全向型天线在北斗遥测终端上的应用研究

姚耕良 任虹

摘  要：北斗遥测终端是目前航标管理中监控航标状态的重要手段，但在日常管理中发现有些北斗遥测终端不能按时上传数据，造成了一定程度的数据丢包。为了改善数据丢包现象，我们研究分析了产生问题的原因，提出了改善终端天线的设想，试制了新终端样品并完成了测试。本文简要介绍了全向型天线的工作原理和在北斗遥测终端上实际的应用情况，通过测试与实际使用总结了新型天线的优势与存在的问题，并且提出相关建议以及对未来的展望。

关键词：北斗遥测终端;全向型天线;数据丢包

0 背 景

随着北斗遥测终端在灯浮、灯桩上的大量使用，终端设备的一些不足也渐渐显现出来。目前所使用的北斗遥测终端经常出现数据丢包、遥测信号不稳定的现象。设定每小时发送一次，一天应该接收到24条的遥测数据，实际上在遥测平台上只能收到15～16条。对设备在水上和陆地上信号的传输状况分析后发现，浮标在水面上由于晃动天线无法一直面向天空，从而导致与卫星通信失败。为了解决这个问题，吴志华劳模工作室联合相关科研单位尝试在北斗遥测终端上使用新型的全向型天线来改善数据丢包这一难题。

1 现状分析

现在，上海港水域所使用的北斗遥测终端都是应用了定向型平板天线。定向型天线的特点就是具有方向性，天线仅向一个方向辐射，在指定的方向上提高其抗干扰的能力。因此，北斗遥测终端在安装时天线必须正对卫星并且无遮挡，这样才能使信号增益达到最大。然而，浮标抛设在水面上时，由于受风浪的影响，不停地左右晃动，无法始终保持正对卫星。所以导致了浮标上的北斗遥测终端不能始终和卫星保持良好的通信，不仅产生了数据丢包的现象，而且使终端系统要不断进行与卫星握手，频繁启动运行软件系统，大大增加能耗。因为有着这些缺点，我们工作室成员才提出了全向型天线应用的设想。

2 天线选型和终端设计

2.1 天线选型

我国的北斗系统与其他定位系统的不同之处，在于它还同时具备短报文通讯功能。因此，北斗系统对接收机、地面设备天线有如下要求：圆极化;双频段工作;波束宽度宽，仰角5°的增益大于-3 dB。

全向型天线又称为四臂螺旋天线，是在1968年由美国John Hopkinson大学应用物理博士Kilgus提出的，之后进行了深入的研究。该天线具备心型方向图，高前后比以及良好的圆极化特性，被广泛用于卫星通信系统，尤其被认为是理想的全球定位系统（GPS），北斗卫星通信系统（CNSS），以及卫星手机的接收天线。四臂螺旋天线拥有全向360°的接收能力，应用在北斗遥测终端并且安装在浮标上时，无论浮标如何摇晃，天线都能保持与卫星“握手”。如此就解决了平板天线在浮标上无法始终与卫星握手的问题，同时也能提高遥测设备数据的稳定性。另外，航标北斗遥测终端多是应用在浮标和灯桩之上，安装空间相对较小，设备的天线必须结构紧凑。四臂螺旋天线的特点便是其性能优良的圆极化半球波束、紧凑的结构和优良的环境适应性，十分适合应用在灯浮与灯桩之上。

2.2 终端设计

新型北斗遥测终端主要的功能和设备参数都与现在大量应用的北斗遥测终端一致，最大的改变就是应用了全向型的四臂螺旋天线。天线由四条特定弯曲的金属线条所组成，不需要任何接地，具备垂直天线的特性。因此，天线在任何方向都有3 dB的增益，增加了卫星讯号的接收时间。天线的技术参数见表1。

在电流电压采集方面设备使用外接线圈的方式，灯器的正极穿过线圈连接电源。这样的设计可以确保在遥测终端发生故障时灯器仍然能正常工作。终端的感应线圈最大能感应20 A的电流，能够适用航标处所有的负载设备。设备的外观部分见图1。

设备使用了全向型的四臂螺旋天线，因此高度要比现在所使用的北斗遥测终端高出许多，起初担心安装在浮标上是否会对灯光形成遮挡。通过现场的安装测试，确认了不会对灯光形成遮挡，见图2。

3 测试结果

新设备研制出来首先要做的就是测试。我们工作室成员第一时间对终端进行了遥测信号的测试。起初设定10 min发送一次数据，但一天只有三分之一的预设时间可以收到北斗数据。为此工作室与科研单位深入研究寻找原因，首先是设备在发送模式上存在着一些问题，其次是在工作室门口的场地测试，由于四周遮挡比较多，对天线水平方向的干扰相对较大，测试效果并不理想。针对这一问题研发小组对设备的软件进行了升级，并且找了一个四周开阔的场地再次进行测试。结果，新型北斗终端的遥测信号非常稳定，比起目前所使用的北斗终端有了显著的提升。目前，已有3套配有全向型天线的北斗遥测终端安装在现场测试使用，2套安装在导标上，1套安装在浮标上。为了确认新型北斗终端的数据丢包率是否有所降低，通过与同样安装在灯浮上的旧北斗遥测终端的遥测数据进行了比对，抽取同一时间段中二周的数据统计发现，新设备收到了294条遥测数据，而旧设备仅收到了224条。在理论上应该收到336条数据的情况下，新设备的丢包率降低了很多。下图是新设备与现有设备在浮标上的小时数据对比，见图3、图4。

4 设计生产和使用建议

通过反复测试以及现场使用情况的反馈，全向型天线的丢包率明显低于目前的北斗终端。但是在使用时仍然有一些需要注意的地方。四臂螺旋天線拥有全面向360°的收发能力。因此，为了保证信号的稳定，安装位置不能过低，并且四周不能有明显金属遮挡物，这样才能发挥设备最大的效率。

如今，北斗遥测终端上的全向型天线处于使用初期阶段，还存在着一定的不足。首先就是体积。全向型天线终端的体积要比使用定向型天线的终端大很多，尤其是高度方面。目前在浮标上大量使用的是北斗一体化航标灯器，而且一体化航标灯器在浮标上的应用一定会是将来的趋势。一体化灯器内部空间有限，对内置的北斗终端的体积有着较高的要求。就目前全向型天线的体积而言，根本无法安装于灯器内部。笔者认为，只有在保证收发功率的前提下尽可能地缩小天线的体积，这样全向型天线才能更大范围的被推广应用。

另一个缺点在于终端连接电缆的接头。新设备的连接接头设置的还不太理想，正常用手很难拧紧，必须借助扳手等工具，给现场操作人员带来了一定的不便，见图5。

5 结 语

新型全向型天线北斗遥测终端的推出，从使用效果来看已经很好地改善了北斗数据丢包的现象，增加了北斗遥测终端数据传输的稳定性。虽然设备仍然存在着一些不足，但通过日后的使用和升级会逐渐趋向成熟。全向型天线的应用将会是以后北斗遥测终端发展的方向。

参考文献

[1] 蔺炜.RFID标签天线及北斗四壁螺旋天线研究[D].广州：华南理工大学，2012.

作者介绍：

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

任 虹，高级工程师，（E-mail）1062368555@qq.com