賈耀紅 裘奕 郭強(qiáng)

(國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100094)

引言

風(fēng)云四號(hào)(FY-4)衛(wèi)星是我國第二代靜止氣象衛(wèi)星，采用三軸穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，星上搭載了許多高精度載荷，載荷下傳數(shù)據(jù)需要定位和配準(zhǔn)后才可以使用，衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道也需要定期保持和控制[1-2]，這些都離不開高精度的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)支持。

FY-4衛(wèi)星測(cè)距、軌道確定及預(yù)報(bào)系統(tǒng)就是用以獲得衛(wèi)星高精度軌道數(shù)據(jù)，其工作原理是幾何法測(cè)距定軌[3]，就是通過測(cè)量地面上位于不同地方的多個(gè)測(cè)距站到衛(wèi)星的距離進(jìn)而確定并預(yù)報(bào)出衛(wèi)星的位置和軌道，那么各個(gè)站的站址坐標(biāo)就必須精確測(cè)量。FY-4衛(wèi)星的定位原理跟GPS/北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)類似，GPS/北斗通過測(cè)量多顆不同位置的衛(wèi)星天線相位中心到地面接收天線相位中心之間的距離確定出地面目標(biāo)位置[4-5]，但是由于FY-4靜止氣象衛(wèi)星測(cè)距站采用卡塞格倫天線，并且天線結(jié)構(gòu)比較特殊，無法用天線相位中心作為測(cè)距起始參考點(diǎn)和站址坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，本文介紹了如何根據(jù)其天線結(jié)構(gòu)及工作原理確定這兩個(gè)位置，并給出它們的距離修正算法及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

1 FY-4測(cè)距站天線

FY-4測(cè)距站采用的是7.3 m的卡塞格倫天線。這種尺寸天線結(jié)構(gòu)一般有2種方式:①是桁架式，②轉(zhuǎn)臺(tái)式，桁架式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但是由于方位俯仰均采用絲杠，轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢，一般用于轉(zhuǎn)動(dòng)比較少的場(chǎng)合，如FY-2衛(wèi)星測(cè)距站天線[6]；轉(zhuǎn)臺(tái)式轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，但成本高，一般用于大型天線。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，結(jié)合測(cè)距定軌可以分時(shí)作業(yè)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，從節(jié)約成本的角度出發(fā)設(shè)計(jì)出一套設(shè)備具備分時(shí)對(duì)多顆衛(wèi)星測(cè)距定軌的功能，這就要求一套天線能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)指向空間不同位置的衛(wèi)星。FY-4靜止氣象衛(wèi)星在赤道上空從79°～133°E申請(qǐng)了7個(gè)軌道位置[7]，以北京站為例，針對(duì)7個(gè)位置的衛(wèi)星，天線方位最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度約為74°，俯仰約10°，方位轉(zhuǎn)動(dòng)幅度大，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)幅度小，于是FY-4衛(wèi)星測(cè)距站采用了簡(jiǎn)易半轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的天線，方位采用簡(jiǎn)易桶式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速全方位轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰采用絲杠式結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 FY-4測(cè)距站天線結(jié)構(gòu)

2 FY-4測(cè)距站測(cè)距距離起始參考點(diǎn)

FY-4測(cè)距站天線是卡塞格倫天線，由3部分組成，即主反射面、副反射面和輻射源(饋源)。其中主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面。在結(jié)構(gòu)上，雙曲面的一個(gè)焦點(diǎn)與拋物面的焦點(diǎn)F2重合，雙曲面焦軸與拋物面焦軸重合，而輻射源位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的另一個(gè)焦點(diǎn)F1上，如圖2所示。輻射源發(fā)出電磁波，經(jīng)由副反射面反射后發(fā)射到主反射面，然后再經(jīng)由主反射面反射后獲得相應(yīng)方向的平面波波束，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)射[8-9]。其中輻射源位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實(shí)焦點(diǎn)F1處時(shí)，其發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲面反射后的射線，就相當(dāng)于雙曲面的虛焦點(diǎn)F2直接發(fā)出的射線，因此只要是雙曲面的虛焦點(diǎn)和拋物面的實(shí)焦點(diǎn)重合，就可使副反射面反射到主反射面的射線被拋物面反射成平面波輻射出去。

天線相位中心的概念是天線輻射源所輻射出去的電磁波在離開天線一定距離后，其等相位面近似為一個(gè)球面，該球面的球心即為該天線的等效相位中心[10-11]。從物理現(xiàn)象上解釋，從遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)向天線看去，所有電磁波好像是從相位中心那點(diǎn)發(fā)出，相位中心相當(dāng)于等效源點(diǎn)[12]，所以用它作為測(cè)距起始參考點(diǎn)。但是對(duì)卡塞格倫天線而言，輻射源(饋源)F1輻射的球面波經(jīng)過副反射面和主反射面后變?yōu)槠矫娌?，因?yàn)榻?jīng)過2次反射，所以無法用天線的相位中心作為測(cè)距距離起始參考點(diǎn)，但球面波變?yōu)槠矫娌ê?，其行程相等，呈現(xiàn)同相場(chǎng)，形成如圖2所示的等相位面，可以取等相位面的中心作為測(cè)距距離起始參考點(diǎn)。因?yàn)閺奶炀€設(shè)計(jì)中可以得到圖1中相關(guān)數(shù)據(jù)，所以在本系統(tǒng)取天線口面中心為測(cè)距距離起始參考點(diǎn)。

圖2 卡塞格倫天線電磁波傳播

3 站址坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)的確定

幾何法測(cè)距定軌最基本的原理就是通過測(cè)量地面至少3個(gè)位于不同地方的地面站到衛(wèi)星的距離進(jìn)而確定出衛(wèi)星的位置和軌道，那么各個(gè)站準(zhǔn)確的大地坐標(biāo)是前提，所以在建站時(shí)需要將各個(gè)站的大地坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)確定并精確測(cè)量。

從理論上講測(cè)距距離起始參考點(diǎn)應(yīng)該作為站址坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，但是該點(diǎn)隨著天線跟蹤不同的衛(wèi)星會(huì)有變化，所以在站址測(cè)量時(shí)一般選取固定的點(diǎn)，比如天線的旋轉(zhuǎn)中心來測(cè)量。天線有3個(gè)軸，方位、俯仰和饋電軸，一般的全方位天線這3個(gè)軸是相交在一點(diǎn)的，該點(diǎn)就是旋轉(zhuǎn)中心,如圖3所示。如果以旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，那么在天線旋轉(zhuǎn)時(shí)，天線口面中心將會(huì)圍繞旋轉(zhuǎn)中心形成一個(gè)球面軌跡，如圖4所示。

圖3 全方位天線示意

設(shè)O為坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，P為天線口面中心，D表示測(cè)距信道和終端。FY-4衛(wèi)星測(cè)距站測(cè)距的工作過程是首先對(duì)標(biāo)校塔C測(cè)距，P到標(biāo)校塔C的距離PC提前標(biāo)校好，標(biāo)校測(cè)距的結(jié)果是DPC的距離，減去PC的距離就得到設(shè)備的零值PD，當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星S測(cè)距時(shí)，測(cè)距結(jié)果減去設(shè)備零值PD，就得到PS的距離值。但隨著天線跟蹤不同的衛(wèi)星S1時(shí)，其天線口面中心大地坐標(biāo)是變化的，如圖4中P1，這樣就無法應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。

圖4 全方位天線測(cè)距示意

以天線旋轉(zhuǎn)中心O作為坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，該點(diǎn)是固定不變的。但是測(cè)距信號(hào)不通過該點(diǎn)，需要將距離核算到該點(diǎn)后才能用于軌道確定和預(yù)報(bào)。對(duì)全方位天線而言，距離起始參考點(diǎn)與坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)之間的距離是固定不變的，就是球面的半徑R。坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)O在饋電軸反向延長(zhǎng)線上，所以將距離起算點(diǎn)P到目標(biāo)S的距離加上R，就是坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)O到目標(biāo)S的距離。

FY-4衛(wèi)星測(cè)距站天線，如圖1所示，方位軸、俯仰軸和饋電軸不相交，沒有固定的旋轉(zhuǎn)中心。但是基于上述測(cè)量原理，從實(shí)際天線結(jié)構(gòu)及便于精確測(cè)量大地坐標(biāo)的目的出發(fā)，可以選取不隨著天線的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化的固定點(diǎn)，于是在實(shí)際測(cè)距過程中選取方位軸上最靠近天線口面上的一個(gè)固定點(diǎn)O作為測(cè)量點(diǎn)，天線口面中心P為測(cè)距起始參考點(diǎn)，這樣當(dāng)天線旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)距起始參考點(diǎn)圍繞坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)將無法形成完美的球面，它們之間的距離不是固定值，將會(huì)隨著天線的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，需要進(jìn)行距離修正。

4 距離起始參考點(diǎn)到坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)的距離修正及應(yīng)用

4.1 距離修正算法

如圖1所示，選擇天線方位軸上的一點(diǎn)O作為坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，天線口面中心位置P為距離起始參考點(diǎn)。設(shè)坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)O到俯仰軸所在平面的水平距離為L(zhǎng)1，垂直距離為L(zhǎng)2，俯仰軸所在水平面到P所在等相位面的垂直距離為L(zhǎng)3，俯仰軸到P所在饋電軸的水平距離為L(zhǎng)4，饋電軸與俯仰軸所在水平面交點(diǎn)為M，俯仰軸中心點(diǎn)為D。其中L1、L2、L3及L4在天線設(shè)計(jì)中為已知距離值。

對(duì)距離起始參考點(diǎn)和坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)之間進(jìn)行距離修正。以坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，正南水平方向?yàn)閄方向，垂直向上的方向?yàn)閆方向，右手法則得到Y(jié)方向，建立直角坐標(biāo)系。由于地基與天線連接的平面是水平的，即天線的方位軸與Z軸重合。當(dāng)天線工作于北半球，和衛(wèi)星通信時(shí)，天線的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍一般以正南方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，向東西各90°。所以定義天線的方位角以正南為0°，向東轉(zhuǎn)為正，向西轉(zhuǎn)為負(fù)，并記為θAZ。天線的俯仰角以水平指向?yàn)榛鶞?zhǔn)，向上轉(zhuǎn)為正，并記為θEL。如圖5所示，其中M1、D1和P1是M、D和P在X-Y平面上的投影。

根據(jù)圖5所示幾何關(guān)系，可得：

圖5 坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)到距離起始參考點(diǎn)核算坐標(biāo)示意

(1)

(2)

(3)

則可以求得坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)O到衛(wèi)星S的距離：

(5)

(6)

4.2 修正結(jié)果分析及應(yīng)用

圖測(cè)量值隨仰角變化

表1 FY-4測(cè)距站天線指向不同軌道位置的衛(wèi)星時(shí)的d值

5 結(jié)論

本文分析了FY-4衛(wèi)星測(cè)距站簡(jiǎn)易半轉(zhuǎn)臺(tái)天線的特殊結(jié)構(gòu)，結(jié)合卡塞格倫天線工作原理，確定出測(cè)距距離起始參考點(diǎn)和坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，并給出距離起始參考點(diǎn)到坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)的距離修正算法。結(jié)合FY-4靜止氣象衛(wèi)星及其測(cè)距站實(shí)際分布情況，分析了5個(gè)測(cè)距站對(duì)著不同軌道位置的衛(wèi)星時(shí)的修正結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果給出了在工程實(shí)踐當(dāng)中的實(shí)施方法，該方法已經(jīng)應(yīng)用到FY-4衛(wèi)星測(cè)距定軌作業(yè)當(dāng)中，從使用效果看坐標(biāo)測(cè)量點(diǎn)和測(cè)距距離起始參考點(diǎn)選取合適，修正方法正確，定軌結(jié)果滿足定軌精度要求。