一种“快速通”应急通讯车的系统设计

2018-01-26汪欣

河北省科学院学报 2017年4期

汪欣

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081)

0 引言

“快速通”应急通讯车具有转移灵活、快速开通、无需基础建设等特点，具有良好的机动性，主要用于现场直播、抢险救灾等应急通讯场所，也可用于公安、消防、矿山、林区、石油地质勘探、科学考察等需要进行卫星通讯的领域。应急通讯车将采集、发射、接收、电源设备等集成在一辆小客车上，单车独立工作，可快速到达现场，对突发事件进行直播和指挥。

1 系统组成

“快速通”应急通讯车由信号采集设备、卫通设备、天线设备、供电设备和承载车辆组成。信号采集设备将现场采集到的视频和语音信号送至卫通设备，经过编码变频转变成卫星信号，通过天线传送至卫星，卫星将信号转送至中心指挥站，设备的供电全部由车上安装的发电机提供。系统组成框图见图1所示。

图1 应急通讯车系统组成框图

2 系统设计

2.1 承载车辆

车载1.8m天线收藏状态的外廓尺寸 (长×宽×高) 为 2700mm×1800mm×550mm，总重量约200kg。根据天线的收藏尺寸和实际使用要求，选用南京依维克NJ6686SJF5客车作为承载车辆。在车舱顶部安装天线，车舱内安装卫通设备机柜和操作台。应急通讯车的工作状态如图2所示。

图2 应急通讯车工作状态示意图

在车舱的中部横向安装一排机柜，并利用机柜将车厢隔离成前、后两部分，前部为设备舱，后部为天线舱。设备舱内安装机柜及操作台，机柜和操作台通过减振器与车舱底部相连，在驾驶员的后侧合适位置安装两个座椅，用于操作人员的乘坐，舱内提供舱内照明、空调等工作环境条件。天线舱内安装5kw发电机和电缆盘等附件。

应急通讯车运输状态的外廓尺寸 (长×宽×高) 为6870mm×2000mm×3252mm，总重量5000kg，满足公路运输和铁路运输条件。

2.2 信号采集设备和卫通设备

信号采集设备和卫通设备安装在舱内的机柜上，信号采集设备包括摄像机和话筒，可根据需要固定在车顶，也可采用移动的摄像设备。卫通设备包括编码设备、上变频设备、功放设备、发射设备和电源(外接电源、油机和UPS电源)等。摄像机采集到视频信号后，送至编码设备转变成数字信号，经过上变频设备变成射频信号，再经功放设备进行功率放大，最后通过天线将信号发射到卫星。

2.3 天线设备

2.3.1 天线

车载1.8m天线采用双偏置格里高利天线，克服了单偏置抛物面天线工作于线极化、圆极化时出现的交叉极化劣化波束倾斜的缺点。反射面采用蜂窝夹层碳纤维材料，不但成形精度高，而且不受环境温度变化的影响。天线馈源部分利用托架固定在俯仰滚筒上，工作时随滚筒转到与天线反射面达到合适的夹角后自动锁定，然后随天线俯仰继续转动至工作位置。

2.3.2 天线座架

根据天线的工作和运输方式，专门研制了方位-俯仰转台式小型化天线座，来解决天线超高的问题，这种座架的优点是运动相对独立，结构紧凑，轴向尺寸小，有足够的刚度和强度，非常适合此项目的要求。

2.3.3 伺服控制

伺服控制部分的ACU和ADU插箱安装在舱内的机柜上，自动快速跟踪技术采用天线自动捕获和自跟踪的组合工作方式。ACU根据设定的卫星位置、车体经纬度和采集到的车体航向、横纵倾角计算出天线的目标角度，然后利用ADU驱动电机，转动天线到目标位置，经过扇扫捕获过程，天线抓住目标后，即可转入步进跟踪状态，直到场强值最大为止。

2.3.4 天线罩

在车顶的天线下面安装一套流线型天线罩，增加天线罩后不改变原车的流线外形，并使整车的外形美观，同时起到保护天线的作用。

2.4 车辆改装

由于依维克客车为采购的成品车，无法满足天线及舱内设备的安装要求，所以需要对车辆进行改装。首先在车舱顶部安装固定天线的框架平台，平台是由横梁和纵梁焊接而成的钢质框架，与车顶连接紧固，并增加立柱与车底盘连接，保证克服在车辆紧急制动时天线的前冲及车辆转向时造成的侧倾和侧滑；其次是车舱内部提供机柜、操作台的安装接口，并对车底盘进行局部加强；舱内布局经过工业化设计，使舱内设备布局合理，操作简单方便，符合人机工程学的要求；舱内提供舱内照明、空调等工作环境条件；在大梁的下方安装4只手动调平支腿，运输时调平支腿收起悬挂在车底，工作时放下调平支腿，调平车体后便于天线转动，并使轮胎处于不受力状态。

3 分析计算

3.1 天线工作风速

天线在工作时受到风载荷、重力载荷、惯性载荷、摩擦载荷等几种主要载荷的作用，当载荷过大时，会导致天线变形过大，影响天线的工作精度。利用力学分析软件，计算出在8级风时(风速V=20 m/s)天线的最大变形在许可范围之内，天线能正常工作。

3.2 运输安全性

在车辆改装时，如要保持原车的行驶性能，保证车辆的行驶安全，应满足总重量不超重和轴荷分配合理两个基本条件。以穿过车体首尾中心线形成的平面、车辆后轴平面、水平地面为三个垂直平面，建立三维坐标系，三者的交点为O点，车头方向为x轴的正方向。主要装车设备的重量和坐标见表1所示。

表1 设备重量和坐标

汽车的总重量和重心位置由下式计算：

计算得出汽车的总重量G=4750kg，重心位置x=2112 mm，y=-5 mm，z=990 mm，由于原汽车的总重量要求不超过5000Kg，所以汽车的总重量符合要求。

依维克NJ6686SJF5的轴距L=3950mm，轮距B=1600mm，汽车的前轴荷G1=G·x/L=2540 Kg，后轴荷G2=G-G1=2210Kg，比较得知G1、G2<3000 Kg，前轴荷约占53%，轴荷分配合理。从汽车行驶稳定性考虑，汽车不发生侧翻的要求：φ1=B/2z=0.81>0.6，不发生纵翻的要求：φ2=x/z=2.1>0.6，φ1和φ2两项指标均大于0.6，汽车的行驶稳定性符合要求，汽车可以安全行驶。

3.3 工作安全性

天线在车顶工作时，由于天线和车体受到风力的作用，在遇到大风时，汽车可能产生倾覆或沿地面滑移，危及设备和人员的安全。所以要对天线工作时的安全性进行分析。当8级风时(V=20 m/s)，天线和汽车所受的风力矩M1=11875 N·m，汽车和天线的重力矩M2=38000N·m，抗倾覆安全系数K1=M2/ M1≈3.2 > 2，可见汽车在天线工作时是安全的。汽车和天线所受的风力F1=6706 N，汽车的摩擦力F2=14250 N，安全系数K2=F2/F1≈2.1>2，不产生滑移，汽车是安全的。

在10级风时(V=26 m/s)，F3=10932N，K3≈1.4<2，天线车处于危险状态，汽车随时可能发生滑移，产生危险情况。所以天线在车上工作时，8级风时不会出现倾翻、滑移的现象，天线能安全地正常工作。而当风力超过10级时，风载荷有可能使天线车产生滑移，处于危险状态，应将天线收藏入库，提前进行预防。