Sistema de apuntamiento de la antena.
(Antenna Pointing System -APS).
· Antenas contrarrotatorias (despun antennas).
- Antenas contrarrotatorias mecánicas (mechanical despun antennas).
- Antenas contrarrotatorias electrónicas (electronic despun antennas).
· APS para un satélite estabilizado en tres ejes.
- Sensores de radiofrecuencia y receptor de seguimiento.
- Mecanismo de apuntamiento de la antena (APM).
En el apartado dedicado al error de apuntamiento, se ha comprobado que el desapuntamiento del haz era uno de los problemas más importantes a tener en cuenta en el diseño de la antena. El sistema de apuntamiento de la antena (Antenna Pointing System -APS) se encarga de solventar este problema: consigue que la antena apunte correctamente en una dirección independientemente del movimiento del satélite.
Los satélites pueden estar estabilizados en espín o en tres ejes. Los primeros poseen un movimiento rotatorio continuo alrededor de uno de sus ejes de mayor momento de inercia. Los segundos mantienen una orientación fija respecto a su sistema de coordenadas local. Los satélites estabilizados en espín hacen uso de antenas contrarrotatorias para mantener fija una dirección de apuntamiento. Aunque éstas no son, en realidad, un sistema de apuntamiento autónomo, a continuación se habla de ellas porque fueron la primera solución al problema del desapuntamiento. En el siguiente apartado se tratará con un APS propiamente.
(Despun Antennas)
Se pueden elegir dos opciones a la hora de montar una antena sobre un satélite estabilizado en espín. La más simple consiste en utilizar una antena con un diagrama de radiación uniforme en el plano perpendicular al eje de rotación. De esta forma, siempre se trabajará con la misma ganancia independientemente de la orientación del satélite. Sin embargo, las antenas omnidireccionales tienen muy baja ganancia para conseguir una buena calidad en el enlace Tierra-satélite. Para aumentar la ganancia, el diagrama de radiación se ha de concentrar en un haz que, a su vez, apunte a una posición fija en la Tierra. La segunda solución consiste, entonces, en que el haz gire en sentido contrario al movimiento de rotación del satélite. Ello se consigue con las antenas contrarrotatorias (despun antennas), que pueden ser de dos tipos:
- antenas contrarrotatorias mecánicas (mechanical despun antennas). Un motor eléctrico se encarga de hacer girar a la antena (al reflector secundario) de forma que se contrarreste el movimiento de rotación del satélite. El inconveniente de esta técnica está en conseguir tanto una buena lubricación para el soporte de la antena como acopladores de potencia rotatorios de calidad para intercambiar la señal entre la antena y el equipo de radiofrecuencia. Esta configuración ha sido usada en satélites como el ATS-III y el INTELSAT-III.
- antenas contrarrotatorias electrónicas (electronic despun antennas). Esta es una solución más elaborada que la anterior. La antena está compuesta por un conjunto de elementos radiantes de baja o media ganancia montados en un cilindro (un array de antenas). Una red de conmutación conecta al sistema de radiofrecuencia sólo los elementos que se encuentran en una dirección más próxima a la Tierra en cada momento. Otra técnica consiste en alimentar a las antenas con una amplitud igual y con una fase que varíe en función del movimiento de rotación de la nave. Esta configuración presenta también varios inconvenientes. Por un lado, los alimentadores de los elementos radiantes poseen pérdidas. Por otro, aparecen discontinuidades de amplitud y de fase en el diagrama de radiación de la antena. El satélite METEOSAT utiliza una antena contrarrotatoria electrónica.
En la actualidad, los satélites suelen estar estabilizados en tres ejes, por lo que este tipo de antenas no se usa.
APS PARA UN SATÉLITE ESTABILIZADO EN TRES EJES.
El apuntamiento de la antena es algo crítico cuando se trabaja con alta ganancia. La dirección de apuntamiento podría estar sujeta al sistema de coordenadas del satélite y controlada, por tanto, por el sistema de estabilización y control de la órbita (attitude and orbit control system -AOCS) en el caso de satélites estabilizados en tres ejes. La exactitud del apuntamiento depende entonces de dicho sistema. Sin embargo, en los sistemas modernos se requiere mayor exactitud en el apuntamiento debido al uso de reflectores de mayor tamaño y de técnicas multihaz. Resulta difícil mejorar la exactitud en el sistema de estabilización y control de la órbita, por lo que se requiere un sistema de apuntamiento de la antena (antenna pointing system -APS) independiente del AOCS. El APS está compuesto por el sensor de radiofrecuencia (radio-frequency sensor), el receptor de seguimiento (tracking receiver), los subsistemas electrónicos de apuntamiento de la antena (antenna pointing electronics -APE) y el mecanismo de apuntamiento de la antena (antenna pointing mechanism -APM). A continuación se describen los componentes más importantes.
SENSOR DE RADIOFRECUENCIA Y RECEPTOR DE SEGUIMIENTO.
(RF Sensor & Tracking Receiver).
Se debe tener en cuenta, ante todo, que la antena necesita conocer la dirección de apuntamiento. Para ello, se transmite un tono de radiofrecuencia desde la estación base terrestre donde se desea recibir la señal del satélite. Los sensores de radiofrecuencia se encargan de indicar el grado de error del apuntamiento (ángulo de error) tomando como referencia ese tono. Se puede utilizar un sensor monopulso de cuatro bocinas o bien uno de cinco bocinas. La siguiente figura muestra un sensor de cuatro bocinas:
Cada bocina recibe una señal (a,b,c y d). Las señales se combinan en las uniones híbridas para producir las señales de suma (S) y diferencia (DEl, DAz) a la salida del sensor:
S = a+b+c+d
DEl = (a+b)-(c+d)
DAz = (a+d)-(b+c)
La amplitud de las señales diferencia aumenta con el incremento del valor absoluto del ángulo de error. La fase de las mismas sufre un cambio de 180º dependiendo del signo del ángulo de error. La siguiente figura muestra lo anterior de forma gráfica:
Las señales de radiofrecuencia se convierten en señales de frecuencia intermedia en el receptor de seguimiento. Las señales diferencia (cualquiera de las dos) normalizadas por la señal suma se usan como señales de error eléctricas (tracking-error voltages) para corregir el error de seguimiento. Éstas alimentan al mecanismo de apuntamiento de la antena (APM) y son una referencia para conseguir el apuntamiento del haz. Se podría decir que el funcionamiento es parecido al del bucle enganchado en fase (phase-locked loop -PLL): la señal de error a la salida del detector de fase (phase detector -PD) regula el comportamiento del oscilador controlado por tensión (voltage-controlled oscillator -VCO).
El error de apuntamiento que introduce el sensor de radiofrecuencia depende del funcionamiento de las uniones híbridas. Las uniones híbridas como la T mágica o los acopladores deben ser, por tanto, balanceadas en amplitud y en fase para obtener la exactitud deseada.
Los sensores monopulso de cinco bocinas tienen un comportamiento similar a los de cuatro bocinas. Se coloca, en este caso, una bocina en el centro y cuatro alrededor de ésta. Las señales de salida se traducen en una señal suma que proviene de la bocina central y señales diferencia obtenidas de las cuatro bocinas restantes. El receptor de seguimiento sería idéntico al usado con un sensor de cuatro bocinas.
MECANISMO DE APUNTAMIENTO DE LA ANTENA.
(Antenna Pointing Mechanism -APM).
El mecanismo de apuntamiento es el encargado de mover la antena (el reflector o el subreflector) para apuntar el haz. Está formado por la estructura de soporte del reflector (reflector support structure), el mecanismo de tracción (drive mechanism), mecanismo codificador de la dirección (angle encoding mechanism) y el mecanismo de protección en el lanzamiento (launch-lock mechanism).
Existen varios tipos de estructura de soporte: el soporte montado sobre dos ejes (two-axis gimbal mechanism), el pivote flexible (flexible pivot) y la estructura de tres segmentos (three-element link). La primera de ellas posee una plataforma que sujeta al reflector y está dotada de un movimiento de rotación sobre dos ejes ortogonales. La siguiente figura muestra dicha estructura:
El pivote flexible es una estructura cilíndrica con varias ranuras alrededor de su eje, tal y como se muestra en la siguiente figura:
La plataforma donde se coloca la antena se encuentra sobre una de las bases del cilindro. El pivote únicamente responde a la componente axial (paralela al eje del cilindro) de la fuerza aplicada sobre cualquier punto de la plataforma. De esta forma, la plataforma puede ser inclinada en cualquier dirección. Por último, en la figura siguiente se muestran tres configuraciones diferentes para la estructura de tres segmentos:
Cada segmento se puede modelar como una varilla rígida unida con su vecina mediante una rótula. Como se observa en las estructuras -a y c- de la figura, el movimiento de los segmentos 1 y 2 causa una pequeña rotación de la antena alrededor del punto A. Estas configuraciones se aplican a sistemas que requieren que su centro de rotación se halle delante o detrás del subreflector. En la estructura -b-, el punto A se encontraría en el infinito.
Se puede clasificar el mecanismo de apuntamiento de la antena según su sistema de tracción en dos tipos: el tipo directo y el tipo indirecto. Básicamente, el APM consta únicamente de motores o de motores con reductores de velocidad. En el tipo directo, los motores están montados directamente en la estructura de soporte o en los ejes. Tanto motores lineales (dispositivos motrices -actuators) como motores eléctricos se usan como mecanismos de tracción. Cabe recordar que los motores eléctricos producen un movimiento alrededor de un eje de rotación y que los motores lineales (actuators) provocan un movimiento relativo de dos puntos en una misma dirección. Los motores lineales pueden ser electromagnéticos (electromagnetic actuator), en cuyo caso están formados por dos electrodos que se acercan o se alejan en función del campo electromagnético entre los mismos. También se dispone de motores lineales mecánicos (mechanic actuators) como el descrito más adelante en el sistema de tracción indirecta del INTELSAT-V.
En la configuración de tracción directa, los motores (ya sean lineales o eléctricos) se colocan directamente en la estructura de soporte, con lo que se consigue alta flexibilidad (high stiffness) y suavidad (little backlash) en los movimientos. Los motores lineales se usan cuando se desea conseguir gran exactitud y no se necesita un margen amplio de movimientos. Los motores eléctricos son útiles en la situación opuesta. La siguiente figura muestra un APM de pivote flexible fabricado con berilio-cobre:
La plataforma que sostiene a la antena está montada sobre el pivote flexible que se encuentra en el centro del sistema de apuntamiento y puede ser inclinada en cualquier dirección gracias a los motores lineales electromagnéticos (electromagnetic actuators) instalados en las cuatro esquinas. Este APM no necesita lubricación para conseguir vencer a la fricción y a los movimientos bruscos. La abrazadera que une la plataforma fija con la plataforma de la antena protege al sistema de las vibraciones en el proceso de lanzamiento. Cuando el satélite se encuentra en órbita, la abrazadera se libera por medio de un sistema pirotécnico y la plataforma de la antena es controlada por los motores lineales.
El sistema de tracción indirecta está formado por un motor eléctrico y un reductor de velocidad de alta resolución. Existen varias configuraciones para el reductor. Una de ellas es la conocida como tornillo móvil (ball screw) y se muestra a continuación:
El reductor está formado por un eje con forma de tornillo (shaft screw), una tuerca redonda (ball nut) y pequeñas bolas movibles (recirculating balls) en contacto con la tuerca y con el eje. Esta configuración posee una gran eficiencia y exactitud porque se tienen contactos puntuales entre las bolas movibles y las caras de la tuerca y del eje. Si al reductor se le incorpora un motor eléctrico, se consigue el motor lineal que se integra en el APM (véase la siguiente figura):
El motor eléctrico se encarga de mover la tuerca (ball nut), lo cual provoca un desplazamiento suave y preciso del eje del reductor (shaft screw) en dirección perpendicular a la plataforma de la antena. Este sistema fue adoptado en la construcción de INTELSAT-V.