Антенны для спутниковой и космической радиосвязи

Связь между земными пунктами, находящимися на расстояниях от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров друг от друга, удобно осуществлять на сантиметровых волнах с помощью ИСЗ, применяемых в качестве активных ретрансляторов. В то же время специалисты, занимающиеся вопросами создания телекоммуникационных сетей, считают, что, например, в частности, для центральной части России (или Узбекистана) при расстоянии между передающими и приемными центрами более 400...500 км ретрансляция программ через ИСЗ становится выгоднее, чем их передача по наземным каналам (кабельным и РРЛ). В труднодоступных местностях (в пустынях, в горных ущельях) это расстояние может быть еще меньше. Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме используемого частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время все шире осваиваются новые диапазоны 11/14 и 20/30 ГГц. Объем и качество передачи информации во многом определяются антенно-фидерным устройством системы спутниковой связи (ССС). С учетом этого сформулируем основные требования к антенным устройствам ССС.

Антенны земных станций ССС. К указанным антеннам предъявляются следующие основные требования:

1) обеспечение высокого коэффициента усиления при достаточно большом коэффициенте использования поверхности (0,6...0,7) и как можно более низких значениях шумовой температуры и уровней боковых лепестков;

2) возможность наведения луча на ИСЗ с помощью опорно-поворотного устройства, а также систем программного и ручного наведения и автоматического сопровождения;

3) сохранение электрических характеристик и надежной работы в заданных климатических условиях, особенно при предельных скоростях ветра;

4) соответствие диаграммы направленности антенны справочной диаграмме, рекомендуемой МСЭ (с целью обеспечения условия электромагнитной совместимости). Справочная диаграмма представляет собой графическое изображение (или аналитические выражения) огибающей рекомендуемой диаграммы направленности относительно изотропного излучателя.

Антенны земных станций спутниковой связи (ЗССС) и космической радиосвязи являются сложными устройствами, имеющими большие габаритные размеры и массу. Они работают в условиях воздействия переменных ветровых нагрузок, дождя, гололеда, солнечного нагрева и т.д. В этих трудных климатических условиях должны быть обеспечены высокая механическая прочность антенной системы и сохранение с высокой точностью заданной формы поверхности зеркала. С этой целью зеркало антенны снабжается мощным каркасом, опирающимся на несущую платформу антенно-поворотного устройства. Одной из важнейших характеристик антенн земной станции является величина отношения коэффициента усиления антенны (G) к суммарной шумовой температуре (Т_Σ) на входе приемного устройства, измеренной в градусах Кельвина при угле места 5° (шумовая добротность). Современные зеркальные антенны земных станций с диаметром раскрыва 30 м имеют значение G/T около 42 дБ/К. Очевидно, что для увеличения отношения G/T следует увеличивать КУ антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру T_Σ=T_y+T_тp+T_А. Здесь Т_у - шумовая температура малошумящего усилителя (МШУ), к которому присоединена антенна (обычно Т_у = 40...60 К); Т_тр - шумовая температура СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; Т_А - эквивалентная шумовая температура антенны. Температура Т_А растет при уменьшении угла места Δ (угол между направлением максимального излучения и горизонтом) из-за увеличения, поглощения радиоволн в большей толще атмосферы Земли и приема шумов теплового излучения Земли. При Δ = 4...5° уровень шумов Земли недопустимо возрастает, так как их прием происходит через боковые лепестки, близкие к главному. Кроме того, при уменьшении угла Δ путь от антенны до ИСЗ (или космического объекта), проходящий в плотных слоях атмосферы, удлиняется, что ведет к увеличению уровня шумов, порождаемых атмосферой. Минимально допустимый угол места в диапазоне 4/6 ГГц составляет 5...7°. В диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимально допустимый угол места Δ не должен быть менее 10°. В связи с ростом числа ИСЗ на геостационарной орбите, уменьшением углового расстояния между ними, на земной станции возрастает опасность помех от соседних ИСЗ. Поэтому антенны ЗССС должны иметь низкий уровень боковых лепестков. На ЗССС с малой пропускной способностью и станциях телевизионного вещания, обслуживающих небольшие населенные пункты, применяются однозеркальные антенны с коэффициентом усиления не более 35 дБ и несколько многоэлементных директорных антенн, работающих в антенной решетке (система «Экран») с коэффициентом усиления примерно 21...28 дБ. На ЗССС с большой пропускной способностью используются, в основном, двухзеркальные модифицированные параболические антенны. Диаметры раскрыва таких антенн определяются заданными значениями рабочей частоты, коэффициента усиления, уровней боковых лепестков и доходят до 30...32 м.

В качестве примера рассмотрим антенну ЗССС, обеспечивающую телефонную, телефаксную связь и передачу данных в диапазоне 4/6 ГГц между абонентами, расположенными на территории Узбекистана, а также зарубежных стран Европы, Азии, Америки. Для излучения и приема сигналов используется двухзеркальная параболическая антенна Кассегрена с диаметром раскрыва D = 4,8 м. Профиль малого зеркала с диаметром d = 0,9 м модифицирован с целью реализации максимального коэффициента использования поверхности раскрыва антенны. В качестве облучателя используется специально разработанный конический рупор, который во всем рабочем диапазоне антенны формирует осесимметричную диаграмму направленности с практически неизменной шириной главного лепестка. Диаметр раскрыва облучателя составляет 0,18м. Коэффициенты усиления на частотах 6,012 ГГц и 3,95 ГГц равны соответственно 46,8 и 43,8 дБ, а уровни боковых лепестков -12,9 и -13,9 дБ. Сравнительно высокий уровень боковых лепестков обусловлен амплитудным распределением поля в раскрыве, близким к равномерному, и влиянием затенения апертуры антенны малым зеркалом. Поляризация поля - круговая: лево-поляризованная при излучении и правополяризованная при приеме. Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ - произведение подводимой к антенне мощности на коэффициент усиления антенны) составляет 60 дБВт. Шумовая добротность (отношение коэффициента усиления антенны к эквивалентной шумовой температуре приемной системы) равна 17 дБ/К.

Сигналы, приходящие от космических кораблей или отраженные от планет при радиоастрономических исследованиях, также весьма слабы из-за очень большой удаленности указанных источников. В этих условиях для того, чтобы обеспечить необходимое отношение сигнал-шум на входе приемника, антенны ЗС должны иметь очень высокий коэффициент усиления (от 65...70 дБ), чему соответствуют большие размеры антенн и малая угловая ширина главного лепестка диаграммы направленности.

Бортовые антенныССС. Бортовые антенны ИСЗ обеспечивают приём и передачу по спутниковой линии связи сигналов связных, вещательных, телевизионных, телеметрических и других систем. Уровень излучения в сторону Земли антеннами ИСЗ ограничен энергетикой станции космического аппарата и недопустимостью излучения в этом направлении мощных сигналов, которые могут создать помехи другим радиотехническим системам. В этой связи антенные системы современных ИСЗ должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать эффективное облучение только заданной области земной поверхности; допускать повторное (многократное) использование рабочих частот за счет пространственного разноса диаграммы направленности и поляризационного разделения; ослаблять излучение вне зоны обслуживания для того, чтобы уровни поля при основной поляризации и кроссполяризации не превышали установленных международных норм. На протяжении существования ИСЗ антенна должна: сохранять работоспособность в условиях глубокого вакуума, воздействия теплового и радиоизлучений Солнца, ионизирующей радиации; выдерживать действие больших ускорений и вибрационных нагрузок во время запуска; учитывать технические ограничения, накладываемые на размеры и массу антенны. Принимая во внимание условия работы бортовых антенн, для их изготовления применяют такие материалы, как алюминий, беррилий, инвар, магний и титан.

В последнее время все больше используются композиционные материалы, такие как углепласты (графито-эпоксидная композиция). Углепласты имеют значительно лучшие, чем у вышеназванных материалов, механические и температурные свойства: близкий к нулю коэффициент линейного расширения, малую удельную массу и большую жесткость. Тип приемопередающей антенны, устанавливаемой на космическом аппарате - бортовую антенну выбирают с учетом требований, связанных с построением и энергетическим потенциалом линии связи, диапазоном рабочих частот и полосой пропускания, условиями работы в космосе, стабилизацией ИСЗ и т.д. На первых ИСЗ использовались слабонаправленные малогабаритные антенны. На ИСЗ, выведенных на геостационарную орбиту, с которой угловой размер Земли составляет примерно 18°, применялись антенны с коэффициентом усиления примерно 6...17 дБ (антенные решетки из 16 элементов, небольшие параболические антенны и др.). На ИСЗ, находящихся на орбите средней высоты (5...10 тыс. км), применялись почти ненаправленные (изотропные) антенны с круговой поляризацией поля (турникетные, спиральные, щелевые). Недостаточное усиление бортовых антенн компенсировалось использованием больших наземных антенн с высоким коэффициентом усиления. С увеличением общих размеров и массы ИСЗ появилась возможность применять более направленные антенны с коэффициентом усиления 30...35 дБ и более. К таким антеннам относят параболические (одно- и двухзеркальные), рупорно-параболические антенны и антенные решетки. Особый интерес представляют складные антенны, раскрывающиеся после вывода космического аппарата на орбиту. В последнее время проявляется значительный интерес к бортовым многолучевым антеннам. Обеспечивая большое усиление, эти антенны позволяют значительно снижать мощность бортовых передатчиков космических аппаратов. В качестве бортовых многолучевых антенн применяются зеркальные антенны (обычно неосесимметричные), фазированные антенные решетки и некоторые другие типы антенн. Основными преимуществами зеркальных многолучевых антенн являются их сравнительно невысокая стоимость, простота облучающей системы, небольшая масса, простота конструкции. Коэффициент усиления таких антенн лежит в интервале от 27...30 дБ в диапазоне 4/6 ГГц (при диаметре раскрыва 1...2,5 м) до 45 дБ в диапазоне 30 ГГц. Во многих случаях диаграммы направленности антенн космических аппаратов должны быть сформированы таким образом, чтобы их контур (уровень постоянных значений коэффициента усиления) повторял границу государства (в пределах которого обеспечивается подача телевизионной программы), видимую с геостационарной орбиты. Подобные антенны получили название антенн с контурным лучом.

Контурная форма луча снижает потери излучаемой мощности за пределами границы обслуживаемого региона, а также, что не менее важно, уровень нежелательного облучения сопредельных территорий. Наиболее популярны три способа формирования контурной диаграммы направленности, первый из которых связан с применением параболического рефлектора, облучаемого системой облучателей; второй - плоской фазированной антенной решетки и третий - параболического рефлектора специальной формы, облучаемого одиночным облучателем.

Принцип формирования контурного луча в первых двух случаях условно показан на рис.30.1.

 

 

Рис. 30.1. Принцип формирования контурного луча

 

Здесь изображены три узких луча, поля которых, складываясь, образуют один широкий луч со сравнительно плоской верхней частью и крутыми скатами. Достоинство этих способов заключается в возможности менять форму контурного луча в ходе эксплуатации. Недостатки связаны со сложностью конструирования и настройки системы формирования лучей, а также с ростом радиочастотных потерь при увеличении частоты. Третий способ рассчитан на фиксированную форму контура, зато свободен от недостатков, указанных выше. Правда, сложность расчета и изготовления рефлектора специальной формы пока сдерживает широкое распространение систем этого типа.

Радиотелескопы

Антенны с параболическими зеркалами. Первые антенны этого типа были неподвижными (например, 32-метровые "земляные чаши" Крымской радиоастрономической станции ФИАН, начала 1950-х гг.) или устанавливались на поворотном устройстве, позволяющем изменять положение антенны лишь по углу места (90-метровая антенна в Грин-Бэнк, США). Перестановка электрической оси антенны в пределах нескольких ДН осуществлялась изменением положения облучателя. В Грин-Бэнк для поворота электрической оси антенны по азимуту (прямому восхождению) смещают в соответственном направлении облучатель, На Крымской радиоастрономической станции облучатель установлен на каретке, обеспечивающей его перестановку в фокальной плоскости в двух направлениях.

Первые полноповоротные радиотелескопы имели традиционную схему оптических телескопов - экваториальное поворотное устройство, обеспечивающее установку антенны в заданном направлении по прямому восхождению и склонению. Компенсация вращения Земли (слежение за источником) осуществлялась равномерным вращением инструмента вокруг оси прямого восхождения, устанавливаемой параллельно оси вращения Земли, т. е. наиболее простым и удобным поворотным устройством, к тому же обеспечивающим сохранение позиционного угла при сопровождении источника. Однако в этом заключается и его недостаток - в ходе наблюдений зеркало поворачивается вокруг своей оси, и под действием сил тяжести возникают несимметричные деформации, искажающие его форму (для крупных зеркал). Поэтому современные крупные прецизионные радиотелескопы имеют азимутально-угломестные поворотные устройства, что впервые было применено в антенне радиотелескопа РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории. По той же причине оптики также перешли на аналогичную монтировку (6-м телескоп в станице Зеленчукской на Кавказе). Пересчет экваториальных координат в азимутальные осуществляется компьютером. Это не усложняет систему, т.к. в действительности и в случае экваториальной подвески (для крупных зеркал) необходимо учитывать влияние рефракции и отклонение электрической оси под действием деформаций, в том числе тепловых. Нужно обеспечивать и режим сканирования какой-либо площадки неба, что можно осуществить лишь с помощью компьютера.

Обычно радиотелескопы открыты. Для исключения влияния температурных изменений и ветровых нагрузок на зеркало в ряде случаев инструмент помещают внутри купола. Купол может иметь раздвижное окно, как для оптического телескопа (11-м радиотелескоп на Китт-Пик, США), либо быть сплошным (Хайстекская обсерватория, 37-м радиотелескоп). Недостатками сплошного купола являются поглощение в оболочке и рассеяние на фермах конструкций. Антенна радиотелескопа в Хайстеке имеет облегченную конструкцию, для уменьшения деформации зеркала под действием гравитационных сил применены компенсирующие противовесы. Разработаны специальные конструкции зеркал с азимутально-угломестной подвеской, которые деформируются под действием гравитационных сил (при изменении угла места), сохраняя свою форму. Меняется лишь фокусное расстояние, это изменение компенсируют смещением облучателя.

Для обеспечения высокого коэффициента использования апертуры ν_а и низкой шумовой температуры антенны Т_ша используют рупоры различных типов. Наиболее эффективны так называемые корригированные рупоры, внутренние стенки которых прорезаны четвертьволновыми канавками, в этом случае ν_а = 0,55…0,7.

Более удобна в эксплуатации и эффективна по своим параметрам кассегреновская схема облучения. В этом случае перед фокальной точкой устанавливается вторичное зеркало гиперболической формы, которое отражает падающее на него излучение во вторичный фокус, расположенный ближе к основанию первичного зеркала. Аппаратура становится доступной в процессе наблюдений, кроме того, облучение вторичного зеркала происходит в направлении приема сигнала ("холодного" неба, а не "горячей" Земли) и шумовая температурa антенны Т_ша получается минимальной. Общая шумовая температурa системы 64-м радиотелескопа в Голдстоуне (США) на длине волны 13 см равна 15 К, а ν_а = 0,8. Большое значение ν_а достигнуто с помощью корригированного облучателя и зеркал специальной формы (квазипараболической и квазигиперболической).

В схеме Грегори используется вторичное зеркало эллиптической формы, которое устанавливается за первичным фокусом, что допускает возможность работы из первичного фокуса без снятия вторичного зеркала. Система Грегори использована на 100-м радиотелескопе в Эффельсберге в ФРГ. Радиотелескопы с параболическими зеркалами работают во всем спектре радиоволн - от метровых до самых коротких миллиметровых. Их угловое разрешение достигает десятков секунд дуги. Зеркала специальной формы использованы в 70-м радиотелескопе в Евпатории.

Радиотелескопы со сферическими зеркалами имеют неподвижную антенну. Перемещение в пространстве луча антенны осуществляется облучением разных частей зеркала. Для исправления сферической аберрации используют вторичное зеркало специальной формы либо линейный облучатель с исправлением фазы вдоль его длины. Радиотелескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико) имеет сферическое зеркало с радиусом R = 265 м и диаметром раскрыва 305 м. Диаметр эквивалентного параболического зеркала равен 200м. Щиты отражающей поверхности установлены на опорах, закрепленных непосредственно в скальном грунте. Это обеспечивает возможность точного выставления щитов и сохранение их положения при разных ветровых нагрузках и температурах. Радиотелескоп работает до волн 3-см диапазона. Облучатель антенны закреплен на каретке, движущейся по дуге, расположенной на расстоянии 0,5 R. Дуга может вращаться относительно оси антенны. Таким образом обеспечивается управление электрической осью антенны по двум направлениям в пределах 20⁰ от зенита. Система облучения подвешена с помощью тросов в фокальной точке, управление осуществляется с помощью компьтера. Рассмотренные антенны имеют цилиндрически симметричные диаграммы направленности (игольчатого типа).

Радиотелескоп Крауса имеет неподвижное параболическое зеркало высотой 21, длиной 110 м и плоский переотражатель, наклон которого позволяет устанавливать электрическую ось антенны на разные углы места. Радиотелескоп этого типа построен в Зименках, близ Нижнего Новгорода, его прецизионное зеркало параболической формы имеет размеры 25х2 м. Инструмент работает в миллиметровом диапазоне длин волн. Сопровождение в пределах небольших углов по азимуту осуществляется перемещением облучателя. Для расширения возможностей сопровождения радиотелескоп в Нансе (Франция) имеет зеркало сферической формы, его размеры 300х35 м, размеры переотражателя 200х40 м. Антенны этого типа имеют плоскую (веерную, или ножевую) диаграмму направленности и работают на длинах волн миллиметрового и дециметрового диапазонов.

Параболические цилиндры используют на волнах метрового и дециметрового диапазонов. Вдоль фокальной оси этих зеркал устанавливают диполи. Изменение угла места таких антенн обеспечивают перестановкой (вращением) антенны, а по азимуту - соотвующей фазировкой диполей. Антенна этого типа находится в Пущино на радиоастрономической станции ФИАН. Этот инструмент работает во всем спектре метрового диапазона, размеры зеркала 40х1000 м. Радиотелескоп в Ути (Индия) работает на частоте 327 МГц. Ось параболического цилиндра установлена параллельно оси вращения Земли (на склоне холма). Т. о. обеспечивается экваториальная монтировка зеркала. Перестановка электрической оси радиотелескопа по склонению осуществляется с помощью фазировки диполей, установленных вдоль фокальной линии параболического цилиндра. Антенна имеет 12 выходов, соответствующих 12 диаграммам направленности, разнесенных по склонению друг относительно друга на половину своей ширины.

Синфазные антенные решетки обычно применяют на волнах метрового и декаметрового диапазонов. Решетка состоит из диполей с отражателями. Одной из таких антенн является большая синфазная антенна на волну 3,5 м на радиоастрономической станции ФИАН в Пущино. На декаметровых волнах инструментом такого типа является радиотелескоп в Граково, под Харьковом. Управление электрической осью антенны осуществляют фазировкой диполей. Антенны этого типа просты в изготовлении и имеют низкую стоимость.

Антенны с незаполненными апертурами. Рассмотренные выше антенны радиотелескопов относятся к антеннам с заполненными апертурами, а измеряемый ими спектр ограничен областью малых пространственных частот. Ширина их диаграмм направленности определяется площадью антенны. Принципиально иным классом антенн радиотелескопов являются антенны с незаполненными апертурами. Это современные антенно-вычислительные комплексы, предназначенные для исследования распределения радиояркости объектов космического радиоизлучения с высоким угловым разрешением. Как правило, они чувствительны к высоким пространственным частотам. Антенны с незаполненными апертурами имеют большое число лепестков, которые исключаются специальными методами обработки.

Радиоинтерферометр является простейшим инструментом этого типа, он чувствителен лишь к одной из пространственных частот, определяемой длиной базы. Меняя длину базы, можно измерить весь спектр пространственных частот исследуемого объекта и по нему построить изображение. Для повышения эффективности наблюдений увеличивают число элементов интерферометра и располагают их в определенном порядке друг относительно друга для исключения повторения одинаковых длин баз. Использование вращения Земли (наблюдения источника при разных позиционных углах) позволяет расширить спектр измеряемых частот. Разработаны различные типы инструментов с незаполненными апертурами.

Крестообразный радиотелескоп (крест Миллса) состоит из двух взаимно перпендикулярных антенных полос. Каждая из антенн имеет веерную диаграмму направленности. Корреляционная обработка сигналов, принятых с двух антенн, формирует диаграмму направленности, определяемую их общей частью. Сформированная диаграмма направленности с точностью до нулевых пространственных частот соответствует антенне с площадью, равной произведению максимальных размеров входящих в нее полос. Примером такого инструмента является крестообразный радиотелескоп в Пущино. Его антенные полосы имеют размеры 40х1000 м. Радиотелескоп в Граково имеет Т-образную форму. Кольцевой радиогелиограф в Калгурре (Австралия) состоит из 96 элементов, установленных по кругу диаметром 3 км. Каждый из элементов представляет собой 13-м полноповоротную антенну с экваториальной монтировкой. Ширина диаграммы направленности радиотелескопа 3,5' на частоте 80 МГц. Сигналы от отдельных элементов передаются по линиям на коммутирующую систему, которая формирует 48 остронаправленных лучей, ориентированных в направлении север - юг. Инструмент используют для исследования структуры Солнца и измерения наиболее сильных радиоисточников.

РАТАН-600 расположен вблизи станицы Зеленчукской (Россия). Его антенна - разновидность перископической, состоит из 895 отражателей, установленных по кругу диаметром ~600 м; размеры отражателя по вертикали 7,4 м, по горизонтали 2 м. Отражатели можно перемещать по углу, азимуту и в радиальном направлении. Каждое зеркало следит за источником и отражает падающее на него излучение в фокальную точку. В зависимости от угла места профиль антенны меняется, отсюда и название инструмента - антенна переменного профиля. Меняется и положение фокальной точки, поэтому в процессе наблюдений облучатель передвигается по радиально установленным рельсам и компенсирует это изменение. Инструмент имеет ножевую диаграмму направленности, работает в диапазоне сантиметровых волн.

Очень большая антенная решетка (Very Large Array - VLA) построена в 1981 в США (штат Нью-Мексико). Состоит из 27 полноповоротных параболических антенн диаметром 25 м, расположенных вдоль направлений, образующих букву V. Длина плеч 21 и 19 км. Антенны перемещаются по рельсовому пути и занимают одно из 72 фиксированных положений. Ширина диаграммы направленности синтезированного луча 0,1" при длине волны 1,3 см и 2" при длине волны 21 см. Инструмент по угловому разрешению превосходит лучшие оптические инструменты.

В мае 1981 года на плато Суфа состоялась закладка камня на месте строительства (рис.30.3). Внешний вид радиотелескопа приведен на рис.30.4. Начатое строительство возобновилось в последние годы. И сегодня задачи, которые способен решать РТ-70, не потеряли актуальности. Квазары, черные дыры, галактические линзы - далеко не полный перечень объектов Вселенной, исследование которых станет результативнее с помощью столь мощного инструмента, каким является РТ-70. За три прошедших года ученые, проектировщики, архитекторы, инженеры России, которая является главным разработчиком и финансистом, определили состояние “пациента”, то есть объекта, и провели комплексную ревизию самого проекта с учетом изменившихся условий, последних научно-технических достижений и задач. Кардинальным образом пересмотрена и научная концепция деятельности обсерватории. Если раньше с помощью РТ-70 планировалось вести исследования в очень широком диапазоне длин волн: от метрового до миллиметрового, то ныне он составит от шести сантиметров до 0,8 мм. Миллиметровый, основной рабочий, диапазон наиболее информативен и наименее изучен. Среди больших полноповоротных телескопов в своем диапазоне РТ-70 будет одним из крупнейших и наиболее точных в мире”. К примеру, 1800 панелей телескопа, уже завезенных на Суфу. С их помощью РТ-70 способен работать в диапазоне до 8 мм.

Рис.30.3.Закладка камня и макет радиоастрономического комплекса

Рис.30.4.Макет РТ-70

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 соответст<