全向型天線在北斗遙測終端上的應用研究

姚耕良 任虹

摘 ?要：北斗遙測終端是目前航標管理中監控航標狀態的重要手段，但在日常管理中發現有些北斗遙測終端不能按時上傳數據，造成了一定程度的數據丟包。為了改善數據丟包現象，我們研究分析了產生問題的原因，提出了改善終端天線的設想，試制了新終端樣品并完成了測試。本文簡要介紹了全向型天線的工作原理和在北斗遙測終端上實際的應用情況，通過測試與實際使用總結了新型天線的優勢與存在的問題，并且提出相關建議以及對未來的展望。

關鍵詞：北斗遙測終端;全向型天線;數據丟包

0 背 景

隨著北斗遙測終端在燈浮、燈樁上的大量使用，終端設備的一些不足也漸漸顯現出來。目前所使用的北斗遙測終端經常出現數據丟包、遙測信號不穩定的現象。設定每小時發送一次，一天應該接收到24條的遙測數據，實際上在遙測平臺上只能收到15～16條。對設備在水上和陸地上信號的傳輸狀況分析后發現，浮標在水面上由于晃動天線無法一直面向天空，從而導致與衛星通信失敗。為了解決這個問題，吳志華勞模工作室聯合相關科研單位嘗試在北斗遙測終端上使用新型的全向型天線來改善數據丟包這一難題。

1 現狀分析

現在，上海港水域所使用的北斗遙測終端都是應用了定向型平板天線。定向型天線的特點就是具有方向性，天線僅向一個方向輻射，在指定的方向上提高其抗干擾的能力。因此，北斗遙測終端在安裝時天線必須正對衛星并且無遮擋，這樣才能使信號增益達到最大。然而，浮標拋設在水面上時，由于受風浪的影響，不停地左右晃動，無法始終保持正對衛星。所以導致了浮標上的北斗遙測終端不能始終和衛星保持良好的通信，不僅產生了數據丟包的現象，而且使終端系統要不斷進行與衛星握手，頻繁啟動運行軟件系統，大大增加能耗。因為有著這些缺點，我們工作室成員才提出了全向型天線應用的設想。

2 天線選型和終端設計

2.1 天線選型

我國的北斗系統與其他定位系統的不同之處，在于它還同時具備短報文通訊功能。因此，北斗系統對接收機、地面設備天線有如下要求：圓極化;雙頻段工作;波束寬度寬，仰角5°的增益大于-3 dB。

全向型天線又稱為四臂螺旋天線，是在1968年由美國John Hopkinson大學應用物理博士Kilgus提出的，之后進行了深入的研究。該天線具備心型方向圖，高前后比以及良好的圓極化特性，被廣泛用于衛星通信系統，尤其被認為是理想的全球定位系統（GPS），北斗衛星通信系統（CNSS），以及衛星手機的接收天線。四臂螺旋天線擁有全向360°的接收能力，應用在北斗遙測終端并且安裝在浮標上時，無論浮標如何搖晃，天線都能保持與衛星“握手”。如此就解決了平板天線在浮標上無法始終與衛星握手的問題，同時也能提高遙測設備數據的穩定性。另外，航標北斗遙測終端多是應用在浮標和燈樁之上，安裝空間相對較小，設備的天線必須結構緊湊。四臂螺旋天線的特點便是其性能優良的圓極化半球波束、緊湊的結構和優良的環境適應性，十分適合應用在燈浮與燈樁之上。

2.2 終端設計

新型北斗遙測終端主要的功能和設備參數都與現在大量應用的北斗遙測終端一致，最大的改變就是應用了全向型的四臂螺旋天線。天線由四條特定彎曲的金屬線條所組成，不需要任何接地，具備垂直天線的特性。因此，天線在任何方向都有3 dB的增益，增加了衛星訊號的接收時間。天線的技術參數見表1。

在電流電壓采集方面設備使用外接線圈的方式，燈器的正極穿過線圈連接電源。這樣的設計可以確保在遙測終端發生故障時燈器仍然能正常工作。終端的感應線圈最大能感應20 A的電流，能夠適用航標處所有的負載設備。設備的外觀部分見圖1。

設備使用了全向型的四臂螺旋天線，因此高度要比現在所使用的北斗遙測終端高出許多，起初擔心安裝在浮標上是否會對燈光形成遮擋。通過現場的安裝測試，確認了不會對燈光形成遮擋，見圖2。

3 測試結果

新設備研制出來首先要做的就是測試。我們工作室成員第一時間對終端進行了遙測信號的測試。起初設定10 min發送一次數據，但一天只有三分之一的預設時間可以收到北斗數據。為此工作室與科研單位深入研究尋找原因，首先是設備在發送模式上存在著一些問題，其次是在工作室門口的場地測試，由于四周遮擋比較多，對天線水平方向的干擾相對較大，測試效果并不理想。針對這一問題研發小組對設備的軟件進行了升級，并且找了一個四周開闊的場地再次進行測試。結果，新型北斗終端的遙測信號非常穩定，比起目前所使用的北斗終端有了顯著的提升。目前，已有3套配有全向型天線的北斗遙測終端安裝在現場測試使用，2套安裝在導標上，1套安裝在浮標上。為了確認新型北斗終端的數據丟包率是否有所降低，通過與同樣安裝在燈浮上的舊北斗遙測終端的遙測數據進行了比對，抽取同一時間段中二周的數據統計發現，新設備收到了294條遙測數據，而舊設備僅收到了224條。在理論上應該收到336條數據的情況下，新設備的丟包率降低了很多。下圖是新設備與現有設備在浮標上的小時數據對比，見圖3、圖4。

4 設計生產和使用建議

通過反復測試以及現場使用情況的反饋，全向型天線的丟包率明顯低于目前的北斗終端。但是在使用時仍然有一些需要注意的地方。四臂螺旋天線擁有全面向360°的收發能力。因此，為了保證信號的穩定，安裝位置不能過低，并且四周不能有明顯金屬遮擋物，這樣才能發揮設備最大的效率。

如今，北斗遙測終端上的全向型天線處于使用初期階段，還存在著一定的不足。首先就是體積。全向型天線終端的體積要比使用定向型天線的終端大很多，尤其是高度方面。目前在浮標上大量使用的是北斗一體化航標燈器，而且一體化航標燈器在浮標上的應用一定會是將來的趨勢。一體化燈器內部空間有限，對內置的北斗終端的體積有著較高的要求。就目前全向型天線的體積而言，根本無法安裝于燈器內部。筆者認為，只有在保證收發功率的前提下盡可能地縮小天線的體積，這樣全向型天線才能更大范圍的被推廣應用。

另一個缺點在于終端連接電纜的接頭。新設備的連接接頭設置的還不太理想，正常用手很難擰緊，必須借助扳手等工具，給現場操作人員帶來了一定的不便，見圖5。

5 結 語

新型全向型天線北斗遙測終端的推出，從使用效果來看已經很好地改善了北斗數據丟包的現象，增加了北斗遙測終端數據傳輸的穩定性。雖然設備仍然存在著一些不足，但通過日后的使用和升級會逐漸趨向成熟。全向型天線的應用將會是以后北斗遙測終端發展的方向。

參考文獻

[1] 藺煒.RFID標簽天線及北斗四壁螺旋天線研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

作者介紹：

姚耕良，助理工程師，（E-mail）yao_gengliang@163.com

任 虹，高級工程師，（E-mail）1062368555@qq.com