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System zur Aussendung und/oder Empfang elektromagnetischer Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf ein auf einen beliebigen Raumpunkt einstellbares
System zur Aussendung und/oder Empfang elektromagnetischer Wellen, insbesondere
Sende-und/oder Empfangsantenne, mit nicht orthogonaler Lagerung seiner Antr ebsdrehachsen.
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Ein solches System, beispielsweise eine Antenne einer Satellitenbodenstation,
eine Telemetrieantenne zur Bahnverfolgung von im Raum beweglichen ObJekten oder
eine optische Radar- oder Entfernungsmeßeinrichtung weist in der Regel eine automatische
Einstellvorrichtung auf, der über einen Sollwertgeber die Sollwerte fUr die Einstellung
nach Azimut und Elevation einerseits und die entsprechenden System-Istwerte andererseits
zugeführt werden. Die Einstellvorrichtung vergleicht die einander zugeordneten Ist-
und Sollwerte in einem Positionsregelkreis und leitet hieraus gegebenenfalls Korrektursignale
zur Nachsteuerung des Systems ab. Bei nicht zueinander orthogonalen Antriebsdrehachsen
wird beispielsweise bei geneigter Elevationsachse für eine reine Elevationsbewegung
eine gleichzeitige Bewegung beider Antriebsdrehachsen nach einer wiederum von der
Elevation abhängigen Funktion erforderlich. Die Einstellvorrichtung benötigt mit
anderen Worten bei nicht zueinander orthogonalen Antriebsdrehachsen wenigstens einen
Koordinatenwandler, der beispielsweise
den Sollwert für Azimut
in Abhängigkeit des Sollwertes, beispielsweise der Elevation, in eine für den Betrieb
des Positionsregelkreises richtige Größe umwandelt.
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Werden hohe Anforderungen an die Einstellgenauigkeit gestellt, wie
das gerade für Antennen von Satellitenbodenstationen der Fall ist, dann ergeben
sich für eine solche Einstellvorrichtung erhebliche technische Schwierigkeiten.
Bei Großantennen mit Strahlungsbreiten in der Größenordnung von ca. 0,1° sind Einstellgenauigkeiten
bis zu 0,0010 üblich. Da einerseits der Koordinatenwandler in die Genauigkeit der
Einstellvorrichtung voll eingeht und andererseits die Transformationsgleichung,
der der Koordinatenwandler genügen muß, eine trigonometrische Wurzelw funktion ist,
lassen sich die Forderungen, die hier an die Einstellvorrichtung zu stellen sind,
praktisch nur mit einem hohen apparativen Aufwand in Gestalt eines Digitalrechners
verwirklichen.
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Natürlich könnten diese Schwierigkeiten in einfacher Weise dadurch
vermieden werden, daß das auf einen beliebigen Raumpunkt einstellbare System für
zueinander orthogonale Antriebsdrehachsen ausgebildet wird, von denen die eine Antriebsdrehachse
die wahre Azimutachse und die andere Antriebsdrehachse die wahre Elevationsachse
der Systemstrahlachse ist. Zwei zueinander orthogonal angeordnete Antriebsdrehachsen
haben jedoch für die Bahnverfolgung von im Raum beweglichen ObJekten, wie Satelliten,
Flugzeuge und dergl. mehr, den erheblichen Nachteil, daß die für die Verfolgung
erforderliche azimutale Verfolgungsgeschwindigkeit in der Nähe des Horizontes verhältnismäßig
klein ist, während sie in Zenitnähe sehr große
Werte annimmt. Durch
Ubergang zu nicht zueinander orthogonalen Antriebsdrehachsen läßt sich bei entsprechender
Wahl des die beiden Antriebsdrehachsen miteinander einschließenden Winkels erreichen,
daß die Verfolgungsgeschwindigkeiten für die Zielverfolgung verhältnismäßig gleichförmig
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein einstellbares System
der einleitend genannten Art mit nicht zu einander orthogonaler Lagerung seiner
Antriebsdrehachsen eine Lösung anzugeben, die auch bei hohen Anforderungen an die
Einstellgenauigkeit mit einem relativ geringen apparativen Aufwand für die Einstellvorrichtung
ausk-mmt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daP zur Ermittlung
der für die Einstellvorrichtung erforderlichen Azimut- und Elevationswinkel der
Systemstrahlachse durch geeignete konstruktive Maßnahmen zusätzlich zwei zueinander
orthogonale Drehachsen (Meßachsen) verwirklicht werden, die eine Azimut- und eine
Elevationsachse der Systemstrahlachse darstellen und daß -Jeder Meßachse eine Winkelmeßeinrichtung
zugeordnet wird.
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Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß sich
die bei einem einstellbaren System zur Aussendung und/oder zum Empfang elektromagnetischer
Wellen bei nicht zueinander orthogonaler Lagerung der Drehachsen stets auch vorhandenen
fiktiven zueinander orthogonal ausgerichteten Achsen für Azimut und Elevation mit
im allgemeinen verhältnismäßig geringen Mitteln materiell- schaffen lassen und dann
diese Drehachsen durch Zuordnung von WinkelmeB-einrichtungen zur Lieferung der für
die Einstellung erforderlichen
Elevation- und Azimut-Istwerte herangezogen
werden können. Dadurch läßt sich dann der apparative Aufwand der Einstellvorrichtung
erheblich reduzieren.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung stimmen
beide Meßachsen mit der wahren Azimut-und Elevationsachse der Systemstrahlachse
überein.
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Läßt sich diese Ubereinstimmung nicht für beide Achsen aus Gründen,
die aus der gewählten konstruktiven Grundkonzeption des Systems resultieren, nicht
verwirklichen, dann ist es sinnvoll, daß eine der beiden Meßachsen mit der wahren
Azimut- bzw. Elevationsachse der Systemstrahlachse übereinstimmt und die Jeweils
andere der beiden Meßachsen zu einer der beiden Drehachsen parallel verläuft.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird zwar der im Rahmen der Einstellvorrichtung
erwähnte Koordinatenwandler nicht überflüssig, er kann jedoch nunmehr in außerordnetlich
vorteilhafter Weise im Vorwärtszweig des Jeweiligen Positionsregelkreises der Einstellvorrichtung,
der zum selbständigen Einstellen der Systemstrahlachse auf einen vorgegebenen Azimut-
bzw. Elevationswinkel dient, angeordnet werden. In dieser Lage haben seine Eigenschaften,
wie noch näher ausgeführt werden wird, nur noch geringen Einfluß auf die Regelgenauigkeit
der Einstellvorrichtung.
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Der Koordinatenwandler kann in einfacher und vorteilhafter Weise ein
linearer oder nichtlinearer Spannungsteiler sein.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausf7fhrungsbeispiels
soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Systems nach der Erfindung, Fig. 2 ein
Positionsregelkreis einer Einstellvorrichtung für ein System mit zueinander orthogonalen
Antriebsdrehachsen, Fig. 3 ein Positionsregelkreis (Azimut) für eine Einstellvorrichtung
bei einem System mit nicht zueinander orthogonalen Antriebsdrehachsen nach der Erfindung,
Fig. 4 ein Positionsregelkreis (Elevation) für eine Einstellvorrichtung bei einem
System mit nicht zueinander orthogonalen Antriebsdrehachsen nach der Erfindung.
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Die Antenne nach Fig. 1 weist einen Sockel 1 auf, an dem ein Gestell
2 befestigt ist, das auf der Oberseite in eine schräge Ebene übergeht, die bei der
Darstellung senkrecht zur Blattebene verläuft. Der Sockel 1 ist fuß seitig in einem
Fundament 3 drehbar gelagert, und zwar in einem Drehkranz 4. Der Sockel 1 mit dem
Gestell 2 dreht sich um die azimutale Antriebsachse Aß1. Der rotationsparabolische
Reflektor 6 der Antenne ist mit seinem Gestell 5 im Drehkranz 7 des Gestells 2 drehbar
gelagert.
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Die Antriebsdrehachse dieser Schräglagerung ist mit Ak' bezeichnet.
Der Reflektor 6 der Antenne geht im Bereich des Scheitels in ein gekrümmtes Horn
9 über. Der Reflektor 6 ist gegenüber dem Horn 9 im Drehkranz 9' in seiner Rotationsachse
drehbar gelagert. Ferner ist das Horn 9 in der zur Blattebene senkrecht verlaufenden
Drehachse drehbar
gelagert und über die Stütze 10 gegen den Sockel
1 abgestützt. Die Stütze 10 ist sockelseitig im Drehkranz 11 drehbar gelagert, und
zwar fällt ihre Drehachse AB2 mit der Antriebsdrehachse Aß1 des Sockels 1 zusammen.
Die Stütze 10 weist ferner eine mit ihrer Achse mit der Drehachse Aß2 zusammenfallende
Drehwelle 12 auf, die sich gegen das Fundament 3 im Lager 13 abstützt.
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Die Antriebsdrehachsen der Antenne nach Fig. 1,mit deren Hilfe die
Antennenstrahlachse As in eine beliebige Raumrichtung über dem Horizont ausgerichtet
werden kann, sind die zueinander nicht orthogonalen Drehachsen Aß1 und At'.
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Durch die Drehachse AK und die Drehachse AB2 der Stütze 10 weist diese
Antenne zusätzlich zwei zueinander orthogonale Drehachsen auf, die gemäß der Erfindung
zur Ermittlung der für die Einstellvorrichtung erforderlichen Azimut-und Elevationswinkel
der Antennenstrahlachse As als Meßachsen dadurch zur Anwendung kommen, daß der Drehwelle
12 mit der Drehachse Aß2 die Winkelmeßeinrichtung Mß und der Drehachse Ak die Winkelmeßeinrichtung
Mk zugeordnet sind.
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Die Zuordnung ist in Fig. 1 durch Pfeile mit den entsprechenden Bezeichnungen
für die Winkelmeßeinrichtungen angedeutet. Die Drehachse Ak stellt zur Antennenstrahlachse
As die wahre Elevationsachse dar, so daß die mit der zugehörigen Drehwelle verbundene
Winkelmeßeinrichtung Mk unmittelbar die Elevationswinkel angibt. In gleicher Weise
stellt die Drehachse AB2 die wahre Azimutachse der Antennenstrahlachse As dar. Die
mit der Drehwelle 12 verbundene Winkelmeßeinrichtung gibt unmittelbar den Azimutwinkel
der Antenne an, Zum Unterschied zu Fig. 1 kann sich aus übergeordneten konstruktiven
Erwägungen die Notwendigkeit ergeben, daß
die Drehachse Aß2 der
Stütze 10 nicht mit der Antriebsdrehachse Aß1 des Sockels 1 zusammenfällt, sondern
dazu parallel versetzt ist. In diesem Falle kann sich eine Drehwelle mit der Drehachse
Aß2 nicht gegen das Fundament abstützen. Es ist dann erforderlich, jeder der beiden
zueinander parallelen Drehachsen eine Winkelmeßeinrichtung zuzuordnen. Der wahre
Azimutwinkel wird dann durch die Summe der angezeigten Drehwinkel der genannten
beiden Winkelmeßeinrichtungen erhalten.
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Wäre das zueinander orthogonale Drehachsenpaar bei der Antenne nach
Fig. 1 nicht vorhanden, dann müßten die für die Einstellvorrichtung erforderlichen
Azimut- und zwevationswinkel der Antennenstrahlachse As mit Hilfe der angezeigten
Drehwinkel einerseits der senkrechten Antriebsdrehachse AB1 und andererseits der
schrägen Antriebsdrehachse At' gewonnen werden. In Fig. 2 ist für diesen Fall einer
der beiden Positionsregelkreise, und zwar der Positionsregelkreis für den Azimutwinkel
der Antennenstrahlachse As angegeben. Die Sollwerte « für den Azimutwinkel werden
vom Sollwertgeber G dem Koordinatenwandler K zugeführt, der die Sollwertes , unter
Berücksichtigung der zugehörigen Sollwerte £ für die Elevation in die Sollwerte
«' transformiert. Der Koordinatenwandler K berücksichtigt mit anderen Worten die
Abhängigkeit des Azimutwinkels der Antennenstrahlachse As vom Elevationswinkel.
Die transformiert&iSollwerte CC' werden dem Summierer S zugeführt, dem über
einen weiteren Eingang die Istwerte ß1 zugeführt werden. Die Istwerte ßi sind hier
Istdrehwinkel der Antriebsdrehachse Aß1. Die zugehörige Winkelmeßeinrichtung ist
durch den mit Mßi bezeichneten, in unterbrochener Linie in Fig. 1 dargestellten
Pfeil angedeutet. Die aus ' und ßi gewonnene Größe
b ß = ß1 wird
nunmehr dem Steuereingang eines integralen Reglers R zugeführt, der ausgangsseitig
den Antriebsmotor M für die Antriebswelle Wßl betätigt. Die Winkelmeßeinrichtung
Mß1 erzeugt den Istwert ß1 des Drehwinkels des Sockels 1 mit der Antriebsdrehachse
Aß1, der, wie bereits erwähnt, dem zweiten Eingang des Summierers S zugeführt wird.
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Wie Fig. 2 ohne weiteres erkennen läßt, gehen Fehler des Koordinatenwandlers
K über den gesamten Transformationsbereich voll auf die Einstellgenauigkeit des
Positionsregelkreises ein. Der Aufwand ist somit, wie bereits einleitend angedeutet
worden ist, bei hohen Anforderungen an die Einstellgenauigkeit sehr groß.
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Anders gestalten sich die Verhältnisse dann, wenn, wie das bei der
in Fig. 1 dargestellten Antenne gegeben ist, das zusätzlich geschaffene, zueinander
orthogonale Drehachsenpaar zur Ermittlung der für die Einstellvorrichtung erforderlichen
Azimut- und Elevationswinkel der Antennenstrahlachse As verwendet wird. Der in Fig.
3 dargestellte, dem Positionsregelkreis nach Fig. -2 entsprechende Positionsregelkreis
für Azimut weist ebenfalls einen Koordinatenwandler K' auf, der jedoch im Unterschied
zum Positionsregelkreis nach Fig. 2 nunmehr zwischen dem Ausgang des Summierer S
und dem Eingang des integralen Reglers R angeordnet ist. Als weiterer Unterschied
kommt hinzu, daß der Positionsregelkreis nach Fig. 3 nunmehr mit Hilfe der mit der
Drehwelle 12 verbundenen WinkelmeB-einrichtung Mß unmittelbar die wahren Azimut-Istwerte
ß der Antennenstrahlachse As an den zweiten Eingang des
Summierer
S liefert. Der Summierer S bildet aus dem Sollwert und dem Istwert für Azimut die
Differenzgröße # = α - ß und führt diese dem Koordinatenwandler K' zu. Gleichzeitig
wird der Sollwert 6 dem Koordinatenwandler K' zugeführt, der die Differenzgröße
i g unter Berücksichtigung des Sollwertes e in die Differenzgröße #' transformiert
und an den integralen Regler weitergibt.
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Vom Koordinatenwandler K' im Bereich des Vorwärtszweiges des Positionsregelkreises
entsprechend Fig. 3 muß lediglich verlangt werden, daß für # -> Null auch #'
-> Null geht.
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Für den quasistatischen Fall kann der Koordinantenwandler also sogar
in einen linearen konstanten Energieverteiler (z.B. ohmscher Spannungsteiler) entarten.
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Fig. 4 zeigt den dem Positionsregelkreis für Azimut nach Fig. 3 entsprechenden
Positionsregelkreis für Elevation.
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Hier liefert der Sollwertgeber G den Sollwert # für die Elevation.
Der Antriebsmotor M treibt mit seiner Antriebswelle Wk' die Antenne nach Fig. 1
um die schräge Antriebsdrehachse Titan. Die Winkelmeßeinrichtung Mk, die der Drehachse
Ak zugeordnet ist und über die Antriebswelle Wk gesteuert wird, liefert unmittelbar
die Istwerte der Elevationswinkel der Antennenstrahlachse As an den Summierer S.
Der Summierer S bildet aus dem Ist- und Sollwert die Differenzgröße
die anschließend im Koordinatenwandler K in die Differenzgröße r transformiert wird.
Der Koordinatenwandler K" braucht für die Transformation in diesem Falle keine besondere
Steuergröße, da die Einstellung eines vorgegebenen Elevationswinkels ausschließlich
von der Drehstellung der Antenne bezüglich der schrägen Antriebsdrehachse A02 bestimmt
ist.
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5 Patentansprüche 4 Figuren