NO166606B - Antennefestesystem for bruk paa skip. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et antennefestesystem for bruk på et skip med stabilisering og kontrollert bevegelse rundt bærere og elevasjonsakser, og som gjør det mulig å stabilisere orienteringen av antennen når skipet underkastes oscillasjoner, spesielt rulling.

En antenne som skal sikre kommunikasjon mellom et skip og en satelitt, bør ha et høyt utbytte. Dette høye utbyttet krever imidlertid en liten stråleåpning og det akseptable oscilla-sjonsområdet for antenneaksen rundt sin teoretiske orientering, er følgelig begrenset når ytelsen er høy. Et skip på havet, spesielt med liten tonnasje, er hele tiden utsatt for oscillerende bevegelser ved rulling og stamping, og hvis amplituden av disse overskrider bredden på antenneskålen, må denne stabiliseres.

Man har foreslått å stabilisere en antenne ved hjelp av et aktivt system som omfatter gyroskoper og styringssløyfer. Denne løsning er imidlertid kostbar. Man har likeledes foreslått å sikre en passiv stabilisering av antennen ved bruk av motvekter, slik at tyngdepunktet for den oscillerende struktur ligger kun en liten avstand under oscillasjonssentret, slik at svingeperloden for hele systemet er meget større enn oscillasjonsperioden som skyldes rulling og stamping. Denne løsningen gjør imidlertid antennen meget følsom overfor mindre mangel på likevekt ved fravær av stivhet i systemet, og blir lite effektiv ved forstyrrende momenter. Systemet anses følgelig ikke for å være anvendbart under de betingelser man har ved arbeide i sjøen.

Kjent teknikk på dette området skal nevnes. Den Internatio-nale søknad WO/03903 beskriver et aktivt stabiliserings-system som er basert på en kombinert bruk av en pendel som akselerasjonssensor og en gyrorotor som tilsynelatende arbeider som et momenthjul.

Dette dokument beskriver altså en teknikk som er nær relatert til den som er diskutert ovenfor, men har den ytterligere mangel at det er så og si umulig nøyaktig å balansere en tung enhet statisk og at enhver feil har en meget ugunstig virkning på systemet, fordi det resulterer i drift.

Oppfinnelsen tilveiebringer et antennefestesystem for et skip som bedre enn tidligere kjente systemer møter de krav som stilles i praksis, og der det spesielt kreves kun anvendelse av enkle, passive systemer, i tillegg til de systemer som under enhver omstendighet er nødvendige for å endre orienteringen av antennen i forhold til skipet som en funksjon av skipets rute.

Før oppfinnelsen defineres, kan det være nyttig å gjennomgå hvilke akselerasjoner som virker på et skip til havs. For enkelthets skyld, antar man først at skipet bare underkastes rullebevegelser, og at akselerasjonen som skyldes slingring og stamping er neglisjerbar i forhold til de som skylles rulling. Denne hypotese benyttes ofte.

Fig. 1 viser skjematisk i tverrsnitt, et skipsskrog 10 som underkastes en rullebevegelse rundt et sentrum 0. Vinkelut-slaget a har formelen a = oq sin ut. Dette fører til en vinkelakselerasjon o" - -ocq (j^ sin ut - -a u^. Man aner med SX og SY horisontal- og vertikalaksen i et plan på tvers av skipet fra oscillasjonssentret for antennen, for eksempel plassert ved mastehodet. En enkelt beregning viser at hvis man angir tyngdens akselerasjon med g og avstanden SE med R, har horisontal- og vertikalakselerasjon Ax og Ay formelen:

Man kan regne ut den totale akselerasjonen \ og vinkelen e som A har med sannvertikal retning

Oppfinnelsen benytter det forhold at en pendel 12, montert slik at den kan oscillere rundt en akse parallell med rulleaksen, vil få en bevegelse slik at den inntar en tilsynelatende vertikal stilling som danner en vinkel -P med sann vertikal stilling, og vinkelakselerasjonen <p>" har motsatt retning av p (fig. 2).

Foreliggende oppfinnelse angår i henhold til dette et antennefestesystem for bruk på et skip med stabilisering og kontrollert bevegelse rundt bærere og elevasjonsakser, omfattende: a) en stasjonær stand; b) kardangopphengsinnretninger med: en kardangbærer dreibart forbundet med standen for rotasjon om denne rundt en

lagerakse; en mellomenhet montert på kardangbæreren for oscillerende bevegelse om denne rundt en mellomakse i rett vinkel på lageraksen og med et gravitetssentrum under mellomaksen; og en antennebærer dreibart montert på mellomenheten for rotasjon om denne rundt en elevasjonsakse i rette vinkler på mellomaksene; og

c) graviditetsrespons returmidler som operativt forbinder mellomenheten og kardangbæreren og anordnet for å bringe

mellomenheten til en på forhånd bestemt retning i forhold

til det horisontale,

og dette system karakteriseres ved at returmidlene omfatter:

- et første pendellegeme for å indikere en tilsynelatende vertikal retning; - servomotormidler som er operative for å kontrollere den relative vinkelposisjon for antennebæreren rundt elevasjonsaksen relativt mellomenheten; - et andre pendellegeme som dreibart er forbundet med antennebæreren for oscillerende bevegelse rundt retningen for elevasjonsaksen i respons på endringer i vinkelposisjonen til antennebæreren; - sensormidler som samarbeider med det andre pendellegemet og antennebæreren for å tilveiebringe et utgangssignal som indikerer den relative posisjon for pendellegemet relativt antennebæreren; og - servokontrollkretsmidler som er responsive på utgangssignalet og er anordnet for å avgi kontrollsignaler til servomotoren for å opprettholde antennebæreren i en på forhånd bestemt orientering.

Denne passive stabilisering kan sikres ved å kompensere momentene som oppstår på grunn av rulling og stamping i skipet, ved å koble pendelen til mellomapparatet ved hjelp av en fjær, eller ved å kompensere hastighetene som oppstår ved skipets bevegelse, ved mekanisk å koble pendelen og mellomapparatet til et tannhjulsdrivverk som vanligvis er et epicykloidalt gear.

Oppfinnelsen vil forståes bedre av den etterfølgende beskrivelse av ikke-begrensende eksempler. Beskrivelsen refererer seg;til de vedheftede tegninger der: Fig. 1 som allerede er nevnt, er et skjema som viser forskyvningene og akselerasjonene som oppstår 1 plan på tvers av et skips lengdeakse under rulling; Fig. 2 er en skisse som viser i et plan på tvers av skipet i fig. 1, de forskjellige akselerasjonskomponenter (horisontal akselerasjon Ax, vertikal akselerasjon Ay i sann vertikal retning); Fig. 3 er en enkel perspektivskisse som viser et antennefeste i henhold til en første utførelse ifølge oppfinnelsen, for kompensasjon av momenter; Fig. 4 er en prinsippskisse som viser hvorledes stabiliseringen finner sted, og plasseringen rundt sikteaksen av festet i fig. 3; Fig. 5 viser på samme måte som fig. 3, en utførelse av oppfinnelsen hvor stabiliseringen finner sted ved å kompensere bevegelsene; Fig. 6 er en skjematisk skisse i delvis snitt som viser en utførelse som materielt er mulig for innretningen i fig. 5; Fig. 7 viser parametrene som opptrer ved bruk av innretningen i fig. 5 og 6; og

fig. 8 er et diagram som viser overføringsfunksjonen av innretningen vist i fig. 7.

Antennefestet som vist i fig. 3 omfatter en ramme 14 som ved hjelp av lågere som definerer en peileakse G bærer en støtte 18. En servomotor 16 som vanligvis er en trinnsvis elektrisk motor, er koblet til sokkelen og støtten, og gjør det mulig å orientere den sistnevnte rundt aksen G.

Til støtten 18 er det festet en aksel 19 som definerer en orienteringsakse FX loddrett på aksen G, for et mellomapparat som bæres av akselen ved hjelp av lågere. I illustrasjonen i fig. 3, er dette apparatet redusert til en ring 20 som skal stabiliseres rundt aksen 5X. Til ringen 20 er festet to lodd 24 som utgjør pendelmassen, som er plassert 1 et plan som går gjennom aksen G når peileaksen er vertikal. Ringen er likeledes utstyrt med en aksel 26 som utgjør sikte- eller høydeaksen SY. Endelig bærer akselen 26 likeledes ved hjelp av lågere, bøylen 28 som er en antenneholder. Antennen 30 (for eksempel en spiralantenne), er montert på bøylen med sin radioelektriske akse SZ loddrett på aksen SY. En servomotor 32 som tilsvarer servomotoren 16, er koblet til bøylen 28 og akselen 26, og gjør det mulig å orientere antennen i høyderetningen. Man ser nedenfor at servomotoren 16 styres slik at uten rulling inneholder planet GSX satelitten jsom antennen 30 skal peke mot.

Stabiliseringen av antenneholderen rundt aksen SX sikres ved momentkompensasjon, slik at planet GSX inneholder satelitten i fravær av rulling, ved å forbinde akselen 19 til en bøyle festet til ringen 20 ved en fjær 34, med passende stivhet. Hvis man betegner fjærens stivhet K, vinkelen som støtten 18 dreier a og utslaget som ringen 20 gjør i forhold til vertikalen E, ser man at denne ringen er underkastet: - et moment Cl - MÆRu^ cos ut (med samme betegnelser som i fig. 1 og 2) på grunn av pendelmassen 24, - et moment C2 = K(a-E) som skyldes rullingens virkning gjennom fjæren 34.

Ved å anvende summen av momentene på massen Iq i hele systemet som skal stabiliseres, får man en annen ordens differensialligning som kan intergreres for å bestemme egensvingningen i det stabiliserte system som tilsvarer V K/l0 når systemet ikke er dempet. Denne svingningen kan gjøres meget større enn eksitasjonssvingen u.

Man kan likeledes bestemme overføringsfunksjonen. Fordi systemet som skal stabiliseres er underkastet 2 momenter Cl OG C2 i motsatt retning, kan man minimalisere E for en verdi av K, slik at Cl - C2 for E = 0. Det er åpenbart mulig i antenneholderen å innføre innretninger som gjør det mulig å modifisere stivheten K i fjæren 34.

Innretningen for høydestabilisering har en sammensetning som er noe forskjelllig fra kompensasjonen rundt aksen SX fordi den skal kombineres med styring av høydestillingen. For dette formål, er den som vist i fig. 3, koblet med fjæren 36 som spiller samme rolle som fjæren 34 i fig. 3, til en roterende stang festet til pendelmassen 38, og som kan dreie i lageret i bøylen. Stangen 40 for pendelmassen 38 bærer glideren 42 for et potensiometer, hvor det ledende spor 44 er festet til bøylen. Likevektsmassen 46 finnes vanligvis på den sistnevnte for å balansere vekten av antennen 30. Utløpssignalet fra glideren 42 påføres en substraksjonskrets 48, hvor den andre inngangen mottar et styringssignal for høyden, beregnet av en kalkulator som er koblet til naviga-sjonssentralen i skiven. Signaldifferansen påføres en behandlingskrets 50 som omfatter en forsterker som styrer trinnvis gearet 32 på bøylen. Utløpstannhjulet 52 i dette gearet er koblet til et tannhjul 54, festet til akselen 26, slik at høydeinnstillingen på antennen styres.

En simulering av stabiliseringsbetingelsene for en slik innretning for antenne på et skip i størrelse 25 000 tonn når antennen 30 er plassert i rullingens plan, har vist at feilamplituden E kan reduseres til en verdi på mindre enn 6° for en rulling på ±28° til hver side med en periode på 12 sekunder.

I den utførelse som er vist i fig. 5 og 6, hvor elementer som tilsvarer de som er vist i flg. 3 og 4 har samme refe-ransetall påført indeksen a, hver av kompensasjonsmassene 24a og 38a, er utstyrt med en hastighetskobling ved epicykloidale gear (hvor momentet er 0 når massen følger den oscillerende retning for den tilsynelatende vertikal-p) med den korresponderende plattform, det vil si akselen 19a for loddmassen 24a, potensiometeret for styringssløyfen for høydemotoren 32a for pendelmassen 38a.

I de tilfeller som er vist i fig. 5 og 6, er reduksjonsforholdet mellom pendelmassen 24a og akselen 19a positiv. For dette formål er massen festet til et første tannhjul 56, som dreier i satelittholderen 58, festet til støtten 18, således til skipet, med en muffe 60, og tannhjulet 56 er koblet til et tannhjul 62 festet til akselen 19a ved hjelp av et overføringstannhjul 64 som likeledes dreier satelittholderen 58. Når i dette tilfellet satelittholderen knyttet til skipet; dreier a i forhold til den sanne vertikale retning (fig. 5), dreier hjulet 56 knyttet til pendelmassen 24a-B. Reduksjonsforholdet optimaliseres for at plattformen skal forbli fast eller avviksamplituden meget liten. Dette forholdet avhenger således av amplitudene a og p, og en kompensasjon er mulig som man vil se av det etterfølgende. Andre innretninger gjør det likeledes mulig å gjennomføre en kompensasjon. Dette gjelder, spesielt i det tilfellet hvor man benytter et positivt reduksjonsforhold, men hvor tannhjulet 5 er knyttet til støtten 18a, og hjulet 62 til plattformen. Hjulet 64 forblir festet til satelittholderen 58. Det er derimot umulig å benytte en montering med positivt reduksjonsforhold, når satelittholderen 58 er festet til et mellomapparat 20a, hjulet 56 er festet til pendelmassen 24a og overføringstannhjulet 64 er knyttet til støtten 18a festet til skipet.

Hvis man derimot tar bort overføringstannhjulet 64, det vil si at man benytter et negativt reduksjonsforhold, er den eneste mulige løsning den som er utelukket når det dreier seg om et positivt reduksjonsforhold, det vil si den hvor tannhjulet 62 er festet til skipet, hjulet 56 er knyttet til pendelmassen 24a, satelittholderen som tannhjulene dreier i, er knyttet til mellomapparatet 20a.

Som en første utførelse som er beskrevet, kan man bestemme overføringsfunksjonen som forbinder utslaget med systemet som skal stabiliseres. Med de benevnelser som er nevnt i fig. 7, kan man bestemme at overføringsfunksjonen er følgende (p benevner på vanlig måte Laplace-variablen), for systemet som skal stabilisertes, inertmomentet Iq er antatt knyttet til hjulet 62 som i fig. 5:

Denne overføringsfunksjonen gir verdien 0, motstående stillingen for hjulet 56 som en funksjon av a. f gir en dempningskoeffisient som er proporsjonal med hastigheten som kan påføres på nivå med påføringstannhjulet.

Overføringsfunksjonen kan representeres ved diagrammet vist i fig. 8, hvor ot er rullevinkelen og -0 er vinkelstillingen for pendelen.

Kombinasjonen av kompensasjonen rundt aksen Y og styringen av høyden kan utføres på samme måte som i fig. 3 og 4 ved hjelp av et potensiometer hvor glideren 42a er forbundet med akselen 26a, mens sporet er festet til et hus 66, utstyrt med et tannhjul 68 koblet ved hjelp av overføringstannhjulet 70 til tannhjulet 72, festet til pendelmassen 38a. I fig. 6 har man vist en demper 74 for Foucalt-strømmer påført akselen for overføringstannhjulet 70. Den viste innretning kan modifi-seres og spesielt kan innretningen med potensiometerele-mentene snus og demperen plasseres på et annet tannhjul.

For fullstendighetens skyld, har man i fig. 6 vist en kalkulator 76 for å beregne styringssignalene for motorene 16a og 32a. For dette formål mottar kalkulatoren i en inngang 78 et signal som representerer skipets kurs fra gyrokompasset. Lengde- og breddegrad tilføres andre innganger eller direkte fra en navigasjonssentral. Fra disse signalene beregner kalkulatoren 16 verdien på peilesignalet og orienteringen rundt aksen Y. Peileavviket bestemmes fra et signal fra et instrument 80, og det korresponderende korrigeringssignal sendes gjennom forsterkeren 82 til gearet 16a. På tilsvarende måte oppstår signalet I fra et signal fra potensiometeret som kobler boksen 66 og akselen 26, og som deretter tilføres gearet 32 ved hjelp av forsterkeren 50a.

Claims (10)

1. Antennefestesystem for bruk på et skip med stabilisering og kontrollert bevegelse rundt bærere og elevasjonsakser, omfattende: a) en stasjonær stand (14); b) kardangopphengsinnretninger med: en kardangbærer (18, 18a) dreibart forbundet med standen (14) for rotasjon om denne rundt en lagerakse (SG); en mellomenhet (20, 20a) montert på kardangbæreren for oscillerende bevegelse om denne rundt en mellomakse (SX) i rett vinkel på lageraksen (SG) og med et gravitetssentrum under mellomaksen; og en antennebærer (28) dreibart montert på mellomenheten (20, 20a) for rotasjon om denne rundt en elevasjonsakse (SY) i rette vinkler på mellomaksene; og c) gravitetsrespons returmidler (24, 24a; 56-64) som operativt forbinder mellomenheten og kardangbæreren og anordnet for å bringe mellomenheten til en på forhånd bestemt retning i forhold til det horisontale, karakterisert ved at returmidlene omfatter: - et første pendellegeme (24, 24a) for å indikere en tilsynelatende vertikal retning; - servomotormidler (32, 32a) som er operative for å kontrollere den relative vinkelposisjon for antennebæreren (28) rundt elevasjonsaksen relativt mellomenheten (20, 20a); - et andre pendellegeme (38, 38a) som dreibart er forbundet med antennebæreren for oscillerende bevegelse rundt retningen for elevasjonsaksen i respons på endringer i vinkelposisjonen til antennebæreren; - sensormidler (42, 44; 42a-44a) som samarbeider med det andre pendellegemet og antennebæreren for å tilveiebringe et utgangssignal som indikerer den relative posisjon for pendellegemet (38, 38a) relativt antennebæreren; og - servokontrollkretsmidler (48, 50) som er responslve på utgangssignalet og er anordnet for å avgi kontrollsignaler til servomotoren (32, 32a) for å opprettholde antennebæreren i en på forhånd bestemt orientering.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at antennebæreren inkluderer en antenne med en radioelektrisk akse loddrett på elevasjonsaksen og er utstyrt med motvekter for vesentlig mekanisk balanse rundt elevasjonsaksen, og at andre servomotormidler (16, 16a) operativt er forbundet med standen (14, 14a) og kardangbæreren (18, 18a) for kontroll av vinkelposisjonen for kardangbæreren rundt lageraksen.

3. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det andre pendellegemet dreibart er båret av antennebæreren for rotasjon om denne rundt elevasjonsaksen og er forbundet med mellomenheten ved returfjærmidler som virker mot det relative vinkelavvik av det andre pendellegemet og mellomenheten fra en på forhånd bestemt posisjon.

4. System ifølge krav 1, karakterisert ved at mellomenheten har en ring som dreibart bærer antennebæreren og i tillegg pendel legemer festet til ringen og som rager nedover fra ringen i en retning ortogonalt til mellomaksen og elevasjonsaksen lokalisert 1 det vesentlige i et plan som forløper gjennom mellomaksen, og at en fjærinnretning operativt forbinder ringen og kardangbæreren for å motvirke den relative bevegelse derav fra en på forhånd bestemt posisjon hvorved stabilisering rundt mellomaksen skjer på grunn av momentkompenseringer ved oscillatorisk bevegelse om den stasjonære stand.

5. System ifølge krav 1,karakterisert ved at det videre omfatter et tannhjulsdrivverk (56, 64, 62) som operativt forbinder mellomenheten (20a) og pendellegemet, idet tannhjulsdrlvverket er anordnet slik at ethvert avvik av mellomenheten (20a) fra en på forhånd bestemt retning forårsaker avvik av pendellegemet (24a) fra den vertikale posisjon.

6. System ifølge krav 1, karakterisert ved at tannhjuls-drivverket omfatter et tannhjul (62) festet i rotasjonen til apparatet, et tannhjul (56) festet i rotasjonen til pendelmassen (24a), og som bæres av støtten (18a), og et overføringstannhjul (64) som griper inn i de andre tannhjulene og som likeledes bæres av støtten.

7. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det andre pendellegemet er festet på en stang (40), montert oscillerende rundt retningen (SY) for elevasjonsaksen, hvor stangen er koblet til et av måleelementene, hvor det annet element er festet på antennebæreren.

8. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det andre legemet (38a) driver ved hjelp av et tannhjulsdrivverk (72, 70, 68) et av måleelementene hvor det andre elementet er festet på og bringes til å rotere ved hjelp av antennebæreren.

9. System ifølge krav 8, karakterisert ved at den andre pendellegemet (38a) og tannhjulet som det driver, er båret sammen med overføringstannhjulet på antennebæreren.

10. System ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at tannhjuls-drivverket er utstyrt med dempnings-Innretninger.