DE2063311B2

DE2063311B2 - System zur Aussendung und/oder Empfang elektromagnetischer Wellen

Info

Publication number: DE2063311B2
Application number: DE2063311A
Authority: DE
Inventors: Friedemann Dipl.-Ing. 8190 Wolfratshausen Vollnhals
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-12-22
Filing date: 1970-12-22
Publication date: 1975-02-27
Also published as: DE2063311A1; DE2063311C3

Description

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 Antriebsdrehachsen.

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 für 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.

Durch die DT-OS 15 41 611 ist bereifc» eine Sende- und/oder Empfangsantenne mit nicht orthogonaler Lagerung der beiden Antriebsachsen bekannt, bei der

ίο der Antennenreflektor auf der schrägen Ebene eines um eine senkrechte Achse drehbaren Sockels angeordnet ist und bei dem die zweite Drehachse senkrecht auf der schrägen Ebene steht. Bei dieser bekannten Anordnung ist das Speisehorn der Antenne über eine Drehkupplung mit dem Parabolspiegel verbunden und im Bereich dieser Drehkupplung auf seiten des Speisehorns ein Datenrad als Winkelmeßeinrichtung angeordnet, das den wahren Elevationswinkel der Systemstrahlachse der Antenne unmittelbar angibt. Der Aufwand für die Einstellvorrichtung ist auch hier relativ groß, weil jede Einstellung des Elevationswinkels der Systemstrahlachse hier gleichzeitig eine Veränderung des Azimutwinkels der Strahlachse mit sich bringt, ohne daß hierzu eine Drehung des Sockels

as in seiner Drehachse auftritt.

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 etwa 0,1° sind Einstellgenauigkeiten bis zu 0,001° üblich. Da einerseits der Koordinatenwandler in die Genauigkeit der Einstellvorrichtung voll eingeht und andererseits die Transformationsgleichung, der der Koordinatenwandler genügen muß, eine trigonometrische Wurzelfimktion 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.

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 u. dgl. m., 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 Übergang 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. Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, für ein einstellbares System der einleitend genannten Art mit nicht zueinander orthogonaler Lagerung seiner Antriebsdrehachsen eine Lösung anzugeben, die auch bei hohen Anforderungen an die Einstellgenauigkeit mit einem relativ geringen apparativen Aufwand für die Einstellvorrichtung auskommt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

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^Darste"™S senkrecht zur Blattebenc verläuft Der ^S0Ckd ¹ ^{ist fußseiti}S ^{in einem} Fundament 3 drehbar

^, ^{ω gela}S^ert- ^{und zwar in ei}°em Drehkranz 4. Der Sockel 1

orthogond ausgt- _mit dem GesteU 2 dreht sich um die azimuole An-

£ T ^und Elation 5 triebsachse Λ/Ϊ1. Der rotationsparabolische Reflektor 6

?£-^rAS? Jf? w· ι T"?^^{1 and der} ^^{tenne ist 1}^ **»«» ^Ge*^{teU 5} ™ Drehkranz 7

md daß jeder Meßachse eme Winkelmeßeinnchtung des Gestells 2 drehbar gelagert Die Antriebsdrehachse

zugeoronei rat. _Αε56Γ Schräglagerung ist mit Ax' bezeichnet Der

Der Erfindung hegt die wesentliche Erkenntnis Reflektor 6 der Antenne geht im Bereich des Scheitels

zugrunde, daß sich die be, einem einstellbaren System i. in ein gekrümmtes Horn 9 über. Der Reflektor 6

_m Aussendung und/oder zum Empfang elektro- ist gegenüber dem Horn 9 im Drehkranz 9' in seiner

,nagneOscherWeUen bei nicht zueinander orthogonaler Rotationsachse drehbar gelagert Ferner ist das

Lagerung der Drehachsen stets auch vorhandenen Horn 9 in der zur Blattebene senkrecht verlaufenden

fiktiven^ zueinander orthogonal_ ausgerichteten Achsen Drehachse drehbar gelagert und über die Stütze 10

für Azimut und Elevation mit im allgemeinen ver- x₅ gegen den Sockel 1 abgestützt. Die Stütze 10 ist

hälmismaßig geringen Mitteln materiell schaffen sockelseitig im Drehkranz 11 drehbar gelagert, und

fcssen und dann diese Drehachsen durch Zuordnung zwar fällt ihre Drehachse Aßl mit der Antriebsdreh-

von Winkelmeßemnchtongen zur Lieferung der für achse Aßl des Sockels 1 zusammen. Die Stütze 10

die Einstellung erforderlichen Elevation- und Azimut- weist ferner eine mit ihrer Achse mit der Drehachse

Istwerte herangezogen werden können. Dadurch läßt 20 Aßl zusammenfallende Drehwelle 12 auf, die sich

sich dann der apparative Aufwand uer Einstellvor- gegen das Fundament 3 im Lager 13 abstützt,

richtung erheblich reduzieren. _Die Antriebsdrehachsen der Antenne nach F i g. 1,

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform nach mit deren Hilfe die Antennenstrahlachse As in eine der Erfindung stimmen beide Meßachsen mit der beliebige Raumrichtung über dem Horizont auswahren Azimut- und Elevauonsachse der System- a₅ gerichtet werden kann, sind die zueinander nicht Strahlachse uberein. orthogonalen Drehachsen Aßl und Ah. Durch die

Läßt sich diese Übereinstimmung nicht für beide Drehachse Ax und die Drehachse Aßl der Stütze 10 Achsen aus Gründen, die aus der gewählten konstruk- _wei_st diese Antenne zusätzlich zwei zueinander

nven Grundkonzeption des Systems resultieren, orthogonale Drehachsen auf, die gemäß der Erfindung

nicht verwirklichen, dann ist es sinnvoll, daß eine 30 zur Ermittlung der für die Einstellvorrichtung erforder-

der beiden Meßachsen mit der wahren Azimut- bzw. liehen Azimut- und Elevationswinkel der Antennen-

Elevationsachse der Systemstrahlachse übereinstimmt Strahlachse As als Meßachsen dadurch zur Anwendung

und die jeweils andere der beiden Meßachsen zu einer kommen, daß der Drehwelle 12 mit der Drehachse Aßl

der beiden Drehachsen parallel verläuft. die Winkelmeßeinrichtung Mβ und der Drehachse Ax

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird zwar der 35 die Winkelmeßeinrichtung Mx zugeordnet sind. Die

im Rahmen der Einstellvorrichtung erwähnte Koordi- Zuordnung ist in F i g. 1 durch Pfeile mit den ent-

natenwandler nicht überflüssig, er kann jedoch nun- sprechenden Bezeichnungen für die Winkelmeß-

mehr in außerordentlich vorteilhafter Weise im einrichtungen angedeutet. Die Drehachse Ax stellt

Vorwärtszweig des jeweiligen Positionsregelkreises der zur Antennenstrahlachse As die wahre Elevations- Einstellvorrichtung, der zum selbständigen Einstellen 40 achse dar, so daß die mit der zugehörigen Drehwelle

der Systemstrahlachse auf einen vorgegebenen Azimut- verbundene Winkelmeßeinrichtung Mx unmittelbar

bzw. Elevationswinkel dient, angeordnet werden. In die Elevationswinkel angibt. In gleicher Weise stellt

dieser Lage haben seine Eigenschaften, wie noch näher die Drehachse A β 2 die wahre Azimutachse der

ausgeführt werden wird, nur noch geringen Einfluß Antennenstrahlachse As dar. Die mit der Drehwelle 12

auf die Regelgenauigkeit der Einstellvorrichtung. 45 verbundene Winkelmeßeinrichtung gibt unmittelbar

Der Koordinatenwandler kann in einfacher und den Azimutwinkel der Antenne an.

vorteilhafter Weise ein linearer oder nichtlinearer Zum Unterschied zu F i g. 1 kann sich aus über-

Spannungsteiler sein. geordneten konstruktiven Erwägungen die Notwendig- An Hand eines in der Zeichnung dargestellten keit ergeben, daß die Drehachse Aßl der Stütze 10 Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden 50 nicht mit der Antriebsdrehachse Aßl des Sockels 1

noch näher erläutert werden. In der Zeichnung zusammenfällt, sondern dazu parallel versetzt ist. Iu

bedeutet diesem Falle kann sich eine Drehweile mit der Dreh-

F i g. 1 die schematische Darstellung eines Systems achse Aßl nicht gegen das Fundament abstützen,

nach der Erfindung, Es ist dann erforderlich, jeder der beiden zueinander

F i g. 2 ein Positionsregelkreis einer Einstellvor- 55 parallelen Drehachsen eine Winkelmeßeinrichtung

richtung für ein System mit zueinander orthogonalen zuzuordnen. Der wahre Azimutwinkel wird dann

Antriebsdrehachsen, durch die Summe der angezeigten Drehwinkel der F i g. 3 ein Positionsregelkreis (Azimut) für eine genannten beiden Winkeüceßeinrichtungen erhalten. Einstellvorrichtung bei einem System mit nicht Wäre das zueinander orthogonale Drehachsenpaar

zueinander orthogonalen Antriebsdrehachsen nach 60 bei der Antenne nach F i g. 1 nicht vorhanden,

der Erfindung, dann müßten die für die Einstellvorrichtung erforder-

F i g. 4 ein Positionsregelkreis (Elevation) für eine liehen Azimut- und Elevationswinkel der Antennen-Einstellvorrichtung bei einem System mit nicht Strahlachse As mit Hilfe der angezeigten Drehwinkel zueinander orthogonalen Antriebsdrehachsen nach einerseits der senkrechten Antriebsdrehachse Aßl und der Erfindung. 65 andererseits der schrägen Antriebsdrehachse Ax ge-

Die Antenne nach F i g. 1 weist einen Sockel 1 auf, wonnen werden. In F i g. 2 ist für diesen Fall einer

an dem ein Gestell 2 befestigt ist, das auf der Ober- der beiden Positionsregelkreise, und zwar der Posi-

seite in eine schräge Ebene übergeht, die bei der tionsregelkreis für den Azimutwinkel der Antennen-

Strahlachse As, angegeben. Die Sollwerte <x für den Unterschied kommt hinzu, daß der Positionsregelkreis Azimutwinkel werden vom Sollwertgeber G dem nach F i g. 3 nunmehr mit Hilfe der mit der Drehwelle Koordinatenwandler K zugeführt, der die Sollwerte λ, 12 verbundenen Winkelmeßeinrichtung Mß unmittelunter Berücksichtigung der zugehörigen Sollwerte ε bar die wahren Azimut-Istwerte β der Antennenstrahlfür die Elevation in die Sollwerte cn! transformiert. 5 achse As an den zweiten Eingang des Summierers 5 Der Koordinatenwandler K berücksichtigt mit anderen liefert. Der Summierer S bildet aus dem Sollwert und Worten die Abhängigkeit des Azimutwinkels der An- dem Istwert für Azimut die Differenzgröße tcnnenstrahlachse As vom Elevationswinkel. Die transformierten Sollwerte «' werden dem Summierer S δ — α — β zugeführt, dem über einen weiteren Eingang die io

Istwerte βI zugeführt werden. Die Istwerte ßl sind und führt diese dem Koordinatenwandler K' zu. hier Istdrehwinkel der Antriebsdrehachse Aßl. Die Gleichzeitig wird der Sollwerte dem Koordinatenzugehörige Winkelmeßeinrichtung ist durch den mit wandler K' zugeführt, der die Differenzgröße Ö unter Mβ 1 bezeichneten, in unterbrochener Linie in Fig. 1 Berücksichtigung des Sollwertes ε in die Dif'erenzdargestellten Pfeil angedeutet. Die aus λ' und β I is größe δ' transformiert und an den integralen Regler gewonnene Größe weitergibt.

Vom Koordinatenwandler K' im Bereich des Vor-

δ'= x'-~ ßl wärtszweiges des Positionsregelkreises entsprechend

F i g. 3 muß lediglich verlangt werden, daß für

wird nunmehr dem Steuereingang eines integralen »ο _δ ^ _Nu„ _auch # ^ _{NuU ht}

Reglers R zugeführt, der ausgangsseitig den Antriebs- °

motor M für die Antriebswelle Wß\ betätigt. Die Für den quasistatischen Fall kann der Koordinanten-

Winkelmeßeinrichtung Mß\ erzeugt den Istwert β I wandler also sogar in einen linearen konstanten Energie-

des Drehwinkels des Sockels 1 mit der Antriebsdreh- verteiler (z. B. ohmscher Spannungsteiler) entarten,

achse Aßl, der, wie bereits erwähnt, dem zweiten as F i g. 4 zeigt den dem Positionsregelkreis für

Eingang des Summierers S zugeführt wird. Azimut nach F i g. 3 entsprechenden Positionsregel- Wie F i g. 2 ohne weiteres erkennen läßt, gehen kreis für Elevation. Hier liefert der Sollwertgeber G Fehler des Koordinatenwandlers K über den gesamten den Sollwert ε für die Elevation. Der Antriebsmotor M Transfonnationsbereich voll auf die Einstellgenauig- treibt mit seiner Antriebswelle Wx' die Antenne nach

keit des Positionsregelkreises ein. Der Aufwand ist 30 Fig. 1 um die schräge Antriebsdrehachse Ax' an.

somit, wie bereits einleitend angedeutet worden ist, Die Winkelmeßeinrichtung Mx, die der Drehachse A κ

bei hohen Anforderungen an die Einstellgenauigkeit zugeordnet ist und über die Antriebswelle Wx ge-

sehr groß. steuert wird, liefert unmittelbar die Istwerte der

Anders gestalten sich die Verhältnisse dann, wenn, Elevationswinkel der Antennenstrahlachse As an den wie das bei der in F i g. 1 dargestellten Antenne 35 Summierer S. Der Summierer S bildet aus dem Istgegeben ist, das zusätzlich geschaffene, zueinander und Sollwert die Differenzgröße orthogonale Drehachsenpaar zur Ermittlung der für _ die Einstellvorrichtung erforderlichen Azimut- und V ~ ^ε ~ ^κ « Elevationswinkel der Antennenstrahlachse As ver- die anschließend im Koordinatenwandler K' :n die wendet wird. Der in F i g. 3 dargestellte, dem Po- 40 Differenzgröße / transformiert wird. Der Koordisitionsregelkreis nach F i g. 2 entsprechende Positions- natenwandler K' braucht für die Transformation in regelkreis für Azimut weist ebenfalls einen Koordi- diesem Falle keine besondere Steuergröße, da die natenwandler K' auf, der jedoch im Unterschied zum Einstellung eines vorgegebenen Elevationswinkels Positionsregelkreis nach F i g. 2 nunmehr zwischen ausschließlich von der Drehstellung der Antenne dem Ausgang des Summierers S und dem Eingang des 45 bezüglich der schrägen Antriebsdrehachse A.< beintegralen Reglers R angeordnet ist Als weiterer stimmt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Ein auf einen beliebigen Raumpunkt einstellbares System zur Aussendung und/oder Empfang elektromagnetischer Wellen, insbesondere Sende- und/oder Empfangsantenne, mit nicht zueinander orthogonaler Lagerung seiner Drehachsen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der für die Positionsregelkreise der Einstellvorrichtung erforderlichen Azimut- und Elevationswinkel der Systemstrahlachse (As) die an sich fiktiv vorhandenen zueinander orthogonal ausgerichteten Drehachsen für Azimut und Elevation zusätzlich als Meßachsen {Aßl, Ax) materiell verwirklicht sind und daß jester Meßachse eine Winkelmeßeinrichtung (Af/?, Mx) zugeordnet ist

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Meßachsen (Aßl, Ax) mit der wahren Azimut- und Elevationsachse der Systemstrahlachse (As) übereinstimmen.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Vorwärtszweiges jedes Positionsregelkreises der Einstellvorrichtung, der zum selbständigen Einstellen der Systemstrahlachse (As) auf einen vorgegebenen Azimut- bzw. Elevationswinkel dient, ein Koordinatenwandler (K', K") vergesehen ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Koordinatemvandler ein linearer oder nichtlinearer Spannungsteiler ist.