NO145860B - Antennestativsystem. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et antennestativsystem omfattende en fleraksers antennesokkel som har en vertikal asimutakse og omfatter en rettvinklet kardansk opphengt plattform, og en stabiliserende motvektanordning som er anbrakt under plattformens kardanopphengningsplan slik at dens masse og anbringelse sikrer at tyngdepunktet for hele plattformen sammen med antenneanordningen og annen struktur som under-støttes av plattformen, er anbrakt under plattformens kardanopphengningsplan.

Det eksisterer mange behov for målfølgende antenner for både militære og kommersielle anvendelser. Disse omfatter f.eks. maritime anvendelser, såsom satellittf ølging fra skip, og også et nytt behov ved luftanvendelse i forbindelse med sperreballonger. Målfølgende antennesystemer som leveres for å tilfredsstille aktuelle militære behov, er vanligvis avanserte og forholdsvis "kostbare sammenliknet med system-kostnader som er akseptable for mange kommersielle anvendelser, og også for visse militære anvendelser. Det er i ferd med å utvikle seg et betydelig marked for forholdsvis billi-ge, men pålitelige antennesystemer, særlig i forbindelse med de nye "L"-bånd-frekvenser som i den senere tid er blitt tildelt for maritim satellittkommunikasjon.

Sådanne antenner må først, ved hjelp av en eller annen styring som kan være fjernstyring, fremskaffe det ønskede mål, såsom en kommunikasjonssatellitt i stasjonær jordbane, hvilket som et minimum krever elevasjon og asimut-kontroll. Så snart målet er blitt fremskaffet, må antennens retningsstilling oppdateres med hensyn til endringer i skipskurs og skipsposisjon. Skipskursendringer blir vanligvis automatisk kompensert i asimutaksen som kan være bundet til et skips kompass, og skipsposisjonsendringer, som er forholdsvis ubetydelige over korte tidsperioder, blir i mange anlegg oppdatert eller ajourført manuelt (en strekning på ca. 160 km representerer mindre enn 2° målfølgingsfeil). Problemene blir ytterligere forsterket når man tar i betrakt-ning to primære skipsbevegelsesforstyrrelser, nemlig stamping og rulling. Disse bevegelser krever at antennekontroll-systemet automatisk kompenserer for vinkelendringer hurtig og nøyaktig for å unngå for store retningsfeil. Mens 1° retningsfeil kan være uakseptabelt for mange smalbåndede, militære systemer med høy ytelse, kan en feil på 6° eller til og med 10° være langt fra katastrofal i et bredbåndet "L"-båndsystem med en nominell forsterkning på 12 - 14 dB når systemet er konstruert med tilstrekkelig margin til å tåle en forringelse på 0,5 til 1,0 dB under visse "verste tilstander".

Med to-aksers og tre-aksers understell for mål-følgingsantenner oppnås ikke de ønskede hensikter. To-akse-sokkelen er i sin natur begrenset til mindre enn full halvkuledekning på grunn av "nøkkelhull"-effekten når målet befinner seg nær en linje i forlengelsen av primæraksen der hvor de akselerasjoner som kreves for korrigerende bevegelser, blir uakseptable. Et antennunderstell med tre-akse-sokkel gir full halvkuledekning, men med ekstra kompleksitet og omkostninger idet de nødvendige styresystemer er meget avanserte og har en servokontroll med lukket sløyfe for hver akse sammen med tilhørende hastighetsgyroer, akselerometre og annen utrustning, og iblant også en sifferregnemaskin for utførelse av de komplekse koordinatomforminger.

Selv om sperreballonger på fordelaktig måte er i stand til å understøtte antenner i stor høyde (som et prak-tisk eksempel 3000 fot eller ca. 900 meter og også høyere), opptrer det her problemer som fører til antennesystemkrav som er felles for skipsanvendelser. Bevegelser som et bal-longunderstøttet antennesystem utsettes for, er som et typisk eksempel følgende: Stamping 0° - 25°, variabel rundt 6°, maksimal rulling + 10°, maksimum 3° pr. sekund, og giring + 15°, maksimum 5° pr. sekund, med hensyn til vindretningen. Selv om utvalgte, aerodynamisk formede ballonger gir meget stabil oppførsel med hensyn til giring, stamping og rulling, er ballongplattformen ikke posisjonsfast fra antennens syns-vinkel, og utsettes også for vindavdrift på grunn av det faktum at den er tjoret. Nøyaktig kontroll av retningen av antenner for mottaking og sending av høye frekvenser er viktig ved bygging av et system som benytter ballongunderstøt-tede, signaloverførende antenner. Dette krever en stabil mikrobølgeantenneplattform som er i stand til å kompensere for spesielle uregelmessigheter som innføres på grunn av ballongunderstøttelsen, sammen med variasjoner som skyldes retnings- og hastighetsendring. Videre er en akseptabel middeltid mellom feil meget viktig ved anvendelse av antennesystemer, både ved sådan luftanvendelse og ved maritim anvendelse .

Det er således et formål med oppfinnelsen å til-veiebringe et antennestativsystem som har en kombinasjon av gravitasjons- og gyrodempning for kompensasjon av stamping og rulling, idet systemet samtidig har høy nøyaktighet, rask og sikker reaksjon, pålitelighet og konstruksjonsmessig enkelhet sammen med betydelige kostnadsbesparelser i forhold til mange eksisterende antennestativsystemer.

Ovennevnte formål oppnås med et antennestativsystem av den innledningsvis angitte art som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at antenneanordningen og en på plattformen understøttet antennestativbasisdel er roterbart understøttet på plattformen for rotasjon om den nevnte vertikale asimutakse, og at en gyromotdranordning med en gyrorotor som befinner seg i området for kardanplattformen, er vertikalt montert for rotorrotasjon i et plan normalt på sokkelens asimutakse.

I antennestativsystemet ifølge oppfinnelsen, hvor altså gyrostabilisering er kombinert med gravitasjonspendel-vektstabilisering, motvirker gyrostabiliseringen korttids-krefter som forsøker å forstyrre og vippe antenneplattformen, mens pendelvektstabiliseringen påtvinger en langtids-platt-formstabilisering. Antennesystemet settes således i stand til å medtas på skip og andre fartøyer til forskjellige steder på jordoverflaten, idet systemet justerer seg til de respektive steder på jordoverflaten på langtidsbasis.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et antall utførelseseksempler under henvis-ning til tegningene, der fig. 1 viser et delvis gjennomskåret, ufullstendig sideris^ av en mikrobølgeantenne med et fleraksers antenneunderstellsystem med en rettvinklet kardansk opphengt plattform som er stabilisert ved en gravitasjons- og gyrokombinasjon, fig. 2 er et horisontalt snitt etter linjen 2 - 2 på fig. 1 og viser en detalj ved det rettvinklet kardansk opphengte stativ, fig. 3 er et ufullstendig planriss av en stabilisert plattform, fig. 4 er et ufullstendig, delvis gjennomskåret sideriss som viser en detalj av en asimutdrivanordning i den kardansk opphengte, stabiliserte plattform på fig. 3, fig. 5 er et blokkskjema som viser en skjematisk kombinasjon av en skipsinstallasjon av et fleraksers antennestativsystem, såsom systemet på

fig. 1, og et styresystem, fig. 6 viser et sperreballong-understøttet antenne- og styresystem med to antenner med et understellsystem av den type som er vist på fig. 1, hvor den ene antenne benyttes for sending og den andre for mottaking, og fig. 7 viser et mikrobølge-stativsystem, såsom det som er vist på fig. 1, hvor imidlertid to instillbart anbring-bare antenner er montert på den samme stabiliserte plattform.

Den på fig. 1 viste plattform 10 for bærekonstruk-sjonen 12 for antennen 11 er vist (se også fig. 2) å være kardansk opplagret med to bærelagre 13 og 14 som er roterbare om bærende akseltapper 15 og 16 som er festet slik at de rager innover på samme akse fra motsatte sider av det faste understellhus 17. Lagrene 13 og 14 bærer en kardan-ring 18 som på sin side har to lagre 19 og 20 som understøt-tes av ringen 18 på en akse som ligger i samme plan som aksen for lagrene 13 og 14 og skjærer denne akse i rett vinkel. Lagrene 19 og 20 understøtter roterbart akseltapper 21 og 22 som er montert slik at de rager utover på en felles akse fra motsatte sider av den kardansk opphengte plattform

10. Antennen 11 er montert for dreining om en elevasjonsakse 23 i en elevasjon-over-asimutkonfigurasjon som skal beskrives nærmere senere og som er anordnet inne i en be-skyttende radom 24 som er montert på huset 17 på konvensjonell måte (detaljer ikke vist). Antennesokkelkonstruksjonen 12 omfatter også en roterbar antennestativ-basisdel 25 som er understøttet på den kardansk opphengte plattform 10 for rotasjon om den vertikale asimutakse ved utførelse av asimut-innstillingsjusteringer. Dette kan oppnås med den på fig. 3 og 4 viste konstruksjon av plattformen 10 på den roterbare basisdel 25 hvor basisdelen er vertikalt understøttet ved hjelp av trinsehjul 26 på den øvre overflate 27 av plattformen 10, og sideveis understøttet ved hjelp av et lager 28 som er anordnet i en ringformet lagerholdeskrue 29 på plattformen 10 med den indre kulebane av lageret 28 på et sen-tralt, nedadragende navfremspring 30 på basisdelen 25. Den roterbare basisdel 25 omfatter et ringformet drev eller kronhjul 31 som drives av et sylindrisk tannhjul 32 på driv-akselmontasjen 33 av en skrittmotor 34 av konvensjonell konstruksjon. Denne er med en forlenget del av akselen 33 montert ved hjelp av lagre 35 og 36 i en lager- og drivaksel-støtteskulder 37 av plattformen 10, og motoren 34 er montert på plattformen 10 ved hjelp av et motorfeste 38 av konvensjonell konstruksjon. En synkroenhet 39 for relativt dreie-stillingssignal er montert til bunnen av plattformen 10 ved den sentrale asimutakse, idet en inngangs-dreiestillingsaksel 40 på synkroenheten 3 9 strekker seg oppover langs asimutaksen til en forbindelse med navfremspringet 30 på den roterbare basisdel 25. Denne konstruksjon er anordnet for at synkroenheten 39 skal kunne avføle den relative rotasjonstilstand mellom basisdelen 25 og plattformen 19 og sende et tilbakekoplingssignal gjennom en leder 41 tilbake til en styremodul 42 som vist på fig. 5.

I den på fig. 5 viste kombinasjon av blokkskjerna og skipsinstallasjon benytter antenneenheten 43 som er vist installert på et skip 44, et alternativt asimutdrivsystem for den roterbare basisdel 25' som understøtter antennen 11. Dette drivsystem benytter et ringformet drev 45 på den ytre omkrets av den asimutinnstillende, roterbare basisdel 25', idet det ringformede drev 4 5 drives ved hjelp av en servomotor 46 under et sylindrisk tannhjul 47. Servomotoren 46 (fortrinnsvis en skrittmotor) drives ved styring via en leder 48 fra styremodulen 42 som er forbundet med skrittmotoren 4 6 som er montert på den kardansk opphengte plattform 10'. Antennesokkeldelen 49 som svingbart understøtter antennen 11 for svinging om elevasjonsaksen 23, bærer en servomotor 50 (fortrinnsvis en skrittmotor) som driver en tannhjulsoverføring 51 som driver en tannsektor 52 på bak-

siden av antennens bakre elevasjonsfesteforlengelse 53 som

er sentrert på elevasjonsaksen 23 for antenneelevasjonsinn-stillinger. En synkroenhet 54 med motoren 50 sender et elevasjonsinnstillings-tilbakekoplingssignal tilbake over

en leder 55 til styremodulen 42 som på sin side tilfører styrt driveffekt via en leder 56 fra styremodulen 42 til skrittmotoren 50 for elevasjonsinnstillings-driftskontroll.

En kraftkilde 57 på fartøyet tilfører effekt til styremodulen 42 og via modulen til motorene 46 og 50 og andre deler av systemet. Et utgangssignal fra skipets kompass 58 tilføres til styremodulen 42 for at asimutposisjons-innstillingen skal kunne bindes til skipskompasset 58 selv

om asimutinnstillingene i noen installasjoner kan være periodiske, manuelle innstillinger. En målposisjons-informasjonskilde 59 er tilkoplet for tilførsel av mål-posis jonsinformas jon til styremodulen 42, og en antenne-

og skipsposisjons-informasjonskilde 60 er tilkoplet for tilførsel av antenneposisjonsinformasjonen til styremodulen 42. Disse informasjonskilder 59 og 60 kan være en del av

et skips automatiske navigasjonssystem (detaljer ikke vist) eller delvis slik, eller de kan være periodiske, manuelt innstilte inngangssignaler. Det skal her igjen bemerkes at mens konvensjonelle servomotorer kan benyttes i styrte driv-anordninger for innstilling av elevasjon og asimut, medfører bruk av skrittmotorer en vesentlig fordel ved at rest-vridningsmoment som skyldes disses permanentmagnetfelter, med-fører behov for effekt til den ene av og/eller begge de to aktivt styrte akser bare når kursen endres eller større av-stander er blitt tilbakelagt. Da ingen av disse tilstander opptrer ofte, befinner sokkelen seg i en ikke-drevet tilstand med null effekt under en stor del av sin effektive levetid. En konvensjonell, servostyrt antenne, særlig tre- og fire-aksers styrte antenner, ville bokstavelig talt "falle ned" ved effektsvikt, mens den foreliggende konstruksjon som benytter skrittmotorer på to styrte akser og har to kardanakser for plattformen 10 som ikke krever styring, opprett-holder den sist innstilte aksestilling før effektsvikt. Således blir kcmminlkas jonen dermed opprettholdt i lange tidsperioder så lenge et' skips kurs (eller en ballongs retning med vindretningen) holdes innenfor noen få arader.

På fig. 6 er vist en tjoret ballong eller sperre-ballong 61 med en nesekonus 62, horisontale, venstre og høyre stabilisatorer 63 og 64 og en vertikal finnestruktur 65, hvor ballongen har et kabelsystem 66 som understøtter et antennesystem 67 på en opphengt plattform 68. Ballongen 61 er forbundet med en tjoringskabel 69 som fører til et inn-halings- og utfirings-vinsjsystem på en kontrollstasjon på bakken (detaljer ikke vist). En kraftledning sammen med eventuelle styreledninger som ønskes for disse anvendelser, er også tilkoplet i en kabel 70 fra kontrollstasjonen på bakken til antennesystemet 6 7 på den opphengte plattform 68, idet kabelen 70 med mellomrom 71 er festet til tjoringska-belen 6 9 for understøttelse og for å holde kablene 69 og 70 generelt sammen. To antenner 11, såsom den som er vist på fig. 1-4, eller den som benytter den alternative asimutdrivanordning på fig. 5, bæres på den opphengte plattform 68 sammen med en styremodul 42' av liknende type som modulen 42 på skipet 44 på fig. 5, i et elevasjons- og asimutstyre-system som er bundet til et kompass 58' for de to antenner. Antennene 11, som hver kan benyttes i både sender- og mot-taker-driftsmodi, er utsatt for bevegelser som påføres på en ballong med giringsvariasjon over hele 360 grader-skalaen på kompasset. En sådan ballonginstallasjon er ikke posisjons-fikserbar slik som et antennetårn, og alle frihetsgrader er tilgjengelige for vindens påvirkning i forskjellig grad.

Det er åpenbart at de betingelser som pålegges på antennekonstruksjoner som understøttes av en ballong, har mye til felles med antennekonstruksjoner og antennesystemer som in-stalleres ombord på skip.

Idet det igjen henvises til antennens 11 sokkel-konstruksjon 12 med kardanplattformen 10 på fig. 1, bærer en rammefestekonstruksjon 72 på bunnen av plattformen 10 en gyrodrivmotor 73 som er sentrert på asimutaksen og har en vertikal drivaksel 74 som strekker seg oppover til en driv-gyrorotor 75 i et vanligvis horisontalt rotasjonsplan i festekonstruksjonen 72 i umiddelbar nærhet av planet for de rettvinklede kardanakser. En gjenget akseltapp 76 rager ned., fra bunnen av motoren 73 for feste av en motvekt 77 som er justerbart innskrudd på akseltappen for vertikal innstilling av tyngdepunktet for hele den kardansk opphengte antenne-sokkelkonstruksjon. En stillingsgrensemutter 78 er effektiv for låsing av en vertikalt innstilt stilling av motvekten 77 og dermed for fiksering av den vertikale innstilling av tyngdepunktet for den viste konstruksjon, slik at det befinner seg på den vertikale asimutakse ved tyngdepunktsymbolet 79 på motoren 73. De øvre to elevasjon-over-asimut-akser for antennestrukturen 11 er statisk balansert og tyngdepunktet for hele den kardansk opphengte konstruksjon er belig-gende på den vertikale akse ved et punkt under kardanplanet. Dette er et arrangement som forsøker å holde sokkelens ver-tikalakse og asimutakse koaksiale og på den sanne vertikal på grunn av tyngdekraften, teoretisk uavhengig av bevegelsen av skip (eller ballonger). Små feil blir imidlertid innført på grunn av lagerfriksjon og nødvendige kabelviklinger og akselerasjonsinduserte feil. Lineær akselerasjon kan være den mest vesentlige kilde til retningsfeil, særlig f.eks. med en antenne som er plassert på en mast ca. 30 meter over og foran rotasjonssentrene for stamping, rulling og giring, idet lineære akselerasjoner i tung sjø kan være så høye som 0,2 g hvilket resulterer i retningsfeil så høye som 10°. Med et sådant gravitasjonsbundet kardansystem kan viskøse dempningsmetoder benyttes ved de to frie kardanakser for å minimere "verste tilstand"-feil og minimere svingning ved den naturlige frekvens for pendelen. Optimal vertikal anbringelse av tyngdepunktet på asimutaksen direkte under stampings- og rullingsaksene er en funksjon av to motvirken-de parametre, nemlig lagerfriksjon sammen med kabelhysterese og lineære akselerasjonskomponenter av stamping og giring. Ved minimering av feil som skyldes friksjon og hysterese, bør tyngdepunktet ideelt sett ligge så langt som mulig under kardanaksen. Ved minimering av feil som skyldes horisontal akselerasjon, skulle imidlertid tyngdepunktet ideelt sett ligge på kardanaksen. Dette kompromiss kan være besværlig på grunn av at mens den ene parameter med rimelighet kan forutsies, varierer den andre parameter med et antall fakto-rer.. Tilføyelse av gyrosystemet med gyrorotoren 75 bidrar imidlertid til å forbedre oppførselen idet rotoren 75 er anordnet nær planet for de to kardanakser. Vibrasjon med eventuell svak ubalanse i gyrorotorens svinghjul bidrar til å forbedre nøyaktigheten ved å minimere statisk friksjon i kardanlagrene.

I det på fig. 7 viste antennesystem 80 blir to antenner 11' med elevasjon-over-asimut-konfigurasjoner hver individuelt innstilt i asimut, enten manuelt eller ved hjelp av servosystemer (detaljer ikke vist) med rotasjonsinnsatser 81 og 82 i en asimutrotasjonsbasisdel 83. Hver antenne er slik balansert at dens individuelle, innstilte rotasjons-justering ikke forandrer balansen av basisdelen 83 som er roterbar for asimutjustering av basisdelen 83 og dermed begge de på denne monterte antenner 11". Understøttelsen av plattformen 10" og dennes gravitasjons- og gyrostabilisering er i det vesentlige den samme som for de foran beskrevne utførel-ser med enkeltstående antenne 11 og skal ikke gjentas her. Drivanordningen (ikke vist) for antennebasisdelen 83 og videre for de separate basisdeler 81 og 82 kan være stort sett den samme som enten utførelsen på fig. 4 eller utførel-sen på fig. 5.

Claims (9)

1. Antennestativsystem omfattende en fleraksers antennesokkel (12; 49) som har en vertikal asimutakse og omfatter en rettvinklet kardansk opphengt plattform (10; 10'), og en stabiliserende motvektanordning (77) som er anbrakt under plattformens (10; 10') kardanopphengningsplan slik at dens masse og anbringelse sikrer at tyngdepunktet for hele plattformen sammen med antenneanordningen (11) og annen struktur som understøttes av plattformen, er anbrakt under plattformens kardanopphengningsplan, karakterisert ved at antenneanordningen (11) og en på plattformen (10; 10') understøttet antennestativbasisdel (25; 25') er roterbart understøttet på plattformen for rotasjon om den nevnte vertikale asimutakse, og at en gyromotoranord-

ning (73) med en gyrorotor (75) som befinner seg i området for kardanplattformen, er vertikalt montert for rotorrotasjon i et plan normalt på sokkelens (12; 49) asimutakse.

2. Antennestativsystem ifølge krav 1, karakterisert ved at rullunderstøttelsesanordninger (26) på antennestativbasisdelen (25) sørger for fri rullende understøttelse på kardanplattformen (10).

3. Antennestativsystem ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at en drivanordning (3 4; 46) er montert på kardanplattformen (10; 10') og at en utgangs-anordning (32; 47) fra drivanordningen er i drivinngrep med antennestativbasisdelen (25; 25') for å drive denne i rotasjon om den vertikale asimutakse.

4. Antennestativsystem ifølge krav 3, karakterisert ved at en skrittmotor (34; 46) med et stillingsholdende rest-vridningsmoment fra et permanentmagnet-felt inngår i drivanordningen i drivinngrep med antennestativbasisdelen (25; 25').

5. Antennestativsystem ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at den på kardanplattformen (10; 10') understøttede antennestativstruktur omfatter både en elevasjonsakse (23) og den nevnte vertikale asimutakse i en elevasjon-over-asimut-konfigurasjon, og at både en ele-vas jonsdr i vanordning (50) og en asimutdrivanordning (46) er inneholdt i antennestativsysternet.

6. Antennestativsystem ifølge krav 5, karakterisert ved at det omfatter en drivinnstillings-styreanordning (42) som er anordnet utenfor den av kardanplattformen (10; 10') understøttede struktur (11, 12; 11, 49), og som via første og andre styreeffekt-sammenkoplings-anordninger (48 hhv. 56) er forbundet individuelt med både asimutdrivanordningen (46) og elevasjonsdrivanordningen (50).

7. Antennestativsystem ifølge krav 6, karakterisert ved at det omfatter første og andre signal-tilbakekoplingsgeneratorer (39; 54) med avfølende inngangs-elementer som er koplet for å avføle asimutaksens henholds-vis elevasjonsaksens rotasjonstilstand, idet de nevnte sig-naltilbakekoplingsgeneratorer er koplet til drivinnstillings-styreanordningen (42) som deler av lukkede servostyresløy-f er.

8. Antennestativsystem ifølge ett av kravene 5-7, karakterisert ved at elevasjonsdrivanordningen og asimutdrivanordningen hver omfatter en skrittmotor med et stillingsholdende rest-vridningsmoment fra et permanentmag-netfelt når den ikke drives.

9. Antennestativsystem ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at gyromotoren (73) er montert på kardanplattformen (10) på dennes underside, med gyrorotoren (75) anordnet over gyromotoren, og at det til gyromotorens (73) underside er festet en nedadragende akseltapp (76) på hvilken motvektanordningen (77) er stillbart på-skrudd.