風云二號地面測距分系統(tǒng)副站天線跟蹤常見故障分析

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，本文介紹了風云二號靜止衛(wèi)星測距分系統(tǒng)中運用的步進跟蹤的原理及實際業(yè)務運行中的跟蹤方式，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)程序更新前后的運行狀態(tài)對比，分析得出導致天線偏移跟蹤的原因之一是步進跟蹤方式本身具有精度差這一缺點，故在尋找信號主瓣時容易受到某些高強度旁瓣“誤導”，天線跟蹤偏移，導致天線無法自動跟蹤上衛(wèi)星信號；原因之二有可能是串口通信有誤碼導致系統(tǒng)誤判，下達錯誤指令。

關鍵詞：FY-2；天線跟蹤原理；跟蹤故障

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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試驗星，2000年6月25日發(fā)射第二顆試驗星FY-2B，兩個衛(wèi)星運行穩(wěn)定。2004年，F(xiàn)Y-2C發(fā)射成功，與前兩顆相比，F(xiàn)Y-2C將掃描輻射計由三個通道增加至五個通道。至今，我國已經(jīng)正式投入業(yè)務的風云二號靜止氣象衛(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)務中十分重要。

為了使衛(wèi)星云圖具有準確的區(qū)域性，地面系統(tǒng)需要對衛(wèi)星的軌道位置進行定位[1]。風云二號系列靜止氣象衛(wèi)星采用三點測距定位法。現(xiàn)有的氣象衛(wèi)星地面站為一個北京主站，三個副站分別位于廣州，烏魯木齊、佳木斯和墨爾本。實際運行中根據(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點到達衛(wèi)星的距離，從而計算衛(wèi)星云圖的經(jīng)緯度。因此，測距分系統(tǒng)是其地面應用系統(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

風云二號衛(wèi)星采取的步進跟蹤的跟蹤方式。衛(wèi)星的常用的跟蹤技術有步進跟蹤，圓錐掃描跟蹤、單脈沖跟蹤[3]。步進跟蹤設備簡單，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)接收機放大，輸出緩慢變化的信號。系統(tǒng)根據(jù)信號強度的變化及天線的運動方向，判斷天線后續(xù)的運動方向。當發(fā)現(xiàn)實時天線運動方向使接收到的信號強度增大，則繼續(xù)朝該方向進一步；當實時天線運動方向使接收的信號強度減小，則朝相反方向進一步。天線的方位及俯仰均依照此規(guī)則運動，直到找到波瓣最大值，則停止運動。

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)分為任務狀態(tài)和聯(lián)試狀態(tài)。在任務狀態(tài)時，監(jiān)控分系統(tǒng)的工作是監(jiān)視副站設備工作狀態(tài)，完成設備切換等。副站設備的工作狀態(tài)監(jiān)測，故障定位，參數(shù)設置，主備切換，發(fā)射機高功放開關機等均可在監(jiān)控軟件的統(tǒng)一指揮調(diào)度下人工干預或自動完成。

步進跟蹤的實現(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、中頻接收機、跟蹤接收機、開關機切換網(wǎng)絡、標校變頻器等組成。其主要功能之一便是由高頻接收機將天線接收來的遙測信號進行變頻放大，跟蹤接收機對遙測信號殘留載波鎖相跟蹤，給伺服設備提供AGC電壓，由伺服設備實現(xiàn)步進跟蹤。

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進行一次測距。但是在全天的運行狀態(tài)中，需使天線始終對準衛(wèi)星，以保證測距時得到準確的數(shù)據(jù)。如若三點測距過程中一個站點的天線出現(xiàn)偏移，沒有對準衛(wèi)星，則測距失敗。故保證天線方位俯仰的準確性，是測距成功的第一關鍵環(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]。就步進跟蹤的特點來講，其中存在精度差這一缺點，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)表示天線所對應衛(wèi)星下發(fā)的信號波主瓣，B區(qū)表示信號波旁瓣。當天線在方位尋找最大信號值時，除了衛(wèi)星下發(fā)主瓣還會接收到旁瓣信號或者一些干擾信號。如若在步進跟蹤過程中，天線進入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)動到最大值X點位置后停止運動。然而若天線轉(zhuǎn)動進入B區(qū)所在位置，由于B區(qū)內(nèi)存在一個較大值Y點且B區(qū)離A區(qū)較遠，在尋找Y點周圍沒有更大值后，判斷Y點對應的天線位置為衛(wèi)星的位置，這時就會出現(xiàn)天線方偏移，且系統(tǒng)不能再找到正確的位置。此時必須人工干預，依照前幾日衛(wèi)星同一時間的方位，進行手動調(diào)節(jié)天線方位和俯仰，直至AGC電壓值恢復正常。endprint

在實際業(yè)務的運行過程中，對風云二號衛(wèi)星采用綜合跟蹤的方式。綜合跟蹤是由記憶跟蹤和實時步進跟蹤兩者共同作用。系統(tǒng)每間隔一段時間，對該時間點的天線位置進行記錄并生成記憶日志，跟蹤時可以依照之前同一時間點的數(shù)據(jù)，在該數(shù)據(jù)浮動較小的范圍內(nèi)進行步進跟蹤查找波瓣最大值。同時設置定時自動跟蹤時間表，每間隔半小時進行一次跟蹤，增加跟蹤頻率來保障測距時天線位置能夠準確。

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。對于自動化程度高的風云二號測距系統(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)軟件在任務狀態(tài)中可以自動檢測副站設備的工作參數(shù)，運行狀態(tài)。當設備出現(xiàn)問題時，迅速確定故障位置，加以顯示和告警。此時可以從監(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)設有跟蹤停止門限，當判斷AGC值低于門限值時，控制單元便會下達指令停止繼續(xù)運動，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，但天線不再運動，顯示為靜止狀態(tài)。

在老監(jiān)控程序中，天線跑偏后僅停止天線的轉(zhuǎn)動及在日志中告警，并無任何操作。為了進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)定時跟蹤時間表，每次定時跟蹤完，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行命令補發(fā)，讓天線繼續(xù)運動尋找最大值。命令對多補發(fā)5次，5次后天線若仍不能自跟成功，天線便停止。此時需要手動操作。下次跟蹤時間點到了，再重復以上過程。相比老程序到門限值后天線直接停止運動，新增的這五次命令起到很大作用，在跟蹤偏移還不太遠時及時矯正，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。稍過一會又恢復正常。分析原因大約為串口通信有誤碼，導致軟件暫時誤判，待下一次再判斷時便可解除。由此也可以反向思考，天線跟蹤偏移時，串口通信的誤碼也有可能使軟件誤判天線未偏移，從而不下達矯正命令，導致長時間不運動的天線偏移太遠最終無法自跟。

4 結(jié)束語

風云二號作為我國第一代靜止氣象衛(wèi)星，經(jīng)過設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行設備改造與程序升級，已更好實現(xiàn)設備的自動化。跟蹤問題雖處理容易，但作為測距成功的第一環(huán)節(jié)，仍需值守人員認真監(jiān)控，只要及時處理，就可以避免偶有發(fā)生的天線偏移導致的不良后果。保障天線跟蹤的成功，測距成功，保障衛(wèi)星定位的精準度，便于更好的接收衛(wèi)星資料，最終實現(xiàn)氣象服務水平的提高。

參考文獻：

[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)定相關因素分析[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡，2011（6）：74-76.

[2] 馮小虎，夏景林，張志清.FY-2C星地面應用分系統(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.步進跟蹤技術在靜止衛(wèi)星三點測距副站中的應用及探討[J].科技信息，2013（15）：87-88endprint