風云三號氣象衛星12米天線無塔校相技術的實現

任立清 張偉航 周立平

摘要：風云三號氣象衛星12米天線的X頻段采用多模單脈沖，L頻段采用多喇叭單脈沖自動跟蹤機制，須定期進行相位校正。針對天線校準相位，須對塔的局限性進行無塔校相方法研究及實現。文章通過采用12米天線快速無塔校相方法，有效提高了天線跟蹤精度和衛星資料接收設備自動化標校水平。通過分析產生相位差的原因，歸納了影響相位值的各種因素;從跟蹤原理出發，介紹了風云三號衛星12米天線無塔校相技術在衛星資料收集工作中的應用。

關鍵詞：自動跟蹤;跟蹤精度;交叉耦合;定向靈敏度;無塔校相

中圖法分類號：V474文獻標識碼：A

Realization of phase calibration technology without tower for 12 meterreceiving antenna of FY-3 meteorological satellite

REN Liqing，ZHANG Weihang，ZHOU Liping

（Urumqi Meteorological Satellite Ground Station，Urumqi 830011，China）

Abstract：The 12m tracking antenna of FY-3 meteorological satellite adopts multi-mode monopulse in X-band and multi horn monopulse automatic tracking system in L-band. The antenna needs periodic phase correction. Aiming at the limitation of tower in antenna phase calibration，the tower free phase calibration method is studied and realized. By developing a fast tower free phase correction method for 12m antenna， this paper effectively improves the antenna tracking accuracy and the automatic calibration level of satellite data receiving equipment. By analyzing the causes of phase difference， various factors affecting the phase value are summarized. Starting from the tracking principle， the application of tower free phase correction technology of 12 meter receiving antenna of FY-3 satellite in satellite data work is introduced.

Key words：automatic tracking，tracking accuracy， cross coupling， directional sensitivity， phase calibration without tower

我國第二代極軌風云三號氣象衛星[1]實現了對全球天氣和環境進行全天候、三維、定量、多光譜遙感，對災害和環境的遙感監測更為精準。風云三號氣象衛星的資料接收系統具有多點頻、多極化等功能，為保證地面天線對衛星進行快速捕獲、穩定跟蹤，須對和差通道的相對相位進行標校（即校相）。

1? 跟蹤接收機原理

風云三號氣象衛星12米天線系統搭載了跟蹤接收機，采用具有單脈沖、兩個下行通道的零值自動跟蹤機制，以差模電磁場的天線方向圖的軸向為零值，依靠偏軸的極性特點來實現高精度自動跟蹤。射頻線纜松動、環境溫度變化、天線電軸漂移等都會引起和差通道相對相移，使得交叉耦合指標惡化[2] ，造成天線自動跟蹤性能降低甚至無法捕獲、跟蹤衛星[3]。風云三號氣象衛星12米天線饋源下行兩個信道，且X，L 通道的相位調整以及保持一致比較難，造成交叉耦合指標惡化，影響天線正常跟蹤[4]。圖1 為 X 頻段跟蹤接收原理框圖。

該跟蹤接收機可以對和差通道的相對相位進行標校，使和差信號的相位保持一致。通過和差信號，可以得到天線在方位和俯仰軸方向上的誤差電壓，并精確解調。

2? 校相原理

單脈沖跟蹤機制是指將天線及饋源系統產生的方位和俯仰誤差信號分別經過相互正交的兩個低頻信號調制后，再與和信號合并形成一個單通道調頻或調相信號，信號的幅度變化用于傳輸角誤差信息，而角度或相位變化用于傳輸數據信息，通過兩種信號共同的下行傳輸信道傳輸至跟蹤接收機，然后分別解調出數據信息和角誤差信息[5]。

相位偏移可以解決單通道合成前與和差信號相位相異導致的角誤差電壓的交叉耦合問題，而校相則可以解決相對相位差問題。在天線工作時，須頻繁對天線進行校相，目的是得到和信號通道與差信號通道之間的最小相位差，即θ-φ=Δ（圖2）。當φ=O 時，和差信道的相位偏移量完全相同。所以，校相的目的是減小Δ，達到和差信號通道的相位差一致的目標，此時方位俯仰交叉耦合最小。風云三號氣象衛星12米天線接收系統校相指的是對整個系統接收的和差信道相位及增益進行調整和標定，使跟蹤接收機的和差路的傳輸相位差為零，且鏈路增益為一合適值。

從方位、俯仰誤差電壓的數學模型中可以推出下面兩個公式：

其中，K 為差信道增益系數，Δφ為和差信道歸一化后的綜合相位差，μ為差方向圖歸一化斜率，θ為電軸偏離目標空間角。

從公式（1）和（2）可以看出，當和差信道相位不同時，天線的俯仰、方位支路就會出現相互影響的情況，并產生交叉耦合電壓。校相的主要目的是“消除”和差信道相位之間的固定差Δφ，和調整俯仰、方位支路的定向靈敏度。“消除”和差信道相位固定差則是自動校相單元的主要工作之一。當目標脫離天線波束時，天線饋源就會產生差模信號，通過跟蹤接收機解調方位電壓、俯仰角度，并將電壓的誤差傳送至伺服跟蹤位置環，即可完成對風云三號氣象衛星的閉環跟蹤。

3? 無塔校相技術原理及分析

常規校相方法是建造一個符合標校條件的標校塔，在塔頂放置信號源，在沒有跟蹤任務時將天線對準標校塔發射的信號，與地面設備合作完成校相，其涉及的環節較多，受地理、氣候等客觀條件的限制較大，工作煩瑣，而且校相時間長、流程復雜，尤其是校相時間受限。而基于風云三號氣象衛星資料接收系統研發的高效率自動無塔校相技術，實現了風云三號氣象衛星系統的一鍵無塔校相。它能在衛星資料接收前的短時間內，根據下達的命令完成校相工作，并保存命令結果，確保順利完成任務。

3.1? 無塔校相技術原理

在執行跟蹤風云三號氣象衛星任務時，選擇在其即將進入衛星接收站的跟蹤范圍的初期，借助伺服系統的 ACU 程序引導或數字引導功能對其進行跟蹤。采用該方法的前提條件如下。

（1）先對準衛星，確保衛星信號在半功率波束帶寬內，跟蹤接收機的 AGC 滿足跟蹤門限且鎖定目標，此時跟蹤接收機輸出方位和俯仰跟蹤的角誤差電壓。

（2）對跟蹤接收機的參數進行初始化設置（將跟蹤接收機的前相移相值、方位移相值、俯仰移相值分別設置為0O 、0O 、180O ;以左旋接收信號為參考，針對右旋接收信號，將跟蹤接收機的前相移相值、方位移相值、俯仰移相值分別設置為0O 、0O 、0O ）。

（3）當風云三號氣象衛星進入12米天線主波束3dB 波瓣范圍后，跟蹤接收機的自動增益 ACU 取一組初始方位、俯仰誤差電壓（ UA0，UE0）;精確記錄此時12米天線的方位角度 A0和俯仰角度 E0（圖3）;手動將 12米天線偏置一個角度，即將俯仰拉偏一個位置量或方位拉偏一個位置量（目標仍在12米天線主波束 3dB 波瓣范圍內），再讀取一組12米天線的俯仰誤差電壓和方位誤差電壓（ UE1，UA1） 以及天線位置角度（E1，A1）。

（4）和差通道相位差ΔΦ0 的計算公式為：

（5）為了提高天線的跟蹤精度，先將天線在方位軸上拉偏一個角度（即 P2角度）;再將天線在俯仰方向上拉偏一個角度;當風云三號氣象衛星運行到固定位置 P3點時，讀取并記錄（ UA3，UE3）的方位、俯仰誤差電壓值;計算出天線在俯仰方向上拉偏的相位值及增益系數;然后比較兩組值，并修改兩組值的誤差，直至完成校相。

3.2? 無塔校相技術分析

無塔校相技術的關鍵是確保天線對準目標，即在天線偏置前后，確保目標在天線主波束3dB 波瓣范圍內。校相成功與否取決于角度標校的精度、程序引導的精度、天線的波束寬度。由于風云三號氣象衛星的接收天線是三軸天線，方位軸疊加在第三軸的斜面上（斜面傾角為7°），因此方位軸的標校較為困難、復雜，需要反復標定、驗證。

無塔校相技術一般應用于天線運行速度較慢、仰角較低時，此時加速度小、軌道預報數據偏差小。而仰角較高時，軌道預報數據偏差較大。據統計，在仰角小于50°時，軌道預報與實際跟蹤方位、俯仰的偏差分布在0.05～ 0.25，不僅不同衛星之間的離散性大，而且同一顆衛星的不同圈次偏差也各異。

對于波束較寬的 L 頻段目標而言，校相自動完成的成功率較高。而對于波束較窄的 X 頻段目標而言，則需要通過程序引導或數字引導的方式，采用手動疊加方位、俯仰偏置等手段，將軌道預報數據偏差降至最小，再進行無塔校相，以提高成功率。

4? 無塔校相的實現

4.1? 方案設計

對于 X 頻段而言，可以通過手動輔助的方式完成校相。此外，改進 ACU 和跟蹤接收機的相關通信軟件，使 ACU 可以遠程控制、修改相位參數。

4.2? 實施步驟

實現無塔校相的具體工作流程和步驟如下：（1） 根據監控機下發的軌道預報和調度任務，ACU 采用程序引導方式對準衛星;（2）操作員若要啟用無塔校相功能，首先要取消自捕功能（自動捕獲目標），防止其影響校相功能。任務開始后，要盡量在低仰角（20°以前）完成無塔校相，這是因為衛星在低仰角運行時的速度慢，對校相的影響相對較小;（3）校相前，操作員需要根據經驗判斷天線的指向是否在主波束內，在程序引導的基礎上，手動疊加方位、俯仰偏置，并根據跟蹤接收機的 AGC 信號或衛星頻譜信號搜索、尋找目標信號的最大點，即將軌道預報偏差降至最小;（4）當校相開始時，ACU 自動向跟蹤接收機發送相位清零命令，當校相結束時，ACU 自動向跟蹤接收機發送相位設置命令和相位參數。ACU 遠程控制跟蹤接收機的相位的時間很短（不會超過1 秒鐘）;（5）校相完成后，操作員將 ACU 切換至跟蹤模式，觀察跟蹤效果，根據跟蹤狀況決定是否保存校相結果。

5? 結束語

傳統的有塔校相實現困難、操作煩瑣、耗費的時間長，降低了跟蹤接收機的跟蹤精度。無塔校相的速度快、流程簡單，但由于風云三號氣象衛星12米天線工作在 X 頻段，天線波束較窄，只能采用手動輔助的校相方式完成校相工作。增加無塔校相功能經過多次校相、跟星驗證，效果良好。研究結果表明，利用無塔校相功能在沒有標校塔的情況下也可以完成校相工作，提高了地面站接收氣象衛星資料的成功率。

參考文獻：

[1] 范天賜.風云三號氣象衛星的特點和作用[ J].氣象科技，2002，30（6）：321?327.

[2] 石榮，陳錫明，唐海，等.差模跟蹤接收機和差通道相位標校與調整[J].電子信息對抗技術，2006，11（1）：6?9+25.

[3] 李靖.TE21模單通道自跟蹤系統[ J].無線電通信技術，2005（6）：42?44.

[4] 柯樹人.圓波導多模自跟蹤系統的電軸漂移和交叉耦合[J].雷達測量技術，1973（2）：1?20.

[5] 李靖，李強，李碩.單脈沖跟蹤接收機相位自動校正的研究[J].無線電工程，2008（5）：56?58.

作者簡介：

任立清（1967—） ，碩士，高級工程師，研究方向：應用氣象技術。

周立平（1969—） ，碩士，研究方向：應用氣象技術。