風云四號測距副站距離值異常的技術分析

任立清 張偉航 殷星晨

（1.烏魯木齊氣象衛星地面站，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆氣象局裝備保障中心，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

我國第二代靜止氣象衛星風云四號A星采用三軸穩定姿態，與自旋穩定的風云二號共同運行在赤道上空，為我國環境監測、氣候預報及天氣監測預警等提供精確數據[1]。

風云四號衛星選用國內5個幾何位置合理的測距站，采用偽碼擴頻信息幀測距體制，通過5個測距站每小時一次連續對衛星進行S和L頻段雙程測距，利用每個測距站的實測數據和衛星兩行根數進行軌道預報確定衛星軌跡。風云四號衛星由北京（主站）、烏魯木齊、廣州、佳木斯及云南騰沖站共同完成測距定軌，測距系統的各誤差源引起的系統誤差修正后的總計小于2 m，對衛星位置確定精度提高到了20 m。

1 風云四號測距副站工作流程

1.1 偽碼擴頻碼分多址測距技術的特點

風云四號A星采用碼分多址測距體制，選取10組平衡GOLD碼，碼長1023，由時頻板提供的20 Hz信號對下行、上行信號進行采樣，從中提取收和發的碼相位、位計數、幀計數和擴頻偽碼計數等測量信息，然后把這些測量信息送給基帶，基帶監控計算上、下行信號的測量信息進行求差，得到時延差并換算為距離。

1.2 測距站與衛星之間距離值的測量流程

每個測距站按照統一時間表將攜帶各站信息的測距信號采用固定格式裝載在基帶數據中，以同一個S頻段上行載波（中心頻率2047 MHz）同時發送到星上。衛星收到5個測距信號后，變頻為一路L頻段（中心頻率1693 MHz）和一路S頻段（中心頻率2227 MHz）信號由各站接收。5個站收到下行信號，經解調、解擴處理后獲得S和L共2種距離零值。4個副站將本站距離值打上時標經風四衛星轉發給主站。5個站的測距幀、上行及下行相互之間完全獨立。主站通過信息幀給副站發送遙控指令，副站通過信息幀給主站回報狀態和測量結果等。主、副發送的指令數不受限。主站通過計算各站測距數據確定衛星的空間位置和軌道，生成軌道參數對衛星軌道進行預報。

2 測距副站異常測量值的技術分析

風云四號采用變頻轉發測距，利用數據信息幀和擴頻偽碼（數據信息位計數器和偽碼相位計數器）標定信號的轉發時延，通過測距時延確定求得星地距離差，如圖1所示。

圖1 測距信號流程圖

表示地面站測量幀的起始時刻即測距過程的開始，此時地面站測距發射計數器（信息位計數、偽碼相位計數）為0。此后測距計數器在地面站發射的測量信號的驅動下開始周期計數（與數據幀周期保持一致）。即在時刻A星接收到測量信號，在時刻完成變頻轉發。時刻A星變頻轉發的測量信號測量幀的幀頭傳至地面站，地面站接收端測量計數器（信息位計數、偽碼相位計數）被幀頭脈沖信號清零，隨后測距計數器在衛星轉發測量信號的驅動下循環計數。

2.1 測距計數器被錯誤清零引起星地距離測量值異常

風四A星的測距標志信息就是每一幀的幀同步，擴頻后一個信息位內包括1個或多個完整的偽碼周期，擴頻碼通過增加信息幀的長度來解決測距的距離模糊。上、下行測距計數器，分別由上、下行測量幀驅動完成計數。在幀頭時刻，計數器被幀頭脈沖計數清零，因此計數器將隨測量幀實現周期計數。如圖2所示。

圖2 測量幀與測距計數器工作示意圖

假設上、下行延時相同，則測距結果如公式（1）所示。

式中：為光速。

發射計數器和接收計數器的計數采樣結果用來計算傳輸時延差（-），如公式（2）所示。

式中：Δ為計數器時間轉換系數，由偽碼速率決定。

通過分析可知，測量幀幀頭時刻產生的脈沖信號，負責實現測距計數器的清零，開啟計數器新的計數周期。因此，下行測量幀同步的正確性直接決定計數器計數結果的可用性，當幀同步判定錯誤時，下行測距計數器計數結果受到錯誤清零脈沖的影響，將導致計數結果錯誤（如圖3所示）。

圖3 測量幀同步錯誤導致接收端計數結果異常示意圖

2.2 幀同步的高容錯率導致測距計數器工作異常

風四測距系統中的數據信息是以數據幀的形式傳輸的。幀同步工作流程由同步搜索、同步驗證和同步保持等狀態組成共同完成信息幀的解調。幀同步單元搜索解調數據的幀頭EB90，然后以數據幀的形式將數據上報監控軟件，并根據幀頭位置產生測距采樣脈沖。

幀同步單元將系統預置的幀頭信息EB90與存儲在串行移位寄存器中的解調數據實時比較，如果檢測到串行移位寄存器中的數據與幀頭相同，就認為搜索到一個幀頭，否則繼續移位搜索。搜到一個幀頭后，就啟動幀內數據計數器，同時幀同步計數器計為1，數據計數器計數滿后，在下一個幀頭來臨時，再與幀頭信息進行比較，相同則幀同步計數器加1，同時清空幀內數據計數器進行重新計數；否則將幀同步計數器清為0，并開始再一次幀同步頭的搜索工作。重復搜索，當幀同步計數器計數到，即連續搜索到了個幀頭時，即可認為幀同步鎖定了。幀同步的失鎖過程與同步搜索的過程類似，當連續幀都搜不到幀頭時，判斷是幀同步失鎖了，然后開始新一輪的幀同步搜索工作。其中用表示校核幀數，用表示鎖定幀數。

同步搜索過程包括數據容錯，以保證在誤碼率較高的情況下能正常實現幀同步。用表示校核容錯，在校核幀數為的情況下允許其中的個幀頭檢測存在錯誤，即個幀頭中即使存在個錯誤結果，同樣會判定結果正確，認為幀頭是鎖定的。由分析可知，同步搜索過程中，本地端的幀頭信息為EB90，依次與數據幀信息位進行異或運算，連續搜索幀頭信息，通過同步驗證判定當次搜索數據信息即幀頭是與EB90相同，如果相同次數大于，幀同步鎖定進入同步保持階段。在同步保持階段將持續對同步結果進行驗證，當不同次數大于鎖定幀數后，認為幀同步失鎖，重新進行同步搜索。如果設置的容錯率較高，就會造成誤鎖現象，導致誤判幀同步鎖定，出現距離值異常的錯誤。

由分析可知本地端的幀頭信息EB90依次與數據幀信息位進行異或運算，連續搜索幀頭信息。通過同步驗證判定當次搜索幀頭是否與EB90一致，如果一致次數大于，幀同步進入同步保持階段。在同步保持階段將持續對同步結果進行驗證，當失步次數大于鎖定幀數后，幀同步失鎖，重新進行同步搜索。

2.3 雙重幀頭信息造成測距值異常的分析

風云四號測距副站運行多年出現多次和距離異常值（見表1中黑體），結果遠大于星地距離138 000km以上。

表1 烏魯木齊站S/L頻段設備時延異常測量值

取異常與正常差值，即138047614m（）～38066832m（）≈99 980 782 m。

已知測量幀數據信息速率為1 kbps，一個信息位代表的距離長度約為149 896.229 m，可得99 980 782/149 896.229=667（bit）。

因此可推斷測距的錯誤與正確之間信息位差為667 bit。查詢異常時刻L測距幀解調信息結果文件可知，自幀頭EB90起推移667個信息位，相應信息位為F5C80，變為二進制為11110101110010000000，包括信息字段1110101110010000，即F5C80包括EB90，EB90的二進制為1110101110010000，說明該測量幀包括2組幀頭信息，即幀同步結果錯誤所導致。

遙測信息幀中包括幀頭信息EB90，分析可知整個測量幀存在2個EB90，又因為幀同步過程存在容錯機制，導致測距幀頭的幀同步鎖定判斷出現錯誤，引起測距結果異常偏大。

同一時刻的S測距幀解調信息結果和測距幀解調信息結果的存盤數據文件，尋找相應位置的數據信息為3D7201，二進制為1111010111001000000001，包括1110101110010000，即EB90。通過遙測幀格式定義，檢查該段字節具體信息含義。其中3D7201表示功放B狀態參數和功率設置值，3D表示功放B鏈路接通、不加電靜默、備份狀態、不加負載，自動電平控制（ALC）環路閉環、輸入信號正常，末級功放A正常、末級功放B正常，7201表示功率設置值為5 W。問題定位在參數設置不合適誤判為幀頭導致距離值異常。

3 解決方法與結論

通過測距信息幀的對比可知，測距站功放設備的工作狀態和功率設置值導致遙測字段出現3D7201，包括完整的幀頭信息EB90。由于容錯機制，以一定概率將3D7201搜索誤判為數據幀的幀頭，造成接收測距計數器清零時刻異常，最終造成測距結果超差。

經過技術分析有2種解決方法。1） 重設功放的輸出功率，避免設置輸出功率為5 W，避免功放狀態出現3D7201。2） 修改幀頭同步過程的容錯機制，減少目前設置的容錯值。

已知該系統門限條件下信號載噪比為43 dBHz，信息速率為1 kbps，考慮2 dB的擴頻解調損失，該條件下數據的誤碼率小于2.6×10。該誤碼率下可以設置校核容錯為0。方法1僅能作為臨時規避措施，因此采用方法2徹底消除異常測距值及其相關問題。

4 結語

風云四號衛星采用抗干擾、精度高的雙頻率測距技術，在測距同時完成信息傳輸，保證了信息的保密性。該文重新設置參數，消除了測量幀同步錯誤導致的星地距離測量值異常現象，通過1 000次信號重捕試驗檢驗是否出現幀同步錯誤，試驗結果表明1 000次同步結果完全正確，同步錯誤及距離值異常過大的情況未重現。試驗結果測距均正常。