31.1. Виды антенных подвесок

Современные линии спутниковой связи основаны, как правило, на использовании ИСЗ, двигающихся по геостационарной, либо по эллиптической орбите. В первом случае высота орбиты составляет примерно 36 000 км, чему соответствует период обращения, равный одним суткам. В результате этого, относительно точек на поверхности Земли ИСЗ кажется неподвижным. В действительности, из-за притяжения Луны или неточности выведения ИСЗ на орбиту некоторые перемещения ИСЗ имеются, но они малы (менее 0,1°) и происходят весьма медленно.

Геостационарная орбита ИСЗ позволяет опорно-поворотное устройство (ОПУ) и облегчить наведение луча антенны. Однако организация связи через ИСЗ на геостационарной орбите возможна для пунктов, у которых угол места , иначе резко возрастает путь, проходимый лучом в тропосфере Земли и резко возрастают шумы Земли и атмосферы. Поэтому для высокоширотных областей земного шара приходится использовать ИСЗ на эллиптической орбите. В этой связи применительно к системам наведения следует отметить, что чем ниже орбита, тем выше угловые скорости при прочих равных обстоятельствах и тем сложнее обеспечить наведение луча.

Из анализа орбит следует, что при использовании ИСЗ на эллиптических или средних круговых орбитах необходимо обеспечить наведение луча антенны в пределах изменений угла места примерно до 90°, азимута ±180° и от схемы ОПУ зависит, какие угловые скорости и ускорения будут наблюдаться.

Опорно-поворотное устройство служит для подвески параболической (или другой) антенны и наведения луча на ИСЗ.

При эллиптических и средних круговых орбитах, когда сопровождение ИСЗ от горизонта до горизонта требует от поворотных устройств перекрытия широкого диапазона углов по азимуту и углу места. ОПУ обычно обеспечивают перекрытие по углу места не менее 90° и по азимуту не менее 360°. Для сопровождения ИСЗ на геостационарной орбите обзор должен быть в существенно меньшем диапазоне углов, и здесь в принципе можно использовать упрощенное и более дешевое ОПУ.

Для ИСЗ со средними высотами орбиты максимальная угловая скорость не превышает долей градусов в секунду. Однако возможные скорости поворотов антенны должен быть существенно большими, чтобы позволить изменить направление луча за приемлемое время и обычно достигают 1°...2° за секунду, как по азимуту, так и по углу места.

Луч антенны должен быть направлен на ИСЗ с точностью не хуже одной десятой ширины диаграммы направленности (ДН) антенны. Поскольку ширина ДН может составлять десятые доли градуса, то указанное требование является одним из определяющих при конструировании ОПУ.

Опорно-поворотные устройства удобно систематизировать по схеме подвески антенн в тех или иных осях. На рис. 31.1. приведены получившие наибольшее распространение схемы подвески в осях угол места - азимут (Х-Z), в осях X-Y и часовой угол - склонение.

Для осуществления азимутально-угломестной подвески (рис. 31.1.а) антенн зеркального типа имеются два различных метода построения ОПУ. До последнего времени для антенн средних размеров обычно применяли ОПУ с центральной башней. Антенна монтировалась на подшипнике, размещенном в башне, азимутальный привод осуществлялся с помощью зубчатой передачи, также находящейся внутри башни, а привод по углу места - с помощью зубчатой передачи, находящейся над башней. Другой метод, используемый, как правило, для больших антенн, основан на применении ОПУ карусельного типа, в котором на погоне большого диаметра установлены каретки. Обычно в азимутальном приводе имеется зубчатое колесо примерно того же диаметра, что и погон. ОПУ карусельного типа нашли применение также в антеннах земных станций спутниковой связи (ЗССС), оборудованных лучеводом. Для этих антенн важно, чтобы центральная часть ОПУ была свободна и в этой части можно было бы разместить лучевод.

Если первичная ось горизонтальна и вторичная ось перпендикулярна ей, то такое устройство называют подвеской в осях X-Y (рис. 31.1.б).

Для обзора всей небесной полусферы как по углу (по меридиану), так и по (азимуту) должно обеспечиваться перекрытие ±90°. Чтобы исключить влияние Земли, обе оси должны быть подняты над Землей не менее, чем на половину диаметра антенны. Если антенна имеет большие размеры, то это условие приводит к усложнению конструкции. Преимуществом схемы подвески в осях X-Y является возможность сопровождать ИСЗ в области, близкой к зениту, т.к. при схеме X-Z в направлении подвижной первичной оси и примыкающих к нему образуется "мертвая зона". Дело в том, что когда ИСЗ проходит вблизи зенита, то изменение его азимутальной скорости слежения существенно больше, чем угловой. Это затрудняет наведение антенны при азимутально-угломестной подвеске.

Если антенна ЗССС подвешена к ОПУ с осями X-Y, эта проблема не возникает. Однако при этом возникают трудности при сопровождении ИСЗ в направлениях, близких к первичной оси системы X-Y. Поскольку первичная ось горизонтальна, то "мертвая зона" появится при прохождении ИСЗ под малыми углами места. Преодолеть указанную трудность можно, например, повернув систему по азимуту так, чтобы направлять первичную ось в сторону от ИСЗ.

Угломестная ось не обязательно должна быть горизонтальной. Известны и неортогональные подвески, где эта ось образует с вертикальной осью угол . Соотношения между истинным азимутом и углом места, и неортогональным азимутом и углом места определяется с помощью формул сферической тригонометрии

Для работы ИСЗ на геостационарной орбите достаточно перемещение луча в небольших пределах. В этом случае имеется возможность использовать значительно более простое и дешевое ОПУ с трипоидной подвеской. В этом ОПУ антенна прикреплена к раме, которая связана с неподвижной подставкой тремя штоками (как столик в теодолите). Один из штоков имеет фиксированную длину, а два остальных - регулируемую. С помощью регулируемых штоков можно изменять направление луча. Диапазон настройки истоков подбирается с таким расчетом, чтобы перекрываемая область неба была достаточно велика, а неподвижную подставку ставят в такое положение, чтобы ИСЗ находился в середине области настройки. Трипоидное ОПУ имеет перекрытие углов ±10°, поэтому его используют для работы с одним ИСЗ или с двумя ИСЗ с угловым разносом порядка 5°. Еще одним преимуществом данного ОПУ является, возможность использования фиксированной линейной поляризации, что при азимутально-угломестной подвеске для пунктов, близких к подспутниковой точке на стационарной орбите, не может быть обеспечено.

В последнее время в системах непосредственного спутникового приема начали широко использовать полярную подвеску, чтобы вращать параболическое зеркало вокруг оси, параллельной оси вращения Земли. В этом случае, если настроить антенну на вершинный спутник, можно ожидать, что луч антенны отследит геостационарную орбиту спутников-ретрансляторов при вращении вокруг полярной оси. Рис.31.2. поясняет стереометрию этой идеи

Поскольку ось вращения Земли и полярная ось в подвеске антенны разнесены в пространстве на расстояние, соизмеримое с радиусом Земли, и с радиусом геостационарной орбиты, то возникает угол ошибки (рис.31.2.). Это угол между направлением на крайний спутник и главным лепестком ДН антенны, настроенной по вершинному спутнику, при повороте, ее на крайний спутник ( - относительная долгота спутника) на данной местности. Расчеты показывают, что величина угла мала. На экваторе ( =0°, угол ошибки , равен нулю, на широте г. Ташкента =0,41° =0,628° и на широте Санкт-Петербурга =0,45°.

Если зеркало установлено на подвеске гак, что главный лепесток ДН перпендикулярен полярной оси подвески, то в процессе вращения зеркала относительно полярной оси главный лепесток антенны будет параллельным плоскости экватора и никогда не пересечет орбиту спутников-ретрансляторов. Для настройки антенны на геостационарную орбиту луч надо опустить на угол , называемый углом склонения. На экваторе ( =0°) угол склонения , равен нулю, на широте г. Ташкента ° и на широте Санкт-Петербурга °. Конструкция типичной полярной подвески приведена на рис.31.3. Подвеска устанавливается на цилиндрическую опору в виде вертикальной трубы, присоединительная часть подвески выполнена при этом в виде прямоугольного или цилиндрического стакана, снабженного болтами. Иногда болты позволяют выровнять стакан, если труба недостаточно вертикальная. К Стакану крепится "большой флаг", содержащий полярную ось, относительно которой организуется вращение зеркала. Поскольку полярная ось должна быть наклонена к горизонтальной плоскости под углом , то на "большом флаге" имеются соответствующие регулировочные пазы и болты для фиксации установленного угла. Между полярной осью и зеркалом вводится еще один механизм "малый флаг'", который осуществляет отклонение зеркала вверх и вниз на угол склонения . Между "большим флагом'' и зеркалом устанавливается актюатор, для чего на "большом флаге" есть место для закрепления хомута корпуса актюатора, а на зеркале имеется кронштейн для закрепления выдвижного штока актюатора.