卫星通信天线的转向控制

8.3　卫星通信天线的转向控制

业余卫星通信基地台的天线阵一般比较大，高度必须离开地面2米以上。因此要实现天线阵对卫星的即时跟踪，一般不可能靠人力转动来完成。天线必须能够通过操作员的指令实现方向控制。卫星天线包括两个转向维度——水平与仰角，即：Azimuth与Elevation。这就需要选用两种方式的天线转向器才能实现，其中水平转向器需要能旋转360度及以上，仰角转向器需要能旋转180度及以上。天线转向器可以自制，也可选用性能比较可靠的厂制天线转向器。我们以静安区青少年活动中心业余电台使用的Yeasu G800DXA和Create ERC51天线转向器为例进行说明，这两种转向器可采用手动转向控制与自动转向控制方式。

1.转向控制器的安装

了解水平与仰角这两种天线转向器的基本性能，对于正确安装和操作控制非常重要。以下为G800DXA、ERC51两型天线转向器的重要技术参数，见表8 3，并就如何安装手动控制系统进行说明。

表8－3　G800DXA与ERC51主要技术性能列表

根据上述数据分析，一般情况下，在选用转向器时，首先要考虑天线的重量、大小；还要综合考虑转矩、风力负荷等因素。

天线转向器的安装须根据相关产品的说明进行。在安装过程中，还要注意以下几点：

1）根据说明书要求连接完毕后先在地面进行测试，检查转向器的工作情况；正式安装前，建议先把水平转向器的角度预定为正北，垂直转向器定为水平，便于安装后定位和调试。

2）水平转向器转轴要保持垂直状态。承接的天线桅杆与转轴间一定要使用具有承重功能的金属轭环，使整个天线阵的重量不至于直接压到转向器轴上，防止转向器损坏。相对于水平转向器，仰角转向器力矩较小，特别要注意不宜超过其设计负荷。

3）控制线缆需要预留一定长度，以便于今后各种变化。除了控制线缆接头处必须做好防水处理外，建议使用高质量的不锈钢螺栓固定转向器及天线卡箍等紧固连接部分，以利于日后维护与检修。

中低轨道卫星一次过顶的时间一般只有五至十分钟，根据卫星轨道测算软件的数据，可以通过手动控制两台转向器对天线阵的指向进行即时调整。根据以往的实验数据发现：在一般情况下，水平或垂直指向有10度左右的误差几乎不影响通联的效果，在大多数情况下，半分钟调整一两次角度就可以“咬”住卫星了。因此如果天线转向是采用手动方式，一名训练有素的操作员可以独自一人完成通信与天线转向操作。但对于初学者而言，尤其是青少年朋友们，两人合作，分别完成控制转向器、观察电脑数据、操作电台通联任务，这样更会显得从容不迫。

2.天线自动转向控制

想象一下：当“希望一号”卫星临空时，卫星转向器自动开启，天线一度不差准确地跟踪卫星，操作员只需要调整电台，聚精会神地进行通信。这有可能吗？其实，早在20世纪80年代，就有业余无线电爱好者把上述设想变成了现实。随着时间的推移，所变化的是：使用的设备越来越集成化，软件操作系统越来越直观方便而已。

要实现对卫星的自动跟踪，最为关键的是对水平及仰角转向器实现数字化控制与模拟传感器信号的检测。该系统一般有双向转向器、计算机、转向器驱动器（也可称为转向器驱动接口）这三部分组成，见图8－3。

图8－3　卫星自动转向控制系统构成

一般来说，大部分的天线转向器都预留了用于计算机数字化控制的专门接口，目前大部分计算机都有RS232串连接口或USB接口。天线转向驱动接口是一个独立的单元，主要功能是完成数据信号的输入输出及数字或模拟信号的转换。计算机与天线转向器可采用RS232接口或USB接口两种形式；各型天线转向驱动器与天线转向器的接口虽会有所不同，它们之间一般通过多芯缆线连接。

天线手动系统首先要能正常工作，这是运用计算机自动跟踪系统的必要前提。采用自动控制的同时不会影响手动控制指令。因此一般必须在手动转向系统已经能正常工作的前提下，才能进行计算机自动卫星跟踪系统的安装和调试。其中加装控制软件和控制线缆与天线转向驱动器（或称为接口）最为关键，现以Create G5500AL/EL转向器为例说明，见示意图8－4，8－5。

图8－4　G5500转向器各主要部件

图8－5　G5500自动转向系统连接图

G5500是一款能同时控制两个轴向的、为卫星通信量身定做的天线转向器。选配的转向驱动器只须用一根控制线缆连接计算机，一根多芯线缆连接转向控制器，就可以完成对水平及仰角的自动控制，见图8－6，图8－7。

图8－6　天线转向驱动单元

图8－7　天线转向驱动单元和线缆

从上图看，控制线缆需要与R232接口（DB－9）进行连接，以下是计算机R232接和口G5500控制口的各线芯功能列表^[1]（表8－4）。由于接口的主要功能是传递数字与模拟信号，在了解各线芯功能后，同学们也可以自己设计、制作控制器。如使用其他型号的转向器，要根据不同说明书的要求进行连接。

表8－4　计算机RS232串口(DB—9)与G5500接口功能表

完成天线转向器与计算机的硬件连接后，天线转向初始位置调试是重要的第一步。目的是为了让计算机能确认天线水平及仰角零度和满旋的角度参数，测试转向器角度传感器输出模拟信号的大小。由于各型转向器的计算机界面显示和指令各异，建议根据说明书进行调整。

安装和应用计算机卫星跟踪软件是天线系统实现自动转向追踪的最后一步。目前，大部分业余卫星跟踪收费软件都能在计算卫星轨道的同时，实现多型转向器控制的数据输出。但部分免费业余卫星轨道计算软件不会自动加载转向器控制功能模块。如：爱好者们常用的卫星追踪Orbitron软件，虽然有转向器控制窗口，但必须要加装转向器驱动软件W INDDE、ALARM，配转向器驱动接口才能实现这项功能。

如果一时找不到与天线转向器驱动器配套的驱动软件，可下载试用版驱动软件进行尝试，如：W INDDE、ARSVCOM。经过一些调试后，能实现卫星轨道监测与天线自动转向，软件的界面窗口见图8－8，8－9。

图8－8　ARVSCOM转向器驱动软件界面

图8－9　W INDDE转向器驱动软件界面