劉海,孫俊燾,蓋新,趙哲
(青島市廣播電視臺,山東 266071)
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。
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”。
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”。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。