DE2702340C3 - Schiffsantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schiffsantenne mit Drei-Achsen-Rahmenstabilisierung zur Ausregelung der Schiffsbewegung und zur Nachführung der Antenne zu einem Satelliten, wobei eine Gabel an einem -to vertikal zur Ebene des Decks verlaufenden Mast starr befestigt ist.

Es werden derzeit Satellitenf unksysteme entwickelt und erprobt, welche generelle Verbesserungen der Kommunikationsmöglichkeiten für die Schiffahrt erlauben. So sollen mit diesen Systemen die Qualität und Zuverlässigkeit der Übertragungsstrecken erheblich verbessert und die Kommunikationsmöglichkeiten ausgedehnt werden. Neben den herkömmlichen Kommunikationsaufgaben übernehmen diese Sy- so sterne weltweit im 24-Stunden-Dienst unter anderem

- die Übertragung von Wetter-, Navigationsdaten und Fahrtroutenberatung,

- einen zuverlässigen Sicherheits- und Notrufdienst,

- die Telefon- und Fernschreibverbindung zwischen Schiffen und öffentlichen Fernsprechnetzen,

- die Faksimile- u.id Datenübertragung mit hohen Bitraten,

- die Nachrichten- und Unterhaltungsprogramm-Übertragung.

Die Bestandteile dieser Satellitenfunksysteme sind geostationäre Satelliten, Ländstationen und Schiffsterminals. Letztere bestehen im wesentlichen aus ei- t>^r> ner stabilisierten Schiffsantenne, die bei allen Schiffsbewegungen ständig auf den Sattelliten ausgerichtet ist und den nachrichtentechnischen Einrichtungen.

Es sind 4-Achsen-Rahmenstabilisierungen bekannt, die die Achsfolge:

Roll-, Nick-, Azimut-, Elevaiion

besitzen. In der Stabilisierungsmethode unterscheidet man »passive Systeme«, bei denen die Roll- und Nickachse passiv mittels der Schwerkraft und zwei gegenläufigen Drallkörpern stabilisiert wird. Azimut und Elevation, die in der Regel geringeren Bewegungen als die beiden ersten Achsen unterworfen sind, werden aktiv stabilisiert. Bei den »voll aktiven Systemen« werden auch Rollachse und Nickachse aktiv stabilisiert. Hierzu wird ein Lotsensor benötigt.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff ist beispielsweise aus der DE-OS 2 209 790 bekannt, wobei ein Radarreflektor mittels eines Kugelgelenks auf einem Träger befestigt ist. Weiter gehören zum Stand der Technik die DE-OS 2534768 und die DE-OS 2544867. Bei sämtlichen vorher zitierten Gegenständen werden jeweils Kardanringe verwendet, in deren Zentrum das nachzuführende Bauteil angeordnet /oder aber befestigt ist. Die Verbindung des nachzuführenden Bauteils mit dem Zentrum des Kardans bewirkt immer, daß dieses nur in einem ganz begrenzten Winkelbereich (z. B. eines Kegelausschnitts aus einer Kugel) nachführbar ist, da bei technischen Gebilden eine mit dem Mittelpunkt des Kardans in Verbindung stehende Achse schon nach dem Auslenken von weniger Winkelgraden an den einen oder anderen Kardanring anschlägt.

Aus der DE-OS 2544867 geht auch deutlich hervor, daß das beschriebene Prinzip zwar zum Auskoppeln gegenüber Schiffsbewegungen genügend Freiheitsgrade bildet, jedoch zum Nachführen einer Antenne nicht geeignet ist. Deshalb ist hier die Antenne auf einem Tellerrad befestigt, welches über ein Ritzel angetrieben wird. Das Tellerrad kann eine vollständige Drehbewegung um 360° und mehr ausführen, wodurch zusammen mit der Schwenkbewegung um eine Achse die Antenne auf jeden Punkt einer gedachten Halbkugel geführt werden kann.

Eine Drei-Achsen-Rahmenstabilisierung der vorbeschriebenen Art für Schiffsantennen ist auch aus dem »Journal of British Interplanetary Society« Vol. 27 Seite 747 bekannt, wobei hier der an einem Mast auf dem Deck des Schiffs befestigte Rahmen eine volle Azimutdrehung um 360° auslührt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drei-Achsen-Rahmenstabilisierung für Schiffsantennen zu schaffen, die Nick-, Roll- und Gierbewegungen des Schiffs auskoppelt und eine exakte Nachführung der Antenne gegenüber einem an jedem beliebigen Punkt des Himmels befindlichen Satelliten mittels Schwenkbewegungen ihrer Bauelemente von weniger als 360 Winkelgraden gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Schiffsantenne gemäß dem Oberbegriff dadurch gelöst, daß ein Gelenkkreuz in Gabelzapfen drehbar gelagert ist, dessen erste Arme parallel zur Nickachse des Schiffs verlaufen und dessen andere Arme in der Ebene der Rollachse des Schiffs verlaufen und eine zweite Gabel lagern, an der rechtwinklig zu ihren Armen mittels Laschen ein Zapfen angeordnet ist, der eine Kreuzelevationsachse zur drehbeweglichen Lagerung einer mit dem Zapfen starr verbundenen Parabolantenne bildet.

Eine volle Drehung um eine Achse, die Probleme bei der Abnahme der Signale mit sich bringt (Schleif-

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U)

ringkupplungen oder Anschläge), wird bei der erfindungsgemäßen Schiffsantenne vermieden. Die Kinematik und konstruktive Auslegung des Erfindungsgegenstands dient nicht nur der Entkopplung der Antenne gegenüber Schiffsbewegungen, sondern gleichzeitig der exakten und jeden Punkt einer gedachten Halbkugel erreichbaren !Sachführung der Antenne gegenüber einem Satelliten. Dabei werden Kreiselsysteme für die Stabilisierung und Schleifringkupplungen für die Signalleitungen vermieden.

Bei der Drei-Achsen-Rahmenstabilisierung der erfindungsgemäßen Schiffsantenne ist die Rahmenfolge:

Nick-, Roll-, Kreuzelevation.

Dieses System benötigt keine voll durchdrehbare Achse und ist trotzdem in der Lage, einer kontinuierlichen Kursbewegung des Schiffes zu folgen. Dies geschieht nicht, wie bei allen anderen Systemen durch eine Azimutdrehung, sondern durch eine kombinierte ^RoIl- und Kreuzelevationsbewegung.
Γ" Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Er^r 'findung ist der Lagerarm der Parabolantenne über die ■ Kreuzelevationsachse hinaus verlängert und trägt als drehmomentenausgleichendes Gegengewicht Empfängermodul und Sendeverstärker.

Es ist weiter vorteilhaft, wenn die zweite Gabel über die Rollachse hinaus verlängert ist und an ihrem unteren Ende zum Drehmomentenausgleich ein Lotsensorpaket angeordnet ist. J»

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung einer Schiffsantenne auf einem Schiff,

Fig. 2 eine Prinzipskizze mit 3-Achsen-Rahmen- J"> Stabilisierung für eine Schiffsantenne und

Fig. 3 eine innerhalb eines Radoms befindliche, erfindungsgemäße Schiffsantenne in perspektivischer Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Schiff 2 mit einer Kommando- w brücke 4 gezeigt. Auf dem Oberdeck befindet sich dabei ein Radom 6 an einem Mast 8. Einzelheiten hiervon sind in Fig. 3 dargestellt. Ausschnittweise ist in Fig. 1 eine Unterdeckeinheit zu sehen, die aus einem Prozeßrechner 10 besteht.

Die innerhalb des Radoms 6 befindliche Schiffsantenne 12 (Fig. 3) ist unter Ausgleich der Schiffsbewegungen ständig auf einen Satelliten 14 gerichtet, wobei der Peilfehler 2,5 ° nicht überschreiten soll. Der Satellit 14 steht seinerseits mit einer Bodenstation 16 und weiteren Schiffsterminals 18 in Verbindung. Zur Sicherung der Verbindung zwischen Schiff und Satellit muß die in Fig. 2 und 3 gezeigte Stabilisierungseinrichtung 20 in der Lage sein, Schiffsbewegungen folgender Art auszugleichen:

Rollen:

Winkelamplitude ± 35 ° Periodendauer 10 Sekunden Stampfen:

Winkelamplitude ±15° Periodendauer 10 Sekunden

Gieren:

Winkelamplitude ±4° Periodendauer 100 Sekunden

Ferner soll die Stabilisierung in der Lage sein, die Nachführung auch dann noch zu gewährleisten, wenn sich die Antenne 12 in Längsrichtung ca. 70 m vor dem Schwerpunkt des Schiffs in vertikaler Richtung etwa 30 m über dem Schwerpunkt und in beliebiger lateraler Ausrichtung auf dem Schiff befindet.

Da auf Schiffen mit extremen Bedingungen zu rechnen ist, muß das System in einem Temperaturbereich von — 40 bis + 65 ° C einsatzfänig sein. Die Einrichtung muß auch allen Anforderungen unter folgenden Luftfeuchtigkeitsbedingungen genügen: bis 95% relative Feuchtigkeit bei konstanter Luftfeuchtigkeit und stark wechselnder Luftfeuchtigkeit einschließlich Kondensationsperioden, in denen die Ausrüstung innen und außen mit Frost oder Tau belegt ist. Ferner ist mit Vereisung, mit erheblichen Niederschlägen, mit Wind und Schockeinwirkung zu rechnen, so daß eine Nachführeinrichtung von ihrer Kinematik her einfach aufgebaut sein muß. Während kleinere Wartungsarbeiten an Bord erledigt werden können, sollen größere Wartungen nur alle zwei Jahre durchgeführt werden. Das Prinzip der 3-Achsen-Rahmenstabilisierung ist in Fig. 2 gezeigt. Hier ist ein senkrecht aus der Ebene des Schiffs herausragender Mast 8 zu sehen, an dem eine Gabel 22 starr befestigt ist. Die Enden 24, 26 der Gabel 22 verlaufen quer zur Nickachse 28 des Schiffes und weisen Lagerungen 30 auf. In diesen Lagerungen sind zwei Arme 32, 34 eines Gelenkkreuzes 36 gelagert. Die anderen Arme 38, 40 des Gelenkkreuzes bilden iine Achse 42, die parallel zur Rollachse des Schiffes verläuft. In den Zapfen dieser Arme 38, 40 ist eine weitere Gabel 44 mit Armen 58, 60 gelagert. Im Zentrum dieser Gabel 44 befinden sich zwei Laschen 46, in denen rechtwinklig zur Achse 42 ein Zapfen 48 drehbeweglich angeordnet ist. Mit diesem Zapfeen 48, der in Richtung einer Kreuzelevationsachse 62 verläuft, steht eine Antenne 12 in starrer Verbindung. Die Antenne ist im vorliegenden Fall als Parabolantenne von ca. 1,25 m Durchmesser ausgebildet.

Die Kinematik der in Fig. 2 gezeigten 3-Achsen-Rahmenstabilisierung ermöglicht die Ausregelung der Schiffsbewegung und Nachführung der Antenne zum Satelliten, wobei keine voll durchdrehbare Achse vorhanden ist und trotzdem Kurzbewegungen des Schiffes kontinuierlich Folge geleistet werden kann. Wesentlich ist, daß beim Gegenstand der Erfindung keine Azimutdrehung, sondern eine kombinierte Roll- und Kreuzelevationsbewegung vorgenommen wird.

Während Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Kinematik der Nachführung darstellt, ist in Fig. 3 eine technisch realisierbare Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei wurden die Bezugszeichen von Fig. 2 verwendet. In Fig. 3 ist insbesondere Gabel 44 so weit verlängert, daß sie in den Zapfen 38, 40 drehmomentenfrei gelagert ist. An den verlängerten Gabelarmen sind dabei ein Lotsensorpaket und ein Gegengewicht 50, 52 angeordnet. Der Parabolspiegel 12 weist ebenfalls über den Zapfen 48 verlängerte Laschen 54 auf, die ein Profil bilden, in dem ein Empfängermodul 56 und ein Sendeverstärker einbaubar sind.

Die prinzipielle Funktionsweise der Antennenstabilisierung ist im folgenden erläutert:

Nach Vorgabe der Schiffs- und Satellitenposition in Länge und Breite durch Bedienpersonal rechnet ein einfacher Prozeßrechner 10 unter Berücksichtigung des Schiffskurses Sollwerte für den Roll- und Kreuzelevationswinkel aus. Der Sollwert des Nickwinkels ist ständig Null.

Das Stabilisierungssignalinterface zwischen Unterdeck- und Überdeckstation besteht nur aus diesen beiden Sollwertsignalen (abgesehen von den Energieversorgungssignalen). Der RoIlwertsoUwinkel ist re-

allotbezogen; der Kreuzelevationswinkelwert ist ein Rahmenrelativwinkel. Die Sollwertsignale versorgen 3 über Deck geschlossene DC-Servokreise. Die den Seegang ausgleichenden Stellsysteme (Nick- und Rollachse) müssen schnell und direkt arbeiten können. Wesentlich geringer sind die Bewegungen, der die Kreuzelevation zu folgen hat. Sie wird durch Positions- und Kursänderungen des Schiffs bedingt und dadurch sehr langsam. Ein kleines Motorpotentiometer mit hoher Übersetzung (ü> 1:500) ist ausreichend, um die erforderlichen Stellmomente auszuführen und gleichzeitig eine Stellrückmeldung zu versehen. Die hierbei integrierten Kunststoffschichtpotentiometer erreichen Lebensdauern, die über denen der DC-Motoren liegen. Der Linearitätsfehler über den vollen Winkelbereich verändert sich währenddessen um weniger als l%o.

Als Lotmeßreferenz dient ein zweiachsig arbeitendes Meßsystem, das aus zwei Orehgeschwin.digkeitssensoren und zwei Schaltlibellen besteht. Die weiteren elektronischen Komponenten werden durch die gewählten Motoren und das Meßsystem bestimmt.

Zur Signalführung über die Rahmenachsen sind sog. Flex-Lead-Verbindungen, das sind flexible Festverdrahtungen, vorgesehen.

Das Radom ist ein üblicherweise verwendetes Kugelradom und braucht im vorliegenden Fall nicht näher erläutert zu werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schiffsantenne mit Drei-Achsen-Rahmenstabilisierung zur Ausregelung der Schiffsbewegung und zur Nachführung der Antenne zu einem Satelliten, wobei eine Gabel an einem vertikal zur Ebene des Decks verlaufenden Mast starr befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gelenkkreuz (36) in Gabelzapfen (30, 30) drehbar gelagert ist, dessen erste Arme (32, 34) parallel zur Nickachse (28, 28) des Schiffs (2) verlaufen und dessen andere Arme (38, 40) in der Ebene der Rollachse (42, 42) des Schiffs (2) verlaufen und eine zweite Gabel (44) lagern, an der rechtwinklig zu ihren Armen (58, 60) mittels Laschen (46) ein Zapfen (48) angeordnet ist. der eine Kreuzelevationsachse (62) zur drehbeweglichen Lagerung einer mit dem Zapfen (48) starr verbundenen Parabolantenne (12) bildet.

2. Schiffsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerarm (54) der Parabolantenne (12) über die Kreuzelevationsachse (62) hinaus verlängert ist und als drehmomentenausgleichendes Gegengewicht Empfängermodul und Sendeverstärker (56) trägt.

3. Schiffsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gabel (44) über die Rollachse (42, 42) hinaus verlängert ist und an ihrem unteren Ende zum Drehmomentenausgleich ein Lotsensorpaket (50, 52) trägt.

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