李慶碩，裘 奕通信作者，馮小虎

（1.國家衛(wèi)星氣象中心/國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心，北京 100081；2.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心，北京 100081）

0 引言

隨著氣象高質(zhì)量發(fā)展不斷深化，氣象衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)中須臾不可離開的作用日益凸顯，衛(wèi)星觀測的時(shí)間分辨率和空間分辨率不斷提升，星載有效載荷對衛(wèi)星數(shù)傳碼率的要求越來越高[1]。隨著數(shù)據(jù)量的增加，X頻段帶寬已經(jīng)難以滿足衛(wèi)星傳輸大容量數(shù)據(jù)的需求。Ka頻段（26.5～40 GHz）具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、頻段帶寬寬、數(shù)據(jù)傳輸容量大等特點(diǎn)，逐漸成為衛(wèi)星數(shù)傳的新發(fā)展趨勢。Ka頻段通信具有頻率高、波長短、波束窄的特點(diǎn)，為保證信號的成功接收，地面接收天線需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)升級[2]?？焖俨东@、自動跟蹤、穩(wěn)定運(yùn)行是衛(wèi)星地面接收天線的三個(gè)主要目標(biāo)。因此，風(fēng)云四號地面接收天線在以上三個(gè)方面開展了相關(guān)的技術(shù)研究改進(jìn)及應(yīng)用。

1 風(fēng)云四號地面接收天線天伺饋系統(tǒng)簡介

風(fēng)云四號15米Ka/X/S頻段接收天線是風(fēng)云四號衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)獲取工程數(shù)據(jù)和測控系統(tǒng)的重要組成部分，用于風(fēng)云四號衛(wèi)星的Ka頻段信號的接收、X頻段信號的發(fā)射和接收、S頻段信號的發(fā)射和接收[3]。

風(fēng)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(zhuǎn)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(jìn)跟蹤為輔的自動跟蹤捕獲衛(wèi)星功能[4]。天線主要由以下5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：天饋?zhàn)酉到y(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、驅(qū)動子系統(tǒng)和跟蹤接收機(jī)子系統(tǒng)。其組成框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)云四號15米天線結(jié)構(gòu)框圖

2 風(fēng)云四號15米Ka/X/S三頻段天線新技術(shù)應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)Ka/X/S三頻段衛(wèi)星信號的接收功能，風(fēng)云四號地面接收天線相應(yīng)地采取多項(xiàng)新技術(shù)保證數(shù)據(jù)接收[5]。主要有單脈沖自動跟蹤和步進(jìn)跟蹤、智能跟蹤策略、自動搜索衛(wèi)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(fēng)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(jī)的誤差電壓、和電平（天線接收信號的總和，經(jīng)接收機(jī)變化成電壓表現(xiàn)形式（0-5V），為天線驅(qū)動單元提供判斷方向）、鎖定信號為依據(jù)，利用接收機(jī)送來的方位（AZ）、俯仰（EL）誤差信號進(jìn)行自動跟蹤閉環(huán)，使AZ、EL誤差信號始終趨近于零，從而確保天線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)，以便完成對衛(wèi)星的數(shù)據(jù)接收[6]。當(dāng)自動跟蹤接收機(jī)鎖定，并且和電平大于設(shè)定的自動跟蹤進(jìn)入門限值時(shí)，天線便可進(jìn)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(jù)自動跟蹤接收機(jī)送來的方位俯仰誤差電壓信號進(jìn)行位置閉環(huán)，驅(qū)動天線向誤差電壓減小的方向運(yùn)動[8]。天線單脈沖自動跟蹤架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 單脈沖自動跟蹤架構(gòu)圖

2.2 步進(jìn)跟蹤

步進(jìn)跟蹤是風(fēng)云四號地面接收天線的補(bǔ)充工作方式。步進(jìn)跟蹤工作方式指以跟蹤接收機(jī)的和電平、鎖定信號為依據(jù)，設(shè)置合理的步進(jìn)跟蹤步長、起跟門限和跌落門限，實(shí)施對目標(biāo)步進(jìn)跟蹤的方式[9]。根據(jù)接收機(jī)和電平實(shí)現(xiàn)步進(jìn)跟蹤，在接收機(jī)鎖定且和電平高于預(yù)設(shè)的門限時(shí)，天線控制單元可以進(jìn)入步進(jìn)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(wèi)星目標(biāo)信號[10]。步進(jìn)跟蹤架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 步進(jìn)跟蹤架構(gòu)圖

2.3 智能跟蹤策略設(shè)計(jì)

當(dāng)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(biāo)或由于某種原因?qū)е绿炀€接收機(jī)暫時(shí)失鎖，天線會自動轉(zhuǎn)入位置保持方式等待，等待時(shí)間過后信號還未恢復(fù)則到轉(zhuǎn)記憶跟蹤方式[11]。進(jìn)入記憶跟蹤方式中，天線控制單元會調(diào)用前一個(gè)跟蹤周期相同時(shí)刻跟蹤目標(biāo)的數(shù)據(jù)（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(shí)間內(nèi)，如果重新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)會自動恢復(fù)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(wèi)星技術(shù)

風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星定點(diǎn)于地球赤道上方約36 000千米的高空。風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星地面接收天線的主要任務(wù)是要保證快速捕獲、精確穩(wěn)定地跟蹤衛(wèi)星，為接收系統(tǒng)上下行信道提供高品質(zhì)的射頻通道[14]。如何讓地面接收天線快速準(zhǔn)確地捕獲地球同步軌道的高軌衛(wèi)星信號是保證衛(wèi)星云圖接收的基礎(chǔ)[15]。風(fēng)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(wèi)星信號難度更大，因此自動搜索捕獲方法的應(yīng)用在工程實(shí)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(yīng)波長表

風(fēng)云四號天線控制單元內(nèi)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(yùn)行掃描空間線區(qū)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(fù)方位（或俯仰）直線掃描，直到找到信號的最大值，即為指向衛(wèi)星的位置，然后轉(zhuǎn)向自動跟蹤衛(wèi)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(yè)務(wù)運(yùn)行中，會遇到以下幾種情況需要進(jìn)行搜索操作找到天線對衛(wèi)星的方位和俯仰角度[21]：①新衛(wèi)星發(fā)射定點(diǎn)開機(jī)后；②衛(wèi)星漂移改變軌位后；③衛(wèi)星消旋失鎖天線跟蹤不能自恢復(fù)時(shí)；④切換備份天線時(shí)，需用備份天線找衛(wèi)星；⑤天線出現(xiàn)故障修復(fù)后找衛(wèi)星。

出現(xiàn)了上述情況，可以首先使用天線控制單元內(nèi)置軟件計(jì)算出天線對衛(wèi)星的基本位置[21]，然后在該位置基礎(chǔ)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(wèi)星的位置，然后智能轉(zhuǎn)向跟蹤狀態(tài)，極大地縮短捕獲衛(wèi)星的時(shí)間，對業(yè)務(wù)運(yùn)行有實(shí)際應(yīng)用意義[22]。

2.5 自動校相技術(shù)

天線控制單元具備自動校相功能，在對星跟蹤鎖定位置時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動偏移、結(jié)果校驗(yàn)、裝訂校相結(jié)果等操作[23]。主要功能：天線找零（對當(dāng)前位置、對星）、自動校相偏移、裝訂校相結(jié)果、跟蹤檢查、上傳記錄校相結(jié)果并下載存儲到接收機(jī)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(shù)

在進(jìn)行天線運(yùn)動速度測試時(shí)，軟件模塊產(chǎn)生測試所需要的速度環(huán)梯形速度指令，同時(shí)記錄天線的運(yùn)動數(shù)據(jù)，根據(jù)所記錄數(shù)據(jù)解算出天線運(yùn)動的速度，并自動計(jì)算出天線的跟蹤精度[25]。

（1）位置環(huán)階躍響應(yīng)測試：天線控制軟件模塊自動驅(qū)動天線完成方位、俯仰的階躍控制，并實(shí)時(shí)記錄角度響應(yīng)、調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量等信息，依據(jù)軟件內(nèi)置的公式快速計(jì)算出系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)[26]。

（2）跟蹤精度測試：天線跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星后，天線控制單元根據(jù)自動測試指令，控制天線對衛(wèi)星進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均后可得到自跟蹤零點(diǎn)均值和方差 。計(jì)算公式為[27]：

（3）電機(jī)電流、速度測量：電機(jī)自動測試電流和速度的按鈕，天線控制單元驅(qū)動天線方位、俯仰電機(jī)分別正反轉(zhuǎn)±5°，自動記錄電機(jī)啟動電流、運(yùn)行電流，通過記錄的位移和時(shí)間自主計(jì)算電機(jī)運(yùn)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(fēng)云四號接收天線主要參數(shù)指標(biāo)

風(fēng)云四號地面接收天線相比于風(fēng)云二號地面接收天線在多個(gè)技術(shù)指標(biāo)、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(yīng)用等。風(fēng)云二號天線與風(fēng)云四號天線的主要技術(shù)參數(shù)對比如表2所示。

表2 風(fēng)云二號天線與風(fēng)云四號天線部分參數(shù)對比表

3 新技術(shù)應(yīng)用及未來展望

風(fēng)云四號地面接收天線新技術(shù)的應(yīng)用給地面接收系統(tǒng)帶來了更高的穩(wěn)定性和快速性。智能跟蹤衛(wèi)星、自動捕獲衛(wèi)星、自動校相技術(shù)、自動測試技術(shù)和智能除冰雪控制從多個(gè)維度提升了地面接收天線的效能[29]。風(fēng)云四號Ka頻段的使用給地面天線帶來了機(jī)遇。Ka波束更窄，跟蹤精度更精確，天線指向衛(wèi)星的角度每次跟蹤的變化很小，因此其電機(jī)比風(fēng)云二號電機(jī)損耗小。單脈沖跟蹤方式的特點(diǎn)決定了對電機(jī)的使用磨損小于步進(jìn)跟蹤方式，會使電機(jī)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(wèi)星角度計(jì)算衛(wèi)星軌道位置。衛(wèi)星的軌道變化會導(dǎo)致天線跟蹤角度的變化，天線時(shí)刻指向衛(wèi)星的最新位置，依據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們可根據(jù)天線角度的變化估算衛(wèi)星在空間中的位置變化[30]。天線的角度變化和衛(wèi)星的空間位置變化趨勢是一致的，我們也可利用衛(wèi)星在空間中的變化規(guī)律來預(yù)測天線下一個(gè)時(shí)次的指向角度，為天線在衛(wèi)星信號失鎖后還能指向衛(wèi)星預(yù)測位置方向提供參考?！?/p>