Кинематические схемы опорно-поворотных устройств

Направление на ИСЗ в пространстве однозначно задается двумя углами, поэтому и управление антенной должно осуществляться по двум угловым координатам. Существуют три типа двухосных опорно-поворотных устройств: экваториальные, азимутально-угломестные, двуугломестные [1]. Ориентация осей ОПУ относительно поверхности Земли показана на рис. 1.

Рис. 1. Ориентация осей подвесок относительно поверхности Земли.

1. Экваториальная подвеска (ЭКВ) широко применяется для астрономических инструментов небольших размеров, т.к. она удобна для сопровождения дальних космических объектов (КО), не обладающих собственным движением.

В подвесках такого типа ось Z устанавливается параллельно оси Мира и называется осью часового угла (ось Мира – прямая линия, проведенная через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли). Часовой угол t отсчитывается в плоскости небесного экватора иизменяется (в случае наблюдения дальних КО) пропорционально времени (первая экваториальная система). Вторая ось X – ось склонений, угол склонения d отсчитывается от плоскости экватора до направления на КО. Сопровождение дальних КО, для которых склонение неизменно, осуществляется путем равномерного вращения антенны вокруг первой оси со скоростью вращения Земли (360°/24 час = 15 °/час). Угол поворота относительно второй оси остается неизменным. В этом преимущество экваториальной схемы ОПУ. Если угол d изменяется, то преимущество исчезает.

2. В азимутально-угломестной (АЗ-УМ) схеме ОПУ первая ось Z (азимутальная) устанавливается вертикально. Угол поворота относительно этой оси азимут a отсчитывается от направления на север по часовой стрелке. Вторая ось X (угломестная) – перпендикулярна первой и при изменении азимута вращается в горизонтальной плоскости. Угол поворота относительно этой оси – угол места b отсчитывается от плоскости местного горизонта до направления на КО.

3. В двуугломестной подвеске (УМ-УМ) первая угломестная ось X устанавливается горизонтально в каком-либо определенном направлении. Вторая ось Y, также угломестная, перпендикулярна первой и вращается в вертикальной плоскости. Направление на КО задается двумя углами места b ₁ и b ₂. Двуугломестная подвеска называется так же карданной.

Следует отметить, что всем двухосным подвескам присущи особенности, возникающие при пересечении сопровождаемыми КО направления неподвижной оси. Вблизи этого направления скорость вращения относительно неподвижной оси резко возрастает, а в самой точке пересечения обращается в бесконечность. Это означает, что в области углов, примыкающих к направлению неподвижной оси, образуется так называемая “мертвая” зона, в пределах которой невозможно обеспечить точное отслеживание движения ИСЗ и, следовательно, устойчивую связь через него.

В АЗ-УМ ОПУ “мертвая” зона образуется в области углов места, примыкающих к зениту. Если, например, ИСЗ проходит вблизи зенита, а ОПУ имеет АЗ-УМ подвеску, то азимуты точек, находящихся по обе стороны от зенита и сколь угодно близкие к нему, отличаются на 180°. Следовательно, при проходе ИСЗ через зенит азимут антенны должен измениться мгновенно на 180°. Угловой размер “мертвой” зоны зависит от максимальной допустимой скорости движения антенны по азимуту.

Стремление исключить этот недостаток АЗ-УМ ОПУпривело к созданию УМ-УМ ОПУ. В карданной подвеске аналогичные явления наблюдаются при движении ИСЗ у линии горизонта. Однако требование точного отслеживания движения ИСЗ на горизонте не является столь жестким из-за необходимости обеспечения минимального угла места b _min.

Следует подчеркнуть, что исторически первым для полноповоротных антенных установок было разработано АЗ-УМ ОПУ, предназначенное для вращения больших антенн радиолокационных станций (РЛС). Задача РЛС - обнаружение и сопровождение целей под малыми углами места (самолетов на большой дальности, кораблей и т.д.), тогда как сопровождение ИСЗ должно осуществляться во всей верхней полусфере, т.е. и при больших углах места. Тем не менее, при разработке следящих антенн для систем связи через ИСЗ использовались именно АЗ-УМ ОПУ, т.к. к тому времени они были уже достаточно хорошо отработаны и, кроме того, являются конструктивно более простыми и более технологичными.