徐 年 何奕成

（中國(guó)南京210014江蘇省地震局）

江蘇地震應(yīng)急指揮車衛(wèi)星電視天線對(duì)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 年 何奕成

（中國(guó)南京210014江蘇省地震局）

江蘇地震應(yīng)急指揮車衛(wèi)星電視原是手動(dòng)對(duì)星模式，常畫面模糊或聲音不清晰，影響衛(wèi)星電視正常收看。把衛(wèi)星電視改為自動(dòng)對(duì)星模式，具有對(duì)星準(zhǔn)、跟蹤快、安裝方便、可靠性高等特點(diǎn)，提高了江蘇省地震局地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置能力。

衛(wèi)星電視；手動(dòng)對(duì)星；自動(dòng)對(duì)星

0 引言

2013年12月由國(guó)家地震社會(huì)服務(wù)工程前方指揮子系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)的應(yīng)急指揮車正式交付江蘇省地震局，有力提升該地震局地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置能力。特別是車上配備的聯(lián)信永益0.7 m手動(dòng)直播衛(wèi)星接收機(jī)，搭建起地震現(xiàn)場(chǎng)與外界的橋梁，方便及時(shí)的媒體報(bào)道讓受災(zāi)群眾了解外界信息，從而安撫受災(zāi)群眾。但在實(shí)際使用過程中，手動(dòng)對(duì)星效果不理想，畫面模糊或者聲音不清晰，影響衛(wèi)星電視正常收看。針對(duì)此問題，進(jìn)行衛(wèi)星電視自動(dòng)對(duì)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 天線跟蹤方式選擇

衛(wèi)星數(shù)字電視接收系統(tǒng)一般由接收天線（包括饋源）、低噪聲下變頻器（高頻頭LNB）和衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)3部分組成（圖1）。其中天線、高頻頭稱室外單元，衛(wèi)星數(shù)字電視接收機(jī)稱室內(nèi)單元（陳毅敏，2010）。

高精度天線跟蹤控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量衛(wèi)星通信的前提。地球站天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤方式一般包括手動(dòng)跟蹤、程序跟蹤和自動(dòng)跟蹤3種。

1.1 手動(dòng)跟蹤

操作人員根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱或者衛(wèi)星信標(biāo)電平值大小人工操縱天線方位電機(jī)和俯仰電機(jī)，使接收信號(hào)趨于最大值。操作人員將對(duì)星理論角與天線實(shí)際角度比較，調(diào)節(jié)天線實(shí)際方位角和俯仰角，使天線實(shí)際指向角逐步趨向理論角度（井慶豐，2011）。

1.2 程序跟蹤

根據(jù)地球站經(jīng)、緯度和預(yù)測(cè)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，計(jì)算出地球站天線跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星所需要的方位角、俯仰角和極化角，將計(jì)算的角度值和通過傳感器獲得的天線實(shí)時(shí)方位、俯仰、

極化角進(jìn)行比較得到誤差角度值，根據(jù)此誤差值來驅(qū)動(dòng)方位電機(jī)、俯仰電機(jī)和極化電機(jī)實(shí)現(xiàn)天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。通過不斷地比較驅(qū)動(dòng)，天線始終指向衛(wèi)星。

圖1 衛(wèi)星電視系統(tǒng)組成Fig.1 The block diagram of satellite TV system

程序跟蹤速度較快，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且不需要跟蹤信號(hào)即可對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。但程序跟蹤方式根據(jù)各類傳感器提供的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)天線對(duì)衛(wèi)星的跟蹤，系統(tǒng)未利用衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)校正系統(tǒng)誤差，一旦傳感器發(fā)生故障或受外部干擾，將導(dǎo)致天線無法對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。另外，由于衛(wèi)星位置影響的因素太多，無法長(zhǎng)期預(yù)測(cè)衛(wèi)星軌道，將導(dǎo)致天線無法對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星（蘇銳，2007）。

1.3 自動(dòng)跟蹤

自動(dòng)跟蹤是閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)外部信號(hào)來驅(qū)動(dòng)天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，準(zhǔn)確度高。常用的自動(dòng)跟蹤方式包括步進(jìn)跟蹤、單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤和智能跟蹤。

（1）步進(jìn)跟蹤。步進(jìn)跟蹤又稱為極值跟蹤，根據(jù)衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)的極大值來判定天線是否對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。每隔一定時(shí)間，使天線在方位軸或俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小步長(zhǎng)，處理器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)前后2次接收到的衛(wèi)星信號(hào)電平值進(jìn)行比較，若接收電平增大，則天線沿該方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小步長(zhǎng)；若接收電平減小，天線向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。俯仰軸和方位軸依次交替進(jìn)行，最終使地球站天線逐步對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。步進(jìn)跟蹤示意見圖2。

圖2 步進(jìn)跟蹤系統(tǒng)示意Fig.2 The stepping tracking system diagram

步進(jìn)跟蹤缺點(diǎn)是天線波束不能完全對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，而是在其周圍不斷擺動(dòng)，跟蹤精度不高。跟蹤精度與步長(zhǎng)尺寸和信噪比大小有關(guān)。高信噪比時(shí)，跟蹤誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差與步長(zhǎng)尺寸接近。步進(jìn)跟蹤響應(yīng)較慢，但設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，只需一個(gè)射頻信道，且射頻相位穩(wěn)定度不重要，對(duì)饋源無額外要求，方便使用微處理器進(jìn)行控制，因此越來越多的地球站采用步進(jìn)跟蹤方式。一般應(yīng)用在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的中小型地球站中。

（2）單脈沖跟蹤。能夠在一個(gè)脈沖間隔內(nèi)得到地球站天線偏離目標(biāo)衛(wèi)星方位、俯仰角

偏差，并能根據(jù)該角度偏差值驅(qū)動(dòng)天線伺服系統(tǒng)，使天線快速對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。單脈沖跟蹤有多喇叭跟蹤和多模跟蹤兩種實(shí)現(xiàn)方式。單脈沖跟蹤方式需在天線饋源系統(tǒng)中安裝跟蹤耦合器。

單脈沖跟蹤系統(tǒng)的饋源尺寸較大且復(fù)雜，自動(dòng)跟蹤接收機(jī)至少需要兩個(gè)信道的相關(guān)接收機(jī)，且具有良好相位穩(wěn)定性。雖然笨重且昂貴，但準(zhǔn)確度高，是以響應(yīng)速度和跟蹤精度為主要標(biāo)準(zhǔn)的大型地球站首選（許衛(wèi)衛(wèi)，2015）。

（3）圓錐掃描跟蹤。把饋源喇叭繞天線對(duì)稱軸作圓周運(yùn)動(dòng)或把副反射面傾斜旋轉(zhuǎn)，使天線波束圍繞旋轉(zhuǎn)軸以一定速率呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)。當(dāng)天線軸對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)，地球站接收到的信標(biāo)電平是一恒定值；若目標(biāo)偏離旋轉(zhuǎn)軸方向，反射信號(hào)強(qiáng)度受旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制，調(diào)制信號(hào)幅度和相位分別取決于衛(wèi)星偏離軸線的大小和方向，被調(diào)信號(hào)經(jīng)歸一化后，在解調(diào)器中進(jìn)行正交解調(diào)，獲得方位和俯仰角誤差的直流誤差信號(hào)，并以此誤差信息驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)使天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。圓錐掃描跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是饋源永遠(yuǎn)偏離拋物面焦點(diǎn)，天線增益下降。圓錐掃描跟蹤示意圖見圖3（趙兵，2010）。

（4）智能跟蹤。采用最佳控制技術(shù)計(jì)算衛(wèi)星位置，衛(wèi)星位置估計(jì)采用2種方法的最佳組合來獲得：①梯度跟蹤算法；②簡(jiǎn)單的自適應(yīng)衛(wèi)星定位模型預(yù)測(cè)。

由于衛(wèi)星位置影響的因素較多，無法長(zhǎng)期預(yù)測(cè)衛(wèi)星軌道，目前大部分地球站均采用自動(dòng)跟蹤方式，我們選擇步進(jìn)跟蹤方式。

圖3 圓錐掃描自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)示意Fig.3 The schematic diagram of Conical scan tracking system

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用斯明瑞科技開發(fā)有限公司自主研發(fā)的SMR系列衛(wèi)星電視移動(dòng)接收系統(tǒng)，車載衛(wèi)星電視天線見圖4。該系統(tǒng)具有對(duì)星準(zhǔn)、跟蹤快、安裝方便、可靠性高等特點(diǎn)，電視接收畫面清晰，見圖5。

圖4 車載衛(wèi)星電視天線Fig.4 The physical map of car satellite TV antenna

圖5 車載衛(wèi)星電視接收畫面Fig.5 The reception screen of car satellite TV

2015年9月底，由江蘇省地震局牽頭，安徽省、江西省、福建省、上海市和浙江省地震局在南京溧水模擬地震現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行華東片地震應(yīng)急綜合演練，江蘇省地震局地震應(yīng)急指揮車趕赴現(xiàn)場(chǎng)并全程參與此次演練，傳回的電視畫面清晰（圖5），達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)束語

江蘇地震應(yīng)急指揮車衛(wèi)星電視對(duì)星系統(tǒng)由手動(dòng)對(duì)星方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)對(duì)星方式，具有對(duì)星準(zhǔn)、跟蹤快、安裝方便、可靠性高等特點(diǎn)，提高了江蘇省地震局地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置能力。

陳毅敏.基于新一代移動(dòng)通信的小型寬帶天線及其陣列技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2010：35-40.

井慶豐.微波與衛(wèi)星通信技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011：67-70.

蘇銳.基于衛(wèi)星移動(dòng)傳輸?shù)膭?dòng)中通應(yīng)急通信系統(tǒng)的研究[D].南京郵電大學(xué)，2007：56-62.

許衛(wèi)衛(wèi).基于北斗通信的流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2015，36（6）：119-124.

趙兵.X波段平板裂縫天線的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].西安電子科技大學(xué)，2010：43-45.

Design and implementation of satellite TV antenna for satellite system of earthquake emergency command vehicle of Jiangsu Province

Xu Nian and He Yicheng
(Earthquake Administration of Jiangsu Province,Nanjing 210014,China)

Because the satellite TV antenna equipped on Jiangsu earthquake emergency command vehicle is originally in manually aligning satellite mode,the TV picture is often fuzzy or the sound is not clear,impacting the normal watching.To update the satellite TV antenna to automatically aligning satellite mode,which has the features of aligning accurate,tracking fast,easy for installation,and high reliability,can greatly improve the earthquake field emergency response capability of Earthquake Administration of Jiangsu Province.

satellite TV，manually aligning satellite，automatically aligning satellite

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.029

徐年（1982—），男，碩士，江蘇省南京市人，工程師，現(xiàn)主要從事地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信技術(shù)研究工作。

E-mail： xunian0215@163.com

中國(guó)地震局三結(jié)合課題（編號(hào)：14100X）

本文收到日期：2015-10-10