任立清 張偉航 殷星晨

（1.烏魯木齊氣象衛(wèi)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(wèi)星風云四號A星采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)，與自旋穩(wěn)定的風云二號共同運行在赤道上空，為我國環(huán)境監(jiān)測、氣候預(yù)報及天氣監(jiān)測預(yù)警等提供精確數(shù)據(jù)[1]。

風云四號衛(wèi)星選用國內(nèi)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(xù)對衛(wèi)星進行S和L頻段雙程測距，利用每個測距站的實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星兩行根數(shù)進行軌道預(yù)報確定衛(wèi)星軌跡。風云四號衛(wèi)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(tǒng)的各誤差源引起的系統(tǒng)誤差修正后的總計小于2 m，對衛(wèi)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(shù)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(fā)的碼相位、位計數(shù)、幀計數(shù)和擴頻偽碼計數(shù)等測量信息，然后把這些測量信息送給基帶，基帶監(jiān)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(wèi)星之間距離值的測量流程

每個測距站按照統(tǒng)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(shù)據(jù)中，以同一個S頻段上行載波（中心頻率2047 MHz）同時發(fā)送到星上。衛(wèi)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(jīng)解調(diào)、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(jīng)風四衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)送遙控指令，副站通過信息幀給主站回報狀態(tài)和測量結(jié)果等。主、副發(fā)送的指令數(shù)不受限。主站通過計算各站測距數(shù)據(jù)確定衛(wèi)星的空間位置和軌道，生成軌道參數(shù)對衛(wèi)星軌道進行預(yù)報。

2 測距副站異常測量值的技術(shù)分析

風云四號采用變頻轉(zhuǎn)發(fā)測距，利用數(shù)據(jù)信息幀和擴頻偽碼（數(shù)據(jù)信息位計數(shù)器和偽碼相位計數(shù)器）標定信號的轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)射計數(shù)器（信息位計數(shù)、偽碼相位計數(shù)）為0。此后測距計數(shù)器在地面站發(fā)射的測量信號的驅(qū)動下開始周期計數(shù)（與數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)。時刻A星變頻轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)器（信息位計數(shù)、偽碼相位計數(shù)）被幀頭脈沖信號清零，隨后測距計數(shù)器在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)測量信號的驅(qū)動下循環(huán)計數(shù)。

2.1 測距計數(shù)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(nèi)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(shù)器，分別由上、下行測量幀驅(qū)動完成計數(shù)。在幀頭時刻，計數(shù)器被幀頭脈沖計數(shù)清零，因此計數(shù)器將隨測量幀實現(xiàn)周期計數(shù)。如圖2所示。

圖2 測量幀與測距計數(shù)器工作示意圖

假設(shè)上、下行延時相同，則測距結(jié)果如公式（1）所示。

式中：為光速。

發(fā)射計數(shù)器和接收計數(shù)器的計數(shù)采樣結(jié)果用來計算傳輸時延差（-），如公式（2）所示。

式中：Δ為計數(shù)器時間轉(zhuǎn)換系數(shù)，由偽碼速率決定。

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

圖3 測量幀同步錯誤導(dǎo)致接收端計數(shù)結(jié)果異常示意圖

2.2 幀同步的高容錯率導(dǎo)致測距計數(shù)器工作異常

風四測距系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息是以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸?shù)?。幀同步工作流程由同步搜索、同步驗證和同步保持等狀態(tài)組成共同完成信息幀的解調(diào)。幀同步單元搜索解調(diào)數(shù)據(jù)的幀頭EB90，然后以數(shù)據(jù)幀的形式將數(shù)據(jù)上報監(jiān)控軟件，并根據(jù)幀頭位置產(chǎn)生測距采樣脈沖。

幀同步單元將系統(tǒng)預(yù)置的幀頭信息EB90與存儲在串行移位寄存器中的解調(diào)數(shù)據(jù)實時比較，如果檢測到串行移位寄存器中的數(shù)據(jù)與幀頭相同，就認為搜索到一個幀頭，否則繼續(xù)移位搜索。搜到一個幀頭后，就啟動幀內(nèi)數(shù)據(jù)計數(shù)器，同時幀同步計數(shù)器計為1，數(shù)據(jù)計數(shù)器計數(shù)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(shù)器加1，同時清空幀內(nèi)數(shù)據(jù)計數(shù)器進行重新計數(shù)；否則將幀同步計數(shù)器清為0，并開始再一次幀同步頭的搜索工作。重復(fù)搜索，當幀同步計數(shù)器計數(shù)到，即連續(xù)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(xù)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(shù)，用表示鎖定幀數(shù)。

同步搜索過程包括數(shù)據(jù)容錯，以保證在誤碼率較高的情況下能正常實現(xiàn)幀同步。用表示校核容錯，在校核幀數(shù)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(jié)果，同樣會判定結(jié)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(shù)據(jù)幀信息位進行異或運算，連續(xù)搜索幀頭信息，通過同步驗證判定當次搜索數(shù)據(jù)信息即幀頭是與EB90相同，如果相同次數(shù)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(xù)對同步結(jié)果進行驗證，當不同次數(shù)大于鎖定幀數(shù)后，認為幀同步失鎖，重新進行同步搜索。如果設(shè)置的容錯率較高，就會造成誤鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致誤判幀同步鎖定，出現(xiàn)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(shù)據(jù)幀信息位進行異或運算，連續(xù)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(shù)大于，幀同步進入同步保持階段。在同步保持階段將持續(xù)對同步結(jié)果進行驗證，當失步次數(shù)大于鎖定幀數(shù)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(xiàn)多次和距離異常值（見表1中黑體），結(jié)果遠大于星地距離138 000km以上。

表1 烏魯木齊站S/L頻段設(shè)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(shù)據(jù)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(diào)信息結(jié)果文件可知，自幀頭EB90起推移667個信息位，相應(yīng)信息位為F5C80，變?yōu)槎M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(jié)果錯誤所導(dǎo)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(dǎo)致測距幀頭的幀同步鎖定判斷出現(xiàn)錯誤，引起測距結(jié)果異常偏大。

同一時刻的S測距幀解調(diào)信息結(jié)果和測距幀解調(diào)信息結(jié)果的存盤數(shù)據(jù)文件，尋找相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)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(jié)具體信息含義。其中3D7201表示功放B狀態(tài)參數(shù)和功率設(shè)置值，3D表示功放B鏈路接通、不加電靜默、備份狀態(tài)、不加負載，自動電平控制（ALC）環(huán)路閉環(huán)、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(shè)置值為5 W。問題定位在參數(shù)設(shè)置不合適誤判為幀頭導(dǎo)致距離值異常。

3 解決方法與結(jié)論

通過測距信息幀的對比可知，測距站功放設(shè)備的工作狀態(tài)和功率設(shè)置值導(dǎo)致遙測字段出現(xiàn)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(shù)據(jù)幀的幀頭，造成接收測距計數(shù)器清零時刻異常，最終造成測距結(jié)果超差。

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

已知該系統(tǒng)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(diào)損失，該條件下數(shù)據(jù)的誤碼率小于2.6×10。該誤碼率下可以設(shè)置校核容錯為0。方法1僅能作為臨時規(guī)避措施，因此采用方法2徹底消除異常測距值及其相關(guān)問題。

4 結(jié)語

風云四號衛(wèi)星采用抗干擾、精度高的雙頻率測距技術(shù)，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(shè)置參數(shù)，消除了測量幀同步錯誤導(dǎo)致的星地距離測量值異?，F(xiàn)象，通過1 000次信號重捕試驗檢驗是否出現(xiàn)幀同步錯誤，試驗結(jié)果表明1 000次同步結(jié)果完全正確，同步錯誤及距離值異常過大的情況未重現(xiàn)。試驗結(jié)果測距均正常。