極軌氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理及故障分析處理＊

陳 鵬，吳 麟，潘 鋒

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

2011-10-28，一枚聯(lián)合發(fā)射同盟的德爾塔II 型運(yùn)載火箭從加利福尼亞州的范登堡空軍基地的SLC-2W工位發(fā)射升空，將美國國家海洋和大氣管理局的國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備計(jì)劃（NPP）衛(wèi)星以及6顆立方體小型衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道[1]。NPP 衛(wèi)星最初是作為NPOESS 項(xiàng)目的探索者而開發(fā)的，在NPOESS項(xiàng)目被放棄后，NPP 反而成為了任務(wù)衛(wèi)星項(xiàng)目。

NPP 衛(wèi)星系統(tǒng)包括5 個(gè)傳感器，該星上搭載的可見光紅外成像輻射儀、跨軌掃描紅外探測儀、先進(jìn)技術(shù)微波探測器等有效載荷，可以很好地用于探測地球環(huán)境和大氣，監(jiān)控火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、干旱、洪水、沙塵暴、颶風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害[1]。另外NPP 還能追蹤大氣中臭氧和氣溶膠的含量以及海洋和陸地表面溫度。

中國負(fù)責(zé)接收NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的3 個(gè)地面站分別是廣州站、佳木斯站和烏魯木齊站。接收、處理和應(yīng)用NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)有助于了解國外先進(jìn)的氣象衛(wèi)星技術(shù)，對(duì)提高自身防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。總之，NPP衛(wèi)星可以從太空中監(jiān)測地球的健康，提供長時(shí)間序列數(shù)據(jù)，建立下一代地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)長期的氣候轉(zhuǎn)變和短期的天氣變化。

1 NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理

NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)是由天線接收分系統(tǒng)、變頻解調(diào)分系統(tǒng)、任務(wù)管理分系統(tǒng)、校時(shí)分系統(tǒng)、進(jìn)機(jī)分包分系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)分系統(tǒng)6 個(gè)系統(tǒng)組成[2]。數(shù)據(jù)接收通過X 頻段中頻點(diǎn)為7 812 MHz 的射頻信號(hào)下發(fā)，速率是15 MB/s，調(diào)制方式為QPSK，I 路和Q 路的比值為1∶1，信號(hào)極化方向?yàn)橛倚龢O化，可采用跟蹤天線接收。NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理

1.1 天線接收分系統(tǒng)

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站采用4.2 m 天線對(duì)NPP衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，每部4.2 m 天線可同時(shí)接收2 路X頻段信號(hào)和1 路L 頻段信號(hào)，其工作原理為天線低噪聲放大器輸出X 頻段（7.7～8.4 GHz）信號(hào)通過X 頻段變頻器變到2.0～2.7 GHz，與L 頻段信號(hào)一起經(jīng)過光纖發(fā)送接收設(shè)備進(jìn)入射頻開關(guān)矩陣[3]。

1.2 變頻解調(diào)分系統(tǒng)

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收采用完全相同且獨(dú)立的兩路信道，故變頻解調(diào)分系統(tǒng)是由2臺(tái)完全相同的2.0～2.7 GHz/720 MHz 下變頻器跟2 臺(tái)低速率SPK 解調(diào)器共同組成。NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收是通過X 頻段中頻點(diǎn)為7 812 MHz 的射頻信號(hào)下發(fā)，X 頻段信號(hào)經(jīng)過第一次變頻后再通過2.0～2.7 GHz/720 MHz下變頻器變到720 MHz 中頻，經(jīng)過中頻開關(guān)矩陣將信號(hào)送至解調(diào)器，經(jīng)過中頻解調(diào)、基帶處理、信道譯碼后解調(diào)出數(shù)據(jù)信息。

1.3 任務(wù)管理分系統(tǒng)

任務(wù)管理分系統(tǒng)由任務(wù)調(diào)度管理公共機(jī)以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視公共機(jī)組成。利用任務(wù)調(diào)度管理軟件對(duì)國家衛(wèi)星氣象中心下發(fā)的NPP 軌道時(shí)間表和根數(shù)進(jìn)行計(jì)算生成NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收計(jì)劃，并將計(jì)劃下達(dá)到要接收NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的天線[2]，除此之外還要將衛(wèi)星中心下發(fā)的NPP 軌道時(shí)間表發(fā)送到NPP 進(jìn)機(jī)分包分系統(tǒng)。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視軟件會(huì)根據(jù)天線的接收任務(wù)時(shí)間表在軌道開始前5 min 將事先設(shè)置好的組配信息下發(fā)到接收NPP 此條軌道的相關(guān)設(shè)備。

1.4 校時(shí)分系統(tǒng)

NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)的執(zhí)行必須在統(tǒng)一的時(shí)間基礎(chǔ)上進(jìn)行，所以整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步非常重要。本系統(tǒng)采用GPS 接收機(jī)提供整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間精度。將時(shí)間服務(wù)器與整個(gè)系統(tǒng)接入到同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，利用Symmtime 時(shí)統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的校時(shí)。

1.5 進(jìn)機(jī)分包分系統(tǒng)

進(jìn)機(jī)分包分系統(tǒng)包括2 臺(tái)NPP 進(jìn)機(jī)分包公共機(jī)和2 塊USB 接口進(jìn)機(jī)卡。進(jìn)機(jī)分包公共機(jī)通過進(jìn)機(jī)卡接收解調(diào)器輸出的NPP 衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)，將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的格式處理，處理后的數(shù)據(jù)記錄在本地磁盤以及上傳數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分系統(tǒng)，最后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量判識(shí)并記錄在冊。

1.6 網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)分系統(tǒng)

接收到的NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)需上傳到衛(wèi)星中心和本單位遙感室。NPP 進(jìn)機(jī)分包軟件在數(shù)據(jù)接收過程中將數(shù)據(jù)記錄在本地硬盤，待數(shù)據(jù)接收完成后自動(dòng)上傳到磁盤陣列。衛(wèi)星中心通過磁盤陣列獲取NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站遙感室通過NPP 進(jìn)機(jī)分包公共機(jī)上安裝的FTP 傳輸軟件獲取NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2 故障分析處理

接收系統(tǒng)是全天全自動(dòng)運(yùn)行接收系統(tǒng)，整套設(shè)備具有很高的精確度和自動(dòng)化程度。為確保數(shù)據(jù)接收質(zhì)量和運(yùn)行成功率，整套接收設(shè)備要定期進(jìn)行檢修、維護(hù)，以減少不必要的故障發(fā)生。在NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中，采用一主一備兩路完整且獨(dú)立的接收系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)接收萬無一失[4]。但由于接收任務(wù)的時(shí)效性，對(duì)于突發(fā)或偶發(fā)的運(yùn)行故障，若不能在第一時(shí)間及時(shí)處理，必定會(huì)造成原始數(shù)據(jù)的丟失，影響接收成功率。因此值班人員要掌握一定的故障應(yīng)急處理方法，這樣出現(xiàn)故障時(shí)才能第一時(shí)間作出快速準(zhǔn)確的判斷，及時(shí)排除故障，確保數(shù)據(jù)接收正?！，F(xiàn)將烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時(shí)遇到的一些問題總結(jié)歸納如下。

2.1 天線故障

2.1.1 天線跟蹤異常

在NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中，4.2 m 天線偶有信號(hào)跟蹤不上，解調(diào)器不鎖定的情況發(fā)生，可通過天線室內(nèi)控制軟件手動(dòng)微調(diào)天線俯仰或方位直到解調(diào)器鎖定為止。

2.1.2 天線X、Y 功放報(bào)警

NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收前或接收過程中4.2 m 天線室內(nèi)天線控制軟件X、Y 功放報(bào)警，天線停止跟蹤。此時(shí)可點(diǎn)擊“待機(jī)”按鈕，再點(diǎn)“程引”，如上述現(xiàn)象依然存在，則重復(fù)上述步驟多次，一般可解決問題，這樣做的目的是讓天線系統(tǒng)復(fù)位后再重新跟蹤。若上述方法不能解決問題，則有可能是下位機(jī)死機(jī)，需到對(duì)應(yīng)天線塔基機(jī)房重新啟動(dòng)下位機(jī)[5]。若上述2 種方法依然無法排除故障，則懷疑是天線機(jī)械故障，需立即停止天線任務(wù)并通知相關(guān)維護(hù)人員。

2.2 變頻解調(diào)故障

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站采用一主一備兩路NPP衛(wèi)星接收系統(tǒng)，所用2 臺(tái)變頻器和解調(diào)器完全相同且獨(dú)立存在，在數(shù)據(jù)接收過程中2 臺(tái)變頻器只接收NPP衛(wèi)星信號(hào)，頻率是固定的2 112 GHz，故變頻器目前無任何故障發(fā)生。2 臺(tái)解調(diào)器偶有失鎖情況發(fā)生，主要是由天線跟蹤異常所致，目前沒有發(fā)生過解調(diào)器死機(jī)的情況。

2.3 任務(wù)管理故障

NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程都是由各控制管理軟件自動(dòng)執(zhí)行，接收軌道前5 min 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視軟件會(huì)按照組配方案配置相關(guān)接收設(shè)備參數(shù)，此時(shí)要密切注意天線、變頻器、解調(diào)器、進(jìn)機(jī)分包軟件接收任務(wù)是否正常[6]。NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收開始前發(fā)生過天線沒有接收到此條軌道任務(wù)的情況，此時(shí)需手動(dòng)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視軟件上給對(duì)應(yīng)的單個(gè)天線發(fā)送任務(wù)。

2.4 進(jìn)機(jī)分包故障

2.4.1 進(jìn)機(jī)分包軟件閃退

NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中偶有發(fā)生進(jìn)機(jī)分包軟件自動(dòng)退出的情況，有時(shí)是單個(gè)1 臺(tái)進(jìn)機(jī)分包軟件自動(dòng)退出，有時(shí)是2 臺(tái)同時(shí)退出。若2 臺(tái)同時(shí)退出，則會(huì)影響此條軌道的接收質(zhì)量。且此類情況每月都有發(fā)生，一般在3 次左右。NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中進(jìn)機(jī)分包軟件自動(dòng)退出時(shí)，需第一時(shí)間重啟軟件，數(shù)據(jù)會(huì)恢復(fù)正常接收，但是重啟軟件后接收到的數(shù)據(jù)會(huì)重新寫盤且數(shù)據(jù)命名格式有誤，這樣就生成了2 條不完整的數(shù)據(jù)，在軟件閃退以及重啟過程中丟失的數(shù)據(jù)也無法找回，最終影響此條軌道的接收質(zhì)量。

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站現(xiàn)有的NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)是解調(diào)器不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，進(jìn)機(jī)分包軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，這樣接收到的數(shù)據(jù)中正常數(shù)據(jù)快視圖正常，只是偶有軟件閃退現(xiàn)象發(fā)生。為了解決進(jìn)機(jī)分包軟件閃退問題，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)最終確定解調(diào)器跟軟件同時(shí)譯碼可以解決軟件閃退問題，但是接收到的數(shù)據(jù)只能看到幀數(shù)的變化，沒有快視圖，數(shù)據(jù)可以正常使用。如果解調(diào)器譯碼軟件不譯碼接收到的數(shù)據(jù)有快視圖，但是接收過程中軟件一直重復(fù)讀取時(shí)間表，則接收到的數(shù)據(jù)無法正常使用。故本站NPP 進(jìn)機(jī)分包分系統(tǒng)采用主機(jī)軟件譯碼，解調(diào)器不譯碼，備機(jī)軟件跟解調(diào)器都譯碼的配置，既可以看到快視圖，又可以確保主機(jī)軟件在發(fā)生閃退的情況下備機(jī)數(shù)據(jù)正常[7]。

2.4.2 自動(dòng)生成無效數(shù)據(jù)

NPP 進(jìn)機(jī)分包軟件在沒有NPP 軌道任務(wù)的情況下，自動(dòng)生成下一條NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，且自動(dòng)上傳到磁盤陣列，此條數(shù)據(jù)大小為2 KB，這種情況只在最近發(fā)生過一次，目前還不知道什么原因引起，有待日后繼續(xù)觀察。

2.5 數(shù)據(jù)回放故障

上文中2.4.1 進(jìn)機(jī)分包軟件閃退中提到NPP 進(jìn)機(jī)分包備機(jī)采用軟件跟解調(diào)器同時(shí)譯碼的配置，此種搭配不存在軟件閃退問題且數(shù)據(jù)接收是正常的，只是沒有快視圖而已。但在后期的數(shù)據(jù)回放過程中發(fā)現(xiàn)，回放備機(jī)數(shù)據(jù)必須在主機(jī)數(shù)據(jù)完成磁盤陣列上傳的前提下進(jìn)行，否則衛(wèi)星中心無法處理備機(jī)回放數(shù)據(jù)。例如主機(jī)軟件在數(shù)據(jù)快進(jìn)機(jī)時(shí)發(fā)生閃退，重啟軟件后生成的數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤無法自動(dòng)上傳磁盤陣列，此時(shí)若直接回放備機(jī)數(shù)據(jù)，衛(wèi)星中心是無法正常處理數(shù)據(jù)的，此類情況極少發(fā)生[8]。如碰到這種現(xiàn)象，可修改主機(jī)數(shù)據(jù)格式然后手動(dòng)上傳磁盤陣列，若主機(jī)數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重，可回放備機(jī)數(shù)據(jù)，此時(shí)備機(jī)數(shù)據(jù)可以正常處理。大部分情況下都是在接收過程中主機(jī)軟件閃退，在閃退之前接收到的數(shù)據(jù)雖然不完整但是數(shù)據(jù)格式正確，可自動(dòng)上傳磁盤陣列，此時(shí)直接回放備機(jī)數(shù)據(jù)即可。

3 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理，包括天線接收分系統(tǒng)、變頻解調(diào)分系統(tǒng)、任務(wù)管理分系統(tǒng)、校時(shí)分系統(tǒng)、進(jìn)機(jī)分包分系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)分系統(tǒng)，并且對(duì)每個(gè)分系統(tǒng)的工作原理都做了詳細(xì)的闡述。同時(shí)歸納分析了烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)的故障，并對(duì)部分故障的應(yīng)急處理方法進(jìn)行了詳細(xì)說明。亟待解決的問題有2 個(gè)：①怎樣實(shí)現(xiàn)進(jìn)機(jī)分包軟件在接收數(shù)據(jù)的過程中既有快視圖又不發(fā)生閃退且數(shù)據(jù)接收正常；②在主機(jī)沒有上傳數(shù)據(jù)到磁盤陣列的情況下是否可以直接回放備機(jī)數(shù)據(jù)。