姚耕良 任虹

摘 ?要：北斗遙測終端是目前航標(biāo)管理中監(jiān)控航標(biāo)狀態(tài)的重要手段，但在日常管理中發(fā)現(xiàn)有些北斗遙測終端不能按時(shí)上傳數(shù)據(jù)，造成了一定程度的數(shù)據(jù)丟包。為了改善數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，我們研究分析了產(chǎn)生問題的原因，提出了改善終端天線的設(shè)想，試制了新終端樣品并完成了測試。本文簡要介紹了全向型天線的工作原理和在北斗遙測終端上實(shí)際的應(yīng)用情況，通過測試與實(shí)際使用總結(jié)了新型天線的優(yōu)勢與存在的問題，并且提出相關(guān)建議以及對(duì)未來的展望。

關(guān)鍵詞：北斗遙測終端;全向型天線;數(shù)據(jù)丟包

0 背 景

隨著北斗遙測終端在燈浮、燈樁上的大量使用，終端設(shè)備的一些不足也漸漸顯現(xiàn)出來。目前所使用的北斗遙測終端經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包、遙測信號(hào)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。設(shè)定每小時(shí)發(fā)送一次，一天應(yīng)該接收到24條的遙測數(shù)據(jù)，實(shí)際上在遙測平臺(tái)上只能收到15～16條。對(duì)設(shè)備在水上和陸地上信號(hào)的傳輸狀況分析后發(fā)現(xiàn)，浮標(biāo)在水面上由于晃動(dòng)天線無法一直面向天空，從而導(dǎo)致與衛(wèi)星通信失敗。為了解決這個(gè)問題，吳志華勞模工作室聯(lián)合相關(guān)科研單位嘗試在北斗遙測終端上使用新型的全向型天線來改善數(shù)據(jù)丟包這一難題。

1 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)在，上海港水域所使用的北斗遙測終端都是應(yīng)用了定向型平板天線。定向型天線的特點(diǎn)就是具有方向性，天線僅向一個(gè)方向輻射，在指定的方向上提高其抗干擾的能力。因此，北斗遙測終端在安裝時(shí)天線必須正對(duì)衛(wèi)星并且無遮擋，這樣才能使信號(hào)增益達(dá)到最大。然而，浮標(biāo)拋設(shè)在水面上時(shí)，由于受風(fēng)浪的影響，不停地左右晃動(dòng)，無法始終保持正對(duì)衛(wèi)星。所以導(dǎo)致了浮標(biāo)上的北斗遙測終端不能始終和衛(wèi)星保持良好的通信，不僅產(chǎn)生了數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，而且使終端系統(tǒng)要不斷進(jìn)行與衛(wèi)星握手，頻繁啟動(dòng)運(yùn)行軟件系統(tǒng)，大大增加能耗。因?yàn)橛兄@些缺點(diǎn)，我們工作室成員才提出了全向型天線應(yīng)用的設(shè)想。

2 天線選型和終端設(shè)計(jì)

2.1 天線選型

我國的北斗系統(tǒng)與其他定位系統(tǒng)的不同之處，在于它還同時(shí)具備短報(bào)文通訊功能。因此，北斗系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)、地面設(shè)備天線有如下要求：圓極化;雙頻段工作;波束寬度寬，仰角5°的增益大于-3 dB。

全向型天線又稱為四臂螺旋天線，是在1968年由美國John Hopkinson大學(xué)應(yīng)用物理博士Kilgus提出的，之后進(jìn)行了深入的研究。該天線具備心型方向圖，高前后比以及良好的圓極化特性，被廣泛用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，尤其被認(rèn)為是理想的全球定位系統(tǒng)（GPS），北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)（CNSS），以及衛(wèi)星手機(jī)的接收天線。四臂螺旋天線擁有全向360°的接收能力，應(yīng)用在北斗遙測終端并且安裝在浮標(biāo)上時(shí)，無論浮標(biāo)如何搖晃，天線都能保持與衛(wèi)星“握手”。如此就解決了平板天線在浮標(biāo)上無法始終與衛(wèi)星握手的問題，同時(shí)也能提高遙測設(shè)備數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。另外，航標(biāo)北斗遙測終端多是應(yīng)用在浮標(biāo)和燈樁之上，安裝空間相對(duì)較小，設(shè)備的天線必須結(jié)構(gòu)緊湊。四臂螺旋天線的特點(diǎn)便是其性能優(yōu)良的圓極化半球波束、緊湊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，十分適合應(yīng)用在燈浮與燈樁之上。

2.2 終端設(shè)計(jì)

新型北斗遙測終端主要的功能和設(shè)備參數(shù)都與現(xiàn)在大量應(yīng)用的北斗遙測終端一致，最大的改變就是應(yīng)用了全向型的四臂螺旋天線。天線由四條特定彎曲的金屬線條所組成，不需要任何接地，具備垂直天線的特性。因此，天線在任何方向都有3 dB的增益，增加了衛(wèi)星訊號(hào)的接收時(shí)間。天線的技術(shù)參數(shù)見表1。

在電流電壓采集方面設(shè)備使用外接線圈的方式，燈器的正極穿過線圈連接電源。這樣的設(shè)計(jì)可以確保在遙測終端發(fā)生故障時(shí)燈器仍然能正常工作。終端的感應(yīng)線圈最大能感應(yīng)20 A的電流，能夠適用航標(biāo)處所有的負(fù)載設(shè)備。設(shè)備的外觀部分見圖1。

設(shè)備使用了全向型的四臂螺旋天線，因此高度要比現(xiàn)在所使用的北斗遙測終端高出許多，起初擔(dān)心安裝在浮標(biāo)上是否會(huì)對(duì)燈光形成遮擋。通過現(xiàn)場的安裝測試，確認(rèn)了不會(huì)對(duì)燈光形成遮擋，見圖2。

3 測試結(jié)果

新設(shè)備研制出來首先要做的就是測試。我們工作室成員第一時(shí)間對(duì)終端進(jìn)行了遙測信號(hào)的測試。起初設(shè)定10 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，但一天只有三分之一的預(yù)設(shè)時(shí)間可以收到北斗數(shù)據(jù)。為此工作室與科研單位深入研究尋找原因，首先是設(shè)備在發(fā)送模式上存在著一些問題，其次是在工作室門口的場地測試，由于四周遮擋比較多，對(duì)天線水平方向的干擾相對(duì)較大，測試效果并不理想。針對(duì)這一問題研發(fā)小組對(duì)設(shè)備的軟件進(jìn)行了升級(jí)，并且找了一個(gè)四周開闊的場地再次進(jìn)行測試。結(jié)果，新型北斗終端的遙測信號(hào)非常穩(wěn)定，比起目前所使用的北斗終端有了顯著的提升。目前，已有3套配有全向型天線的北斗遙測終端安裝在現(xiàn)場測試使用，2套安裝在導(dǎo)標(biāo)上，1套安裝在浮標(biāo)上。為了確認(rèn)新型北斗終端的數(shù)據(jù)丟包率是否有所降低，通過與同樣安裝在燈浮上的舊北斗遙測終端的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，抽取同一時(shí)間段中二周的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，新設(shè)備收到了294條遙測數(shù)據(jù)，而舊設(shè)備僅收到了224條。在理論上應(yīng)該收到336條數(shù)據(jù)的情況下，新設(shè)備的丟包率降低了很多。下圖是新設(shè)備與現(xiàn)有設(shè)備在浮標(biāo)上的小時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，見圖3、圖4。

4 設(shè)計(jì)生產(chǎn)和使用建議

通過反復(fù)測試以及現(xiàn)場使用情況的反饋，全向型天線的丟包率明顯低于目前的北斗終端。但是在使用時(shí)仍然有一些需要注意的地方。四臂螺旋天線擁有全面向360°的收發(fā)能力。因此，為了保證信號(hào)的穩(wěn)定，安裝位置不能過低，并且四周不能有明顯金屬遮擋物，這樣才能發(fā)揮設(shè)備最大的效率。

如今，北斗遙測終端上的全向型天線處于使用初期階段，還存在著一定的不足。首先就是體積。全向型天線終端的體積要比使用定向型天線的終端大很多，尤其是高度方面。目前在浮標(biāo)上大量使用的是北斗一體化航標(biāo)燈器，而且一體化航標(biāo)燈器在浮標(biāo)上的應(yīng)用一定會(huì)是將來的趨勢。一體化燈器內(nèi)部空間有限，對(duì)內(nèi)置的北斗終端的體積有著較高的要求。就目前全向型天線的體積而言，根本無法安裝于燈器內(nèi)部。筆者認(rèn)為，只有在保證收發(fā)功率的前提下盡可能地縮小天線的體積，這樣全向型天線才能更大范圍的被推廣應(yīng)用。

另一個(gè)缺點(diǎn)在于終端連接電纜的接頭。新設(shè)備的連接接頭設(shè)置的還不太理想，正常用手很難擰緊，必須借助扳手等工具，給現(xiàn)場操作人員帶來了一定的不便，見圖5。

5 結(jié) 語

新型全向型天線北斗遙測終端的推出，從使用效果來看已經(jīng)很好地改善了北斗數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，增加了北斗遙測終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。雖然設(shè)備仍然存在著一些不足，但通過日后的使用和升級(jí)會(huì)逐漸趨向成熟。全向型天線的應(yīng)用將會(huì)是以后北斗遙測終端發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 藺煒.RFID標(biāo)簽天線及北斗四壁螺旋天線研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

作者介紹：

姚耕良，助理工程師，（E-mail）yao_gengliang@163.com

任 虹，高級(jí)工程師，（E-mail）1062368555@qq.com