衛(wèi)星接收天線的快速修調(diào)方法

汪 洋，李建雄，張?zhí)鞆?qiáng)

（唐山廣播電視臺，河北 唐山 063000）

1 研究背景

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的廣播電視節(jié)目利用地球同步衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。同步衛(wèi)星信號覆蓋范圍更廣，打破了地面微波中繼站的數(shù)量及天線高度的限制，提高了信號傳輸質(zhì)量，組網(wǎng)更加靈活，成為廣播電視臺信號傳輸?shù)闹饕侄沃唬彩俏磥硇畔鞑サ闹攸c(diǎn)發(fā)展方向[1]。

近年來，極端惡劣天氣頻發(fā)，衛(wèi)星接收天線在遇到大風(fēng)天氣時(shí)，由于風(fēng)載荷過大，會導(dǎo)致天線姿態(tài)發(fā)生改變，對其俯仰角、方位角和極化角參數(shù)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致信號質(zhì)量下降甚至中斷，給廣播電視信號的安全優(yōu)質(zhì)播出帶來隱患[2]。發(fā)生此類事故時(shí)，專業(yè)技術(shù)人員可能不能及時(shí)抵達(dá)事故現(xiàn)場進(jìn)行修調(diào)，因此，研究一套切實(shí)可行的衛(wèi)星接收天線快速修調(diào)方法并制定操作流程，變得尤為重要。該方法能夠使值班員在缺乏專業(yè)設(shè)備及專業(yè)技術(shù)人員的情況下，對衛(wèi)星接收天線進(jìn)行快速修調(diào)的應(yīng)急操作。

2 研究內(nèi)容

為保證在衛(wèi)星接收天線姿態(tài)改變時(shí)修調(diào)的快速性和準(zhǔn)確性，首先從理論上研究其可行性，然后通過實(shí)踐對理論進(jìn)行驗(yàn)證，通過對天線俯仰角、方位角和極化角的快速精確調(diào)整，使天線恢復(fù)到增益最大的最佳狀態(tài)，從而確保發(fā)射臺信號的高質(zhì)量、不間斷安全播出[3]。

2.1 天線參數(shù)的計(jì)算方法

衛(wèi)星接收天線的方位角是其上投影高頻頭指向與接收點(diǎn)正南方向所形成的夾角，可用∠AZ表示，如圖1所示。

衛(wèi)星接收天線方位角與接收站地理坐標(biāo)經(jīng)緯度和同步衛(wèi)星經(jīng)度有關(guān)，其計(jì)算如式（1）：

式中：N為接收站地理坐標(biāo)緯度，?g為接收站經(jīng)度與同步衛(wèi)星經(jīng)度差。

衛(wèi)星接收天線的俯仰角是天線高頻頭朝衛(wèi)星的指向與大地平面之間所形成的夾角，用∠EL表示，如圖2所示。

圖2 天線俯仰角指示

衛(wèi)星接收天線俯仰角同樣與接收站地理坐標(biāo)經(jīng)緯度和同步衛(wèi)星經(jīng)度有關(guān)，其計(jì)算如式（2）：

式中：N為接收站地理坐標(biāo)緯度，?g為接收站經(jīng)度與同步衛(wèi)星經(jīng)度差。

極化角（極化偏角）為接收點(diǎn)地平面與水平極化波電場平面（電波傳播方向與電場矢量所確定的平面）之間的夾角。用∠αp表示，如圖3所示。

圖3 接收天線口面（沿電波傳播方向看）

圖3中，Ev為垂直極化電場，Eh為水平極化電場。∠αp的計(jì)算如式（3）：

式中：N為接收站地理坐標(biāo)緯度，?g為接收站經(jīng)度與同步衛(wèi)星經(jīng)度差，?r為以地球半徑為單位的衛(wèi)星軌道相對半徑，其計(jì)算如式（4）所示。

式中：R為靜止衛(wèi)星軌道半徑，r為地球半徑。

根據(jù)對以上計(jì)算公式的求解，在已知接收站經(jīng)緯度以及地球同步衛(wèi)星軌道位置參數(shù)的情況下，可以求出接收天線俯仰角、方位角和極化角參數(shù)值，為天線姿態(tài)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 快速查詢表格的建立

快速查詢表格能幫助技術(shù)人員在已知接收站經(jīng)緯度和地球同步衛(wèi)星軌道位置參數(shù)的情況下，不用進(jìn)行計(jì)算，通過表格就能快速查詢出粗略數(shù)值，能在緊急情況下快速對天線姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。快速查詢表格通過MATLAB軟件建立模型并進(jìn)行繪制。俯仰角、方位角與接收站維度和經(jīng)度差的關(guān)系如圖4所示。

圖4 俯仰角、方位角與接收站緯度和經(jīng)度差關(guān)系圖

MATLAB軟件中的數(shù)學(xué)模型如下。

極化角與接收站緯度和經(jīng)度差的關(guān)系如圖5所示。

圖5 極化角與接收站緯度和經(jīng)度差關(guān)系圖

MATLAB軟件中的數(shù)學(xué)模型如下。

2.3 天線參數(shù)測量方法

一般來說，衛(wèi)星接收天線參數(shù)測量需要用到坡度儀、尋星儀等專業(yè)設(shè)備，而現(xiàn)實(shí)情況下，很多發(fā)射臺并不具備該類專業(yè)設(shè)備。事故發(fā)生時(shí)，在專業(yè)維修人員不能及時(shí)到場的情況下，研究一種利用簡易設(shè)備對衛(wèi)星接收天線參數(shù)進(jìn)行快速測量的方法變得尤為重要。

測量衛(wèi)星接收天線方位角需要用到的工具是指北針和直角拐尺。指北針的指針指向?yàn)榈卮疟狈剑鶞y出的角為磁方位角，而測量所需要的角為地理方位角[4-5]。磁方位角和地理方位角存在一個(gè)磁偏角，由于各地緯度不同，因此各地磁偏角均不相同，查詢當(dāng)?shù)卮牌牵瑢Υ欧轿唤沁M(jìn)行校正，可得出地理方位角。以唐山為例，經(jīng)過查詢，唐山地區(qū)磁偏角為-7.4°，與指北針測量出的磁方位角相加，得出校正過的磁方位角，即衛(wèi)星接收天線的實(shí)際方位角。

根據(jù)衛(wèi)星接收天線的安裝位置及現(xiàn)場技術(shù)人員人數(shù)，測量方式主要分為兩種：一種為雙人正面測量，一種為單人側(cè)面測量。兩種方式均需要指北針盡量遠(yuǎn)離電磁干擾源及一些能產(chǎn)生電磁干擾的物體。

（1）正面測量。在雙人正面測量方位角的過程中，根據(jù)天線安裝位置，一人站在靠近天線正面或背面的位置，另外一人拿著指北針站在與天線高頻頭指向大致同方向的較遠(yuǎn)處。靠近天線的技術(shù)人員用直角拐尺較寬的直角邊緊貼天線垂直支撐柱，另外一條直角邊指向高頻頭所指方向。遠(yuǎn)處技術(shù)人員調(diào)整指北針上的氣泡穩(wěn)定在紅圈中間，使指北針保持在水平面上，并參照直角拐尺位置使指北針的北極與天線所指方向成一條直線。等指針穩(wěn)定后，讀出接收天線的磁方位角。

（2）側(cè)面測量。在單人側(cè)面測量方位角的過程中，根據(jù)天線安裝位置，技術(shù)人員拿著指北針站在天線側(cè)面的較遠(yuǎn)處。通過左右更改站位，當(dāng)衛(wèi)星接收天線口面外延呈一條直線時(shí)，可認(rèn)為所處位置為天線正側(cè)面。技術(shù)人員在保持指北針?biāo)降耐瑫r(shí)，使指北針的北極對準(zhǔn)天線口面外延方向，等指針穩(wěn)定后，讀出接收天線的磁方位角，然后加或者減90°即為接收天線的磁方位角。

測量衛(wèi)星接收天線俯仰角需要用到的工具是量角器、細(xì)線及鐵墜。將工具進(jìn)行改造并組裝，首先在量角器的頂點(diǎn)打孔，然后用細(xì)線穿過小孔的一頭并進(jìn)行系扣固定，在細(xì)線的另外一頭系上鐵墜。將改造后的量角器靠在與天線高頻頭平行的結(jié)構(gòu)件上，并讀出量角器角度b，用90°減去讀出的角度值b，即可求出接收天線俯仰角的實(shí)際數(shù)值a。量角器結(jié)構(gòu)及使用方法如圖6所示。

圖6 量角器結(jié)構(gòu)及使用方法

衛(wèi)星接收天線的極化角需要用公式計(jì)算，然后使用快速查詢表格進(jìn)行相互驗(yàn)證，算出角度數(shù)值，與高頻頭上的刻度進(jìn)行比較。通過緩慢旋轉(zhuǎn)高頻頭，來調(diào)整實(shí)際極化角數(shù)值，使其與計(jì)算值相符。

2.4 應(yīng)急修調(diào)操作流程

進(jìn)行應(yīng)急修調(diào)操作流程，技術(shù)人員可按如下步驟操作。

（1）衛(wèi)星接收信號突然減弱時(shí)，首先判斷室內(nèi)衛(wèi)星接收設(shè)備是否故障。可切換其他信號源備路信號或應(yīng)急衛(wèi)星接收設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，保證信號安全優(yōu)質(zhì)播出。

（2）判斷是否由室外天氣原因?qū)е滦盘柖虝核p，如日凌干擾、雨衰、雪衰、霧衰等自然現(xiàn)象。

（3）判斷衛(wèi)星接收天線口面是否有遮擋物。

（4）判斷是否為饋線接口松動、密封不夠完好等因線纜問題導(dǎo)致的信號衰減。

（5）通過肉眼觀察或測量判斷衛(wèi)星接收天線姿態(tài)是否發(fā)生改變。

如果天線姿態(tài)發(fā)生改變，通過上述計(jì)算方法或快速查詢表格獲得天線方位角、俯仰角和極化角理論參數(shù)；通過上述測量方法測量天線姿態(tài)的實(shí)際參數(shù)；根據(jù)天線調(diào)節(jié)操作的難易程度，按俯仰角、方位角、極化角的順序進(jìn)行粗調(diào)；接上便攜式衛(wèi)星接收機(jī)和電視，根據(jù)信號強(qiáng)度和信號質(zhì)量對接收天線進(jìn)行微調(diào)，直至故障排除。

3 結(jié) 語

本文在理論研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過實(shí)踐證明了所提方法的可行性。應(yīng)急修調(diào)操作流程的建立，使得唐山廣播電視發(fā)射臺衛(wèi)星接收系統(tǒng)的應(yīng)急預(yù)案更加完備。通過簡單的技術(shù)培訓(xùn)，值班人員具備了對衛(wèi)星接收系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)的應(yīng)急處置能力，并能夠獨(dú)立完成對天線的維修調(diào)試操作。本文的研究能夠?yàn)閺V電行業(yè)衛(wèi)星接收天線的快速修調(diào)提供一定的技術(shù)參考。