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CA 02706764 2010-06-14
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Antenne à flexibilité de mission, satellite comportant une telle antenne
et procédé de commande du changement de mission d'une telle
antenne
La présente invention concerne une antenne à flexibilité de mission et
en particulier de pointage, de polarisation et de fréquence. Elle concerne
également un satellite comportant une telle antenne et un procédé de
commande du changement de mission d'une telle antenne.
Elle s'applique notamment au domaine des antennes de
télécommunication par satellite.
La durée de vie croissante des satellites de télécommunications et
l'évolution des exigences associées aux différentes missions qui peuvent leur
être confiées, impose que les charges utiles, et en particulier les antennes,
des futures générations de satellites soient flexibles. Cette flexibilité peut
être
réalisée au niveau de la zone de couverture géographique de l'antenne et/ou
au niveau de la polarisation et/ou au niveau de la bande de fréquences de
fonctionnement. Cette flexibilité permet d'avoir le choix entre plusieurs
configurations de fonctionnement de l'antenne et de pouvoir modifier, en
orbite, la mission du satellite.
Les antennes placées à bord des satellites comportent typiquement
des réflecteurs, géométriquement formés, éclairés par une source unique
pour couvrir des zones de couverture larges pointées sur la Terre. Un sous-
système antenne comporte généralement une antenne d'émission et de
réception, ou une antenne d'émission et une antenne de réception, par zone
de couverture. La forme géométrique du réflecteur peut éventuellement être
définie de façon à être optimisée pour plusieurs positions orbitales du
satellite.
Lorsque les directions de pointage visées sont différentes, mais les
formes de couvertures voisines, il est possible de placer deux sources côte
à côte au foyer du réflecteur et de former géométriquement le réflecteur de
façon à obtenir un compromis de performances entre les deux zones de
couvertures. Le découplage spatial des faisceaux rayonnés entre les deux
zones de couvertures est alors réalisé par la distance angulaire séparant les
deux spots illuminés par les deux sources. L'optimisation d'une antenne sur
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plusieurs zones de couverture dégrade la performance de directivité, cette
dégradation pouvant dépasser ldB lorsque les sources sont fortement
défocalisées, ce qui se traduit pour une architecture classique et à
amplificateurs donnés, par une réduction, de la même valeur, de la PIRE
(puissance isotropique rayonnée équivalente).
Par ailleurs, il est également possible de modifier et d'orienter le
pointage d'un spot sur la Terre en utilisant des petites antennes à pointage
mécanique. Cependant cela nécessite d'entraîner mécaniquement tous les
éléments de la structure de l'antenne et notamment le réflecteur et les
lo sources, ce qui est complexe à mettre en uvre et impose l'utilisation de
guides d'ondes souples.
Le changement de l'orientation de la polarisation linéaire d'une
antenne de satellite ou le changement d'une polarisation linéaire à une
polarisation circulaire peut être réalisé en utilisant deux sources, par
exemple
deux cornets, alimentées respectivement en polarisation linéaire et circulaire
et placées devant un réflecteur surdimensionné. Les deux sources sont
positionnées au plus près du foyer du réflecteur pour réduire les pertes dues
à la défocalisation des sources et les pertes en directivité de l'antenne qui
en
résultent. Une autre possibilité consiste à utiliser une seule source reliée à
une architecture électrique complexe combinant deux chaînes
radiofréquence, la première fonctionnant en polarisation circulaire, la
seconde en polarisation linéaire. Cette architecture induit des problèmes de
fiabilité, une augmentation des pertes ohmiques non négligeables liées à la
complexité de la chaîne RF et un coût de réalisation important.
Un but de l'invention est de réaliser une antenne optimale permettant
de répondre aux besoins de flexibilité en pointage, en polarisation et en
fréquence et permettant soit de supprimer les pertes dues à la défocalisation
lorsque les couvertures sont fixes, soit de limiter les aberrations et les
pertes
dues à la défocalisation lorsque l'antenne doit fonctionner sur des
couvertures pouvant changer, les spots correspondants étant appelés spots
mobiles.
Un autre but de l'invention est de réaliser une antenne simple à mettre
en oeuvre, et ayant une géométrie qui ne résulte pas d'un compromis lié aux
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besoins de flexibilité et permettant de réduire les pertes ohmiques par
rapport aux solutions antérieures.
Pour cela, l'invention concerne une antenne à flexibilité de mission
comportant un unique réflecteur et au moins une première source et une
deuxième source de signaux radiofréquence disposées devant le réflecteur,
le réflecteur ayant un foyer et chaque source ayant un centre de phase,
caractérisée en ce que les sources sont indépendantes, fixes, et reliées à
des chaînes d'alimentation radiofréquence distinctes définissant des
caractéristiques de polarisation et/ou de fréquence de fonctionnement
différentes et prédéfinies, et en ce qu'elle comporte en outre des moyens de
déplacement et d'orientation du réflecteur d'une première position selon
laquelle le foyer du réflecteur est placé au centre de phase de la première
source vers une deuxième position selon laquelle le foyer du réflecteur est
placé au centre de phase de la deuxième source.
Un autre aspect de l'invention concerne une antenne à flexibilité de
mission comportant un réflecteur unique et
au moins une première source et une deuxième source de signaux
radiofréquence, lesquelles sources sont placées devant le réflecteur, le
réflecteur
ayant un foyer et chaque source ayant un centre de phase,
dans laquelle les sources sont indépendantes, fixes et reliées à des
chaînes d'alimentation radiofréquence distinctes définissant des
caractéristiques
de polarisation ou de fréquence de fonctionnement différentes et prédéfinies,
et dans laquelle ladite antenne comporte en outre un moyen de
déplacement et d'orientation du réflecteur d'une première position dans
laquelle
le foyer du réflecteur est placé au centre de phase de la première source vers
une deuxième position dans laquelle le foyer du réflecteur est placé au centre
de
phase de la deuxième source, et
dans laquelle le moyen de déplacement et d'orientation du réflécteur
comprend un moyen d'actionnement par translation du réflecteur de la première
position vers la deuxième position, le réflecteur étant orienté dans une
direction
de pointage fixe, dans laquelle la translation consiste en le déplacement du
réflecteur dans une direction linéaire
Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de commande du
changement de mission d'une antenne à flexibilité de mission décrit ci-après,
l'antenne comportant un réflecteur et au moins une première source et une
deuxième source de signaux radiofréquence, lesquelles sources sont disposées
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devant le réflecteur, le réflecteur ayant un foyer et chaque source ayant un
centre
de phase, le procédé comprenant: l'utilisation des sources indépendantes fixes
et reliées à des chaînes d'alimentation radiofréquence distinctes définissant
des
caractéristiques de polarisation et/ou de fréquence de fonctionnement
différentes
et prédéfinies; la sélection d'une source en fonction du type de mission
souhaitée;
et au moins l'un d'un déplacement ou d'une orientation du réflecteur de façon
à
ce que le centre de phase de la source sélectionnée soit positionné au foyer
du
réflecteur et à ce que le réflecteur soit orienté dans une direction de
pointage
choisie et illumine une zone de couverture correspondante.
Avantageusement, si la flexibilité concerne le plan de fréquence et/ou
la polarisation sur une même couverture, les moyens de déplacement et
d'orientation du réflecteur comportent des moyens d'actionnement du
réflecteur suivant une translation, sans rotation, de la première position à
la
deuxième position, le réflecteur étant orienté dans une direction de pointage
fixe. Dans ce cas, les centres de phase des deux sources sont espacés
d'une distance prédéterminée et la translation du réflecteur est réalisée sur
une distance égale à la distance qui sépare les centres de phase des deux
sources.
Avantageusement, si la flexibilité concerne le plan de fréquence et/ou
la polarisation sur des couvertures différentes mais fixes, les moyens de
déplacement et d'orientation du réflecteur comportent des moyens
d'actionnement du réflecteur suivant une translation combinée à une ou
plusieurs rotations, le réflecteur dans la deuxième position étant orienté
dans
une direction de pointage différente de celle du réflecteur dans la première
position.
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Avantageusement, les moyens de déplacement et d'orientation du
réflecteur comportent au moins un moteur relié au réflecteur par
l'intermédiaire d'au moins un bras de levier.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de
déplacement et d'orientation du réflecteur comportent trois moteurs reliés
entre eux par des bras de levier. Avantageusement, les bras de levier sont
trois parties d'un bras de déploiement articulé du réflecteur.
L'invention concerne aussi un satellite de télécommunication,
caractérisé en ce qu'il comporte au moins une antenne à flexibilité de
mission.
L'invention concerne également un procédé de commande du
changement de mission d'une antenne à flexibilité de mission, l'antenne
comportant un réflecteur et au moins une première source et une deuxième
source de signaux radiofréquence disposées devant le réflecteur, le
réflecteur ayant un foyer et chaque source ayant un centre de phase,
caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser des sources indépendantes, fixes
et
reliées à des chaînes d'alimentation radiofréquence distinctes définissant des
caractéristiques de polarisation et/ou de fréquence de fonctionnement
différentes et prédéfinies, à sélectionner une source en fonction du type de
mission souhaitée puis à déplacer et/ou orienter le réflecteur de façon que le
centre de phase de la source sélectionnée soit positionné au foyer du
réflecteur et que le réflecteur illumine une zone de couverture sélectionnée.
Avantageusement, lorsque le changement de mission concerne une
même zone de couverture, le déplacement du réflecteur est une translation,
sans rotation, d'une première position selon laquelle le foyer du réflecteur
est
placé au centre de phase de la première source vers une deuxième position
selon laquelle le foyer du réflecteur est placé au centre de phase de la
deuxième source, la translation étant réalisée sur une distance
rigoureusement égale à la distance qui sépare les centres de phase des
deux sources.
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Avantageusement, lorsque le changement de mission concerne des
zones de couvertures différentes, le déplacement du réflecteur est une
translation combinée à une ou plusieurs rotations d'une première position
selon laquelle le foyer du réflecteur est placé au centre de phase de la
5 première source vers une deuxième position selon laquelle le foyer du
réflecteur est placé au centre de phase de la deuxième source,.
Ainsi, la flexibilité de polarisation et/ou de plan de fréquence et/ou de
pointage est assurée par des mécanismes de déplacement et d'orientation
du réflecteur, par exemple montés sur le bras de déploiement, qui permettent
le placement du foyer du réflecteur au centre de phase de l'une des sources.
Si la flexibilité de pointage concerne la même couverture, le
mouvement du réflecteur qui permet le passage du centre de phase de la
première source Si au centre de phase de la deuxième source S2, consiste
à translater le réflecteur sans rotation d'une distance qui est rigoureusement
égale à celle qui sépare les centres de phase des deux sources.
Si le besoin de flexibilité concerne des couvertures différentes, le
mouvement relatif du réflecteur consiste en une translation associée à une
ou plusieurs rotations.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront
clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement
illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés
qui
représentent :
- figure 1: un
schéma d'un exemple d'antenne montée sur la
plate-forme d'un satellite, dans une première position selon
laquelle la source Si est au foyer du réflecteur, selon
l'invention ;
- figures
2a, 2b: deux schémas de la même antenne dans une
deuxième position, respectivement dans une troisième
position, selon laquelle la source S2, respectivement la
source S3, est au foyer du réflecteur pour une même direction
de pointage, selon l'invention ;
- figures
3a, 3b, 3c: des schémas de la même antenne pour
trois directions de pointage différentes, selon l'invention ;
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- figure
4a: un schéma montrant un exemple de directions de
pointage identiques obtenues avec deux sources différentes,
selon l'invention ;
- figure
4b: un schéma montrant un exemple de zones de
couverture au sol pour trois directions différentes de pointage
sur l'équateur, obtenues avec trois sources différentes
placées successivement au foyer du réflecteur, selon
l'invention ;
- figure 5:
un schéma montrant un exemple de couverture
totale de l'équateur avec trois sources placées
successivement au foyer du réflecteur, selon l'invention ;
- figure 6: un schéma d'un exemple de couverture totale de la
Terre obtenue avec trois sources placées successivement au
foyer du réflecteur, selon l'invention.
Sur l'exemple représenté sur la figure 1, l'antenne comporte un
réflecteur 10 monté sur la plate-forme 11 d'un satellite par l'intermédiaire
d'un bras de déploiement articulé 13, 14, 15 et au moins deux sources
indépendantes S1, S2, ..., Sn de signaux radiofréquence disposées devant
le réflecteur. Les sources, par exemple de type cornets, sont fixées sur une
structure portante 12 aménagé sur la plate-forme 11 et sont disposées selon
une configuration fixe prédéterminée, par exemple les unes à côté des
autres. Les sources S1 à Sn peuvent dans certains cas être placées les unes
au dessus des autres ou dans toute autre configuration.
L'antenne comporte en outre au moins un mécanisme de
déplacement et d'orientation du réflecteur 10 qui permet de placer le foyer du
réflecteur au centre de phase de l'une des sources. Le mécanisme de
déplacement et d'orientation du réflecteur, monté par exemple sur le bras de
déploiement 13, 14, 15 du réflecteur 10, peut par exemple comporter un ou
plusieurs moteurs pas à pas M1, M2, M3 associés à des bras de levier
correspondants ou un moteur pas à pas relié à un cardan. Le nombre de
moteurs et le nombre de sources dépend des types de mission que le
satellite doit réaliser. Par exemple trois moteurs Ml, M2, M3 et trois sources
S1, S2, Sn sont représentés sur la figure 1. Le moteur M1 est solidaire de la
plate-forme 11 et relié au moteur M2 par un premier bras de levier 13, les
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moteurs M2 et M3 sont reliés entre eux par un deuxième bras de levier 14, le
moteur M3 est relié au réflecteur 10 par un troisième bras de levier 15. Les
premier, deuxième et troisième bras de levier constituent trois parties
articulées du bras de déploiement. La forme géométrique de la surface
réfléchissante du réflecteur 10 a approximativement l'allure d'une parabole et
n'en diffère que légèrement. Cette forme est optimisée pour illuminer une
zone de couverture au sol ayant des dimensions prédéterminées lorsqu'une
seule source est placée à son foyer. Les moteurs montés sur le bras de
déploiement permettent à la fois de déplacer et d'orienter le réflecteur 10 en
fonction de la mission à réaliser par l'antenne, mais aussi de replier le
réflecteur dans une position de stockage contre la plate-forme 11 en cas
d'inutilisation prolongée de l'antenne.
Les sources S1 à Sn peuvent être alignées comme représenté, pour
des raisons de simplification, sur les différentes figures ou placées dans des
configurations à deux dimensions, tel que par exemple en triangle. Lorsque
les sources sont alignées, la flexibilité de polarisation et/ou de fréquence
n'est possible que dans un plan et les zones de couverture, obtenues avec
les différentes sources, sont alignées. Lorsque les sources sont placées
dans des configurations à deux dimensions, il est possible d'avoir une
flexibilité de polarisation dans plusieurs plans.
Pour obtenir une flexibilité de polarisation et/ou de fréquence sur une
même zone de couverture, sans pertes ni aberrations dues à une
défocalisation, l'invention consiste à utiliser plusieurs sources alimentées
par
l'intermédiaire de différentes chaînes RF1, RF2,..., RFn d'alimentation en
signaux radiofréquence. Chaque chaîne radiofréquence étant dédiée à des
fonctions de télécommunication correspondant à une polarisation
prédéterminée, elle est optimale ce qui permet une réduction très importante
des pertes ohmiques par rapport à des architectures électriques qui utilisent
des combinaisons de deux chaines radiofréquence. Ainsi, les différentes
sources S1 à Sn peuvent être alimentées dans des polarisations différentes
et/ou dans des plans de fréquences différents. L'invention consiste ensuite à
sélectionner une source en fonction du type de polarisation et de fréquence
souhaitée puis à déplacer et orienter le réflecteur de façon que le centre de
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phase de la source sélectionnée soit positionné au foyer du réflecteur et que
le réflecteur illumine la zone de couverture sélectionnée.
Si le besoin de flexibilité concerne la même zone de couverture
comme représenté sur la figure 4a, pour changer de mission, l'invention
consiste à translater, sans rotation, le réflecteur d'une première position
10a
selon laquelle le foyer du réflecteur est placé au centre de phase 5 de la
première source S1 vers une deuxième position 10b selon laquelle le foyer
du réflecteur est placé au centre de phase 6 de la deuxième source S2. La
distance de déplacement du réflecteur en translation est rigoureusement
égale à la distance D1 qui sépare les centres de phase 5, 6 des 2 sources
S1, S2.
Si le besoin de flexibilité concerne des zones de couvertures
différentes comme représenté sur la figure 4b, pour changer de mission, le
mouvement du réflecteur est une translation combinée à une ou plusieurs
rotations.
A titre d'exemple, S1 peut être alimentée dans une polarisation
linéaire et fonctionner dans la bande de fréquences Ku, S2 peut être
alimentée dans une polarisation circulaire et fonctionner dans la bande de
fréquences Ku, S3 peut être alimentée dans une polarisation linéaire décalée
de 7,50 et fonctionner dans la bande de fréquences Ku+.
Dans la configuration initiale représentée sur la figure 1, le centre de
phase 5 de la source S1 est positionné au foyer du réflecteur 10 qui pointe
dans une direction de pointage 16 située par exemple sur l'équateur
terrestre. Si la source S1 est par exemple alimentée par un signal polarisé
linéairement par l'intermédiaire d'une première chaîne radiofréquence RF1 et
la source S2 est par exemple reliée à une deuxième chaîne radiofréquence
RF2 permettant une polarisation circulaire, pour passer de la polarisation
linéaire à la polarisation circulaire sans changer le pointage de l'antenne,
l'invention consiste à commuter l'alimentation de la source S1 à la source S2
et à déplacer le réflecteur en translation, sur une distance D1, de la source
S1 vers la source S2 pour positionner le foyer du réflecteur 10 au centre de
phase 6 de la source S2, comme représenté sur la figure 2a. Pour amener le
réflecteur devant la source S2 sans changer la direction de pointage 16 de
l'antenne, l'invention consiste à actionner les moteurs Ml, M2, M3 en
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rotation. Pour cela, comme représenté sur les figures, lorsque les sources
sont alignées, les trois moteurs peuvent par exemple avoir des axes de
rotation quasiment parallèles entre eux et perpendiculaires au plan de
déplacement du réflecteur. L'actionnement du moteur M1 en rotation dans le
sens inverse des aiguilles d'une montre entraîne le premier bras 13 en
rotation dans le même sens ce qui a pour effet d'éloigner le moteur M2, le
moteur M3 et le réflecteur 10 de la plate-forme 11 du satellite et de déplacer
ainsi le réflecteur 10 de la source S1 vers la source S2. L'actionnement en
rotation des moteurs M2 et/ou M3 dans le sens des aiguilles d'une montre
permet ensuite de basculer le réflecteur 10 en rotation jusqu'à ce qu'il soit
dans une position parallèle à sa position initiale et que le centre de phase 6
de la source S2 soit ainsi positionné au foyer du réflecteur 10 et illumine la
même zone de couverture sur la Terre. Les rotations successives des
différents moteurs M1, M2 et/ou M3 font ainsi subir une translation au
réflecteur 10 telle que son foyer passe de la source S1 à la source S2.
Comme représenté sur la figure 2b, les mêmes opérations peuvent être
reproduites avec une autre source telle que la source S3, par exemple pour
changer de plan de fréquence de fonctionnement si la source S3 est reliée à
une troisième chaîne radiofréquence RF3 optimisée pour un autre plan de
fréquence que celui des sources Si et S2.
De même, les trois moteurs permettent également d'obtenir une
flexibilité de pointage et de pouvoir changer de zone de couverture en
changeant de sources, comme représenté sur les figures 3a, 3b, 3c et la
figure 4b. Sur la figure 3a, le centre de phase 5 de la source S1 est placé au
foyer du réflecteur 10 qui pointe dans une première direction 20 sur une
première zone 23 par exemple située sur l'équateur. Pour changer de zone
de couverture, il suffit d'actionner le moteur M1 en rotation pour éloigner le
réflecteur de la plate-forme 11 de façon que le centre de phase 6 de la
source S2 soit placé au foyer du réflecteur puis les moteurs M2 et M3 pour
orienter le réflecteur dans une deuxième direction de pointage 21 sur une
deuxième zone 24 de couverture, comme représenté sur la figure 3b. Dans
ce cas, le réflecteur a subi une translation et une rotation par rapport à sa
position initiale de la figure 3a et n'est donc pas parallèle à cette position
initiale. Les mêmes opérations sur les moteurs M1, M2, M3 peuvent être
réalisées pour déplacer le réflecteur 10 vers la troisième source S3 de façon
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que le centre de phase 7 de la source 83 soit placé au foyer du réflecteur et
l'orienter dans une troisième direction de pointage 22 correspondant à une
troisième zone de couverture 25 sur l'équateur. La figure 4b montre les trois
positions différentes 10a, 10b, 10c du réflecteur 10 lorsque les différentes
5 sources S1, S2, 83 sont placées à son foyer et pour trois directions
différentes de pointage 20, 21, 22 sur l'équateur. Les zones de couverture
23, 24, 25 représentées dans l'exemple de la figure 4b correspondent à des
écarts de pointage successifs espacés d'un angle de 30 et à une
configuration dans laquelle les trois sources S1, S2, S3 sont alignées.
10 L'espacement D entre les centres de phase de la première source S1 et de
la dernière source S3 dépend directement de la focale du réflecteur 10 et de
la séparation angulaire entre les couvertures.
Les trois zones de couvertures 23, 24, 25 représentées sur la figure
4b ne sont pas jointives. Des zones de couvertures additionnelles situées
entre les zones non jointives peuvent être obtenues en utilisant les mêmes
sources Si, S2, 83 placées successivement au foyer du réflecteur 10. La
figure 5 montre un exemple de zones de couvertures jointives sur l'équateur
obtenue avec trois sources S1, S2, S3. Par exemple, sur la figure 5, les deux
zones 26, 27 situées entre les zones 23 et 24 peuvent être obtenues avec la
même source S1 placée au foyer du réflecteur 10, et en modifiant seulement
l'orientation du réflecteur 10 pour changer la direction de pointage. Dans ce
cas, seuls les moteurs M2 et/ou M3 sont actionnés en rotation, le moteur M1
ne bougeant pas.
Les trois moteurs Ml, M2, M3 permettent de réaliser une flexibilité de
pointage selon la direction Est-Ouest. En ajoutant un quatrième moteur, non
représenté, d'axe perpendiculaire aux axes des moteurs M1, M2, M3, il
devient possible de modifier l'angle d'orientation du réflecteur 10 selon la
direction Nord-Sud. En plaçant le foyer du réflecteur 10 successivement au
centre de phase de chacune des trois sources S1, S2, S3, il est alors
possible d'assurer des pointages successifs dans différentes zones
localisées dans la direction Nord-Sud et de réaliser ainsi une couverture
complète de la Terre comme représenté par exemple sur la figure 6.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de
réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et
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qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi
que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
Ainsi,
par exemple, pour actionner le réflecteur, il est possible de remplacer les
trois moteurs Ml, M2, M3 par un seul moteur associé à un cardan.
