EP0662254B1

EP0662254B1 - Monture d'antenne a pointage reglable, notamment pour antenne de telecommunications par satellite

Info

Publication number: EP0662254B1
Application number: EP93920932A
Authority: EP
Inventors: Clifford David Hughes
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-09-24
Publication date: 1996-12-04
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: FR2696281A1; US5852423A; CA2145540A1; EP0662254A1; DE69306408D1; JPH08503108A; ATE146014T1; DK0662254T3; ES2097541T3; DE69306408T2; FR2696281B1; JP2853815B2; WO1994008360A1

Description

L'invention concerne une monture d'antenne, notamment pour une antenne de télécommunications par satellite.
Les antennes (terrestres) de communications par satellite, tout comme, de façon plus générale, les antennes utilisées dans le domaine des hyperfréquences, nécessitent un pointage très précis dans une direction donnée, qui peut être fixe ou mobile. Cette direction est par exemple celle dans laquelle se trouve un satellite de communication, le plus souvent un satellite situé sur une orbite quasi-géostationnaire ou quasi-géosynchrone (ce cas, ni même celui d'une antenne pour télécommunications par satellite, n'étant en aucune façon limitatif de l'invention).
La monture de l'antenne, c'est-à-dire le mécanisme qui permet de supporter et de pointer avec précision l'antenne, peut être de divers types.
Le type de monture le plus couramment utilisé pour les stations terrestres de communications par satellite est le type de monture dit « site-azimut », qui se présente sous la forme d'une structure rigide de base sur laquelle est montée une structure mobile en rotation autour d'un axe vertical qui, elle-même, supporte une structure tournante mobile autour d'un axe horizontal et solidaire de l'antenne.
La plupart des montures utilisées sont lourdes et de structure complexe. De ce fait, elles ne conviennent pas à une production en grande série, ou pour des stations terrestres mobiles, portatives ou démontables, où le faible poids et la facilité de montage sont des éléments essentiels.
À l'opposé, les montures légères sont difficiles à régler avec précision, que ce réglage soit opéré à la main ou motorisé. Il est en outre généralement nécessaire de prévoir un support rigide tel qu'une plaque ou une dalle support.
Un autre problème que l'on rencontre avec de nombreuses antennes existantes tient au fait que celles-ci avaient été initialement conçues pour pointer sur des satellites quasi-géostationnaires, donc selon un pointage fixe. Or, au fil du temps, en raison de l'épuisement du combustible des moteurs de correction de position du satellite, la plupart des satellites qui, auparavant, étaient effectivement géostationnaires présentent maintenant une inclinaison orbitale progressivement croissante (l'orbite géostationnaire devenant alors seulement géosynchrone), ce qui impose pour les stations terrestres de pouvoir effectuer un pointage mobile, au moins dans une plage limitée, afin de permettre la poursuite permanente du satellite.
La demande de brevet européen EP-A-0 227 930 (SIEMENS) divulgue une monture d'antenne à pointage réglable, notamment par la figure 4. Celle-ci est constituée de deux dièdres, à angles variables. Cependant ces deux dièdres ne possèdent pas de plans communs.
Les montures d'antenne proposées jusqu'à présent ne permettent pas de concilier de façon satisfaisante ces divers impératifs.
L'un des buts de l'invention est de proposer une monture d'antenne réglable, afin de permettre un pointage précis et une poursuite, notamment d'un satellite, qui soit avantageusement repliable pour permettre un transport aisé et un démontage/remontage rapides, et qui soit pour autant de structure mécaniquement simple, robuste et peu coûteuse à réaliser.
À cet effet, la monture de l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte : un premier dièdre, dont l'un des plans est porté par une base support ; des moyens de réglage de l'angle de ce premier dièdre ; un second dièdre, dont l'un des plans est commun au premier dièdre et dont l'autre plan porte l'antenne, l'axe du premier dièdre et l'axe du second dièdre n'étant ni parallèles ni confondus ; et des moyens de réglage de l'angle de ce second dièdre.
Plus précisément une telle monture peut comporter : une première structure, définissant un premier triangle, solidaire de ladite base support ; une deuxième structure, définissant un deuxième triangle, le premier et le deuxième triangle possédant un côté commun pourvu d'une première liaison articulée, de manière à constituer le premier dièdre, les moyens de réglage de l'angle du premier dièdre étant interposés entre le sommet du premier triangle opposé au côté d'articulation et le sommet du deuxième triangle opposé à ce même côté ; et une troisième structure, définissant un troisième triangle, le deuxième et le troisième triangle possédant un côté commun pourvu d'une seconde liaison articulée, de manière à constituer le second dièdre, les moyens de réglage de l'angle du second dièdre étant interposés entre le sommet du deuxième triangle opposé au côté d'articulation et le sommet du troisième triangle opposé à ce même côté.
De préférence, les moyens de réglage du premier et du second dièdre sont séparables desdites structures, de manière à permettre un repliement à plat de la monture par fermeture des deux dièdres.
De préférence également, les moyens de réglage des angles du premier et du second dièdre sont commandés par des moyens calculateurs, propres à transformer des valeurs de consigne exprimées en angles de site et d'azimut en des signaux de commande directe de la position de ces moyens de réglage.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés.
La figure 1 est une vue schématique explicative de la structure de la monture de l'invention.
La figure 2 montre la manière dont la monture de l'invention peut être utilisée pour une fixation murale d'antenne.
La figure 3 montre la manière dont la structure de l'invention peut être utilisée pour une fixation au sol d'antenne, notamment pour l'adaptation d'une antenne « site-azimut » classique.
La figure 4 illustre un mode de réalisation adaptable à une antenne à pointage fixe afin de pouvoir autoriser des variations légères de la direction de pointage de celle-ci et assurer ainsi une poursuite permanente du satellite.
La figure 5 illustre de façon schématique le dispositif de calcul et de commande de la position des actionneurs.
La figure 6 est une vue perspective montrant la manière dont il est possible de réaliser mécaniquement la monture de l'invention sous forme repliable et démontable.
La figure 7 montre le détail de l'un des éléments de raccordement de la monture de la figure 6.
Les figures 8 et 9 sont des vues latérales de l'élément de la figure 7.
La figure 10 montre la manière dont la monture de l'invention peut être utilisée comme monture principale d'une antenne de grande dimension.
La structure générale de la monture de l'invention est illustrée figure 1 : celle-ci comporte une première structure triangulaire 1 (triangle ABC) sur laquelle est articulée une seconde structure 2, également triangulaire (triangle BCD), qui porte elle-même avec articulation une troisième structure triangulaire 3 (triangle BDE). Les structures 1 et 2 sont articulées en 4 le long du côté BC, et les structures 2 et 3 sont articulées en 5 le long du côté BD, c'est-à-dire le long d'un côté différent du côté d'articulation des structures 1 et 2.
De préférence, pour raison de simplicité, les triangles ABC, BCD et BDE sont tous équilatéraux, mais cette caractéristique n'est en aucune façon indispensable.
Les structures 1 et 2 définissent ainsi un premier dièdre ABC, BCD, d'angle α variable et ajustable par un actionneur 6, manuel ou motorisé, par exemple un actionneur électrique linéaire intercalé entre les sommets A et D.
De façon semblable, les structures 2 et 3 définissent un second dièdre BCD, BDE d'angle β variable et ajustable par un second actionneur linéaire 7 intercalé entre les sommets E et C. AD et EC constituent ainsi des jambes de force et de longueur variables.
Pour permettre un réglage dans toutes les directions, il est indispensable que l'arête du premier dièdre (matérialisée par le segment BC) et celle du second dièdre (matérialisée par le segment BD) ne soient ni parallèles ni confondues car sinon on perdrait l'un des deux degrés de liberté de la monture ; il n'est cependant pas nécessaire qu'elles soient concourantes.
La première structure 1 est fixe et la troisième structure 3 porte des moyens supports de l'antenne, par exemple un anneau 8 en forme de cercle inscrit dans le triangle BDE et qui viendra supporter le paraboloïde de l'antenne (qui pourra être de dimension supérieure ou inférieure à cet anneau support 8). On notera que, lorsque l'antenne est un paraboloïde ou une section de paraboloïde, il sera relativement simple de la fixer à une structure triangulaire telle que la structure 3, et c'est pour cette raison que l'on préfère des structures triangulaires pour définir les dièdres (une autre raison étant la possibilité de repliement des triangles les uns sur les autres comme on l'expliquera plus en détail à propos de la figure 4). Le choix d'une structure triangulaire pour définir chacun des demi-plans de chacun des dièdres n'est cependant pas indispensable, les triangles ABC, BCD et BDE pouvant être simplement des triangles virtuels définis sur des structures dont le contour physique n'est pas nécessairement celui d'un triangle.
On comprend aisément, par cette description, qu'en faisant varier les longueurs des segments AD et CE au moyen des actionneurs 6 et 7 on modifiera les valeurs de α et β et donc la direction de pointage de l'antenne, ce qui permet de pointer cette dernière sur une très large plage d'angles de site et d'azimut, qui dépasse largement les besoins de la simple poursuite de satellites en orbite quasi-géosynchrones.
Les directions des segments AD et EC n'étant pas orthogonales, pour obtenir un angle de site et d'azimut donnés, le réglage des actionneurs 6 et 7 doit être déterminé par un calcul préalable, que l'on va indiquer ci-dessous.
Si A est l'angle d'azimut, S l'angle de site, α l'angle du dièdre ABC, BCD et β l'angle du dièdre BCD, BDE, il convient de résoudre les équations A = f(α,β) et S = f(α,β), ce qui peut être fait par un calculateur à microprocesseur mettant en oeuvre un programme relativement simple de pointage et de poursuite.
Si l'on considère les divers repères cartésiens mobiles, on démontre que, X, Y et Z étant les composantes du vecteur normal au triangle BDE (c'est-à-dire le vecteur définissant la direction de pointage), on a, dans le cas de triangles équilatéraux : $X = - cos β sin α + sin β sin 30° cos α,$
$Y = - sin β cos 30° ,$
et $Z = co β cos α + sin β sin 30° sin α.$
L'angle d'azimut A et l'angle de site S peuvent être déduits de ces valeurs X, Y et Z par les relations suivantes : $A = arctg (X/Y)$
et ${S = arctg [Z/(X}^{2} {+Y}^{2})^{1/2}].$
Comme on peut le voir, cette détermination n'implique que des calculs simples, aisés à mettre en oeuvre par un microprocesseur incorporé au système de commande de la monture ou à un micro-ordinateur assurant, entre autres, cette tâche, ce qui ne grèvera que très modérément le coût d'ensemble de la monture avec son système de commande.
Du point de vue de la configuration d'utilisation, la première structure 1 peut être simplement posée au sol, comme illustré schématiquement figure 1.
Elle peut également, comme illustré figure 2, être fixée à un mur 10, configuration qui se retrouve assez souvent dans les antennes pour satellites et qui permet de disposer ainsi d'une monture ajustable de façon continue supportant l'antenne, constituée ici d'un simple paraboloïde 9.
Dans l'exemple de la figure 3, la monture de l'invention repose au sol par la première structure 1, mais la troisième structure 3 porte non pas directement l'antenne comme dans le cas des figures 1 et 2, mais une monture d'antenne préexistante 11 de type site-azimut, constituée d'un fût vertical 12 portant un équipage 13 mobile autour d'un axe vertical 14 sur lequel est articulé le support 15 de l'antenne autour d'un axe horizontal 16. Cette configuration permet de continuer à utiliser une monture d'antenne à pointage fixe même lorsque, au cours du temps, les satellites en fin de vie présentent des variations importantes de leur direction de pointage, variations qui peuvent atteindre typiquement 5° et qui requièrent un système motorisé de poursuite permanente pour compenser ces variations.
La figure 4 illustre une forme de construction possible, mécaniquement très simple, adaptée à ce type de situation. L'antenne préexistante est montée sur un fût 12 pourvu d'un trépied support 17. La monture additionnelle, réalisée selon les enseignements de l'invention, est constituée de profilés tubulaires à section carrée, en acier ou en aluminium, qui peuvent être des profilés courants assemblés par des méthodes traditionnelles (assemblage soudé ou mécano-soudé). Les articulations utilisées peuvent être d'un type extrêmement simple, par exemple du même type que celles utilisées pour des charnières de portes ou de fenêtres.
Du point de vue de la statique, on notera que la construction triangulaire de la monture de l'invention reprend toutes les charges aux intersections, ce qui assure une excellente robustesse et permet d'utiliser des matériaux relativement légers pour sa réalisation. En ce qui concerne les articulations, elles ne subissent essentiellement que les contraintes de gravité et les sollicitations additionnelles du vent, procurant des tolérances de pointage qui se comparent tout à fait favorablement à celles des solutions classiques.
Les actionneurs 6 et 7 peuvent être constitués d'un système à vérin électrique avec un corps 18 et une tige mobile 19 pourvus respectivement d'attaches 20 et 21 qui seront fixées à des attaches homologues 22 et 23 des structures triangulaires. Le moteur 24 de chacun des deux actionneurs est relié électriquement à un système de commande, les deux actionneurs étant physiquement et électriquement indépendants. Éventuellement, pour permettre un premier pointage préalable grossier ou compenser un dévers, il peut être utile de placer une jambe d'appui supplémentaire, fixe ou réglable, telle que 25 sous l'un des sommets A, B ou C du triangle de la première structure.
La figure 5 montre, de façon schématique, le circuit de commande, qui comporte un bloc électronique et électrique 26 de calcul des coordonnées et de pilotage des moteurs 24 respectifs des actionneurs 6 et 7 ; ce boîtier 26 reçoit par une ligne 27 son alimentation en énergie et par des lignes 28, les consignes conventionnelles de site S et d'azimut A (sous forme numérique ou analogique), qui sont traitées au sein de l'unité 26 par transformation de coordonnées afin de déterminer la longueur des jambes de force contrôlées par les vérins 6 et 7 permettant d'obtenir les angles souhaités de site et d'azimut.
La figure 6 montre une forme de mise en oeuvre particulièrement adaptée à la réalisation d'une monture démontable et portative. La monture est réalisée essentiellement à partir de profilés 29 de section carrée constituant les trois côtés de chacun des trois triangles (ces profilés sont donc au nombre de neuf), profilés qui sont reliés entre eux par des pièces de liaison 30, au nombre de cinq.
Ces pièces de liaison 30, qui définissent les sommets des triangles ABC, BCD et BDE, ne sont pas identiques en raison de la géométrie particulière de chacun des sommets. Elles sont cependant toutes réalisées à partir des mêmes éléments essentiels, illustrés à titre d'exemple sur les figures 7 à 9 pour la pièce de liaison 30 située la plus en arrière sur la vue perspective (et correspondant donc au sommet B), qui est la plus complexe : les pièces de liaison comportent au moins une plaque de fixation 31 (deux plaques dans le cas de la pièce illustrée sur les figures 7 à 9) pourvue de trous 32 permettant la fixation au sol ou à un support d'antenne, selon le cas (plaques inférieures ou plaques supérieures). Des segments 33, définissant entre eux les divers angles des triangles, se terminent en 34 sous forme de pièces mâles venant s'adapter à l'intérieur des profilés constituant les côtés des triangles, la solidarisation avec ces derniers étant effectuée par exemple au moyen d'un système à vis ou à goupilles.
La pièce 30 porte également, dans le cas des quatre pièces de liaison autres que celle représentée sur les figures 7 à 9, un support vertical 35 permettant la fixation des vérins dans les trous 22 et 23 pratiqués dans ces pièces 35. La liaison entre les attaches respectives 22 et 23 est de préférence réalisée par des moyens aisément démontables (montage emboîté ou vissé), afin de pouvoir démonter rapidement les actionneurs et replier l'ensemble à plat, ce qui est très intéressant dans le cas des stations portatives, lorsque la transportabilité et la rapidité de mise en oeuvre sont des caractéristiques essentielles.
Les pièces de liaison 30 portent également les charnières 36 permettant d'articuler entre les trois triangles de la monture ; ces charnières et leur disposition sont particulièrement bien visibles figures 8 et 9.
La figure 10 montre un mode de réalisation adapté à un cas, tout à fait différent du précédent, où la monture de l'invention sert de monture primaire, fixe, pour une antenne de grand diamètre et remplace purement et simplement la monture traditionnelle site-azimut. À cet effet, le triangle support d'antenne 3 est relié à l'antenne 37 en trois points 38 équidistants, solidaires de l'élément annulaire 39 du châssis support d'antenne situé au dos du réflecteur. Le triangle inférieur 1, quant à lui, est placé sur une base fixe 40, par exemple un socle bétonné, ou au sommet d'un bâtiment. Les actionneurs 6 et 7 assurent les mêmes fonctions que dans les modes de réalisation expliqués précédemment, mais avec, dans le cas présent des angles d'ouverture α et β très supérieurs, dans la mesure où il ne s'agit plus de compenser un léger défaut de pointage, mais de réaliser le pointage proprement dit.

Claims

Une monture d'antenne à pointage réglable, notamment pour une antenne de télécommunications pointant sur un satellite, comportant
- un premier dièdre (ABC,BCD), dont l'un des plans (ABC) est porté par une base support (10),

- des moyens (6) de réglage de l'angle (α) de ce premier dièdre, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre

- un second dièdre (BCD,BDE), dont l'un des plans (BCD) est commun au premier dièdre et dont l'autre plan (BDE) porte des moyens (8) support de l'antenne (9), l'axe (BC) du premier dièdre et l'axe (BD) du second dièdre n'étant ni parallèles ni confondus, et

- des moyens (7) de réglage de l'angle (β) de ce second dièdre.
La monture de la revendication 1, comportant :
- une première structure (1), définissant un premier triangle (ABC), solidaire de ladite base support,

- une deuxième structure (2), définissant un deuxième triangle (BCD), le premier et le deuxième triangle possédant un côté commun (BC) pourvu d'une première liaison articulée (4), de manière à constituer le premier dièdre, les moyens (6) de réglage de l'angle du premier dièdre étant interposés entre le sommet (A) du premier triangle opposé au côté d'articulation et le sommet (D) du deuxième triangle opposé à ce même côté, et

- une troisième structure (3), définissant un troisième triangle (BDE), le deuxième et le troisième triangle possédant un côté commun (BD) pourvu d'une seconde liaison articulée (5), de manière à constituer le second dièdre, les moyens (7) de réglage de l'angle du second dièdre étant interposés entre le sommet (D) du deuxième triangle opposé au côté d'articulation et le sommet (E) du troisième triangle opposé à ce même côté.
La monture de la revendication 2, dans laquelle les moyens de réglage du premier et du second dièdre sont séparables desdites structures, de manière à permettre un repliement à plat de la monture par fermeture des deux dièdres.
La monture de la revendication 1, dans laquelle les moyens (6, 7) de réglage des angles du premier et du second dièdre sont commandés par des moyens calculateurs (26), propres à transformer des valeurs de consigne exprimées en angles de site (S) et d'azimut (A) en des signaux de commande directe de la position de ces moyens de réglage.