風云四號接收天線新技術的研究及應用

李慶碩，裘 奕通信作者，馮小虎

（1.國家衛星氣象中心/國家空間天氣監測預警中心，北京 100081；2.許健民氣象衛星創新中心，北京 100081）

0 引言

隨著氣象高質量發展不斷深化，氣象衛星在防災減災中須臾不可離開的作用日益凸顯，衛星觀測的時間分辨率和空間分辨率不斷提升，星載有效載荷對衛星數傳碼率的要求越來越高[1]。隨著數據量的增加，X頻段帶寬已經難以滿足衛星傳輸大容量數據的需求。Ka頻段（26.5～40 GHz）具有數據傳輸速率高、頻段帶寬寬、數據傳輸容量大等特點，逐漸成為衛星數傳的新發展趨勢。Ka頻段通信具有頻率高、波長短、波束窄的特點，為保證信號的成功接收，地面接收天線需要進行相應的技術升級[2]。快速捕獲、自動跟蹤、穩定運行是衛星地面接收天線的三個主要目標。因此，風云四號地面接收天線在以上三個方面開展了相關的技術研究改進及應用。

1 風云四號地面接收天線天伺饋系統簡介

風云四號15米Ka/X/S頻段接收天線是風云四號衛星地面應用系統獲取工程數據和測控系統的重要組成部分，用于風云四號衛星的Ka頻段信號的接收、X頻段信號的發射和接收、S頻段信號的發射和接收[3]。

風云四號地面接收天線是卡塞格倫式雙反射面天線，天線口徑為15 m，座架采用轉臺式方位/俯仰型全動座架。天線具有單脈沖自動跟蹤為主，步進跟蹤為輔的自動跟蹤捕獲衛星功能[4]。天線主要由以下5個子系統構成：天饋子系統、結構子系統、控制子系統、驅動子系統和跟蹤接收機子系統。其組成框圖如圖1所示。

圖1 風云四號15米天線結構框圖

2 風云四號15米Ka/X/S三頻段天線新技術應用

為了實現Ka/X/S三頻段衛星信號的接收功能，風云四號地面接收天線相應地采取多項新技術保證數據接收[5]。主要有單脈沖自動跟蹤和步進跟蹤、智能跟蹤策略、自動搜索衛星、自動校相及自動測試功能。

2.1 單脈沖自動跟蹤

單脈沖自跟蹤方式是風云四號地面接收天線的主要工作方式。單脈沖自跟蹤工作方式指以跟蹤接收機的誤差電壓、和電平（天線接收信號的總和，經接收機變化成電壓表現形式（0-5V），為天線驅動單元提供判斷方向）、鎖定信號為依據，利用接收機送來的方位（AZ）、俯仰（EL）誤差信號進行自動跟蹤閉環，使AZ、EL誤差信號始終趨近于零，從而確保天線實時準確地跟蹤目標，以便完成對衛星的數據接收[6]。當自動跟蹤接收機鎖定，并且和電平大于設定的自動跟蹤進入門限值時，天線便可進入自動跟蹤工作方式[7]。在自動跟蹤方式下，天線控制單元會根據自動跟蹤接收機送來的方位俯仰誤差電壓信號進行位置閉環，驅動天線向誤差電壓減小的方向運動[8]。天線單脈沖自動跟蹤架構圖如圖2所示。

圖2 單脈沖自動跟蹤架構圖

2.2 步進跟蹤

步進跟蹤是風云四號地面接收天線的補充工作方式。步進跟蹤工作方式指以跟蹤接收機的和電平、鎖定信號為依據，設置合理的步進跟蹤步長、起跟門限和跌落門限，實施對目標步進跟蹤的方式[9]。根據接收機和電平實現步進跟蹤，在接收機鎖定且和電平高于預設的門限時，天線控制單元可以進入步進跟蹤方式，通過方位跟蹤子流程和俯仰跟蹤子流程采用一步一步地搜索使和電平趨于最大的方式來跟蹤衛星目標信號[10]。步進跟蹤架構圖如圖3所示。

圖3 步進跟蹤架構圖

2.3 智能跟蹤策略設計

當天線處于主動自動跟蹤方式下，主要以單脈沖跟蹤為主，如果天線跟蹤丟失目標或由于某種原因導致天線接收機暫時失鎖，天線會自動轉入位置保持方式等待，等待時間過后信號還未恢復則到轉記憶跟蹤方式[11]。進入記憶跟蹤方式中，天線控制單元會調用前一個跟蹤周期相同時刻跟蹤目標的數據（方位角度、俯仰角度）自動指向天線記憶的位置[12]。在記憶跟蹤時間內，如果重新發現目標會自動恢復自動跟蹤方式，否則天線一直保持在記憶跟蹤工作方式[13]。智能跟蹤流程圖如圖4所示。

圖4 智能跟蹤流程圖

2.4 自動搜索衛星技術

風云四號氣象衛星定點于地球赤道上方約36 000千米的高空。風云四號氣象衛星地面接收天線的主要任務是要保證快速捕獲、精確穩定地跟蹤衛星，為接收系統上下行信道提供高品質的射頻通道[14]。如何讓地面接收天線快速準確地捕獲地球同步軌道的高軌衛星信號是保證衛星云圖接收的基礎[15]。風云四號天線Ka頻段的波束寬度約為S頻段的十分之一，捕獲衛星信號難度更大，因此自動搜索捕獲方法的應用在工程實踐中有較好的效果[16]。不同頻段的波束寬度和波長如表1所示[17]。

表1 L、S、X、Ka頻段的波束寬度及對應波長表

風云四號天線控制單元內置了自動搜索模塊[18]，搜索方法為“方位（俯仰）掃描”方法，即選擇開始俯仰（或方位）位置，讓天線在該俯仰（或方位）處做方位（俯仰）直線運行掃描空間線區域[19]，觀察天線接收和電平信號（AGC）的大小變化，然后改變該俯仰（或方位）值，重復方位（或俯仰）直線掃描，直到找到信號的最大值，即為指向衛星的位置，然后轉向自動跟蹤衛星[20]。自動搜索操作模塊如圖5所示。

圖5 自動搜索操作模塊圖

天線在業務運行中，會遇到以下幾種情況需要進行搜索操作找到天線對衛星的方位和俯仰角度[21]：①新衛星發射定點開機后；②衛星漂移改變軌位后；③衛星消旋失鎖天線跟蹤不能自恢復時；④切換備份天線時，需用備份天線找衛星；⑤天線出現故障修復后找衛星。

出現了上述情況，可以首先使用天線控制單元內置軟件計算出天線對衛星的基本位置[21]，然后在該位置基礎上使用方位或者俯仰掃描的搜索方法可以自動找到天線對衛星的位置，然后智能轉向跟蹤狀態，極大地縮短捕獲衛星的時間，對業務運行有實際應用意義[22]。

2.5 自動校相技術

天線控制單元具備自動校相功能，在對星跟蹤鎖定位置時可實現自動偏移、結果校驗、裝訂校相結果等操作[23]。主要功能：天線找零（對當前位置、對星）、自動校相偏移、裝訂校相結果、跟蹤檢查、上傳記錄校相結果并下載存儲到接收機中[24]。自動校相操作模塊如圖6所示。

圖6 自動校相操作模塊圖

2.6 自動測試技術

在進行天線運動速度測試時，軟件模塊產生測試所需要的速度環梯形速度指令，同時記錄天線的運動數據，根據所記錄數據解算出天線運動的速度，并自動計算出天線的跟蹤精度[25]。

（1）位置環階躍響應測試：天線控制軟件模塊自動驅動天線完成方位、俯仰的階躍控制，并實時記錄角度響應、調整時間和超調量等信息，依據軟件內置的公式快速計算出系統相應參數[26]。

（2）跟蹤精度測試：天線跟蹤目標衛星后，天線控制單元根據自動測試指令，控制天線對衛星進行單脈沖自跟蹤，記錄一組跟蹤角度值：方位角度 、俯仰角度 ，自動進行統計平均后可得到自跟蹤零點均值和方差 。計算公式為[27]：

（3）電機電流、速度測量：電機自動測試電流和速度的按鈕，天線控制單元驅動天線方位、俯仰電機分別正反轉±5°，自動記錄電機啟動電流、運行電流，通過記錄的位移和時間自主計算電機運行速度[28]。自動測試操作模塊如圖7所示。

圖7 自動測試操作模塊圖

2.7 風云四號接收天線主要參數指標

風云四號地面接收天線相比于風云二號地面接收天線在多個技術指標、性能和功能方面有了明顯的提高，主要包括天線頻段、跟蹤方式、跟蹤精度及智能化應用等。風云二號天線與風云四號天線的主要技術參數對比如表2所示。

表2 風云二號天線與風云四號天線部分參數對比表

3 新技術應用及未來展望

風云四號地面接收天線新技術的應用給地面接收系統帶來了更高的穩定性和快速性。智能跟蹤衛星、自動捕獲衛星、自動校相技術、自動測試技術和智能除冰雪控制從多個維度提升了地面接收天線的效能[29]。風云四號Ka頻段的使用給地面天線帶來了機遇。Ka波束更窄，跟蹤精度更精確，天線指向衛星的角度每次跟蹤的變化很小，因此其電機比風云二號電機損耗小。單脈沖跟蹤方式的特點決定了對電機的使用磨損小于步進跟蹤方式，會使電機的使用壽命更長。

另外，由于天線的K a 頻段跟蹤指向精度更高，可以通過天線指向衛星角度計算衛星軌道位置。衛星的軌道變化會導致天線跟蹤角度的變化，天線時刻指向衛星的最新位置，依據這個特點，我們可根據天線角度的變化估算衛星在空間中的位置變化[30]。天線的角度變化和衛星的空間位置變化趨勢是一致的，我們也可利用衛星在空間中的變化規律來預測天線下一個時次的指向角度，為天線在衛星信號失鎖后還能指向衛星預測位置方向提供參考?！?/p>