Brevet FR2550390A1 — publié le 19850208

Monture d'antenne à stabilisation passive L'invention concerne une monture d'antenne pour navire permettant de stabiliser l'orientation de l'antenne lorsque le navire est soumis à des oscillations, notamment en roulis. 5 Une antenne destinée à assurer les communications entre navire et satellite doit avoir un gain élevé Mais l'obtention de ce gain élevé implique une faible ouverture de faisceau et le domaine tolérable d'oscillation de l'axe de l'antenne autour de son orientation théorique est en cons 610 quence d'autant plus restreint que le gain est élevé Or, un navire à la mer, surtout de faible tonnage, prend presque en permanence des mouvements oscillatoires de roulis et de tangage et, si leur amplitude dépasse la largeur de lobe de l'antenne, cette dernière devra -être stabilisée. On a déjà proposé de stabiliser une antenne à l'aide d'un système actif comportant des gyroscopes et des boucles d'asservissement Mais cette solution est coûteuse On a également proposé d'assurer une stabilisation passive de l'antenne en la munissant d'un contrepoids tel que le centre 20 de gravité de la structure oscillante soit à une très faible distance au-dessous du centre d'oscillation, de façon que la période propre de l'ensemble ainsi constitué soit largement supérieure aux périodes d'oscillation en roulis et en tangage. Mais cette solution rend l'antenne extrêmement sensible au moindre déséquilibre par l'absence de raideur de ce système et reste inefficace devant les couples perturbateurs Elle n'est en conséquence guère utilisable dans les conditions qui sont celles du travail à la mer. L'invention vise à fournir une monture d'antenne sur un navire répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle n'exige que l'adjonction de moyens passifs simples aux moyens qui sont de toute façon nécessaires pour modifier l'orientation de l'antenne par rapport au navire en fonction de la route 35 de ce navire. Avant de définir l'invention, il peut être utile de rappeler quelles sont les accélérations qui s'exercent sur un navire à la mer Pour simplifier, on supposera tout d'abord que le navire est soumis uniquement à des mouvements de roulis, les accélérations en tahgage, lacet et pilonnement étant négligeables par rapport à celle due au roulis. Cette hypothèse est d'ailleurs fréquemment remplie. La figure 1 montre schématiquement, en coupe transversale, la coque 10 d'un navire soumis à un mouvement de roulis autour d'un centre O L'élongation angulaire a est alors de la forme O sin rt Elle se traduit par une accélération angulaire a = X sin mt = -a m On désignera par SX et SY les axes horizontaux et verticaux dans un plan transverse à un navire, à partir du centre l'oscillation de l'antenne, située par exemple en tête de mât Un calcul simple montre alors que, si on désigne par g l'accélération 15 de la pesanteur et par R la distance S 0, les accélérations horizontale Ax et verticale Ay sont de la forme: kx 2 de façon à pouvoir osciller autour d'un axe parallèle à l'axe de roulis, va prendre un mouvement tel qu'il indique une verticale apparente faisant un axe v avec la verticale vraie, son accélération angulaire " étant en sens inverse dec(Fi30 gure 2). L'invention propose en conséquence une monture d'antenne pour navire à trois axes à orientation en gisement et en élévation et à stabilisation passive, comprenant un support orientable autour d'un axe de gisement par rapport à un bâti fixé 35 au navire, un équipage monté oscillant autour d'un axe t intermédiaire orthogonal à l'axe de gisement et dont le centre de gravité est au-dessous dudit axe intermédiaire, et un porte-antenne orientable autour d'un axe de site orthogonal à l'axe intermédiaire, caractérisée en ce que ledit équipage 5 intermédiaire est couplé au support par des moyens de rappel vers une position déterminée par rapport au support comportant un pendule d'indication de la verticale apparente. Cette stabilisation passive peut être assurée par compensation des couples mis en' jeu par le roulis et le tangage 10 du navire, en couplant le pendule a l'équipage intermédiaire par un ressort, ou'en compensant les vitesses induites par le mouvement du navire, en couplant mécaniquement le pendule à l'équipage intermédiaire par un train d'engrenages, qui sera généralement un train d'engrenages réducteur épicycloï15 dal. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans 20 lesquels: la Figure 1, déjà mentionnée, est un schéma montrant les déplacements et les accélérations qui interviennent dans un plan transversal à l'axe longitudinal d'un navire présentant du roulis, la Figure 2 est un schéma, dans un plan transversal au navire de la Figure 1, montrant les diverses composantes de l'accélération (accélération horizontale Ax, accélération verticale Ay suivant la verticale vraie), la Figure 3 est une perspective simplifiée montrant 30 une monture d'antenne suivant un premier mode d'exécution de l'invention, à compensation des couples, la Figure 4 est un schéma de principe montrant la façon dont s'effectuent la stabilisation et le pointage autour de l'axe de site de la monture de la Figure 3, la Figure 5, similaire à la Figure 3, montre une variante de réalisation de l'invention dans laquelle la stabilisation s'effectue par compensation des mouvements, la Figure 6 est une vue schématique en élévation et en coupe partielle d'une réalisation matérielle possible de la disposition de la Figure 5, la Figure 7 est un schéma montrant les paramètres qui interviennent dans le fonctionnement du dispositif des Figures & S et 6, la Figure 8 est un diagramme illustrant la fonction de transfert du dispositif montré en Figure 7. La monture d'antenne montrée en Figure 3 comporte un bâti 14 portant, par l'intermédiaire de paliers qui définissent un axe G d'orientation en gisement, un support 18 Un servol O moteur 16, généralement constitué par un moteur électrique pas à pas, couple le socle et le support et permet d'orienter ce dernier autour de l'axe G. Au support 18 est fixé un arbre 19 qui définit un axe FX, orthogonal à l'axe G, d'orientation d'un équipage inter15 médiaire porté par l'arbre par l'intermédiaire de paliers. Dans le cas illustré en Figure 3, cet équipage se réduit à un anneau 20 destiné à être stabilisé autour de l'axe SX A l'anneau 20 sont fixées deux masselottes 24, constituant masse pendulaire, situées dans un plan qui passe par l'axe G lorsque 20 l'axe de gisement est vertical L'anneau porte également un arbre 26, constituant axe SY d'orientation en site ou élévation. Enfin, l'arbre 26 porte, également par l'intermédiaire de paliers, l'étrier 28 d'un porte-antenne L'antenne 30 (antenne en hélice par exemple) est montée sur l'étrier avec son axe radio-électrique SZ perpendiculaire à l'axe SY Un servomoteur 32, similaire au servomoteur 16, couplé l'étrier 28 et l'arbre 26 et permet d'orienter l'antenne en élévation On verra plus loin que le servomoteur 16 est commandé de façon qu'en l'absence de roulis, le plan GSX contienne le satellite vers lequel 30 doit être pointée l'antenne 30. La stabilisation de la monture d'antenne autour de l'axe SX est assurée par compensation de couple, de façon que le plan GSX contienne le satellite en l'absence de roulis, en reliant l'arbre 19 à une équerre solidaire de l'anneau 20 par un ressort 34 de raideur appropriée Si on désigne par K la raideur du ressort, par a l'angle dont tourne le support 18 lié au navire, par ú l'écart de l'anneau 20 par rapport à la verticale, on voit que cet anneau est soumis à: un couple C 1 = Mi Rw 2 cos wt (avec les notations des Figures 1 et 2) dû à la masse pendulaire 24, un couple C 2 = K(a-) dû à l'action du mouvement de roulis'à travers le ressort 34. En appliquant la somme de ces couples à l'inertie I O de l'ensemble à stabiliser, on obtient une équation différentielle du second degré que l'on peut intégrer pour déterminer la pulsation propre de l'ensemble stabilisé, égale àJ K/I O lorsque le système n'est pas amorti Cette pulsation peut être rendue très supérieure à la pulsation W de l'excitation. On peut également déterminer la fonction de transfert. Toutefois, il apparaît déjà que, l'ensemble à stabiliser étant soumis aux couples de sens opposés C 1 et C 2, on pourra minimiser e pour une valeur de K telle que C 1 = C 2 pours = O. 15 Il est évidemment possible de prévoir, sur la monture, des moyens permettant de modifier la raideur K du ressort 34. Le dispositif de stabilisation en élévation comporte une constitution un peu différente du dispositif de compensation autour de l'axe SX du fait qu'il doit être combiné avec 20 l'asservissement de position en élévation Pour cette raison, dans la disposition montrée en Figure 3, il est couplé par le ressort 36, qui joue le même rôle que le ressort 34 de la Figure 3, à une tige rotative solidaire de la masse pendulaire 38 et tournant dans des roulements portés par l'étrier La tige 40 de la masse pendulaire 38 porte le curseur 42 d'un potentiomètre dont la piste conductrice 44 est solidaire de l'étrier Des masses d'équilibrage 46 seront généralement prévues sur ce dernier pour contrebalancer le poids de l'antenne 30 Le signal de sortie fourni par le 30 curseur 40 est appliqué à un circuit soustracteur 48 dont la seconde entrée reçoit un signal d'élévation de consigne élaboré par un calculateur couplé à la centrale de navigation du navire Le signal d'écart est appliqué à un circuit de traitement 50 comprenant un amplificateur qui commande pas à pas le motoréducteur 32 porté par l'étrier Le pignon de sortie 52 de ce motoréducteur est couplé à un pignon 54 fixé à l'arbre 26 de façon à commander l'élévation de l'antenne. Une simulation des conditions de stabilisation par un tel dispositif d'une antenne portée par un navire type de 000 tonnes alors que l'antenne 30 est située dans le plan de roulis, a montré que l'amplitude de l'erreur angulaire ú pouvait être réduite à une valeur inférieure à 6 pour un roulis de + 28 sur chaque bord avec une période de 12 s. Dans le mode de réalisation de l'invention montré en Figures 5 et 6, o les éléments correspondant à ceux des Figures 3 et 4 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice a, chacune des masselottes de compensation 24 a et 38 a comporte un couplage de vitesse par réducteurs épicycloidaux (dont le couple est nul puisque la masselote suit la direction oscillante de la verticale apparente -e) avec la plate- forme correspondante, c'est-à-dire l'arbre 19 a pour la masse pendulaire 24 a, le potentiomètre de la boucle d'asservissement du moteur d'élévation 32 a pour la masse pendulaire 38 a. Dans le cas illustré en Figures 5 et 6, le rapport de réduction entre la masse pendulaire 24 a et l'arbre 19 a est positif Pour cela, la masselotte est solidaire d'un premier pignon 56 qui tourne dans un porte- satellite 58 fixé au support 18, donc un navire, par un manchon 60, et ce pignon 56 est couplé à an pignon 62 solidaire de l'arbre 19 a par l'intermédiaire d'un pignon relais 64 qui tourne également 25 dans le porte-satellite 58 Lorsque, dans ce cas, le portesatellite lié au navire tourne de a par rapport à la verticale vraie (Figure 5), la roue 56 liée à la masse pendulaire 24 a, tourne de -à Le rapport de réduction est optimisé pour que la plate-forme reste fixe ou son amplitude 30 d'erreur très faible Ce rapport dépend donc des amplitudes de a et a, et une compensation est possible, comme on le verra plus loin D'autres dispositions permettent également de réaliser une compensation C'est en particulier le cas lorsqu'on utilise encore un rapport de réduction positif, mais avec le pignon 56 lié au support 18 a et la roue 62 liée à la plate-forme la roue 64 restant portée par le portesatellite 58 Il serait par contre impossible d'utiliser un 255039 C montage à rapport de réduction positif o, le portesatellite 58 étant fixé à l'équipage intermédiaire 20 a, la roue 56 est munie de la masse pendulaire 24 a et le pignon relais 64 est lié au support 18 a solidaire du navire. Inversement, si l'on supprime le pignon relais 64, c'est-a-dire que l'on utilise un rapport de réduction négatif, la seule solution possible est celle qui est à écarter dans le cas d'un rapport de réduction positif, c'est-à-dire celle o le pignon 62 est lié au navire, la roue 56 est liée à la masse pendulaire 24 a, le porte-satellite dans lequel tournent les pignons étant lié à l'équipage intermédiaire a. Comme dans le cas du premier mode de réalisation décrit, on peut déterminer la fonction de transfert reliant 15 l'élongation de l'ensemble à stabiliser Avec les notations indiquées en Figure 7, on détermine que la fonction de transfert est la suivante (p désignant de façon classique la variable de Laplace), l'ensemble à stabiliser, le moment d'inertie I 0,étant supposé lié à la roue 62, comme dans le 20 cas de la Figure 5): f O K( 1 + f-p) _ =T I 2 f -p I p + + 1 MQA MIA Cette fonction de transfert donne la valeur de 0, opposé de la position de la roue 56,en fonction de a f indique 25 un coefficient d'amortissement supplémentaire proportionnel à la vitesse qui peut être introduit au niveau du pignon relais. La fonction de transfert peut être représentée par le diagramme montré en Figure 8 o a désigne l'angle de roulis 30 'et -E la position angulaire du pendule. La combinaison de la compensation autour de l'axe Y et de l'asservissement en élévation peut être réalisée de la même façon que dans le cas des Figures 3 et 4, à l'aide d'un potentiomètre dont le curseur 42 a est relié à l'arbre 26 a 255039 C tandis que la piste est solidaire d'un boîtier 66 muni d'une roue dentée 68 couplée par le pignon relais 70 au pignon 72 solidaire de la masse pendulaire 38 a On a représenté sur la Figure 6 un amortisseur 74 à courants de Foucault porté par 5 l'axe du pignon relais 70 La disposition représentée pourrait évidemment être modifiée, et en particulier la disposition des éléments du potentiomètre pourrait être inversée et l'amortisseur placé sur un autre pignon. Enfin, pour être complet, on a représenté sur la Figure 6 un calculateur 76 d'élaboration de l'ensemble des signaux de commande des moteurs 16 a et 32 a Le calculateur reçoit, dans ce but, sur une entrée 78, un signal représentatif du cap du navire fourni par le gyrocompas La latitude et la longitude sont affichées sur des entrées supplémen15 taires ou directement fournies par une centrale de navigation. A partir de ces indications, le calculateur 16 élabore les valeurs de consigne du gisement et de l'orientation autour de l'axe Y L'erreur en gisement est déterminée à partir du signal fourni par un c-apteur 80 et le signal de correction correspondant envoyé, par l'intermédiaire d'un amplificateur 82, au motoréducteur 16 a De façon similaire, la commande en Y est élaborée à partir du signal fourni par le potentiomètre couplant le boîtier 66 et l'arbre 26 a, puis appliqué au motoréducteur 32 a par l'intermédiaire de l'amplificateur 25 50 a. 255039 C REVENDICATIONS 1 Monture d'antenne à trois axes pour navire à orientation en gisement et en élévation et à stabilisation passive, comprenant un support ( 18) orientable autour d'un 5 axe de gisement par rapport à un bâti ( 14) fixé au navire, un équipage monté oscillant autour d'un axe intermédiaire (SX) orthogonal à l'axe de gisement (G) et dont le centre de gravité est audessous dudit axe intermédiaire, et un porte-antenne ( 28) orientable autour d'un axe d'élévation, 10 orthogonal à l'axe intermédiaire, caractérisée en ce que ledit équipage intermédiaire est couplé au support ( 18) par des moyens de rappel vers une position déterminée par rapport au support comprenant une masse pendulaire ( 24, 24 a) d'indication de la verticale apparente. 2 Monture d'antenne selon la revendication 1-à compensation de couple, caractérisée en ce que la masse pendulaire ( 24) est fixée à l'équipage intermédiaire et en ce que ledit équipage est couplé au support ( 18) par l'intermédiaire de moyens élastiques ( 34) de raideur choisie pour 20 minimiser l'écart angulaire de la masse angulaire par rapport à la verticale. 3 Monture d'antenne selon la revendication 1 à compensation de déplacement, caractérisée en ce que l'équipage est couplé à la masse pendulaire ( 24 a) par l'intermédiaire 25 d'un train d'engrenages ( 56,64, 62) monté de façon que tout écart de l'équipage intermédiaire par rapport à sa position nominale provoque un écart de la masse angulaire par rapport à la position verticale. 4 Monture d'antenne selon la revendication 3, caracté30 risée en ce que le train d'engrenages comprend un pignon ( 62) solidaire en rotation de l'équipage, un pignon ( 56) solidaire en rotation de la masse pendulaire ( 24 a) et porté par le support ( 18 a) et un pignon relais ( 64) engrenant les autres pignons et également porté par le support. 35 5 Monture d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le porteantenne ( 28, 28 a) est couplé audit équipage, ( 20,20 a) par un moteur d'orientation en élévation ( 32,32 a) commandé par une boucle d'asservissement dont le signal d'entrée est fourni par un capteur de position relative du porte-antenne ( 28,28 a) et d'une masse pendulaire ( 38, 38 a). 6 Monture d'antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la masse pendulaire est portée par une tige ( 40) montée oscillante autour de l'axe d'orientation en élévation (SY), tige couplée à l'un des éléments du capteur dont l'autre élément est fixé au porte-antenne. 7 Monture selon la revendication 5, caractérisée en ce que la masse pendulaire ( 38 a) entraîne, par l'intermédiaire d'un train d'engrenages ( 72,70,68), l'un des éléments du capteur dont l'autre élément est entraîné en rotation par l'équipage. 8 Monture selon la revendication 7, caractérisée en ce que la masse pendulaire ( 38 a) et le pignon qu'elle entraîne sont portés, ainsi qu'un pignon relais, par le porte-antenne. 9 Monture selon la revendication 7 ou 8, caractérisée par des moyens d'amortissement équipant le train d'engrenages.