风云三号气象卫星4.2 m天线接收系统优化设计及实施

任立清，梅 桢

（乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引 言

乌鲁木齐气象卫星地面站地理位置十分特殊，其卫星资料接收质量至关重要。近年来，电磁环境影响卫星资料的接收是每个卫星遥感资料地面接收站都会遇到的问题，因此卫星站一直以来都非常重视周边的电磁环境。在蜘蛛山极轨接收站区建设FY-3气象卫星地面接收站时，做了多次电磁环境测试，从而了解周围的电磁环境。

气象卫星地面数据接收系统是气象卫星地面应用系统的前端[1]。风云三号气象卫星4.2 m天线系统主要负责接收风三卫星过境时发送的L波段实时气象资料（HRPT）、X波段实时气象资料（MPT）以及X波段延时气象资料（DPT）等，同时负责接收其他遥感卫星数据。国家卫星气象中心运行控制室每天向下属的4个站（北京、广州、乌鲁木齐以及佳木斯）发送卫星运行轨迹的两行元素，各地面站根据两行元素计算出风三卫星当天每条轨道的卫星跟踪轨迹数据[2]。在卫星入境的起始低仰角阶段，地面站天线根据事先计算好的卫星过境轨迹数据进行程序捕获跟踪。

极轨气象卫星4.2 m天线资料接收系统在乌鲁木齐卫星站建设C塔、D塔以及E塔，用于接收我国第一代FY-3A、B、C气象卫星资料。FY-3卫星资料的频率配置为1.7 GHz、7 GHz以及8 GHz，而8 GHz既是很常用的微波频段又是卫星通信，因此FY-3卫星使用8 GHz的DPT云图频率很容易受到微波干扰，使接收的FY-3系列卫星HRPT、MPT以及DPT数据信号时均出现不同程度的丢帧现象，严重影响了卫星云图的接收质量[3]。

1 4.2 m天线接收分系统组成原理

4.2 m天线接收分系统同时接收X频段和L频段的信号。其中，X频段信号经过X频段/2.0～2.7 GHz下变频器后与接收的L频段信号一起经过光纤发送接收设备进入射频开关矩阵。射频开关矩阵输出的L频段信号通过L频段/720 MHz下变频器进入中频开关矩阵，2.0～2.7 GHz的信号通过DPT变频解调进机分系统变频到720 MHz后进入中频开关矩阵[4]。

中频开关矩阵输出720 MHz的中频信号，经过低速率PSK解调／解码器后的数字基带信号经过数据分配矩阵进入低速率进机分包子系统，进行数据处理、存储以及传输。4.2 m天线接收分系统3套设备通过射频开关矩阵、中频开关矩阵以及数据分配矩阵形成互为备份的关系，其目的是提高系统的灵活性和可靠性。

4.2 m天线接收分系统组成框图如图1所示。

图1 4.2 m天线接收分系统组成框图

2 电磁环境干扰对卫星信号的影响及对策研究

2.1 频率干扰严重影响极轨气象卫星云图资料的接收

最初用C塔接收FY-3B信号时经常出现中断现象，观察发现3部4.2 m天线塔在实际接收FY-3卫星数据时解调器经常出现失锁现象，造成云图丢线。检查设备状态，人工转动天线观察频谱变化，在确认系统无故障的情况下，多种组合配置后现象仍然如此。查找原因判断不是室内设备问题。用频谱仪观察射频矩阵入口的C塔信号，发现干扰信号高于云图信号，分析可知天线自跟踪在干扰信号上，造成有用信号中断导致轨道接收失败。外部的干扰信号影响了云图信号的正常解调，干扰信号远远高于接收的卫星信号，最强的方位是微波塔的方向，甚至淹没了卫星信号，严重影响卫星资料的接收。

经过多次测试、分析及试验后，结合卫星下行信号的强度，将天线设置为程序跟踪，调低接收机底噪和光端机增益，情况有所改善，但实时接收的MPT信号降低，卫星云图出现大量丢线。因采用程序跟踪接收，所以一定程度上依赖于下发的精轨根数，当卫星漂移较多时，程序跟踪无法接收到最大信号，天线的跟踪AGC较低，后端解调器就会失锁，云图出现误码丢帧。将FY-3B信号改至E塔接收，虽偶有失锁现象但总体接收情况远远好于C塔和D塔的接收，因此在接收策略中将其设置为FY-3系列卫星资料的备份天线，C塔和D塔做为接收NOAA等卫星资料的接收主天线。

2.2 分析频率干扰对4.2 m天线接收信道的影响

虽然C、D以及E塔的4.2 m信号低于12 m信号，但天线增益在8 GHz时大约为47 dB，可见天线有足够的增益接收FY-3卫星资料。4.2 m天线为标准抛物面天线，焦径比F/D=0.35[5]。天线增益表示天线聚集波束的能力，其大小为天线在最大辐射方向所辐射的功率与各个方向都均匀辐射的天线在同一方向上辐射的功率之比。在两天线输入功率相同的条件下，天线工作波长固定时，天线口径面积越大增益就越高，如果天线口径面积固定，那么工作波长越短天线增益就越高。此外，4.2 m天线前端并没有任何措施应对周围电磁环境干扰的设备，而12 m前端无论是跟踪差通道还是云图的合路信道，X和L频段均装有滤波器件，能够有效滤除干扰信号。

3个4.2 m天线塔的布局是E塔在机房楼顶上，射频信号通过电缆传输到射频矩阵，C塔和D塔距离机房较远，通过光端机进行射频信号传输。光端机由光发送模块和光接收模块组成，其中光端机发送模块（用Tx表示）安装在塔基机房，光端机接收模块（用Rx表示）安装在设备机房。光发送模块将射频输入信号转变为波长1 310 nm的光信号，通过光纤传送到设备机房的光接收模块再转变为射频信号，利用光纤的低损耗特性完成射频信号的低损耗传输。光端机采用ORTEL公司的光发送接收模块，在发送和接收端均有20 dB的增益调节范围，具体调节可通过各模块的前面板电位器完成。

蜘蛛山上8.3 GHz的电磁环境中，干扰信号非常强，高于有用信号，有可能导致光端机增益饱和，工作状态不稳定，在一定程度上影响C塔和D塔云图信号的接收，造成C塔和D塔信道后端解调器失锁，云图大量丢线。S频段（X频段8.3 GHz为S）干扰信号频谱如图2所示，

图2 S频段2.6 GHz干扰信号频谱

分段测试C塔、D塔以及E塔4.2 m的X信道和L信道，分析影响信号传输质量的原因，改造信道，增强传输信道抗干扰能力，在长距离传输过程中保证信号的传输质量，使接收的信号电平在解调器工作范围内，确保云图接收质量。

2.3 放大有用信号，抑制频率干扰

将信号源放置在天线塔内，发射X频段信号送入低噪声放大器，通过接收信道放大变频，用频谱仪监测电平值。与频谱仪监测实时接收的卫星信号电平值进行比对，从监测结果查找、分析并解决信号传输问题。利用频谱仪分段测试4.2 m的3个塔信号，记录读数分析测试结果可知，3部4.2 m天线中E塔信号最低。将放大器加装在E塔、C塔及D塔信道的第一变频器后端进行测试，从机房射频矩阵入口处接频谱仪并读数，3个塔的信号都不同程度增加（C塔和D塔的光端机保持原状态不变），资料接收情况明显好转。

3 改造接收信道，提高抗干扰能力

3个4.2 m天线塔位置不同，信号传输方式也不同，用两种不同的方法解决频率干扰问题。FY-3A和FY-3B卫星的MPT云图频率设定为7 775 MHz，带宽为30 MHz，DPT云图频率设定在8 145 MHz，带宽为140 MHz。由于接收系统受到8.3 GHz频率干扰，因此要消除干扰信号的影响需要采用滤波技术来抑制干扰源，消除耦合或提高接收电路的抗干扰能力[6]。这里采用窄带滤波器，但窄带滤波抑制带外信号的同时，对带内信号也有损耗，使信道的噪声增大，系统的载噪比降低，因此要合理使用滤波器，将干扰信号抑制到对信道影响最小[7,8]。

在卫星资料接收系统中，射频信号经过滤波器、低噪声放大器以及中频放大器等单元模块的传输后都会产生噪声，使信道的传输质量变差。作为无源器件的滤波器，对信号有一定的损耗，将其安装在哪个位置对信道影响最小是需要考虑的重要因素。安装位置可以有3种，一是安装在馈源输出与低噪声放大器输入之间，二是安装在低噪声放大器输出端口，三是安装在第一级高放与第二级放大器之间。如果只考虑抑制干扰信号，最佳选择是将滤波器安装在低噪声放大器之前，这种方法抑制干扰最佳，但增加了信道的噪声，导致接收到的卫星信号比之前更差。而第二种与第三种安装方法效果差不多，噪声都比较小[9,10]。分析可知抑制邻频强干扰的性能应该是第三种比第二种的效果更好，因此采用第三种方法，将滤波器安装在第一级高放与第二级放大器之间。

为了减少E塔的射频传输电缆，将第一变频器上移至低噪声放大器后端，使传输8 GHz信号的电缆由20 m左右减到7 m，减少射频信号的传输损耗。在变频器2 GHz信号的输出口装滤波器，滤除2.6 GHz干扰信号。加滤波器后的信号频谱如图3所示。

图3 加装滤波器后的S频段信号频谱

E塔在滤波器输出端加放大器，放大后的云图信号经低损耗电缆传输至机房，接入到射频矩阵上。改造后，E塔在传输噪声不变的情况下，有用信号提高了12 dB，有效改善了有用信号的传输质量，所收云图的丢帧误码明显减少。

C塔和D塔的第一变频器位置不动，在变频器后加滤波器（如图4所示），滤除2.6 GHz干扰信号，云图信号经光端机发射模块传输至机房，在进入射频矩阵前进行适当放大。针对C塔和D塔通过宽带光端机进行信号传输的路径，必须调整光端机的增益及进入光端机的输入信号电平，确保光端机工作状态稳定，工作在线性区域。

图4 改造后的C塔和D塔信号传输信道

在3个4.2 m天线接收系统中都加装滤波器滤除干扰信号。通过缩短E塔射频电缆、调整C塔及D塔光端机的增益，调整放大器系数，最终使3个天线塔信号在射频矩阵输入端的电平值保持基本一致，便于射频矩阵开关切换。

4 结 论

本文以FY-3接收系统4.2 m天线为例，分析了外界电磁环境给卫星资料接收系统带来的干扰。利用频谱仪及信号源等仪器设备，采用逐段测试和分析的方法定位故障，查明故障点，最终解决了干扰问题。同时，以频谱仪和信号源测试为基础，提出改善信道的解决方法，有效抑制了干扰，保证了系统的载噪比，克服了强干扰对系统的影响，降低了误码率，提高了系统接收数据的质量。此外由于卫星信号较弱，易受到干扰，造成接收卫星云图的质量下降，因此业务人员应加强监测，及时发现并解决干扰源，以减少干扰信号对业务质量的影响。