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)
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。
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。
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。
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)。
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
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。
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。
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。
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。