基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统及方法
【专利摘要】一种基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统及方法。系统包括：超声波测距模块、太阳辐射计、数据处理主机和告警显示模块；超声波测距模块与数据处理主机相连接；太阳辐射计与数据处理主机相连接；数据处理主机与中通天线控制系统中的天线伺服器相连接；告警指示模块与数据处理主机相连接。本发明基于现有技术的基础上，通过测距及“水汽”监测的方式对卫星信号传输通道环境进行监测，帮助操作人员更准确地判断卫星信号传输环境，减少了卫星链路无法建立时的故障分析、处理时间，有效地提示操作人员根据情况调整卫星车的位置，提高故障处理效率。
【专利说明】基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统及方法【技术领域】
[0001]本发明属于卫星通信与超声波【技术领域】，特别是涉及一种基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统及方法。
【背景技术】
[0002]卫星通信技术由于其自身采用无线通信、信号传输距离远、发射接收装置安装架设灵活等技术特点，使得其在应急指挥通信中起到无法替代的作用，其中卫星通信车更是将上述卫星通道组建灵活、简便、快捷的特点充分体现出来，因此在应急通信等领域被广泛使用。由于卫星车的地理位置在随时移动，所以卫星车的卫星天线需要对卫星角度和方位进行实时的校正和调整，并克服卫星车移动过程中带来的信号多普勒效应，为了满足上述要求，卫星车通常采用“动中通”天线。
[0003]“动中通”自动跟踪系统是在初始静态情况下，由GPS、经纬仪、捷联惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角，然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。在载体运动过程中，测量出载体姿态的变化，通过数学平台的运算，变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证载体在变化过程中天线对星在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。该系统跟踪方式有自跟踪和惯导跟踪两种。自跟踪是依靠卫星信标进行天线闭环伺服跟踪；惯导跟踪是利用陀螺惯导组合敏感载体的变化进行天线跟踪。这两种跟踪可根据现场情况自动切换。当系统对星完毕转入自动跟踪后，以自跟踪方式工作；与此同时，惯导系统也进入工作状态，并不断输出天线极化、方位和俯仰等数据。
[0004]由于卫星通信技术特点，使得其传输质量容易因为障碍物遮挡以及雨、雪、雾等不良天气的影响，大气中的水蒸气和氧气的吸收作用会造成传输损耗，当频率大于20GHz时，这种作用是非常严重的。水汽分子具有固定的电偶极子，氧分子具有固定的磁偶极子，它们都具有固定的频率，当电波频率与其固有的谐振频率相同时，即产生强烈的吸收。大气中的气体分子、水汽凝结物(如雨、雾、云、雪等)、沙尘暴、烟雾等对卫星链路的电波传播均有影响，但在Ka频段雨衰减并不很大。随着频率的增加，衰减值急剧增大。当频率大于20GHz时，暴雨引起的信号衰减将超过IOdB以上，有些地区的衰减高达25dB，所以环境因素对卫星信号衰耗影响很大，容易造成通信链路无法正常建立。
[0005]在实际操作使用中，传统定向天线(例如:单兵系统)可以很方便地通过目测对星方向是否具有遮挡物的方式对故障原因进行快速判断，并结合天气情况，确定信号衰落问题原因是由于外界环境还是设备本身故障导致。但是动中通技术为了使天线在卫星车行驶中发挥最好的效果，天线的外形设计往往采用具有圆滑边缘的圆柱体设计。与传统定向天线相比，“动中通”天 线的外形设计造成操作人员无法直接通过天线指向判断卫星所在方向，尤其是在城市环境中，对操作人员判断故障原因造成了一定的困难。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统及方法。
[0007]为了达到上述目的，本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统包括:超声波测距模块、太阳辐射计、数据处理主机和告警显示模块；其中:超声波测距模块为超声波测距装置，其与数据处理主机相连接；太阳辐射计为太阳辐射强度检测装置，其与数据处理主机相连接；数据处理主机为本系统的检测控制及数据处理核心，其与中通天线控制系统中的天线伺服器相连接；告警指示模块为报警信号输出装置，其与数据处理主机相连接。
[0008]所述的超声波测距模块由超声波发射器和超声波接收器组成。
[0009]本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统的监测方法包括以下步骤:
[0010]步骤I)设备初始化:开启设备电源、系统进行自检，并与动中通自动跟踪系统中的天线伺服器数据接口建立通信连接；
[0011]步骤2)超声波测距模块方位调整:数据处理主机从天线伺服器数据接口中获取包括方位、仰角在内的天线对星方位信息，并根据获得的信息调整超声波测距模块信号发射方向与卫星方向一致；
[0012]步骤3)环境监测:超声波测距模块利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差对卫星通道上是否存在遮挡物进行判断；太阳辐射仪通过接收大气940nm水汽吸收通道中的某些成分在一定频率上的辐射，经过转换得到大气在垂直和水平方向上的气象要素分布；
[0013]步骤4)数据处理:数据处理主机根据超声波测距模块和太阳辐射计返回的数据信息对卫星通道环境进行对比分析，如果判断卫星通道上存在遮挡物或天气情况不利于信号传输则通过告警指示模块向操作者发出声音、灯光告警提示。
[0014]本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统，提供了一种基于太阳辐射计与超声波测距技术的卫星信号通道环境检测器，用来帮助技术人员对卫星信号传输通道是否存在遮挡物进行判断，并通过所在地点“水汽”指标对当地天气环境进行判断。
[0015]本发明具有以下优点和积极效果:
[0016]本发明基于现有技术的基础上，通过测距及“水汽”监测的方式对卫星信号传输通道环境进行监测，帮助操作人员更准确地判断卫星信号传输环境，减少了卫星链路无法建立时的故障分析、处理时间，有效地提示操作人员根据情况调整卫星车的位置，提高故障处
理效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统的结构示意图。
[0018]图2为基于本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统的监测方法流程图。【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统及方法进行详细说明。
[0020]如图1所示，本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统包括:超声波测距模块1、太阳辐射计2、数据处理主机3和告警显示模块4 ;其中:超声波测距模块I为超声波测距装置，其与数据处理主机3相连接，用于检测卫星天线到障碍物之间的距离；太阳辐射计2为太阳辐射强度检测装置，其与数据处理主机3相连接；用于检测太阳光辐射强度的信息；数据处理主机3为本系统的检测控制及数据处理核心，其与地中通天线控制系统中的天线伺服器5相连接；告警指示模块4为报警信号输出装置，其与数据处理主机3相连接，用于根据数据处理主机3的指令发出声光报警信号。
[0021]所述的超声波测距模块I由超声波发射器和超声波接收器组成；超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时；超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即:s =340t/2 ;当超声波测距模块I接收到反射回来的反射波时说明在卫星信号传输路径上存在遮挡物，而当模块无法接收到反射波时则说明在卫星信号传输路径上不存在遮挡物。
[0022]所述的太阳辐射计2是通过测量大气水汽含量来确定太阳辐射度信号的，由于大气中的水汽是卫星信号传输过程中产生衰耗的主要因素之一，对卫星通道的建立影响重大，因此水汽含量可以作为卫星通道环境监测的指标，用来判断通道环境是否适宜信号传输;
[0023]太阳辐射计是一种便携式仪器，利用它的940nm水汽吸收通道可以测量大气柱水汽总量；太阳辐射计测得的直接太阳辐射信号在936nm附近水汽吸收带不遵从比尔定律。依照Bruegge和Halthore研究,水汽透过率可以用两个参数表达式来模拟:
[0024]Tw = exp (~awb) (I)
[0025]其中，Tw是带上的水汽平均透过率，w是大气路径斜程水汽总量，a和b是常数，在给定的大气条件下，它们与太阳辐射计936nm通道滤光片的波长位置、宽度和形状有关，还与大气中的温压递减率和水汽的垂直分布有关，其值由辐射传输方程模拟确定。
[0026]在936nm水汽吸收带，太阳辐射计中心波长对太阳直辐射照度的响应可表示为:
[0027]V = V0R2*exp[_n τ ]*Tw (2)
[0028]其中V为太阳辐射计输出电压，VO为大气外界电压输出，R为日地距离校正量，m为相对大气质量，Tw是水汽平均透过率，τ是Rayleigh散射和气溶胶散射光学厚度。Rayleigh散射光学厚度由地面大气压计算出来。斜程水汽量w = m*Pff, PW为垂直水汽柱总量。将式(I)代入式(2)并两边取对数，得:
[0029]InV+m τ = In (VOR-2) _a*mb*PWb (3)
[0030]在稳定和无云大气条件下，以mb值为X轴，以上式左边为Y轴画直线，直线的斜率为-a*PWb，Y轴截距为ln(V0R-2)。因为Langley法是以m值作x轴，所以称改进Langley法。
[0031]所述的数据处理主机3为负责整个监控系统的数据处理及信号反馈功能，针对天线伺服器5、超声波测距模块1、太阳辐射计2以及告警指示模块4分别设立相应数据端口，并通过接收天线伺服器5的信息控制超声波测距模块I的指向，通过超声波测距模块I中的接收超声波模块及太阳辐射计2反馈信息对通道环境进行判断，并对告警指示模块4发出相应指令。
[0032]如图2所示，基于本发明提供的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统的卫星通信传输通道环境监控方法包括以下步骤:
[0033]步骤I)设备初始化:开启设备电源、系统进行自检，并与动中通自动跟踪系统中的天线伺服器5数据接口建立通信连接；
[0034]步骤2)超声波测距模块方位调整:超声波测距模块I从天线伺服器5数据接口中获取包括方位、仰角在内的天线对星方位信息，并根据获得的信息调整超声波测距模块I信号发射及接收方向与卫星方向一致；
[0035]步骤3)环境监测:超声波测距模块I利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差对卫星通道上是否存在遮挡物进行判断；太阳辐射仪2通过接收大气940nm水汽吸收通道中的某些成分在一定频率上的辐射，经过转换得到大气在垂直和水平方向上的气象要素分布；
[0036]步骤4)数据处理:数据处理主机3根据超声波测距模块I和太阳辐射计2返回的数据信息对卫星通道环境进行对比分析。如果判断卫星通道上存在遮挡物或天气情况不利于信号传输则通过告警指示模块4向操作者发出声音、灯光告警提示。
[0037]以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关【技术领域】的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统，其特征在于:所述的系统包括:超声波测距模块⑴、太阳辐射计⑵、数据处理主机⑶和告警显示模块⑷；其中:超声波测距模块(I)为超声波测距装置，其与数据处理主机(3)相连接；太阳辐射计(2)为太阳辐射强度检测装置，其与数据处理主机(3)相连接；数据处理主机(3)为本系统的检测控制及数据处理核心，其与中通天线控制系统中的天线伺服器(5)相连接；告警指示模块(4)为报警信号输出装置，其与数据处理主机(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统，其特征在于:所述的超声波测距模块(I)由超声波发射器和超声波接收器组成。
3.一种权利要求1所述的基于辐射计和测距仪的卫星信号通道环境监测系统的监测方法，其特征在于:所述的方法包括以下步骤: 步骤I)设备初始化:开启设备电源、系统进行自检，并与动中通自动跟踪系统中的天线伺服器(5)数据接口建立通信连接； 步骤2)超声波测距模块方位调整:数据处理主机(3从天线伺服器(5)数据接口中获取包括方位、仰角在内的天线对星方位信息，并根据获得的信息调整超声波测距模块(I)信号发射方向与卫星方向一致； 步骤3)环境监测:超声波测距模块I利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差对卫星通道上是否存在遮挡物进行判断；太阳辐射仪通过接收大气940nm水汽吸收通道中的某些成分在一定频率上的辐射，经过转换得到大气在垂直和水平方向上的气象要素分布； 步骤4)数据处理:数据处理主机(3)根据超声波测距模块⑴和太阳辐射计(2)返回的数据信息对卫星通道环境进行对比分析，如果判断卫星通道上存在遮挡物或天气情况不利于信号传输则通过告警指示模块(4)向操作者发出声音、灯光告警提示。
【文档编号】H04B17/00GK103986534SQ201410232644
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】曲思衡 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司