一種“快速通”應(yīng)急通訊車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪 欣

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

“快速通”應(yīng)急通訊車具有轉(zhuǎn)移靈活、快速開通、無需基礎(chǔ)建設(shè)等特點(diǎn)，具有良好的機(jī)動(dòng)性，主要用于現(xiàn)場直播、搶險(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)急通訊場所，也可用于公安、消防、礦山、林區(qū)、石油地質(zhì)勘探、科學(xué)考察等需要進(jìn)行衛(wèi)星通訊的領(lǐng)域。應(yīng)急通訊車將采集、發(fā)射、接收、電源設(shè)備等集成在一輛小客車上，單車獨(dú)立工作，可快速到達(dá)現(xiàn)場，對突發(fā)事件進(jìn)行直播和指揮。

1 系統(tǒng)組成

“快速通”應(yīng)急通訊車由信號采集設(shè)備、衛(wèi)通設(shè)備、天線設(shè)備、供電設(shè)備和承載車輛組成。信號采集設(shè)備將現(xiàn)場采集到的視頻和語音信號送至衛(wèi)通設(shè)備，經(jīng)過編碼變頻轉(zhuǎn)變成衛(wèi)星信號，通過天線傳送至衛(wèi)星，衛(wèi)星將信號轉(zhuǎn)送至中心指揮站，設(shè)備的供電全部由車上安裝的發(fā)電機(jī)提供。系統(tǒng)組成框圖見圖1所示。

圖1 應(yīng)急通訊車系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 承載車輛

車載1.8m天線收藏狀態(tài)的外廓尺寸 (長×寬×高) 為 2700mm×1800mm×550mm，總重量約200kg。根據(jù)天線的收藏尺寸和實(shí)際使用要求，選用南京依維克NJ6686SJF5客車作為承載車輛。在車艙頂部安裝天線，車艙內(nèi)安裝衛(wèi)通設(shè)備機(jī)柜和操作臺。應(yīng)急通訊車的工作狀態(tài)如圖2所示。

圖2 應(yīng)急通訊車工作狀態(tài)示意圖

在車艙的中部橫向安裝一排機(jī)柜，并利用機(jī)柜將車廂隔離成前、后兩部分，前部為設(shè)備艙，后部為天線艙。設(shè)備艙內(nèi)安裝機(jī)柜及操作臺，機(jī)柜和操作臺通過減振器與車艙底部相連，在駕駛員的后側(cè)合適位置安裝兩個(gè)座椅，用于操作人員的乘坐，艙內(nèi)提供艙內(nèi)照明、空調(diào)等工作環(huán)境條件。天線艙內(nèi)安裝5kw發(fā)電機(jī)和電纜盤等附件。

應(yīng)急通訊車運(yùn)輸狀態(tài)的外廓尺寸 (長×寬×高) 為6870mm×2000mm×3252mm，總重量5000kg，滿足公路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸條件。

2.2 信號采集設(shè)備和衛(wèi)通設(shè)備

信號采集設(shè)備和衛(wèi)通設(shè)備安裝在艙內(nèi)的機(jī)柜上，信號采集設(shè)備包括攝像機(jī)和話筒，可根據(jù)需要固定在車頂，也可采用移動(dòng)的攝像設(shè)備。衛(wèi)通設(shè)備包括編碼設(shè)備、上變頻設(shè)備、功放設(shè)備、發(fā)射設(shè)備和電源(外接電源、油機(jī)和UPS電源)等。攝像機(jī)采集到視頻信號后，送至編碼設(shè)備轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，經(jīng)過上變頻設(shè)備變成射頻信號，再經(jīng)功放設(shè)備進(jìn)行功率放大，最后通過天線將信號發(fā)射到衛(wèi)星。

2.3 天線設(shè)備

2.3.1 天線

車載1.8m天線采用雙偏置格里高利天線，克服了單偏置拋物面天線工作于線極化、圓極化時(shí)出現(xiàn)的交叉極化劣化波束傾斜的缺點(diǎn)。反射面采用蜂窩夾層碳纖維材料，不但成形精度高，而且不受環(huán)境溫度變化的影響。天線饋源部分利用托架固定在俯仰滾筒上，工作時(shí)隨滾筒轉(zhuǎn)到與天線反射面達(dá)到合適的夾角后自動(dòng)鎖定，然后隨天線俯仰繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至工作位置。

2.3.2 天線座架

根據(jù)天線的工作和運(yùn)輸方式，專門研制了方位-俯仰轉(zhuǎn)臺式小型化天線座，來解決天線超高的問題，這種座架的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)相對獨(dú)立，結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，有足夠的剛度和強(qiáng)度，非常適合此項(xiàng)目的要求。

2.3.3 伺服控制

伺服控制部分的ACU和ADU插箱安裝在艙內(nèi)的機(jī)柜上，自動(dòng)快速跟蹤技術(shù)采用天線自動(dòng)捕獲和自跟蹤的組合工作方式。ACU根據(jù)設(shè)定的衛(wèi)星位置、車體經(jīng)緯度和采集到的車體航向、橫縱傾角計(jì)算出天線的目標(biāo)角度，然后利用ADU驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)天線到目標(biāo)位置，經(jīng)過扇掃捕獲過程，天線抓住目標(biāo)后，即可轉(zhuǎn)入步進(jìn)跟蹤狀態(tài)，直到場強(qiáng)值最大為止。

2.3.4 天線罩

在車頂?shù)奶炀€下面安裝一套流線型天線罩，增加天線罩后不改變原車的流線外形，并使整車的外形美觀，同時(shí)起到保護(hù)天線的作用。

2.4 車輛改裝

由于依維克客車為采購的成品車，無法滿足天線及艙內(nèi)設(shè)備的安裝要求，所以需要對車輛進(jìn)行改裝。首先在車艙頂部安裝固定天線的框架平臺，平臺是由橫梁和縱梁焊接而成的鋼質(zhì)框架，與車頂連接緊固，并增加立柱與車底盤連接，保證克服在車輛緊急制動(dòng)時(shí)天線的前沖及車輛轉(zhuǎn)向時(shí)造成的側(cè)傾和側(cè)滑；其次是車艙內(nèi)部提供機(jī)柜、操作臺的安裝接口，并對車底盤進(jìn)行局部加強(qiáng)；艙內(nèi)布局經(jīng)過工業(yè)化設(shè)計(jì)，使艙內(nèi)設(shè)備布局合理，操作簡單方便，符合人機(jī)工程學(xué)的要求；艙內(nèi)提供艙內(nèi)照明、空調(diào)等工作環(huán)境條件；在大梁的下方安裝4只手動(dòng)調(diào)平支腿，運(yùn)輸時(shí)調(diào)平支腿收起懸掛在車底，工作時(shí)放下調(diào)平支腿，調(diào)平車體后便于天線轉(zhuǎn)動(dòng)，并使輪胎處于不受力狀態(tài)。

3 分析計(jì)算

3.1 天線工作風(fēng)速

天線在工作時(shí)受到風(fēng)載荷、重力載荷、慣性載荷、摩擦載荷等幾種主要載荷的作用，當(dāng)載荷過大時(shí)，會導(dǎo)致天線變形過大，影響天線的工作精度。利用力學(xué)分析軟件，計(jì)算出在8級風(fēng)時(shí)(風(fēng)速V=20 m/s)天線的最大變形在許可范圍之內(nèi)，天線能正常工作。

3.2 運(yùn)輸安全性

在車輛改裝時(shí)，如要保持原車的行駛性能，保證車輛的行駛安全，應(yīng)滿足總重量不超重和軸荷分配合理兩個(gè)基本條件。以穿過車體首尾中心線形成的平面、車輛后軸平面、水平地面為三個(gè)垂直平面，建立三維坐標(biāo)系，三者的交點(diǎn)為O點(diǎn)，車頭方向?yàn)閤軸的正方向。主要裝車設(shè)備的重量和坐標(biāo)見表1所示。

表1 設(shè)備重量和坐標(biāo)

汽車的總重量和重心位置由下式計(jì)算：

計(jì)算得出汽車的總重量G=4750kg，重心位置x=2112 mm，y=-5 mm，z=990 mm，由于原汽車的總重量要求不超過5000Kg，所以汽車的總重量符合要求。

依維克NJ6686SJF5的軸距L=3950mm，輪距B=1600mm，汽車的前軸荷G1=G·x/L=2540 Kg，后軸荷G2=G-G1=2210Kg，比較得知G1、G2<3000 Kg，前軸荷約占53%，軸荷分配合理。從汽車行駛穩(wěn)定性考慮，汽車不發(fā)生側(cè)翻的要求：φ1=B/2z=0.81>0.6，不發(fā)生縱翻的要求：φ2=x/z=2.1>0.6，φ1和φ2兩項(xiàng)指標(biāo)均大于0.6，汽車的行駛穩(wěn)定性符合要求，汽車可以安全行駛。

3.3 工作安全性

天線在車頂工作時(shí)，由于天線和車體受到風(fēng)力的作用，在遇到大風(fēng)時(shí)，汽車可能產(chǎn)生傾覆或沿地面滑移，危及設(shè)備和人員的安全。所以要對天線工作時(shí)的安全性進(jìn)行分析。當(dāng)8級風(fēng)時(shí)(V=20 m/s)，天線和汽車所受的風(fēng)力矩M1=11875 N·m，汽車和天線的重力矩M2=38000N·m，抗傾覆安全系數(shù)K1=M2/ M1≈3.2 > 2，可見汽車在天線工作時(shí)是安全的。汽車和天線所受的風(fēng)力F1=6706 N，汽車的摩擦力F2=14250 N，安全系數(shù)K2=F2/F1≈2.1>2，不產(chǎn)生滑移，汽車是安全的。

在10級風(fēng)時(shí)(V=26 m/s)，F(xiàn)3=10932N，K3≈1.4<2，天線車處于危險(xiǎn)狀態(tài)，汽車隨時(shí)可能發(fā)生滑移，產(chǎn)生危險(xiǎn)情況。所以天線在車上工作時(shí)，8級風(fēng)時(shí)不會出現(xiàn)傾翻、滑移的現(xiàn)象，天線能安全地正常工作。而當(dāng)風(fēng)力超過10級時(shí)，風(fēng)載荷有可能使天線車產(chǎn)生滑移，處于危險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)將天線收藏入庫，提前進(jìn)行預(yù)防。

4 電氣驗(yàn)證

經(jīng)過實(shí)際電氣方向圖測試，表明本天線在電氣增益和旁瓣各方面滿足指標(biāo)要求，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的可行性。天線電氣性能指標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 實(shí)測天線中心頻率方位、俯仰方向圖

5 結(jié)束語

“快速通”應(yīng)急通訊車集成度高，單車就能上星進(jìn)行現(xiàn)場直播，具有廣闊的應(yīng)用前景。全車經(jīng)過一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)部空間利用合理，外形美觀，并可根據(jù)用戶的要求配置衛(wèi)通設(shè)備，以滿足不同用戶的實(shí)際使用需求。

[1] 周雷，任翠峰.高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2011，(4):78-80.

[2] 朱迅，許越寧.某雷達(dá)輕質(zhì)碳纖維天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].纖維復(fù)合材料，2010，(3):20-22.

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