Содержание
На сегодняшний день спутниковые каналы связи и вещания играют важную роль для человека, общества и государства в целом.
Сегодня спутниковое телевидение и Интернет приобретают все более высокие темпы роста, некоторые современные мультисервисные
сети и каналы связи основаны на спутниковом приеме. Почти на каждом жилом доме, каком-либо учреждении установлено
несколько спутниковых антенн, предназначенных для приема спутникового телевидения, Интернета, осуществления связи,
рекламы и т.д. При этом потребность настройки спутниковых антенн с каждым днем возрастает. Проанализировав уровень
продаж систем для приема спутникового сигнала, в Донецкой области число установок спутниковых антенн составляет более пятидесяти за один день.
Исходными данными для настройки спутниковой антенны являются долгота спутника (орбитальная позиция) и
географические координаты места установки антенны. Спутники находятся на геостационарной орбите над экватором,
причем угловая скорость спутника равна угловой скорости нашей планеты, следовательно,
спутник относительно данной местности является неподвижным и спутниковая антенна настраивается только один раз.
Процесс настройки состоит из двух этапов: грубая настройка и точная.
Грубая настройка – ориентирование антенны по азимуту и углу места,
точная – настройка антенны на прием полезного сигнала с помощью измерительных приборов
(спектроанализаторы и селективные микровольтметры СВЧ-диапазона).
Без грубой настройки выполнение точной настройки (настройка антенны непосредственно на прием полезного сигнала)
является практически безрезультатным занятием, поскольку антенна имеет узкую диаграмму направленности,
которая лежит в пределах 1.5-2.5 градуса.
Грубо настроить антенну означает, что ориентирование антенны по углу места и азимуту должно быть выполнено с погрешностью, не превышающей ширину диаграммы направленности спутниковой антенны.
Азимут (Az) – угол в горизонтальной плоскости между направлением на истинный Север и направлением на спутник. Угол места (El) – угол в вертикальной плоскости между горизонталью и направлением на спутник (рис.1).
Азимут и угол места являются фунциями от следующих аргументов: широта и долгота местности, орбитальная позиция спутника. Существующие методы такие, как картография и стрелочный компас, неточны, имеют малый уровень адаптированности для настройки спутниковой антенны; применение этих способов подразумевает наличие опыта и навыков работы для данной местности. Ведь условия для установки антенн отличаются при разных географических координатах на планете. Например, в нашей местности спутник Telstar12 15W находится низко над горизонтом, поэтому офсетные спутниковые антенны, настроенные на этот спутник, смотрят «в землю» в нашей местности; к тому же параметры для грубой настройки антенны отличаются от параметров для настройки, например, в Казахстане, ведь азимут и угол места для заданного спутника зависит от широты и долготы местности. Это может оказаться трудной задачей для установщиков, которые привыкли в одном и том же направлении настраивать антенну. Следовательно, требуется устройство более высокого уровня, которое должно обладать следующими свойствами:Моя магистерская работа посвящена первому этапу настройки спутниковых антенн – определению угла места и азимута по магнитному полю Земли с высокой точностью. Главной целью исследования является создание прибора малого по габаритам, точность которого позволяла ориентировать спутниковую антенну на заданный спутник. Определение параметров грубой настройки основано на измерении параметров магнитного поля земли и компенсации влияния источников погрешности. При этом решаются следующие задачи:
Первый способ является самым популярным и простым. Чтобы направить антенну по расчетному азимуту,
следует сориентировать корпус компаса таким образом, чтобы стрелка «Север» совместилась с нулем шкалы азимутов.
Воображаемая линия, проходящая через ось стрелки и деление шкалы, соответствующее расчетному азимуту,
укажет направление на спутник.
Достоинства:
Недостатки:
Более точным способом определения азимута является картографический способ.
Нужно взять карту города или план местности, возможен электронный вариант.
Базы электронных карт городов можно найти в Интернет, например,
здесь http://maps.yandex.ru. На карте надо поставить точку в том месте, где предполагается установка антенны,
и с помощью транспортира провести из этой точки расчетный азимут помня, что на всех картах вертикальное направление
соответствует направлению на Север (рис. 2а).
Затем с этой картой надо выйти к месту установки антенны и повернуть карту таким образом, чтобы направления на карте совпали с теми же направлениями на местности. Проще всего использовать направление улицы – надо сориентировать карту так, чтобы нарисованная улица была параллельна стене реального дома, выходящей на эту улицу.
Теперь карандашный азимут на карте указывает точное направление на спутник (рис. 2б).
Достоинства:
Недостатки:
Из обзора существующих решений следует, что построение прибора, у которого вышеописанные недостатки сведены к минимуму или отсутствуют, является большой необходимостью.
Для ориентирования спутниковой антенны, т.е. для определения азимута и угла места я предлагаю воспользоваться методом
измерения составляющих магнитного поля Земли с дальнейшей обработкой измеренных величин.
В каждой точке пространства (точка А на рис. 1) геомагнитное поле характеризуется вектором напряжённости Т,
величина и направление которого определяются 3-мя составляющими Hx, Hy, Hz (северной, восточной и вертикальной)
в прямоугольной системе координат (рис. 3) или 3-мя элементами Земного магнетизма: горизонтальной составляющей
напряжённости Н, склонением магнитным D (угол между Н и плоскостью географического меридиана)
и наклонением магнитным I (угол между Т и плоскостью горизонта).
Магнитное поле Земли есть постоянная величина с некоторым допуском
и составляет от 16 А/м вблизи полюсов до 55 А/м на экваторе.
Магнитное склонение или угол деклинации – это разница между географическим северным и геомагнитным северным полюсом.
Чтобы определять направление относительно географического серверного полюса, ориентируясь по магнитному полю,
необходимо знать еще и угол деклинации. Угол магнитного склонения (УМС) для разных географических координат разный.
Существуют специальные карты, в которых отображен УМС в зависимости от координат.
При грубой настройке спутниковой антенны cначала рассчитывается азимут, соответствующий определенной орбитальной позиции спутника при заданных широте и долготе: Например, для Донецка азимут для спутника Sirius с орбитальной позицией (долготой спутника) 5Е при 48-ми градусов с.ш. и 37-ми градусов в.д. составляет 220 градусов. Это означает, что установщик антенны должен медленно ее вращать вокруг вертикальной опоры до тех пор, пока число на индикаторе не будет соответствовать расчетному азимуту.
С другой стороны, азимут для настройки спутниковой антенны – это магнитный азимут с поправкой на УМС. Измерение магнитного азимута будет осуществляться с помощью магниторезистивных датчиков, обладающих чувствительностью около 0,06 мВ/(А/м). Для того, чтобы прибор мог определить магнитный азимут, он должен иметь как минимум 2 ортогонально расположенных друг к другу магниторезистивных датчика, каждый из которых будет измерять составляющие Hx, Hy (рис. 4). Арктангенс отношения этих величин при условии, что прибор расположен горизонтально, будет являться магнитным азимутом.
Если прибор расположен не горизонтально, т.е. имеет крен, то следует измерить крен (углы фи и тетта), чтобы внести поправку. Z-координату тоже следует учитывать:
После того в Hx и Hy будут внесены поправки, учитывающие z-координату и углы крена, можно вычислить магнитный азимут:
Далее вносится поправка на УМС:
При измерении составляющих геомагнитного поля и крена прибора следует учитывать следующие источники погрешности:
Структурная схема прибора приведена на рисунке ниже:
Магниторезистивный датчик состоит из пермаллоевых пленок, меняющих свое сопротивление на 2-3 % в
зависимости от приложенного поля, т.е. выполняет преобразование напряженность поля - сопротивление. Датчики включаются в мост
Уитсона и на дифференциальном выходе имеют постоянное напряжение.
Усилительные схемы считывания предназначены для усиления дифференциального сигнала с датчиков с последующей оцифровкой.
Крен компаса измеряется с помощью миниатюрного электромеханического устройства - акселерометра. Это устройство есть преобразователь углов крена в скважность импульсов или напряжение.
Микропроцессор выполняет обработку данных, а также реализовывает алгоритмы компенсации погрешностей с последующим выводом результата измерения на индикатор. Основная задача формирователя импульсов set/reset - восстановление чувствительности магниторезистивных датчиков вследствие дезориентации доменов пермаллоевых пленок.
Прибор измеряет составляющие магнитного поля, выполняет обработку данных и показывает орбитальную позицию спутника при заданных географических координатах.