衛(wèi)星接收天線指向調(diào)試的研究與應(yīng)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(wèi)星通信技術(shù)在傳輸距離、傳輸容量、線路質(zhì)量及組網(wǎng)靈活度等方面獨(dú)具優(yōu)勢，是廣播電視臺視音頻信號傳輸?shù)闹饕侄沃弧?/p>

衛(wèi)星接收天線在天氣惡劣、風(fēng)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(shù)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致接收信號的強(qiáng)度降低和質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響了信號的安全接收。在維修人員不能及時到達(dá)、缺乏專業(yè)設(shè)備的情況下，有必要研究出一種切實(shí)可行的衛(wèi)星天線指向調(diào)試方法，使技術(shù)人員可以自主進(jìn)行衛(wèi)星天線的調(diào)試維修工作。

2 衛(wèi)星天線指向的分析與設(shè)計(jì)

2.1 天線指向參數(shù)的計(jì)算方法

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

天線的俯仰角是由接收點(diǎn)經(jīng)緯度和衛(wèi)星經(jīng)度共同確定，其計(jì)算公式為：

圖1 天線俯仰角指示圖

(1)

式中：

α——接收地點(diǎn)的緯度

β——相對經(jīng)度(接收地點(diǎn)與衛(wèi)星的經(jīng)度差)

天線的方位角是以接收點(diǎn)的正北或正南方為起始，順時針旋轉(zhuǎn)至衛(wèi)星的視線在接收點(diǎn)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(diǎn)經(jīng)緯度和衛(wèi)星經(jīng)度共同確定，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：

α——接收地點(diǎn)的緯度

β——相對經(jīng)度(接收地點(diǎn)與衛(wèi)星的經(jīng)度差)

極化角又稱極化方向，是接收點(diǎn)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(wèi)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(zhì)量不佳。

已知天線極化角的計(jì)算公式為：

(3)

式中：

α——接收地點(diǎn)的緯度

β——相對經(jīng)度(接收地點(diǎn)與衛(wèi)星的經(jīng)度差)

a——靜止衛(wèi)星軌道的相對半徑

以地球半徑為單位長度，靜止衛(wèi)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(wèi)星的高度，為35786km

r——地球半徑，為6378km

綜上所述，在已知接收點(diǎn)經(jīng)緯度和衛(wèi)星經(jīng)度的條件下，可以利用公式(1)、公式(2)和公式(3)分別計(jì)算，得到衛(wèi)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(diào)天線指向參數(shù)的依據(jù)。即所謂的“計(jì)算法”。

2.2 天線指向參數(shù)計(jì)算曲線的繪制

MATLAB是一種高級技術(shù)計(jì)算語言，可用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算。根據(jù)天線指向參數(shù)的計(jì)算公式，我們利用MATLAB建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，得到各參數(shù)的計(jì)算曲線。該計(jì)算曲線支持對天線指向參數(shù)粗略值的查詢。

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

圖3 俯仰角和方位角的計(jì)算曲線

MATLAB程序設(shè)計(jì)如下：

function f1

clear all；clc；

%'計(jì)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(jīng)度差|β|')；

ylabel('緯度α')；

hold on；

%'計(jì)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(jù)公式(3)，使用MATLAB進(jìn)行計(jì)算分析，得到極化角的計(jì)算曲線，如圖4所示。

圖4 極化角的計(jì)算曲線

MATLAB程序設(shè)計(jì)如下：

clear all；clc；

%'計(jì)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(jì)算每個α值對應(yīng)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(jì)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(jīng)度差|β|')；

ylabel('緯度α')；

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

3 衛(wèi)星天線指向參數(shù)的測量與調(diào)試

通常，天線指向參數(shù)的測量需要使用尋星儀、場強(qiáng)儀和角度測量儀等專業(yè)設(shè)備。在缺少這類設(shè)備的客觀條件下，經(jīng)仔細(xì)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(shè)備，開發(fā)出簡便準(zhǔn)確的測量方法。

3.1 天線俯仰角的測量方法

筆者團(tuán)隊(duì)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(xì)線將該孔與一個鉛錘連接。

圖5 改造后的量角器

由于行業(yè)使用的衛(wèi)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(shù)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(shí)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(xí)慣上以順時針為正值，逆時針為負(fù)值，即往東偏為負(fù)、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(nèi)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(biāo)指示記號對準(zhǔn)接收天線反射面背后的正中位置，調(diào)整方位盤，使方位指標(biāo)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(zhì)1米以上，避開磁性干擾以保證測量的準(zhǔn)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(shí)的方位角之間存在一個磁偏角。不同經(jīng)緯度的地區(qū)存在不同的磁偏角，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卮牌?，對獲取的方位角進(jìn)行適當(dāng)修正。以青島市區(qū)為例，目前青島市區(qū)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(qū)接收天線的實(shí)際方位角。

3.3 天線指向參數(shù)的調(diào)試規(guī)程

天線方位角的調(diào)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(diào)整天線指向參數(shù)時，應(yīng)在測量工具的配合下判斷指向參數(shù)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(jìn)行粗調(diào)；再根據(jù)接收信號的強(qiáng)度和質(zhì)量，按同樣順序?qū)μ炀€進(jìn)行微調(diào)。

調(diào)整饋源的極化角采用參數(shù)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(zhuǎn)動，如果為負(fù)值，則按刻度向逆時針方向慢慢轉(zhuǎn)動。

4 應(yīng)用案例

2019年4月8日，青島市區(qū)出現(xiàn)7-8級大風(fēng)天氣。當(dāng)天，青島電視臺將通過亞洲5號通信衛(wèi)星實(shí)時傳輸某大型活動現(xiàn)場的電視直播信號。直播開始前三小時，電視臺技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)接收的該路電視直播信號出現(xiàn)畫面質(zhì)量降低現(xiàn)象，繼而發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星接收機(jī)信號強(qiáng)度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)技術(shù)人員組織排查，發(fā)現(xiàn)在大風(fēng)作用下，用于直播的亞洲5號衛(wèi)星接收天線出現(xiàn)拉線斷裂、基座移動及饋源松動等現(xiàn)象，目測判斷衛(wèi)星接收天線的各指向參數(shù)出現(xiàn)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(wèi)星在赤道上空，衛(wèi)星接收天線的方向通常為坐北朝南。當(dāng)接收天線所在經(jīng)度比衛(wèi)星所在經(jīng)度大時，天線位置應(yīng)為南偏西；當(dāng)接收天線所在經(jīng)度比衛(wèi)星所在經(jīng)度小時，天線位置應(yīng)為南偏東。而亞洲5號衛(wèi)星位于東經(jīng)100.5°，青島電視臺所在市南區(qū)的經(jīng)度為120.38°，緯度為36.07°。據(jù)此初步判斷亞洲5號衛(wèi)星應(yīng)位于青島電視臺接收天線的西南方向。

4.2 天線指向參數(shù)的查詢與計(jì)算

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

根據(jù)“查曲線法”，由以上得出的α和β值，從圖3和圖4的計(jì)算曲線中查詢得到亞洲5號衛(wèi)星接收天線指向參數(shù)的區(qū)間：俯仰角應(yīng)處于40°—50°區(qū)間，方位角應(yīng)處于30°—35°區(qū)間，極化角應(yīng)處于20°—25°區(qū)間。

根據(jù)“計(jì)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(wèi)星天線俯仰角的精確值為43°，符合查詢計(jì)算曲線得出的40°—50°區(qū)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(wèi)星天線方位角的精確值為31°，符合查詢計(jì)算曲線得出的30°—35°區(qū)間范圍。

由公式(2)已知接收天線方位角的正切等于相對經(jīng)度的正切與接收點(diǎn)緯度的正弦之比。因?yàn)橄鄬?jīng)度是代數(shù)量，所以接收天線的方位角也是代數(shù)量，當(dāng)衛(wèi)星位于接收點(diǎn)西南方向時，方位角為正值；而當(dāng)衛(wèi)星位于接收點(diǎn)東南方向時，方位角為負(fù)值。符合之前亞洲5號衛(wèi)星位于青島電視臺衛(wèi)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(jì)算曲線得出的20°—25°區(qū)間范圍。

4.3 天線的維修調(diào)試過程

首先，針對出現(xiàn)偏差的亞洲5號衛(wèi)星接收天線，進(jìn)行其指向參數(shù)的粗調(diào)：

(1)利用俯仰角計(jì)算曲線(圖3)得到的俯仰角范圍40°—50°與量角器測量出的實(shí)際俯仰角進(jìn)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(diào)節(jié)天線俯仰控制螺桿，調(diào)整天線俯仰角至40°—50°區(qū)間范圍內(nèi)。

(2)在考慮了磁偏角的影響后，利用方位角計(jì)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(jìn)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(diào)節(jié)天線水平控制螺桿，先調(diào)整天線方位角至正南基準(zhǔn)方向，再調(diào)整其至30°—35°區(qū)間范圍內(nèi)。

(3)根據(jù)查詢極化角計(jì)算曲線(圖4)和公式計(jì)算得出的結(jié)果，重新緊固天線饋源并按刻度逆時針轉(zhuǎn)動高頻頭，將天線極化角調(diào)整至20°-25°區(qū)間范圍內(nèi)任一刻度上。

(4)觀察粗調(diào)后的信號，發(fā)現(xiàn)此時直播現(xiàn)場信號強(qiáng)度上升、畫面質(zhì)量改善，但尚未達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn)。

然后，進(jìn)行天線指向參數(shù)的微調(diào)：

(1)繼續(xù)調(diào)節(jié)俯仰控制螺桿，使天線俯仰角到達(dá)精確值43°并固定。

(2)繼續(xù)調(diào)節(jié)天線的水平控制螺桿，直至方位角精確值31°并固定。

(3)根據(jù)計(jì)算得到的精確值將天線極化角按逆時針調(diào)整為25°。

(4)此時利用衛(wèi)星信號接收機(jī)和畫面監(jiān)視器，技術(shù)人員再次觀察微調(diào)后的信號狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)亞洲5號衛(wèi)星信號的強(qiáng)度和質(zhì)量均處于最佳狀態(tài)。

至此，青島電視臺技術(shù)人員利用“查曲線法”和“計(jì)算法”得到的天線指向參數(shù)值，在自行開發(fā)的測量設(shè)備配合下，依據(jù)制定的操作規(guī)程，準(zhǔn)確并迅速的對亞洲5號衛(wèi)星天線進(jìn)行了維修和調(diào)試，有效的排除了安全播出事故隱患，保證了青島電視臺當(dāng)天直播活動的平穩(wěn)順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語

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