風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星12米天線無塔校相技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

任立清 張偉航 周立平

摘要：風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星12米天線的X頻段采用多模單脈沖，L頻段采用多喇叭單脈沖自動跟蹤機(jī)制，須定期進(jìn)行相位校正。針對天線校準(zhǔn)相位，須對塔的局限性進(jìn)行無塔校相方法研究及實(shí)現(xiàn)。文章通過采用12米天線快速無塔校相方法，有效提高了天線跟蹤精度和衛(wèi)星資料接收設(shè)備自動化標(biāo)校水平。通過分析產(chǎn)生相位差的原因，歸納了影響相位值的各種因素;從跟蹤原理出發(fā)，介紹了風(fēng)云三號衛(wèi)星12米天線無塔校相技術(shù)在衛(wèi)星資料收集工作中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動跟蹤;跟蹤精度;交叉耦合;定向靈敏度;無塔校相

中圖法分類號：V474文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Realization of phase calibration technology without tower for 12 meterreceiving antenna of FY-3 meteorological satellite

REN Liqing，ZHANG Weihang，ZHOU Liping

（Urumqi Meteorological Satellite Ground Station，Urumqi 830011，China）

Abstract：The 12m tracking antenna of FY-3 meteorological satellite adopts multi-mode monopulse in X-band and multi horn monopulse automatic tracking system in L-band. The antenna needs periodic phase correction. Aiming at the limitation of tower in antenna phase calibration，the tower free phase calibration method is studied and realized. By developing a fast tower free phase correction method for 12m antenna， this paper effectively improves the antenna tracking accuracy and the automatic calibration level of satellite data receiving equipment. By analyzing the causes of phase difference， various factors affecting the phase value are summarized. Starting from the tracking principle， the application of tower free phase correction technology of 12 meter receiving antenna of FY-3 satellite in satellite data work is introduced.

Key words：automatic tracking，tracking accuracy， cross coupling， directional sensitivity， phase calibration without tower

我國第二代極軌風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星[1]實(shí)現(xiàn)了對全球天氣和環(huán)境進(jìn)行全天候、三維、定量、多光譜遙感，對災(zāi)害和環(huán)境的遙感監(jiān)測更為精準(zhǔn)。風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的資料接收系統(tǒng)具有多點(diǎn)頻、多極化等功能，為保證地面天線對衛(wèi)星進(jìn)行快速捕獲、穩(wěn)定跟蹤，須對和差通道的相對相位進(jìn)行標(biāo)校（即校相）。

1? 跟蹤接收機(jī)原理

風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星12米天線系統(tǒng)搭載了跟蹤接收機(jī)，采用具有單脈沖、兩個下行通道的零值自動跟蹤機(jī)制，以差模電磁場的天線方向圖的軸向?yàn)榱阒?，依靠偏軸的極性特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)高精度自動跟蹤。射頻線纜松動、環(huán)境溫度變化、天線電軸漂移等都會引起和差通道相對相移，使得交叉耦合指標(biāo)惡化[2] ，造成天線自動跟蹤性能降低甚至無法捕獲、跟蹤衛(wèi)星[3]。風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星12米天線饋源下行兩個信道，且X，L 通道的相位調(diào)整以及保持一致比較難，造成交叉耦合指標(biāo)惡化，影響天線正常跟蹤[4]。圖1 為 X 頻段跟蹤接收原理框圖。

該跟蹤接收機(jī)可以對和差通道的相對相位進(jìn)行標(biāo)校，使和差信號的相位保持一致。通過和差信號，可以得到天線在方位和俯仰軸方向上的誤差電壓，并精確解調(diào)。

2? 校相原理

單脈沖跟蹤機(jī)制是指將天線及饋源系統(tǒng)產(chǎn)生的方位和俯仰誤差信號分別經(jīng)過相互正交的兩個低頻信號調(diào)制后，再與和信號合并形成一個單通道調(diào)頻或調(diào)相信號，信號的幅度變化用于傳輸角誤差信息，而角度或相位變化用于傳輸數(shù)據(jù)信息，通過兩種信號共同的下行傳輸信道傳輸至跟蹤接收機(jī)，然后分別解調(diào)出數(shù)據(jù)信息和角誤差信息[5]。

相位偏移可以解決單通道合成前與和差信號相位相異導(dǎo)致的角誤差電壓的交叉耦合問題，而校相則可以解決相對相位差問題。在天線工作時，須頻繁對天線進(jìn)行校相，目的是得到和信號通道與差信號通道之間的最小相位差，即θ-φ=Δ（圖2）。當(dāng)φ=O 時，和差信道的相位偏移量完全相同。所以，校相的目的是減小Δ，達(dá)到和差信號通道的相位差一致的目標(biāo)，此時方位俯仰交叉耦合最小。風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星12米天線接收系統(tǒng)校相指的是對整個系統(tǒng)接收的和差信道相位及增益進(jìn)行調(diào)整和標(biāo)定，使跟蹤接收機(jī)的和差路的傳輸相位差為零，且鏈路增益為一合適值。

從方位、俯仰誤差電壓的數(shù)學(xué)模型中可以推出下面兩個公式：

其中，K 為差信道增益系數(shù)，Δφ為和差信道歸一化后的綜合相位差，μ為差方向圖歸一化斜率，θ為電軸偏離目標(biāo)空間角。

從公式（1）和（2）可以看出，當(dāng)和差信道相位不同時，天線的俯仰、方位支路就會出現(xiàn)相互影響的情況，并產(chǎn)生交叉耦合電壓。校相的主要目的是“消除”和差信道相位之間的固定差Δφ，和調(diào)整俯仰、方位支路的定向靈敏度。“消除”和差信道相位固定差則是自動校相單元的主要工作之一。當(dāng)目標(biāo)脫離天線波束時，天線饋源就會產(chǎn)生差模信號，通過跟蹤接收機(jī)解調(diào)方位電壓、俯仰角度，并將電壓的誤差傳送至伺服跟蹤位置環(huán)，即可完成對風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的閉環(huán)跟蹤。

3? 無塔校相技術(shù)原理及分析

常規(guī)校相方法是建造一個符合標(biāo)校條件的標(biāo)校塔，在塔頂放置信號源，在沒有跟蹤任務(wù)時將天線對準(zhǔn)標(biāo)校塔發(fā)射的信號，與地面設(shè)備合作完成校相，其涉及的環(huán)節(jié)較多，受地理、氣候等客觀條件的限制較大，工作煩瑣，而且校相時間長、流程復(fù)雜，尤其是校相時間受限。而基于風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星資料接收系統(tǒng)研發(fā)的高效率自動無塔校相技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的一鍵無塔校相。它能在衛(wèi)星資料接收前的短時間內(nèi)，根據(jù)下達(dá)的命令完成校相工作，并保存命令結(jié)果，確保順利完成任務(wù)。

3.1? 無塔校相技術(shù)原理

在執(zhí)行跟蹤風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星任務(wù)時，選擇在其即將進(jìn)入衛(wèi)星接收站的跟蹤范圍的初期，借助伺服系統(tǒng)的 ACU 程序引導(dǎo)或數(shù)字引導(dǎo)功能對其進(jìn)行跟蹤。采用該方法的前提條件如下。

（1）先對準(zhǔn)衛(wèi)星，確保衛(wèi)星信號在半功率波束帶寬內(nèi)，跟蹤接收機(jī)的 AGC 滿足跟蹤門限且鎖定目標(biāo)，此時跟蹤接收機(jī)輸出方位和俯仰跟蹤的角誤差電壓。

（2）對跟蹤接收機(jī)的參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置（將跟蹤接收機(jī)的前相移相值、方位移相值、俯仰移相值分別設(shè)置為0O 、0O 、180O ;以左旋接收信號為參考，針對右旋接收信號，將跟蹤接收機(jī)的前相移相值、方位移相值、俯仰移相值分別設(shè)置為0O 、0O 、0O ）。

（3）當(dāng)風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星進(jìn)入12米天線主波束3dB 波瓣范圍后，跟蹤接收機(jī)的自動增益 ACU 取一組初始方位、俯仰誤差電壓（ UA0，UE0）;精確記錄此時12米天線的方位角度 A0和俯仰角度 E0（圖3）;手動將 12米天線偏置一個角度，即將俯仰拉偏一個位置量或方位拉偏一個位置量（目標(biāo)仍在12米天線主波束 3dB 波瓣范圍內(nèi)），再讀取一組12米天線的俯仰誤差電壓和方位誤差電壓（ UE1，UA1） 以及天線位置角度（E1，A1）。

（4）和差通道相位差ΔΦ0 的計算公式為：

（5）為了提高天線的跟蹤精度，先將天線在方位軸上拉偏一個角度（即 P2角度）;再將天線在俯仰方向上拉偏一個角度;當(dāng)風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星運(yùn)行到固定位置 P3點(diǎn)時，讀取并記錄（ UA3，UE3）的方位、俯仰誤差電壓值;計算出天線在俯仰方向上拉偏的相位值及增益系數(shù);然后比較兩組值，并修改兩組值的誤差，直至完成校相。

3.2? 無塔校相技術(shù)分析

無塔校相技術(shù)的關(guān)鍵是確保天線對準(zhǔn)目標(biāo)，即在天線偏置前后，確保目標(biāo)在天線主波束3dB 波瓣范圍內(nèi)。校相成功與否取決于角度標(biāo)校的精度、程序引導(dǎo)的精度、天線的波束寬度。由于風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的接收天線是三軸天線，方位軸疊加在第三軸的斜面上（斜面傾角為7°），因此方位軸的標(biāo)校較為困難、復(fù)雜，需要反復(fù)標(biāo)定、驗(yàn)證。

無塔校相技術(shù)一般應(yīng)用于天線運(yùn)行速度較慢、仰角較低時，此時加速度小、軌道預(yù)報數(shù)據(jù)偏差小。而仰角較高時，軌道預(yù)報數(shù)據(jù)偏差較大。據(jù)統(tǒng)計，在仰角小于50°時，軌道預(yù)報與實(shí)際跟蹤方位、俯仰的偏差分布在0.05～ 0.25，不僅不同衛(wèi)星之間的離散性大，而且同一顆衛(wèi)星的不同圈次偏差也各異。

對于波束較寬的 L 頻段目標(biāo)而言，校相自動完成的成功率較高。而對于波束較窄的 X 頻段目標(biāo)而言，則需要通過程序引導(dǎo)或數(shù)字引導(dǎo)的方式，采用手動疊加方位、俯仰偏置等手段，將軌道預(yù)報數(shù)據(jù)偏差降至最小，再進(jìn)行無塔校相，以提高成功率。

4? 無塔校相的實(shí)現(xiàn)

4.1? 方案設(shè)計

對于 X 頻段而言，可以通過手動輔助的方式完成校相。此外，改進(jìn) ACU 和跟蹤接收機(jī)的相關(guān)通信軟件，使 ACU 可以遠(yuǎn)程控制、修改相位參數(shù)。

4.2? 實(shí)施步驟

實(shí)現(xiàn)無塔校相的具體工作流程和步驟如下：（1） 根據(jù)監(jiān)控機(jī)下發(fā)的軌道預(yù)報和調(diào)度任務(wù)，ACU 采用程序引導(dǎo)方式對準(zhǔn)衛(wèi)星;（2）操作員若要啟用無塔校相功能，首先要取消自捕功能（自動捕獲目標(biāo)），防止其影響校相功能。任務(wù)開始后，要盡量在低仰角（20°以前）完成無塔校相，這是因?yàn)樾l(wèi)星在低仰角運(yùn)行時的速度慢，對校相的影響相對較小;（3）校相前，操作員需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷天線的指向是否在主波束內(nèi)，在程序引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，手動疊加方位、俯仰偏置，并根據(jù)跟蹤接收機(jī)的 AGC 信號或衛(wèi)星頻譜信號搜索、尋找目標(biāo)信號的最大點(diǎn)，即將軌道預(yù)報偏差降至最小;（4）當(dāng)校相開始時，ACU 自動向跟蹤接收機(jī)發(fā)送相位清零命令，當(dāng)校相結(jié)束時，ACU 自動向跟蹤接收機(jī)發(fā)送相位設(shè)置命令和相位參數(shù)。ACU 遠(yuǎn)程控制跟蹤接收機(jī)的相位的時間很短（不會超過1 秒鐘）;（5）校相完成后，操作員將 ACU 切換至跟蹤模式，觀察跟蹤效果，根據(jù)跟蹤狀況決定是否保存校相結(jié)果。

5? 結(jié)束語

傳統(tǒng)的有塔校相實(shí)現(xiàn)困難、操作煩瑣、耗費(fèi)的時間長，降低了跟蹤接收機(jī)的跟蹤精度。無塔校相的速度快、流程簡單，但由于風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星12米天線工作在 X 頻段，天線波束較窄，只能采用手動輔助的校相方式完成校相工作。增加無塔校相功能經(jīng)過多次校相、跟星驗(yàn)證，效果良好。研究結(jié)果表明，利用無塔校相功能在沒有標(biāo)校塔的情況下也可以完成校相工作，提高了地面站接收氣象衛(wèi)星資料的成功率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 范天賜.風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星的特點(diǎn)和作用[ J].氣象科技，2002，30（6）：321?327.

[2] 石榮，陳錫明，唐海，等.差模跟蹤接收機(jī)和差通道相位標(biāo)校與調(diào)整[J].電子信息對抗技術(shù)，2006，11（1）：6?9+25.

[3] 李靖.TE21模單通道自跟蹤系統(tǒng)[ J].無線電通信技術(shù)，2005（6）：42?44.

[4] 柯樹人.圓波導(dǎo)多模自跟蹤系統(tǒng)的電軸漂移和交叉耦合[J].雷達(dá)測量技術(shù)，1973（2）：1?20.

[5] 李靖，李強(qiáng)，李碩.單脈沖跟蹤接收機(jī)相位自動校正的研究[J].無線電工程，2008（5）：56?58.

作者簡介：

任立清（1967—） ，碩士，高級工程師，研究方向：應(yīng)用氣象技術(shù)。

周立平（1969—） ，碩士，研究方向：應(yīng)用氣象技術(shù)。