風云三號衛(wèi)星微波濕度計天線驅動控制

孫茂華，何寶宇，張升偉

（中國科學院空間科學與應用研究中心，北京100190）

風云三號衛(wèi)星微波濕度計用于全天時、全天候地觀測全球大氣濕度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空間氣象資料，在大氣探測中具有重要作用。

風云三號衛(wèi)星微波濕度計由3個單元組成，即：接收機單元、數(shù)控單元和電源單元。其中，接收機單元由天線與饋電網(wǎng)絡、接收機前端、中低頻接收機、熱輻射定標源、掃描機構、天線驅動控制模塊等部分組成；數(shù)控單元包括微處理器模塊、接收機控制及數(shù)據(jù)采集模塊、電源控制模塊以及總線通信模塊4部分。

本文著重介紹數(shù)控單元如何根據(jù)地面注入指令控制天線掃描驅動機構的工作模式，同時通過讀取天線輔助參數(shù)，根據(jù)天線角編碼信息所對應的時序完成科學數(shù)據(jù)的采集。此部分的主要功能如下：

（1）通過1553B總線接收地面注入數(shù)據(jù)；

（2）根據(jù)解析的注入數(shù)據(jù)向天線驅動控制模塊發(fā)送天線工作模式控制指令；

（3）讀取天線輔助參數(shù)，包括天線角度信息和狀態(tài)信息；

（4）根據(jù)天線角度信息和既定時序采集對地觀測及定標數(shù)據(jù)，并將遙感數(shù)據(jù)傳送到地面。

數(shù)控單元與天線驅動機構之間的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，天線控制指令由數(shù)控單元發(fā)送到天線驅動機構，而天線控制機構則將天線的相關參數(shù)反饋給數(shù)控單元使其完成后續(xù)任務；雙向信號均為48 bit串行數(shù)據(jù)并包括1路時鐘信號，2路邏輯控制信號，傳輸形式為LVDS低壓差分信號，傳送速率2 Mb/s，收到地面注入時發(fā)送控制指令，隨時讀取天線輔助數(shù)據(jù)[1]。天線控制信息流圖如圖1所示。

圖1 天線控制信息流圖

1 天線掃描模式

為提高微波濕度計的可靠性，保證在軌壽命期間的正常運行，天線的驅動電機和驅動控制模塊由德國公司設計完成，采用直流無刷電機，不經(jīng)過齒輪傳遞直接驅動；電機繞組和驅動控制電路為冷備份設計；軸承潤滑措施采用脂潤滑方式；進行必要的溫控，保證工作溫度范圍；天線罩采用輕質金屬合金材料，減小轉動慣量和負載力矩。

微波濕度計掃描驅動機構共分為3種掃描模式：變速掃描、勻速掃描及定點觀測。此外還有一種停止模式，在接收機未開啟之前和兩種掃描模式切換之間使用。3種掃描模式的采用可滿足衛(wèi)星在軌工作中的各種需求，增加了系統(tǒng)的靈活性和實用性。

1.1 周期性連續(xù)變速掃描

變速掃描模式為正常情況下首選的對地觀測工作模式，即默認工作模式。根據(jù)FY-3衛(wèi)星的狀態(tài)，微波濕度計采用機械掃描，掃描方式為垂直于飛行軌跡的360°的連續(xù)變速圓周掃描，對地觀測掃描張角為±53.35°（以天底點為中心），即126.65°～233.35°，連續(xù)采樣98個點，采樣間隔為1.1°。冷空定標角度為107.1°，高溫定標源位于天頂點，圖2為周期掃描速度曲線，掃描過程如圖3所示。

圖2 濕度計周期掃描速度曲線

圖3 微波濕度計變速掃描模式

從圖中可以看出假定天頂點為起始點0°，掃描過程依次為：勻速（熱源定標）→加速→勻速→減速→勻速（冷空定標）→加速→減速→勻速（對地觀測）→加速→勻速→減速→勻速（熱源定標），完成一個掃描周期需要2.667 s，

1.2 勻速掃描

根據(jù)衛(wèi)星及微波濕度計在軌運行的實際情況，如果微波濕度計天線轉動對衛(wèi)星姿態(tài)產生影響或變速掃描模式工作異常時可采用勻速掃描模式，工作模式的改變通過地面數(shù)據(jù)注入來完成。

1.3 定點觀測

定點觀測模式是在需要對某些特定角度進行連續(xù)觀測的條件下所采用。通過地面數(shù)據(jù)注入切換至定點觀測模式，可對任意固定角度進行觀測。

1.4 停止模式

此種工作模式是微波濕度計掃描驅動機構的缺省模式，系統(tǒng)上電時掃描驅動機構即處于停止狀態(tài)，當接收機開始工作之后才開啟天線進入前3種掃描模式。在其他掃描模式切換的過程中，前一種掃描模式不能直接進入另一種，必須先進入停止模式，然后才能啟動另一種掃描模式。所有工作模式的切換均由地面注入完成，星上無自主控制。

在天線掃描驅動機構發(fā)生工作異常時，也應采用停止模式，此種模式下電機不再驅動天線轉動，電源只需要提供很小的電流，這樣避免了電機故障可能產生的電流長時間持續(xù)增大的現(xiàn)象，保證了微波濕度計電源的安全，從而不會對整星造成不良影響。

2 天線驅動控制

2.1 數(shù)控單元天線控制接口

從天線控制信息流圖可以看出，天線驅動控制的第一個環(huán)節(jié)是數(shù)控單元，首先接收衛(wèi)星指令，然后將天線控制指令通過天線控制接口發(fā)送到天線控制模塊，數(shù)控單元天線驅動控制接口主要由80C32串口、LVDS發(fā)送器、LVDS接收器及相應的邏輯電路組成，詳細框圖如圖4所示。

圖4 天線驅動控制接口

天線控制接口的功能是產生天線驅動控制模塊所需的控制指令，讀取天線狀態(tài)和角編碼信息，數(shù)控單元和天線驅動控制模塊之間接口信號包括48 bit串行信號（雙路雙向）、1路時鐘信號，2路邏輯控制信號。48 bit串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及時鐘信號由80C32的串口完成，相關的邏輯控制信號由I/O口產生，信號傳輸形式為LVDS（低壓差分信號）。傳送速率2 Mb/s，控制指令需要時發(fā)送，隨時讀取天線信息[1]。

2.2 天線驅動控制接口時序

2.2.1 天線驅動控制命令發(fā)送時序

天線驅動控制命令發(fā)送時序如圖5所示，控制信號分為4路信號輸出，在命令發(fā)送期間信號S_Acq為低電平，信號S_Cmd為高電平，48 bit串行數(shù)據(jù)傳送完成后S_Acq與S_Cmd均變?yōu)榈碗娖健?8 bit串行數(shù)據(jù)定義如表1所示，其中位置控制器增益、速度控制器增益以及電偏移量是固定的，在電機調試后給出。

圖5 天線控制命令發(fā)送時序

表1 MCDE串行控制命令定義

2.2.2 天線狀態(tài)信息讀取時序

天線狀態(tài)信息讀取時序如圖6所示，信號分為3路輸出信號和1路48 bit串行輸入信號，在讀數(shù)期間信號S_Acq為高電平，信號S_Cmd為低電平，48 bit串行數(shù)據(jù)傳送完成后S_Acq與S_Cmd均變?yōu)榈碗娖健?8 bit串行數(shù)據(jù)定義如表2所示，其中位置控制器增益、速度控制器增益以及電偏移量是固定的，在電機調試后給出。

圖6 天線狀態(tài)信息讀取時序

表2 MCDE串行狀態(tài)信息定義

3 實際應用

此天線掃描驅動模式是為適應風云三號衛(wèi)星微波濕度計的工作方式而特別設計的，在現(xiàn)已發(fā)射的兩顆風云三號衛(wèi)星上此種天線驅動控制方式已獲得應用，其中微波濕度計在A星上工作已超過4年，B星上的微波濕度計也已工作將近兩年，期間未發(fā)生天線驅動控制異常及輔助參數(shù)讀取錯誤而導致的數(shù)據(jù)采集異常的情況，實踐證明這套控制系統(tǒng)是完善、可靠的。即將發(fā)射的風云三號C星，此天線驅動控制方式在原有的基礎上進一步改善，減少了器件使用的數(shù)量，降低了功耗和體積，從而可靠性也獲得了相應的提高。

[1]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1993.