風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星12米天線無(wú)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(hào)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(dòng)跟蹤機(jī)制，須定期進(jìn)行相位校正。針對(duì)天線校準(zhǔn)相位，須對(duì)塔的局限性進(jìn)行無(wú)塔校相方法研究及實(shí)現(xiàn)。文章通過(guò)采用12米天線快速無(wú)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(dòng)化標(biāo)校水平。通過(guò)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(hào)衛(wèi)星12米天線無(wú)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(dòng)跟蹤;跟蹤精度;交叉耦合;定向靈敏度;無(wú)塔校相

中圖法分類號(hào)：V474文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)第二代極軌風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星[1]實(shí)現(xiàn)了對(duì)全球天氣和環(huán)境進(jìn)行全天候、三維、定量、多光譜遙感，對(duì)災(zāi)害和環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)更為精準(zhǔn)。風(fēng)云三號(hào)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(duì)衛(wèi)星進(jìn)行快速捕獲、穩(wěn)定跟蹤，須對(duì)和差通道的相對(duì)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(hào)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(gè)下行通道的零值自動(dòng)跟蹤機(jī)制，以差模電磁場(chǎng)的天線方向圖的軸向?yàn)榱阒?，依靠偏軸的極性特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)跟蹤。射頻線纜松動(dòng)、環(huán)境溫度變化、天線電軸漂移等都會(huì)引起和差通道相對(duì)相移，使得交叉耦合指標(biāo)惡化[2] ，造成天線自動(dòng)跟蹤性能降低甚至無(wú)法捕獲、跟蹤衛(wèi)星[3]。風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星12米天線饋源下行兩個(gè)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(duì)和差通道的相對(duì)相位進(jìn)行標(biāo)校，使和差信號(hào)的相位保持一致。通過(guò)和差信號(hào)，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(hào)分別經(jīng)過(guò)相互正交的兩個(gè)低頻信號(hào)調(diào)制后，再與和信號(hào)合并形成一個(gè)單通道調(diào)頻或調(diào)相信號(hào)，信號(hào)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(guò)兩種信號(hào)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(hào)相位相異導(dǎo)致的角誤差電壓的交叉耦合問(wèn)題，而校相則可以解決相對(duì)相位差問(wèn)題。在天線工作時(shí)，須頻繁對(duì)天線進(jìn)行校相，目的是得到和信號(hào)通道與差信號(hào)通道之間的最小相位差，即θ-φ=Δ（圖2）。當(dāng)φ=O 時(shí)，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(hào)通道的相位差一致的目標(biāo)，此時(shí)方位俯仰交叉耦合最小。風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星12米天線接收系統(tǒng)校相指的是對(duì)整個(gè)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(gè)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。24E73BE2-9EC4-4766-B85E-01DC71825E2C

從公式（1）和（2）可以看出，當(dāng)和差信道相位不同時(shí)，天線的俯仰、方位支路就會(huì)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(dòng)校相單元的主要工作之一。當(dāng)目標(biāo)脫離天線波束時(shí)，天線饋源就會(huì)產(chǎn)生差模信號(hào)，通過(guò)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(duì)風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星的閉環(huán)跟蹤。

3? 無(wú)塔校相技術(shù)原理及分析

常規(guī)校相方法是建造一個(gè)符合標(biāo)校條件的標(biāo)校塔，在塔頂放置信號(hào)源，在沒(méi)有跟蹤任務(wù)時(shí)將天線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校塔發(fā)射的信號(hào)，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(shí)間長(zhǎng)、流程復(fù)雜，尤其是校相時(shí)間受限。而基于風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星資料接收系統(tǒng)研發(fā)的高效率自動(dòng)無(wú)塔校相技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的一鍵無(wú)塔校相。它能在衛(wèi)星資料接收前的短時(shí)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(wú)塔校相技術(shù)原理

在執(zhí)行跟蹤風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星任務(wù)時(shí)，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(duì)其進(jìn)行跟蹤。采用該方法的前提條件如下。

（1）先對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，確保衛(wèi)星信號(hào)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(shí)跟蹤接收機(jī)輸出方位和俯仰跟蹤的角誤差電壓。

（2）對(duì)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(hào)為參考，針對(duì)右旋接收信號(hào)，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(hào)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(dòng)增益 ACU 取一組初始方位、俯仰誤差電壓（ UA0，UE0）;精確記錄此時(shí)12米天線的方位角度 A0和俯仰角度 E0（圖3）;手動(dòng)將 12米天線偏置一個(gè)角度，即將俯仰拉偏一個(gè)位置量或方位拉偏一個(gè)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(jì)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(gè)角度（即 P2角度）;再將天線在俯仰方向上拉偏一個(gè)角度;當(dāng)風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星運(yùn)行到固定位置 P3點(diǎn)時(shí)，讀取并記錄（ UA3，UE3）的方位、俯仰誤差電壓值;計(jì)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(wú)塔校相技術(shù)分析

無(wú)塔校相技術(shù)的關(guān)鍵是確保天線對(duì)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(hào)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(wú)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(shí)，此時(shí)加速度小、軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏差小。而仰角較高時(shí)，軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏差較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在仰角小于50°時(shí)，軌道預(yù)報(bào)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(duì)于波束較寬的 L 頻段目標(biāo)而言，校相自動(dòng)完成的成功率較高。而對(duì)于波束較窄的 X 頻段目標(biāo)而言，則需要通過(guò)程序引導(dǎo)或數(shù)字引導(dǎo)的方式，采用手動(dòng)疊加方位、俯仰偏置等手段，將軌道預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)偏差降至最小，再進(jìn)行無(wú)塔校相，以提高成功率。

4? 無(wú)塔校相的實(shí)現(xiàn)

4.1? 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于 X 頻段而言，可以通過(guò)手動(dòng)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(wú)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(bào)和調(diào)度任務(wù)，ACU 采用程序引導(dǎo)方式對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星;（2）操作員若要啟用無(wú)塔校相功能，首先要取消自捕功能（自動(dòng)捕獲目標(biāo)），防止其影響校相功能。任務(wù)開(kāi)始后，要盡量在低仰角（20°以前）完成無(wú)塔校相，這是因?yàn)樾l(wèi)星在低仰角運(yùn)行時(shí)的速度慢，對(duì)校相的影響相對(duì)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(dòng)疊加方位、俯仰偏置，并根據(jù)跟蹤接收機(jī)的 AGC 信號(hào)或衛(wèi)星頻譜信號(hào)搜索、尋找目標(biāo)信號(hào)的最大點(diǎn)，即將軌道預(yù)報(bào)偏差降至最小;（4）當(dāng)校相開(kāi)始時(shí)，ACU 自動(dòng)向跟蹤接收機(jī)發(fā)送相位清零命令，當(dāng)校相結(jié)束時(shí)，ACU 自動(dòng)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(shí)間很短（不會(huì)超過(guò)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(yǔ)

傳統(tǒng)的有塔校相實(shí)現(xiàn)困難、操作煩瑣、耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，降低了跟蹤接收機(jī)的跟蹤精度。無(wú)塔校相的速度快、流程簡(jiǎn)單，但由于風(fēng)云三號(hào)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(dòng)輔助的校相方式完成校相工作。增加無(wú)塔校相功能經(jīng)過(guò)多次校相、跟星驗(yàn)證，效果良好。研究結(jié)果表明，利用無(wú)塔校相功能在沒(méi)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。

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作者簡(jiǎn)介：

任立清（1967—） ，碩士，高級(jí)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)。24E73BE2-9EC4-4766-B85E-01DC71825E2C