin zu leichter realisierbaren größeren und insbesondere
größeren entfaltbaren Antennen bei gleichzeitig gegebener oder sogar besserer Antennenqualität
als im Stand der Technik und benennt die erforderliche Technologie.
[0052] Die Erfindung verlagert die für qualitativ hochwertige Richtantennen nach Stand der
Technik hohen Genauigkeitsanforderungen an die mechanisch-geometrische Form der Antenne
und deren zeitliche Formstabilität weg von diesen konstruktiv-geometrischen und mechanisch
nur schwer realisierbaren Anforderungen hin zu einem entsprechend genauen, aber leichter
realisierbaren Vermessungssystem und Phasenlageneinstellungssystem, das die jeweils
vorhandene aktuelle Geometrie der durch einen biegeschlaffen, weitgehend beliebig
driftenden Träger realisierten Richtantenne zeitgerecht erfasst und diese aktuelle
Geometrie dann über Phasenlageneinstellung im Sende- beziehungsweise Empfangsbetrieb
berücksichtigt.
[0053] Damit unterscheidet sich die erfindungsgemäße Richtantenne hinsichtlich des Wirkprinzips
grundsätzlich von den bisher bekannten Methoden, die vom Charakter her entweder keine
Korrektur beinhalten und auf hochgenaue und formstabile Geometrie angewiesen sind
oder aber Korrekturmethoden sind, dahingehend, dass diese Korrekturmethoden grundsätzlich
eine bekannte Normalfall-Geometrie voraussetzen als auch grundsätzlich struktur-mechanische
Modellierbarkeit (Schwingungsmodenmodelle) des Trägers erfordern als auch grundsätzlich
nur kleine Abweichungen (kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Kalibrationssignale)
erlauben.
[0054] Im Unterschied zu herkömmlichen Richtantennen, ob mit oder ohne Korrekturverfahren,
muss bei der erfindungsgemäßen Richtantenne nicht vorausgesetzt werden, dass die Antenne
eine hochgenau bekannte Geometrie hat. Genauso muss nicht vorausgesetzt werden, dass
diese Antenne trotz Störeinflüssen diese hochgenaue Geometrie dann über die Zeit auch
langzeitstabil formtreu halten kann. Stattdessen ist bei der erfindungsgemäßen Richtantenne
erlaubt, dass die Geometrie grundsätzlich unbekannt und sogar veränderlich sein darf,
da die Geometrie direkt vor dem Sende-/Empfangseinsatz jeweils aktuell durch Vermessung
bestimmt wird. Die Nutzung von in gewissen Grenzen beliebig zeitveränderlichen biegeschlaffen
Trägern der Antennenelemente der Richtantenne, was auch eine Lagerung auf Flüssigkeitsoberflächen
oder in einer Atmosphäre aufgehängte biegeschlaffe Anordnungen umfassen kann, wird
durch die Erfindung ermöglicht.
[0055] Das Vermessungssystem ist in der Lage, innerhalb eines unkritisch großen zulässigen
Driftvolumens die Position der Einzelantennenelemente relativ zueinander zu bestimmen,
die Ausrichtung dieser Anordnung von Einzelantennenelementen relativ zur Sendebeziehungsweise
Empfangsrichtung zu bestimmen und/oder auch die Ausrichtung aller Einzelantennenelemente
relativ zur Sende- beziehungsweise Empfangsrichtung zu bestimmen. Dabei ist die Genauigkeit
der Positionsbestimmung der Einzelantennenelemente relativ zueinander mindestens genauso
oder besser als ein aus dem Anwendungsfall vorgegebener Bruchteil 1/n der Wellenlänge
λ.
[0056] Die erfindungsgemäße Richtantenne weist weiterhin eine Phasenlagenbestimmungseinheit
auf, mit der aus den so bestimmten Positionen und ggfs. Ausrichtungen der Einzelantennenelemente
und der Sende- beziehungsweise Empfangsrichtung die Phasenlagen der Einzelsignale
in den Einzelantennenelementen bestimmbar sind, beispielsweise für die kohärente und
ohne Phasenverschiebung zueinander stattfindende konstruktiv interferierende Abstrahlung
des Sendesignals beziehungsweise für die kohärente konstruktiv interferierende Rekonstruktion
des empfangenen Signals aus den in jedem Einzelantennenelement empfangenen Einzelsignalen.
[0057] Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Richtantenne weiterhin eine Vorrichtung
auf, mit der im Empfangsfall aus den so hinsichtlich der Phasenlage eingestellten
Einzelsignalen das empfangene Signal rekonstruiert werden kann. Diese Rekonstruktion
kann beispielsweise durch kohärente, konstruktiv interferierende Überlagerung analog
oder digital erfolgen.
[0058] Die oben genannte Genauigkeitsanforderung im Sinne der λ/n-Genauigkeit gilt dabei
nur bezüglich der relativen Positionen der Einzelantennenelemente untereinander, das
heißt, relativ zueinander, denn diese bestimmt die für kohärente und konstruktiv interferierende
Abstrahlung bzw. kohärente konstruktiv interferierende Rekonstruktion des empfangenen
Signals erforderliche einzustellende relative Phasenlage der Einzelsignale. Die Wirksamkeit
der Vorrichtung wird durch die Tatsache, dass die Positionen der Einzelantennenelemente
in einem weit gefassten zulässigen Driftvolumen verschoben sein können, nicht beeinträchtigt.
[0059] Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Richtantenne
insbesondere auch sehr breitbandige, das heißt sehr stark modulierte, beispielsweise
auch sehr stark frequenz- oder/und phasenmodulierte Signale in gleichmäßig hoher und
von der Modulationstiefe unabhängiger Qualitätstreue auszusenden, da durch die Positionsbestimmung
der einzelnen Antennenelemente in einer λ/n-Genauigkeit das Auftreten von unbeabsichtigten
oder unbemerkten Phasenverschiebungen zwischen einzelnen Einzelantennenelementen um
ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge λ prinzipiell ausgeschlossen ist. Dadurch ist
eine vollständig phasentreue konstruktive Überlagerung der ausgesandten oder empfangenen
Signale möglich, und diese phasentreue konstruktive Überlagerung bleibt auch bei großen,
ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge als Phasenlagenunterschied verursachenden elektronischen
Schwenkwinkeln der Antennenkeule erhalten.
[0060] Begrifflich sei folgendes erläutert: Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen,
dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben
wie "ein", "zwei" usw. im Regelfall als "mindestens"-Angaben zu verstehen sein sollen,
also als "mindestens ein...", "mindestens zwei..." usw., sofern sich nicht aus dem
jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder
technisch zwingend ist, dass dort nur "genau ein...", "genau zwei..." usw. gemeint
sein können. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern
und/oder Vorrichtungsparametern im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den
üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung
"wenigstens" oder "mindestens" o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen
Verwendung von "ein", also ohne die Angabe von "wenigstens" o.ä., ein "genau ein"
gemeint ist.
[0061] Unter dem hier verwendeten Begriff des
"zulässigen Driftvolumens" ist der geometrische Raum zu verstehen, innerhalb dessen sich der biegeschlaffe Träger
aufgrund von Drift bewegen darf, derart dass innerhalb dieses Raumes die Position
aller zur wirksamen projizierten Fläche beitragenden Einzelantennenelemente mit einer
Genauigkeit vermessen werden kann, die der aus der Anwendung resultierenden λ/n-Genauigkeitsanforderung
genügt. Der Begriff
"Drift" ist dabei ebenfalls weit gefasst zu verstehen, und umfasst jegliche Ortsveränderung,
sei sie durch echtes Driften des biegeschlaffen Trägers oder aber beispielsweise durch
thermo-mechanische Deformation oder Kriechen oder Setzung von Materialien und Bauteilen
bedingt. Die Größe des zulässigen Driftvolumens hängt, da sie über die genannte Genauigkeitsanforderung
definiert ist, unter anderem von den im Vermessungssystem verwendeten lokal wirkenden
Vermessungselementen und deren für die Anwendung erforderlicher Anordnung und Anzahl
ab. Die erreichbare Genauigkeit in der Positionsbestimmung hängt zum Beispiel stark
davon ab, wie - abhängig vom Ort des zu vermessenden Antennenelements relativ zu den
Vermessungselementen - die Schnittwinkel ausfallen bei einer nur auf Entfernungsmessungen
beruhenden Positionsbestimmung durch von bekannten Punkten des Vermessungssystems,
sogenannten Referenzknoten, ausgehendem Vorwärtsschnitt. Flache Schnittwinkel liefern
schlechtere Genauigkeiten. Schnittwinkel um 90° ermöglichen hohe Genauigkeiten. Andererseits
können auch Geometrien mit spitzwinkligen Dreiecken durchaus ausreichende Genauigkeit
liefern, unter anderem auch dadurch, dass Entfernungen zu mehreren Punkten, d.h. zu
mehreren Referenzknoten gemessen werden und damit mit Überbestimmung gearbeitet wird.
Dies erweitert in solchen Fällen das zulässige Driftvolumen. Der biegeschlaffe Träger
kann und darf von daher innerhalb dieses zulässigen Driftvolumens mehr oder weniger
beliebige Form und Position einnehmen, solange ein wesentlicher Flächenanteil in Zielrichtung
ausgerichtet ist. Die Genauigkeitsanforderungen an die geometrische Form des biegeschlaffen
Trägers sind also grob und unkritisch und weit entfernt von den sonst üblichen mechanisch-konstruktiven
λ/n-Genauigkeitsanforderungen.
[0062] Hinsichtlich der Vermessung der Einzelantennenelemente ist es ebenfalls wichtig zu
bemerken, dass eine Positionsgenauigkeit der Einzelantennenelemente relativ zum Sende-
oder Empfangsziel unerheblich ist, soweit nicht bei relativ kurzen Distanzen gekrümmte
Wellenfronten zu berücksichtigen sind. Hinsichtlich der Ausrichtung der Anordnung
der Einzelantennenelemente in Bezug zur Zielrichtung muss diese so genau sein, dass
die Sendekeule das Ziel so trifft, dass ein ausreichendes Signal dort empfangen werden
kann. Im Empfangsfall gilt das sinngemäß umgekehrte. Diese Ausrichte- oder auch Zielgenauigkeit
wird also bestimmt durch die Form der Antennenkeulen, d.h. den Grad der Bündelung,
als auch die Größe der Antenne der Gegenstation als auch die Entfernung zwischen den
beiden Stationen.
[0063] Der Begriff "
Antenne" ist in der vorliegenden Schrift breit zu verstehen und soll starre und flexible Antennen
umfassen. Insbesondere sind unter dem Begriff auch Phased-Array-Antennen, auch solche,
die auf einem biegeschlaffen Träger aufgebracht sind, zu verstehen. Solche auf einem
biegeschlaffen Träger aufgebrachten Phased-Array-Antennen werden in diesem Dokument
auch vereinfachend als biegeschlaffe Phased-Array-Antennen bezeichnet.
[0064] Auch der Begriff
"biegeschlaffer Träger" ist breit zu verstehen und kann beispielsweise eine Membran, ein textiler Körper,
eine Folie, ein Netz, o.ä., sein. Aber auch die Oberfläche einer Flüssigkeit, beispielsweise
eine Wasseroberfläche, soll unter den Begriff "biegeschlaffer Träger" genauso wie
ein unregelmäßiger Untergrund, beispielsweise auch ein unregelmäßiger Erd- oder Himmelskörperuntergrund
verstanden werden, auf dem Einzelantennenelemente z.B. ausgestreut sind. Weiterhin
soll auch eine quasistatisch, d.h. insbesondere nicht schwingende, verformbare Anordnung,
beispielsweise ein quasistatisch knitterndes Blech, unter dem Begriff verstanden werden.
Mit anderen Worten ist auch der Begriff "biegeschlaff" selbst breit auszulegen. Unter
Biegeschlaffheit wird hier die Eigenschaft jedes Trägers verstanden, der zeitlich
nicht formstabil ist oder sein kann. Biegeschlaffe Strukturen haben keine Normalfall-Geometrie.
[0065] Unter dem Begriff
"quasi-eben" in Hinsicht auf den biegeschlaffen Träger ist zu verstehen, dass der biegeschlafe
Träger grob näherungsweise eben ist, d.h. auch zulässige größere Auslenkungen aus
der Ebenheit aufweisen kann, wie beispielsweise eine auf einer Wiese ausgebreitete
Picknickdecke oder ein auf einer Wäscheleine aufgehängtes, leise im Wind flatterndes
Bettlaken oder eine auf einer leicht bewegten Wasseroberfläche schwimmende Folie.
Die Quasi-Ebenheit kann durch grobes Aufspannen anhand einer geeigneten mechanischen
Vorrichtung unterstützt oder realisiert sein oder, z.B. im Weltraum durch Fliehkraftstabilisierung,
indem der biegeschlaffe Träger an den Ecken mit Gewichten ausgestattet ist und um
einen zum Beispiel nahe seines Flächenschwerpunkts befindlichen Massenschwerpunkt
der Anordnung langsam rotiert.
[0066] Bezüglich des biegeschlaffen Trägers ist unter dem Begriff
"im Wesentlichen in Zielrichtung ausgerichtet" zu verstehen, dass ein wie vorgenannt quasi-ebener biegeschlaffer Träger derart näherungsweise
in Zielrichtung ausgerichtet ist, dass ein wesentlicher Flächenanteil des biegeschlaffen
Antennenarrays zu der in Zielrichtung wirksamen projizierten Fläche beiträgt, was
gleichbedeutend damit ist, dass die auf diesem projizierten Flächenanteil vorhandenen
Einzelantennenelemente, d.h. eine wesentliche Anzahl der Einzelantennenelemente eine
freie Sichtlinie zum Ziel haben. Die Einschränkung der "wirksamen" projizierten Fläche
ist an dieser Stelle erforderlich, da beispielsweise je nach Ausführungsform die Rückseite
des Trägers nicht beiträgt oder Einzelantennenelemente, die nicht omnidirektional
sind und zu schräg zur Blickrichtung liegen, nicht wirksam sind.
[0067] Auch der Begriff
"Antennenelement" ist breit und nicht nur im strikt wissenschaftlichen Sinn zu verstehen, bezieht sich
also nicht nur beispielsweise auf ein einziges Dipol oder ähnliche einfache Grundelemente
des Antennenbaus. Ein Antennenelement auf einer Membran als Träger kann auch eine
kompakte Anordnung von verschiedenen Dipol- und Leitungs-"Fingern" oder eine komplexe
Form wie beispielsweise eine Patch-Antenne sein. Auch solche Antennenelemente, die
schon eine gewisse inhärente Richtcharakteristik haben sowie solche, die gar keine,
also eine omnidirektionale Richtcharakteristik haben, werden hier unter "Antennenelement"
verstanden.
[0068] Unter dem Begriff
"Position eines Einzelantennenelements (EAE)" ist der innerhalb oder außerhalb eines baulich-räumlich ausgedehnten (d.h. nicht
ideal punktförmigen) Einzelantennenelements liegende Ort zu verstehen, der für die
Bestimmung der Phasenlageneinstellung maßgebend ist. Dieser Ort ist das Zentrum einer
abgestrahlten Welle im Fernfeld und liegt nicht bei allen Antennenelement-Formen im
Zentrum der eigentlichen Hardware, weshalb für die Bestimmung dieses Ortes und der
daraus abgeleiteten Phasenlageneinstellung je nach Ausführung auch die Ausrichtung
des baulich-räumlich ausgedehnten Einzelantennenelements, im Folgenden die
"Ausrichtung des Einzelantennenelements" relevant sein kann.
[0069] Der Begriff
"Vermessungssystem" ist ebenfalls breit zu verstehen dahingehend, dass das Vermessungssystem alle technischen
Mittel umfasst, die erforderlich sind, um die Position und/oder die Ausrichtung der
Einzelantennenelemente relativ zur Zielrichtung, d.h. zur Sende- bzw. Empfangsrichtung
zu bestimmen. Das Vermessungssystem kann sich unterteilen in ein ebenfalls breit zu
verstehendes lokal wirkendes und ein ebenfalls breit zu verstehendes übergeordnet
wirkendes Vermessungssystem.
[0070] Der Begriff
"Zielrichtung" ist ebenfalls breit zu verstehen und meint beispielweise bei mehr oder weniger statischen
Anwendungen die direkte geometrische Zielrichtung auf den geometrischen Ort des Ziels,
also die gegenwärtige Sende- beziehungsweise Empfangsrichtung. Das Ziel kann dabei
zum Beispiel die Gegenstation auf der Erde oder auf einem Himmelskörper sein oder
ein aufgrund der Entfernung zeitlich quasi unbewegt erscheinendes langsam bewegtes
Raumfahrzeug. Andererseits soll unter Zielrichtung aber beispielsweise auch ein sogenanntes
"Zielen mit Vorhalt" verstanden werden, welches bei entsprechend großer Relativgeschwindigkeit
zwischen der Richtantenne und dem Ziel erforderlich wird. Unter Zielrichtung wird
in diesem Fall dann die Richtung verstanden, unter der beispielsweise im Sendefall
unter Berücksichtigung der Signallaufzeit auf den Ort gezielt wird, an dem sich das
Ziel nach Verstreichen der Signallaufzeit befinden wird. Im Empfangsfall muss entsprechend
auf den Ort gezielt werden, an dem sich das sendende Ziel zum Zeitpunkt der Abstrahlung
befunden hat.
[0071] Das erfindungsgemäße Vermessungssystem verwendet nach Stand der Technik bekannte
Vermessungselemente, wie zum Beispiel elektromagnetische Entfernungsmesser, was zum
Beispiel elektrooptische Entfernungsmesser wie insbesondere Laser-Entfernungsmesser
als auch beispielsweise mikrowellenbasierte Entfernungsmesser sein können. Genauso
kann dies auch die Kombination solcher Entfernungsmesser mit Winkelmesssystemen beinhalten,
wie sie zum Beispiel von Tachymetern als auch von Lasertrackersystemen bekannt sind.
Genauso kann dies auch nach dem GPS-Prinzip oder LORAN-Prinzip arbeitende Systeme
unterschiedlichster Bauart umfassen. Dies kann auch Vermessungselemente umfassen wie
beispielsweise ein Navigations- und Lagebestimmungssystem eines Raumfahrzeugs (in
der Fachsprache der Satellitennavigation: "Lage" = Ausrichtung), beispielsweise sogenannte
Startracker oder Sternenkameras, mit denen die winkelmäßige Ausrichtung bestimmt wird,
worüber dann der Bezug zur Zielrichtung herstellbar ist.
[0072] Allen diesen Vermessungselementen gemeinsam ist, dass sie im Zusammenwirken die aus
der Anwendung resultierende und geforderte λ/n-Genauigkeit ermöglichen, was beispielsweise
bei den Entfernungsmessern durch die Wahl eines geeigneten Wellenlängenbereichs oder
geeigneter Kombinationen von Wellenlängenbereichen und/oder Wahl geeigneter Modulationsverfahren
erreicht wird. Sinngemäß dasselbe gilt, wenn Winkelmessverfahren als Teil des Vermessungssystems
verwendet werden.
[0073] Hinsichtlich der Teilaufgaben, die das erfindungsgemäße Vermessungssystem erfüllen
soll, also zum einen die Position der Einzelantennenelemente relativ zueinander zu
bestimmen, des Weiteren die Ausrichtung dieser Anordnung von Einzelantennenelementen
relativ zur Sendebeziehungsweise Empfangsrichtung zu bestimmen und des Weiteren gegebenenfalls
auch die Ausrichtung aller Einzelantennenelemente relativ zur Sende- beziehungsweise
Empfangsrichtung zu bestimmen, ist es einleuchtend, dass dies beispielsweise, aber
nicht zwingend von verschiedenen Teilen eines Vermessungssystems erledigt werden kann.
Dies kann beispielsweise in Form eines lokal wirkenden Vermessungssystems und eines
übergeordnet wirkenden Vermessungssystems gelöst sein. Dabei führt das lokal wirkende
Vermessungssystem die Vermessung der Einzelantennenelemente hinsichtlich ihrer Position
relativ zueinander und relativ hinsichtlich eines oder mehrerer lokaler, beispielsweise
in der Struktur der Richtantenne fest verankerter Bezugspunkte, sogenannter Referenzknoten,
durch. Genauso führt dieses lokal wirkende Vermessungssystem gegebenenfalls dann die
Bestimmung der Ausrichtung der Einzelantennenelemente relativ zueinander sowie relativ
zu den lokalen Bezugspunkten, den Referenzknoten, durch. Demgegenüber führt das übergeordnet
wirkende Vermessungssystem die Vermessungen durch, die erforderlich sind, um die Ausrichtung
der lokal vermessenen Anordnung der Einzelantennenelemente und der lokalen Referenzknoten
relativ zur Zielrichtung und gegebenenfalls auch die Entfernung zum Ziel zu bestimmen.
Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn die Tragstruktur, die
die Referenzknoten trägt, nicht ausreichend steif, formtreu und in ausreichender Genauigkeit
vorvermessen ist, da die Genauigkeit der Positions- und gegebenenfalls Ausrichtungsbestimmung
der Einzelantennenelemente von der Genauigkeit abhängt, mit der die Position der Referenzknoten
hinsichtlich des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems bekannt ist Das Vermessungssystem
kann in der Lage sein, auch die Position der Referenzknoten relativ zueinander und
relativ zu den Vermessungselementen des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems
in der erforderlichen Genauigkeit jeweils nach Bedarf immer wieder neu zu vermessen.
Eine Neuvermessung der Referenzknoten ist beispielsweise dann erforderlich, wenn seit
der letzten Vermessung eine Zeit vergangen ist, nach der aufgrund der Kenntnis der
strukturmechanischen Eigenschaften der Tragstruktur und/oder zwischenzeitlich stattgefundener
Vorgänge (beispielsweise mechanische Grobausrichtung des Systems und damit verbundene
mechanische Lasten, oder aber beispielsweise Wechsel der Sonneneinstrahlung) davon
ausgegangen werden muss, dass die Tragstruktur sich deformiert hat und die erforderliche
Positionskenntnis nicht mehr gegeben ist. Nach einer solchen Neuvermessung können
die konstruktiv-mechanischen Anforderungen an die Steifigkeit und Formstabilität der
die Referenzknoten tragenden Struktur reduziert werden, solange die Neuvermessung
der Referenzknoten so genau und so schnell erfolgt, dass die darauf aufbauende Vermessung
der Einzelantennenelemente mit der erforderlichen λ/n-Genauigkeit möglich ist.
[0074] Im Gegensatz zu einem aufgeteilten Vermessungssystem, wie es oben beschrieben wurde,
sind genauso aber auch Ausführungsformen denkbar, in denen die genannten Vermessungsaufgaben
von einem nicht in Einzelelemente unterteilten Vermessungssystem gelöst werden.
[0075] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Richtantenne ist der biegeschlaffe Träger
ausrichtbar. Durch eine Ausrichtung des biegeschlaffen Trägers im Wesentlichen zum
Ziel können Einzelantennenelemente, im besten Fall alle Einzelantennenelemente, eine
freie Abstrahl- beziehungsweise Empfangsrichtung zum beziehungsweise vom Ziel haben.
Mit anderen Worten, der biegeschlaffe Träger ist so ausreichend quasi-eben, dass es
keine Hinterschneidung gibt, in der einzelne Teile der Antenne durch andere Teile
der Antenne in Richtung der gewünschten Abstrahl- oder Empfangsrichtung verdeckt sind.
Eine solche Anordnung kann erreicht werden beispielsweise durch ein mechanisch einfaches
Aufspannen des biegeschlaffen Trägers mithilfe beispielsweise eines Rahmens oder eines
Mastsystems. Da aufgrund der erfindungsgemäß durchgeführten Vermessung der biegeschlaffe
Träger innerhalb eines unkritisch großen zulässigen Driftvolumens liegen darf, bedeutet
dies, dass das Aufspannen des biegeschlaffen Trägers keine hohen mechanischen Anforderungen
an die aufspannende Tragstruktur stellt. Sowohl die aufspannende Tragstruktur als
auch der biegeschlaffe Träger selber dürfen sich zum Beispiel thermomechanisch verformen.
Der biegeschlaffe Träger darf Falten aufweisen, wie sie typischerweise beim Aufspannen
beispielsweise einer rechteckigen Membran oder eines Tuchs auftreten, wenn man dieses
an den Ecken, den sogenannten Aufspannpunkten, aufspannt. Der biegeschlaffe Träger
darf beispielsweise auch so schlaff aufgespannt sein, dass er durchhängen würde, wenn
er unter Schwerkraft aufgehängt wäre oder sich wölben würde, wenn er unter Windeinwirkung
in einer Atmosphäre aufgespannt oder auch nur aufgehängt wäre. Die Aufspannpunkte
müssen dabei auch nicht hochgenau in einer Ebene liegen, vielmehr dürfen die Aufspannpunkte
hinsichtlich ihrer relativen Lage untereinander von der Ebenheit abweichen, sei es,
weil dadurch die Fertigung erleichtert ist oder sei es, dass es andere konstruktive
Zwänge oder Vorteile gibt, die Aufhängepunkte nicht in einer Ebene anzuordnen. Allen
diesen Beispielen ist gemeinsam, dass die erfindungsgemäße Richtantenne nach dem später
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist, solange der biegeschlaffe
Träger innerhalb des zulässigen Driftvolumens liegt, das heißt, solange alle Einzelantennenelemente
durch das Vermessungssystem mit der geforderten λ/n-Genauigkeit hinsichtlich ihrer
relativen Position zueinander und zu den Referenzknoten des Vermessungssystems und
gegebenenfalls hinsichtlich ihrer Ausrichtung relativ zueinander und zu den Referenzknoten
einmeßbar sind.
[0076] Die Richtantenne kann aber auch so ausgeführt sein, dass sie nicht mechanisch ausrichtbar
ist, sondern beispielsweise fest montiert oder fest aufgespannt ist oder beispielsweise
eine vorhandene Oberfläche den tragenden Untergrund für den biegeschlaffen, die Einzelantennenelemente
tragenden Träger bildet. Der Untergrund fungiert hier lediglich als Träger der Richtantenne,
während der biegeschlafe Träger ordnet, ohne den biegeschlafen Träger käme es zu einer
freien Streuausbringung. Solch eine vorhandene Oberfläche könnte zum Beispiel die
Oberfläche eines Geländes sein, sei es eben oder aber beispielsweise an einer Felswand
herabhängend, sei es auf der Erde oder auf einem Himmelskörper. Genauso könnte eine
solche tragende Oberfläche auch durch die Oberfläche eines Gewässers oder einer anderen
Flüssigkeitsansammlung, sei es auf der Erde oder auf einem anderen Himmelskörper gebildet
sein. Bei auf einer Wasseroberfläche oder Flüssigkeitsoberfläche ausgebrachten Antennenelementen
werden die Einzelantennenelemente vorteilhafterweise auf einem biegeschlaffen Träger
ausgebracht, der als ein Netz ausgestaltet ist und bei dem die Netzknoten mit für
das Stauen vorteilhafterweise flexiblen, aber im entpackten Zustand dann hinreichend
eigensteifen Verbindungselementen miteinander verbunden sind, die steif genug sind,
um einerseits ein Auseinanderdriften (Zugbelastung auf die Verbindungselemente) und
andererseits Klumpenbildung (Druckbelastung auf die Verbindungselemente) zu vermeiden.
Im Fall einer Geländeoberfläche können dann auch die Referenzknoten des Vermessungssystems
auf der Geländeoberfläche in geeigneter Weise, beispielsweise durch eine oder mehrere
geeignet dimensionierte und ausgeformte Tragkonstruktionen, ausgebracht sein. Im Fall
einer Flüssigkeitsoberfläche können die Referenzknoten des Vermessungssystems auf
schwimmenden Trägern, beispielsweise Bojen mit langen Masten angeordnet sein, die
eine geeignete Polyederform der Referenzknotenanordnung gewährleisten, um eine ausreichende
Genauigkeit des Vermessungssystems zu ermöglichen. In diesem Fall müssen auch die
schwimmenden Träger der Referenzknoten beispielsweise durch Abstandselemente in geeignetem
Abstand und geeigneter Anordnung gehalten werden.
[0077] Genauso ist eine Anordnung denkbar, in der die Antennenelemente ebenso wie die Referenzstationen
beispielsweise mit Ballons und einem geeigneten biegeschlaffen Netz zur Vermeidung
von Drift und/oder Klumpenbildung entweder senkrecht herabhängend oder mehr oder weniger
waagerecht aufgespannt oder auch in beliebig anderer Anordnung in der Atmosphäre ausgebracht
sind. Eine solche Anordnung in einer Atmosphäre kann dann sowohl mit als auch ohne
Vorrichtungen zur groben Ausrichtung ausgestattet sein.
[0078] Das Vermessungssystem kann so ausgelegt sein, dass das zulässige Driftvolumen bewusst
so voluminös ausgestaltet ist, dass selbst gewollt dreidimensionale Konfigurationen
des biegeschlaffen Trägers erlaubt sind, die beispielsweise aus verschwenkt zueinander
liegenden quasi-ebenen Teilflächen bestehen. Für diese Teilflächen gilt dann sinngemäß
dasselbe, wie es im vorhergehenden Abschnitt beispielsweise hinsichtlich des Aufspannens,
Durchhängens und Faltenwerfens beschrieben ist.
[0079] Es kann sogar erlaubt sein, dass der biegeschlaffe Träger sich auch derart verformen
darf, dass relativ zur Zielrichtung auch Hinterschneidungen auftreten, das heißt,
dass nicht alle Einzelantennenelemente eine freie Abstrahl- oder Empfangsrichtung
zum Zeil haben, sondern diese durch andere Einzelantennenelemente oder Teile des biegeschlaffen
Trägers abgeschattet werden. Solange ein wesentlicher Flächenteil des biegeschlaffen
Antennenarrays zu der in Zielrichtung projizierten Fläche beiträgt und damit eine
wesentliche Anzahl der Einzelantennenelemente eine freie Sichtlinie zum Ziel haben
und damit zum Sendebeziehungsweise Empfangsbetrieb beitragen können und solange diese
Einzelantennenelemente innerhalb des zulässigen Driftvolumens liegen, ist die erfindungsgemäße
Funktionsweise und Betreibbarkeit der Richtantenne gegeben. Die kritische Begrenzung
liegt dabei darin, dass hinsichtlich des Anwendungsfalls die Anzahl der beitragenden
Einzelantennenelemente ausreicht, um die aus der Anwendung erforderliche Antennenqualität
und damit Signalqualität zu gewährleisten. Oder mit anderen Worten, dass der wesentliche
Flächenanteil beziehungsweise die wesentliche Anzahl an beitragenden Einzelantennenelementen
groß genug ist.
[0080] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Vermessungssystem ein lokal
wirkendes und ein übergeordnet wirkendes Vermessungssystem auf, wobei mit dem lokal
wirkenden Vermessungssystem lokale Positionen und/oder Ausrichtungen bestimmenbar
und mit dem übergeordnet wirkenden Vermessungssystem der Bezug zwischen den lokalen
Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente und der Zielrichtung
herstellbar ist. Dabei führt das lokal wirkende Vermessungssystem die Vermessung der
Einzelantennenelemente hinsichtlich ihrer Position relativ zueinander und relativ
hinsichtlich eines oder mehrerer lokaler, beispielsweise in der Struktur der Richtantenne
fest verankerter Bezugspunkte, sogenannter Referenzknoten, durch. Genauso führt dieses
lokal wirkende Vermessungssystem gegebenenfalls dann die Bestimmung der Ausrichtung
der Einzelantennenelemente relativ zueinander sowie relativ zu den lokalen Bezugspunkten,
den Referenzknoten, durch. Demgegenüber führt das übergeordnet wirkende Vermessungssystem
die Vermessungen durch, die erforderlich sind, um die Ausrichtung der lokal vermessenen
Anordnung der Einzelantennenelemente und der lokalen Referenzknoten relativ zur Zielrichtung
und gegebenenfalls auch die Entfernung zum Ziel zu bestimmen.
[0081] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind einzelne Einzelantennenelemente
abschaltbar. In der Phasenlagenbestimmungseinheit kann gleichzeitig neben der Phasenlage
aufgrund der bekannten Positionen und ggfs. Ausrichtungen der Einzelantennenelemente
auch bestimmt werden, welche Antennenelemente aufgrund von Drift des biegeschlaffen
Trägers in Hinterschneidung relativ zur Abstrahl- beziehungsweise Empfangsrichtung
sind und somit also nicht wirksam zum Sende-/Empfangsbetrieb beitragen oder für welche,
beispielsweise bei stark gerichtet arbeitenden Einzelantennenelementen, deren Ausrichtung
und damit deren Hauptantennenkeule ungünstig hinsichtlich der Abstrahl- beziehungsweise
Empfangsrichtung liegt. Diese Einzelantennenelemente können dann abgeschaltet werden,
um Energie zu sparen und um unerwünschte Nebenkeulen im Signal zu vermeiden.
[0082] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der biegeschlaffe Träger der
Richtantenne eine Vorder- und eine Rückseite auf, wobei auf jeder der beiden Seiten
ein eigenes Sende- und/oder Empfangssystem untergebracht ist, derart, dass auf einer
ersten Seite empfangene Signale auf der zweiten Seite abstrahlbar bzw. auf der zweiten
Seite empfangene Signale auf der ersten Seite abstrahlbar sind, wobei entweder durch
elektromagnetische Abschirmung durch den biegeschlaffen Träger oder durch Wahl geeignet
separierter Frequenzen sichergestellt ist, dass keine störenden Interferenzen oder
andere unerwünschte Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Sende-/Empfangssystemen
auftreten. Durch eine solche Anordnung ist es dann möglich, eine Relaisstation zu
realisieren, die auf der einen Seite von einer Gegenstelle einkommende Signale empfängt
und sie dann auf der anderen Seite zu einer weiteren Gegenstation weitersendet. Gleichzeitig
ist es dabei möglich, dass auch nur auf der einen oder nur auf der anderen Seite der
Richtantenne Signale ausgetauscht werden, beispielsweise um den Empfang eines Signals
zu quittieren oder Statusinformation zum Status der Richtantenne zu übermitteln. Genauso
ist es denkbar, dass eine solche als Relaisstation fungierende Richtantenne neben
dem reinen Richtfunkbetrieb als Relaisstation auch auf anderen Wegen, zum Beispiel
mit einem die Relaisstation tragenden Raumfahrzeug, Daten austauscht, die in den Richtfunkbetrieb
auf der Relaisstrecke in die eine oder die andere Richtung einfließen. Hierbei könnte
es sich beispielsweise um technische Statusinformation zum Status des Raumfahrzeugs
handeln. Damit die Sende-/Empfangssysteme, die auf Vorder- und Rückseite angeordnet
sind, sich technisch nicht gegenseitig stören, muss entweder durch Verwendung beispielsweise
eines elektrisch leitfähigen biegeschlaffen Trägers sichergestellt werden, dass die
beiden Seiten elektromagnetisch gegeneinander abgeschirmt sind. Oder aber die unerwünschte
Wechselwirkung zwischen Vorder- und Rückseite wird dadurch erreicht, dass die Sende-/Empfangssysteme
der beiden Seiten in ausreichend weit auseinanderliegenden Wellenlängenbereichen arbeiten.
[0083] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der biegeschlaffe Träger elektrisch
abschirmend und damit gleichzeitig elektromagnetische Wellen reflektierend. Wirkt
der biegeschlaffe Träger aufgrund elektrischer Leitfähigkeit elektromagnetisch abschirmend,
können beispielsweise auf der Vorderseite die Einzelantennenelemente eines Sende-/Empfangssystem
untergebracht sein und in einem bestimmten Wellenlängenbereich arbeiten, während auf
der Rückseite das Vermessungssystem untergebracht ist und in einem dicht benachbarten
oder sogar demselben Wellenlängenbereich arbeiten kann, ohne dass dabei störende Interferenzen
oder andere unerwünschte Wechselwirkungen zwischen dem Sende-/Empfangssystem auf der
Vorderseite und dem Vermessungssystem auf der Rückseite entstehen.
[0084] In einer alternativen Ausführungsform weist der biegeschlaffe Träger der Richtantenne
eine Vorder- und eine Rückseite auf, wobei auf jeder der beiden Seiten ein eigenes
Sende- und/oder Empfangssystem untergebracht ist, derart, dass auf einer ersten Seite
empfangene Signale auf der zweiten Seite abstrahlbar bzw. auf der zweiten Seite empfangene
Signale auf der ersten Seite abstrahlbar sind, wobei durch Wahl geeignet separierter
Frequenzen sichergestellt ist, dass keine störenden Interferenzen oder andere unerwünschte
Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Sende-/Empfangssystemen auftreten.
[0085] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Vermessungssystem mindestens
einen Referenzknoten, bevorzugt mindestens drei nicht auf einer Geraden liegende Referenzknoten
und besonders bevorzugt mindestens vier Referenzknoten auf, wobei die mindestens vier
Referenzknoten jeweils auf einer Ecke eines Polyeders verteilt sind, wobei der Polyeder
mindestens so viele Ecken aufweist, wie die Richtantenne Referenzknoten aufweist.
Ist die Position und Ausrichtung des mindestens einen Referenzknotens relativ zum
übergeordnet wirkenden Vermessungssystem, beispielsweise einem Navigations- und Lagebestimmungssystem
bekannt - sei es aufgrund mechanisch-konstruktiv fester Verbindung zu den Vermessungselementen
des übergeordnet wirkenden Vermessungssystem oder aus aktuell jeweils durchgeführter
Vermessung des bzw. der Referenzknoten - und in geeignetem Abstand zum biegeschlaffen
Träger angeordnet, wird ein großräumiges, voluminöses zulässiges Driftvolumen ermöglicht.
Dieser Referenzknoten kann beispielsweise mit einem elektromagnetischen Entfernungsmesser
in Kombination mit einem Winkelmesssystem ausgestattet sein, wie dies bei Tachymetern
oder Laser-Tracker-Systemen der Fall ist. Weiterhin kann das Vermessungssystem eine
geeignete Anordnung von beispielsweise einem oder mehreren Retroreflektoren pro Einzelantennenelement
aufweisen, derart, dass aus den gemessenen Strecken und Winkeln die Positionen und
gegebenenfalls auch die Ausrichtungen der Einzelantennenelemente bestimmt werden können.
Stattet man solch ein System beispielsweise mit zwei oder mehr solcher Referenzknoten
aus, so erhöht man die Genauigkeit des Vermessungssystems durch Überbestimmung im
Sinne beispielsweise der Gauß'schen Ausgleichungsrechnung.
[0086] Bevorzugt weist das Vermessungssystem mindestens drei nicht auf einer Geraden liegende
Referenzknoten auf. Ist deren Positions- und Ausrichtungsbeziehung relativ zum übergeordnet
wirkenden Vermessungssystem bekannt - sei es, mechanisch-konstruktiv oder aus Vermessung
der Referenzknoten - und sind die mindestens drei Referenzknoten in geeignetem Abstand
und geeigneter Anordnung zum biegeschlaffen Träger angeordnet, wird wieder ein großräumiges,
voluminöses zulässiges Driftvolumen ermöglicht. Diese Referenzknoten können beispielsweise
mit elektromagnetischen Entfernungsmessern ausgestattet sein, um im Zusammenwirken
mit geeigneten Anordnungen von beispielsweise einem oder mehreren Retroreflektoren
pro Einzelantennenelement aus den gemessenen Strecken die Positionen und ggfs. Ausrichtungen
der Einzelantennenelemente zu bestimmen. Sind die Referenzknoten zusätzlich mit Winkelmesssystemen
ausgestattet, so erhöht man dadurch, genauso wie oben genannt, die Genauigkeit des
Vermessungssystems durch Überbestimmung.
[0087] In der besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Vermessungssystem mindestens
vier nicht in einer Ebene liegende Referenzknoten auf, die idealerweise einen voluminösen,
d.h. nicht flachen Polyeder mit mindestens so vielen Ecken, wie Referenzknoten vorhanden
sind, aufspannen. Sind deren Positions- und Ausrichtungsbeziehung relativ zum übergeordnet
wirkenden Vermessungssystem bekannt - sei es aus deren bekannter mechanisch-konstruktiver
Anordnung oder aus Vermessung der Referenzknoten - und befinden sich die Referenzknoten
in geeignetem Abstand und geeigneter Anordnung zum biegeschlaffen Träger, wird ein
großräumiges, voluminöses zulässiges Driftvolumen ermöglicht. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass der Polyeder den biegeschlaffen Träger in weiten Teilen,
aber nicht notwendigerweise vollständig umfasst, wobei durch günstige Schnittbildung
in der Positionsbestimmung ein voluminöses, großvolumiges auch über den Tetraeder
bzw. Polyeder hinausreichendes zulässiges Driftvolumen ermöglicht wird. Bei vier Referenzknoten
sind auch lokal arbeitende GPS-ähnliche lokale Vermessungssysteme denkbar, bei denen
modulierte Signale von den Referenzknoten ausgesandt werden und durch deren Empfang
ein geeigneter Empfänger in den Einzelantennenelementen sowohl seine drei Lagekoordinaten
als auch bei typischerweise, weil technisch einfacher, nicht synchronisierten Uhren
eine mögliche Unbekannte in der Zeit bestimmen kann. In diesem Fall würden die Einzelantennenelemente
ihre Position selbst relativ zu den Referenzknoten vermessen. Dies könnte beispielsweise
die vorteilhafte Möglichkeit eröffnen, auch die Phasenlagenbestimmung dezentral im
Einzelantennenelement durchzuführen und von einem zentralisierten Ansatz auf einen
dezentralisierten Ansatz zu wechseln.
[0088] Somit ist bzw. sind in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Richtantenne
der oder die Referenzknoten entweder auf einer derart steifen und formstabilen Tragstruktur
relativ zu den übrigen Elementen des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems angeordnet,
sodass keine Neuvermessung der Referenzknotenpositionen während des Betriebes notwendig
ist zur Erreichung der erforderlichen λ/n-Genauigkeit, oder aber das Vermessungssystem
der Richtantenne weist eine Selbstvermessungsvorrichtung für die Referenzknoten auf,
sofern die Tragstruktur nicht ausreichend formstabil ist, sodass eine Neuvermessung
der Referenzknoten im Verlauf des Betriebs im Rahmen des Betriebsverfahrens erforderlich
ist, um eine vorgegebene Genauigkeit als vorgegebener Bruchteil 1/n der Trägerwellenlänge
λ zu erreichen.
[0089] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Richtantenne ein Blickfeld
auf, wobei die Referenzknoten außerhalb des Blickfelds der Richtantenne angeordnet
sind. Unter dem Begriff "Blickfeld" wird hier der Bereich verstanden, aus dem die
Richtantenne elektromagnetische Signale empfangen kann, beziehungsweise in den die
Richtantenne elektromagnetische Signale abstrahlen kann. Das Blickfeld entspricht
der in Zielrichtung wirksamen, das heißt, der in Zielrichtung projizierten Fläche
des biegeschlaffen Trägers. Durch die Anordnung der Referenzknoten außerhalb des Blickfelds
wird das Blickfeld der Richtantenne nicht behindert.
[0090] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Vermessungssystem der Richtantenne
auch solche Vermessungselemente auf, mit denen hinsichtlich des übergeordnet wirkenden
Vermessungssystems die Ausrichtung relativ zur Zielrichtung als auch gegebenenfalls
die Position relativ zum Ziel in einem übergeordneten Koordinatensystem durch Anmessen
von externen hinsichtlich ihrer Position in besagtem übergeordneten Koordinatensystem
bekannten Punkten bestimmbar ist. Damit werden zusätzliche Einsatzmöglichkeiten für
die Richtantenne eröffnet insbesondere auch für solche Fälle, in denen nur über normale,
sozusagen "on-board" Vermessungselemente des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems
eine Orientierung nicht möglich sein sollte. Das beschriebene Anmessen bekannter Punkte
entspricht in analoger Weise den terrestrischen Vermessungsverfahren, bei denen von
übergeordneten, bekannten Punkten auf die Position nachgeordneter Punkte durch Vermessung
geschlossen wird.
[0091] Ein erfindungsgemäßes Richtantennensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Richtantennensystem
eine Mehrzahl von Richtantennen gemäß der vorherigen Beschreibung aufweist. Die Mehrzahl
der Richtantennen können dahingehend zusammenwirken, dass sie wie eine einzige Richtantenne
besonders großer Fläche wirken. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß ein übergeordnetes,
großes Richtantennensystem aus einer Vielzahl von untergeordneten, kleineren erfindungsgemäßen
Richtantennen gebildet, die zusammengefasst eine insgesamt größere Antenne mit zusammengenommen
höherem Antennengewinn bei gleichbleibender Qualität der Signalausrichtung beziehungsweise
Empfangsrichtung bilden.
[0092] Sämtliche vorteilhaften Ausführungsformen, die für die Richtantenne benannt wurden,
gelten sinngemäß übertragen auch für das erfindungsgemäße Richtantennensystem.
[0093] Das erfindungsgemäße Richtantennensystem besteht aus einer im Sinne einer größeren
Antenne zusammenwirkenden Anzahl von Gruppen von Einzelantennenelementen, wobei jede
dieser Gruppen einer erfindungsgemäßen Richtantenne entspricht und zum Empfang der
von einem Ziel ausgestrahlten zu empfangenden elektromagnetischen Signale oder zur
Sendung der zu einem Ziel abzustrahlenden elektromagnetischen Signale geeignet ist,
wobei die elektromagnetischen Signale eine Trägerwellenlänge λ und eine Bandbreite
B aufweisen. Die einzelnen Einzelantennenelemente sind auf einem biegeschlaffen Träger
aufgebracht, wobei der biegeschlaffe Träger quasi-eben ist, wobei alle Einzelantennenelemente
derart auf dem biegeschlaffen Träger aufgebracht sind, dass, sofern der biegeschlaffe
Träger im Wesentlichen in Zielrichtung ausgerichtet ist, eine wesentliche Anzahl von
Einzelantennenelementen eine freie Abstrahl- beziehungsweise Empfangsrichtung zum
beziehungsweise vom Ziel hat, wobei die Richtantenne weiterhin ein Vermessungssystem
aufweist, mit dem die Position und/oder Ausrichtung aller Einzelantennenelemente relativ
zur Zielrichtung bestimmbar ist, wobei die Genauigkeit der Positionsbestimmung der
Einzelantennenelemente relativ zueinander mindestens genauso oder besser ist als ein
vorgegebener Bruchteil 1/n der Trägerwellenlänge λ, und wobei die Richtantenne weiterhin
eine Phasenlagenbestimmungseinheit aufweist, mit der die in jedem Einzelantennenelement
für die Abstrahlung des Sendesignals beziehungsweise die Rekonstruktion des empfangenen
Signals erforderliche Phasenlage des Einzelsignals aus den bestimmten Positionen und
Ausrichtungen der Einzelantennenelemente und der gewünschten Abstrahlrichtung beziehungsweise
Empfangsrichtung bestimmbar ist, und wobei die Richtantenne weiterhin eine Phasenlageneinstellungseinheit
aufweist, mit der die zuvor bestimmten erforderlichen Phasenlagen der Einzelsignale
der Einzelantennenelemente für den Sende- beziehungsweise Empfangsvorgang jeweils
einstellbar sind, und wobei die Richtantenne im Falle einer Empfangsantenne weiterhin
eine Vorrichtung aufweist, mit der bezüglich des Empfangsvorgangs aus den empfangenen
Einzelsignalen mit der derart eingestellten jeweiligen Phasenlage das empfangene Signal
rekonstruierbar ist.
[0094] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer vorbeschriebenen Richtantenne
oder eines vorbeschriebenen Richtantennensystems weist folgende Schritte auf:
- a) Prüfen der Ausrichtung und gegebenenfalls mechanische Grobausrichtung der Richtantenne
bzw. aller oder einzelner Richtantennen des Richtantennensystems in Richtung der Zielrichtung;
- b) Bestimmung der Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente der
Richtantenne bzw. der Einzelantennenelemente der Richtantennen des Richtantennensystems
in Bezug zur gewünschten Zielrichtung;
- c) Gegebenenfalls nochmalige mechanische Grobausrichtung gemäß Punkt a) und darauffolgend
nochmalige Positions- und/oder Ausrichtungsbestimmung gemäß Punkt b);
- d) Aus der zuvor durchgeführten Positions- und/oder Ausrichtungsbestimmung der Einzelantennenelemente
der Richtantenne beziehungsweise der Einzelantennenelemente der Richtantennen des
Richtantennensystems und aus der gewünschten Zielrichtung Bestimmung der Phasenlage
der Einzelsignale in den Einzelantennenelementen, die für die Abstrahlung des Sendesignals
beziehungsweise für die Rekonstruktion des empfangenen Signals aus den in den Einzelantennenelementen
empfangenen Einzelsignalen erforderlich ist, unter Verwendung der Phasenlagenbestimmungseinheit;
- e) Einstellung der zuvor bestimmten Phasenlagen für die einzelnen Einzelantennenelemente
an deren jeweiligen zu sendenden Einzelsignalen beziehungsweise an deren zum zu rekonstruierenden
Empfangssignal beitragenden jeweiligen empfangenen Einzelsignalen mithilfe der Phasenlageneinstellungseinheit;
- f) Senden der mit den zuvor bestimmten Phasenlagen versehenen Einzelsignale mit den
jeweiligen Einzelantennenelementen beziehungsweise Rekonstruktion des empfangenen
Signals aus den in den einzelnen Einzelantennenelementen empfangenen und mit den zuvor
bestimmten Phasenlagen versehenen Einzelsignalen.
[0095] Die Positionen der Einzelantennenelemente können mit dem Vermessungssystem in einem
weit gefassten zulässigen Driftvolumen auch über ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge
hinweg verschoben sein, ohne dass dies die Wirksamkeit der Vorrichtung und des Verfahrens
beeinträchtigt. Die korrekte Phasenlage wird durch das Verfahren sichergestellt, solange
die Einzelantennenelemente nicht außerhalb der die geforderte Positionsbestimmungsgenauigkeit
ermöglichenden nutzbaren Reichweite des Vermessungssystems, d.h. des zulässigen Driftvolumens,
verdriftet sind.
[0096] In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Signalqualität des
in der Richtantenne empfangenen Signals oder des gesendeten und auf der Gegenstation
empfangenen Signals dadurch optimiert, dass die empfangenen Signale als Beobachtungsdaten
in einem mathematischen Optimierungsverfahren verwendet werden, mit dem die in das
Verfahren eingebrachten Positionen und Ausrichtungen der Einzelantennenelemente oder
die im Verfahren verwendeten Phasenlagenkorrekturen in den Einzelantennenelementen
optimiert werden.
[0097] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Bestimmung
der Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente der Richtantenne
beziehungsweise der Richtantennen des Richtantennensystems relativ zum Ziel folgende
Aktionen, wobei die Aktionen in beliebiger Reihenfolge durchführbar sind:
- Optional Bestimmung der Positionen der Referenzknoten der Richtantenne beziehungsweise
der Referenzknoten der Richtantennen des Richtantennensystems relativ zueinander und
relativ zu den anderen Elementen des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems mithilfe
des lokal wirkenden Vermessungssystems;
- Bestimmung der Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente relativ
zu den Positionen der Referenzknoten mithilfe des lokal wirkenden Vermessungssystems;
- Bestimmung der Zielrichtung relativ zu den Positionen der Referenzknoten mithilfe
des übergeordnet wirkenden Teils des Vermessungssystems.
[0098] Die Bestimmung der Positionen der Referenzknoten der Richtantenne beziehungsweise
der Referenzknoten der Richtantennen des Richtantennensystems relativ zueinander und
relativ zu den anderen Elementen des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems ist
bei ausreichend steifer formstabiler Tragstruktur der Referenzknoten durch die Verwendung
der a-priori vermessenen und von daher bekannten Positionen der Referenzknoten an
dieser Stelle entbehrlich. Falls aber die Tragstruktur diese Anforderung nicht erfüllt,
kann mit dem dann erforderlichen Selbstvermessungssystem die Bestimmung der Positionen
der Referenzknoten der Richtantenne beziehungsweise der Referenzknoten der Richtantennen
des Richtantennensystems relativ zueinander mithilfe des lokal wirkenden Vermessungssystems
durchgeführt werden. Das Selbstvermessungssystem ist in diesem Falle Bestandteil des
lokal wirkenden Vermessungssystems.
[0099] Das Verfahren kann in Einzelschritten oder auch in einem Schritt erfolgen. Diesbezüglich
ist es einleuchtend, dass diese Vermessung beispielsweise, aber nicht zwingend in
den genannten einzelnen Schritten, die in unterschiedlicher Reihenfolge durchgeführt
werden können, erfolgt, oder aber unter Umständen auch sozusagen "in einem Guss",
in einem einzigen Schritt.
[0100] Das Messen der Positionen aller Einzelantennenelemente der Richtantenne beziehungsweise
des Richtantennensystems sowie auch der Positionen der Referenzknoten kann zunächst
lokal relativ zu den Referenzknoten erfolgen, wobei die Positionen anschließend durch
Koordinatentransformation auf ein äußeres, übergeordnetes Koordinatensystem übertragen
werden können. Sinngemäß dasselbe gilt, wenn die Referenzknoten zunächst durch Selbstvermessung
ihre Positionen relativ zu den Vermessungselementen des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems
bestimmen müssen, weil die Tragstruktur der Referenzknoten nicht ausreichend steif
und formstabil ist.
[0101] Alternativ kann das Messen der Positionen aller Einzelantennenelemente sowie das
gegebenenfalls vorab durchzuführende Selbstvermessen der Referenzknoten der Richtantenne
beziehungsweise des Richtantennensystems direkt in einem äußeren, übergeordneten Koordinatensystem
erfolgen. Die beiden Alternativen sind gleichwertig und können in Abhängigkeit der
verfügbaren Systeme gewählt werden.
[0102] Weiterhin kann nach einer ersten Messung der Positionen aller Einzelantennenelemente
eine Groborientierung des biegeschlaffen Antennen-Arrays durchgeführt wird. Damit
können die Einzelantennenelemente grob in Blickrichtung der Richtantenne ausgerichtet
werden, sollten Einzelantennenelemente zu weit von der gewünschten Blickrichtung abweichen.
So können mehr Einzelantennenelemente für den Empfang beziehungsweise das Senden effektiv
bereitgestellt werden.
[0103] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Bestimmung
der Position der Referenzknoten schneller als ein vorbestimmter Schwellwert, der von
der Geschwindigkeit der währenddessen erfolgenden Deformationsbewegung der die Referenzknoten
tragenden nicht ideal steifen Trägerstruktur abhängt.
[0104] Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Bestimmung der Positionen
und Ausrichtungen aller Einzelantennenelemente und die Bestimmung der erforderlichen
Phasenlagen für jedes Einzelantennenelement sowie das darauf aufbauende Senden beziehungsweise
Empfangen von Einzelsignalen schneller erfolgt als ein vorbestimmter Schwellwert,
der von der Geschwindigkeit der währenddessen erfolgenden Driftbewegung der Einzelantennenelemente
auf dem biegeschlaffen Träger als auch der die Referenzknoten tragenden nicht ideal
steifen Trägerstruktur abhängt.
[0105] Das oben beschriebene Verfahren kann, wenn die Zielrichtung nicht ausreichend genau
bekannt ist, auch iterativ wiederholend durchgeführt und erst durch Signalmaximierung
die Zielrichtung iterativ bestimmt werden.
[0106] Der komplette Zyklus von im Sendefall Vermessung der Einzelantennenelemente plus
Phasenlagenbestimmung plus Phasenlageneinstellung plus Senden in der Summe kann so
schnell durchgeführt werden, dass die erforderliche λ/n-Genauigkeit der relativen
Positionen der Einzelantennenelemente zueinander gegeben ist, denn nur dann sind phasenlagenrichtige
Sendung beziehungsweise Empfang in einer großen, geforderten λ/n-Genauigkeit möglich.
Die erforderliche λ/n-Genauigkeit ist dann gegeben, wenn die Ungenauigkeit der Positionsbestimmung,
die durch ein während der Dauer des genannten Zyklus aufgetretenes - und erfindungsgemäß
ausdrücklich erlaubtes - Verdriften verursacht ist plus sämtliche im Vermessungsverfahren
selbst enthaltenen Ungenauigkeiten in Summe die erforderliche λ/n-Genauigkeit nicht
überschreiten. Mit anderen Worten muss die Geschwindigkeit, mit der das Verfahren
durchführbar ist, schneller sein als ein vorbestimmter Schwellwert, der von der Schnelligkeit
der währenddessen stattfindenden Driftbewegung des die Einzelantennenelemente tragenden
biegeschlaffen Trägers abhängt. Sinngemäß dasselbe gilt für den Empfangsvorgang, wobei
die Situation dort insofern anders ist, als dass die Phasenlagenbestimmung und Phasenlageneinstellung
als auch die dann folgende Rekonstruktion des Signals sowohl mitlaufend als auch nach
dem eigentlichen Empfang des Signals und damit auch sozusagen "Off-line" stattfinden
können. Die λ/n-genaue Positionskenntnis muss für den Zeitpunkt des Empfangs erfüllt
sein. Zwischen der Vermessung der Einzelantennenelemente und dem Empfang muss kein
weiterer Verfahrensschritt erfolgen. Die Zeit, die zwischen Vermessung und Empfang
verstreicht, ist kürzer als im Sendefall, sodass die Anforderung hinsichtlich der
Geschwindigkeit des Verfahrens hier entspannter ist als im Sendefall.
[0107] Man könnte auch sagen, dass im Sendefall die Vermessung, Phasenlagenbestimmung und
Phasenlageneinstellung bzw. im Empfangsfall die Vermessung sozusagen in Echtzeit erfolgen.
Der Begriff "Echtzeit" ist dabei in Relation zur möglichen Driftgeschwindigkeit der
Referenzstationen untereinander sowie der möglichen Driftgeschwindigkeit des biegeschlaffen
Trägers beziehungsweise der Einzelantennenelemente auf dem biegeschlaffen Träger zu
sehen:
[0108] Die Bestimmung der Positionen der Referenzknoten, Einzelantennenelemente oder allgemein
von Referenzstationen muss nur sehr viel schneller sein als diese Driftgeschwindigkeiten.
[0109] Durch die erfinderische Richtantenne, das erfinderische Richtantennensystem und das
erfinderische Verfahren zum Betreiben einer Richtantenne beziehungsweise eines Richtantennensystems
ist es viel leichter möglich, große Antennen beispielsweise in den Orbit oder allgemein
ins Weltall, aber auch in den terrestrischen Einsatz, zu bringen. Denn die technischen
Anforderungen an die Aufspanngenauigkeit und Formtreue der Antennen sind durch die
Erfindung gegenüber dem Stand der Technik völlig entschärft. Damit ist es dann auch
möglich, deutlich größere Antennen zu realisieren, was bisher daran scheiterte, dass
man die oben beschriebene λ/n-Genauigkeit ausschließlich über konstruktiv-mechanisch
schwer erfüllbare Anforderungen an die Formgenauigkeit und Formstabilität des Antennenkörpers
selber erfüllen musste, was häufig zu auch hinsichtlich der Masse schweren und hinsichtlich
des Volumens sperrigen und damit für Weltraumeinsätze teuren Lösungen führte. Im Gegensatz
dazu kann die Erfindung vorteilhaft bei Missionen angewendet werden, bei denen auf
anderen Himmelskörpern mit wenig Aufwand eine große Antenne mit hohem Antennengewinn
realisiert werden soll.
[0110] Statt einen biegeschlaffen Träger mit Antennenelementen im Raum aufzuspannen, kann
man eine erfindungsgemäße Richtantenne auch auf dem Boden beispielsweise eines Himmelskörpers
ausbringen. Und anstatt dabei einen biegeschlaffen Träger als verbindendes Element
zu verwenden, können die einzelnen Antennenelemente auch zufällig verteilt über dem
Boden ausgebracht sein. Beispielsweise können die einzelnen Antennenelemente durch
einen Zentralkörper ausgebracht werden, aus dem die Menge von Einzelantennenelementen
per Auswurfmechanismus regellos in einem gewissen Umkreis ausgestreut werden und dadurch
ein großes Antennenarray realisieren. Alternativ können die einzelnen Antennenelemente
auch bei einem Überflug großflächig abgeworfen werden. Vorteilhaft weisen die einzelnen
Antennenelemente einen Aufrichtmechanismus auf. Zusätzlich oder alternativ können
die Einzelantennenelemente auch hinsichtlich all ihrer Funktionen wie senden, empfangen
und vermessen omnidirektional ausgelegt sein. Die Referenzstationen des Vermessungssystems
sollten auch hier in ausreichender Höhe über dem Boden beispielsweise an Ballonen
angeordnet sein, um die erforderliche Genauigkeit in der Positionsbestimmung und Lagebestimmung
realisieren zu können.
[0111] Die Einzelantennenelemente können über ein Leitungsnetz mit einer zentralen Stromversorgung
gekoppelt sein. Alternativ können die Einzelantennenelemente auch mit jeweils autarken
eigenen Stromversorgungssystemen, beispielsweise kleinen Photovoltaikelementen, ausgestattet
sein.
[0112] Die Einzelantennenelemente können über ein Leitungsnetz zur Kommunikation untereinander
und mit einer zentralen Leitstelle verbunden sein. Alternativ können die Einzelantennenelemente
auch mit einer geeigneten Sende-/Empfangseinheit ausgestattet sein und ein geeignetes
Netzwerk bilden, über das die Sende- und Empfangssignale und alle weiteren Steuer-
und Kontrollsignale kommuniziert werden.
[0113] Die Erfindung kann zumindest in Teilaspekten prinzipiell auch auf segmentierte oder
segmentweise aktiv korrigierbare optische Antennen, beispielsweise Paraboloidspiegel,
übertragen werden, indem die Segmente der optischen Antenne, beispielsweise des Paraboloidspiegels,
vermessen werden. Danach kann statt der Phasenlageneinstellung eine dem Stand der
Technik entsprechende aktive Formkorrektur durch Aktuatoren durchgeführt werden. Dieser
Ansatz würde nur einen Teil der Erfindung umsetzen und als weiteren Teil Aktuatorik
erfordern.
[0114] Es ist sinnvoll und möglich, auf einem biegeschlaffen Träger wie einer aufgespannten
Membran gleichzeitig sowohl eine erfindungsgemäße Richtantenne als auch Photovoltaik,
insbesondere ausgeführt als Dünnfilmphotovoltaik, zur Nutzung der Membran als Solargenerator
unterzubringen. Die erforderliche Fläche der Membran setzt sich dabei zusammen aus
dem Flächenbedarf für Photovoltaik plus dem Flächenbedarf für die Summe der Einzelantennenelemente.
Bei der Bestimmung der Einzelflächen ist dabei zu berücksichtigen, wie dabei die Hauptarbeitsrichtung
der Richtantenne relativ zur Hauptrichtung, unter der die Sonne einfällt, vorausgesetzt,
dass dies nicht die optimale, d.h. senkrechte Einfallsrichtung wäre, orientiert ist.
Die Ausrichtung der Membran wäre dann ein Kompromiss zwischen beiden. Die Bemessung
der Flächengröße insgesamt und der Aufteilung der Flächen untereinander sind aus diesem
Kompromiss abzuleiten. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft für solche Anwendungen,
in denen eine feste Beziehung zwischen den beiden Richtungen besteht, sodass dann
beispielsweise für ein Raumfahrzeug nur eine Membran aufzuspannen ist. Beispiele für
eine solche Anwendung sind beispielsweise ein Radarsatellit auf einem Orbit, der auf
der Tag-Nacht-Grenze liegt (typischer Radarsatelliten-Orbit), oder eine Sonde im äußeren
Sonnensystem, die Erde und Sonne unter einem recht kleinen Winkel sieht, wie beispielsweise
vom Jupiter aus oder weiter entfernt. Dabei könnte diese Anwendung auch so ausgeführt
sein, dass die Photovoltaik auf der einen Seite und die Richtantenne auf der anderen
Seite der Membran, also auf Vorder- und Rückseite der Membran, angeordnet sind. In
dem Fall ist die Flächenausnutzung besser. Es muss dazu allerdings möglich sein, eine
Orientierung der Membran zu finden derart, dass die beispielsweise nicht optimal senkrechte
Einfallsrichtung des Sonnenlichts und die Hauptarbeitsrichtung der Antenne in entgegengesetzten
Hemisphären angeordnet sein können und die relative Orientierung weitgehend unverändert
bleibt. Dies ist beispielsweise auf Orbits entlang der Tag-Nacht-Grenze gegeben.
[0115] Es ist darüber hinaus möglich und sinnvoll, Richtantennen der beschriebenen Art direkt
auf der Außenhaut eines Flugzeugs anzuordnen, wobei über das beschriebene Vermessungs-
und Phaseneinstellverfahren in diesem Fall die aeroelastischen Vibrationen und lastabhängigen
Verformungen der i.d.R. tragenden Außenhülle vermessen und durch Einstellung der Phasenlage
im Sende-/Empfangsfall berücksichtigt werden. Denkbare Anwendungen für eine solche
Konstellation sind Radarsysteme für beispielsweise Wetter-, Navigations- und Bodenvermessung,
insbesondere mit mehreren quasi-simultanen oder schnell zu schwenkenden Arbeitsrichtungen,
Kommunikationssysteme insbesondere mit energieoptimierter Abstrahlung, wie beispielsweise
"fliegende Mobilfunkmasten" einschließlich Ballon- oder Zeppelin-artigen Lösungen,
Flugzeug-Satellit-Verbindung und Navigationssysteme, beispielsweise für den gerichteten
Empfang von Navigationssatelliten oder entfernten Funkfeuern. Die Größe der Oberflächen
von Verkehrsflugzeugen ermöglicht auch Anwendungen bei relativ niedrigen Frequenzen
im oberen HF- und VHF-Bereich.
[0116] Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele
anhand der Abbildungen.
[0117] Es zeigen
- Fig. 1
- schematisch eine Richtantenne;
- Fig. 2
- schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Richtantenne;
- Fig. 3
- schematisch, dass aus dem Vermessungssystem einerseits die Kenntnis der Positionen
der Referenzknoten und andererseits die Kenntnis der Positionen der Einzelantennenelemente
resultieren;
- Fig. 4
- schematisch ein Beispiel eines Sendevorgangs;
- Fig. 5
- schematisch das kohärente und in konstruktiver Interferenz miteinander erfolgende
Abstrahlen.
[0118] Fig. 1 zeigt schematisch eine Richtantenne 100. Eine Mehrzahl von Einzelantennenelementen
Φ zum Empfang von einem Ziel ausgestrahlter elektromagnetischer Signale SIG und/oder
zur Abstrahlung elektromagnetischer Signale SIG zu einem Ziel ist auf einem biegeschlaffen
Träger 200 angeordnet. Der biegeschlaffe Träger 200 ist quasi-eben, d.h. grob näherungsweise
eben. Die Mehrzahl von Einzelantennenelementen Φ ist sowohl hinsichtlich ihrer Position
als auch ihrer Ausrichtung weitgehend regellos angeordnet. Die Richtantenne 100 dieses
Ausführungsbeispiels weist ein Vermessungssystem (nicht gezeigt) mit vier Referenzknoten
R
1, R
2, R
3, R
4 und ein unter dem biegeschlaffen Träger 200 angeordnetes Mastsystem 300 zum Aufspannen
des biegeschlaffen Trägers 200 auf, wobei die vier Referenzknoten R
1, R
2, R
3, R
4 jeweils auf einer Ecke eines - gedachten - Polyeders verteilt sind.
[0119] Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Richtantenne 100.
Die Figur illustriert das Vermessungssystem mit zum Beispiel vier Referenzknoten R
1, R
2, R
3, R
4 und einem (nicht dargestellten) Navigationssystem und illustriert den Zusammenhang
der Zielrichtung, definiert über den Raumwinkel θ, φ der Senderichtung zu den Referenzknoten
R
1, R
2, R
3, R
4 zu den Positionen und Ausrichtungen der Einzelantennenelemente Φ. Das übergeordnet
wirkende Vermessungssystem schafft die Anbindung an die "äußere Geometrie", also an
die Zielrichtung, definiert über den Raumwinkel θ, φ.
[0120] Fig. 3 illustriert, dass aus dem Vermessungssystem einerseits die Kenntnis der Positionen
der Referenzknoten R
1, R
2, R
3, R
4 und andererseits die Kenntnis der Positionen der Einzelantennenelemente Φ (jeweils
direkt in einem externen Koordinatensystem oder zunächst in einem lokalem Koordinatensystem
und erst nach Transformation im übergeordneten Koordinatensystem) resultieren. Das
können hinsichtlich des Verfahrens getrennte Aspekte oder in einem Schritt bestimmte
Aspekte sein.
[0121] Je nach Ausführungsform werden die Referenzknoten R
1, R
2, R
3, R
4 entweder eher seltener vermessen, wenn diese im Wesentlichen steif verbunden sind.
Die Einzelantennenelemente Φ auf dem biegeschlaffen Träger 200 werden häufiger, auch
beispielsweise in Echtzeit vermessen. insbesondere wenn auch die Anordnung der Referenzknoten
R
1, R
2, R
3, R
4 wenig steif, auch bis zu biegeschlaff, ist, werden die Einzelantennenelemente Φ als
auch die Referenzknoten R
1, R
2, R
3, R
4 in Echtzeit vermessen.
[0122] Fig. 4 zeigt schematisch am Beispiel eines Sendevorgangs, dass Daten (DAT) auf Grundlage
der Kenntnis der Senderichtung (θ, φ) und der Kenntnis der Positionen und Ausrichtungen
der Einzelantennenelemente (Φ) relativ zu einem übergeordneten, externen Koordinatensystem
mit den Raumkoordinaten x, y, z in Signale (SIG) umgerechnet werden können, die mit
der für die Position und Ausrichtung (POS) des jeweiligen Einzelantennenelements (Φ)
gültigen Phasenlage beaufschlagt sind und somit eine glatte Wellenfront in Richtung
der Senderichtung (θ, φ) bilden.
[0123] Hier wird am Beispiel des obersten in der Figur dargestellten Einzelantennenelements
(Φ) auch klar, dass es sinnvoll ist, dieses abzuschalten, weil es zu weit nach außen
zeigt und zu wenig oder sogar störend zum Sendevorgang beiträgt.
[0124] Fig. 5 zeigt schematisch das kohärente und in konstruktiver Interferenz miteinander erfolgende
Abstrahlen. Die Abbildung zeigt insbesondere, dass zwischen den Einzelantennenelementen
Φ auch in Abstrahlrichtung größere Abstände Δϕ
1, Δϕ
2, Δϕ
3, Δϕ
4, als die Trägerwellenlänge λ auftreten können und dass diese lagerichtig durch den
festen Bezug zwischen Geometrie und Phasenlageneinstellung berücksichtigt werden.
[0125] Das erfindungsgemäße Verfahren wird aufgrund der Tatsache, dass die Positionen der
Einzelantennenelemente Φ mit dem Vermessungssystem in einem weit gefassten zulässigen
Driftvolumen (angedeutet durch die Einzelantennenelemente Φ auf stark welligem biegeschlaffem
Träger 200) auch über ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge λ hinweg verschoben sein
können, ohne dass dies die Wirksamkeit der Richtantenne 100 und des Verfahrens beeinträchtigt.
Die korrekte Phasenlage wird durch das Verfahren sichergestellt, solange die Einzelantennenelemente
Φ nicht außerhalb der die geforderte Positionsbestimmungsgenauigkeit ermöglichenden
nutzbaren Reichweite des Vermessungssystems, also des zulässigen Driftvolumens, verdriftet
sind.
[0126] Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Richtantenne
100 insbesondere auch sehr breitbandige, das heißt sehr stark modulierte Signale in
gleichmäßig hoher und von der Modulationstiefe unabhängiger Qualitätstreue auszusenden,
da durch die Positionsbestimmung der einzelnen Einzelantennenelemente Φ in einer λ/n-Genauigkeit
das Auftreten von unbeabsichtigten oder unbemerkten Phasenverschiebungen um ganzzahlige
Vielfache der Wellenlänge λ prinzipiell ausgeschlossen ist. Dadurch ist eine vollständig
phasentreue konstruktive Überlagerung der ausgesandten oder empfangenen Signale SIG
möglich, und diese phasentreue konstruktive Überlagerung bleibt auch bei großen, ganzzahlige
Vielfache der Wellenlänge λ als Phasenlagenunterschied verursachenden elektronischen
Schwenkwinkeln der Antennenkeule erhalten.
[0127] Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Richtantenne als auch des erfindungsgemäßen
Richtantennensystems als auch des zugehörigen Verfahrens zum Betrieb derselben besteht
darin, dass der komplette Zyklus von im Sendefall Vermessung der Einzelantennenelemente
plus Phasenlagenbestimmung plus Phasenlageneinstellung plus Senden in der Summe so
schnell durchführbar ist, dass die erforderliche λ/n-Genauigkeit der relativen Positionen
der Einzelantennenelemente Φ zueinander gegeben ist, denn nur dann sind phasenlagenrichtige
Sendung beziehungsweise Empfang in einer großen, geforderten λ/n-Genauigkeit möglich.
Die erforderliche λ/n-Genauigkeit ist dann gegeben, wenn die Ungenauigkeit der Positionsbestimmung,
die durch ein während der Dauer des genannten Zyklus aufgetretenes - und erfindungsgemäß
ausdrücklich erlaubtes - Verdriften verursacht ist plus sämtliche im Vermessungsverfahren
selbst enthaltenen Ungenauigkeiten in Summe die erforderliche λ/n-Genauigkeit nicht
überschreiten. Mit anderen Worten muss die Geschwindigkeit, mit der das Verfahren
durchführbar ist, schneller sein als ein vorbestimmter Schwellwert, der von der Schnelligkeit
der währenddessen stattfindenden Driftbewegung des die Einzelantennenelemente Φ tragenden
biegeschlaffen Trägers 200 abhängt. Sinngemäß dasselbe gilt für den Empfangsvorgang,
wobei die Situation dort insofern anders ist, als dass die Phasenlagenbestimmung und
Phasenlageneinstellung als auch die dann folgende Rekonstruktion des Signals SIG nach
dem eigentlichen Empfang des Signals SIG und damit auch sozusagen "Off-line" stattfinden
können. Die λ/n-genaue Positionskenntnis muss für den Zeitpunkt des Empfangs erfüllt
sein. Zwischen der Vermessung der Einzelantennenelemente Φ und dem Empfang muss kein
weiterer Verfahrensschritt erfolgen. Die Zeit, die zwischen Vermessung und Empfang
verstreicht, ist kürzer als im Sendefall, sodass die Anforderung hinsichtlich der
Geschwindigkeit des Verfahrens hier entspannter ist als im Sendefall.
[0128] Man könnte auch sagen, dass im Sendefall die Vermessung, Phasenlagenbestimmung und
Phasenlageneinstellung bzw. im Empfangsfall die Vermessung sozusagen in Echtzeit erfolgen.
Der Begriff "Echtzeit" ist dabei in Relation zur möglichen Driftgeschwindigkeit der
Referenzstationen untereinander sowie der möglichen Driftgeschwindigkeit des biegeschlaffen
Trägers 200 beziehungsweise der Einzelantennenelemente Φ auf dem biegeschlaffen Träger
200 zu sehen: Die Bestimmung der Positionen der Referenzknoten R1, R2, R3, R4, Einzelantennenelemente
Φ oder allgemein von Referenzstationen muss nur sehr viel schneller sein als diese
Driftgeschwindigkeiten.
[0129] Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung
dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den
Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste:
[0130]
- 100
- Richtantenne
- 200
- biegeschlaffer Träger
- 300
- Mastsystem
- B
- Bandbreite
- DAT
- Daten
- R1
- Referenzknoten 1
- R2
- Referenzknoten 2
- R3
- Referenzknoten 3
- R4
- Referenzknoten 4
- n
- Bruchteil
- SIG
- Signale
- λ
- Wellenlänge
- Φ
- Einzelantennenelement
- θ, φ
- Raumwinkel der Senderichtung
- Δϕ1, Δϕ2, Δϕ3, Δϕ4
- Abstände der Einzelantennenelemente
1. Richtantenne (100), aufweisend eine Mehrzahl von Einzelantennenelementen (Φ), zum
Empfang von einem Ziel ausgestrahlter elektromagnetischer Signale (SIG) und/oder zur
Abstrahlung elektromagnetischer Signale (SIG) zu einem Ziel, wobei die elektromagnetischen
Signale (SIG) eine Trägerwellenlänge (λ) und eine Bandbreite (B) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelnen Einzelantennenelemente (Φ) auf einem biegeschlaffen Träger (200) aufgebracht
sind, wobei der biegeschlaffe Träger (200) quasi-eben ist,
wobei alle Einzelantennenelemente (Φ) derart auf dem biegeschlaffen Träger (200) aufgebracht
sind, dass, sofern der biegeschlaffe Träger (200) im Wesentlichen in Zielrichtung
ausgerichtet ist, eine wesentliche Anzahl von Einzelantennenelementen (Φ) eine freie
Abstrahl- beziehungsweise Empfangsrichtung zum beziehungsweise vom Ziel hat,
wobei die Richtantenne (100) weiterhin ein Vermessungssystem aufweist, mit dem die
Position und/oder Ausrichtung aller Einzelantennenelemente (Φ) relativ zur Zielrichtung
bestimmbar ist,
wobei die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Einzelantennenelemente (Φ) relativ
zueinander mindestens genauso oder besser ist als ein vorgegebener Bruchteil (n) der
Trägerwellenlänge (λ),
und wobei die Richtantenne (100) weiterhin eine Phasenlagenbestimmungseinheit aufweist,
mit der die in jedem Einzelantennenelement (Φ) für die Abstrahlung des Sendesignals
(SIG) beziehungsweise die Rekonstruktion des empfangenen Signals (SIG) erforderliche
Phasenlage des Einzelsignals aus den bestimmten Positionen und Ausrichtungen der Einzelantennenelemente
(Φ) und der gewünschten Abstrahlrichtung beziehungsweise Empfangsrichtung bestimmbar
ist,
und wobei die Richtantenne (100) weiterhin eine Phasenlageneinstellungseinheit aufweist,
mit der die zuvor bestimmten erforderlichen Phasenlagen der Einzelsignale der Einzelantennenelemente
(Φ) für den Sende- beziehungsweise Empfangsvorgang jeweils einstellbar sind,
und wobei die Richtantenne (100) im Falle einer Empfangsantenne weiterhin eine Vorrichtung
aufweist, mit der bezüglich des Empfangsvorgangs aus den empfangenen Einzelsignalen
mit der derart eingestellten jeweiligen Phasenlage das empfangene Signal (SIG) rekonstruierbar
ist.
2. Richtantenne (100) gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der biegeschlaffe Träger (200) ausrichtbar ist.
3. Richtantenne (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Vermessungssystem ein lokal wirkendes und ein übergeordnet wirkendes Vermessungssystem
aufweist, wobei mit dem lokal wirkenden Vermessungssystem lokale Positionen und/oder
Ausrichtungen bestimmenbar und mit dem übergeordnet wirkenden Vermessungssystem der
Bezug zwischen den lokalen Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente
(Φ) und der Zielrichtung herstellbar ist.
4. Richtantenne (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass einzelne Einzelantennenelemente (Φ) abschaltbar sind.
5. Richtantenne (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der biegeschlaffe Träger (200) elektrisch abschirmend und damit gleichzeitig elektromagnetische
Wellen reflektierend ist.
6. Richtantenne (100) gemäß Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der biegeschlaffe Träger (200) der Richtantenne (100) eine Vorder- und eine Rückseite
aufweist und auf jeder der beiden Seiten ein eigenes Sende- und/oder Empfangssystem
untergebracht ist, derart, dass auf einer ersten Seite empfangene Signale (SIG) auf
der zweiten Seite abstrahlbar bzw. auf der zweiten Seite empfangene Signale (SIG)
auf der ersten Seite abstrahlbar sind,
wobei durch elektromagnetische Abschirmung durch den biegeschlaffen Träger (200) sichergestellt
ist, dass keine störenden Interferenzen oder andere unerwünschte Wechselwirkungen
zwischen diesen beiden Sende-/Empfangssystemen auftreten.
7. Richtantenne (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der biegeschlaffe Träger (200) nicht elektrisch abschirmend und damit für elektromagnetische
Wellen transparent ist.
8. Richtantenne (100) gemäß Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der biegeschlaffe Träger (200) der Richtantenne (100) eine Vorder- und eine Rückseite
aufweist und auf jeder der beiden Seiten ein eigenes Sende- und/oder Empfangssystem
untergebracht ist, derart, dass auf einer ersten Seite empfangene Signale (SIG) auf
der zweiten Seite abstrahlbar bzw. auf der zweiten Seite empfangene Signale (SIG)
auf der ersten Seite abstrahlbar sind,
wobei durch Wahl geeignet separierter Frequenzen sichergestellt ist, dass keine störenden
Interferenzen oder andere unerwünschte Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Sende-/Empfangssystemen
auftreten.
9. Richtantenne (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Vermessungssystem mindestens einen Referenzknoten (R1, R2, R3, R4), bevorzugt mindestens drei nicht auf einer Geraden liegende Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) und besonders bevorzugt mindestens vier Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) aufweist, wobei die mindestens vier Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) jeweils auf einer Ecke eines Polyeders verteilt sind, wobei der Polyeder mindestens
so viele Ecken aufweist, wie die Richtantenne Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) aufweist.
10. Richtantenne (100) gemäß Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der oder die Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) entweder auf einer derart steifen und formstabilen Tragstruktur relativ zu den übrigen
Elementen des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems angeordnet ist bzw. sind,
sodass keine Neuvermessung der Referenzknotenpositionen während des Betriebes notwendig
ist zur Erreichung der erforderlichen λ/n-Genauigkeit oder aber, sofern die Tragstruktur
nicht ausreichend formstabil ist, sodass eine Neuvermessung der Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) im Verlauf des Betriebs im Rahmen des Betriebsverfahrens erforderlich ist, um eine
vorgegebene Genauigkeit als vorgegebener Bruchteil 1/n der Trägerwellenlänge λ zu
erreichen und dass das Vermessungssystem der Richtantenne (100) zu diesem Zweck eine
Selbstvermessungsvorrichtung für die Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) aufweist.
11. Richtantennensystem,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Richtantennensystem eine Mehrzahl von Richtantennen (100) gemäß einem der vorherigen
Ansprüche aufweist, die zusammenwirken.
12. Verfahren zum Betreiben einer Richtantenne (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10
oder eines Richtantennensystems gemäß Anspruch 11,
gekennzeichnet durch die Schritte
a. Prüfung der Ausrichtung und gegebenenfalls Grobausrichtung der Richtantenne (100)
bzw. aller oder einzelner Richtantennen (100) des Richtantennensystems in Richtung
der Zielrichtung;
b. Bestimmung der Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente (Φ)
der Richtantenne (100) bzw. der Einzelantennenelemente (Φ) der Richtantennen (100)
des Richtantennensystems in Bezug zur gewünschten Zielrichtung;
c. Gegebenenfalls nochmalige mechanische Grobausrichtung gemäß Schritt a) und darauffolgend
nochmalige Positions- und/oder Ausrichtungsbestimmung gemäß Punkt b);
d. Aus der zuvor durchgeführten Positions- und/oder Ausrichtungsbestimmung der Einzelantennenelemente
(Φ) der Richtantenne (100) beziehungsweise der Einzelantennenelemente (Φ) der Richtantennen
(100) des Richtantennensystems und aus der gewünschten Zielrichtung Bestimmung der
Phasenlage der Einzelsignale in den Einzelantennenelementen (Φ), die für die Abstrahlung
des Sendesignals (SIG) beziehungsweise für die Rekonstruktion des empfangenen Signals
(SIG) aus den in den Einzelantennenelementen (Φ) empfangenen Einzelsignalen erforderlich
ist, unter Verwendung der Phasenlagenbestimmungseinheit;
e. Einstellung der zuvor bestimmten Phasenlagen für die einzelnen Einzelantennenelemente
(Φ) an deren jeweiligen zu sendenden Einzelsignalen beziehungsweise an deren zum zu
rekonstruierenden Empfangssignal beitragenden jeweiligen empfangenen Einzelsignalen
mithilfe der Phasenlageneinstellungseinheit;
f. Senden der mit den zuvor bestimmten Phasenlagen versehenen Einzelsignale mit den
jeweiligen Einzelantennenelementen (Φ) beziehungsweise Rekonstruktion des empfangenen
Signals (SIG) aus den in den einzelnen Einzelantennenelementen (Φ) empfangenen und
mit den zuvor bestimmten Phasenlagen versehenen Einzelsignalen.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Signalqualität des in der Richtantenne (100) empfangenen Signals (SIG) oder des
gesendeten und auf der Gegenstation empfangenen Signals (SIG) optimiert wird, dadurch,
dass die empfangenen Signale (SIG) als Beobachtungsdaten in einem mathematischen Optimierungsverfahren
verwendet werden, mit dem die in das Verfahren eingebrachten Positionen und Ausrichtungen
der Einzelantennenelemente (Φ) oder die im Verfahren verwendeten Phasenlagenkorrekturen
in den Einzelantennenelementen (Φ) optimiert werden.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestimmung der Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente (Φ)
der Richtantenne (100) beziehungsweise der Richtantennen (100) des Richtantennensystems
relativ zum Ziel folgende Aktionen umfasst, wobei die Aktionen in beliebiger Reihenfolge
durchführbar sind:
- Optional Bestimmung der Positionen der Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) der Richtantenne (100) beziehungsweise der Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) der Richtantennen (100) des Richtantennensystems relativ zueinander und relativ
zu den anderen Elementen des übergeordnet wirkenden Vermessungssystems mithilfe des
lokal wirkenden Vermessungssystems;
- Bestimmung der Positionen und/oder Ausrichtungen der Einzelantennenelemente (Φ)
relativ zu den Positionen der Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) mithilfe des lokal wirkenden Vermessungssystems;
- Bestimmung der Zielrichtung relativ zu den Positionen der Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) mithilfe des übergeordnet wirkenden Teils des Vermessungssystems.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestimmung der Position der Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) schneller erfolgt als ein vorbestimmter Schwellwert, der von der Geschwindigkeit
der währenddessen erfolgenden Deformationsbewegung der die Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) tragenden nicht ideal steifen Trägerstruktur abhängt.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bestimmung der Positionen und Ausrichtungen aller Einzelantennenelemente (Φ)
und die Bestimmung der erforderlichen Phasenlagen für jedes Einzelantennenelement
(Φ) sowie das darauf aufbauende Senden beziehungsweise Empfangen von Einzelsignalen
schneller erfolgt als ein vorbestimmter Schwellwert, der von der Geschwindigkeit der
währenddessen erfolgenden Driftbewegung der Einzelantennenelemente (Φ) auf dem biegeschlaffen
Träger (200) als auch der die Referenzknoten (R1, R2, R3, R4) tragenden nicht ideal steifen Trägerstruktur abhängt.