В спутниковом телевидении используются очень слабые сигналы. Бортовая аппаратура спутника питается от солнечных батарей, поэтому мощность спутникового телевизионного передатчика не превышает нескольких десятков Ватт. В то же время, расстояние от спутника до приемной антенны составляет несколько десятков тысяч километров. Для сравнения: передатчики наземного телевидения могут иметь мощность до нескольких десятков киловатт при дальности действия несколько десятков километров.
Поэтому в спутниковых системах применяется ряд специальных технических решений, одно из которых — использование остронаправленных антенн. Например, ширина основного лепестка диаграммы направленности параболической антенны диаметром 2 метра в диапазоне 12 ГГц (Ku-Band) составляет 0,9 градуса на уровне половинного усиления. Именно с такой точностью антенна должна быть наведена на спутник. Поэтому обычную спутниковую систему с неподвижной антенной можно использовать для приема сигналов только одного спутника. Для приема нескольких спутников необходимы дополнительные устройства. Из них самыми широкими возможностями обладает полярная подвеска. Это механическое устройство, которое обеспечивает перевод антенны со спутника на спутник электроприводом с единственным двигателем. Настройка спутниковой системы с полярной подвеской — сложная процедура, тем не менее, с ней может справиться настройщик любой квалификации. Для этого нужно понимать, как устроена полярная подвеска.
Геометрия геостационарной орбиты
Телевизионные спутники выводятся на геостационарную орбиту (ГО). Спутник на ГО, вращаясь вокруг Земли, остается неподвижным относительно земной поверхности.
Только при этом условии обеспечивается круглосуточное нахождение спутника в зоне видимости передающей и приемной земных станций и только при этом условии обе станции могут использовать неподвижные антенны. В природе существует единственная геостационарная орбита. Она находится точно в плоскости земного экватора на удалении 42164 км от центра Земли или 35786 км от земной поверхности. Именно на этом расстоянии сила притяжения Земли такова, что заставляет спутник вращаться с угловой скоростью, равной скорости самой Земли — один оборот за 24 часа. Поскольку спутники на ГО неподвижны относительно Земли, для них применима система земных географических координат. Все они находятся на единственной окружности, параметры которой известны, поэтому положение любого спутника в пространстве однозначно определяется единственной координатой — долготой. Долготой спутника считается долгота земного меридиана, в плоскости которого находится спутник. Другими словами, если провести линию, соединяющую спутник с центром Земли, она пересечет земную поверхность в точке с широтой 0° (на экваторе) и долготой ?С0 — это и есть долгота спутника. Ее называют также орбитальной позицией спутника. Так же, как и долгота точки на земной поверхности, долгота спутника может находиться в пределах от 0 до 180° на Восток (East, E) и на Запад (West, W). Например, долгота спутников Hot Bird 1-6—13,0°Е. Это значит, что спутники находятся в месте пересечения ГО с плоскостью земного меридиана 13° восточной долготы, этот меридиан проходит возле Берлина.
Для увеличения числа транслируемых каналов в ограниченном частотном диапазоне, радиоволны излучаются передатчиками спутника в двух ортогональных поляризациях — вертикальной и горизонтальной (V и Н). В каждой точке земли "свои" вертикаль и горизонталь, поэтому направление поляризации излучения спутников ориентировано относительно земной оси. У волны с вертикальной поляризацией вектор электрического поля параллелен земной оси, у волны с горизонтальной поляризацией — перпендикулярен.
Видимая дуга ГО
Из рис.6.2 видно, что из любой точки земной поверхности можно наблюдать лишь часть ГО. На экваторе размер видимой дуги максимален и составляет примерно 164°. Представим себе земного наблюдателя в некоторой географической точке Т на широте Ф. Проведем в этой точке вертикаль — это линия, соединяющая точку Т с центром Земли. Горизонт — это плоскость, перпендикулярная вертикали. Из рисунка видно, что в точке Т размер видимой дуги ГО меньше, чем на экваторе. Чем выше широта Ф, тем меньшую часть ГО видит наблюдатель. Начиная с широты примерно 81° ГО полностью "уходит под горизонт": в приполярных областях прием спутникового телевидения невозможен.
Из точки Т выше всех над горизонтом виден спутник С0, расположенный в плоскости меридиана точки Т. Долгота этого спутника совпадает с долготой точки Т, а направление на этот спутник совпадает с направлением точно на юг. Спутники Сm, расположенные на ГО восточнее (западнее) С0, видны левее (правее) и всегда ниже С0. Наконец, спутники Сn максимально удалены от С0 и наблюдаются на горизонте. Таким образом, с точки зрения земного наблюдателя, видимая часть ГО представляет собой дугу, восходящую на юго-востоке, заходящую на юго-западе и имеющую кульминацию на юге (рисунок 6.2).
Земной наблюдатель видит ГО под некоторым углом, поэтому для него направление вертикальной и горизонтальной поляризации излучения совпадает с местной вертикалью и горизонталью только для спутника С0. У спутников, находящихся на ГО западнее С0, направления вертикальной и горизонтальной поляризации повернуты от местных вертикали и горизонтали по часовой стрелке, у спутников, находящихся восточнее С0, — против часовой стрелки. (Здесь и далее предполагается, что точка наблюдения расположена в Северном полушарии). Угол поворота тем больше, чем дальше спутник от спутника С0 и чем меньше широта места. Крайний случай наблюдается на экваторе: там направление вертикальной поляризации всех спутников совпадает с горизонтальным направлением на местности. Чтобы обеспечить достаточную развязку при приеме сигналов с разной поляризацией, конвертор приемной антенны должен быть повернут под тем же углом.
Теория полярной подвески
На первый взгляд, чтобы переводить антенну со спутника на спутник, необходимо поворачивать ее в двух плоскостях, ведь видимая дуга ГО представляет собой кривую!
Кроме того, необходимо поворачивать конвертор либо каким-то образом поворачивать плоскость поляризации принимаемой волны, например, с помощью магнитного поляризатора. Полярная подвеска позволяет решить обе задачи, используя единственный электродвигатель. Теория полярной подвески весьма проста.
Представим себе, что в той же точке Т надо установить подвижную антенну. Для этого необходимо смонтировать вертикальную трубу-опору. Но антенна вращается не вокруг трубы. На трубе неподвижно закрепляется ось вращения антенны NTS', параллельная земной оси NS (рисунок 6.3). Направление этой оси в пространстве совпадает с направлением на Полярную звезду, отсюда название этой оси (полярная ось — polar axis) и самой подвески. Разумеется, устанавливать ось вращения по звезде очень неудобно, да в этом и нет необходимости. Достаточно, во-первых, наклонить ось в вертикальной плоскости таким образом, чтобы ее на-правление составило с горизонталью угол Ф, или с вертикалью — (90° — Ф). Во-вторых, нужно расположить ось в плоскости меридиана, то есть установить ее в горизонтальной плоскости строго по направлению север-юг. Представим, что антенна вращается вокруг оси NTS'. Ничего хорошего из этого не получится: ось диаграммы направленности будет вращаться в плоскости, параллельной плоскости экватора, "поверх" спутников на ГО. Однако если наклонить антенну относительно оси вращения N'S' на угол параллакса ?, то, при вращении антенны, ось диаграммы направленности уже не будет перемещаться в одной плоскости, она будет двигаться по образующей конуса. Угол ? можно подобрать таким образом, чтобы при вращении антенны ось ДН перемещалась практически по ГО.
"Практически", потому что в общем случае точного пересечения с ГО не получается. Обусловлено это тем, что центр ГО не лежит на оси конуса. В результате, след оси диаграммы направленности вращающейся антенны на плоскости экватора представляет собой окружность, радиус которой меньше радиуса ГО. Поэтому, даже идеально настроенная полярная подвеска предполагает некоторую ошибку. Однако эта ошибка очень меленькая: при наихудших условиях (на широте 45°) она составляет не более 0,4° (на рисунке ошибка утрирована). Ею можно пренебречь для антенн, у которых ширина основного лепестка диаграммы направленности больше этой величины. Этому условию соответствуют антенны диаметром менее 2 метров для работы в диапазоне 1 - 2 ГГц и менее 6 метров — в диапазоне 4 ГГц, то есть подавляющее большинство антенн, используемых для индивидуального приема.
Если на антенну с полярной подвеской конвертор устанавливается таким образом, чтобы направление вертикальной поляризации у него было параллельно полярной оси антенны, то в любом положении антенны оно будет параллельно земной оси, то есть всегда будет соответствовать направлению вертикальной поляризации любого спутника. Это означает, что, при повороте антенны с Полярной подвеской, поворот конвертера обеспечивается автоматически и дополнительные устройства для этого не нужны.
Таким образом, настройка полярной подвески сводится к трем регулировкам: установка полярной оси антенны на угол широты Ф, разворот этой оси по горизонтали по направлению север-юг и установка угла параллакса v.
Типы полярных подвесок
При всем многообразии полярных подвесок их можно разделить на два типа: с центральным и с линейным приводом (рисунок 6.4).
В подвесках с центральным приводом электродвигатель с редуктором вращает червяк, который передвигает зубья большой шестерни. На оси шестерни жестко закрепляется антенна. Конструкция получается компактной. Главное достоинство — угол поворота антенны может быть больше 180°. Такая подвеска позволяет использовать всю видимую дугу ГО, "от горизонта до горизонта". Отсюда название подвесок этого типа Horizon-to-Horizon Mount (Н-Н Mount, H2H Mount) — подвески "Горизонт-Горизонт". Однако у подвески с центральным приводом есть серьезный недостаток: требуется слишком большой вращающий момент. Вспомним, что антенна вращается в плоскости, отличной от горизонтальной, то есть, при повороте из крайнего положения она одновременно под-нимается, а затем опускается. Если антенна большая и тяжелая, ее вес, за счет плеча длиной в радиус антенны, создает на оси очень большой момент. Диаметр же шестерни невелик, поэтому, чтобы создать на оси достаточный момент для вращения антенны, к зубьям шестерни необходимо приложить усилие, намного превышающее вес антенны. Поэтому подвески "горизонт-горизонт" используются, как правило, для небольших антенн, диаметром не более 1,5 метров.
Для больших антенн используются подвески с линейным приводом — актюатором. В таком приводе электродвигатель через редуктор вращает длинный винт, который располагается внутри цилиндрического кожуха. По винту ходит гайка, закрепленная в полом штоке. При вращении двигателя шток выдвигается из кожуха или втягивается в него. Таким образом, актюатор представляет собой телескопическую штангу, длина которой изменяется электродвигателем. Кожух крепится к неподвижной части подвески, а шток толкает рефлектор антенны. Даже небольшое усилие на штоке создает значительный вращающий момент за счет плеча — расстояния от оси вращения антенны до линии приложения силы. Поэтому актюаторы успешно используются с антеннами диаметром 3 метра и более.
Основной недостаток подвески с актюатором — ограничение по углу поворота. Действительно, актюатор, подвижная и неподвижная части подвески образуют треугольник, одна сторона которого изменяет свою длину. Угол треугольника не может быть больше 180° — это максимальный теоретический угол поворота. Практически он намного меньше. Чтобы угол треугольника был равен нулю, необходимо, чтобы длина противолежащей стороны была равна нулю. Однако, даже при полностью втянутом штоке, расстояние между точками крепления штока и кожуха составляет, как минимум; S-7см, оно определяется физическими размерами деталей крепления. Максимальный угол ограничен другим обстоятельством: при выдвижении штока актюатор приближается к оси вращения, соответственно, уменьшается плечо, и актюатору становится все труднее поворачивать антенну. В предельном случае, когда точки крепления кожуха и штока оказываются на одной прямой с осью вращения, плечо имеет нулевую длину. В этом положении вращающий момент равен нулю: сколь бы большим ни было усилие на штоке актюатора, он не может повернуть антенну, а только растягивает или сжимает подвеску. Реальные полярные подвески с актюаторами обеспечивают поворот антенны на угол до 1200, что в общем случае меньше видимой дуги ГО. Поэтому, как правило, конструкция подвески предполагает установку актюатора слева либо справа от оси вращения. Таким образом, пользователь может выбрать ту часть видимой дуги, которая ему наиболее интересна — западную или восточную. Например, жителю европейской части России для приема в Ku-диапазоне наиболее интересна западная часть (15,0°W — 80,0°Е), а сибирякам интереснее принимать сигналы спутников восточной части дуги (40,0°Е — 145,0°Е) в диапазоне С.
Наиболее популярная практическая конструкция подвески "горизонт-горизонт" воплощена в изделиях, известных как "моторизованные подвесы". Они очень удобны тем, что позволяют легко переоборудовать уже установленную фиксированную антенну в антенну с полярной подвеской без каких-либо переделок. При этом используются все детали старой антенны, включая существующую опорную конструкцию (кронштейн). Антенна снимается с кронштейна, вместо нее на кронштейне монтируется "моторизованный подвес", затем, уже на поворотной оси подвеса, с помощью штатного крепления устанавливается антенна. На российском рынке наиболее популярны изделия "два в одном", например, SMR-90G, SMR-128 фирмы Jaeger (Тайвань). И "три в одном", например, SM3D12 фирмы Sat Control (Словения). Первые представляют собой комбинацию полярной подвески и электропривода, вторые — полярной подвески, электропривода и микропроцессорного контроллера (позиционера), управляющего поворотом и управляемого цифровым ресивером по протоколу DiSEqC(tm).
С первого взгляда, в этих устройствах сложно узнать элементы полярной подвески. Хомуты в нижней части обеспечивают крепление подвески к вертикальной трубе и установку полярной оси по направлению север-юг. Угол широты устанавливается регулировочным винтом. Регулировка угла параллакса в "моторизованных подвесах" отсутствует. Угол параллакса устанавливается с помощью механизма из комплекта антенны, изначальное назначение которого — регулировка угла места. Однако зачастую этот механизм рассчитан только на положительные углы места (ведь видимые спутники находятся выше горизонта), а угол параллакса — отрицательный. Поэтому у многих "моторизованных подвесов" ось вращения антенны делают изогнутой, таким образом, диапазон углов смещается в отрицательную сторону.
Полярные подвески, предназначенные для работы с актюаторами, как правило, являются частью антенны и поставляются вместе с ней. Большинство антенн диаметром более 1,5 метра, которые производятся и продаются в России, могут быть поставлены в двух версиях — с фиксированным креплением или с полярной подвеской. Не составляют исключения популярные антенны СТВ-2,0-11, СТВ-2,4-11 ОАО "АлМет" (торговая марка "SUPRAL"), ан-тенны 3,1m фирмы Patriot (США), сетчатые антенны S-7, S-7,5, S-8 (торговые марки SAMI, KTI, LANS) и другие. Актюаторы не входят в комплект и приобретаются отдельно. В конструкции таких подвесок все регулировки понятны и легко узнаваемы. Стакан со стопорными болтами служит для крепления подвески на вертикальную трубу-опору и для установки полярной оси в горизонтальной плоскости по направлению север-юг. Для установки угла широты слу-жит регулировочный винт с контргайками. Угол параллакса изменяется с помощью одного или двух регулировочных винтов.
Предварительная настройка
Перед монтажом необходимо убедиться, что труба опоры или кронштейна была установлена строго вертикально. Это можно сделать с помощью строительного уровня или отвеса. Можно воспользоваться и "народным методом" — по двум углам стоящих неподалеку зданий. Зажмурив один глаз, следует встать таким образом, чтобы труба и угол здания находились на одной линии зрения ("в створе", как говорят моряки). Установив трубу строго параллельно углу, необходимо произвести выравнивание по второму углу, затем проверить вертикальность по первому углу и т. д. Желательно выбрать такие углы, чтобы направления на них отличались примерно на 90°.
Далее необходима установка оси вращения антенны в горизонтальной плоскости по направлению север-юг. Определение направлений по магнитному компасу — наихудший из возможных способов. Местное магнитное склонение и влияние металлических масс антенны и опоры могут вызвать погрешность в 10°-15°. Гораздо удобнее пользоваться картой города. Все карты ориентированы по сторонам света. На карте необходимо нанести точку установки антенны, затем подойти с картой непосредственно к антенне и развернуть ее таким образом, чтобы направления улиц, стен домов и направления на отдельные ориентиры на местности совпали бы с соответствующими направлениями на карте. Тогда вертикальные рамки карты укажут направление север-юг.
Другой способ — с использованием спутника СО: он находится точно на юге. Разумеется, этот способ применим только для городов, долгота которых совпадает или почти совпадает с долготой спутника, который можно уверенно принять и идентифицировать. Например, для Москвы (долгота 37,0°Е) — это спутник Eutelsat W4 36,0°Е; для Екатеринбурга (60,5°Е) — lntelsat-904 60,0°E и т.п. Необходимо с помощью мотора привести антенну на подвеске в положение, соответствующее максимальному подъему рефлектора. В "моторизованных подвесах" это положение соответствует нулевой отметке шкалы. В подвесках с актюатором шкалы, как правило, нет. Необходимо установить антенну на глаз или используя угольник, так как в этом положении некоторые элементы неподвижной и подвижной части подвески перпендикулярны друг другу. Затем, не используя мотор, нужно навести антенну на спутник, вращая ее вместе с подвеской на опоре и изменяя угол широты. Получив максимальный сигнал нужно зафиксировать подвеску на опоре (кронштейне). При любом способе невозможно добиться абсолютной точности, но это и не нужно: небольшие отклонения устраняются в процессе окончательной настройки.
Далее производится установка угла широты. Ее легко выполнить, если есть специальный прибор — маятниковый угломер (Angle Finder). Если такового не имеется, можно приспособить строительный уровень и транспортир или уровень и заранее изготовленный шаблон в виде нужного угла из картона или пластика. В крайнем случае, уровень можно заменить обычным отвесом.
Угол параллакса в процессе предварительной настройки устанавливать не надо, тем более, не надо рассчитывать его по формулам или номограммам. Вы зря потратите время: этот угол устанавливается в процессе окончательной настройки по фактическому спутниковому сигналу.
Окончательная настройка
Окончательная настройка полярной подвески осуществляется по спутниковому сигналу. Наблюдать сигнал удобнее всего по прибору с анализатором спектра (фирмы Promax, Unaohm, Rover или подобному). Если такого прибора нет, следует использовать спутниковый ресивер и телевизор. Для оценки силы сигнала можно использовать стрелочный или светодиодный индикатор (Satellite Finder), но только совместно со спутниковым ресивером, чтобы можно было идентифицировать спутник.
Настройка производится по трем спутникам: условно "южному", "западному" и "восточному". Орбитальная позиция "южного" спутника должна быть как можно ближе к долготе точки установки антенны. "Западный" и "восточный" спутники должны быть расположены по возможности дальше от "южного", но обязательно на видимой части ГО с учетом рельефа и застройки. Сигналы всех трех спутников должны уверенно приниматься на антенну данного размера. Желательно выбрать такие спутники, которые легко идентифицировать. Опять-таки, очень полезной окажется карта города, или калька с нее, или распечатка с электронной карты, на которой вы заранее нанесете точку установки антенны и проведете из нее расчетные азимуты на наиболее интересные спутники. Тогда на месте будет намного легче определить, какие спутники видны и в каких направлениях их искать. Затем необходимо:
1. Вращая антенну с помощью мотора и изменяя угол параллакса, настроить антенну на "южный" спутник по максимуму сигнала. Необходимо пользоваться только этими двумя настройками. Вращать подвеску на опоре или наклонять полярную ось не следует. Зафиксировать величину угла параллакса: поставить риску, посчитать число витков резьбы, измерить расстояние и.т.п;
2. Вращая антенну с помощью мотора и изменяя угол параллакса, настроить антенну на "западный" спутник, определить, в какую сторону изменился угол параллакса, соответствующий максимальному сигналу "западного" спутника, по отношению к углу параллакса, соответствовавшему настройке на "южный спутник";
3. Вращая антенну с помощью мотора и изменяя угол параллакса, настроить антенну на "восточный" спутник, определить, в какую сторону изменился угол параллакса, соответствующий максимальному сигналу "восточного" спутника, по отношению к углу параллакса, соответствовавшему настройке на "южный спутник".
Дальнейшие действия зависят от результатов сравнения углов. Возможные варианты (рис.6.5).
A. И "западный" и "восточный" спутники находятся выше "южного". Антенна описывает слишком крутую дугу. Мал угол широты. Вернуть антенну на южный спутник. Немного опустить ее регулировкой наклона полярной оси. Восстановить сигнал "южного" спутника, подняв антенну регулировкой угла параллакса. Повторить коррекцию, начиная с пункта 1.
B. И "западный" и "восточный" спутники находятся ниже "южного". Антенна описывает слишком пологую дугу. Велик угол широты. Вернуть антенну на южный спутник. Немного поднять ее регулировкой наклона полярной оси. Восстановить сигнал "южного" спутника, опустив антенну регулировкой угла параллакса. Повторить коррекцию, начиная с пункта 1.
C. "Западный" спутник находится ниже "южного", а "восточный" спутник — выше "южного". Дуга, которую описывает антенна, смещена к западу по отношению к действительной дуге ГО. Необходимо вернуть антенну на "южный" спутник. Немного сместить ее к востоку, повернув подвеску на опоре. Восстановить сигнал "южного" спут-ника, повернув антенну к западу с помощью мотора. Повторить коррекцию, начиная с пункта 1.
D."Западный" спутник находится выше "южного", а "восточный" спутник — ниже "южного". Дуга, которую описывает антенна, смещена к востоку по отношению к действительной дуге ГО. Нужно вернуть антенну на южный спутник. Немного сместить ее к западу, повернув подвеску на опоре. Восстановить сигнал "южного" спутника, повернув антенну к востоку с помощью мотора. Повторить коррекцию, начиная с пункта 1.
E. При настройке на оба спутника, "западный" и "восточный", изменения угла параллакса не требуется. Процесс настройки полярной подвески закончен. При вращении мотора антенна будет "собирать" спутники по дуге ГО.
Перед тем, как покинуть место установки антенны, необходимо обязательно повернуть ее с помощью мотора на максимальный угол в обе стороны и убедиться, что конечные выключатели надежно срабатывают, исключая работу мотора на механический упор. При необходимости следует отрегулировать положение хомута на кожухе актюатора и установку конечного выключателя таким образом, чтобы выбег штока максимально использовался для поворота антенны в интересующем диапазоне углов. Затем можно приступить к настройке ресивера и позиционера.
ВНИМАНИЕ!!! Данная статья подготовлена специалистами Группы компании "АРСТЕЛ" и является интеллектуальной собственностью ООО «АРСТЕЛ». Любые публикации данной статьи, а равно ссылки на нее возможны только с разрешения правообладателя.