江蘇地震應急指揮車衛星電視天線對星系統設計

徐 年 何奕成

（中國南京210014江蘇省地震局）

江蘇地震應急指揮車衛星電視天線對星系統設計

徐 年 何奕成

（中國南京210014江蘇省地震局）

江蘇地震應急指揮車衛星電視原是手動對星模式，常畫面模糊或聲音不清晰，影響衛星電視正常收看。把衛星電視改為自動對星模式，具有對星準、跟蹤快、安裝方便、可靠性高等特點，提高了江蘇省地震局地震現場應急處置能力。

衛星電視；手動對星；自動對星

0 引言

2013年12月由國家地震社會服務工程前方指揮子系統項目建設的應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場應急處置能力。特別是車上配備的聯信永益0.7 m手動直播衛星接收機，搭建起地震現場與外界的橋梁，方便及時的媒體報道讓受災群眾了解外界信息，從而安撫受災群眾。但在實際使用過程中，手動對星效果不理想，畫面模糊或者聲音不清晰，影響衛星電視正常收看。針對此問題，進行衛星電視自動對星系統設計。

1 天線跟蹤方式選擇

衛星數字電視接收系統一般由接收天線（包括饋源）、低噪聲下變頻器（高頻頭LNB）和衛星數字電視接收機3部分組成（圖1）。其中天線、高頻頭稱室外單元，衛星數字電視接收機稱室內單元（陳毅敏，2010）。

高精度天線跟蹤控制技術是實現高質量衛星通信的前提。地球站天線對衛星的跟蹤方式一般包括手動跟蹤、程序跟蹤和自動跟蹤3種。

1.1 手動跟蹤

操作人員根據接收到的信號強弱或者衛星信標電平值大小人工操縱天線方位電機和俯仰電機，使接收信號趨于最大值。操作人員將對星理論角與天線實際角度比較，調節天線實際方位角和俯仰角，使天線實際指向角逐步趨向理論角度（井慶豐，2011）。

1.2 程序跟蹤

根據地球站經、緯度和預測衛星軌道數據，計算出地球站天線跟蹤目標衛星所需要的方位角、俯仰角和極化角，將計算的角度值和通過傳感器獲得的天線實時方位、俯仰、

極化角進行比較得到誤差角度值，根據此誤差值來驅動方位電機、俯仰電機和極化電機實現天線對準目標衛星。通過不斷地比較驅動，天線始終指向衛星。

圖1 衛星電視系統組成Fig.1 The block diagram of satellite TV system

程序跟蹤速度較快，系統實現簡單，且不需要跟蹤信號即可對準衛星。但程序跟蹤方式根據各類傳感器提供的數據實現天線對衛星的跟蹤，系統未利用衛星信標信號校正系統誤差，一旦傳感器發生故障或受外部干擾，將導致天線無法對準衛星。另外，由于衛星位置影響的因素太多，無法長期預測衛星軌道，將導致天線無法對準衛星（蘇銳，2007）。

1.3 自動跟蹤

自動跟蹤是閉環系統，根據外部信號來驅動天線自動對準衛星，準確度高。常用的自動跟蹤方式包括步進跟蹤、單脈沖跟蹤、圓錐掃描跟蹤和智能跟蹤。

（1）步進跟蹤。步進跟蹤又稱為極值跟蹤，根據衛星信標信號的極大值來判定天線是否對準衛星。每隔一定時間，使天線在方位軸或俯仰軸轉動一個微小步長，處理器在規定時間內對前后2次接收到的衛星信號電平值進行比較，若接收電平增大，則天線沿該方向繼續轉動一個微小步長；若接收電平減小，天線向反方向轉動。俯仰軸和方位軸依次交替進行，最終使地球站天線逐步對準目標衛星。步進跟蹤示意見圖2。

圖2 步進跟蹤系統示意Fig.2 The stepping tracking system diagram

步進跟蹤缺點是天線波束不能完全對準衛星，而是在其周圍不斷擺動，跟蹤精度不高。跟蹤精度與步長尺寸和信噪比大小有關。高信噪比時，跟蹤誤差的標準偏差與步長尺寸接近。步進跟蹤響應較慢，但設備簡單，價格低廉，只需一個射頻信道，且射頻相位穩定度不重要，對饋源無額外要求，方便使用微處理器進行控制，因此越來越多的地球站采用步進跟蹤方式。一般應用在設計簡單、價格低廉的中小型地球站中。

（2）單脈沖跟蹤。能夠在一個脈沖間隔內得到地球站天線偏離目標衛星方位、俯仰角

偏差，并能根據該角度偏差值驅動天線伺服系統，使天線快速對準衛星。單脈沖跟蹤有多喇叭跟蹤和多模跟蹤兩種實現方式。單脈沖跟蹤方式需在天線饋源系統中安裝跟蹤耦合器。

單脈沖跟蹤系統的饋源尺寸較大且復雜，自動跟蹤接收機至少需要兩個信道的相關接收機，且具有良好相位穩定性。雖然笨重且昂貴，但準確度高，是以響應速度和跟蹤精度為主要標準的大型地球站首選（許衛衛，2015）。

（3）圓錐掃描跟蹤。把饋源喇叭繞天線對稱軸作圓周運動或把副反射面傾斜旋轉，使天線波束圍繞旋轉軸以一定速率呈圓錐狀旋轉。當天線軸對準衛星時，地球站接收到的信標電平是一恒定值；若目標偏離旋轉軸方向，反射信號強度受旋轉頻率調制，調制信號幅度和相位分別取決于衛星偏離軸線的大小和方向，被調信號經歸一化后，在解調器中進行正交解調，獲得方位和俯仰角誤差的直流誤差信號，并以此誤差信息驅動伺服系統使天線對準衛星。圓錐掃描跟蹤的優點是設備簡單，缺點是饋源永遠偏離拋物面焦點，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。采用最佳控制技術計算衛星位置，衛星位置估計采用2種方法的最佳組合來獲得：①梯度跟蹤算法；②簡單的自適應衛星定位模型預測。

由于衛星位置影響的因素較多，無法長期預測衛星軌道，目前大部分地球站均采用自動跟蹤方式，我們選擇步進跟蹤方式。

圖3 圓錐掃描自動跟蹤系統示意Fig.3 The schematic diagram of Conical scan tracking system

2 系統實現

采用斯明瑞科技開發有限公司自主研發的SMR系列衛星電視移動接收系統，車載衛星電視天線見圖4。該系統具有對星準、跟蹤快、安裝方便、可靠性高等特點，電視接收畫面清晰，見圖5。

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

圖5 車載衛星電視接收畫面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場進行華東片地震應急綜合演練，江蘇省地震局地震應急指揮車趕赴現場并全程參與此次演練，傳回的電視畫面清晰（圖5），達到預期效果。

3 結束語

江蘇地震應急指揮車衛星電視對星系統由手動對星方式轉變為自動對星方式，具有對星準、跟蹤快、安裝方便、可靠性高等特點，提高了江蘇省地震局地震現場應急處置能力。

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

井慶豐.微波與衛星通信技術[M].北京：國防工業出版社，2011：67-70.

蘇銳.基于衛星移動傳輸的動中通應急通信系統的研究[D].南京郵電大學，2007：56-62.

許衛衛.基于北斗通信的流動地震觀測臺站遠程監控技術研究[J].地震地磁觀測與研究，2015，36（6）：119-124.

趙兵.X波段平板裂縫天線的設計與優化[D].西安電子科技大學，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，現主要從事地震現場應急通信技術研究工作。

E-mail： xunian0215@163.com

中國地震局三結合課題（編號：14100X）

本文收到日期：2015-10-10