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，導致接收信號的強度降低和質(zhì)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(yè)設(shè)備的情況下，有必要研究出一種切實可行的衛(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

2.1 天線指向參數(shù)的計算方法

天線的俯仰角是指從接收點仰望衛(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(jīng)緯度和衛(wèi)星經(jīng)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(jīng)度(接收地點與衛(wèi)星的經(jīng)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(zhuǎn)至衛(wèi)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(jīng)緯度和衛(wèi)星經(jīng)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(jīng)度(接收地點與衛(wèi)星的經(jīng)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(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算公式為：

(3)

式中：

α——接收地點的緯度

β——相對經(jīng)度(接收地點與衛(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“計算法”。

2.2 天線指向參數(shù)計算曲線的繪制

MATLAB是一種高級技術(shù)計算語言，可用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計算。根據(jù)天線指向參數(shù)的計算公式，我們利用MATLAB建立數(shù)學模型進行分析，得到各參數(shù)的計算曲線。該計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(shè)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(jīng)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(jù)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(shè)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(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(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(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(nèi)的綠色箭頭指向正北，相反方向即為正南。托平指南針，將其上的目標指示記號對準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(jīng)緯度的地區(qū)存在不同的磁偏角，應(yīng)根據(jù)當?shù)卮牌?，對獲取的方位角進行適當修正。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，先對天線進行粗調(diào)；再根據(jù)接收信號的強度和質(zhì)量，按同樣順序?qū)μ炀€進行微調(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級大風天氣。當天，青島電視臺將通過亞洲5號通信衛(wèi)星實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)星接收機信號強度明顯低于標準值。經(jīng)技術(shù)人員組織排查，發(fā)現(xiàn)在大風作用下，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°。所以接收地點的緯度α=36.07°，相對經(jīng)度(接收地點與衛(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)度的正切與接收點緯度的正弦之比。因為相對經(jīng)度是代數(shù)量，所以接收天線的方位角也是代數(shù)量，當衛(wèi)星位于接收點西南方向時，方位角為正值；而當衛(wèi)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(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，進行其指向參數(shù)的粗調(diào)：

(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(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(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)查詢極化角計算曲線(圖4)和公式計算得出的結(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)場信號強度上升、畫面質(zhì)量改善，但尚未達到正常標準。

然后，進行天線指向參數(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，準確并迅速的對亞洲5號衛(wèi)星天線進行了維修和調(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天直播活動的平穩(wěn)順利進行。

5 結(jié)束語

本文針對衛(wèi)星接收天線的指向性調(diào)試，在理論和實踐方面進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、準確、迅速地對衛(wèi)星接收天線進行維修調(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意義，可為電視臺等相關(guān)機構(gòu)的天線指向調(diào)試工作提供一定的參考。