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同步卫星信号覆盖的立体分析和应用

  1前言

  世界各国的广播电视节目,现在几乎都通过地球同步卫星来覆盖全球。我国各省市的节目也都上了卫星。目前,覆盖我们亚太地区的卫星节目就有500多套,千家万户天天收看收听的几十套有线电视节目,有2/3以上来自于卫星。随着数字技术的发展,原来一个卫星转发器只能发送一套模拟电视节目,现在可同时传送4套以上高质量数字电视,还有其它多媒体信息。会有越来越多的专业人员和爱好者需要掌握和了解有关的知识及实践经验。

  作为一名广播电视工程师,虽10多年前就开始接触卫星接收设备,但许久以来,在安装调试过程中一直困于那些繁杂抽象的参数和计算公式——接收点的经度和纬度、目标卫星的经度、地磁偏角、方位角、俯仰角……,这一系列相互间毫不相关的数据要计算出来,并且必须精确地对上才能收到目标信号。而调试现场所能得到的工具往往只有一个函数计算器、一把钢卷尺,外加一只指针晃来晃去的罗盘,误差大,定位很难。

  后来,经过理论学习和平时的实践积累,对同步卫星的轨道,在头脑中已建立起了一个较为形象的模式。现在不要通过计算,对不同型号的接收天线,用一把钢卷尺和自己做的轨道立体模型——一只带提手环的空油漆桶,再以其它常用卫星的模拟信号为参考,就能快速地把目标卫星找到。今天希望通过以下的分析和描述,使读者心中同样也能建立起这种形象模式。

  2卫星信号覆盖的立体分析

  21从卫星的角度进行观察——地球像半熟的蛋

  闭上眼睛,设想一下,你是一位宇航员,正在赤道正上空离地面35840km的同步卫星里往下看地球,所看到的地方也就是卫星信号所能覆盖到的地区。

  1)单颗卫星信号所能覆盖的最大面积为地球总表面的42%左右。但在南北两极纬度82°以上是盲区。

  2)地球上虽然有高山和深海,但从卫星上看起来,是一个表面平滑的圆球——半径6378km,表层地壳轻而薄,平均厚度为30km(不到总半径的1/200,若按比例还没有鸡蛋壳厚);地壳下面是3000km厚的半流质的地幔;再往下3000多km是温度极高、压力极大、比重极重的外流内固的地核。因此,用“煮得半熟的蛋”来形象地比喻地球的构造是最恰当不过了。

  22从接收天线的角度进行观测——卫星轨道像彩虹

  把地球的赤道像一个个水波浪同心圆似地向外扩展,当向外扩大6倍半径时,就是同步卫星的分布轨道了。轨道看似简单——只是一个二维的平面圆,可是由于地球是一个三维的球体,在这个球面上的不同地方看这个圆轨道时,所见到的“景象”是不一样的,总的来说可以用以下几点来概括:

  1)在地球上的大部分地方,所“见到”的卫星轨道形状像一抹挂在南边(对北半球而言)地平线上的彩虹,彩虹顶部方位在正南

  2)观察点越靠近赤道,彩虹就越高、越长、越圆,直到像一座从头顶跨过的圆拱桥。(见图3)

  图3低纬度时的卫星轨道

  3)观察点越靠近两极,彩虹就越低、越短、越平,靠近盲区时彩虹就像落日一样渐渐从正南面(对北半球而言)的地平线上落下去

  23归纳和总结——油漆桶模式

  经过上面两小节的描述和图示,大家对卫星轨道有了一个基本的形象概念,知道了在地球上不同接收位置,目标卫星在天空中的大致方位——偏东偏西、是仰是俯。在实际的安装调试过程中,常规的做法是通过繁复的数学计算或查阅,算出方位角后再经换算,才能最后知道偏东还是偏西几度,这个过程对调试现场的工程师来说十分不便,既不直观又容易出错。后来受机械制造过程的启发——设计阶段用计算器、比例尺,乃至计算机中的CAD,可到了生产一线,就用游标卡尺、千分尺和样板卡片等这些形象直观、使用方便的工具。在卫星现场调试现场同样也需要这样一类的工具,常用的罗盘、卷尺、量角器这些都容易得到,可到目前为止,就是没有人去做直观明了的“样板卡片或模型”。跟机械上常用的样板相比,卫星上用的可能要难做一点,因为它是立体的,又有多个参数要能随机调整,加上实际轨道的形状平时大家谁都没亲眼见过,进行立体想象有些难度。笔者为找卫星轨道模型而颇费脑筋,用过地球仪、太阳系模型、篮球上扣铁环、用激光笔模拟卫星信号等等,结果都不理想,直到偶然间倒转了接收天线和卫星轨道相对运动的参照系——以前的思维模式是地球和卫星轨道都是相对不动的,动的是天线的接收位置在动。现在倒过来,无论天线在那里,环顾地面四周,都像站在一块巨大无边的平面上,变化的是卫星轨道在天空中的形状和位置,这样思考一切就迎刃而解了,也找到了理想的“模型“——一只带盖子和提手的油漆桶

  把油漆桶放在桌上,正面朝南(提手环的两头东西向),在桶上面放一块圆垫,厚薄要使得其上表面到提环转轴的上下距离是提环半径的1/7,圆垫中心按一枚小图钉,再把半圆的提手用记号笔作36等分,模具就这样做好了。虽简陋,但很实用。

  使用方法和实例:杭州(东经120度,北纬30度),要收134°E的亚太1A卫星。那么 先把桌上的油漆桶的提手环向上拉垂直,然后慢慢向前(南面)倾斜30°,固定牢。这时,圆垫表面就是大地,圆心上的图钉就是接收天线,看到的提环就是像挂在南边天空的彩虹的同步卫星轨道,提环的最高点就是120°E同步卫星的位置,提环上记号笔做的32等分标记每一格5°(180°÷ 36格=5°/ 格),最高点东边第一个点就是125°E卫星,偏西一格就是115°E卫星,134°E的亚太1A就在顶点偏东3格的位置。用一支小激光笔,从图钉出发射向环上134°度的位置,那么这束激光就能“打到”目标卫星,此光束也就可以作为天线方向调整时的参考。若在南半球,则提环向北倾斜相应的角度就行了。就这么简单,关键在于要去掉早已深深印在你脑海里的圆圆的地球仪模式,代之以“人在地球上任何位置,可以完全当作是站在一块巨大无边的平面上来观察天空中的卫星轨道”。

  3应用中的一些重要细节

  31极化问题中的误区

  在整个调试过程中,天线抛物面的方位调试是最难的一个环节,接下来的机械调整就是高频头(LNB)的极化方向了。虽不很难,但对信号的质量好坏有很大关系。在这里要分析的并不是如何进行具体操作,而是要指出有关信号极化问题的一个认识误区——卫星上发射下来的两个极化相互垂直的信号到接收天线的高频头后也一定相互垂直。

  目前,同步卫星的下行信号基本上都采用水平加垂直的极化方式,以增加相邻频道之间的隔离度。我想大多数资料和技术人员许多年来一直想当然地认为他们接收到的信号必定也是相互垂直的,至少我自己也很长时间这样认为,直到有几次在调试双极化馈源或双极化高频头时,发现把它们做单极化接收时都可以收到很强的信号,可到了双极化,顾了这头就顾不了那边,最后只能折中,可两边的信号强度都比单极时要弱不少,为什么加大了天线尺寸,却没有得到应有的强度?

  在单极的情况下,各自都能收到很强的信号,这说明无论是水平还是垂直,大天线的确都收集到了更多的电磁信号,可两种信号的利用率却不能同时做到最大,问题肯定出在信号接收器上。仔细观察双极化馈源和双极化高频头,它们的两个波导和检波振子都相互垂直,再三测量,毫无问题。困惑了好长一段时期,查找了不少资料,仍没找到原因。最后用油漆桶做了一个地球和同步卫星轨道的模型,对照着进行观察分析和画图计算,最后终于豁然开朗——其实,在不同的地方接收不同的卫星,信号到达高频头时,两组信号之间的夹角会产生立体的几何畸变,端面也会产生前后倾斜,而厂家生产的双极化馈原和高频头的两极都是标准垂直的,极化夹角和端面不能作随机调整,使得信号接收器无法同时兼顾好两组信号,所以会产生上面提到的那种情况——单极都能收好,到了双极就只能勉强兼顾。至于具体的立体几何分析这里就不展开了,“几何畸变”也是到目前为止所能找到的解释,同行们也许还有更深层次的研究。

  32正馈和偏馈

  几年前我国上星的省市台还不是很多,卫星下行信号基本上用的是C波段 ,接收天线也大多是12m以上的正馈天线。近几年来,随着Ku波段和数字技术的开发利用,天线的口径大大减小了,但对反射面的精度要求提高了,这些促使了偏馈天线的大量使用,一般地方只要06~09m的口径就够了。与正馈天线相比,偏馈有很多优,如无馈原阻挡、表面精度高,故天线效率可达75%;安装灵活,可“朝天”、可“朝地”,既可“落地”、也可“上墙”。当然,也不是都是优点,在方位调试过程中就没有“正馈”来得直观,下面就偏馈天线的“寻星”问题作些分析。

  1)几何成型原理——找一座馈源独杆支撑的普通板状正馈天线,爬到上面,用一把小电锯,贴着馈源支杆的根部,向上或向下锯一块06~09m口径的反射面,连支杆一起锯下,这就是一个完整的偏馈天线了。向下锯的,就是朝天的装法;向上剧的,就是朝地的装法。正规厂家的偏馈天线在调试时,只要把馈源支杆的指向对准目标卫星就可以了。

  2)偏馈馈源——偏馈天线一定要用波纹呈漏斗状的偏馈馈源,而正馈的波纹盘为水平状。

  33一些容易疏忽的环节——气候、电缆及接头、仪器等

  1)气候——主要问题有“雨衰”、“日凌”和“积雪”,前两个问题无法人工控制,只要届时知道信号劣化的原因即可。对“积雪”则要相对重视,刚下雪时积雪还是较为均匀地分布在整个天线面上,这时对增益和聚焦的影响还不是很大。要注意的是在积雪融化时,上半部分融化得快,上半部化了而下半部未化时,就严重影响聚焦,要及时清除积雪。

  2)电缆及接头——从天线高频头下来的信号频率在1000MHz左右,大大高于我们家里用的50~500MHz的有线电视信号。所以,对卫星天线来说,其电缆和接头一定要用得考究些,若线路超过50m则最好用-7以上的电缆,两头再转成细芯或做小线过度。对1000MHz信号,同样传100m距离,-9的电缆要比-5的电缆少损失4~5dB。还要注意,卫星高频头和接收机用的连接头大部分是英制的,若用CATV上的公制接头(口径和螺距都不同),会偏大些,不易拧紧,尽量要用英制的。

  3)仪器——在找星仪器方面,前几年用了一个“快捷型指针式寻星器”,其实就是一个1000MHz简易场强计,使用时要专门一个人去控制增益旋钮,还不能辨别目标信号和临近位置其它星的信号,容易出错。不久前,买了一台监测CATV信号的简易频谱仪,最高频率为1000MHz,国产的,6000多元,想试着用它来测高卫星信号。开始还不敢用,怕电缆上的10V多直流电压会把频谱仪击坏,后来接上一只工分器,一路接到接收机,另一路输出用数字万用表量了一下,没有大的直流电压,这才大胆地接到频谱仪上,一测,还不错,信号频谱历历在目,大小间隔清清楚楚,既能看出强度,又能分辨不同星之间的频谱差异,更方便的是还可以把机房里正在使用的卫星信号,分出来用长电缆回送到天线旁边,看着频谱仪上的直观显示把天线微调到最佳状态,既快捷准确,又无须中断信号,十分方便。

  4结束语

  上述是这些年来在卫星设备的使用和维护过程中的一些经验和想法,有的问题虽小,但也确是本人在工作中困惑多时,几经周折才找到原因和解决办法。许多想法还很不完善,解决的办法也不一定最科学,今天把这些写出来,一方面希望能对广电同行们在具体工作中有所帮助;另一方面旨在抛砖引玉,望能引起同行们的进一步关注和探讨。


 
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