Настройка прямофокусной полярной антенны по виртуальным спутниковым позициям 2
Вычислить виртуальную координату спутниковой долготы легко, если преобразовать формулу 1 для нахождения азимута в формулу 2 ( см. ниже ). А собственные координаты установки антенны лучше определять по топографической карте ( или используя спутниковое позиционирование – GPS), в которой значения широты и долготы выражаются в градусах, минутах и секундах, например, 58о40?30?. Чтобы не добавлять погрешность в вычислениях, значения минут и секунд обязательно переводятся в градусы. Значение минут при этом делится на шестьдесят, а секунд - на 3600.
Полученые результаты суммируются и записываются после запятой от целого числа. В данном случае имеем целые значения градусов и их десятые доли ?58,7о. Именно такие значения собственных координат необходимо подставлять в формулы. Чтобы сократить время на расчёт всех необходимых углов, можно ввести эти формулы в компьютер. Известная программа Excel сама справится с задачей. Если при вводе формул компьютер укажет на ошибку, необходимо проверить и, вместо запятой в компьютерной формуле 6, ввести точку ( как у кого настроен компьютер ). Пробелы между знаками так же недопустимы. Дробные значения собственных координат опять же могут записываться с точкой или с запятой в соответствии с тем, что принимает компьютер.
Подставим формулы: 4 в ячейку С4; 5 в D4; 6 в E4. Установим собственное значение широты точки приёма в ячейку B2, а долготу в C2. Теперь, при вводе значения известной спутниковой долготы в пустую ячейку B4 и нажав Enter, в ячейке C4 получим искомое значение азимутального направления, а в ячейке E4 – значение угла места. Если скопировать эти формулы вниз каждую в своей колонке, то подставляя по порядку в колонку (B) известные значения градусных спутниковых долгот, можно получить таблицу со всеми необходимыми параметрами Долгота сп. – Аз. – У.М. . Данную таблицу можно применять для расчёта углов при настройке фиксированной антенны. Эти формулы также применимы и для настройки полярной антенны.
Точное значение виртуальной спутниковой долготы и угол места для известного азимутального направления проще и лучше вычислять по-другому, используя формулу 7. В этом случае необходимо ввести формулы: 7 в ячейку В4; 5 в D4; 6 в Е4. Теперь, если в пустую ячейку С4 ввести известное значение азимутального направления ( формулу 4 для нахождения азимута в эту ячейку в данном случае вводить нет необходимости ) и нажать Enter, то соответственно в ячейке В4 получим значение виртуальной спутниковой долготы, а в ячейке Е4 угол места для этого азимутального направления. Скопировав эти формулы вниз, каждую в свою колонку, далее при вводе в нижние ячейки в колонку (С) других целых значений азимутальных направлений, в колонках ( В и Е ) получим все необходимые параметры: значения виртуальных спутниковых долгот, а также углы места, согласно таблице, указанной выше ( Вирт. долг. сп. – Аз. – У.М. ). Если собственная долгота приёма находится западнее от Гринвича, то в формулы должны быть внесены поправки.
В графике соотношений пар "Аз.-У.М." намеренно взяты целые значения аз. направлений. Это было сделано с целью уменьшения погрешности при установке направлений во время настройки антенны. Углы места при таком варианте в основном будут иметь дробные значения. Увеличенная шкала транспортира по сравнению с аз. шкалой при измерениях, по идее, должна снизить возможные погрешности. Можно применить и обратный вариант. Тогда дробные значения на азимутальной шкале можно было бы фиксировать при помощи штока, а измерять транспонтиром с отвесом целые значения углов места стало бы легче ( имеются ввиду погодные условия, например, если ветер раскачивает отвес ).
Хочется отметить, что применение этих формул для вычисления азимутальных спутниковых направлений для полярной антенны не совсем корректно. Но на качество производимой настройки это обстоятельство практически не влияет. Кратко рассмотрим этот ньюанс. Чем больше установлено градусное значение на реальный спутник, тем больше возникает погрешность между вычисленным и реальным направлением по градусной шкале - рис.2(1). Эта погрешность невелика. Возрастает она постепенно, всё более увеличиваясь к краям дуги. Почему так происходит? Геодезический азимут, это азимут на горизонтальной ровной плоскости. Плоскость градусной шкалы закреплена перпендикулярно к поворотной оси антенны и наклонена к горизонту, а значит, рассекает небосклон прямой линией, оставляя на нём проекцию от горизонтального азимута. При повороте антенны оптическая ось параболида очерчивает в пространстве не такую же ровную линию, а идёт по геостационарной дуге. На рисунке это красная линия. Если бы на антенне не устанавливался дополнительный угол склонения наклона плоскости параболоида, необходимое значение которого достигается во время настройки антенны, то оптическая ось параболоида очерчивала бы линию a-b-c, то есть проекцию от азимутального направления на горизонтальной плоскости.
Таким образом, из-за того, что путь по дуге всегда длиннее ( a'-b'-c'>a-b-c ), чем путь по прямой, то и значение реального градусного направления по шкале будет всё более не соответствовать вычисленному азимутальному направлению на горизонтальной плоскости. На рисунке хорошо заметно как постепенно начинает увеличиваться погрешность между реальными и вычисленными значениями. При точном направлении антенны на юг погрешность нулевая. Чтобы избежать ошибок при настройке антенны можно заранее внести поправку в расчёты. Не допустить возникновение ошибки в настройке можно, применяя практичесий метод. Вот как я это сделал.
Используя расчётные данные согласно приведённым формулам ( см. выше ), на моей антенне не было расхождений в секторе обзора вплоть до ±30о. Но я заметил, чем больше установлен азимут направления по аз. шкале, тем больше увеличивается несоответствие между расчётным и реальным азимутом. Так для вычисленного азимута 59,1Е и 63W ( исчисление идёт в обе стороны от южного направления ) на спутники 80Е и 34,5W эта погрешность достигла примерно +1о, то есть реальные направления по шкале стали иметь вид 60,1Е и 64W. ( Величина этой ошибки неодинакова для разной широты точки приёма и брать приведённое значение погрешности в качестве поправки было бы неправильно ). Поэтому, как уже было сказано ранее, осуществлять совмещение полярной плоскости с линией север-юг необходимо по направлению антенны на самый южный спутник для точки приёма, а не на "низковисящий" над горизонтом. Чтобы убедиться в правильности совмещения плоскостей, я осуществил проверку на предмет "тонкого" совмещения полярной плоскости антенны с плоскостью, проходящей к центру Земли по линии север-юг. Каким образом? Возникновение одинаковой погрешности для противоположных, но равноудалённых от нулевого градусного направления шкалы спутниковых позиций, говорит о том, что полярная плоскость антенны была очень точно совмещена с линией север-юг. Если величина погрешности неодинакова для равноудалённых азимутальных направлений, то необходимо подкорректировать совмещение плоскости с линией. Подобная проверка напоминает мне работу по осуществлению синхронизации полярной плоскости антенны с оптической осью параболоида.
Примечание. В тексте часто встречаются обозначения "азимутальное направление" и "азимутальная шкала". Я намеренно прибегаю к данной терминологии, хотя эти термины используются при настройке фиксированной антенны. Их использование в данной статье, возможно, облегчит понимание этого способа настройки.
Практическая настройка полярной антенны.
Техническая настройка углов производится за два-три приёма. В данном случае наклон полярной оси уже соответствует примерному значению широты в точке приёма. Это было сделано ранее при осуществлении синхронизации полярной плоскости антенны с осью параболоида ( см. выше пункт 2 ).
В процессе повторных настроек наклон полярной оси автоматически примет правильное положение.
1. С максимальной точностью установим по шкале азимут 0о и при помощи штока зафиксируем это положение антенны. Используя транспортир с отвесом, закреплённый на алюминиевом уголке, регулировочной гайкой установки дополнительного угла склонения плоскости параболоида ( деклинация ) произведём наклон плоскости зеркала антенны согласно первой пары графика Аз.-У.М.
Примечание.Здесь необходимо напомнить, что в данной азимутальной позиции у.м. имеет максимальное значение для широты в месте установки антенны и он не может быть большим или меньшим! Поэтому, нет необходимости вычислять и дополнительно устанавливать корректировочный и добавочный угол, как это требуется при классическом способе настройки.
2. Поочерёдно фиксируя на антенне градусные направления согласно графику Аз.–У.М., так же поочерёдно измерим углы места ( фото 2 ). Записав и сравнив полученные значения с контрольными, мы скорее всего увидим некоторое расхождение, кроме первой пары с азимутом 0о. Данное несоответствие есть результат неточной установки наклона полярной оси. При помощи транспонтира этот наклон оси установить очень непросто, но не стоит расстраиваться. Так, если этот наклон оказался меньше необходимого значения градусной широты в точке приёма, например, 54о вместо 54,2о ( исчисление ведётся от горизонтального положения и виртуального направления от точки севера к югу ), то для второго градусного направления значение угла места при измерении окажется чуть меньшим в сравнении с расчётным. Значения углов места для других направлений антенны станут ещё и ещё меньшими в сравнении с расчётными. Наоборот, если полярная ось даже чуть-чуть отклонена к вертикали относительно её правильного положения, то в сравнении с расчётными, величины измеряемых у.м. станут плавно возрастать. При том или ином неправильном наклоне поворотной оси, луч антенны очертил бы в пространстве параболу в виде пунктирных дуг, а при оптимальном наклоне – выделено жирным
( рис.2 ).
Использование этого рисунка и графика соотношений Аз.-У.М. позволяет настройщику косвенным образом контролировать свои правильные или неправильные действия при настройке угла наклона полярной оси. У него появляется возможность чётко и осознанно регулировать "поднятие или опускание" краёв дуги, добиваясь постепенной установки правильности угла наклона поворотной оси, а вместе с ним и точного дополнительного склонения плоскости параболоида.
Приступая к повторной настройке, надо помнить, что коррекции необходимо подвергнуть сразу два угла: в первую очередь подправляется полярный угол наклона поворотной оси, и затем сразу же восстанавливается точное значение у.м. для аз. 0о. Выполнив это условие, далее повторяется измерение значений углов места для остальных градусных направлений.
Примечание. В зависимости от шага резьбы на регулировочной "полярной" гайке, повторный наклон полярной оси необходимо производить очень осторожно, дабы не переборщить и лишний раз не повторять потом все эти регулировки и измерения. К примеру, на моей антенне поворот гайки всего лишь на четверть оборота от правильного положения ведёт к изменению значения у.м. при аз. ±60опримерно на полградуса. Это критическая величина для антенны с диаграммой направленности в один градус ( 180см ). Преодолев эту величину, можно с уверенностью сказать, что сектор обзора антенны в данном случае не будет более чем 120о. А преодолев величину угла места на полградуса относительно правильного значения при аз. ±50о, сектор обзора антенны соответственно уменьшится до 100о. Обращаясь к рисунку вновь, можно заметить, что края геостационарной дуги как бы обрезаются и уходят из "поля зрения" луча антенны.
Добившись максимального соответствия значений углов с графиком Аз.-У.М, можно приступать к следующему этапу настройки – совмещению невидимой полярной плоскости антенны с невидимой линией север-юг, проходящей в месте установки антенны. Эта настройка осуществляется с высокой точностью, но опять же косвенным образом, используя принцип наведения на спутник антенны с азимутально-угломестной подвеской ( в начале статьи упоминается про снятую с опоры настроенную антенну, у которой вновь была осуществлена настройка на прежний спутник ).
Экспериментируя, настраивал и "по солнцу". В этом случае вся настройка полностью была осуществлена вслепую, то есть, вообще без использования спутниковых сигналов! Подключив ресивер, "сходу" сектор обзора антенны составил »70о ( по спутнику более 120 градусов ). Этот сектор, конечно же, мал, зато при такой настройке не понадобилось никаких вспомогательных электронных приборов. Возможно кого-то и такой результат устроит.
Совмещение плоскостей "по спутнику" гораздо точнее. Сигнал от него исходит фактически из точки на небосклоне, а расположены они на геостационарной орбите с высокой точностью ( имеются в виду не доживающие свой срок спутники ). Следовательно, погрешность при совмещении будет незначительной. Солнце, в отличии от звёзд, имеет угловые размеры. Находясь вблизи зенита, оно передвигается по небосклону практически по прямой, и простыми наблюдениями довольно трудно уловить наступление момента истинного полудня, то есть достижения высшей точки – зенита. Это трудно сделать даже при помощи морского секстанта, закреплённого на штативе. Чуть замешкаешься ( попробуй успей за Солнцем! ), даже на две минуты, и получишь погрешность в полградуса. А эта величина, как мы помним, является критической для остронаправленных антенн.
В заключение, хотелось бы ещё раз подчеркнуть, что гарантия успеха настройки полярной прямофокусной антенны техническим способом заключается, прежде всего, в точном выполнении предложенных здесь рекомендаций. Возможно, на первый взгляд, описанный способ настройки может показаться очень сложным по сравнению с различными версиями описания классического. Но, при наличии необходимых инструментов, во время работы быстро приходят необходимые навыки и осознание того, что ты действительно производишь настройку, а не тычешь "пальцем" в небо, как при классичеком способе.
1. Установив на уже настроенной антенне азимут направления на спутник, желательно на тот, что ближе к нулевому значению по азимутальной шкале, с помощью штока фиксируется данное положение антенны. Если все предварительные настройки были сделаны правильно, то у.м. установится автоматически. Для самопроверки можно измерить его значение на плоскости зеркала антенны и сравнить с вычисленным по формуле 3. Далее, не притрагиваясь к штоку, чуть ослабляется крепление стакана полярной подвески на опоре трубы и медленно поворачивается вся антенная система в южном направлении. В определённый момент, при правильно установленных частоте, поляризации и скорости потока, на экране должна появиться "картинка". Но она может и не появиться, если в данной точке приёма сигнал от спутника недостаточно мощный! Быстро или толчками поворачивая антенну, можно "проехать" мимо спутника, так как многие "цифровики" имеют свойство "задумываться", прежде чем показать "картинку". Допустим, изображение появилось. И так как у антенны фактический отсчёт собственного аз. направления начинается от её полярной плоскости, то, одновременно с появлением "картинки" при наведении луча антенны на спутник, мы почти точно автоматически совместили полярную плоскость антенны с вертикальной плоскостью, проходящей через ось Земли по линии север-юг в месте установки антенны. Указывая на "почти точно", надо помнить, что антенна имеет диаграмму направленности и в частности её максимум. То есть, при работе антенны луч параболоида можно представить как сильно вытянутую в пространстве каплевидную форму. Геометрически же оптическая ось параболоида проходит в середине этой "капли", то есть, по максимуму диаграммы направленности. Образно выражаясь, цепляясь боковыми краями этой "капли" за достаточно мощный сигнал от спутника, "картинка" может появиться тогда, когда точного совмещения оптической оси параболоида с направлением на спутник ещё не произошло, а следовательно и не совсем точно совместились плоскости. Точное же совмещение полярной плоскости антенны с линией север-юг не представляет большой сложности. Необходимо луч антенны установить в среднее положение её диаграммы направленности, то есть - между двумя крайними пропаданиями изображения ( или "зашумлённостями" при аналоговом сигнале ). Для этого можно установить на трубе крепления ( прямо под подвеской антенны ) третью шкалу или простую плоскость, и отметить на ней оба критических положения антенны, когда пропадает сигнал. В качестве маркера используется жёстко закреплённая на подвеске металлическая стрелка. Медленно поворачивая антенную систему на трубе, маркер должен слегка касаться этой шкалы. В момент пропадания сигнала на шкале делаются пометки. Затем необходимо установить антенну в среднее положение и осторожно, чтобы не возникло смещения, жёстко зафиксировать стакан подвески антенны на опоре трубы. Тонкую настройку можно считать законченной, если в достаточно широком секторе обзора реальные направления на спутники совпадают с показаниями на градусной шкале.
2. Если совмещение плоскостей производить всё же "по солнцу", необходимо отметить на плоскости ( установлена под подвеской ) линию, совпадающую с тенью от Солнца в истинный полдень. ( Многие заблуждаются и думают, что наступление истинного полудня соответствует 12 часам дня. В большинстве случаев это не так. ) Эта линия должна быть направленна к центру трубы. Подсоединив отвес снизу к центру вращения поворотной оси, необходимо повернуть всю антенную систему на опоре трубы так, чтобы остриё отвеса совместилось с этой линией.
Настройка офсетной поворотной антенны комбинированным способом.
Зная технический способ настройки прямофокусной полярной антенны, можно существенно упростить настройку офсетной полярной антенны, применяя комбинированный способ. Каким образом? Начинаем техническим способом, а заканчиваем классическим. То есть, технически осуществив балансировку шкалы, с её помощью синхронизируется луч антенны с полярной плоскостью самой антенны, как было описано выше. Установив по шкале известное градусное направление на самый южный спутник, при помощи штока закрепляется это положение антенны. Далее, производится поиск сигнала от данного спутника, используя принцип наведения антенны с азимутально-угломестной подвеской. То есть, в южном направлении ( по азимуту ), поворачивается на опоре трубы вся подвеска. При этом одновременно ведётся поиск сигнала наклоном вверх-вниз зеркала антенны по углу места. Настройщику важно найти среднее азимутальное положение подвески между пропаданиями сигнала. Добившись этого, будет осуществлено точное совмещение полярной плоскости антенны с линией север-юг ( в классическом способе это совмещение предлагается делать по "солнцу" ). Закрепив в этом положении подвеску на опоре трубы, этап технической настройки можно считать законченным. При этом дальнейшая настройка антенны классическим способом существенно упростится, так как теперь её необходимо будет осуществлять уже не в трех плоскостях одновременно, а только в двух – производить наклон полярной оси и деклинацию ( дополнительное склонение плоскости параболоида ). Ознакомиться с описанием классического способа настройки можно в различной литературе и в Интернете. Повторять его описание здесь нет необходимости.
[IMG]http://img216.**************/img216/6751/instrumentsil8.jpg[/IMG]
Ну, вот пожалуй и всё. Желаю удачи.
Все права на статью защищены. Перепечатка статьи в Интернете разрешается только в полном её объёме, без каких-либо изменений и с обязательным упоминанием имени автора. Вариант книжной публикации допуст'им, только с личного согласия автора.
Последний раз редактировалось 5.03.05.; 21.11.05.
Сергей Кузьмин г.Таллин
Вопросы, возникшие по теме статьи, можно задать в форуме