江苏地震应急指挥车卫星电视天线对星系统设计

徐 年 何奕成

（中国南京210014江苏省地震局）

江苏地震应急指挥车卫星电视天线对星系统设计

徐 年 何奕成

（中国南京210014江苏省地震局）

江苏地震应急指挥车卫星电视原是手动对星模式，常画面模糊或声音不清晰，影响卫星电视正常收看。把卫星电视改为自动对星模式，具有对星准、跟踪快、安装方便、可靠性高等特点，提高了江苏省地震局地震现场应急处置能力。

卫星电视；手动对星；自动对星

0 引言

2013年12月由国家地震社会服务工程前方指挥子系统项目建设的应急指挥车正式交付江苏省地震局，有力提升该地震局地震现场应急处置能力。特别是车上配备的联信永益0.7 m手动直播卫星接收机，搭建起地震现场与外界的桥梁，方便及时的媒体报道让受灾群众了解外界信息，从而安抚受灾群众。但在实际使用过程中，手动对星效果不理想，画面模糊或者声音不清晰，影响卫星电视正常收看。针对此问题，进行卫星电视自动对星系统设计。

1 天线跟踪方式选择

卫星数字电视接收系统一般由接收天线（包括馈源）、低噪声下变频器（高频头LNB）和卫星数字电视接收机3部分组成（图1）。其中天线、高频头称室外单元，卫星数字电视接收机称室内单元（陈毅敏，2010）。

高精度天线跟踪控制技术是实现高质量卫星通信的前提。地球站天线对卫星的跟踪方式一般包括手动跟踪、程序跟踪和自动跟踪3种。

1.1 手动跟踪

操作人员根据接收到的信号强弱或者卫星信标电平值大小人工操纵天线方位电机和俯仰电机，使接收信号趋于最大值。操作人员将对星理论角与天线实际角度比较，调节天线实际方位角和俯仰角，使天线实际指向角逐步趋向理论角度（井庆丰，2011）。

1.2 程序跟踪

根据地球站经、纬度和预测卫星轨道数据，计算出地球站天线跟踪目标卫星所需要的方位角、俯仰角和极化角，将计算的角度值和通过传感器获得的天线实时方位、俯仰、

极化角进行比较得到误差角度值，根据此误差值来驱动方位电机、俯仰电机和极化电机实现天线对准目标卫星。通过不断地比较驱动，天线始终指向卫星。

图1 卫星电视系统组成Fig.1 The block diagram of satellite TV system

程序跟踪速度较快，系统实现简单，且不需要跟踪信号即可对准卫星。但程序跟踪方式根据各类传感器提供的数据实现天线对卫星的跟踪，系统未利用卫星信标信号校正系统误差，一旦传感器发生故障或受外部干扰，将导致天线无法对准卫星。另外，由于卫星位置影响的因素太多，无法长期预测卫星轨道，将导致天线无法对准卫星（苏锐，2007）。

1.3 自动跟踪

自动跟踪是闭环系统，根据外部信号来驱动天线自动对准卫星，准确度高。常用的自动跟踪方式包括步进跟踪、单脉冲跟踪、圆锥扫描跟踪和智能跟踪。

（1）步进跟踪。步进跟踪又称为极值跟踪，根据卫星信标信号的极大值来判定天线是否对准卫星。每隔一定时间，使天线在方位轴或俯仰轴转动一个微小步长，处理器在规定时间内对前后2次接收到的卫星信号电平值进行比较，若接收电平增大，则天线沿该方向继续转动一个微小步长；若接收电平减小，天线向反方向转动。俯仰轴和方位轴依次交替进行，最终使地球站天线逐步对准目标卫星。步进跟踪示意见图2。

图2 步进跟踪系统示意Fig.2 The stepping tracking system diagram

步进跟踪缺点是天线波束不能完全对准卫星，而是在其周围不断摆动，跟踪精度不高。跟踪精度与步长尺寸和信噪比大小有关。高信噪比时，跟踪误差的标准偏差与步长尺寸接近。步进跟踪响应较慢，但设备简单，价格低廉，只需一个射频信道，且射频相位稳定度不重要，对馈源无额外要求，方便使用微处理器进行控制，因此越来越多的地球站采用步进跟踪方式。一般应用在设计简单、价格低廉的中小型地球站中。

（2）单脉冲跟踪。能够在一个脉冲间隔内得到地球站天线偏离目标卫星方位、俯仰角

偏差，并能根据该角度偏差值驱动天线伺服系统，使天线快速对准卫星。单脉冲跟踪有多喇叭跟踪和多模跟踪两种实现方式。单脉冲跟踪方式需在天线馈源系统中安装跟踪耦合器。

单脉冲跟踪系统的馈源尺寸较大且复杂，自动跟踪接收机至少需要两个信道的相关接收机，且具有良好相位稳定性。虽然笨重且昂贵，但准确度高，是以响应速度和跟踪精度为主要标准的大型地球站首选（许卫卫，2015）。

（3）圆锥扫描跟踪。把馈源喇叭绕天线对称轴作圆周运动或把副反射面倾斜旋转，使天线波束围绕旋转轴以一定速率呈圆锥状旋转。当天线轴对准卫星时，地球站接收到的信标电平是一恒定值；若目标偏离旋转轴方向，反射信号强度受旋转频率调制，调制信号幅度和相位分别取决于卫星偏离轴线的大小和方向，被调信号经归一化后，在解调器中进行正交解调，获得方位和俯仰角误差的直流误差信号，并以此误差信息驱动伺服系统使天线对准卫星。圆锥扫描跟踪的优点是设备简单，缺点是馈源永远偏离抛物面焦点，天线增益下降。圆锥扫描跟踪示意图见图3（赵兵，2010）。

（4）智能跟踪。采用最佳控制技术计算卫星位置，卫星位置估计采用2种方法的最佳组合来获得：①梯度跟踪算法；②简单的自适应卫星定位模型预测。

由于卫星位置影响的因素较多，无法长期预测卫星轨道，目前大部分地球站均采用自动跟踪方式，我们选择步进跟踪方式。

图3 圆锥扫描自动跟踪系统示意Fig.3 The schematic diagram of Conical scan tracking system

2 系统实现

采用斯明瑞科技开发有限公司自主研发的SMR系列卫星电视移动接收系统，车载卫星电视天线见图4。该系统具有对星准、跟踪快、安装方便、可靠性高等特点，电视接收画面清晰，见图5。

图4 车载卫星电视天线Fig.4 The physical map of car satellite TV antenna

图5 车载卫星电视接收画面Fig.5 The reception screen of car satellite TV

2015年9月底，由江苏省地震局牵头，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拟地震现场进行华东片地震应急综合演练，江苏省地震局地震应急指挥车赶赴现场并全程参与此次演练，传回的电视画面清晰（图5），达到预期效果。

3 结束语

江苏地震应急指挥车卫星电视对星系统由手动对星方式转变为自动对星方式，具有对星准、跟踪快、安装方便、可靠性高等特点，提高了江苏省地震局地震现场应急处置能力。

陈毅敏.基于新一代移动通信的小型宽带天线及其阵列技术研究[D].上海交通大学，2010：35-40.

井庆丰.微波与卫星通信技术[M].北京：国防工业出版社，2011：67-70.

苏锐.基于卫星移动传输的动中通应急通信系统的研究[D].南京邮电大学，2007：56-62.

许卫卫.基于北斗通信的流动地震观测台站远程监控技术研究[J].地震地磁观测与研究，2015，36（6）：119-124.

赵兵.X波段平板裂缝天线的设计与优化[D].西安电子科技大学，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，硕士，江苏省南京市人，工程师，现主要从事地震现场应急通信技术研究工作。

E-mail： xunian0215@163.com

中国地震局三结合课题（编号：14100X）

本文收到日期：2015-10-10