EP0142397A1 - Antenna stabilisation and aiming device, especially on a ship - Google Patents

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EP0142397A1
EP0142397A1 EP84401833A EP84401833A EP0142397A1 EP 0142397 A1 EP0142397 A1 EP 0142397A1 EP 84401833 A EP84401833 A EP 84401833A EP 84401833 A EP84401833 A EP 84401833A EP 0142397 A1 EP0142397 A1 EP 0142397A1
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EP
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axis
antenna
gimbal
bearing
pointing
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EP84401833A
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Jean-Claude Le Gall
Bernard Mathieu
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • H01Q1/18Means for stabilising antennas on an unstable platform

Definitions

  • the invention relates to the stabilization and pointing of antennas, and in particular telecommunication antennas by means of satellites mounted on ships, to which the sea imposes angular movements of large amplitude compared to the acceptable tolerance on pointing of the antenna and accelerations.
  • antenna stabilization devices have been proposed specifically for use in maritime satellite communications.
  • MB Johnson entitled "Antenna control for a ship terminal for MARISAT" (IEEE Conference Publication No. 160, March 7, 1978) which is of the type comprising, on a base, a mount provided with means of orientation in bearing and carrying a gyroscopic assembly with two degrees of freedom whose external cardan joint has an axis of rotation (axis X) perpendicular to the bearing axis and whose internal cardan joint has an axis of rotation (Y axis) is orthogonal to the X axis and which 'is linked in pointing to the antenna.
  • axis X axis of rotation
  • Y axis axis of rotation
  • the device described in this article uses for stabilization two gyros mounted on the rear of the antenna, intended respectively to stabilize the X and Y axes. But this device requires a vertical reference for the X axis, obtained using an accelerometer or an inclinometer mounted on the bearing axis. The voltage from the accelerometer or inclinometer is subtracted from the measurement of the elevation orientation of the X axis. The elevation angle can only be obtained by filtering at great time constant.
  • Four-axis mounts have also been proposed, comprising a platform stabilized around roll and pitch axes by a pendulum assembly and two steering wheels.
  • the pointing device is then separate. It is carried by the platform and allows the orientation of the antenna around the conventional pointing axes in azimuth and elevation.
  • Such a provision is obviously extremely complex.
  • Yet another arrangement uses a three-axis mount of the "X, Y deposit” type, but with two flywheels each having its own gimbal, which considerably increases the cost and the bulk.
  • the invention aims to provide a device of the "deposit, X, Y" type which, while remaining simple and economical, makes it possible to provide the pointing and stabilization required for the antennas whose mass and inertia are those commonly used .
  • the invention uses, to ensure stabilization and pointing, a single steering wheel in conditions such as nutation which appears in response to the applied torques and the resulting movements of precession to orient the antenna. by a parasitic movement remaining in the domain acceptable tolerances.
  • the invention provides a stabilization and pointing device of the type defined above, characterized in that the gyroscopic assembly comprises a single flywheel with a significant angular moment relative to the inertia of the antenna, in that each gimbal is provided with a torque orientation motor controlled by a loop, the reaction signal of which is supplied by an orientation sensor of the other gimbal, and in that the orientation means around the bearing axis are provided to approximately ensure the average pointing of the antenna in bearing and, consequently, to maintain the gyroscopic assembly near the canonical position.
  • each of the servo loops will include means for filtering characteristics determined according to the inertias of the cardan joints, parameters angular movements applied to the base and the required pointing precision.
  • These filtering means may in particular be constituted by phase delay networks having a time constant much greater than the period of the applied stresses, in particular during the swell period.
  • the orientation means around the bearing axis may include a geared motor for rotating, advantageously by an irreversible link, and a control circuit according to the heading and the displayed value of the azimuth of the satellite, while that the loop associated with the internal gimbal receives a correction signal taking account of variations in bearing, the difference Gis and y being measured by the angular detector 40.
  • the enslavement of y therefore obliges it to follow the direction of bearing and to keep the canonical position.
  • the device will generally include a computer for developing an elevation signal, applied to the servo loop of the first gimbal, and an azimuth signal, applied to the orientation control circuit. in bearing, from the heading and the longitude and latitude of the vehicle (ship in general) carrying the antenna. Automatic tracking is then ensured by sending deviation correction signals ⁇ x and ⁇ y which are superimposed on the calculated information, azimuth and elevation, to cancel all errors, including the gfte error. This allows, in case of loss of the reception signal, for example by mask effect, or fading, to keep the calculated direction, very close to the direction of the satellite. This avoids the panic of the antenna direction which would work in open loop.
  • a more rudimentary solution simply comprises means for displaying the azimuth and the elevation determined using a separate calculator, which can be extremely simple since it only has to perform common trigonometric calculations.
  • the antenna of revolution, is not only linked in pointing to the steering wheel, but also integral with the steering wheel or substituted for it, so that its angular momentum contributes to stabilization or ensures it.
  • the device proposed by the invention lends itself to extremely varied configurations, in particular to take account of the type of antenna used (parabolic antenna, antenna with four helices, etc.) and that in particular it does not 'is by no means essential that the X and Y axes are concurrent.
  • the slaving and pointing device of a helical antenna 10 with a viewing axis Z shown diagrammatically in FIG. 1 is intended to equip a ship 12 provided with a gyrocompass 14 providing a heading reference (angle e between the main line of the ship and the geographic North) on an exit 16.
  • the device comprises a frame of the type known as "deposit-XY".
  • This mount comprises a base 18 fixed to the ship and carrying bearings or pivots defining an axis of bearing G around which a crew 22 whose rotation is given by the signal can rotate under the action of a bearing geared motor 20 output of a field detector 24.
  • the crew 22 is integral with the housing of a gyroscopic system and therefore carries in turn, by means of bearings 26 defining an axis X (elevation axis), perpendicular to the bearing axis G, an external universal joint 28 provided with a torque motor 30 and an orientation detector 32.
  • the external universal joint carries in turn, by bearings 34 defining an axis Y orthogonal to the axis X , an internal gimbal 36 provided with a torque motor 38 and an orientation detector 40.
  • the antenna 10 is, in the embodiment shown in FIG. 1, fixed to the internal gimbal 36.
  • this internal gimbal 36 rotates a gyroscopic flywheel 41 driven at constant speed w by a motor not shown around the sighting axis Z so as to present a angular momentum H which we will see later that it must have a minimum function value antenna inertia and required stabilization accuracy.
  • the steering wheel 41 and the antenna 10 are arranged so that the gimbals are in static balance.
  • the signal produced by the adder 42 is brought by an amplifier 46 to a level sufficient to actuate the gearmotor 20.
  • the geared motor 20 advantageously has a reduction ratio sufficient to be irreversible. Under these conditions, the torques that the horizontal accelerations imposed on the ship can create have no effect on the orientation around the bearing axis G.
  • the telecommunication antenna of a ship is mounted in the superstructures, to have a clear field of view. It is for example at the top of the mast.
  • the frame is therefore subjected not only to the angular movements of roll, pitch and yaw, but also to periodic accelerations of lifting, swerving and horizontal acceleration.
  • the amplitude in roll and pitch can be up to ⁇ 30 °
  • Stabilization of the antenna is ensured passively by the gyroscopic stiffness of the steering wheel 41. If the gimbals are balanced, that is to say that the center of gravity of each rotating assembly is on its axis, the accelerations and movements angular causes no torque and only remains a residual periodic precession of zero mean value over a sufficiently long time before the period of roll and pitch. This precession, constituting pointing error, retains a very low value if the angular momentum H is large enough. In practice, the precision requested does not exceed a few degrees, this oscillation is not a problem.
  • each detector 32 or 40 is followed by a filter constituted by a phase delay network 48 or 50, which can have a time constant of the order of 1 min.
  • a phase delay network 48 or 50 which can have a time constant of the order of 1 min.
  • the aim of the antenna is to keep it directed towards the satellite and must therefore intervene each time the direction of the satellite changes relative to the ship, which occurs following a change in the position of the vessel and / or course change.
  • the direction of the satellite is generally defined by its azimuth and its elevation.
  • the azimuth Az is the angle in the horizontal plane between the direction of the satellite and the geographic North.
  • the elevation El is the angle formed in the vertical plane by the direction of the satellite and the horizontal. These two angles are a function of the longitude Lo and the latitude La of the ship.
  • the embodiment of FIG. 2 comprises a computer 52 for developing the azimuth and elevation angles Az and El of the satellite as a function of data stored on the position of the satellite, generally geostationary, and of input data constituted by the heading e coming from the gyrocompass 14 and by the longitude and the latitude, introduced by display.
  • the elaboration of Az and El requires only classical trigonometric calculations which it is not necessary to describe here.
  • the output signal Az constituted for example by a voltage proportional to the azimuth angle, is applied to the adder 42 which also receives the reaction signal from the detector 24.
  • the resulting error signal is sent to the amplifier 46 by means of a phase advance correction network 54 which makes it possible to improve to a certain extent the performances of the servo in field.
  • the detector 24 may consist of a multiturn potentiometer coupled, by a reduction gear, to a toothed wheel 56 secured to the crew 22 and meshed by the output pinion of the gearmotor 20.
  • this error is corrected by automatic tracking means which include a distance meter 53 which provides output voltages ⁇ X and ⁇ Y corresponding respectively to the correction of the error in elevation and to the correction of the azimuth error.
  • the control loop of the torque motor 38 of the internal gimbal then includes an analog adder 60 which receives the signals El and aX, as well as the filtered feedback signal from the detector 32. The output signal is amplified in a two-quadrant amplifier 62 or applied to a polarized relay to control the motor 38.
  • the torque motor control loop 30 comprises, in addition to the detector 40, an adder 64 and an amplifier 66. But the action of the motor 30 will not be aimed always to give the internal gimbal 36 only a slight deviation from the canonical position, the azimuth orientation being essentially provided by the geared motor 20. during rotation always slow, in azimuth, the detector 40 provides a signal which causes the intervention of the motor 30 and the maintenance of the pointing of the antenna 60.
  • the device can be supplemented by means 68 for viewing the actual values of the deposit and the elevation given to the antenna, constituted by voltmeters for displaying the output voltages of the detectors 32 and 40, possibly after filtering.
  • the steering wheel is fixed relative to space, that is to say to the geostationary satellite.
  • the aim of pointing in a field is to avoid coming into a prohibited configuration.
  • the Y axis is almost vertical, at low elevations, that is to say in the conditions where the prohibited configuration can occur, the Y axis is almost vertical and the fixity of the steering wheel subsequently corrects the error in deposit, caused for example by errors due to the kinematics of cardan joints in heavy seas.
  • the mass of the antenna is not negligible and, to balance the gimbals, we will have to move the steering wheel relative to the X and Y axes, rather than adding significant additional masses which considerably increase the inertia.
  • adjustable weights will generally be provided to achieve fine balancing around the X and Y axes, although a residual balancing is tolerable since all the drifts in position of the gyroscopic system are detected in the angular detectors 32 and 40 when the control loops are closed.
  • any increase in the dimensions of the antenna for example to increase its directivity, must be accompanied by an increase in the angular momentum H.
  • the device according to the invention only allows stabilizing medium-sized antennas, the diameter of which does not exceed 1 m in the case of a parabolic antenna.
  • the device according to the invention only allows stabilizing medium-sized antennas, the diameter of which does not exceed 1 m in the case of a parabolic antenna.
  • larger dimensions can be accepted due to the reduced inertia.
  • Figure 4 shows the orientation device of an antenna 10 with four helices then that the antenna is pointed at the zenith on a ship whose roll and pitch result in an inclination a of the radio line of sight Z on the axis G, in the plane GX.
  • the moving element 22 consisting of a bearing ring which rotates in bearings provided in the base 18.
  • the ring 22 carries the gimbal 28 orientable around the axis X by means of a spindle 74 and bearings 26.
  • the universal joint 36 orientable around the Y axis rotates on the universal joint 28 in bearings not visible in the Figure. It can be seen that the "external" universal joint 28 is thus housed inside the "internal” universal joint 36, which simplifies mechanical manufacture.
  • the torque motor 30 is placed directly around the spindle 74.
  • the antenna 10 and the casing 76 containing the flywheel 41 and its drive motor 78 (hysteresis motor for example).
  • the antenna 10 and the steering wheel are placed on either side of the Y axis so as to achieve approximate balancing, which can be perfect using an adjustable Y balancing weight, 80.
  • Another counterweight 82, the position of which on the universal joint 36 is adjustable, ensures balancing in Y.
  • the axes X, Y and G are concurrent, which makes it possible to give the radome 84 for protecting the antenna a value close to its theoretical minimum value.
  • the variant embodiment shown in FIG. 5, where the members corresponding to those of FIG. 4 still bear the same reference number, is intended for pointing and stabilizing a parabolic antenna providing a gain of 20 d3 at 1.5 GHz, which requires an accuracy of i 2 °.
  • the inertia of this antenna being greater than that of the antenna envisaged in connection with FIG. 3, the flywheel 41 must have 17 kg.m 2 / sec. for a weight of 5.5 kg.
  • FIG. 6 shows a device for stabilizing a parabolic disk antenna 10 in which this antenna, used in rotation by the motor 78 around the axis Z, is used as a stabilization wheel.
  • this antenna used in rotation by the motor 78 around the axis Z
  • the pointing device is of the type shown in Figure 3 and the same reference numbers have been used.
  • This solution can be used for small diameter antennas. for example, it can be envisaged for a 0.85 m diameter disk antenna rotating at an angular speed of 200 rpm and having a moment kinetics of 15 Nms
  • gyroscopic precession is used, a torque applied around the X axis causing an exit speed around the Y axis and vice versa.
  • the axis Z is offset with respect to the axis of deposit G, instead of being confused with it, when the antenna is aimed at the zenith.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Support Of Aerials (AREA)

Abstract

Le dispositif, utilisable sur navires marchands ne comportant qu'une référence de cap, comprend, sur un soc le (18), une monture munie de moyens d'orientation en gisement et portant un ensemble gyroscopique à deux degrés de liberté dont le cardan externe (28) a un axe de rotation (axe X) perpendiculaire à l'axe de gisement et dont le cardan interne (36) a un axe de rotation (axe Y) orthogonal à l'axe X et qui est lié en pointage à l'antenne. L'ensemble gyroscopique comporte un volant unique (44) de moment cinétique important par rapport à l'inertie de l'antenne (10). Chaque cardan est muni d'un moteur couple (30, 38) commandé par une boucle dont le signal de réaction est fourni par un capteur (40, 32) d'orientation de l'autre cardan. Les moyens (24, 42, 46, 20) d'orientation autour de l'axe de gisement sont prévus pour assurer approximativement le pointage moyen de l'antenne en gisement et, en conséquence, maintenir l'ensemble gyroscopique à proximité de la position canonique.The device, usable on merchant ships having only a heading reference, comprises, on a ploughshare (18), a mount provided with means of orientation in bearing and carrying a gyroscopic assembly with two degrees of freedom including the external gimbal (28) has an axis of rotation (X axis) perpendicular to the bearing axis and whose internal gimbal (36) has an axis of rotation (Y axis) orthogonal to the X axis and which is linked in pointing to the 'antenna. The gyroscopic assembly includes a single flywheel (44) with a significant angular moment relative to the inertia of the antenna (10). Each gimbal is provided with a torque motor (30, 38) controlled by a loop, the reaction signal of which is supplied by a sensor (40, 32) for orientation of the other gimbal. The means (24, 42, 46, 20) for orientation around the bearing axis are provided to approximately ensure the average pointing of the antenna in bearing and, consequently, to maintain the gyroscopic assembly close to the position canonical.

Description

L'invention concerne la stabilisation et le pointage des antennes, et notamment des antennes de télécommunication par l'intermédiaire de satellites montés sur des navires, auxquels la mer impose des mouvements angulaires de grande amplitude comparée à la tolérance acceptable sur le pointage de l'antenne et des accélérations.The invention relates to the stabilization and pointing of antennas, and in particular telecommunication antennas by means of satellites mounted on ships, to which the sea imposes angular movements of large amplitude compared to the acceptable tolerance on pointing of the antenna and accelerations.

Il faut rappeler à ce sujet que les différents modèles d'antennes dont l'emploi est recommandé par les organismes internationaux de télécommunication ont des caractéristiques très variées, en ce qui concerne d'une part la masse et l'inertie, d'autre part la précision de pointage requise. Le dispositif de stabilisation et de pointage d'antenne doit dans tous les cas tenir compte des caractéristiques propres à l'antenne choisie.It should be remembered in this connection that the different models of antennas recommended for use by international telecommunication organizations have very varied characteristics, with regard to mass and inertia on the one hand, and on the other hand pointing accuracy required. The antenna stabilization and pointing device must in all cases take account of the characteristics specific to the chosen antenna.

De nombreuses solutions ont été proposées depuis longtemps au problème de la stabilisation et du pointage d'organes portés par un navire. Parmi ces solutions, certaines (par exemple celles adoptées pour les télépointeurs et les canons sur navires de guerre) sont très complexes et exigent de disposer de références de cap et de verticale. Elles ne sont pas transposables sur les navires marchands du fait de leur coût élevé et de l'absence d'une référence de verticale, le gyrocompas d'un navire marchand ne fournissant en général qu'une référence de cap.Many solutions have been proposed for a long time to the problem of stabilization and pointing of organs carried by a ship. Among these solutions, some (for example those adopted for telepointers and guns on warships) are very complex and require to have heading and vertical references. They cannot be transposed to merchant ships due to their high cost and the absence of a vertical reference, the gyrocompass of a merchant ship generally only providing a heading reference.

Dans un passé récent, on a toutefois proposé des dispositifs de stabilisation d'antenne spécifiquement destinés aux télécommunications maritimes par satellite. Parmi ces derniers, on peut citer celui décrit dans la communication de M.B. Johnson intitulée "Antenna control for a ship terminal for MARISAT" (IEEE Conference Publication No. 160, 7.9 mars 1978) qui est du type comprenant, sur un socle, une monture munie de moyens d'orientation en gisement et portant un ensemble gyroscopique à deux degrés de liberté dont le cardan externe a un axe de rotation (axe X) perpendiculaire à l'axe de gisement et dont le cardan interne a un axe de rotation (axe Y) est orthogonal à l'axe X et qui 'est lié en pointage à l'antenne.In the recent past, however, antenna stabilization devices have been proposed specifically for use in maritime satellite communications. Among these, we can quote that described in the communication of MB Johnson entitled "Antenna control for a ship terminal for MARISAT" (IEEE Conference Publication No. 160, March 7, 1978) which is of the type comprising, on a base, a mount provided with means of orientation in bearing and carrying a gyroscopic assembly with two degrees of freedom whose external cardan joint has an axis of rotation (axis X) perpendicular to the bearing axis and whose internal cardan joint has an axis of rotation (Y axis) is orthogonal to the X axis and which 'is linked in pointing to the antenna.

Le dispositif décrit dans cet article, dont le type est couramment désigné "gisement-X-Y", utilise pour la stabilisation deux gyromètres montés sur l'arrière de l'antenne, destinés respectivement à stabiliser les axes X et Y. Mais ce dispositif exige une référence de verticale pour l'axe X, obtenue à l'aide d'un accéléromètre ou d'un inclinomètre monté sur l'axe de gisement. La tension issue de l'accéléromètre ou de l'inclinomètre est soustraite de la mesure de l'orientation en site de l'axe X. L'angle d'élévation ne peut être obtenu qu'à l'aide d'un filtrage à grande constante de temps.The device described in this article, the type of which is commonly designated "XY-deposit", uses for stabilization two gyros mounted on the rear of the antenna, intended respectively to stabilize the X and Y axes. But this device requires a vertical reference for the X axis, obtained using an accelerometer or an inclinometer mounted on the bearing axis. The voltage from the accelerometer or inclinometer is subtracted from the measurement of the elevation orientation of the X axis. The elevation angle can only be obtained by filtering at great time constant.

On voit que ces diverses particularités rendent le dispositif peu satisfaisant pour une utilisation sur des navires marchands de faible tonnage, dont l'équipement doit rester économique.We see that these various features make the device unsatisfactory for use on small tonnage merchant ships, whose equipment must remain economical.

On a également proposé des montures à quatre axes, comportant une plate-forme stabilisée autour d'axes de roulis et de tangage par un montage pendulaire et deux volants. Le dispositif de pointage est alors distinct. Il est porté par la plate-forme et permet l'orientation de l'antenne autour des axes de pointage classiques en azimut et en élévation. Une telle disposition est à l'évidence extrêmement complexe. Une autre disposition encore utilise une monture trois axes du type "gisement X,Y", mais à deux volants ayant chacun son propre cardan, ce qui augmente considérablement le coût et l'encombrement.Four-axis mounts have also been proposed, comprising a platform stabilized around roll and pitch axes by a pendulum assembly and two steering wheels. The pointing device is then separate. It is carried by the platform and allows the orientation of the antenna around the conventional pointing axes in azimuth and elevation. Such a provision is obviously extremely complex. Yet another arrangement uses a three-axis mount of the "X, Y deposit" type, but with two flywheels each having its own gimbal, which considerably increases the cost and the bulk.

L'invention vise à fournir un dispositif du type "gisement,X,Y" qui, tout en restant simple et économique, permet d'assurer le pointage et la stabilisation requis pour les antennes dont la masse et l'inertie sont celles couramment utilisées. Pour cela, l'invention utilise, pour assurer la stabilisation et le pointage, un seul et même volant dans des conditions telles que la nutation qui apparait en réponse aux couples appliqués et aux mouvements de précession qui en résultent pour orienter l'antenne se traduit par un mouvement parasite restant dans le domaine des tolérances acceptables.The invention aims to provide a device of the "deposit, X, Y" type which, while remaining simple and economical, makes it possible to provide the pointing and stabilization required for the antennas whose mass and inertia are those commonly used . For this, the invention uses, to ensure stabilization and pointing, a single steering wheel in conditions such as nutation which appears in response to the applied torques and the resulting movements of precession to orient the antenna. by a parasitic movement remaining in the domain acceptable tolerances.

De façon plus précise, l'invention propose un dispositif de stabilisation et de pointage du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que l'ensemble gyroscopique comporte un volant unique de moment cinétique important par rapport à l'inertie de l'antenne, en ce que chaque cardan est muni d'un moteur couple d'orientation commandé par une boucle dont le signal de réaction est fourni par un capteur d'orientation de l'autre cardan et en ce que les moyens d'orientation autour de l'axe de gisement sont prévus pour assurer approximativement le pointage moyen de l'antenne en gisement et, en conséquence, maintenir l'ensemble gyroscopique à proximité de la position canonique.More specifically, the invention provides a stabilization and pointing device of the type defined above, characterized in that the gyroscopic assembly comprises a single flywheel with a significant angular moment relative to the inertia of the antenna, in that each gimbal is provided with a torque orientation motor controlled by a loop, the reaction signal of which is supplied by an orientation sensor of the other gimbal, and in that the orientation means around the bearing axis are provided to approximately ensure the average pointing of the antenna in bearing and, consequently, to maintain the gyroscopic assembly near the canonical position.

En général, et sauf si le moment cinétique du volant est très élevé par rapport aux moments d'inertie autour des axes de cardan, chacune des boucles d'asservissement comportera des moyens de filtrage de caractéristiques déterminées en fonction des inerties des cardans, des paramètres des mouvements angulaires appliqués au socle et de la précision de pointage requise. Ces moyens de filtrage pourront notamment être constitués par des réseaux de retard de phase ayant une constante de temps largement supérieure à la période des sollicitations appliquées, en particulier à la période de houle.In general, and unless the angular momentum of the flywheel is very high compared to the moments of inertia around the cardan axes, each of the servo loops will include means for filtering characteristics determined according to the inertias of the cardan joints, parameters angular movements applied to the base and the required pointing precision. These filtering means may in particular be constituted by phase delay networks having a time constant much greater than the period of the applied stresses, in particular during the swell period.

Les moyens d'orientation autour de l'axe de gisement pourront comporter un motoréducteur d'entraînement en rotation, avantageusement par une liaison irréversible, et un circuit de commande en fonction du cap et de la valeur affichée de l'azimut du satellite, tandis que la boucle associée au cardan interne reçoit un signal de correction tenant compte des variations de gisement, l'écart Gis et y étant mesuré par le détecteur angulaire 40. L'asservissement de y l'oblige donc à suivre la direction de gisement et à conserver la position canonique.The orientation means around the bearing axis may include a geared motor for rotating, advantageously by an irreversible link, and a control circuit according to the heading and the displayed value of the azimuth of the satellite, while that the loop associated with the internal gimbal receives a correction signal taking account of variations in bearing, the difference Gis and y being measured by the angular detector 40. The enslavement of y therefore obliges it to follow the direction of bearing and to keep the canonical position.

Dans la pratique, le dispositif comportera en général un calculateur d'élaboration d'un signal d'élévation, appliqué à la boucle d'asservissement du premier cardan, et d'un signal d'azimut, appliqué au circuit de commande d'orientation en gisement, à partir du cap et de la longitude et de la latitude du véhicule (navire en général) porteur de l'antenne. La poursuite automatique est alors assurée par envoi de signaux de correction des écarts Δ x et Δ y qui se superposent aux informations calculées, azimut et élévation, pour annuler toutes les erreurs, y compris l'erreur de gfte. Ceci permet, en cas de perte du signal de réception, par exemple par effet de masque, ou d'évanouissement, de conserver la direction calculée, très proche de la direction du satellite. Ceci évite l'affolement de la direction de l'antenne qui travaillerait en boucle ouverte. Une solution plus rudimentaire comporte simplement des moyens d'affichage de l'azimut et de l'élévation déterminés à l'aide d'un calculateur séparé, qui peut être extrêmement simple puisqu'il n'a à effectuer que des calculs trigonométriques courants.In practice, the device will generally include a computer for developing an elevation signal, applied to the servo loop of the first gimbal, and an azimuth signal, applied to the orientation control circuit. in bearing, from the heading and the longitude and latitude of the vehicle (ship in general) carrying the antenna. Automatic tracking is then ensured by sending deviation correction signals Δ x and Δ y which are superimposed on the calculated information, azimuth and elevation, to cancel all errors, including the gfte error. This allows, in case of loss of the reception signal, for example by mask effect, or fading, to keep the calculated direction, very close to the direction of the satellite. This avoids the panic of the antenna direction which would work in open loop. A more rudimentary solution simply comprises means for displaying the azimuth and the elevation determined using a separate calculator, which can be extremely simple since it only has to perform common trigonometric calculations.

Dans une variante de réalisation, l'antenne, de révolution, est non seulement liée en pointage au volant, mais encore solidaire du volant ou substituée à lui, de façon que son moment cinétique contribue à la stabilisation ou l'assure.In an alternative embodiment, the antenna, of revolution, is not only linked in pointing to the steering wheel, but also integral with the steering wheel or substituted for it, so that its angular momentum contributes to stabilization or ensures it.

Il faut enfin noter que le dispositif proposé par l'invention se prête à des configurations extrêmement variées, notamment pour tenir compte du type d'antenne utilisé (antenne parabolique, antenne à quatre hélices,...) et qu'en particulier il n'est nullement indispensable que les axes X et Y soient concourants.Finally, it should be noted that the device proposed by the invention lends itself to extremely varied configurations, in particular to take account of the type of antenna used (parabolic antenna, antenna with four helices, etc.) and that in particular it does not 'is by no means essential that the X and Y axes are concurrent.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :

  • - la Figure 1 est un schéma de principe montrant les composants essentiels d'un dispositif de stabilisation suivant un mode particulier d'exécution, destiné à la stabilisation et au pointage d'une antenne sur navire,
  • - la Figure 2 est un schéma de principe des circuits d'asservissement du dispositif de la Figure 1,
  • - la Figure 3, similaire à une fraction de la Figure 2, i montre une variante de réalisation simplifiée,
  • - les Figures 4 et 5 montrent deux dispositions mécaniques des éléments mécaniques du dispositif suivant l'invention, en coupe suivant un plan de symétrie,
  • - la Figure 6 montre une autre variante encore de
réalisation de l'invention, dans laquelle le volant de stabilisation ist constitué par l'antenne entraînée en rotation autour de son axe de risée radioélectrique.The invention will be better understood on reading the following description of particular embodiments, given by way of nonlimiting examples. The description refers to the accompanying drawings, in which:
  • FIG. 1 is a block diagram showing the essential components of a stabilization device according to a particular embodiment, intended for the stabilization and pointing of an antenna on a ship,
  • FIG. 2 is a block diagram of the control circuits of the device of FIG. 1,
  • FIG. 3, similar to a fraction of FIG. 2, i shows a simplified variant embodiment,
  • FIGS. 4 and 5 show two mechanical arrangements of the mechanical elements of the device according to the invention, in section along a plane of symmetry,
  • - Figure 6 shows yet another variant of
embodiment of the invention, in which the stabilization flywheel ist constituted by the antenna driven in rotation about its radio laughing axis.

Le dispositif d'asservissement et de pointage d'une antenne en hélice 10 d'axe de visée Z schématisé sur la Figure 1 est destiné à équi- )er un navire 12 muni d'un gyrocompas 14 fournissant une référence de cap (angle e entre la ligne de foi du navire et le Nord géographique) sur une sortie 16. Le dispositif comporte une monture du type dit "gisement-X-Y". Cette monture comprend un socle 18 fixé au navire et portant des paliers ou pivots définissant un axe de gisement G autour duquel peut tourner, sous l'action d'un motoréducteur de gisement 20, un équipage 22 dont l'orientation est donnée par le signal de sortie d'un détecteur de gisement 24. L'équipage 22 est solidaire du boîtier d'un système gyroscopique et porte donc à son tour, par l'intermédiaire de paliers 26 définissant un axe X (axe d'élévation), perpendiculaire à l'axe de gisement G, un cardan externe 28 muni d'un moteur couple 30 et d'un détecteur d'orientation 32. Le cardan externe porte à son tour, par des paliers 34 définissant un axe Y orthogonal à l'axe X, un cardan interne 36 muni d'un moteur couple 38 et d'un détecteur d'orientation 40. L'antenne 10 est, dans le mode de réalisation montré en Figure 1, fixée au cardan interne 36.The slaving and pointing device of a helical antenna 10 with a viewing axis Z shown diagrammatically in FIG. 1 is intended to equip a ship 12 provided with a gyrocompass 14 providing a heading reference (angle e between the main line of the ship and the geographic North) on an exit 16. The device comprises a frame of the type known as "deposit-XY". This mount comprises a base 18 fixed to the ship and carrying bearings or pivots defining an axis of bearing G around which a crew 22 whose rotation is given by the signal can rotate under the action of a bearing geared motor 20 output of a field detector 24. The crew 22 is integral with the housing of a gyroscopic system and therefore carries in turn, by means of bearings 26 defining an axis X (elevation axis), perpendicular to the bearing axis G, an external universal joint 28 provided with a torque motor 30 and an orientation detector 32. The external universal joint carries in turn, by bearings 34 defining an axis Y orthogonal to the axis X , an internal gimbal 36 provided with a torque motor 38 and an orientation detector 40. The antenna 10 is, in the embodiment shown in FIG. 1, fixed to the internal gimbal 36.

Dans ce cardan interne 36 tourne un volant gyroscopique 41 entraîné à vitesse constante w par un moteur non représenté autour de l'axe de visée Z de façon à présenter un moment cinétique H dont on verra plus loin qu'il doit présenter une valeur minimale fonction de l'inertie de l'antenne et de la précision de stabilisation requise.In this internal gimbal 36 rotates a gyroscopic flywheel 41 driven at constant speed w by a motor not shown around the sighting axis Z so as to present a angular momentum H which we will see later that it must have a minimum function value antenna inertia and required stabilization accuracy.

Le volant 41 et l'antenne 10 sont disposés de façon que les cardans soient en équilibrage statique.The steering wheel 41 and the antenna 10 are arranged so that the gimbals are in static balance.

Arrivé à ce stade de la description, il peut être utile de rappeler quelques indications sur les propriétés d'un gyroscope libre à deux degrés de liberté, tel que celui constitué par le volant 41 et les cardans qui le portent.At this stage of the description, it may be useful to recall some indications on the properties of a free gyroscope with two degrees of freedom, such as that constituted by the steering wheel 41 and the cardan shafts which carry it.

On sait que la direction du moment cinétique H peut occuper une direction quelconque dans l'espace et reste en équilibre indifférent quelles que soient les accélérations subies, si on fait abstraction des couples de frottement dans les paliers. La somme des couples extérieurs est nulle et la direction du moment cinétique À reste fixe dans l'espace absolu.We know that the direction of the angular momentum H can occupy any direction in space and remains in indifferent equilibrium whatever the accelerations undergone, if we disregard the friction couples in the bearings. The sum of the external couples is zero and the direction of the angular momentum A remains fixed in absolute space.

Cette propriété ne subsiste toutefois qu'à condition que les déplacements n'amènent pas l'axe X parallèle à H car on perd alors un degré de liberté dans cette configuration dite "interdite".This property remains however only on condition that the displacements do not bring the axis X parallel to H because one then loses a degree of freedom in this configuration known as "prohibited".

Dansle cas d'un montage direct à deux degrés de liberté sur un navire pouvant prendre n'importe quelle route, on voit que, lorsque H est horizontal,on pourrait arriver dans la configuration interdite par giration du navire autour de son axe de lacet. Cette situation est évitée, dans le cas de l'invention, par orientation de l'équipage mobile autour de l'axe de gisement G afin de donner approximativement à l'équipage 22 le pointage en site pour lequel les cardans sont en position canonique (axes X, Y et Z définissant un trièdre trirectangle) lorsque le navire est dans son attitude normale.In the case of a direct assembly with two degrees of freedom on a ship that can take any route, we see that, when H is horizontal, we could arrive in the configuration prohibited by gyration of the ship around its yaw axis. This situation is avoided, in the case of the invention, by orientation of the moving assembly around the bearing axis G in order to give approximately to the crew 22 the pointing in elevation for which the universal joints are in canonical position ( X, Y and Z axes defining a triangular trihedron) when the ship is in its normal attitude.

Pour cela, le motoréducteur 20 est commandé par une boucle de pointage qui comporte un circuit additionneur 42 destiné à combiner les signaux reçus :

  • - de la sortie 16 du gyrocompas 14 indiquant le cap e du navire,
  • - d'une entrée 44 d'affichage du gisement dans l'attitude normale du navire,
  • - du détecteur de gisement 24, qui fournit un signal de réaction.
For this, the gearmotor 20 is controlled by a pointing loop which includes an adder circuit 42 intended to combine the signals received:
  • - from exit 16 of gyrocompass 14 indicating the ship's course,
  • an input 44 for displaying the deposit in the normal attitude of the ship,
  • - the deposit detector 24, which provides a reaction signal.

Le signal élaboré par l'additionneur 42 est porté par un amplificateur 46 à un niveau suffisant pour actionner le motoréducteur 20.The signal produced by the adder 42 is brought by an amplifier 46 to a level sufficient to actuate the gearmotor 20.

Il faut noter au passage que le motoréducteur 20 présente avantageusement un rapport de réduction suffisant pour être irréversible. Dans ces conditions, les couples que peuvent créer les accélérations horizontales imposées au navire sont sans effet sur l'orientation autour de l'axe de gisement G.It should be noted in passing that the geared motor 20 advantageously has a reduction ratio sufficient to be irreversible. Under these conditions, the torques that the horizontal accelerations imposed on the ship can create have no effect on the orientation around the bearing axis G.

On a vu plus haut que le pointage est réalisé en utilisant la précession du volant 41 de l'ensemble gyroscopique.We have seen above that the pointing is carried out using the precession of the steering wheel 41 of the gyroscopic assembly.

Il faut rappeler à ce sujet que l'application par le moteur 38 d'un couple Ci sur le cardan intérieur d'un gyroscope à deux degrés de liberté provoque une précession du cardan externe autour de l'axe X à vitesse we :

Figure imgb0001
donc une variation de l'angle de pointage en élévation ψ par rapport à l'horizontale, c'est-à-dire une rotation autour de l'axe X.On this subject, it should be remembered that application by the motor 38 of a torque Ci on the inner gimbal of a gyroscope with two degrees of freedom causes a precession of the outer gimbal around the X axis at speed w e :
Figure imgb0001
therefore a variation of the pointing angle in elevation ψ relative to the horizontal, that is to say a rotation around the axis X.

L'effet d'un couple moteur Ce appliqué par le moteur 30 se décompose de son côté en deux actions :

  • - une composante normale au plan du cardan extérieur 28, absorbée par les paliers 26,
  • - une composante normale au plan du cardan intérieur, égale à Ce/Sin, qui provoque la précession du cardan interne à vitesse ωi et qui est équilibrée par le couple gyroscopique µωi.
The effect of an engine torque This applied by the engine 30 is broken down into two actions:
  • a component normal to the plane of the outer gimbal 28, absorbed by the bearings 26,
  • - a component normal to the plane of the internal cardan, equal to Ce / Sin, which causes the precession of the internal cardan at speed ω i and which is balanced by the gyroscopic couple µ couple i .

On peut résumer ce rappel en disant que l'application d'un couple sur l'un des cardans modifie la direction de l'autre cardan par précession, de sorte qu'on peut pointer la direction du moment cinétique H dans une direction quelconque donnée en appliquant un couple à l'un ou l'autre des cardans.We can summarize this reminder by saying that the application of a torque on one of the universal joints modifies the direction of the other universal joint by precession, so that we can point the direction of the angular momentum H in any given direction by applying a torque to either of the universal joints.

Les explications qui précèdent supposent toutefois que les cardans sont parfaitement équilibrés et que le volant reste parfaitement fixe dans l'espace. Dans la réalité, il n'est pas possible d'annuler complètement les balourds dans toutes les positions et d'éviter les effets d'anisoélasticité. Il en résulte une dérive ou un écart de pointage qui devront être périodiquement rattrapés.The foregoing explanations, however, assume that the gimbals are perfectly balanced and that the steering wheel remains perfectly fixed in space. In reality, it is not possible to completely cancel unbalances in all positions and avoid the effects of anisoelasticity. This results in a drift or a score difference which must be periodically caught up.

Par ailleurs, les indications qui précèdent supposent le mouvement de précession établi. Mais il existe une phase transitoire entre l'application du couple et l'apparition d'une vitesse angulaire de précession. Le calcul montre que, lors de l'application d'un couple, apparaft un mouvement périodique de nutation à une pulsation ω0. Si par exemple on applique instantanément un couple Ce au cardan externe, il se superpose au mouvement de précession :

  • - une variation de l'angle β entre la direction du cardan interne et X, avec une amplitude β max = Ce I1 /H2 (I1 désignant l'inertie du cardan interne 36 autour de son axe de rotation Y),
  • - un mouvement de nutation du cardan interne, avec une pulsation ω0 et une amplitude maximum Ce/Hω0.
Furthermore, the above indications assume the established precession movement. But there is a transitional phase between the application of the torque and the appearance of an angular speed of precession. The calculation shows that, when applying a torque, a periodic nutation movement occurs at a pulse ω0. If, for example, an instantaneous torque Ce is applied to the external universal joint, it is superimposed on the precession movement:
  • a variation of the angle β between the direction of the internal gimbal and X, with an amplitude β max = Ce I 1 / H 2 (I 1 designating the inertia of the internal gimbal 36 around its axis of rotation Y),
  • - a nutation movement of the internal gimbal, with a pulsation ω 0 and a maximum amplitude C e / Hω 0 .

On voit que, pour limiter l'amplitude de la nutation, il sera nécessaire de limiter la valeur des couples Ce et Ci à une valeur faible, ce qui impliquera une vitesse de pointage faible (de l'ordre de quelques degrés par seconde dans la pratique) et de donner au moment cinétique H une valeur aussi élevée que possible.We see that, to limit the amplitude of nutation, it will be necessary to limit the value of the pairs C e and Ci to a low value, which will imply a low pointing speed (of the order of a few degrees per second in practice) and give the angular momentum H as high a value as possible.

En général, l'antenne de télécommunication d'un navire est montée dans les superstructures, pour avoir un champ de visée dégagé. Elle est par exemple en tête de mât. La monture est donc soumise non seulement aux mouvements angulaires de roulis, tangage et lacet, mais aussi à des accélérations périodiques de levée, d'embardée et d'accélération horizontale. Dans la pratique, l'amplitude en roulis et en tangage peut aller jusqu'à ±30°In general, the telecommunication antenna of a ship is mounted in the superstructures, to have a clear field of view. It is for example at the top of the mast. The frame is therefore subjected not only to the angular movements of roll, pitch and yaw, but also to periodic accelerations of lifting, swerving and horizontal acceleration. In practice, the amplitude in roll and pitch can be up to ± 30 °

Ces conditions d'emploi ayant été définies, on examinera maintenant comment s'effectue la stabilisation et le pointage et quelles sont les conditions à remplir pour obtenir la précision requise.These conditions of use having been defined, we will now examine how stabilization and pointing are carried out and what are the conditions to be fulfilled to obtain the required precision.

Stabilisation :Stabilization:

La stabilisation de l'antenne est assurée de façon passive par la raideur gyroscopique du volant 41. Si les cardans sont équilibrés, c'est-à-dire que le centre de gravité de chaque ensemble tournant est sur son axe, les accélérations et mouvements angulaires ne provoquent aucun couple et seule subsiste une précession périodique résiduelle de valeur moyenne nulle sur un temps suffisamment long devant la période de roulis et de tangage. Cette précession, constituant erreur de pointage, conserve une valeur très faible si le moment cinétique H est assez grand. Dans la pratique, la précision demandée ne dépassant pas quelques degrés, cette oscillation est peu gênante.Stabilization of the antenna is ensured passively by the gyroscopic stiffness of the steering wheel 41. If the gimbals are balanced, that is to say that the center of gravity of each rotating assembly is on its axis, the accelerations and movements angular causes no torque and only remains a residual periodic precession of zero mean value over a sufficiently long time before the period of roll and pitch. This precession, constituting pointing error, retains a very low value if the angular momentum H is large enough. In practice, the precision requested does not exceed a few degrees, this oscillation is not a problem.

Mais il faut remarquer que les détecteurs angulaires 32 et 40 mesurent les mouvements des cardans qu'implique la stabilisation alors que le boîtier est soumis à un roulis et un tangage qui peuvent atteindre ± 30°. Pour éviter l'apparition d'une précession parasite périodique provoquée par la mise en action des moteurs 30 et 38, il est nécessaire de filtrer le signa de sortie des détecteurs 32 et 40, sauf si la constante de temps du système gyroscopique est suffisamment grande pour que la précession parasite reste inférieure à la précision demandée. Dans le cas représenté sur la Figure 2, chaque détecteur 32 ou 40 est suivi d'un filtre constitué par un réseau à retard de phase 48 ou 50, qui peut présenter une constante de temps de l'ordre de 1 mn. Ainsi, on ne laisse subsister dans le signal de sortie du détecteur angulaire en X 32 que la composante représentant l'angle d'élévation moyen, en écartant les composantes dues au roulis et au tangage du signal de sortie du détecteur. I peut néanmoins subsister une erreur de gîte corrigée par le fonctionnement en poursuite automatique.But it should be noted that the angle detectors 32 and 40 measure the movements of the universal joints involved in stabilization while the housing is subjected to rolling and pitching which can reach ± 30 °. To avoid the appearance of a periodic parasitic precession caused by the actuation of the motors 30 and 38, it is necessary to filter the output signal of the detectors 32 and 40, unless the time constant of the gyroscopic system is sufficiently large so that the parasitic precession remains lower than the requested precision. In the case shown in Figure 2, each detector 32 or 40 is followed by a filter constituted by a phase delay network 48 or 50, which can have a time constant of the order of 1 min. Thus, only the component representing the average elevation angle is left in the output signal of the angular detector at X 32, while excluding the components due to the roll and pitch of the detector output signal. I can nevertheless remain a heeling error corrected by the automatic tracking operation.

Quant à la stabilisation autour de l'axe de gisement en cas de mouvement de lacet ou de giration du navire, elle est assurée en réponse aux modifications du signal émis par le gyrocompas et représentant le cap e du navire.As for stabilization around the bearing axis in the event of yaw movement or gyration of the ship, it is ensured in response to changes in the signal emitted by the gyrocompass and representing the ship's course.

Pointage :Score:

Le pointage de l'antenne a pour but de maintenir celle-ci dirigée vers le satellite et doit donc intervenir chaque fois que la direction du satellite change par rapport au navire, ce qui se produit à la suite d'une modification de la position du navire et/ou d'une modification de cap.The aim of the antenna is to keep it directed towards the satellite and must therefore intervene each time the direction of the satellite changes relative to the ship, which occurs following a change in the position of the vessel and / or course change.

On définit généralement la direction du satellite par son azimut et son élévation. L'azimut Az est l'angle dans le plan horizontal entre la direction du satellite et le Nord géographique. L'élévation El est l'angle formé dans le plan vertical par la direction du satellite et l'horizontale. Ces deux angles sont fonction de la longitude Lo et de la latitude La du navire. Le mode de réalisation de la Figure 2 comporte un calculateur 52 d'élaboration des angles d'azimut et d'élévation Az et El du satellite en fonction de données mémorisées sur la position du satellite, généralement géostationnaire, et de données d'entrée constituées par le cap e provenant du gyrocompas 14 et par la longitude et la latitude, introduites par affichage. L'élaboration de Az et El n'exige que des calculs trigonométriques classiques qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici.The direction of the satellite is generally defined by its azimuth and its elevation. The azimuth Az is the angle in the horizontal plane between the direction of the satellite and the geographic North. The elevation El is the angle formed in the vertical plane by the direction of the satellite and the horizontal. These two angles are a function of the longitude Lo and the latitude La of the ship. The embodiment of FIG. 2 comprises a computer 52 for developing the azimuth and elevation angles Az and El of the satellite as a function of data stored on the position of the satellite, generally geostationary, and of input data constituted by the heading e coming from the gyrocompass 14 and by the longitude and the latitude, introduced by display. The elaboration of Az and El requires only classical trigonometric calculations which it is not necessary to describe here.

Le signal de sortie Az, constitué par exemple par une tension proportionnelle à l'angle d'azimut, est appliqué à l'additionneur 42 qui reçoit également le signal de réaction provenant du détecteur 24. Le signal d'erreur résultant est envoyé à l'amplificateur 46 par l'intermédiaire d'un réseau correcteur d'avance de phase 54 qui permet d'améliorer dans une certaine mesure les performances de l'asservissement en gisement.The output signal Az, constituted for example by a voltage proportional to the azimuth angle, is applied to the adder 42 which also receives the reaction signal from the detector 24. The resulting error signal is sent to the amplifier 46 by means of a phase advance correction network 54 which makes it possible to improve to a certain extent the performances of the servo in field.

Dans la pratique, le détecteur 24 pourra être constitué par un potentiomètre multitour couplé, par un engrenage réducteur, à une roue dentée 56 solidaire de l'équipage 22 et engrenée par le pignon de sortie du motoréducteur 20.In practice, the detector 24 may consist of a multiturn potentiometer coupled, by a reduction gear, to a toothed wheel 56 secured to the crew 22 and meshed by the output pinion of the gearmotor 20.

Il existe évidemment un décalage dans le temps entre deux affichages. successifs de la position du navire (longitude et latitude). La marche du navire fait en conséquence une erreur croissante entre la position affichée et la position réelle. Dans le mode de réalisation montré en Figure 2. cette erreur est corrigée oar des moyens de poursuite automatique qui comprennent un écartomètre 53 qui fournit des tensions de sortie ΔX et ΔY correspondant respectivement à la correction de l'erreur en élévation et à la correction de l'erreur en azimut. La boucle de commande du moteur couple 38 du cardan interne comporte alors un additionneur analogique 60 qui reçoit les signaux El et àX, ainsi que le signal de contre-réaction filtré provenant du détecteur 32. Le signal de sortie est amplifié dans un amplificateur deux quadrants 62 ou appliqué à un relais polarisé pour commander le moteur 38. De façon similaire, la boucle de commande du moteur couple 30 comporte, en plus du détecteur 40, un additionneur 64 et un amplificateur 66. Mais l'action du moteur 30 ne visera toujours qu'à donner au cardan interne 36 qu'un écart faible par rapport à la position canonique, l'orientation en azimut étant essentiellement assurée par le motoréducteur 20. lors de la rotation toujours lente, en azimut, le détecteur 40 fournit un signal qui provoque l'intervention du moteur 30 et le maintien du pointage de l'antenne 60.There is obviously a time difference between two displays. of the vessel's position (longitude and latitude). The progress of the ship therefore makes an increasing error between the displayed position and the actual position. In the embodiment shown in FIG. 2, this error is corrected by automatic tracking means which include a distance meter 53 which provides output voltages ΔX and ΔY corresponding respectively to the correction of the error in elevation and to the correction of the azimuth error. The control loop of the torque motor 38 of the internal gimbal then includes an analog adder 60 which receives the signals El and aX, as well as the filtered feedback signal from the detector 32. The output signal is amplified in a two-quadrant amplifier 62 or applied to a polarized relay to control the motor 38. Similarly, the torque motor control loop 30 comprises, in addition to the detector 40, an adder 64 and an amplifier 66. But the action of the motor 30 will not be aimed always to give the internal gimbal 36 only a slight deviation from the canonical position, the azimuth orientation being essentially provided by the geared motor 20. during rotation always slow, in azimuth, the detector 40 provides a signal which causes the intervention of the motor 30 and the maintenance of the pointing of the antenna 60.

Le dispositif peut être complété par des moyens 68 de visualisation des valeurs réelles du gisement et de l'élévation donnés à l'antenne, constitués par des voltmètres d'affichage des tensions de sortie des détecteurs 32 et 40, éventuellement après filtrage.The device can be supplemented by means 68 for viewing the actual values of the deposit and the elevation given to the antenna, constituted by voltmeters for displaying the output voltages of the detectors 32 and 40, possibly after filtering.

Lorsque les trois boucles de commande sont ainsi fermées, le volant se trouve fixé par rapport à l'espace, c'est-à-dire au satellite géostationnaire.When the three control loops are thus closed, the steering wheel is fixed relative to space, that is to say to the geostationary satellite.

On peut utiliser, au lieu du dispositif de la Figure 2, une version simplifiée et très économique, telle que celle montrée en Figure 3, qui ne comporte plus de calculateur d'élaboration de l'azimut et de l'élévation. Ces valeurs doivent être calculées hors ligne, par exemple à l'aide d'une calculatrice programmée 70, puis affichées sur un pupitre 72 qui se substitue au calculateur 52, le reste du montage étant inchangé.One can use, instead of the device of Figure 2, a simplified and very economical version, such as that shown in Figure 3, which no longer includes a calculator for developing the azimuth and elevation. These values must be calculated offline, for example using a programmed calculator 70, then displayed on a desk 72 which replaces the calculator 52, the rest of the assembly being unchanged.

Le pointage en gisement a pour but d'éviter la venue en configuration interdite. L'axe Y est presque vertical, aux basses élévations, c'est-à-dire dans les conditions où peut se produire la configuration interdite, l'axe Y est presque vertical et la fixité du volant corrige par la suite l'erreur en gisement, provoquée par exemple par les erreurs dues à la cinématique des cardans en cas de mer forte.The aim of pointing in a field is to avoid coming into a prohibited configuration. The Y axis is almost vertical, at low elevations, that is to say in the conditions where the prohibited configuration can occur, the Y axis is almost vertical and the fixity of the steering wheel subsequently corrects the error in deposit, caused for example by errors due to the kinematics of cardan joints in heavy seas.

On décrira maintenant des constitutions matérielles des parties mécaniques du dispositif particulièrement adaptées à différents types d'antennes, qui diffèrent par leur masse, 'leur inertie et la précision de pointage qu'elles requièrent.There follows a description of material constitutions of mechanical parts of the device particularly suited to different types of antennas, which differ in their masses' inertia and they require pointing accuracy.

La masse de l'antenne n'est pas négligeable et, pour équilibrer les cardans, on sera amené à déporter le volant par rapport aux axes X et Y, plutôt qu'à ajouter des masses additionnelles importantes qui augmentent considérablement l'inertie. Mais des masselottes réglables seront en général prévues pour réaliser l'équilibrage fin autour des axes X et Y, bien qu'une résiduelle d'équilibrage soit tolérable puisque toutes les dérives en position du système gyroscopique sont décelées dans les détecteurs angulaires 32 et 40 lorsque les boucles d'asservissement sont fermées.The mass of the antenna is not negligible and, to balance the gimbals, we will have to move the steering wheel relative to the X and Y axes, rather than adding significant additional masses which considerably increase the inertia. But adjustable weights will generally be provided to achieve fine balancing around the X and Y axes, although a residual balancing is tolerable since all the drifts in position of the gyroscopic system are detected in the angular detectors 32 and 40 when the control loops are closed.

L'inertie de l'antenne agit sur la stabilité et sur la fréquence de nutation et toute augmentation de cette inertie oblige, à stabilité donnée, à augmenter le moment cinétique H = I., du volant (I étant le moment d'inertie du volant). Cette action conduira à rapprocher au maximum l'antenne des axes de rotation X et Y pour diminuer l'inertie. Mais, malgré cela, tout accroissement des dimensions de l'antenne, par exemple pour accroître sa directivité, doit s'accompagner d'une augmentation du moment cinétique H.The inertia of the antenna acts on the stability and on the nutation frequency and any increase in this inertia forces, at given stability, to increase the angular momentum H = I., of the steering wheel (I being the moment of inertia of the steering wheel). This action will result in bringing the antenna as close as possible to the axes of rotation X and Y to reduce the inertia. However, despite this, any increase in the dimensions of the antenna, for example to increase its directivity, must be accompanied by an increase in the angular momentum H.

Cette augmentation peut s'effectuer par accroissement de la vitesse w du volant qui a l'avantage de n'amener aucune inertie supplémentaire. Mais, dans la pratique, du moins si l'on utilise des paliers constitués par des roulements à bille, l'obtention d'une durée de vie satisfaisante (environ 50 000 h) interdit de dépasser une vitesse d'environ 6000 t/mn. On est donc conduit à augmenter les dimensions du volant, mais la force centrifuge constitue alors un facteur de limitation, la vitesse circonférentielle ne devant pas en pratique dépasser 120 m/s.This increase can be carried out by increasing the speed w of the flywheel which has the advantage of bringing no additional inertia. However, in practice, at least if bearings using ball bearings are used, obtaining a satisfactory service life (approximately 50,000 h) prohibits exceeding a speed of approximately 6,000 rpm . We are therefore led to increase the dimensions of the flywheel, but the centrifugal force then constitutes a limiting factor, the circumferential speed should not in practice exceed 120 m / s.

En conséquence, du moins lorsqu'on utilise des roulements classiques, le dispositif suivant l'invention ne permet que de stabiliser des antennes de dimension moyenne, dont le diamètre ne dépasse pas 1 m dans le cas d'une antenne parabolique. Dans le cas d'une antenne plane à réseau phasé, on peut accepter des dimensions plus importantes du fait de l'inertie réduite.Consequently, at least when conventional bearings are used, the device according to the invention only allows stabilizing medium-sized antennas, the diameter of which does not exceed 1 m in the case of a parabolic antenna. In the case of a flat phased array antenna, larger dimensions can be accepted due to the reduced inertia.

Bien entendu, des dimensions plus importantes peuvent être obtenues si l'on utilise des paliers magnétiques à suspension active ou des paliers hydrodynamiques qui permettent d'adopter des vitesses de volant élevées.Of course, larger dimensions can be obtained if magnetic bearings with active suspension or hydrodynamic bearings are used which make it possible to adopt high flywheel speeds.

On décrira maintenant, à titre d'exemples, deux dispositifs destinés, l'un, au pointage d'une antenne à quatre hélices, l'autre au pointage d'une antenne parabolique.We will now describe, by way of example, two devices intended, one for pointing a four-helix antenna, the other for pointing a parabolic antenna.

La Figure 4. où les organes correspondant à ceux de la Figure 1 portent le même numéro de référence, montre le dispositif d'orientation d'une antenne 10 à quatre hélices alors que l'antenne est pointée au zénith sur un navire dont le roulis et le tangage se traduisent par une inclinaison a de l'axe de visée radioélectrique Z sur l'axe G, dans le plan GX. On retrouve sur la Figure 3 l'équipage mobile 22, constitué par un anneau de gisement qui tourne dans des roulements prévus dans le socle 18. L'anneau 22 porte le cardan 28 orientable autour de l'axe X par l'intermédiaire d'une broche 74 et de roulements 26. Le cardan 36 orientable autour de l'axe Y tourne sur le cardan 28 dans des roulements non visibles sur la Figure. On voit que le cardan "externe" 28 est ainsi logé à l'intérieur du cardan "interne" 36, ce qui simplifie la fabrication mécanique. Le moteur couple 30 est placé directement autour de la broche 74.Figure 4 . where the members corresponding to those of Figure 1 have the same reference number, shows the orientation device of an antenna 10 with four helices then that the antenna is pointed at the zenith on a ship whose roll and pitch result in an inclination a of the radio line of sight Z on the axis G, in the plane GX. We find in Figure 3 the moving element 22, consisting of a bearing ring which rotates in bearings provided in the base 18. The ring 22 carries the gimbal 28 orientable around the axis X by means of a spindle 74 and bearings 26. The universal joint 36 orientable around the Y axis rotates on the universal joint 28 in bearings not visible in the Figure. It can be seen that the "external" universal joint 28 is thus housed inside the "internal" universal joint 36, which simplifies mechanical manufacture. The torque motor 30 is placed directly around the spindle 74.

AU cardan 36 sont fixés l'antenne 10 et le carter 76 contenant le volant 41 et son moteur d'entrafnement 78 (moteur à hystérésis par exemple). L'antenne 10 et le volant sont placés de part et d'autre de l'axe Y de façon à réaliser un équilibrage approché, qui peut être parfait à l'aide d'une masselotte réglable d'équilibrage en Y,80. Une autre masselotte 82, dont la position sur le cardan 36 est réglable, permet d'assurer l'équilibrage en Y.AT the gimbal 36 are fixed the antenna 10 and the casing 76 containing the flywheel 41 and its drive motor 78 (hysteresis motor for example). The antenna 10 and the steering wheel are placed on either side of the Y axis so as to achieve approximate balancing, which can be perfect using an adjustable Y balancing weight, 80. Another counterweight 82, the position of which on the universal joint 36 is adjustable, ensures balancing in Y.

Dans cette disposition, les axes X, Y et G sont concourants, ce qui permet de donner au radôme 84 de protection de l'antenne une valeur proche de sa valeur minimum théorique.In this arrangement, the axes X, Y and G are concurrent, which makes it possible to give the radome 84 for protecting the antenna a value close to its theoretical minimum value.

Une telle disposition peut être adoptée pour une antenne standard B du projet IMMARSAT ou M5 du projet P ROSAT destinée à fournir un gain d'environ 15 dB à 1,5 GHz et qui exige une précision de pointage de 6°. On arrive à maintenir une précision de ! 1,3° jusqu'à des angles de roulis- tangage de t 30° pour une monture située à 30 m de l'axe de roulis, sans montage de réseau correcteur à la sortie des détecteurs angulaires 32 et 40. avec un poids d'antenne, avec le volant, ne dépassant pas 3,8 kg le volant ayant un moment d'inertie de 4,82 kg.m2/sec. tournant à 6000 t/mn.Such a provision can be adopted for a standard antenna B of the IMMARSAT project or M5 of the P ROSAT project intended to provide a gain of approximately 15 dB at 1.5 GHz and which requires a pointing accuracy of 6 °. We manage to maintain an accuracy of! 1.3 ° up to rolling angles of t 30 ° for a mount located 30 m from the roll axis, without mounting of a corrector network at the output of the angle detectors 32 and 40. with a weight d antenna, with the steering wheel, not exceeding 3.8 kg the steering wheel having a moment of inertia of 4.82 kg.m 2 / sec. turning at 6000 rpm.

La variante de réalisation montrée en Figure 5, où les organes correspondant à ceux de la Figure 4 portent encore le même numéro de référence, est destinée au pointage et à la stabilisation d'une antenne parabolique fournissant un gain de 20 d3 à 1,5 GHz, ce qui exige une précision de i 2°. L'inertie de cette antenne étant supérieure à celle de l'antenne envisagée à propos de la Figure 3, le volant 41 doit avoir 17 kg.m2/sec. pour un poids de 5,5 kg.The variant embodiment shown in FIG. 5, where the members corresponding to those of FIG. 4 still bear the same reference number, is intended for pointing and stabilizing a parabolic antenna providing a gain of 20 d3 at 1.5 GHz, which requires an accuracy of i 2 °. The inertia of this antenna being greater than that of the antenna envisaged in connection with FIG. 3, the flywheel 41 must have 17 kg.m 2 / sec. for a weight of 5.5 kg.

La disposition montrée en Figure 5 se différencie essentiellement de celle de la Figure 4 par le fait que les axes X et Y ne sont pas concourants, ce qui permet de diminuer l'inertie de l'ensemble tout en conservant le même angle de roulis maximum α. Si en effet l'axe X avait coupé l'axe Y au point 0 (Figure 4), il aurait été nécessaire d'allonger la distance OS entre l'axe Y et le fond de l'antenne et, donc, d'augmenter considérablement l'inertie, qui croît comme deux fois le carré de cette distance. En contrepartie, une masse additionnelle d'équilibrage, qui peut être contenue dans la case à équipement 86, doit être placée sur la face inférieure du cardan externe 28 pour ramener le centre de gravité en 0. La précision requise peut être obtenue à l'aide d'un volant tournant à 3000 t/mn et présentant un moment cinétique de 18 kg.m2/s tournant dans des roulements à bille sous précontrainte.The arrangement shown in Figure 5 differs essentially from that of Figure 4 by the fact that the axes X and Y are not concurrent, which allows to reduce the inertia of the whole while maintaining the same maximum roll angle α. If indeed the X axis had cut the Y axis at point 0 (Figure 4), it would have been necessary to extend the distance OS between the Y axis and the bottom of the antenna and, therefore, to increase considerably the inertia, which increases as twice the square of this distance. In return, an additional balancing mass, which can be contained in the equipment box 86, must be placed on the underside of the external gimbal 28 to bring the center of gravity to 0. The required precision can be obtained at using a flywheel rotating at 3000 rpm and having a angular momentum of 18 kg.m 2 / s rotating in ball bearings under pretension.

D'autres modes de mise en oeuvre de l'invention sont encore possibles et, en particulier, dans le cas d'une antenne de révolution, cette dernière peut être utilisée comme volant, pour compléter l'action du volant 41 de la Figure 1 ou s'y substituer.Other embodiments of the invention are also possible and, in particular, in the case of a revolution antenna, the latter can be used as a flywheel, to complete the action of the flywheel 41 in FIG. 1 or replace it.

A titre d'exemple, la Figure 6 montre un dispositif de stabilisation d'antenne parabolique disque 10 dans lequel on utilise cette antenne, entraînée en rotation par le moteur 78 autour de l'axe Z, comme volant de stabilisation. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'utiliser un contact tournant sur les jonctions électriques de l'antenne avec les parties fixes. Sur la Figure 6, le dispositif de pointage est du type montré en Figure 3 et les mêmes numéros de référence ont été utilisés. Cette solution est utilisable pour des antennes de faible diamètre. par exemple, elle peut être envisagée pour une antenne disque de 0,85 m de diamètre tournant à une vitesse angulaire de 200 t/mn et présentant un moment cinétique de 15 N.m.s.By way of example, FIG. 6 shows a device for stabilizing a parabolic disk antenna 10 in which this antenna, used in rotation by the motor 78 around the axis Z, is used as a stabilization wheel. In this case, it is not necessary to use a rotating contact on the electrical junctions of the antenna with the fixed parts. In Figure 6, the pointing device is of the type shown in Figure 3 and the same reference numbers have been used. This solution can be used for small diameter antennas. for example, it can be envisaged for a 0.85 m diameter disk antenna rotating at an angular speed of 200 rpm and having a moment kinetics of 15 Nms

De nouveau, pour modifier la position de l'axe Z, on utilise la précession gyroscopique, un couple appliqué autour de l'axe X provoquant une vitesse de sortie autour de l'axe Y et inversement. On remarquera que, dans le mode de réalisation illustré, l'axe Z est décalé par rapport à l'axe de gisement G, au lieu d'être confondu avec lui, lorsque l'antenne vise le zénith.Again, to modify the position of the Z axis, gyroscopic precession is used, a torque applied around the X axis causing an exit speed around the Y axis and vice versa. It will be noted that, in the illustrated embodiment, the axis Z is offset with respect to the axis of deposit G, instead of being confused with it, when the antenna is aimed at the zenith.

Claims (12)

1. Dispositif de stabilisation et de pointage d'antenne sur navire, comprenant, sur un socle (18), une monture munie de moyens d'orientation en gisement et portant un ensemble gyroscopique à deux degrés de liberté dont le cardan externe (28) a un axe de rotation (axe X) perpendiculaire à ' l'axe de gisement et dont le cardan interne (36) a un axe de rotation (axe Y) orthogonal à l'axe X et qui est lié en pointage à l'antenne, caractérisé en ce que l'ensemble gyroscopique comporte un volant unique de moment cinétique important par rapport à l'inertie de l'antenne (10), en ce que chaque cardan est muni d'un moteur couple (30, 38) commandé par une boucle dont le signal de réaction est fourni par un capteur (40,32) d'orientation de l'autre cardan et en ce que les moyens (24, 42, 46, 20) d'orientation autour de l'axe de gisement sont prévus pour assurer approximativement le pointage moyen de l'antenne en gisement et, en conséquence, maintenir l'ensemble gyroscopique à proximité de la position canonique.1. Device for stabilizing and pointing antenna on ship, comprising, on a base (18), a mount provided with means of orientation in bearing and carrying a gyroscopic assembly with two degrees of freedom including the external gimbal (28) has an axis of rotation (axis X) perpendicular to 'the bearing axis and whose inner gimbal (36) has an axis of rotation (Y-axis) orthogonal to the axis X and which is connected in pointing at the antenna , characterized in that the gyroscopic assembly comprises a single flywheel with a significant angular moment relative to the inertia of the antenna (10), in that each gimbal is provided with a torque motor (30, 38) controlled by a loop whose reaction signal is supplied by a sensor (40, 32) for orientation of the other gimbal and in that the means (24, 42, 46, 20) for orientation around the bearing axis are provided to ensure approximately the average pointing of the antenna in bearing and, consequently, to maintain the gyroscopic unit near the position we canonical. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des boucles d'asservissement comporte des moyens de filtrage passe-bas (48,50) de caractéristiques déterminées en fonction du moment cinétique du volant. des paramètres des mouvements angulaires appliqués au socle et de la précision de pointage requise.2. Device according to claim 1, characterized in that each of the control loops comprises low-pass filtering means (48.50) of characteristics determined according to the angular momentum of the steering wheel. parameters of the angular movements applied to the base and the required pointing accuracy. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de filtrage sont constitués par des réseaux de retard de phase ayant une constante de temps largement supérieure à la période des sollicitations appliquées.3. Device according to claim 2, characterized in that the filtering means are constituted by phase delay networks having a time constant much greater than the period of the applied stresses. 4. Dispositif suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens d'orientation autour de l'axe de gisement comportent un motoréducteur d'entraînement en rotation, par une liaison irréversible, et un circuit de commande en fonction du cap et de la valeur affichée de l'azimut du satellite, tandis que la boucle associée au cardan interne reçoit un signal de correction tenant compte des variations de gisement et de l'écart issu de llécartomètre.4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the orientation means around the bearing axis comprise a geared motor for rotation, by an irreversible link, and a control circuit depending on the heading and the displayed value of the satellite azimuth, while the loop associated with the internal gimbal receives a correction signal taking account of the variations in bearing and the deviation from the devometer. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications . 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un calculateur (52) d'élaboration d'un signal d'élévation, appliqué à la boucle d'asservissement du premier cardan, et d'un signal d'azimut, appliqué au circuit de commande d'orientation en azimut, à partir du cap et de la longitude et de la latitude du véhicule (navire en général) porteur de l'antenne.5. Device according to any one of claims. 1 to 4, characterized in that it comprises a computer (52) development of an elevation signal, applied to the servo loop of the first gimbal, and an azimuth signal, applied to the azimuth orientation control circuit, from the heading and the longitude and the latitude of the vehicle (ship in general) carrying the antenna. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de poursuite automatique dont les signaux d'écart entre la direction du satellite et celle de l'antenne (Δx et Δy) sont déterminés par un écartomètre (58) et corrigent la oosition de la poursuite orogrammée donnée par l'élaborateur (azimut et élévation), les signaux Δy et Δx étant envoyés aux boucles d'asservissement du second cardan et du premier cardan, respectivement.6. Device according to claim 5, characterized in that it comprises automatic tracking means whose deviation signals between the direction of the satellite and that of the antenna (Δx and Δy) are determined by a distance meter (58) and correct the position of the orogrammed tracking given by the processor (azimuth and elevation), the signals Δy and Δx being sent to the servo loops of the second gimbal and the first gimbal, respectively. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'affichage de l'azimut et de l'élévation déterminés à l'aide d'un calculateur séparé.7. Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises means for displaying the azimuth and the elevation determined using a separate computer. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cardan externe (28) est placé matériellement à l'intérieur du cardan externe (36).8. Device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the external universal joint (28) is physically placed inside the external universal joint (36). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'antenne (10) et le volant (41) sont placés le long de l'axe de visée de part et d'autre de l'axe Y pour réaliser un équilibrage approché.9. Device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the antenna (10) and the steering wheel (41) are placed along the line of sight on either side of the axis Y to achieve approximate balancing. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les cardans sont munis de masselottes réglables d'équilibrage (80,82).10. Device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the gimbals are provided with adjustable balancing weights (80,82). 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'antenne, de révolution, est solidaire du volant ou substituée à lui de façon que son moment cinétique contribue à la stabilisation ou l'assure.11. Device according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the antenna, of revolution, is integral with the flywheel or substituted for it so that its angular moment contributes to stabilization or ensures it. 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes X et Y sont non concourants.12. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the axes X and Y are non-concurrent.
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