風云三號氣象衛(wèi)星4.2 m天線接收系統(tǒng)優(yōu)化設計及實施

任立清，梅 楨

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站地理位置十分特殊，其衛(wèi)星資料接收質量至關重要。近年來，電磁環(huán)境影響衛(wèi)星資料的接收是每個衛(wèi)星遙感資料地面接收站都會遇到的問題，因此衛(wèi)星站一直以來都非常重視周邊的電磁環(huán)境。在蜘蛛山極軌接收站區(qū)建設FY-3氣象衛(wèi)星地面接收站時，做了多次電磁環(huán)境測試，從而了解周圍的電磁環(huán)境。

氣象衛(wèi)星地面數據接收系統(tǒng)是氣象衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)的前端[1]。風云三號氣象衛(wèi)星4.2 m天線系統(tǒng)主要負責接收風三衛(wèi)星過境時發(fā)送的L波段實時氣象資料（HRPT）、X波段實時氣象資料（MPT）以及X波段延時氣象資料（DPT）等，同時負責接收其他遙感衛(wèi)星數據。國家衛(wèi)星氣象中心運行控制室每天向下屬的4個站（北京、廣州、烏魯木齊以及佳木斯）發(fā)送衛(wèi)星運行軌跡的兩行元素，各地面站根據兩行元素計算出風三衛(wèi)星當天每條軌道的衛(wèi)星跟蹤軌跡數據[2]。在衛(wèi)星入境的起始低仰角階段，地面站天線根據事先計算好的衛(wèi)星過境軌跡數據進行程序捕獲跟蹤。

極軌氣象衛(wèi)星4.2 m天線資料接收系統(tǒng)在烏魯木齊衛(wèi)星站建設C塔、D塔以及E塔，用于接收我國第一代FY-3A、B、C氣象衛(wèi)星資料。FY-3衛(wèi)星資料的頻率配置為1.7 GHz、7 GHz以及8 GHz，而8 GHz既是很常用的微波頻段又是衛(wèi)星通信，因此FY-3衛(wèi)星使用8 GHz的DPT云圖頻率很容易受到微波干擾，使接收的FY-3系列衛(wèi)星HRPT、MPT以及DPT數據信號時均出現不同程度的丟幀現象，嚴重影響了衛(wèi)星云圖的接收質量[3]。

1 4.2 m天線接收分系統(tǒng)組成原理

4.2 m天線接收分系統(tǒng)同時接收X頻段和L頻段的信號。其中，X頻段信號經過X頻段/2.0～2.7 GHz下變頻器后與接收的L頻段信號一起經過光纖發(fā)送接收設備進入射頻開關矩陣。射頻開關矩陣輸出的L頻段信號通過L頻段/720 MHz下變頻器進入中頻開關矩陣，2.0～2.7 GHz的信號通過DPT變頻解調進機分系統(tǒng)變頻到720 MHz后進入中頻開關矩陣[4]。

中頻開關矩陣輸出720 MHz的中頻信號，經過低速率PSK解調／解碼器后的數字基帶信號經過數據分配矩陣進入低速率進機分包子系統(tǒng)，進行數據處理、存儲以及傳輸。4.2 m天線接收分系統(tǒng)3套設備通過射頻開關矩陣、中頻開關矩陣以及數據分配矩陣形成互為備份的關系，其目的是提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

4.2 m天線接收分系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 4.2 m天線接收分系統(tǒng)組成框圖

2 電磁環(huán)境干擾對衛(wèi)星信號的影響及對策研究

2.1 頻率干擾嚴重影響極軌氣象衛(wèi)星云圖資料的接收

最初用C塔接收FY-3B信號時經常出現中斷現象，觀察發(fā)現3部4.2 m天線塔在實際接收FY-3衛(wèi)星數據時解調器經常出現失鎖現象，造成云圖丟線。檢查設備狀態(tài)，人工轉動天線觀察頻譜變化，在確認系統(tǒng)無故障的情況下，多種組合配置后現象仍然如此。查找原因判斷不是室內設備問題。用頻譜儀觀察射頻矩陣入口的C塔信號，發(fā)現干擾信號高于云圖信號，分析可知天線自跟蹤在干擾信號上，造成有用信號中斷導致軌道接收失敗。外部的干擾信號影響了云圖信號的正常解調，干擾信號遠遠高于接收的衛(wèi)星信號，最強的方位是微波塔的方向，甚至淹沒了衛(wèi)星信號，嚴重影響衛(wèi)星資料的接收。

經過多次測試、分析及試驗后，結合衛(wèi)星下行信號的強度，將天線設置為程序跟蹤，調低接收機底噪和光端機增益，情況有所改善，但實時接收的MPT信號降低，衛(wèi)星云圖出現大量丟線。因采用程序跟蹤接收，所以一定程度上依賴于下發(fā)的精軌根數，當衛(wèi)星漂移較多時，程序跟蹤無法接收到最大信號，天線的跟蹤AGC較低，后端解調器就會失鎖，云圖出現誤碼丟幀。將FY-3B信號改至E塔接收，雖偶有失鎖現象但總體接收情況遠遠好于C塔和D塔的接收，因此在接收策略中將其設置為FY-3系列衛(wèi)星資料的備份天線，C塔和D塔做為接收NOAA等衛(wèi)星資料的接收主天線。

2.2 分析頻率干擾對4.2 m天線接收信道的影響

雖然C、D以及E塔的4.2 m信號低于12 m信號，但天線增益在8 GHz時大約為47 dB，可見天線有足夠的增益接收FY-3衛(wèi)星資料。4.2 m天線為標準拋物面天線，焦徑比F/D=0.35[5]。天線增益表示天線聚集波束的能力，其大小為天線在最大輻射方向所輻射的功率與各個方向都均勻輻射的天線在同一方向上輻射的功率之比。在兩天線輸入功率相同的條件下，天線工作波長固定時，天線口徑面積越大增益就越高，如果天線口徑面積固定，那么工作波長越短天線增益就越高。此外，4.2 m天線前端并沒有任何措施應對周圍電磁環(huán)境干擾的設備，而12 m前端無論是跟蹤差通道還是云圖的合路信道，X和L頻段均裝有濾波器件，能夠有效濾除干擾信號。

3個4.2 m天線塔的布局是E塔在機房樓頂上，射頻信號通過電纜傳輸到射頻矩陣，C塔和D塔距離機房較遠，通過光端機進行射頻信號傳輸。光端機由光發(fā)送模塊和光接收模塊組成，其中光端機發(fā)送模塊（用Tx表示）安裝在塔基機房，光端機接收模塊（用Rx表示）安裝在設備機房。光發(fā)送模塊將射頻輸入信號轉變?yōu)椴ㄩL1 310 nm的光信號，通過光纖傳送到設備機房的光接收模塊再轉變?yōu)樯漕l信號，利用光纖的低損耗特性完成射頻信號的低損耗傳輸。光端機采用ORTEL公司的光發(fā)送接收模塊，在發(fā)送和接收端均有20 dB的增益調節(jié)范圍，具體調節(jié)可通過各模塊的前面板電位器完成。

蜘蛛山上8.3 GHz的電磁環(huán)境中，干擾信號非常強，高于有用信號，有可能導致光端機增益飽和，工作狀態(tài)不穩(wěn)定，在一定程度上影響C塔和D塔云圖信號的接收，造成C塔和D塔信道后端解調器失鎖，云圖大量丟線。S頻段（X頻段8.3 GHz為S）干擾信號頻譜如圖2所示，

圖2 S頻段2.6 GHz干擾信號頻譜

分段測試C塔、D塔以及E塔4.2 m的X信道和L信道，分析影響信號傳輸質量的原因，改造信道，增強傳輸信道抗干擾能力，在長距離傳輸過程中保證信號的傳輸質量，使接收的信號電平在解調器工作范圍內，確保云圖接收質量。

2.3 放大有用信號，抑制頻率干擾

將信號源放置在天線塔內，發(fā)射X頻段信號送入低噪聲放大器，通過接收信道放大變頻，用頻譜儀監(jiān)測電平值。與頻譜儀監(jiān)測實時接收的衛(wèi)星信號電平值進行比對，從監(jiān)測結果查找、分析并解決信號傳輸問題。利用頻譜儀分段測試4.2 m的3個塔信號，記錄讀數分析測試結果可知，3部4.2 m天線中E塔信號最低。將放大器加裝在E塔、C塔及D塔信道的第一變頻器后端進行測試，從機房射頻矩陣入口處接頻譜儀并讀數，3個塔的信號都不同程度增加（C塔和D塔的光端機保持原狀態(tài)不變），資料接收情況明顯好轉。

3 改造接收信道，提高抗干擾能力

3個4.2 m天線塔位置不同，信號傳輸方式也不同，用兩種不同的方法解決頻率干擾問題。FY-3A和FY-3B衛(wèi)星的MPT云圖頻率設定為7 775 MHz，帶寬為30 MHz，DPT云圖頻率設定在8 145 MHz，帶寬為140 MHz。由于接收系統(tǒng)受到8.3 GHz頻率干擾，因此要消除干擾信號的影響需要采用濾波技術來抑制干擾源，消除耦合或提高接收電路的抗干擾能力[6]。這里采用窄帶濾波器，但窄帶濾波抑制帶外信號的同時，對帶內信號也有損耗，使信道的噪聲增大，系統(tǒng)的載噪比降低，因此要合理使用濾波器，將干擾信號抑制到對信道影響最小[7,8]。

在衛(wèi)星資料接收系統(tǒng)中，射頻信號經過濾波器、低噪聲放大器以及中頻放大器等單元模塊的傳輸后都會產生噪聲，使信道的傳輸質量變差。作為無源器件的濾波器，對信號有一定的損耗，將其安裝在哪個位置對信道影響最小是需要考慮的重要因素。安裝位置可以有3種，一是安裝在饋源輸出與低噪聲放大器輸入之間，二是安裝在低噪聲放大器輸出端口，三是安裝在第一級高放與第二級放大器之間。如果只考慮抑制干擾信號，最佳選擇是將濾波器安裝在低噪聲放大器之前，這種方法抑制干擾最佳，但增加了信道的噪聲，導致接收到的衛(wèi)星信號比之前更差。而第二種與第三種安裝方法效果差不多，噪聲都比較小[9,10]。分析可知抑制鄰頻強干擾的性能應該是第三種比第二種的效果更好，因此采用第三種方法，將濾波器安裝在第一級高放與第二級放大器之間。

為了減少E塔的射頻傳輸電纜，將第一變頻器上移至低噪聲放大器后端，使傳輸8 GHz信號的電纜由20 m左右減到7 m，減少射頻信號的傳輸損耗。在變頻器2 GHz信號的輸出口裝濾波器，濾除2.6 GHz干擾信號。加濾波器后的信號頻譜如圖3所示。

圖3 加裝濾波器后的S頻段信號頻譜

E塔在濾波器輸出端加放大器，放大后的云圖信號經低損耗電纜傳輸至機房，接入到射頻矩陣上。改造后，E塔在傳輸噪聲不變的情況下，有用信號提高了12 dB，有效改善了有用信號的傳輸質量，所收云圖的丟幀誤碼明顯減少。

C塔和D塔的第一變頻器位置不動，在變頻器后加濾波器（如圖4所示），濾除2.6 GHz干擾信號，云圖信號經光端機發(fā)射模塊傳輸至機房，在進入射頻矩陣前進行適當放大。針對C塔和D塔通過寬帶光端機進行信號傳輸的路徑，必須調整光端機的增益及進入光端機的輸入信號電平，確保光端機工作狀態(tài)穩(wěn)定，工作在線性區(qū)域。

圖4 改造后的C塔和D塔信號傳輸信道

在3個4.2 m天線接收系統(tǒng)中都加裝濾波器濾除干擾信號。通過縮短E塔射頻電纜、調整C塔及D塔光端機的增益，調整放大器系數，最終使3個天線塔信號在射頻矩陣輸入端的電平值保持基本一致，便于射頻矩陣開關切換。

4 結 論

本文以FY-3接收系統(tǒng)4.2 m天線為例，分析了外界電磁環(huán)境給衛(wèi)星資料接收系統(tǒng)帶來的干擾。利用頻譜儀及信號源等儀器設備，采用逐段測試和分析的方法定位故障，查明故障點，最終解決了干擾問題。同時，以頻譜儀和信號源測試為基礎，提出改善信道的解決方法，有效抑制了干擾，保證了系統(tǒng)的載噪比，克服了強干擾對系統(tǒng)的影響，降低了誤碼率，提高了系統(tǒng)接收數據的質量。此外由于衛(wèi)星信號較弱，易受到干擾，造成接收衛(wèi)星云圖的質量下降，因此業(yè)務人員應加強監(jiān)測，及時發(fā)現并解決干擾源，以減少干擾信號對業(yè)務質量的影響。