衛星接收天線指向調試的研究與應用

劉海，孫俊燾，蓋新，趙哲

(青島市廣播電視臺，山東 266071)

1 引言

一直以來，衛星通信技術在傳輸距離、傳輸容量、線路質量及組網靈活度等方面獨具優勢，是廣播電視臺視音頻信號傳輸的主要手段之一。

衛星接收天線在天氣惡劣、風荷載過大的情況下，其固定裝置損壞會造成天線的俯仰角、方位角及極化角等參數出現偏差，導致接收信號的強度降低和質量下降，嚴重影響了信號的安全接收。在維修人員不能及時到達、缺乏專業設備的情況下，有必要研究出一種切實可行的衛星天線指向調試方法，使技術人員可以自主進行衛星天線的調試維修工作。

2 衛星天線指向的分析與設計

2.1 天線指向參數的計算方法

天線的俯仰角是指從接收點仰望衛星的視線與水平線構成的夾角，如圖1所示。過大的風荷載可造成固定支撐裝置的損壞，導致俯仰角在重力的作用下變小，造成通信信號強度下降。

天線的俯仰角是由接收點經緯度和衛星經度共同確定，其計算公式為：

圖1 天線俯仰角指示圖

(1)

式中：

α——接收地點的緯度

β——相對經度(接收地點與衛星的經度差)

天線的方位角是以接收點的正北或正南方為起始，順時針旋轉至衛星的視線在接收點水平面上的正投影線所形成的夾角，如圖2所示。

圖2 天線方位角指示圖

天線的方位角同樣是由接收點經緯度和衛星經度共同確定，其計算公式為：

(2)

式中：

α——接收地點的緯度

β——相對經度(接收地點與衛星的經度差)

極化角又稱極化方向，是接收點地平面與水平極化波電場平面之間的夾角。地球是個球體，而衛星信號的下行波束是水平直線傳播，如果地理位置不同，所接收的極化方向也會有所偏差，因此極化角的偏差也會造成通信信號質量不佳。

已知天線極化角的計算公式為：

(3)

式中：

α——接收地點的緯度

β——相對經度(接收地點與衛星的經度差)

a——靜止衛星軌道的相對半徑

以地球半徑為單位長度，靜止衛星軌道的相對半徑即式(3)中的a為：

a=1+(R/r)=6.6108

(4)

式中：

R——靜止衛星的高度，為35786km

r——地球半徑，為6378km

綜上所述，在已知接收點經緯度和衛星經度的條件下，可以利用公式(1)、公式(2)和公式(3)分別計算，得到衛星接收天線俯仰角、方位角和極化角的精確值，其可作為微調天線指向參數的依據。即所謂的“計算法”。

2.2 天線指向參數計算曲線的繪制

MATLAB是一種高級技術計算語言，可用于算法開發、數據可視化、數據分析及數值計算。根據天線指向參數的計算公式，我們利用MATLAB建立數學模型進行分析，得到各參數的計算曲線。該計算曲線支持對天線指向參數粗略值的查詢。

根據公式(1)和公式(2)，使用MATLAB進行計算分析，得到俯仰角和方位角的計算曲線，如圖3所示。

圖3 俯仰角和方位角的計算曲線

MATLAB程序設計如下：

function f1

clear all；clc；

%'計算方位角'

AZ=[10：10：80]；

tan_AZ=tand(AZ)；

%'精度0.01'

x=0：0.01：85；

for i= 1：length(tan_AZ)

temp(：，i)=tand(x)/tan_AZ(i)；

end

alpha1=asind(temp)；

figure

plot(x，alpha1，'k')；

grid on；

xlabel('經度差|β|')；

ylabel('緯度α')；

hold on；

%'計算俯仰角'

EL=0：10：80；

temp=zeros(length(x)，length(EL))

tan_EL=tand(EL)；

g=tan_EL.*tan_EL；

bb=0.15127；

a=bb*2；

b=bb*bb；

c=1+g；

d=c.^0.5；

e=bb./d；

f=e.*e；

h=abs(g+f-b).^0.5；

i=h+e；

j=i./d；

for m=1：length(EL)

temp(：，m)=j(m)./cosd(x)；

end

alpha2=acosd(temp)；

plot(x，alpha2，'k')；

根據公式(3)，使用MATLAB進行計算分析，得到極化角的計算曲線，如圖4所示。

圖4 極化角的計算曲線

MATLAB程序設計如下：

clear all；clc；

%'計算thetaP'

a=6.6108；

thetaP=[5：5：85]；

tan_thata=tand(thetaP)；

%'精度1'

figure

alpha_range=0.001：1：85；

for j=1：length(tan_thata)%做出j條曲線

num=0；

for i=1：length(alpha_range)%計算每個α值對應的β

alpha=alpha_range(i)；

func=@(beta)-sind(beta)*(a^2-2*a*cosd(alpha)*cosd(beta)+1)^0.5/(tand(alpha)*(a-cosd(alpha)*cosd(beta)))-tan_thata(j)；

x=fsolve(func，-1)；

if abs(x)>85

1

continue；

end

num=num+1；

beta_sol(num)=abs(x)；

alpha_plot(num)=alpha_range(i)；

end

plot(beta_sol，alpha_plot，'k')；

hold on；

clearvars beta_sol alpha_plot

end

hold on；

%'計算俯仰角=0曲線'

x=0：1：85

EL=0；

temp=zeros(length(x)，length(EL))

tan_EL=tand(EL)；

g=tan_EL.*tan_EL；

bb=0.15127；

a=bb*2；

b=bb*bb；

c=1+g；

d=c.^0.5；

e=bb./d；

f=e.*e；

h=abs(g+f-b).^0.5；

i=h+e；

j=i./d；

for m=1

temp(：，m)=j(m)./cosd(x)；

end

alpha2=acosd(temp)；

plot(x，alpha2，'k')；

grid on；

xlabel('經度差|β|')；

ylabel('緯度α')；

圖3和圖4的計算曲線支持天線指向參數的粗略查詢，得到的數值可作為天線粗調的依據；也可起到與“計算法”得到的精確值相互驗證的作用，即所謂的“查曲線法”。

3 衛星天線指向參數的測量與調試

通常，天線指向參數的測量需要使用尋星儀、場強儀和角度測量儀等專業設備。在缺少這類設備的客觀條件下，經仔細分析研究，可利用幾種常見儀器，將其改造成為符合精度要求的測量設備，開發出簡便準確的測量方法。

3.1 天線俯仰角的測量方法

筆者團隊利用改造后的量角器，研究出了一種測量天線俯仰角的方法：如圖5所示，在量角器的半圓圓心處鉆一個小孔，用一根細線將該孔與一個鉛錘連接。

圖5 改造后的量角器

由于行業使用的衛星接收天線均為正饋天線，將改造后的量角器靠在高頻頭圓筒相對平行于地面的平面上，或者貼在與天線反射面相垂直的支撐桿上，如圖6所示。讀取并記錄垂線和該平面之間的夾角數值。

圖6 俯仰角測量示意圖

如圖7所示，∠1即為量角器測量出的垂線和高頻頭平面之間的夾角，∠3即為圖3所示的天線俯仰角。由相似三角形平行定理可知∠2=∠3=90°-∠1，即天線的俯仰角實際為∠1的余角。

圖7 角度示意圖

3.2 天線方位角的測量方法

方位角以正南為 0°，習慣上以順時針為正值，逆時針為負值，即往東偏為負、往西偏為正。

打開指南針，使水平儀的氣泡位于紅圈中間直至靜止，此時表盤內的綠色箭頭指向正北，相反方向即為正南。托平指南針，將其上的目標指示記號對準接收天線反射面背后的正中位置，調整方位盤，使方位指標與指針的正南指向重疊，讀取方位盤上位于方位指示線處的角度值，即為天線的方位角。此時指南針最好距離水泥地板或周圍含鐵物質1米以上，避開磁性干擾以保證測量的準確性，

值得注意的是：地球的磁北方向不同于真正的地理北方向，指南針的指向是地磁北方，而地圖所指示的北方是地理北方，因而指南針指示的磁方位角與天線真實的方位角之間存在一個磁偏角。不同經緯度的地區存在不同的磁偏角，應根據當地磁偏角，對獲取的方位角進行適當修正。以青島市區為例，目前青島市區的磁偏角約為偏西7°，用指南針測量出的磁方位角減去7°磁偏角，得出的修正值即為青島市區接收天線的實際方位角。

3.3 天線指向參數的調試規程

天線方位角的調整較俯仰角更方便快捷，且俯仰角的改變對天線指向的影響更大，因此在調整天線指向參數時，應在測量工具的配合下判斷指向參數是否存在偏差，若存在偏差，則遵循俯仰角—方位角—極化角的順序，先對天線進行粗調；再根據接收信號的強度和質量，按同樣順序對天線進行微調。

調整饋源的極化角采用參數法：如果極化角為正值，按照高頻頭上的刻度將高頻頭向順時針方向慢慢轉動，如果為負值，則按刻度向逆時針方向慢慢轉動。

4 應用案例

2019年4月8日，青島市區出現7-8級大風天氣。當天，青島電視臺將通過亞洲5號通信衛星實時傳輸某大型活動現場的電視直播信號。直播開始前三小時，電視臺技術人員發現接收的該路電視直播信號出現畫面質量降低現象，繼而發現衛星接收機信號強度明顯低于標準值。經技術人員組織排查，發現在大風作用下，用于直播的亞洲5號衛星接收天線出現拉線斷裂、基座移動及饋源松動等現象，目測判斷衛星接收天線的各指向參數出現不同程度的偏差，急需立即開展搶修工作。

4.1 天線指向性的初步判斷

我國地處北半球，同步衛星在赤道上空，衛星接收天線的方向通常為坐北朝南。當接收天線所在經度比衛星所在經度大時，天線位置應為南偏西；當接收天線所在經度比衛星所在經度小時，天線位置應為南偏東。而亞洲5號衛星位于東經100.5°，青島電視臺所在市南區的經度為120.38°，緯度為36.07°。據此初步判斷亞洲5號衛星應位于青島電視臺接收天線的西南方向。

4.2 天線指向參數的查詢與計算

如上所述，已知亞洲5號通信衛星位于東經100.5°，衛星接收天線所在的經度為120.38°，緯度為36.07°。所以接收地點的緯度α=36.07°，相對經度(接收地點與衛星的經度差)β=19.48°。

根據“查曲線法”，由以上得出的α和β值，從圖3和圖4的計算曲線中查詢得到亞洲5號衛星接收天線指向參數的區間：俯仰角應處于40°—50°區間，方位角應處于30°—35°區間，極化角應處于20°—25°區間。

根據“計算法”：

由公式(1)，將已知的α、β的值代入得到：

tan EL≈0.943

∠EL=tan-1EL≈43°

即亞洲5號衛星天線俯仰角的精確值為43°，符合查詢計算曲線得出的40°—50°區間范圍。

由公式(2)，將已知的α、β的值代入得到：

AZ=tan-10.6≈31°

即亞洲5號衛星天線方位角的精確值為31°，符合查詢計算曲線得出的30°—35°區間范圍。

由公式(2)已知接收天線方位角的正切等于相對經度的正切與接收點緯度的正弦之比。因為相對經度是代數量，所以接收天線的方位角也是代數量，當衛星位于接收點西南方向時，方位角為正值；而當衛星位于接收點東南方向時，方位角為負值。符合之前亞洲5號衛星位于青島電視臺衛星接收天線西南方向的初步判斷。

由公式(3)，將已知的α、β的值分別代入得：

即接收天線極化角的精確值的絕對值為25°，符合查詢計算曲線得出的20°—25°區間范圍。

4.3 天線的維修調試過程

首先，針對出現偏差的亞洲5號衛星接收天線，進行其指向參數的粗調：

(1)利用俯仰角計算曲線(圖3)得到的俯仰角范圍40°—50°與量角器測量出的實際俯仰角進行比對，確定天線俯仰角存在25°左右偏差。在量角器的配合下慢慢調節天線俯仰控制螺桿，調整天線俯仰角至40°—50°區間范圍內。

(2)在考慮了磁偏角的影響后，利用方位角計算曲線(圖3)得到的天線方位角范圍30°—35°與指南針測量出的方位角進行比對，確定天線方位角存在20°左右偏差。在指南針的指引下慢慢調節天線水平控制螺桿，先調整天線方位角至正南基準方向，再調整其至30°—35°區間范圍內。

(3)根據查詢極化角計算曲線(圖4)和公式計算得出的結果，重新緊固天線饋源并按刻度逆時針轉動高頻頭，將天線極化角調整至20°-25°區間范圍內任一刻度上。

(4)觀察粗調后的信號，發現此時直播現場信號強度上升、畫面質量改善，但尚未達到正常標準。

然后，進行天線指向參數的微調：

(1)繼續調節俯仰控制螺桿，使天線俯仰角到達精確值43°并固定。

(2)繼續調節天線的水平控制螺桿，直至方位角精確值31°并固定。

(3)根據計算得到的精確值將天線極化角按逆時針調整為25°。

(4)此時利用衛星信號接收機和畫面監視器，技術人員再次觀察微調后的信號狀態，發現亞洲5號衛星信號的強度和質量均處于最佳狀態。

至此，青島電視臺技術人員利用“查曲線法”和“計算法”得到的天線指向參數值，在自行開發的測量設備配合下，依據制定的操作規程，準確并迅速的對亞洲5號衛星天線進行了維修和調試，有效的排除了安全播出事故隱患，保證了青島電視臺當天直播活動的平穩順利進行。

5 結束語

本文針對衛星接收天線的指向性調試，在理論和實踐方面進行了深入的研究和廣泛的應用。該調試方法應用到實際工作以來取得了較好的效果和積極的反響，使廣電技術人員可以自主、準確、迅速地對衛星接收天線進行維修調試，從而推動衛星傳輸信號的安全接收保障工作更上一個臺階；同時，該調試方法具有比較重要的指導意義，可為電視臺等相關機構的天線指向調試工作提供一定的參考。