DE2544867C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Stabilisierungseinrich­ tung für eine Schiffsantennenanlage oder eine Luftaufnahmekamera mit Kreisel- und Pen­ delgewichtstabilisierung nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1. Eine solche Einrichtung ist aus der GB-PS 8 90 264 bekannt.

In der vorgenannten Patentschrift ist eine Antennenanord­ nung beschrieben, die durch einen um eine vertikale Achse rotierenden, kardanisch aufgehängten Kreisel stabilisiert ist. Dabei wird von den Pendelgewichtskräften und von den Kreiselkräften zur Stabilisierung der Antennenanlage Ge­ brauch gemacht. Der Schwerpunkt des Systems liegt unter­ halb der von den Kardanachsen aufgespannten Ebene.

Es gibt Anwendungsgebiete, beispielsweise die Verfolgung von Satelliten mit Hilfe von auf Schiffen installierten Richtantennen, wo die Ausrichtung der Antenne trotz der Roll- und Stampfbewegungen des Schiffes sehr genau einge­ halten werden muß. Solche Antennen weisen ein sehr scharf bündelndes Strahlungsdiagramm auf, dessen Öffnungswinkel nur 1° und weniger beträgt. Geringste Fehlweisungen führen daher schon zu einem vollständigen Signalausfall. Die be­ kannte Einrichtung, die nur einen Kreisel zur Stabilisie­ rung der Plattform aufweist, ist nicht in der Lage, diesen hohen Anforderungen Rechnung zu tragen.

Die in der Vergangenheit verwendeten Antennennachführsyste­ me mit zwei und drei Freiheitsgraden haben sich nicht als vollständig zufriedenstellend erwiesen. Die zweiachsige Nachführung ist auf einen Bereich beschränkt, der geringer als die volle Hemisphäre ist. Eine Beweglichkeit in drei Achsen ist wiederum teurer und komplex und für die meisten kommerziellen Anwendungen nicht akzeptabel. Solche Systeme verlangen beispielsweise komplizierte Regelsysteme mit Krei­ seln, Beschleunigungsmessern, Digitalrechnern und derglei­ chen, um die komplexen Koordinatenumrechnungen durchführen zu können. Für die meisten Anwendungsfälle sind solche teu­ ren Systeme nicht geeignet.

Es gibt auch Servosysteme, die mit vier Achsen arbeiten. Damit ein solches System aber zuverlässig arbeitet, ist es zwangsläufig sehr teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stabilisie­ rungseinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine hochgenaue Ausrichtung der Antenne bzw. der Kamera auf ein einmal einge­ stelltes Ziel ohne Zuhilfenahme von Regeleinrichtungen ge­ währleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet mit vier Achsen, von denen zwei Achsen, nämlich Azimut und Elevation in üb­ licher Weise eingestellt sind und, beispielsweise in bezug auf einen Statelliten, nachgestellt werden, während die zwei anderen Achsen, nämlich die kardanischen Achsen, die beispielsweise das gesamte Antennensystem tragen, passiv stabilisiert werden. Das System ist übersichtlich und billig.

Die Stabilisierungseinrichtung enthält eine kardanische Stabilisierung einer Antenne bzw. Kamera, die im wesentlichen in einer vertikal orientierten Azimutachse gehalten wird. Die stabi­ lisierte Plattform, die die Antenne bzw. Kamera trägt, weist einen Azi­ mutantrieb auf, der beispielsweise kompaßgesteuert ist, so daß die stabilisierte Plattform eine im allgemeinen feste Ausrichtung beibehält, wenn sich beispielsweise das Schiff unter der Anten­ ne dreht und wenn die Antenne gegenüber ihrem sie tragenden Turm schnell gedreht wird, beispielsweise um eine Kabelschleife abzuwickeln.

Im Gegensatz zum vorerwähnten Stand der Technik, wo nur ein Kreisel vorhanden ist, dessen Lager fest mit der Platt­ form verbunden ist, weist die vorliegende Erfindung zwei Kreisel auf, deren Drehachsen in bezug auf die Plattform in aufeinander senkrecht stehenden Richtungen verschwenk­ bar sind. Diese Kreisel sind dazu vorgesehen, die Fehler zu verringern, die vorübergehende Momente hervorrufen könn­ ten, und die Resonanzfrequenz des kardanischen Systems her­ abzusetzen. Die Kreisel wirken daher wie ein mechanisches Filter zum Aufnehmen und Zwischenspeichern und langsamen Abgeben von Energie. Sie glätten die Einflüsse, die von Stampf- und Rollbewegungen des Schiffes auf das kardani­ sche System hervorgerufen werden können. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß solche Roll- und Stampfbewegun­ gen mehr oder minder reversibel sind, d. h., eine Roll- oder Stampfbewegung in der einen Richtung wird von einer entspre­ chenden Bewegung in der anderen Richtung gefolgt. Die Sta­ bilisierungsvorrichtung nach der Erfindung nimmt daher die von der Bewegung auf die Plattform hervorgerufenen Einflüs­ se auf und nimmt umgekehrt bei der entgegengesetzten Bewe­ gung ihrerseits wieder stabilisierend Einfluß auf die Platt­ form, indem sie die aufgenommene Energie rückspeist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Plattform mit einer Mikrowellenantenne, einem mehrachsigen Lagersystem der Antenne mit einer auf rechtwinklig zueinander angeordneten Achsen ge­ lagerten Kombination, die durch Schwerkraft und Kreisel stabilisiert ist;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1 durch die kardanische Aufhängung;

Fig. 3 eine Teilansicht im Schnitt einer Anwendungs­ form der Erfindung für die Lagerung einer Luft­ aufnahmekamera;

Fig. 4 eine teilweise Seitenansicht einer auf rechtwinkligen Achsen kardanisch aufgehängten Kombination von Schwerkraft - und kreiselstabilisierter Plattform mit einem Kreisel aus Kreiselrotor - und Motor, die beide oberhalb und unterhalb der Plattform gelagert sind;

Fig. 5 eine teilweise aufgebrochene und geschnittene Seitenan­ sicht einer stabilisierten Plattform mit auf rechtwinklig zuei­ nander angeordneten Schwenkachsen gelagerten Kreiselmotor- und Rotoreinheiten, welche im wesentlichen in der Schwenkachsenebene der kardanisch aufgehängten Plattform in einem drehbaren Lager­ ring verschwenkbar gelagert sind; und

Fig. 6 eine Kreiselmotor- und Rotoreinheit, die an Stelle der in den verschiedenen Ausfüh­ rungsformen gezeigten Form verwendbar ist und die eine durch Fe­ dern gebildete Struktur zur Begrenzung der Präzession aufweist.

Die Plattform 10 des Fußbauteiles 12 der Antenne 11 gemäß Fig. 1 (vergleiche auch Fig. 2) ist kardanisch aufgehängt mit zwei Traglagern 13 und 14, die um Lagerspindeln 15 und 16 drehbar sind, welche auf der gleichen Achse von einan­ der gegenüberliegenden Seiten des feststehenden Lagergehäuses 17 vorstehend befestigt sind. Die Lager 13 und 14 tragen den Kardanring 18, welcher wiederum zwei Lager 19 und 20, von dem Ring 18 auf einer Achse getragen, aufweist, die in der gleichen Ebene die Achse der Lager 13 und 14 im rechten Winkel schneidet. Die Lager 19 und 20 lagern drehbare Achsen 21 und 22, welche der­ art angeordnet sind, daß sie nach außen von einander gegenüber­ liegenden Seiten der kardanisch aufgehängten Plattform 10 auf einer gemeinsamen Achse vorstehen. Die Antenne 11 ist derart ge­ lagert, daß sie um eine Höhenwinkelachse 23 in einer Höhenwinkel über Horizontalkreis aufgetragenen Weise, die später noch näher erläutert wird, schwenkbar ist. Die Antenne ist in einem als Schutz die­ nenden Antennendom 24 angeordnet, der in üblicher Weise (Einzelheiten sind nicht veranschaulicht) an dem Gehäuse 17 be­ festigt ist. Der Antennenfußbauteil 12 weist ferner eine drehba­ re Basis 25 als Antennenbefestigung zur Azimutsteuerung auf, welche um eine senkrechte Azimutachse bei der Ein­ stellung von Azimutwerten drehbar auf der kardanischen Plattform 10 gelagert ist. Die drehbare Basis 25 weist eine ringförmige Stirnverzahnung 26 auf, die durch das Ritzel 27 des Azimutantriebes 28 angetrieben ist, welcher durch ein Synchronantriebssystem (Einzelheiten nicht veranschaulicht) ange­ trieben sein kann. Ein aus Kreiselmotor 29 und Rotor 30 beste­ hender Kreisel 31 ist verschwenkbar mit Achsen 32 in La­ gern 33 des Lagerrahmens 34 gelagert, wobei die Achse 32 parallel zu der Schwenkachse der kardanischen Aufhängung der Achsen 21 und 22 liegt. Ein aus Kreiselmotor 35 und Rotor 36 bestehender zweiter Kreisel 37 ist verschwenkbar in Schwenkachsen 38 in Lagern des Lagerrahmens 39 gelagert, welcher seinerseits an einem Tragrahmen 40 unterhalb des Kreisels 31 befestigt ist. Die Kreisel 31 und 37 sind über einer senkrechten Azimut­ achsenlinie durch den Mittelpunkt der Plattform 10 zueinander ausgerichtet, deren Schwerpunkt 41 unterhalb beider Schwenkach­ sen der kardanisch aufgehängten Plattform liegt. Ferner weisen beide Kreiselmotor- und Rotoreinheiten Schwerpunkte unter ihren zugehörigen Schwenklagerungen auf.

In Fig. 3 ist eine Kamera 48 auf dem Boden der Plattform 10′ befestigt, welche wie die Plattform 10 gemäß den Fig. 1 und 2 kardanisch aufgehängt ist, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser Ausführungsform sind die Kreisel 31′′ und 37′′ je um eine Einzel­ achse drehbar übereinander in der Rahmenstruktur 49 der Platt­ form gelagert und liegen in einer Linie mit einer senkrechten Azimutachse in einer symmetrisch ausgeglichenen zusam­ mengebauten Struktur, wobei der Schwerpunkt 50 unterhalb der Schwenkachsen der kardanischen Aufhängung liegt. Da die auf der stabilisierten Plattform 10′ befestigte Kamera 48 nach unten weist, ist ein durchsichtiger Fensterabschnitt 51 in den umschließenden Rahmenteilen 17′ befestigt, welche ihrerseits auf der Innenseite des Rahmens 24′ befestigt sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist ein aus Kreiselmotor- und Rotor bestehender Kreisel 31′′′ auf der Oberseite der Platt­ form 10′′ befestigt, wobei der Rotor 30 unterhalb des Motors 29 liegt, und ein aus Kreiselmotor- und Rotor bestehender Kreisel 52 ist am Boden der Plattform 10′′ befestigt, wobei der Rotor 36′ oberhalb des Motors 35 liegt. Antenne bzw. Kamera sind nicht dargestellt. Wiederum liegt der Schwerpunkt 50′ unterhalb der Schwenkachsen der kardanischen Aufhängung der Platt­ form 10′′.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind die Kreisel 31 und 37 in der Plattform 10′′′ verschwenkbar ge­ lagert, wobei ihre Schwenkachsen im wesentlichen in der Ebene der rechtwinklig zueinander angeordneten Schwenkachsen der kardani­ schen Aufhängung der Plattform liegen. Der Kardanring der Plattform 10′′′ ist in einem Ring 53 schwenkbar gelagert, der seinerseits durch ein Ringlager 54 getragen und in dem zylindrischen Lager 55 gehalten ist, wobei beide Lager in dem Rahmen­ teil 56 auf dem Horizontalkreis drehbar sind bei in hohem Maße manövrierfähigen Fahrzeugen. Dieses Merkmal kann auch bei den an­ deren Ausführungsformen aus gleichen Gründen Verwendung finden. Dies stellt eine symmetrisch ausgeglichene Einheit dar, wobei die Seite an Seite im Abstand liegende Positionierung der Kreisel 31 und 37 und die Anordnung des Schwerpunktes 57 ebenfalls unterhalb der Lagerachsen der kardanischen Aufhängung liegt, wie dies auch bei den anderen Ausführungsformen der Fall war. Auch hier ist aus Übersichtlichkeitsgründen die Antenne bzw. Kamera nicht dargestellt.

Bei dem Kreisel 58 gemäß Fig. 6 ist ein Federbauteil 59 ver­ wendet, das sich zwischen Rahmenverlängerungen 60 und 61 der Rahmeneinheit 62 erstreckt. Der Mittelpunkt des Federbauteiles 59 ist an einem Vorsprung 63 des Kreisels 58 angeschlossen, um ihn in eine mittlere aufgerichtete Stellung beim Ver­ schwenken um die Schwenkachse 64 jeweils dann zurückzudrücken, wenn irgendeine Abweichung aus dem aufgerichteten senkrechten Zustand derselben vorliegt. Diese federnde, die Präzession ver­ hindernde Bauart dient bei Kreiseln 58 als Ersatz für einen unterhalb der Schwenklagerung liegenden Schwerpunkt als die Präzession begrenzende Einrichtung. Stoßdämpfer könnten ebenfalls bei anderen Ausführungsformen an einer oder mehreren Achsen verwendet werden, um Kräfte und/oder Störungen zu verlangsamen oder auszugleichen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß bauliche Mittel verwendet werden könnten, um zeitwei­ lig die Schwenkachsen der Kreisel in oder nahe der senk­ rechten Achse zu verriegeln oder abzubremsen, um dadurch Dreh­ momentsfehler bei schnellen Drehmanövern zu minimieren, wobei dies bei sämtlichen Ausführungsformen geschehen könnte.

Federn zusätzlich zu der Verwendung von Federn, wie sie bei dem Kreisel 58 gemäß Fig. 6 veranschaulicht sind, können bei den verschiedenen Ausführungsformen an einer oder mehreren Achsen verwendet werden, um Kräfte und/oder Störungen abzubremsen oder auszugleichen.

Claims (5)

1. Stabilisierungseinrichtung für eine Schiffsantennenan­ lage oder eine Luftaufnahmekamera mit Kreisel- und Pendel­ gewichtstabilisierung, bestehend aus einer die Antennen­ anlage bzw. Kamera tragenden, kardanisch gelagerten Platt­ form, welche Plattform in der von der ersten und zweiten Kardanachse aufgespannten Ebene liegt und einen ersten mo­ torgetriebenen Kreisel trägt, dessen Drehachse die Ebene der Plattform im Ruhezustand der Einrichtung senkrecht schneidet, und bei der der Schwerpunkt der kardanisch ge­ lagerten Einrichtung unterhalb der Plattform liegt, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß der erste Kreisel (31) gegenüber der Plattform (10) um eine erste, zur ersten Kardanachse (21, 22) parallele Ach­ se (32) verschwenkbar gelagert ist,
• - daß von der Plattform ( 10) ein zweiter motorgetriebener Kreisel (37) getragen ist, dessen Drehachse die Ebene der Plattform (10) ebenfalls senkrecht schneidet und um eine zwei­ te, zur zweiten Kardanachse (15, 16) parallele Achse (38) verschwenkbar gelagert ist, und
• - daß beiden Kreiseln (31, 37) passive präzessionsbehindern­ de Einrichtungen zugeordnet sind.

2. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des ersten Kreisels (31) unterhalb seiner Schwenkachse (32) liegt.

3. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des zweiten Kreisels (37) unterhalb seiner Schwenkachse (38) liegt.

4. Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerpunkte der Kreisel (31, 37) in ihren Schwenkachsen (32, 38) liegen und daß die präzessionsbehindernden Einrichtungen für den ersten bzw. den zweiten Kreisel (31 bzw. 37) jeweils eine Federanordnung (59) sind, die zwischen dem Kreisel (31 bzw. 37) und seinem tragenden Rahmen (34 bzw. 39) angeordnet ist.

5. Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform (10) und die Massen von Antennenanlage (11, 12) bzw. Kamera und Kreiseln (31, 37) in bezug auf die Kardanachsen (21, 22) statisch derart ausbalanciert sind, daß im Ruhezustand die Plattform (10) horizontal angeord­ net ist.