Наведение антенны на спутник
Оптимальное место установки спутниковой антенны — балкон или лоджия со свободным обзором в южном направлении, т. е. без затеняющих предметов (например, зданий или деревьев), на воображаемой линии, соединяющей антенну и спутники. Установить ее можно также на стене около окна, на крыше, на глухом участке стены. В сельской местности антенну часто устанавливают непосредственно на земле (рис. 7.1).
Желательно, чтобы антенна находилась вблизи телевизора, а место ее установки было доступно для владельца. Это значительно облегчает обслуживание антенны, а также прокладку соединяющего их фидера. Нельзя устанавливать антенну под крышей, так как прием слабого сигнала с передатчика ИСЗ окажется невозможным.
Когда антенна должна принимать телевизионные передачи со многих спутников, необходимо учесть то, что с Юга должны просматриваться Запад и Восток на угол 65°. В этом 130-градусном угле и находятся крайние спутники. В простейшем случае углы отклонения от Юга на Запад и Восток можно измерить транспортиром. Его прикладывают к вертикальному штырю или отвесу и просматривают над транспортиром местность — нет ли препятствия. Измерение выполняют точнее с помощью теодолита или угломерных приборов.
Географический Юг определяют только при солнечной погоде в точный временной полдень. Точное время полдня зависит от географического расположения населенного пункта и ряда других факторов. Например, время полдня для Минска — 12 ч 54 мин...13 ч 22 мин.
Для определения направления на Юг на горизонтальной плоскости, выверенной по уровню, устанавливают по отвесу
вертикальный штырь и следят за его тенью, отмечая ее длину (рис. 7.2). Наиболее короткой тень бывает в истинный полдень, когда она направлена на Север. В связи с тем что вблизи полдня длина тени изменяется мало, отмечают две равноудаленные от штыря точки конца тени и проводят между ними линию Север — Юг.
Далее устанавливают строго вертикально (по отвесу) опорную трубу. Антенну поворачивают на Юг так, чтобы полярная ось ОПУ и ось параболы лежали в меридиональной плоскости, проходящей через ось опорной трубы и отмеченным штырьками направлением на Юг (рис. 7.2). Антенну жестко собирают и закрепляют в выбранном для установки месте. Следует учесть, что при настройке антенну придется немного поворачивать в вертикальной и горизонтальной плоскостях, поэтому окружающие предметы не должны препятствовать этому движению. С особой осторожностью необходимо обращаться с зеркалом антенны, так как малейшие его деформации могут привести к резкому снижению качества принимаемого сигнала.
При установке приспособления для крепления конвертера металлические трубки равномерно закрепляют на краях параболы, чтобы не деформировать зеркало антенны (рис. 7.3). Конвертер в держателе ориентируют соединителем вниз, чтобы снизить вероятность проникновения воды внутрь конвертера. Желательно предусмотреть влагозащитную петлю (рис. 7.3).
Полезно подумать и о заземлении антенны.
Если она не заземлена, это может привести к выходу из строя конвертера под воздействием статического электричества или выгоранию входного высокочастотного тракта приемной установки из-за удара молнии. И то и другое происходит очень редко, но вероятность таких аварий существует. Обычно в центре параболической антенны просверливают отверстие и с помощью болта и гайки с шайбами прикручивают провод заземления диаметром 4...6 мм (рис. 7.4). Далее провод соединяют с за-землителем, в качестве которого могут использоваться трубы, кусок металла, лист жести, находящиеся на глубине 1,5...2 м. Если держатель конвертера не металлический, то к корпусу LNB присоединяют провод для снятия электростатических зарядов. Антенны, установленные на балконах, лоджиях, стенах зданий, не требуют дополнительного заземления, так как здания, как правило, оснащены автономным заземлением. В тех случаях, когда заземление необходимо (антенна установлена на возвышенности и рядом нет высоких сооружений, оснащенных заземлением), дополнительно устанавливают молние-
отвод — металлический штырь, который должен возвышаться на 1,5...2 м над антенной. Это лучший способ защиты антенны от молнии, он не требует заземления спутниковой антенны.
Антенна должна быть оснащена юстировочным устройством для точного наведения на ИСЗ по двум координатам:
азимуту и углу места (рис. 7.5).
Угол места — это угол между направлением на спутник и плоскостью горизонта. Азимут — отклонение спутника от направления на Север и плоскостью горизонта (по часовой стрелке).
Геостационарные ИСЗ размещены на круговой орбите, плоскость которой совпадает с экваториальной плоскостью Земли и характеризуется одной координатой — восточной или западной долготой.
Линии широты и долготы используются для описания места установки приемной спутниковой антенны (рис. 7.6, 7.7).
Если бы точка приема находилась на экваторе, ориентировать антенну на спутник можно было бы по одной координате (по углу места), поворачивая антенну в той же плоскости. Когда точка приема находится не на экваторе, при разных значениях долготы спутников направления на них отличаются углами места и азимутами. Зная достаточно точно долготу ИСЗ и координаты точки приема (широту и долготу), можно вычислить необходимое направление антенны на этот спутник по азимуту и углу места.
Тем не менее абсолютно точно определить нужное направление антенны на спутник невозможно из-за неточности известных координат наземной точки приема и отсчета азимутального направления антенны (при использовании компаса возникают ошибки из-за наличия магнитного склонения и влияния магнитных масс), а также неточностей выполнения антенного отражателя и установки облучателя.
Ширина главного лепестка диаграммы направленности параболоида очень мала. Без предварительного определения необходимого направления антенны на спутник методом вычисления практически невозможно «поймать» его сигнал, а после ориентирования по результатам вычислений следует осуществить тонкую юстировку направления антенны непосредственно по приему сигнала спутникового ретранслятора.
Направление антенны на спутник путем вычисления азимута А и угла места М оси параболоида определяют в следующем порядке. Сначала вычисляют разность долгот:
где в1 — долгота точки приема (см. табл. 7.1); (в2 — долгота спутника (см. рис. 4.3).
Здесь значения долготы следует подставлять с учетом знака (при западной долготе — с отрицательным знаком, при восточной — с положительным).
Затем определяют угловое расстояние между точкой приема и положением спутника над экватором:
С = arccos (cosв cosu).
Здесь (u — северная широта точки приема. Рассчитывают азимут А направления антенны на спутник:
A=180±arctg(в)/sin(u)
Здесь знак плюс используется, когда спутник расположен западнее точки приема, а минус — когда он восточнее.
Угол места М направления антенны над горизонтальным направлением вверх вычисляют по формуле
М=arctg(cosC-0,15105)/sinC
В табл. 7.1 указано географическое положение некоторых населенных пунктов Республики Беларусь. Координаты точки приема используют с максимальной точностью. Большие города, например Минск, достаточно протяженные, поэтому координаты 53°54'северной широты и 27°30'восточной долготы относятся только к телевизионной башне на набережной реки Свислочь. Для других районов Минска эти координаты будут усредненными и могут привести к неточностям в расчетах. Координаты точки приема можно определить по топографической карте.
Для оперативного определения угла места и азимута направления наземной антенны на ИСЗ можно воспользоваться рис. 7.8. На диаграмме приняты следующие обозначения: (uо — географическая широта точки размещения наземной спутниковой антенны (вверх от 0 — северная широта, вниз — южная); d — долгота установки антенны; d0 — положение ИСЗ на ГСО (см. рис. 4.3); d-d0 — координаты
подспутниковой точки.
Для ориентации антенны на спутники НОТ BIRD, EUTELSAT II F1 (d=13°Е) в Минске вначале определяют координаты под-спутниковой точки:
d-d0=27°-13°=14°30'.
Получилось положительное значение координаты под-спутниковой точки, поэтому на диаграмме его откладывают по линии d-d0 вправо от точки 0. Затем по линии (u0 вверх от точки 0 откладывают значение 54° северной широты. На пересечении пунктирных линий, проложенных от этих координат, определяют азимут. По диаграмме он равен 200°.
Для определения угла места от точки азимута необходимо вправо (так как значение подспутниковой точки явля-
ется положительным) провести кривую до пересечения с линией отсчета углов места. Получаем значение угла места 28°.
Если вычислять азимут и угол места по приведенным выше формулам, получим следующие значения: А = 197,77° и М= 27,14°.
Из этого следует, что точное значение А и М по приведенной диаграмме определить практически невозможно. Однако пользоваться диаграммой необходимо, так как установщик антенны знает направление ориентации на выбранной ИСЗ. Более точной ориентации антенны на ИСЗ можно достигнуть при включенном комплексе спутниковой аппаратуры по наибольшему принимаемому сигналу (наилучшее качество изображения и звука для этой точки приема).
В комплект спутниковой антенны кроме параболического отражателя входят системы подвески и крепления антенны.
В соответствии с типами этих систем спутниковые антенны подразделяются на азимутальные и полярные. Азимутальные антенны способны настраиваться на выбранный спутник и жестко фиксироваться. Полное точное название этого типа подвески — азимутально-угломестная, так как ориентирование антенны (поворот антенны) осуществляется по двум координатам: по азимуту и углу места.
Отличительная особенность этого способа ориентирования состоит в том, что для поворота по азимуту антенна вращается вокруг оси, расположенной перпендикулярно относительно поверхности Земли, которая называется азимутальной осью ОПУ антенны. На любой широте точки приема, за исключением северного и южного полюсов, азимутальная ось пересекает плоскость экватора и соответственно плоскость ГСО под острым углом. Это приводит к тому, что каждому спутнику, находящемуся на ГСО, соответствуют для данной точки приема персональные значения азимута и угла места направления антенны. В случае переориентации антенны с одного спутника на другой приходится изменять направление антенны по азимуту и углу места. Поэтому в данной системе антенна поворачивается в горизонтальной плоскости (по азимуту) электродвигателем с редуктором и в вертикальной плоскости (по углу места) вторым электродвигателем с редуктором (см. рис. 6.24—6.31).
Все геостационарные спутники находятся на одной линии, которая представляет собой окружность. Поэтому есть возможность вести ориентацию антенны только по одной кривой с помощью одного поворотного устройства. Для этого антенна должна вращаться по азимуту не вокруг вертикальной азимутальной оси, а вокруг дополнительной оси, параллельной оси вращения Земли, которая соединяет северный и южный географические полюсы. В связи с тем что в направлении оси вращения Земли находится Полярная звезда, эта дополнительная ось называется полярной осью.
Эта система ориентации подвески была изобретена для астрономических приборов. Она позволяет принимать сотни телевизионных программ с различных ИСЗ (рис. 7.9).
Для полярной ориентации необходимы механизмы вертикальной оси и поворота антенны по углу места, но они используются только один раз, при установке антенны. В дальнейшем переориентирование антенны с одного спутника на другой осуществляется только поворотом вокруг полярной оси.
Поскольку оси вращения Земли и полярная ось в подвеске антенны разнесены в пространстве на расстояние, соизмеримое с радиусом Земли (6366 км) и с радиусом геостационарной орбиты (35 786 км), возникает принципиальная ошибка
способа ориентации (к тому же Земля не имеет идеальную шарообразную форму).
Если зеркало антенны установлено на подвеске так, что главный лепесток диаграммы направленности перпендикулярен полярной оси подвески, то в процессе вращения зеркала относительно полярной оси он будет параллельным плоскости экватора и никогда не пересечет орбиту спутников-ретрансляторов. Для настройки антенны на геостационарную орбиту главный лепесток ДН необходимо опустить на угол a называемый углом склонения (деклинации). Корректирующий угол деклинации рассчитывают по формуле
а = arctg( sinu)/(6,618 -cosu)
где (u — значение географической широты в точке приема. Коррекция положения антенны по углу деклинации является дополнительной и постоянной для данного географического региона (табл. 7.2). Очевидно, что угол а при размещении антенны на полюсе будет максимальным и равным 8°40'. По мере приближения к экватору угол а уменьшается до нуля, если антенна находится в одной меридиональной плоскости со спутником Земли (рис. 7.10).
На ГСО (см. рис. 4.3) положение некоторых спутников обозначено с долями градуса. Например, спутник KOPERNIKUS имеет координаты 23,5°Е (один градус делится на 60 мин, т. е. одна десятая градуса составляет 6 мин). Таким образом, 23,5° необходимо читать как 23°30'.
Если известна координата, выраженная в градусах, минутах и секундах, ее переводят в градусы:
55°42'36" = 55 + 42/60 + 36/3600 = 55,71°.
Все сказанное выше об угле деклинации относится к осесимметричной параболической антенне. Угол ее наклона к горизонту зависит в первую очередь от географической широты места установки антенны (рис. 7.11). Чем севернее место установки антенны, тем меньше будет ее наклон к горизонту. Чем южнее установлена антенна, тем больше будет ее наклон к горизонту. В африканских странах антенны
расположены почти горизонтально. Например, в Конго, где проходит линия экватора, антенна «лежит» горизонтально. Такая чаша собирает попадающие в нее осадки и антенна перестает работать. Поэтому в странах, которые находятся вблизи линии экватора, устанавливают параболические антенны с множеством отверстий на зеркале.
Используются и офсетные антенны, угол наклона которых зависит не только от географической широты, но и от конструкции антенны. Приближенно можно считать, что положение офсетной антенны на территории Республики Беларусь должно быть близко к вертикальному. Для осесимметричной антенны угол склонения лежит в пределах 6...7°.
К месту установки антенны необходимо подвести электропитание, включить ресивер и малогабаритный телевизор. Если антенна установлена на балконе или лоджии, в этом нет необходимости, так как все и так под рукой. Если антенна находится на крыше, туда следует провести удлинитель электросети для подключения ресивера и телевизора. Это необходимо, так как в процессе ориентирования антенны на ИСЗ нужно хорошо видеть экран с места установки антенны.
Если ориентировщиков антенны двое, между ними следует установить временную телефонную связь, а спутниковая аппаратура (ресивер, телевизор) остается в квартире.
Настройка антенны на более качественное изображение не всегда дает необходимый результат. Ряд зарубежных фирм производит индикаторы спутникового сигнала, которые стоят довольно дорого. Однако опытные радиолюбители могут изготовить их самостоятельно.
