陳 鵬，吳 麟，潘 鋒

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

2011-10-28，一枚聯(lián)合發(fā)射同盟的德爾塔II 型運載火箭從加利福尼亞州的范登堡空軍基地的SLC-2W工位發(fā)射升空，將美國國家海洋和大氣管理局的國家極軌業(yè)務環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預備計劃（NPP）衛(wèi)星以及6顆立方體小型衛(wèi)星送入了預定軌道[1]。NPP 衛(wèi)星最初是作為NPOESS 項目的探索者而開發(fā)的，在NPOESS項目被放棄后，NPP 反而成為了任務衛(wèi)星項目。

NPP 衛(wèi)星系統(tǒng)包括5 個傳感器，該星上搭載的可見光紅外成像輻射儀、跨軌掃描紅外探測儀、先進技術微波探測器等有效載荷，可以很好地用于探測地球環(huán)境和大氣，監(jiān)控火山爆發(fā)、森林火災、干旱、洪水、沙塵暴、颶風、臺風等自然災害[1]。另外NPP 還能追蹤大氣中臭氧和氣溶膠的含量以及海洋和陸地表面溫度。

中國負責接收NPP 衛(wèi)星數據的3 個地面站分別是廣州站、佳木斯站和烏魯木齊站。接收、處理和應用NPP 衛(wèi)星數據有助于了解國外先進的氣象衛(wèi)星技術，對提高自身防災減災能力具有重要意義。總之，NPP衛(wèi)星可以從太空中監(jiān)測地球的健康，提供長時間序列數據，建立下一代地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，以應對長期的氣候轉變和短期的天氣變化。

1 NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理

NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)是由天線接收分系統(tǒng)、變頻解調分系統(tǒng)、任務管理分系統(tǒng)、校時分系統(tǒng)、進機分包分系統(tǒng)以及網絡存儲分系統(tǒng)6 個系統(tǒng)組成[2]。數據接收通過X 頻段中頻點為7 812 MHz 的射頻信號下發(fā)，速率是15 MB/s，調制方式為QPSK，I 路和Q 路的比值為1∶1，信號極化方向為右旋極化，可采用跟蹤天線接收。NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理

1.1 天線接收分系統(tǒng)

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站采用4.2 m 天線對NPP衛(wèi)星數據進行接收，每部4.2 m 天線可同時接收2 路X頻段信號和1 路L 頻段信號，其工作原理為天線低噪聲放大器輸出X 頻段（7.7～8.4 GHz）信號通過X 頻段變頻器變到2.0～2.7 GHz，與L 頻段信號一起經過光纖發(fā)送接收設備進入射頻開關矩陣[3]。

1.2 變頻解調分系統(tǒng)

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數據接收采用完全相同且獨立的兩路信道，故變頻解調分系統(tǒng)是由2臺完全相同的2.0～2.7 GHz/720 MHz 下變頻器跟2 臺低速率SPK 解調器共同組成。NPP 衛(wèi)星數據接收是通過X 頻段中頻點為7 812 MHz 的射頻信號下發(fā)，X 頻段信號經過第一次變頻后再通過2.0～2.7 GHz/720 MHz下變頻器變到720 MHz 中頻，經過中頻開關矩陣將信號送至解調器，經過中頻解調、基帶處理、信道譯碼后解調出數據信息。

1.3 任務管理分系統(tǒng)

任務管理分系統(tǒng)由任務調度管理公共機以及設備狀態(tài)監(jiān)視公共機組成。利用任務調度管理軟件對國家衛(wèi)星氣象中心下發(fā)的NPP 軌道時間表和根數進行計算生成NPP 衛(wèi)星數據接收計劃，并將計劃下達到要接收NPP 衛(wèi)星數據的天線[2]，除此之外還要將衛(wèi)星中心下發(fā)的NPP 軌道時間表發(fā)送到NPP 進機分包分系統(tǒng)。設備狀態(tài)監(jiān)視軟件會根據天線的接收任務時間表在軌道開始前5 min 將事先設置好的組配信息下發(fā)到接收NPP 此條軌道的相關設備。

1.4 校時分系統(tǒng)

NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)的執(zhí)行必須在統(tǒng)一的時間基礎上進行，所以整個系統(tǒng)的時間同步非常重要。本系統(tǒng)采用GPS 接收機提供整個系統(tǒng)的時間精度。將時間服務器與整個系統(tǒng)接入到同一個局域網內，利用Symmtime 時統(tǒng)軟件實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的校時。

1.5 進機分包分系統(tǒng)

進機分包分系統(tǒng)包括2 臺NPP 進機分包公共機和2 塊USB 接口進機卡。進機分包公共機通過進機卡接收解調器輸出的NPP 衛(wèi)星原始數據，將接收到數據進行實時的格式處理，處理后的數據記錄在本地磁盤以及上傳數據存儲分系統(tǒng)，最后對接收到的數據進行質量判識并記錄在冊。

1.6 網絡存儲分系統(tǒng)

接收到的NPP 衛(wèi)星數據需上傳到衛(wèi)星中心和本單位遙感室。NPP 進機分包軟件在數據接收過程中將數據記錄在本地硬盤，待數據接收完成后自動上傳到磁盤陣列。衛(wèi)星中心通過磁盤陣列獲取NPP 衛(wèi)星數據，烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站遙感室通過NPP 進機分包公共機上安裝的FTP 傳輸軟件獲取NPP 衛(wèi)星數據。

2 故障分析處理

接收系統(tǒng)是全天全自動運行接收系統(tǒng)，整套設備具有很高的精確度和自動化程度。為確保數據接收質量和運行成功率，整套接收設備要定期進行檢修、維護，以減少不必要的故障發(fā)生。在NPP 衛(wèi)星數據接收過程中，采用一主一備兩路完整且獨立的接收系統(tǒng)，以確保數據接收萬無一失[4]。但由于接收任務的時效性，對于突發(fā)或偶發(fā)的運行故障，若不能在第一時間及時處理，必定會造成原始數據的丟失，影響接收成功率。因此值班人員要掌握一定的故障應急處理方法，這樣出現(xiàn)故障時才能第一時間作出快速準確的判斷，及時排除故障，確保數據接收正?！，F(xiàn)將烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數據接收時遇到的一些問題總結歸納如下。

2.1 天線故障

2.1.1 天線跟蹤異常

在NPP 衛(wèi)星數據接收過程中，4.2 m 天線偶有信號跟蹤不上，解調器不鎖定的情況發(fā)生，可通過天線室內控制軟件手動微調天線俯仰或方位直到解調器鎖定為止。

2.1.2 天線X、Y 功放報警

NPP 衛(wèi)星數據接收前或接收過程中4.2 m 天線室內天線控制軟件X、Y 功放報警，天線停止跟蹤。此時可點擊“待機”按鈕，再點“程引”，如上述現(xiàn)象依然存在，則重復上述步驟多次，一般可解決問題，這樣做的目的是讓天線系統(tǒng)復位后再重新跟蹤。若上述方法不能解決問題，則有可能是下位機死機，需到對應天線塔基機房重新啟動下位機[5]。若上述2 種方法依然無法排除故障，則懷疑是天線機械故障，需立即停止天線任務并通知相關維護人員。

2.2 變頻解調故障

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站采用一主一備兩路NPP衛(wèi)星接收系統(tǒng)，所用2 臺變頻器和解調器完全相同且獨立存在，在數據接收過程中2 臺變頻器只接收NPP衛(wèi)星信號，頻率是固定的2 112 GHz，故變頻器目前無任何故障發(fā)生。2 臺解調器偶有失鎖情況發(fā)生，主要是由天線跟蹤異常所致，目前沒有發(fā)生過解調器死機的情況。

2.3 任務管理故障

NPP 衛(wèi)星數據接收過程都是由各控制管理軟件自動執(zhí)行，接收軌道前5 min 設備狀態(tài)監(jiān)視軟件會按照組配方案配置相關接收設備參數，此時要密切注意天線、變頻器、解調器、進機分包軟件接收任務是否正常[6]。NPP 衛(wèi)星數據接收開始前發(fā)生過天線沒有接收到此條軌道任務的情況，此時需手動在設備狀態(tài)監(jiān)視軟件上給對應的單個天線發(fā)送任務。

2.4 進機分包故障

2.4.1 進機分包軟件閃退

NPP 衛(wèi)星數據接收過程中偶有發(fā)生進機分包軟件自動退出的情況，有時是單個1 臺進機分包軟件自動退出，有時是2 臺同時退出。若2 臺同時退出，則會影響此條軌道的接收質量。且此類情況每月都有發(fā)生，一般在3 次左右。NPP 衛(wèi)星數據接收過程中進機分包軟件自動退出時，需第一時間重啟軟件，數據會恢復正常接收，但是重啟軟件后接收到的數據會重新寫盤且數據命名格式有誤，這樣就生成了2 條不完整的數據，在軟件閃退以及重啟過程中丟失的數據也無法找回，最終影響此條軌道的接收質量。

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站現(xiàn)有的NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)是解調器不對數據進行譯碼，進機分包軟件對接收到的數據進行譯碼，這樣接收到的數據中正常數據快視圖正常，只是偶有軟件閃退現(xiàn)象發(fā)生。為了解決進機分包軟件閃退問題，經過反復實驗最終確定解調器跟軟件同時譯碼可以解決軟件閃退問題，但是接收到的數據只能看到幀數的變化，沒有快視圖，數據可以正常使用。如果解調器譯碼軟件不譯碼接收到的數據有快視圖，但是接收過程中軟件一直重復讀取時間表，則接收到的數據無法正常使用。故本站NPP 進機分包分系統(tǒng)采用主機軟件譯碼，解調器不譯碼，備機軟件跟解調器都譯碼的配置，既可以看到快視圖，又可以確保主機軟件在發(fā)生閃退的情況下備機數據正常[7]。

2.4.2 自動生成無效數據

NPP 進機分包軟件在沒有NPP 軌道任務的情況下，自動生成下一條NPP 衛(wèi)星數據，且自動上傳到磁盤陣列，此條數據大小為2 KB，這種情況只在最近發(fā)生過一次，目前還不知道什么原因引起，有待日后繼續(xù)觀察。

2.5 數據回放故障

上文中2.4.1 進機分包軟件閃退中提到NPP 進機分包備機采用軟件跟解調器同時譯碼的配置，此種搭配不存在軟件閃退問題且數據接收是正常的，只是沒有快視圖而已。但在后期的數據回放過程中發(fā)現(xiàn)，回放備機數據必須在主機數據完成磁盤陣列上傳的前提下進行，否則衛(wèi)星中心無法處理備機回放數據。例如主機軟件在數據快進機時發(fā)生閃退，重啟軟件后生成的數據格式錯誤無法自動上傳磁盤陣列，此時若直接回放備機數據，衛(wèi)星中心是無法正常處理數據的，此類情況極少發(fā)生[8]。如碰到這種現(xiàn)象，可修改主機數據格式然后手動上傳磁盤陣列，若主機數據丟失嚴重，可回放備機數據，此時備機數據可以正常處理。大部分情況下都是在接收過程中主機軟件閃退，在閃退之前接收到的數據雖然不完整但是數據格式正確，可自動上傳磁盤陣列，此時直接回放備機數據即可。

3 結束語

本文重點介紹了烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理，包括天線接收分系統(tǒng)、變頻解調分系統(tǒng)、任務管理分系統(tǒng)、校時分系統(tǒng)、進機分包分系統(tǒng)和網絡存儲分系統(tǒng)，并且對每個分系統(tǒng)的工作原理都做了詳細的闡述。同時歸納分析了烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數據接收過程中出現(xiàn)的故障，并對部分故障的應急處理方法進行了詳細說明。亟待解決的問題有2 個：①怎樣實現(xiàn)進機分包軟件在接收數據的過程中既有快視圖又不發(fā)生閃退且數據接收正常；②在主機沒有上傳數據到磁盤陣列的情況下是否可以直接回放備機數據。