風云四號系列衛(wèi)星測定軌系統(tǒng)及自動運行設計

李 歡

(西安科技大學高新學院 信息與科技工程學院，陜西 西安 710109)

0 引言

氣象衛(wèi)星在氣象、減災、海洋、林業(yè)、農業(yè)、民航和交通運輸方面具有十分重要的地位。按所在軌道可分成2類：太陽同步軌道氣象衛(wèi)星(也稱“極軌道氣象衛(wèi)星”)和地球靜止軌道氣象衛(wèi)星。其中靜止軌道氣象衛(wèi)星可對覆蓋地球近1/3的地區(qū)進行觀測，實時將觀測數據發(fā)回地面。其軌道測量、確定和預報精度不僅用于衛(wèi)星自身軌道保持和姿態(tài)控制，更重要的是影響遙感圖像的精確定位處理結果[1]。

當前，對于單顆靜止氣象衛(wèi)星均建設有專用的測距和定軌系統(tǒng)為其提供時、空上的獨占式服務。當出現東西分布而且跨度大的多顆衛(wèi)星時，如果還采用傳統(tǒng)獨占服務模式，將造成巨大的地面資源冗余和浪費。針對該問題，本文通過分析測站布局、觀測方案和定軌精度等影響，提出增建一套測距定軌系統(tǒng)的必要性，并通過設計智能、自動化運行方案，保證2套測距定軌系統(tǒng)對多顆衛(wèi)星進行測距、定軌作業(yè)的高效、可靠運行[2]。

1 風云四號地面系統(tǒng)及系列衛(wèi)星測定軌能力分析

風云四號A星是新一代靜止氣象衛(wèi)星的首發(fā)星[3]，測距和軌道確定系統(tǒng)由衛(wèi)星轉發(fā)器、北京(含測距作業(yè)控制和軌道確定軟件)或廣州主站、烏魯木齊、佳木斯和騰沖(每站一套測距設備)3個測距副站組成，如圖1所示。

圖1 風云四號A星測距系統(tǒng)Fig.1 FY-4 A satellite ranging system

測距系統(tǒng)的工作原理是：主站和副站同時向衛(wèi)星發(fā)送測距信號(碼分多址)，通過衛(wèi)星轉發(fā)回地面，測量信號上、下傳輸時間，然后乘以光速即可得到地面到衛(wèi)星的距離。測距采用L和S頻段(均為國際電聯(lián)劃分)，這些頻段的無線電波受電離層的折射影響較大，為了像GPS和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)那樣消除電離層折射誤差，風云四號測距下行采用了L和S雙頻。通過雙頻段測量地面已知5個地面站到衛(wèi)星的距離，列出的測量方程為[4]：

i=1,2,3,4,5，

(1)

式中，x，y，z為衛(wèi)星的位置信息；xi，yi，zi為地面站的位置信息；Ri,S為地面站i—衛(wèi)星—地面i下行頻率為fS(S波段)的偽距觀測值；Ri,L為地面站i—衛(wèi)星—地面i下行頻率為fL(L波段)的偽距觀測值；Ri,0為地面站i到衛(wèi)星真實距離值；TECi為測站電離層電子濃度總含量；RS,sat，RL,sat為S波段和L波段的衛(wèi)星轉發(fā)時延；Ri,S,zero，Ri,L,zero為測站i的設備零值。

通過式(1)，可以求解出電離層造成的時延(5個未知數TECi，i=1,2,3,4,5)、衛(wèi)星轉發(fā)器時延(2個未知數RS,sat，RL,sat)以及衛(wèi)星的坐標(3個未知數x，y，z)[5]。

多個測距站的布局主要是為了提高定軌精度和速度，同時也可以相互備份提高系統(tǒng)的可靠性。風云四號A星主要承擔科研試驗任務，地面測距設備均是單套配置。

1.1 測站布局對風云四號系列衛(wèi)星覆蓋能力分析

按照風云四號衛(wèi)星發(fā)展計劃，不僅要發(fā)射光學衛(wèi)星，還要發(fā)射微波探測衛(wèi)星。根據氣象觀測的需求，將采用東西雙星布局，為了保證觀測業(yè)務的連續(xù)、穩(wěn)定，采用衛(wèi)星在軌備份方式。為此，我國向國際電信聯(lián)盟申報了7個靜止軌道位置：79.0°E，86.5°E，99.5°E，105.0°E，112.0°E，123.5°E和133.0°E，形成靜止軌道衛(wèi)星組網的工作狀態(tài)，以提供更好的服務[6]。

測站至衛(wèi)星的方位角如圖2所示。

圖2 測站至衛(wèi)星的方位角Fig.2 Azimuth from station to satellite

論證現有測站布局對風云四號系列衛(wèi)星的覆蓋能力，需要以風云四號A星已經建成的測站為基礎，計算每個測站天線對每顆風云四號衛(wèi)星的方位角與俯仰角，計算方法如下[7]。

已知條件：測站的緯度ФG和經度λG；衛(wèi)星定點軌道星下點的緯度ФS和經度λS；衛(wèi)星高度h。

求測站指向衛(wèi)星的方位角A(從正北算起)[8]。從圖2中的球面三角形NGS，可得：

(2)

cosL′=sin ФGsin ФS+cos ФGcos ФScos Δλ。

如果畫出一個以測站為中心的水平日晷投影地圖，則可以從圖上直接得出觀測衛(wèi)星的方位角。在這種地圖上，測站作用范圍是圓，衛(wèi)星通過測站上空的星下點軌跡是直線。從測站(中心)畫直線到軌跡上的一點，它與正北之間的角度便是方位角[9]。

測站至衛(wèi)星的俯仰角如圖3所示。

圖3 測站至衛(wèi)星的俯仰角Fig.3 Elevation from station to satellite

求測站指向衛(wèi)星的仰角E[3]：

(3)

式中，β=L′。依據rs+h各測站天線觀測風云四號系列衛(wèi)星的方位、俯仰角結果，如表1所示。

表1 各測站天線觀測風云四號衛(wèi)星的方位(A)、俯仰角(E)Tab.1 Azimuth (A) and elevation (E) of satellite observed by antenna of each station

從表1可以看出，以當前的測站布局，各測站的天線對于上述7個靜止軌道的衛(wèi)星均是可見的，現有測站布局能夠對風云四號系列全部衛(wèi)星實現測距定軌功能。

1.2 測站布局對風云四號系列衛(wèi)星定軌精度分析

根據跟蹤衛(wèi)星和無線電信號轉發(fā)，當前的測站可以支持7個軌道位置衛(wèi)星測距。但是這對于基于測站布局的幾何法定軌，尚存在不足。5個測站分別對東、西衛(wèi)星測距的關系如圖4所示。

圖4 地基多站多星測距系統(tǒng)Fig.4 Ground-based multi-station multi-satellite ranging system

需要分析現有測站布局對風云四號系列衛(wèi)星定軌精度的影響，判斷現有測站布局是否滿足風云四號系列衛(wèi)星定軌精度需求[10]。

測站幾何分布對定軌精度的影響通常用幾何精度因子(Position Dilution Precision，PDOP)來體現，這是衡量多站測距定軌精度的一個系數，是測量誤差造成的測站至衛(wèi)星距離矢量的放大因子。地面測站分布與衛(wèi)星所形成的空間體積與PDOP成反比，測站在星下點周圍分布越開闊，越均勻，PDOP越小，對定軌精度的影響就越小[2]。下面給出PDOP的計算方法[11]：

權系數陣QX：

QX=[ATA]-1，

式中，A為誤差方程的系數矩陣。

QX也可以表示為：

位置精度衰減因子PDOP可由下式計算：

按照衛(wèi)星軌道位置為79°E，105°E和133°E，計算5個站布局的PDOP值[12]，并仿真與其相應的條件下的定軌精度，仿真過程如下：

① 由衛(wèi)星狀態(tài)量和嚴格力模型外推，模擬一條真實軌道，并根據觀測方程模擬含有隨機噪聲和系統(tǒng)噪聲的觀測數據文件。

② 采用批處理(加權最小二乘)方法解算初始時刻的軌道改進量。

③ 在每個歷元點，解算出的軌道與模擬的真實軌道作差，并通過下式求解定軌精度：

式中，σ為定軌精度；N為歷元個數；Δi為解算軌道與真實軌道之差。

④ 為了保證實驗結果的可信度，采用蒙特卡羅統(tǒng)計模擬方法仿真100次加入隨機誤差的觀測數據，重復步驟①～③，取100次結果的統(tǒng)計平均作為該組實驗的軌道精度。仿真結果如表2所示。

表2 測站組合定軌精度仿真結果Tab.2 Simulation results of combined orbit determination precision of stations

由表2可以看出，利用現有布局的測距站，對于規(guī)劃中不同位置的衛(wèi)星所構成的PDOP差異并不大，定軌精度差異也不大，可滿足要求。

1.3 現有測站對風云四號系列衛(wèi)星的可用性分析

測距是衛(wèi)星軌道確定及預報的基礎[13]。目前，一顆衛(wèi)星一天之中有等時間間隔的8次測距即可較高精度地確定軌道參數。但是需要在衛(wèi)星執(zhí)行飛輪卸載后及時進行測距和定軌，然后盡快安排第2次測距，以提高定軌精度。如果按在軌7顆衛(wèi)星計算，每顆衛(wèi)星每天測距10次(8次常規(guī)+1次卸載+1次加密)計，共需要70次測距作業(yè)。

根據以上分析，若在7顆衛(wèi)星共用一套地面測定軌系統(tǒng)的情況下，相當于每20 min天線要從指向一顆衛(wèi)星運轉到指向另一顆衛(wèi)星，由于衛(wèi)星東、西布局跨度較大，測距設備天線需要不斷地往返運動。天線工作在室外，受環(huán)境影響大，是測定軌系統(tǒng)中故障率最高的部分，而且不同于室內電子部件，維修不便和時間較長[14]。

因此，按照多顆衛(wèi)星測定軌可靠性要求，每站配置2套測距設備是必要的，可以互為備份，統(tǒng)一調度以提高系統(tǒng)的可用性。在配備2套測距設備的情況下，每個站需要配置站控實現對2套設備的監(jiān)控和調度。站控與2套測距設備之間是互聯(lián)互通的，避免一套設備故障導致信息無法傳送。

2 雙地面測定軌系統(tǒng)自動運行方案設計

為了實現雙地面測距定軌系統(tǒng)對風云四號系列衛(wèi)星全覆蓋自動作業(yè)，同時達到無人值守的要求，本系統(tǒng)的自動化運行方案采用任務管理與控制中心(MCS)、主站站控(MRS)、副站站控(SRS)和設備監(jiān)控這4級監(jiān)控方式，雙地面測距定軌系統(tǒng)在任務管理與控制中心的指揮和調度下運行[5]。MCS每天根據衛(wèi)星的運行情況自動生成測定軌系統(tǒng)的任務時間表，主站接收并解析后通過衛(wèi)星分發(fā)給各個副站，每個副站按照時間表自行運行，副站測距過程中將本副站設備的狀態(tài)及測距結果通過衛(wèi)星轉發(fā)的方式實時發(fā)回主站。主站利用各站數據進行軌道確定及預報，然后將軌道數據、設備狀態(tài)上報MCS，需要使用軌道數據的系統(tǒng)從MCS自行提取[15]。

系統(tǒng)總體的工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程Fig.5 System flow chart

2.1 控制中心對主站的控制方案設計

地面測定軌系統(tǒng)作為靜止氣象衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)的一部分，在控制中心的指揮和調度下運行。控制中心在每天固定的時間向地面測定軌系統(tǒng)主站站控下達當天的作業(yè)任務，控制中心也可以根據需求添加臨時任務或取消某一時間的任務。作業(yè)任務的參數包括衛(wèi)星代號及軌道位置、每次任務的開始時間和結束時間等。設定7個軌道位置均有衛(wèi)星，即滿負荷工作，每日作業(yè)任務如表3所示。

表3 控制中心每日下達給測定軌系統(tǒng)的作業(yè)任務表Tab.3 Daily task list issued by control center to orbit determination system

2.2 主站與副站之間的信息傳輸方案設計

主站將接收到的作業(yè)任務調制在上行測距信號中，在測距時通過衛(wèi)星向副站發(fā)送作業(yè)任務；副站在測距的同時解調衛(wèi)星轉發(fā)的主站信號，獲得主站下發(fā)的作業(yè)任務表[16]。

每個副站將該站對衛(wèi)星測距的距離值、距離值時刻、設備工作狀態(tài)等信息按照一定的格式裝載在上行信號的基帶數據中，經過衛(wèi)星轉發(fā)給主站。主站在進行衛(wèi)星測距的同時，解調衛(wèi)星轉發(fā)的4個副站的信號獲得每個副站的測距值和狀態(tài)信息；基于衛(wèi)星轉發(fā)的主站與副站之間的信息傳輸方案,如圖6所示。

圖6 測距主站與測距副站之間的信息傳輸方案Fig.6 Scheme of information transmission between master and auxiliary ranging stations

2.3 站控對測距設備的控制設計

每個測站均配置2套測距設備，每個站都設有一個站控，MRS除了接收MCS下達的測定軌任務、對副站運行進行監(jiān)控外，還要對主站的2套設備進行作業(yè)調度和監(jiān)控；SRS監(jiān)控2套設備的運行，根據任務和設備的狀態(tài)對2套設備的運行進行作業(yè)調度。每個站的2套設備同時接收任務時間表，以便一套設備工作出現故障時及時切換到另一套設備工作，由站控控制哪套設備執(zhí)行任務。測距設備與站控之間的關系如圖7所示。

圖7 測距設備與站控之間的關系Fig.7 Relationship between ranging equipment and station control

2.4 地面測定軌系統(tǒng)的測距作業(yè)流程設計

2.4.1 主站測距作業(yè)流程

主站接收MCS的任務時間表，解析后通過衛(wèi)星分發(fā)給各個副站。在進行作業(yè)前，站控決策調度設備1工作還是設備2工作。2套設備同時收到任務時間表，這樣在一套設備故障時，另一套設備及時根據任務時間表接續(xù)工作。再判斷各個副站是否均有信號，若其中有副站沒有信號需要判斷當前測距組合是否有效，如異常，系統(tǒng)將報警提示。在進行測距作業(yè)的過程中，如果采集到的數據出現異常，也會及時報警[8]。主站測距作業(yè)流程如圖8所示。

圖8 主站設備作業(yè)流程Fig.8 Operation flow chart of master station equipmen

2.4.2 副站作業(yè)流程

副站站控選定一套設備工作，從任務表中讀取下一次作業(yè)的衛(wèi)星位置，計算天線將要指向的目標方位角和俯仰角；讀取當前天線指向的方位角和俯仰角，根據天線方位運動速度計算從當前方位角到目標方位角所需時間，同樣計算俯仰運動所需時間，取它們中的最長時間；讀取下一次作業(yè)對應的起始時間，設定各站測距天線在下一次測距作業(yè)開始前2 min到達指定衛(wèi)星所對應的位置，與系統(tǒng)時間比對，判斷天線轉動時間是否到；如時間到，控制天線轉動到達目標位置，并打開發(fā)射機；讀取結束時間，與系統(tǒng)時間比對，判斷是否結束；結束時間到，完成本次測距。副站作業(yè)流程如圖9所示。

圖9 副站設備作業(yè)流程Fig.9 Operation flow chart of auxiliary station equipment

3 結束語

針對未來分布跨度大(79°E～133°E)的7顆新一代靜止氣象衛(wèi)星需要進行測距定軌作業(yè)的需求，利用現有的地面測站布局，通過計算衛(wèi)星測距的幾何因子，仿真分析現有測距定軌系統(tǒng)對7顆衛(wèi)星定軌精度，得出現有測站布局滿足未來7顆氣象衛(wèi)星的定軌精度需求的結論；通過對單套測距定軌系統(tǒng)運行能力、高精度定軌對測距數據量需求的分析，論證了每個測站增加一套測距設備的必要性，2套測距定軌系統(tǒng)能夠很好地解決多星測距作業(yè)任務需求，并對衛(wèi)星的測距任務的生成、下達和執(zhí)行架構進行了設計，詳細設計了任務管理與控制中心和主站、測距主站和副站之間的信息傳輸方案，對測距測定軌系統(tǒng)主站及副站工作流程進行了詳細設計，提出了全系統(tǒng)自動監(jiān)控、故障分級的設計思路，保障雙地面測距定軌系統(tǒng)高效、可靠運行，以期為新一代氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的發(fā)展提供有益的借鑒和參考。