DE69008135T2

DE69008135T2 - Vorrichtung zur Messung der Biegungsbewegung eines Antennen-Mastes und Steuerungsanwendung zum Richten einer motorisierten Antenne.

Info

Publication number: DE69008135T2
Application number: DE69008135T
Authority: DE
Inventors: Place Alain De
Original assignee: Alcatel Telspace SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-18
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2010-12-19
Also published as: EP0433971A1; DE69008135D1; IL96722A0; FR2656416A1; FR2656416B1; EP0433971B1; CA2032400C; JPH0642949A; CA2032400A1; IL96722A; US5151710A; ES2052148T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen der Biegung eines Antennenträgermasts sowie die Anwendung dieser Anordnung auf die Ausrichtungssteuerung einer angetriebenen Antenne.
Bekanntlich ist eine auf einem Träger, wie etwa einem Mast, montierte Richtantenne inakzeptablen Biegungen unterworfen, wenn der Mast starken dynamischen Kräften ausgesetzt ist, die auf ihn durch äußere Strömungen, wie etwa dem Wind, einwirken.
Das französische Patent N º2 100 522 beschreibt eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Ausrichtung einer auf einem Träger montierten Richtantenne. Diese Vorrichtung enthält hauptsächlich einen Antennenträger, eine Einrichtung zur Versorgung mit Energie, eine Sender-Empfänger-Einheit, eine Richtantenne sowie eine kugelförmige Antennenabdeckung, die zur Stabilisierung der Ausrichtung der Antenne dient und in der die an der Spitze des Antennenträgers montierte Sende-Empfangs-Einheit eingeschlossen ist. Diese Vorrichtung bringt jedes Torsionsmoment zum Verschwinden, das aus den auf die äußere Oberfläche der Haube einwirkenden Kräften der Strömung hervorgeht. Sie läßt einerseits im Fall von auf einer Seite angreifenden Kräften die Seitenverschiebung bestehen, was zu einer Parallelverschiebung des in der azimutalen Ebene ausgesandten Funkstrahls führt, die jedoch praktisch keine Wirkung auf die Funkverbindung hat, und sie läßt andererseits im Fall von Kräften, die in Gegenrichtung oder in Richtung dieser Verbindung einwirken, die Elevationsverschiebung bestehen, wobei diese Abweichung korrigiert werden muß, um die Verbindung zu sichern.
Eine solche kugelförmige Abdeckung, die die Richtantenne schützt und auf die Achse des verwendeten Masts zentriert ist, beseitigt praktisch jede Torsionsbeanspruchung. Sie ergibt aber keinen Ausgleich der Biegebewegungen des masts, was das Ziel der vorliegenden Erfindung ist.
Die Druckschrift GB-A-1 474 751 beschreibt eine Anordnung zum Messen der Neigung eines Rohres, das mit einem seiner Enden mit einer schwimmenden Plattform und mit dem anderen Ende mit dem Meeresboden verbunden ist. Sensoren zur Messung der Neigung sind in einem vorbestimmten Abstand vom Meeresboden befestigt, wobei die Berechnungen der Neigung des Rohres diesen Abstand berücksichtigen, um die Neigung des Rohres zu bestimmen.
Eine Anordnung dieser Art eignet sich nicht zur Messung der Neigung eines Mastes, da sich der Auslenkungsradius eines Mastes in Abhängigkeit von seiner Struktur und der Stellung etwaiger Verankerungsseile zur Befestigung des Mastes ändert.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und eine Anordnung zum Messen der Biegebewegungen eines Antennenträgermasts mit einer Längsachse zu schaffen, wobei diese Anordnung aufweist:
- mindestens zwei Sensorgruppen, wobei die Sensoren jeder Gruppe einen bestimmten Abstand voneinander besitzen und wobei sich eine erste Sensorgruppe in einer ersten Ebene und die zweite Sensorgruppe in einer zweiten Ebene befindet, wobei sich die erste und die zweite Ebene parallel zu dieser Längsachse erstrecken und einander kreuzen, wobei die Sensorgruppen in der Nähe des freien Endes des Mastes an einem steifen Abschnitt des Masts oder auf einem am Mast befestigten Träger befestigt sind, wobei die Sensorgruppen die Biegung des Masts in den beiden sich kreuzenden Ebenen messen,
- eine Einrichtung zur Verarbeitung der von den Sensoren gelieferten Signale, die Mittel zur Speicherung der Signale aufweist, um aus diesen die Amplituden-, Schwingungs- und Dämpfungsparameter der Bewegung des freien Endes des Masts abzuleiten.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im übrigen aus der nachfolgenden beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht abgefaßten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor.
Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung gemäß der Erfindung.
Figur 2 ist ein Schema zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung.
Die Anordnung gemäß der Erfindung weist mindestens zwei Gruppen (Paare, Dreierfamilien, ...) von Sensoren Ci, Ci+1 auf, die in der Nähe des freien Endes des Masts 10, der eine Richtantenne 13 trägt, in einem gegenseitigen Abstand d angeordnet sind. Die Ausgänge der Sensoren sind mit einer Informationsverarbeitungseinrichtung 11 verbunden, die Speichermittel enthält. Die Verarbeitungseinrichtung 11 empfängt die Servobefehle CS von der Anordnung der Erfindung und liefert nötigenfalls Daten zur Ausrichtung der Antenne 13, falls sie motorisch angetrieben ist, wobei diese Daten unter Berücksichtigung der vorherigen Biegungen des Masts korrigiert sind.
In Figur 1 sind zwei Sensorpaare C1, C2 und C3, C4 dargestellt. Die Sensoren können beispielsweise Neigungsmesser sein, die die Überwachung der Biegungen des Mastes 10 in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Ebenen XOZ und YOZ im Interesse einer Gesamtkontrolle dieser Bewegungen ermöglichen.
Gemäß Figur 1 sind die Paare von Neigungsmessern auf einem gemeinsamen Träger 12 befestigt, was eine leichtere Durchführung einer Montage an der Spitze des Masts ermöglicht und die Stabilität ihrer gegenseitigen Position gewährleistet. Die Tatsache, daß dieser Träger 12 vom Mast 10 getrennt ist, versteift die Relativposition der Neigungsmesser, die bei dieser Montage nicht der durch die Eigenbiegung des Mastabschnitts der entsprechenden Länge hervorgerufene Verdrehung unterliegen. Die Neigungsmesser können aber auch an einem steifen Abschnitt des masts montiert sein.
Die Verwendung von Paaren von Neigungsmessern ermöglicht es, eine Information über die Ausrichtung der Antennenspitze unabhängig vom Biegungsmodus des Masts zu erhalten. Ein einzelner Neigungsmesser Ci erlaubt es nämlich, Informationen über die Richtung der Senkrechten für unbewegliche oder sehr langsam bewegliche Einheiten zu erhalten.
In einer dynamischen Situation, beispielsweise wenn der Kopf eines Mastes den Kräften des Windes ausgesetzt ist, werden die Anzeigen des Neigungsmessers Ci stark durch die Beschleunigung des Punkts Mi verändert, wo der Neigungsmesser befestigt ist. Das Meßergebnis, das dann die Richtung eines Vektors der Differenz zwischen der Beschleunigung γ des Punktes Mi und der Erdbeschleunigung g ist, hängt gleichzeitig von der Ausrichtung und der Bewegung der Mastspitze ab.
Der pseudoperiodische Charakter der Bewegungen eines Mastkopfes erleichtert jedoch die Vorhersage dieser Bewegungen zu einem Zeitpunkt T, seit dem sie während vorhergehender Zeitpunkte beobachtet wurden.
Die anfänglich unbekannten Parameter der Amplitude, der Pseudoperiode und der Dämpfung der Bewegung werden nacheinander durch die Verarbeitungseinrichtung gespeichert, die die Daten anschließend verwenden kann.
Die Kenntnis der Charakteristika des Biegungsmodus des verwendeten Mastes, die die Bewegung der Mastspitze und ihre Ausrichtung verknüpfen, ermöglichen dann die Trennung dieser beiden Parameter und die Lieferung einer für das Richten einer Antenne erforderlichen Orientierungsanzeige.
Mit der Verwendung eines Paares von Neigungsmessern ermöglicht es die Kombination der Meßergebnisse, sich von diesem Zwang zu befreien.
Es ist also nicht mehr nötig, im voraus die Biegungseigenschaften des Mastes zu kennen, was eine erhebliche Einschränkung bedeuten würde, wenn man feststellt, daß diese Eigenschaft mastinhärent ist, und dies sogar bei jeder Aufstellung eines Mastes (Spannung der Verankerungsseile, ...).
Die von jedem Neigungsmesser aufgenommene Information wird durch die Verarbeitungseinrichtung digitalisiert und gespeichert, die nach der Bestimmung der Amplitude, der Pseudoperiode und des Dämpfungskoeffizienten der beobachteten Bewegung auch die erforderlichen Extrapolationen durchführt.
Wenn die auf der Mastspitze angeordnete Antenne 13 motorisch angetrieben wird, ermöglicht es die Anordnung gemäß der Erfindung, die Ausrichtung der Antenne zu steuern, um sie in einer in Bezug auf die Senkrechte gegebenen Richtung zu halten.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Erfindung zeigt Figur 2 die verschiedenen Bewegungsparameter sowie die Anzeigen der in der Ebene XOZ arbeitenden Neigungsmesser, während die nachfolgend wiedergegebene und auf kleine Winkel anwendbare Berechnung das Prinzip der Ausscheidung der Charakteristika des Biegungstyps erläutert.
Bei einer sinusförmigen Bewegung der Mastspitze um einen Drehpunkt C im Ursprung 0 der Achsen der Figur 2 und bei einer mittleren Position αo gilt
α= αo + A.sin ωt
wobei α der Winkel ist, den die Mastspitze mit der Senkrechten Oz bildet. Daraus ergibt sich
- für die Position des Sensors C1: Punkt M1 (x&sub1;, z&sub1;)
x&sub1; = R&sub1; sin α
z&sub1; = R&sub1; cos α
wobei R1 der Radius der Bewegung des Punktes M1 um den Drehpunkt C ist;
- für die Position des Sensors C2: Punkt M2 (x&sub2;, z&sub2;)
x&sub2; = R&sub2; sin α
z&sub2; = R&sub2; cos α
wobei R2 der Radius der Bewegung des Punktes M2 um den Drehpunkt C ist.
Die durch die beiden Neigungsmesser C1 und C2 erhaltenen Messungen sind folgende:
Hierbei ist:
- Θ1 (Θ2) der vom Neigungsmesser C1 (C2) gemessene Winkel zwischen der Mastspitze und dem örtlichen Beschleunigungsvektor, der die Beschleunigung aufgrund der Bewegung des Punktes M1 (M2) mit der Erdbeschleunigung g kombiniert;
- γ1x (γ2x) die Komponente der Beschleunigung der Bewegung des Punktes M1 (M2) in der Richtung Ox;
- γ1z (γ2z) die Komponente der Beschleunigung der Bewegung des Punktes M1 (M2) in der Richtung Oz;
- d = R1 - R2: Abstand zwischen M1 und M2;
- MO1 und MO2: jeweils mittlere Positionen von M1 und M2.
Die Bewegungen entlang der Achse X entsprechen der Schwingung ω und den Bewegungen entlang der Achse Z, besitzen einerseits für kleine Winkel eine geringe Amplitude und folgen andererseits der Schwingung 2ω.
Der Wert von αo wird durch den zeitlichen Mittelwert von Θ1 oder Θ2 bestimmt. Die Werte γ1z und γ2z sind gegen g vernachlässigbar.
Der Wert Yix nähert sich dem Wert R1α an, so daß gilt: γ1x = R1 A ω² sin ωt.
Entsprechend erhält man, indem man den Winkel für die Tangente des Winkels setzt:
Der variable Term von a A sin ωt leitet sich also direkt von Θ1 - Θ2 ab, sobald d, g und ω² bekannt sind.
Das Maß von ω kann aus der zeitlichen Beobachtung von Θ1 oder Θ2 erhalten werden.
Der durch die Anordnung gemäß der Erfindung nutzbare Wert von α wird durch Addition von αo und dem so bestimmten Wert von A sin ωt erhalten.
Die Biegungseigenschaften des betrachteten Mastes, die den Abstand x mit dem Winkel α an der Mastspitze verknüpfen, werden nicht verwendet und ermöglichen somit eine Anwendung der Anordnung gemäß der Erfindung bei jedem beliebigen Mast.
Die verwendeten Sensoren können Beschleunigungsmesser sein.
Die obige vereinfachte Berechnung dient nur der Erläuterung.
Desgleichen beeinträchtigt die Dämpfung der Schwingungen der Mastspitze, die eine Bewegung der Form
α = αo + A e-βt sin ωt
ausführt, nicht die Möglichkeit der Ermittlung des Winkels α, denn der Dämpfungskoeffizient β des Winkels a wird, wie ω, durch zeitliches Verfolgen der Werte von Θ1 und Θ2 gemessen, die von der Verarbeitungseinrichtung gespeichert werden.

Claims

1. Anordnung zum Messen der Biegebewegungen eines Antennenträgermasts (10), der eine Längsachse (Z) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist:

- mindestens zwei Sensorgruppen (C1, C2,; C3, C4), wobei die Sensoren jeder Gruppe (C1, C2; C3, C4) einen bestimmten Abstand (d) voneinander besitzen und sich eine erste Sensorgruppe (C1, C2) in einer ersten Ebene (XOZ) und die zweite Sensorgruppe (C3, C4) in einer zweiten Ebene (YOZ) befindet, wobei sich die erste und die zweite Ebene (XOZ, YOZ) parallel zu dieser Längsachse (Z) erstrecken und einander kreuzen, wobei die Sensorgruppen in der Nähe des freien Endes des Mastes (10) an einem steifen Abschnitt des Masts oder auf einem am Mast (10) befestigten Träger (12) befestigt sind, wobei die Sensorgruppen (C1, C2 - C3, C4) die Biegung des Masts (10) in den beiden sich kreuzenden Ebenen (XOZ, YOZ) messen,

- eine Einrichtung (11) zur Verarbeitung der von den Sensoren (C1, C2, C3, C4) gelieferten Signale, die Mittel zur Speicherung der Signale aufweist, um aus diesen die Amplituden-, Schwingungs- und Dämpfungsparameter der Bewegung des freien Endes des Masts (10) abzuleiten.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (C1, C2, C3, C4) Neigungsmesser sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (C1, C2, C3, C4) Beschleunigungsmesser sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mast (10) eine motorisch angetriebene Antenne (13) in der Nähe des freien Endes des Masts (10) ist und daß die Anordnung auch Mittel zum Ankoppeln der Verarbeitungseinrichtung (11) an den Positionierungsmotor der Antenne (13) enthält, um die Stellung der Antenne (13) entsprechend der Biegung des Masts (10) in den beiden gekreuzten Ebenen (XOZ, YOZ) zu steuern.