梅楨+任立清

摘要：為提高FY-2系列靜止氣象衛(wèi)星測距成功率，本文介紹了風(fēng)云二號靜止衛(wèi)星測距分系統(tǒng)中運(yùn)用的步進(jìn)跟蹤的原理及實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行中的跟蹤方式，列舉出在天線跟蹤過程中的常見故障，分析了天線跟蹤不穩(wěn)定的原因。結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)程序更新前后的運(yùn)行狀態(tài)對比，分析得出導(dǎo)致天線偏移跟蹤的原因之一是步進(jìn)跟蹤方式本身具有精度差這一缺點(diǎn)，故在尋找信號主瓣時(shí)容易受到某些高強(qiáng)度旁瓣“誤導(dǎo)”，天線跟蹤偏移，導(dǎo)致天線無法自動(dòng)跟蹤上衛(wèi)星信號；原因之二有可能是串口通信有誤碼導(dǎo)致系統(tǒng)誤判，下達(dá)錯(cuò)誤指令。

關(guān)鍵詞：FY-2；天線跟蹤原理；跟蹤故障

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0238-02

Abstract：This paper provides an overview of principle of step-advance tracking in FY-2 satellite ranging subsystem and tracing modes of actual mission， common antenna tracking failures are enumerated， analyzes the causes of instability antenna tracking to improve the ranging success rate of FY-2 geostationary meteorological satellite.Contrasts states of before-and-after updated program ，the one of causes of tracking excursion is that step-advance tracking is less precise， antenna is misled by side lobe when antenna is searching main lobe， it leads to antenna cant track the correct signal.Another cause is that there is error code in the serial port， it leads to system make the error in command.

Key words： FY-2； Principle of antenna tracking； tracking failure

1 概述

風(fēng)云二號系列靜止氣象衛(wèi)星是我國第一代靜止氣象衛(wèi)星。1997年6月10日，我國發(fā)射了第一顆FY-2A試驗(yàn)星，2000年6月25日發(fā)射第二顆試驗(yàn)星FY-2B，兩個(gè)衛(wèi)星運(yùn)行穩(wěn)定。2004年，F(xiàn)Y-2C發(fā)射成功，與前兩顆相比，F(xiàn)Y-2C將掃描輻射計(jì)由三個(gè)通道增加至五個(gè)通道。至今，我國已經(jīng)正式投入業(yè)務(wù)的風(fēng)云二號靜止氣象衛(wèi)星有C星、D星、E星、F星和G星。靜止氣象衛(wèi)星的作用在氣象業(yè)務(wù)中十分重要。

為了使衛(wèi)星云圖具有準(zhǔn)確的區(qū)域性，地面系統(tǒng)需要對衛(wèi)星的軌道位置進(jìn)行定位[1]。風(fēng)云二號系列靜止氣象衛(wèi)星采用三點(diǎn)測距定位法。現(xiàn)有的氣象衛(wèi)星地面站為一個(gè)北京主站，三個(gè)副站分別位于廣州，烏魯木齊、佳木斯和墨爾本。實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)情況各地面站互相協(xié)調(diào)，互相備份，以保證測量其中三個(gè)點(diǎn)到達(dá)衛(wèi)星的距離，從而計(jì)算衛(wèi)星云圖的經(jīng)緯度。因此，測距分系統(tǒng)是其地面應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分[2]。本文將分析和討論在測距系統(tǒng)中，天線跟蹤過程里出現(xiàn)的問題。

2 跟蹤方式及原理

2.1 跟蹤方式

風(fēng)云二號衛(wèi)星采取的步進(jìn)跟蹤的跟蹤方式。衛(wèi)星的常用的跟蹤技術(shù)有步進(jìn)跟蹤，圓錐掃描跟蹤、單脈沖跟蹤[3]。步進(jìn)跟蹤設(shè)備簡單，穩(wěn)定性高，但是跟蹤速度較慢，精度一般。相比其他跟蹤方式，較適用于風(fēng)云二號系列這種不需要多頻度跟蹤且位置偏移較小的靜止衛(wèi)星。

步進(jìn)跟蹤的原理是搜索天線所接收波瓣的極大值。天線接收衛(wèi)星下發(fā)的信號后，經(jīng)接收機(jī)放大，輸出緩慢變化的信號。系統(tǒng)根據(jù)信號強(qiáng)度的變化及天線的運(yùn)動(dòng)方向，判斷天線后續(xù)的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)天線運(yùn)動(dòng)方向使接收到的信號強(qiáng)度增大，則繼續(xù)朝該方向進(jìn)一步；當(dāng)實(shí)時(shí)天線運(yùn)動(dòng)方向使接收的信號強(qiáng)度減小，則朝相反方向進(jìn)一步。天線的方位及俯仰均依照此規(guī)則運(yùn)動(dòng)，直到找到波瓣最大值，則停止運(yùn)動(dòng)。

2.2 跟蹤原理

跟蹤工作原理及測距系統(tǒng)又分為接收分系統(tǒng)，遙控分系統(tǒng)，發(fā)射分系統(tǒng)和監(jiān)控分系統(tǒng)等。

其中副站的監(jiān)控分系統(tǒng)分為任務(wù)狀態(tài)和聯(lián)試狀態(tài)。在任務(wù)狀態(tài)時(shí)，監(jiān)控分系統(tǒng)的工作是監(jiān)視副站設(shè)備工作狀態(tài)，完成設(shè)備切換等。副站設(shè)備的工作狀態(tài)監(jiān)測，故障定位，參數(shù)設(shè)置，主備切換，發(fā)射機(jī)高功放開關(guān)機(jī)等均可在監(jiān)控軟件的統(tǒng)一指揮調(diào)度下人工干預(yù)或自動(dòng)完成。

步進(jìn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)主要靠接收分系統(tǒng)和伺服配合完成。接收分系統(tǒng)由高頻接收機(jī)、中頻接收機(jī)、跟蹤接收機(jī)、開關(guān)機(jī)切換網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)校變頻器等組成。其主要功能之一便是由高頻接收機(jī)將天線接收來的遙測信號進(jìn)行變頻放大，跟蹤接收機(jī)對遙測信號殘留載波鎖相跟蹤，給伺服設(shè)備提供AGC電壓，由伺服設(shè)備實(shí)現(xiàn)步進(jìn)跟蹤。

3 現(xiàn)階段跟蹤常見問題分析

由于靜止衛(wèi)星與地球相對位置基本不變，故可以間隔若干小時(shí)進(jìn)行一次測距。但是在全天的運(yùn)行狀態(tài)中，需使天線始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，以保證測距時(shí)得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。如若三點(diǎn)測距過程中一個(gè)站點(diǎn)的天線出現(xiàn)偏移，沒有對準(zhǔn)衛(wèi)星，則測距失敗。故保證天線方位俯仰的準(zhǔn)確性，是測距成功的第一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

天線跟蹤不穩(wěn)定的原因有很多，例如衛(wèi)星信號不穩(wěn)定、電離層閃爍、日凌等[1]。就步進(jìn)跟蹤的特點(diǎn)來講，其中存在精度差這一缺點(diǎn)，它的“尋找最大值”跟蹤方式有一定可能使得天線偏移。如圖2所示，圖中波浪線模擬信號頻譜，A區(qū)表示天線所對應(yīng)衛(wèi)星下發(fā)的信號波主瓣，B區(qū)表示信號波旁瓣。當(dāng)天線在方位尋找最大信號值時(shí)，除了衛(wèi)星下發(fā)主瓣還會(huì)接收到旁瓣信號或者一些干擾信號。如若在步進(jìn)跟蹤過程中，天線進(jìn)入A區(qū)所在位置，則可以順利確定衛(wèi)星方位，直到天線轉(zhuǎn)動(dòng)到最大值X點(diǎn)位置后停止運(yùn)動(dòng)。然而若天線轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入B區(qū)所在位置，由于B區(qū)內(nèi)存在一個(gè)較大值Y點(diǎn)且B區(qū)離A區(qū)較遠(yuǎn)，在尋找Y點(diǎn)周圍沒有更大值后，判斷Y點(diǎn)對應(yīng)的天線位置為衛(wèi)星的位置，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)天線方偏移，且系統(tǒng)不能再找到正確的位置。此時(shí)必須人工干預(yù)，依照前幾日衛(wèi)星同一時(shí)間的方位，進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)天線方位和俯仰，直至AGC電壓值恢復(fù)正常。endprint

在實(shí)際業(yè)務(wù)的運(yùn)行過程中，對風(fēng)云二號衛(wèi)星采用綜合跟蹤的方式。綜合跟蹤是由記憶跟蹤和實(shí)時(shí)步進(jìn)跟蹤兩者共同作用。系統(tǒng)每間隔一段時(shí)間，對該時(shí)間點(diǎn)的天線位置進(jìn)行記錄并生成記憶日志，跟蹤時(shí)可以依照之前同一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在該數(shù)據(jù)浮動(dòng)較小的范圍內(nèi)進(jìn)行步進(jìn)跟蹤查找波瓣最大值。同時(shí)設(shè)置定時(shí)自動(dòng)跟蹤時(shí)間表，每間隔半小時(shí)進(jìn)行一次跟蹤，增加跟蹤頻率來保障測距時(shí)天線位置能夠準(zhǔn)確。

雖然綜合跟蹤的方式改善了天線跟蹤易偏移的情況，但在監(jiān)控界面可以看到，未跟蹤的情況還是偶有發(fā)生。對于自動(dòng)化程度高的風(fēng)云二號測距系統(tǒng)來說，未跟蹤屬于常見狀況之一。

圖3為天線跟蹤不上的典型狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件在任務(wù)狀態(tài)中可以自動(dòng)檢測副站設(shè)備的工作參數(shù)，運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，迅速確定故障位置，加以顯示和告警。此時(shí)可以從監(jiān)控界面上看到，跟蹤狀態(tài)欄顯示“未跟蹤”，AGC電壓值為1.81V，遠(yuǎn)低于正常狀態(tài)（此天線AGC正常狀態(tài)為4.0V以上）。由于天線控制單元內(nèi)設(shè)有跟蹤停止門限，當(dāng)判斷AGC值低于門限值時(shí)，控制單元便會(huì)下達(dá)指令停止繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，以防止下降至更低。所以在界面上可以看天線雖找不到最大值波瓣，但天線不再運(yùn)動(dòng)，顯示為靜止?fàn)顟B(tài)。

在老監(jiān)控程序中，天線跑偏后僅停止天線的轉(zhuǎn)動(dòng)及在日志中告警，并無任何操作。為了進(jìn)一步改善天線跑偏問題，新更新的監(jiān)控軟件增加了跟蹤檢測模塊。該模塊的功能是：根據(jù)定時(shí)跟蹤時(shí)間表，每次定時(shí)跟蹤完，判斷是否處于跟蹤狀態(tài)，如果不是，則該模塊對天線控制單元進(jìn)行命令補(bǔ)發(fā)，讓天線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)尋找最大值。命令對多補(bǔ)發(fā)5次，5次后天線若仍不能自跟成功，天線便停止。此時(shí)需要手動(dòng)操作。下次跟蹤時(shí)間點(diǎn)到了，再重復(fù)以上過程。相比老程序到門限值后天線直接停止運(yùn)動(dòng)，新增的這五次命令起到很大作用，在跟蹤偏移還不太遠(yuǎn)時(shí)及時(shí)矯正，增加跟蹤檢測模塊使得出現(xiàn)未跟蹤的次數(shù)大大減少。

除了天線未跟蹤及AGC值降低共同出現(xiàn)這種情況出現(xiàn)以外，在值班過程中還發(fā)現(xiàn)一類情況：即在AGC值完全正常的情況下，監(jiān)控軟件顯示未跟蹤。稍過一會(huì)又恢復(fù)正常。分析原因大約為串口通信有誤碼，導(dǎo)致軟件暫時(shí)誤判，待下一次再判斷時(shí)便可解除。由此也可以反向思考，天線跟蹤偏移時(shí)，串口通信的誤碼也有可能使軟件誤判天線未偏移，從而不下達(dá)矯正命令，導(dǎo)致長時(shí)間不運(yùn)動(dòng)的天線偏移太遠(yuǎn)最終無法自跟。

4 結(jié)束語

風(fēng)云二號作為我國第一代靜止氣象衛(wèi)星，經(jīng)過設(shè)備值守過程中逐漸發(fā)現(xiàn)問題，處理問題，到不斷針對常見故障進(jìn)行設(shè)備改造與程序升級，已更好實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化。跟蹤問題雖處理容易，但作為測距成功的第一環(huán)節(jié)，仍需值守人員認(rèn)真監(jiān)控，只要及時(shí)處理，就可以避免偶有發(fā)生的天線偏移導(dǎo)致的不良后果。保障天線跟蹤的成功，測距成功，保障衛(wèi)星定位的精準(zhǔn)度，便于更好的接收衛(wèi)星資料，最終實(shí)現(xiàn)氣象服務(wù)水平的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周海鶯，黃景淵，祝春萌，等.靜止氣象衛(wèi)星測距系統(tǒng)跟蹤不穩(wěn)定相關(guān)因素分析[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2011（6）：74-76.

[2] 馮小虎，夏景林，張志清.FY-2C星地面應(yīng)用分系統(tǒng)指令與數(shù)據(jù)獲取站[J].上海航天，2005，22（增刊1）：111-116

[3] 吳小妹，翁煒霖，劉厚智，等.步進(jìn)跟蹤技術(shù)在靜止衛(wèi)星三點(diǎn)測距副站中的應(yīng)用及探討[J].科技信息，2013（15）：87-88endprint