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由中国科学院自主设计建设的500 m口径球面射电望远镜 (以下简称FAST) 是世界上最大的单口径射电望远镜, 坐落于贵州省平塘县境内的天然喀斯特地形地貌偏远山区。这个在国内外影响重大的前沿科学工程项目, 受到全国人民的普遍关注。

从2011年开始, 中央电视台综合、新闻、中文国际等频道采用不同的形式对FAST项目施工建设的多个关键节点, 包括开工奠基、圈梁钢结构的安装、索网合拢、馈源舱吊装、反射面单元完工等事件都进行了直播报道。作为提供全程直播技术支撑保障的贵州广播电视台, 为提升媒体宣传效果, 多路由、全方位、立体展示FAST的丰富内容。

我们按照近年来国家*电总广局**提高科技含量, 融合媒体传播新技术以提升媒体宣传水平的相关要求, 针对FAST巨型工程的直播特点, 于2011年开始组织专人成立项目组, 与央视报道团队紧密合作, 通过实地考察和深入研究, 大胆整合有线传输、微波中继、GoPro、无人机、鹰眼等多种技术手段, 设计出专门针对类似FAST这种“巨大工程”的立体式多机位直播摄制系统。并按照每次直播报道侧重点的不同精心策划直播方案, 完美实现了“天上地下”完美融合的多场直播制作传输, 让观众仿佛置身于工程现场, 更深层次的了解到我国FAST巨型科技工程的神奇与伟大, 保证了直播效果, 得到了央视的高度评价, 为宣传科技强国、宣传贵州做出了应有的贡献。

讯道方案

FAST项目工程巨大, 在贵州省乃至全国来说都是大项目。历时20多年的项目, 各大媒体对项目成长都给予了重大关注。为了完整呈现工程全貌, 充分展现空间的立体感, 结合央视直播需求, 设计出如图1所示的关键节点分布图。

图1 直播系统关键节点分布图

A点:此点是传输中心节点, 位于射电望远镜正南面的小窝凼。把此处设置为中心节点, 是由于工程四面环山, 只有这个位于南面视野开阔之地才有利于卫星信号发射。同时, 其地势平坦, 视野开阔, 具备供电等动力保障, 有利于信号汇集。为了方便拍摄反射面的安装以及起吊, 该处设置两个有线讯道主机位, 都在100 m范围内, 方便记者出镜采访。A点还有无人机航拍接收和4G移动传输讯道各一个, 结合专家的讲解, 可以让直播画面更加丰富完整。

B点:位于望远镜的圈梁钢结构上, 也就是锅面边沿上。此处机位除了能近距离录制锅面画面外, 还能居高临下的录制到小窝凼A点的现场情况以及塔吊作业情况。由于FAST巨大的锅体对微波信号的屏蔽作用, 从信号传输上说, 圈梁钢结构还能作为微波中继, 对其他无法直传到A点的信号进行中转。同时, B点还设有GOPRO和鹰眼的接收装置, 解码还原GOPRO无线信号鹰眼信号, 以有线方式传送到A点。

C点:在射电望远镜的东侧, 有一高山约300 m, 山头俯视正好看见整个望远镜坐落在群山之中的谷底。摄像机加上广角, 高点拍摄画面非常震撼, 有线机位无法架设, 采用定向微波进行无线传输。此处在山顶悬崖峭壁处, 风大雨大, 拍摄难度和传输难度都相当大。

D点:位于望远镜谷底最低点的基墩处, 位移中心点250 m以上。直播中仰望头顶馈源舱的升降, 最后一块反射单元的安装施工等细节, 都需要在此处拍摄, 信号传输采用定向微波通过B点中继, 在A点汇集。同时D点还有一个GOPRO机位, 此机位设备轻, 利于机动拍摄, 信号通过发端传送到B点位置的GOPRO接收解码器。

E点 (图中1234四个机位为鹰眼机位) :E点是分别位于钢缆1234四个地方的鹰眼机位, 负责在上空沿着钢缆轨道进行立体拍摄, 拍摄信号经无线微波传输到B点进行解码还原, 然后以有线的方式送达A点。

整个讯道方案的结构如图2所示, 从方案可以看出, 这是一个较完善的拍摄机位和传输讯道方案, 难度较大, 复杂性较高, 同时拍摄效果较好。

图2 讯道方案

传输方案

传输方案由信号处理系统、EFP系统和发射系统三部分组成, 下面对这三个系统分别进行介绍。传输方案如图3所示。

信号处理系统

随着讯道系统方案搭建的完成, 所有信号都已经集中到了A点中心位置。此时A点的HD-SDI信号有:A点有线机位信号2路, B点机位信号、C点机位信号、D点机位信号、Gopro信号、无人机信号、鹰眼信号等共计8路HD-SDI信号;A点的AUDIO信号有:A点有线机位音频2路、B点机位音频、D点机位音频等共计4路音频信号按设计将所有信号全部接入信号处理系统。如图3中a框所示。

图3 传输方案

信号进入信号处理系统, 线缆都为100~200 m不等, 拿最长的一条线缆来检测, 用Tektronix WFM7120测试眼图 (EYE) , 如图4所示。经测试发现指标太差, Eye Amplitude达到321 m V, Eye Risetime和Eye Falltime连指标都不能显示。这样的信号根本不能用, 必须对信号进行处理, 如图4a所示。经研究决定, 决定采用增加帧步设备来对信号进行处理。

经过帧同步设备的处理后得到HD-SDI信号的Eye Amplitude为807 m V, Eye Risetime为161 ps, Eye Falltime为141 ps, Eye Rise-Fall为20 ps, P-P Jitter1为269 ps, P-P Jitter2为90 ps, 可见, 处理后得到眼图的测试数据, 各项指标已经达到广电传输要求, 可以使用 (如图4b所示) 。后面又测试了好几条线缆, 结果都不能完全达到广播级要求, 都需要进行信号处理。于是将所有信号源全部接入帖同步器处理, 输出信号接入EFP系统。

图4 眼图

音频电缆较多, 从不同设备出来的音频效果也都不一样。为了达到理想的收听效果, 将4路音频全部接入响度控制设备, 该设备具有自动增益控制功能。经响度控制后, 音量很小的线路音频得到了提高, 音量过大的线路音频被强降下来, 而且输出音频效果较好, 幅度都在正常范围内, 达到广电音频标准, 然后将其接入EFP系统。

EFP系统

来自信号处理系统的8路HD-SDI信号和4路AUDIO信号分别接入EFP系统。如图3中b框所示。HD-SDI信号接入EFP系统里面的切换台, 该切换台为带有同步信号发生器的特技效果切换台。切换台首先会对送入的HD-SDI进行时钟同步处理和时钟再生处理, 以得到标准幅度信号, 然后完成切换台核心切换功能。经切换台切换后的PGM-SDI信号送入嵌入器。

AUDIO信号接入EFP系统里的调音台, 经调音台控制并选择一路或多路音频进行音频混合 (音混) , 调节好音量的大小后送入嵌入器嵌入到HD-SDI信号中, 得到带有音频信号的HD-SDI信号。然后送入发射系统, 通过节目编播统筹调度, 此时EFP系统的工作就已经完成。图5为EFP系统实例。

发射系统

EFP系统处理完成后输出两路HD-SDI信号送入发射系统, 如图3中c框所示。经系统帧同步器进行处理, 输出符合标准的HD-SDI信号。经主备下变换器 (本台使用的是HARRIS X50, 以下简称X50) 对信号进行声画同步调节处理和标清转换。

图5 EFP系统实例

X50可以对声画同步进行处理。因为声画不同步的现象大多表现为声音在前画面在后。按照这一现象规律, 在X50里正好可以找到解决的办法, 就是调节声音的延时以达到声画同步的目的。X50的另一功能是下变换功能。下变换就是把HD-SDI信号转换成SD-SDI信号。其变换模式有:Edge crop (切边模式) 、Letter box (信箱模式) 、Squeeze (挤压模式) 等模式。

根据央视不同频道的转播需要分别进行切边模式为4∶3 Cut, 或者挤压模式为Anamorphic转换。转换后得到的SD-SDI (或原始HD-SDI) 信号分别接入主路卫星车 (如图6a所示) 和备路便携上行站 (如图6b所示) 。经编码、调制、上变频、功放和天线将信号发射到指定卫星转发器, 完成卫星信号上行传输工作。

卫星上行作为整个传输系统的最后一个关键环节, 为保障这一重要节点的高安全稳定性, 考虑到了现场较差工作环境和随时会下大雨的情况, 利用车载上行作为主路, 便携上行作为备路, 由专人负责双路输出保障, 主路出现故障时保证3 s内备路立刻上行。这一主备上行系统曾多次在较差的环境下使用过, 均能稳定运行, 经受住了时间和空间的考验。发射系统实例如图6所示。

图6 发射系统实例

项目特点

项目特点由立体式全方位机位布局、现场节目切换合成和卫星上行传输等三部分组成, 下面对这三个系统分别进行介绍。

立体式全方位机位布局

立体式全方位展示FAST的丰富内容, 让具有世界影响力和世界先进技术FAST工程项目为更多观众朋友所了解。机位的合理布局和安排是整个项目的首要关键, 如表1所示。

表1 机位布局说明

在这样复杂的环境下进行机位的架设和高科技的拍摄, 难度相当大。为了达到预期的效果, 技术人员扛上设备爬上超过300 m高的山顶悬崖峭壁处去采点、背上超过15 kg的设备爬上超过100 m高钢架结构的圈梁上去测试信号、徒步1 km左右的盘旋路来到FAST基墩处去安装微波。在克服重重困难之后, 越是这种坚苦环境下架设的机位, 拍摄的画面越能彰显FAST工程的宏伟。机位实拍如图7所示。

图7 机位布局实例

现场节目切换合成

直播现场的节目制作常用电视转播车的车载系统来完成。转播车就是一个移动演播室, 安装有在演播室同样的切换台、调音台、音频嵌入器、音频解嵌器、录像机、同步机、字幕机、上下变换器等设备, 能完成节目制作、节目编辑、特效处理等工作。但FAST项目所在地, 喀斯特地形地貌特征较为突出, 山高山大山险, 路面凹凸不平, 弯度较大较多, 大中型车辆根本无法通行。特别是在FAST施工现场, 牵引钢绳索较多, 造成本台大型转播车无法到达, 给直播带来了相当大的难度。

经与央视节目部门人员多次探讨, 结合现场实际情况, 决定采用订制的电子现场切换制作系统 (EFP系统) 用于完成整个工程期间的节目摄录工作。EFP系统体积较小, 采用航空箱设计, 功耗较小, 完全能胜任在复杂环境下简单的节目制作需求。由于项目施工现场条件较为恶劣、机位较多、摄像品牌复杂、悬崖峭壁和圈梁高空危险机位较多、高科技产品运用的兼容性等原因, 对传统而具有简单功能的EFP系统进行了改造, 设计出专门针对“巨大工程”的立体式多机位直播摄制系统, 实现了“天上地下”完美融合的直播制作系统, 让观众仿佛置身于工程现场, 保证了直播效果。

卫星上行传输

在FAST项目的多次直播中, 现场信号都是由EFP系统制作后送卫星车和便携上行站进行上星。通过125·E (中星6A号卫星) 、100.5·E (亚洲5号卫星) 或105.5·E (亚洲7号卫星) 等卫星的KU波段转发器进行多边传送, 央视总控接收解码并完成央视综合、新闻、中文国际等频道直播。同时, 本台卫视频道和公共频道也对该项目进行深入的直播报道和新闻采集。其直播内容丰富, 辐射面较广, 反响较大。作为传输的最后一个环节, 信号发射总是重中之重。在多讯道节目制作中, 某一路现场信号中断, 仅仅只是影响节目制作效果而已。但是对于信号发射环节来说, 如果出现问题将是整个路由中断而影响直播。

在没有稳定光缆保障的情况下, 为了保证卫星上行的安全性, 为了保证边远山区复杂地形条件下的直播, 选用越野性较强的悍马卫星车搭载便携上行站的组合来完成信号发射的工作就显得非常之重要。这正是针对喀斯特天坑复杂地形地貌设计出的高机动现场制作直播传输系统的一个缩影。如果卫星车能够到达现场, 可以搭建一个以卫星车当主, 便携站当备的高安全发射系统;一旦卫星车不能到达现场, 便携站的优势就体现出来了, 工作人员可以背上便携站前往现场执行任务。在没有供电的情况下, 系统配备的便携电池可以支撑1 h左右的上行时间, 这样在极端条件下的应急直播也可得以保证。

信号传输难点

1) 在复杂环境野外直播, 转播车不能到达, 为多机位立体式的直播带来了困难。

2) 机位多而散, 地点高而险, 简单的有线机位无法完美展现这个巨型工程。

3) 反射面安装即将完成, 对无线信号的反射、吸收、干扰较强, 无线传输难度加大。

解决办法

1) 有针对性定制搭建现场电子切换制作系统, 解决转播车无法到达的问题。

2) 综合运用现代高科技设备 (如无人机、GoPro、鹰眼、4G移动拍摄等) 进行拍摄, 解决了传统有线机位无法拍摄的画面。

3) 科学设计传输中继点, 利用微波中继, 选择好不同的频道、极化方式, 合理规划好各无线设备频率, 避免无线信号之间相互串扰, 同时, 加入4G移动拍摄作为辅助的素材采集传输。

项目主要创新点

1) 喀斯特天坑复杂地形地貌高机动现场制作直播传输系统

针对贵州特有的喀斯特复杂地形地貌、现场道路险阻、大型转播设备无法到达的情况, 设计了高机动现场制作直播传输系统。采用了高机动性的电子现场制作系统 (EFP) 来进行现场拍摄、编辑、切换。在下游传输链路, 使用卫星车作为主要的卫星传输设备, 便携卫星上行站作为卫星传输备用链路。整套系统能够收纳并由一辆悍马卫星车搭载运输到地形复杂的直转播场地。电子现场制作系统以及便携卫星上行站的系统组合还可以由人员运输到任何车辆无法进入的场地架设。

2) “巨型工程”立体式多机位直播摄制系统

由于摄制对象巨大, 摄制目标众多。FAST射电望远镜工程属于“巨型工程”, 整个表面积有将近30个足球场大小。摄制要求将整个发射面安装程序作为主要直播内容点, 还需要展示馈源窗的升降、圈梁钢结构和索网、发射面全景、天文台专家讲解等内容。现场环境复杂, 地形险峻, 摄制直播范围广。因此针对“巨型工程”施工拍摄直播, 我们设计专门针对“巨大工程”的立体式多机位直播摄制系统。整合有线、微波、GoPro、无人机、鹰眼等多种摄制技术。在圈梁钢结构上架设有线、微波设备作为中继和固定机位, 使用Gopro、无人机、鹰眼等设备作为移动机位, 解决了直播点多、地理位置不便等问题。

奠基开工仪式

奠基开工仪式是在A点小窝凼举行, 开工仪式主要是FAST工程领导讲话致辞。在传输上, 我们利用双路有线机位切换和传输系统相结合进行了连线直播。

圈梁钢结构的合成

2014年9月, 在圈梁钢结构施工完成时候, 利用四路有线机位切换, 嵌入音频后直接上行传输直播。

索网和馈源舱

索网分为主索网和下拉索, 为整个反射面的的筋骨, 索网安装复杂, 工程量大, 馈源舱由6座百米高的巨型支撑塔牵引, 控制其升降。节目制作和发射方面, 利用EFP系统, 5讯道切换, 无人机信号接入帧同步板较正整型, 嵌入音频后直接利用卫星车进行上星传输。

反射面单元安装

第一块反射面单元在小窝凼工程现场组装并成功吊装, 在整个直播中, 重力工程机械的声音更能带来现场感。节目制作和发射方面, 利用EFP系统, 5讯道切换, 无人机信号接入帧同步板较正整型, 同时嵌入现场专家解说和现场机械拾音音频后利用卫星车进行上星传输。

主体竣工

最后一块反射面单元的吊装意味着历经5年施工的FAST项目主体安装完工, 这次直播也是系列直播中机位最多, 直播时间最长 (全程约两小时) 、信号传输最复杂的一次。除了整个反射面安装程序作为主要直播内容点之外, 馈源舱的升降、圈梁钢结构和索网、天文台专家讲解等也是直播中不可或缺的内容。根据节目制作要求, 整合有线机位, 利用微波中继、无人机、Gopro、鹰眼等高科技直播设备的使用和传输路由的多样化设计, 实现了拍摄视角更多更广, 同时插入FAST项目专家采访、科普知识、预录制的工程介绍及其他花絮, 全面、立体地展现了FAST的整个竣工过程, 圆满地实现了前期规划融入高科技理念以提升视觉冲击力, 使画面更美、节目更出彩的目标。

为了更好地宣传FAST项目的工程进度, 配合央视直播以及贵州台自身宣传需要, 由贵州广播电视台设计并搭建的FAST射电望远镜直播传输系统, 紧密结合贵州喀斯特地貌复杂险峻、施工主体巨大, 电视摄制和信号传输技术难度极大的实际情况, 大胆采用新技术新理念, 在保证安全性的基础上, 科学合理设置拍摄机位和传输路由, 展现了极好的画面效果。特别是在竣工时的联合直播中, 利用多种高科技传输工具和手段 (有线传输、微波中继、GoPro、无人机、鹰眼等) 实现了立体式直播摄制, 成为系统应用的一大亮点。该系统结构合理, 主次分明, 为中央电视台和贵州广播电视台多个频道的直播和新闻连线提供了强有力的技术保障, 为宣传科技强国, 宣传贵州做出了较大的贡献。

《500米口径射电望远镜FAST分布式通信系统的设计》

《喀斯特地貌研究进展与趋势》

《巨型工程与城市发展》