风云二号地面测距分系统副站天线跟踪常见故障分析

梅桢+任立清

摘要：为提高FY-2系列静止气象卫星测距成功率，本文介绍了风云二号静止卫星测距分系统中运用的步进跟踪的原理及实际业务运行中的跟踪方式，列举出在天线跟踪过程中的常见故障，分析了天线跟踪不稳定的原因。结合监控系统程序更新前后的运行状态对比，分析得出导致天线偏移跟踪的原因之一是步进跟踪方式本身具有精度差这一缺点，故在寻找信号主瓣时容易受到某些高强度旁瓣“误导”，天线跟踪偏移，导致天线无法自动跟踪上卫星信号；原因之二有可能是串口通信有误码导致系统误判，下达错误指令。

关键词：FY-2；天線跟踪原理；跟踪故障

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）34-0238-02

Abstract：This paper provides an overview of principle of step-advance tracking in FY-2 satellite ranging subsystem and tracing modes of actual mission， common antenna tracking failures are enumerated， analyzes the causes of instability antenna tracking to improve the ranging success rate of FY-2 geostationary meteorological satellite.Contrasts states of before-and-after updated program ，the one of causes of tracking excursion is that step-advance tracking is less precise， antenna is misled by side lobe when antenna is searching main lobe， it leads to antenna cant track the correct signal.Another cause is that there is error code in the serial port， it leads to system make the error in command.

Key words： FY-2； Principle of antenna tracking； tracking failure

1 概述

风云二号系列静止气象卫星是我国第一代静止气象卫星。1997年6月10日，我国发射了第一颗FY-2A试验星，2000年6月25日发射第二颗试验星FY-2B，两个卫星运行稳定。2004年，FY-2C发射成功，与前两颗相比，FY-2C将扫描辐射计由三个通道增加至五个通道。至今，我国已经正式投入业务的风云二号静止气象卫星有C星、D星、E星、F星和G星。静止气象卫星的作用在气象业务中十分重要。

为了使卫星云图具有准确的区域性，地面系统需要对卫星的轨道位置进行定位[1]。风云二号系列静止气象卫星采用三点测距定位法。现有的气象卫星地面站为一个北京主站，三个副站分别位于广州，乌鲁木齐、佳木斯和墨尔本。实际运行中根据情况各地面站互相协调，互相备份，以保证测量其中三个点到达卫星的距离，从而计算卫星云图的经纬度。因此，测距分系统是其地面应用系统的重要组成部分[2]。本文将分析和讨论在测距系统中，天线跟踪过程里出现的问题。

2 跟踪方式及原理

2.1 跟踪方式

风云二号卫星采取的步进跟踪的跟踪方式。卫星的常用的跟踪技术有步进跟踪，圆锥扫描跟踪、单脉冲跟踪[3]。步进跟踪设备简单，稳定性高，但是跟踪速度较慢，精度一般。相比其他跟踪方式，较适用于风云二号系列这种不需要多频度跟踪且位置偏移较小的静止卫星。

步进跟踪的原理是搜索天线所接收波瓣的极大值。天线接收卫星下发的信号后，经接收机放大，输出缓慢变化的信号。系统根据信号强度的变化及天线的运动方向，判断天线后续的运动方向。当发现实时天线运动方向使接收到的信号强度增大，则继续朝该方向进一步；当实时天线运动方向使接收的信号强度减小，则朝相反方向进一步。天线的方位及俯仰均依照此规则运动，直到找到波瓣最大值，则停止运动。

2.2 跟踪原理

跟踪工作原理及测距系统又分为接收分系统，遥控分系统，发射分系统和监控分系统等。

其中副站的监控分系统分为任务状态和联试状态。在任务状态时，监控分系统的工作是监视副站设备工作状态，完成设备切换等。副站设备的工作状态监测，故障定位，参数设置，主备切换，发射机高功放开关机等均可在监控软件的统一指挥调度下人工干预或自动完成。

步进跟踪的实现主要靠接收分系统和伺服配合完成。接收分系统由高频接收机、中频接收机、跟踪接收机、开关机切换网络、标校变频器等组成。其主要功能之一便是由高频接收机将天线接收来的遥测信号进行变频放大，跟踪接收机对遥测信号残留载波锁相跟踪，给伺服设备提供AGC电压，由伺服设备实现步进跟踪。

3 现阶段跟踪常见问题分析

由于静止卫星与地球相对位置基本不变，故可以间隔若干小时进行一次测距。但是在全天的运行状态中，需使天线始终对准卫星，以保证测距时得到准确的数据。如若三点测距过程中一个站点的天线出现偏移，没有对准卫星，则测距失败。故保证天线方位俯仰的准确性，是测距成功的第一关键环节。

天线跟踪不稳定的原因有很多，例如卫星信号不稳定、电离层闪烁、日凌等[1]。就步进跟踪的特点来讲，其中存在精度差这一缺点，它的“寻找最大值”跟踪方式有一定可能使得天线偏移。如图2所示，图中波浪线模拟信号频谱，A区表示天线所对应卫星下发的信号波主瓣，B区表示信号波旁瓣。当天线在方位寻找最大信号值时，除了卫星下发主瓣还会接收到旁瓣信号或者一些干扰信号。如若在步进跟踪过程中，天线进入A区所在位置，则可以顺利确定卫星方位，直到天线转动到最大值X点位置后停止运动。然而若天线转动进入B区所在位置，由于B区内存在一个较大值Y点且B区离A区较远，在寻找Y点周围没有更大值后，判断Y点对应的天线位置为卫星的位置，这时就会出现天线方偏移，且系统不能再找到正确的位置。此时必须人工干预，依照前几日卫星同一时间的方位，进行手动调节天线方位和俯仰，直至AGC电压值恢复正常。endprint

在实际业务的运行过程中，对风云二号卫星采用综合跟踪的方式。综合跟踪是由记忆跟踪和实时步进跟踪两者共同作用。系统每间隔一段时间，对该时间点的天线位置进行记录并生成记忆日志，跟踪时可以依照之前同一时间点的数据，在该数据浮动较小的范围内进行步进跟踪查找波瓣最大值。同时设置定时自动跟踪时间表，每间隔半小时进行一次跟踪，增加跟踪频率来保障测距时天线位置能够准确。

虽然综合跟踪的方式改善了天线跟踪易偏移的情况，但在监控界面可以看到，未跟踪的情况还是偶有发生。对于自动化程度高的风云二号测距系统来说，未跟踪属于常见状况之一。

图3为天线跟踪不上的典型状态。监控系统软件在任务状态中可以自动检测副站设备的工作参数，运行状态。当设备出现问题时，迅速确定故障位置，加以显示和告警。此时可以从监控界面上看到，跟踪状态栏显示“未跟踪”，AGC电压值为1.81V，远低于正常状态（此天线AGC正常状态为4.0V以上）。由于天线控制单元内设有跟踪停止门限，当判断AGC值低于门限值时，控制单元便会下达指令停止继续运动，以防止下降至更低。所以在界面上可以看天线虽找不到最大值波瓣，但天线不再运动，显示为静止状态。

在老监控程序中，天线跑偏后仅停止天线的转动及在日志中告警，并无任何操作。为了进一步改善天线跑偏问题，新更新的监控软件增加了跟踪检测模块。该模块的功能是：根据定时跟踪时间表，每次定时跟踪完，判断是否处于跟踪状态，如果不是，则该模块对天线控制单元进行命令补发，让天线继续运动寻找最大值。命令对多补发5次，5次后天线若仍不能自跟成功，天线便停止。此时需要手动操作。下次跟踪时间点到了，再重复以上过程。相比老程序到门限值后天线直接停止运动，新增的这五次命令起到很大作用，在跟踪偏移还不太远时及时矫正，增加跟踪检测模块使得出现未跟踪的次数大大减少。

除了天线未跟踪及AGC值降低共同出现这种情况出现以外，在值班过程中还发现一类情况：即在AGC值完全正常的情况下，监控软件显示未跟踪。稍过一会又恢复正常。分析原因大约为串口通信有误码，导致软件暂时误判，待下一次再判断时便可解除。由此也可以反向思考，天线跟踪偏移时，串口通信的误码也有可能使软件误判天线未偏移，从而不下达矫正命令，导致长时间不运动的天线偏移太远最终无法自跟。

4 结束语

风云二号作为我国第一代静止气象卫星，经过设备值守过程中逐渐发现问题，处理问题，到不断针对常见故障进行设备改造与程序升级，已更好实现设备的自动化。跟踪问题虽处理容易，但作为测距成功的第一环节，仍需值守人员认真监控，只要及时处理，就可以避免偶有发生的天线偏移导致的不良后果。保障天线跟踪的成功，测距成功，保障卫星定位的精准度，便于更好的接收卫星资料，最终实现气象服务水平的提高。

参考文献：

[1] 周海莺，黄景渊，祝春萌，等.静止气象卫星测距系统跟踪不稳定相关因素分析[J].卫星与网络，2011（6）：74-76.

[2] 冯小虎，夏景林，张志清.FY-2C星地面应用分系统指令与数据获取站[J].上海航天，2005，22（增刊1）：111-116

[3] 吳小妹，翁炜霖，刘厚智，等.步进跟踪技术在静止卫星三点测距副站中的应用及探讨[J].科技信息，2013（15）：87-88endprint