卫星接收天线的快速修调方法

汪 洋，李建雄，张天强

（唐山广播电视台，河北 唐山 063000）

1 研究背景

随着卫星通信技术和计算机技术的飞速发展，越来越多的广播电视节目利用地球同步卫星进行传输。同步卫星信号覆盖范围更广，打破了地面微波中继站的数量及天线高度的限制，提高了信号传输质量，组网更加灵活，成为广播电视台信号传输的主要手段之一，也是未来信息传播的重点发展方向[1]。

近年来，极端恶劣天气频发，卫星接收天线在遇到大风天气时，由于风载荷过大，会导致天线姿态发生改变，对其俯仰角、方位角和极化角参数产生影响，从而导致信号质量下降甚至中断，给广播电视信号的安全优质播出带来隐患[2]。发生此类事故时，专业技术人员可能不能及时抵达事故现场进行修调，因此，研究一套切实可行的卫星接收天线快速修调方法并制定操作流程，变得尤为重要。该方法能够使值班员在缺乏专业设备及专业技术人员的情况下，对卫星接收天线进行快速修调的应急操作。

2 研究内容

为保证在卫星接收天线姿态改变时修调的快速性和准确性，首先从理论上研究其可行性，然后通过实践对理论进行验证，通过对天线俯仰角、方位角和极化角的快速精确调整，使天线恢复到增益最大的最佳状态，从而确保发射台信号的高质量、不间断安全播出[3]。

2.1 天线参数的计算方法

卫星接收天线的方位角是其上投影高频头指向与接收点正南方向所形成的夹角，可用∠AZ表示，如图1所示。

卫星接收天线方位角与接收站地理坐标经纬度和同步卫星经度有关，其计算如式（1）：

式中：N为接收站地理坐标纬度，∆g为接收站经度与同步卫星经度差。

卫星接收天线的俯仰角是天线高频头朝卫星的指向与大地平面之间所形成的夹角，用∠EL表示，如图2所示。

图2 天线俯仰角指示

卫星接收天线俯仰角同样与接收站地理坐标经纬度和同步卫星经度有关，其计算如式（2）：

式中：N为接收站地理坐标纬度，∆g为接收站经度与同步卫星经度差。

极化角（极化偏角）为接收点地平面与水平极化波电场平面（电波传播方向与电场矢量所确定的平面）之间的夹角。用∠αp表示，如图3所示。

图3 接收天线口面（沿电波传播方向看）

图3中，Ev为垂直极化电场，Eh为水平极化电场。∠αp的计算如式（3）：

式中：N为接收站地理坐标纬度，∆g为接收站经度与同步卫星经度差，∆r为以地球半径为单位的卫星轨道相对半径，其计算如式（4）所示。

式中：R为静止卫星轨道半径，r为地球半径。

根据对以上计算公式的求解，在已知接收站经纬度以及地球同步卫星轨道位置参数的情况下，可以求出接收天线俯仰角、方位角和极化角参数值，为天线姿态调整提供数据支撑。

2.2 快速查询表格的建立

快速查询表格能帮助技术人员在已知接收站经纬度和地球同步卫星轨道位置参数的情况下，不用进行计算，通过表格就能快速查询出粗略数值，能在紧急情况下快速对天线姿态进行调整。快速查询表格通过MATLAB软件建立模型并进行绘制。俯仰角、方位角与接收站维度和经度差的关系如图4所示。

图4 俯仰角、方位角与接收站纬度和经度差关系图

MATLAB软件中的数学模型如下。

极化角与接收站纬度和经度差的关系如图5所示。

图5 极化角与接收站纬度和经度差关系图

MATLAB软件中的数学模型如下。

2.3 天线参数测量方法

一般来说，卫星接收天线参数测量需要用到坡度仪、寻星仪等专业设备，而现实情况下，很多发射台并不具备该类专业设备。事故发生时，在专业维修人员不能及时到场的情况下，研究一种利用简易设备对卫星接收天线参数进行快速测量的方法变得尤为重要。

测量卫星接收天线方位角需要用到的工具是指北针和直角拐尺。指北针的指针指向为地磁北方，所测出的角为磁方位角，而测量所需要的角为地理方位角[4-5]。磁方位角和地理方位角存在一个磁偏角，由于各地纬度不同，因此各地磁偏角均不相同，查询当地磁偏角，对磁方位角进行校正，可得出地理方位角。以唐山为例，经过查询，唐山地区磁偏角为-7.4°，与指北针测量出的磁方位角相加，得出校正过的磁方位角，即卫星接收天线的实际方位角。

根据卫星接收天线的安装位置及现场技术人员人数，测量方式主要分为两种：一种为双人正面测量，一种为单人侧面测量。两种方式均需要指北针尽量远离电磁干扰源及一些能产生电磁干扰的物体。

（1）正面测量。在双人正面测量方位角的过程中，根据天线安装位置，一人站在靠近天线正面或背面的位置，另外一人拿着指北针站在与天线高频头指向大致同方向的较远处。靠近天线的技术人员用直角拐尺较宽的直角边紧贴天线垂直支撑柱，另外一条直角边指向高频头所指方向。远处技术人员调整指北针上的气泡稳定在红圈中间，使指北针保持在水平面上，并参照直角拐尺位置使指北针的北极与天线所指方向成一条直线。等指针稳定后，读出接收天线的磁方位角。

（2）侧面测量。在单人侧面测量方位角的过程中，根据天线安装位置，技术人员拿着指北针站在天线侧面的较远处。通过左右更改站位，当卫星接收天线口面外延呈一条直线时，可认为所处位置为天线正侧面。技术人员在保持指北针水平的同时，使指北针的北极对准天线口面外延方向，等指针稳定后，读出接收天线的磁方位角，然后加或者减90°即为接收天线的磁方位角。

测量卫星接收天线俯仰角需要用到的工具是量角器、细线及铁坠。将工具进行改造并组装，首先在量角器的顶点打孔，然后用细线穿过小孔的一头并进行系扣固定，在细线的另外一头系上铁坠。将改造后的量角器靠在与天线高频头平行的结构件上，并读出量角器角度b，用90°减去读出的角度值b，即可求出接收天线俯仰角的实际数值a。量角器结构及使用方法如图6所示。

图6 量角器结构及使用方法

卫星接收天线的极化角需要用公式计算，然后使用快速查询表格进行相互验证，算出角度数值，与高频头上的刻度进行比较。通过缓慢旋转高频头，来调整实际极化角数值，使其与计算值相符。

2.4 应急修调操作流程

进行应急修调操作流程，技术人员可按如下步骤操作。

（1）卫星接收信号突然减弱时，首先判断室内卫星接收设备是否故障。可切换其他信号源备路信号或应急卫星接收设备进行试验，保证信号安全优质播出。

（2）判断是否由室外天气原因导致信号短暂衰减，如日凌干扰、雨衰、雪衰、雾衰等自然现象。

（3）判断卫星接收天线口面是否有遮挡物。

（4）判断是否为馈线接口松动、密封不够完好等因线缆问题导致的信号衰减。

（5）通过肉眼观察或测量判断卫星接收天线姿态是否发生改变。

如果天线姿态发生改变，通过上述计算方法或快速查询表格获得天线方位角、俯仰角和极化角理论参数；通过上述测量方法测量天线姿态的实际参数；根据天线调节操作的难易程度，按俯仰角、方位角、极化角的顺序进行粗调；接上便携式卫星接收机和电视，根据信号强度和信号质量对接收天线进行微调，直至故障排除。

3 结 语

本文在理论研究的基础上，经过实践证明了所提方法的可行性。应急修调操作流程的建立，使得唐山广播电视发射台卫星接收系统的应急预案更加完备。通过简单的技术培训，值班人员具备了对卫星接收系统故障发生时的应急处置能力，并能够独立完成对天线的维修调试操作。本文的研究能够为广电行业卫星接收天线的快速修调提供一定的技术参考。