风云三号气象卫星12米天线无塔校相技术的实现

任立清 张伟航 周立平

摘要：风云三号气象卫星12米天线的X频段采用多模单脉冲，L频段采用多喇叭单脉冲自动跟踪机制，须定期进行相位校正。针对天线校准相位，须对塔的局限性进行无塔校相方法研究及实现。文章通过采用12米天线快速无塔校相方法，有效提高了天线跟踪精度和卫星资料接收设备自动化标校水平。通过分析产生相位差的原因，归纳了影响相位值的各种因素;从跟踪原理出发，介绍了风云三号卫星12米天线无塔校相技术在卫星资料收集工作中的应用。

关键词：自动跟踪;跟踪精度;交叉耦合;定向灵敏度;无塔校相

中图法分类号：V474文献标识码：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

我国第二代极轨风云三号气象卫星[1]实现了对全球天气和环境进行全天候、三维、定量、多光谱遥感，对灾害和环境的遥感监测更为精准。风云三号气象卫星的资料接收系统具有多点频、多极化等功能，为保证地面天线对卫星进行快速捕获、稳定跟踪，须对和差通道的相对相位进行标校（即校相）。

1  跟踪接收机原理

风云三号气象卫星12米天线系统搭载了跟踪接收机，采用具有单脉冲、两个下行通道的零值自动跟踪机制，以差模电磁场的天线方向图的轴向为零值，依靠偏轴的极性特点来实现高精度自动跟踪。射频线缆松动、环境温度变化、天线电轴漂移等都会引起和差通道相对相移，使得交叉耦合指标恶化[2] ，造成天线自动跟踪性能降低甚至无法捕获、跟踪卫星[3]。风云三号气象卫星12米天线馈源下行两个信道，且X，L 通道的相位调整以及保持一致比较难，造成交叉耦合指标恶化，影响天线正常跟踪[4]。图1 为 X 频段跟踪接收原理框图。

该跟踪接收机可以对和差通道的相对相位进行标校，使和差信号的相位保持一致。通过和差信号，可以得到天线在方位和俯仰轴方向上的误差电压，并精确解调。

2  校相原理

单脉冲跟踪机制是指将天线及馈源系统产生的方位和俯仰误差信号分别经过相互正交的两个低频信号调制后，再与和信号合并形成一个单通道调频或调相信号，信号的幅度变化用于传输角误差信息，而角度或相位变化用于传输数据信息，通过两种信号共同的下行传输信道传输至跟踪接收机，然后分别解调出数据信息和角误差信息[5]。

相位偏移可以解决单通道合成前与和差信号相位相异导致的角误差电压的交叉耦合问题，而校相则可以解决相对相位差问题。在天线工作时，须频繁对天线进行校相，目的是得到和信号通道与差信号通道之间的最小相位差，即θ-φ=Δ（图2）。当φ=O 时，和差信道的相位偏移量完全相同。所以，校相的目的是减小Δ，达到和差信号通道的相位差一致的目标，此时方位俯仰交叉耦合最小。风云三号气象卫星12米天线接收系统校相指的是对整个系统接收的和差信道相位及增益进行调整和标定，使跟踪接收机的和差路的传输相位差为零，且鏈路增益为一合适值。

从方位、俯仰误差电压的数学模型中可以推出下面两个公式：

其中，K 为差信道增益系数，Δφ为和差信道归一化后的综合相位差，μ为差方向图归一化斜率，θ为电轴偏离目标空间角。

从公式（1）和（2）可以看出，当和差信道相位不同时，天线的俯仰、方位支路就会出现相互影响的情况，并产生交叉耦合电压。校相的主要目的是“消除”和差信道相位之间的固定差Δφ，和调整俯仰、方位支路的定向灵敏度。“消除”和差信道相位固定差则是自动校相单元的主要工作之一。当目标脱离天线波束时，天线馈源就会产生差模信号，通过跟踪接收机解调方位电压、俯仰角度，并将电压的误差传送至伺服跟踪位置环，即可完成对风云三号气象卫星的闭环跟踪。

3  无塔校相技术原理及分析

常规校相方法是建造一个符合标校条件的标校塔，在塔顶放置信号源，在没有跟踪任务时将天线对准标校塔发射的信号，与地面设备合作完成校相，其涉及的环节较多，受地理、气候等客观条件的限制较大，工作烦琐，而且校相时间长、流程复杂，尤其是校相时间受限。而基于风云三号气象卫星资料接收系统研发的高效率自动无塔校相技术，实现了风云三号气象卫星系统的一键无塔校相。它能在卫星资料接收前的短时间内，根据下达的命令完成校相工作，并保存命令结果，确保顺利完成任务。

3.1  无塔校相技术原理

在执行跟踪风云三号气象卫星任务时，选择在其即将进入卫星接收站的跟踪范围的初期，借助伺服系统的 ACU 程序引导或数字引导功能对其进行跟踪。采用该方法的前提条件如下。

（1）先对准卫星，确保卫星信号在半功率波束带宽内，跟踪接收机的 AGC 满足跟踪门限且锁定目标，此时跟踪接收机输出方位和俯仰跟踪的角误差电压。

（2）对跟踪接收机的参数进行初始化设置（将跟踪接收机的前相移相值、方位移相值、俯仰移相值分别设置为0O 、0O 、180O ;以左旋接收信号为参考，针对右旋接收信号，将跟踪接收机的前相移相值、方位移相值、俯仰移相值分别设置为0O 、0O 、0O ）。

（3）当风云三号气象卫星进入12米天线主波束3dB 波瓣范围后，跟踪接收机的自动增益 ACU 取一组初始方位、俯仰误差电压（ UA0，UE0）;精确记录此时12米天线的方位角度 A0和俯仰角度 E0（圖3）;手动将 12米天线偏置一个角度，即将俯仰拉偏一个位置量或方位拉偏一个位置量（目标仍在12米天线主波束 3dB 波瓣范围内），再读取一组12米天线的俯仰误差电压和方位误差电压（ UE1，UA1） 以及天线位置角度（E1，A1）。

（4）和差通道相位差ΔΦ0 的计算公式为：

（5）为了提高天线的跟踪精度，先将天线在方位轴上拉偏一个角度（即 P2角度）;再将天线在俯仰方向上拉偏一个角度;当风云三号气象卫星运行到固定位置 P3点时，读取并记录（ UA3，UE3）的方位、俯仰误差电压值;计算出天线在俯仰方向上拉偏的相位值及增益系数;然后比较两组值，并修改两组值的误差，直至完成校相。

3.2  无塔校相技术分析

无塔校相技术的关键是确保天线对准目标，即在天线偏置前后，确保目标在天线主波束3dB 波瓣范围内。校相成功与否取决于角度标校的精度、程序引导的精度、天线的波束宽度。由于风云三号气象卫星的接收天线是三轴天线，方位轴叠加在第三轴的斜面上（斜面倾角为7°），因此方位轴的标校较为困难、复杂，需要反复标定、验证。

无塔校相技术一般应用于天线运行速度较慢、仰角较低时，此时加速度小、轨道预报数据偏差小。而仰角较高时，轨道预报数据偏差较大。据统计，在仰角小于50°时，轨道预报与实际跟踪方位、俯仰的偏差分布在0.05～ 0.25，不仅不同卫星之间的离散性大，而且同一颗卫星的不同圈次偏差也各异。

对于波束较宽的 L 频段目标而言，校相自动完成的成功率较高。而对于波束较窄的 X 频段目标而言，则需要通过程序引导或数字引导的方式，采用手动叠加方位、俯仰偏置等手段，将轨道预报数据偏差降至最小，再进行无塔校相，以提高成功率。

4  无塔校相的实现

4.1  方案设计

对于 X 频段而言，可以通过手动辅助的方式完成校相。此外，改进 ACU 和跟踪接收机的相关通信软件，使 ACU 可以远程控制、修改相位参数。

4.2  实施步骤

实现无塔校相的具体工作流程和步骤如下：（1） 根据监控机下发的轨道预报和调度任务，ACU 采用程序引导方式对准卫星;（2）操作员若要启用无塔校相功能，首先要取消自捕功能（自动捕获目标），防止其影响校相功能。任务开始后，要尽量在低仰角（20°以前）完成无塔校相，这是因为卫星在低仰角运行时的速度慢，对校相的影响相对较小;（3）校相前，操作员需要根据经验判断天线的指向是否在主波束内，在程序引导的基础上，手动叠加方位、俯仰偏置，并根据跟踪接收机的 AGC 信号或卫星频谱信号搜索、寻找目标信号的最大点，即将轨道预报偏差降至最小;（4）当校相开始时，ACU 自动向跟踪接收机发送相位清零命令，当校相结束时，ACU 自动向跟踪接收机发送相位设置命令和相位参数。ACU 远程控制跟踪接收机的相位的时间很短（不会超过1 秒钟）;（5）校相完成后，操作员将 ACU 切换至跟踪模式，观察跟踪效果，根据跟踪状况决定是否保存校相结果。

5  结束语

传统的有塔校相实现困难、操作烦琐、耗费的时间长，降低了跟踪接收机的跟踪精度。无塔校相的速度快、流程简单，但由于风云三号气象卫星12米天线工作在 X 频段，天线波束较窄，只能采用手动辅助的校相方式完成校相工作。增加无塔校相功能经过多次校相、跟星验证，效果良好。研究结果表明，利用无塔校相功能在没有标校塔的情况下也可以完成校相工作，提高了地面站接收气象卫星资料的成功率。

参考文献：

[1] 范天赐.风云三号气象卫星的特点和作用[ J].气象科技，2002，30（6）：321?327.

[2] 石荣，陈锡明，唐海，等.差模跟踪接收机和差通道相位标校与调整[J].电子信息对抗技术，2006，11（1）：6?9+25.

[3] 李靖.TE21模单通道自跟踪系统[ J].无线电通信技术，2005（6）：42?44.

[4] 柯树人.圆波导多模自跟踪系统的电轴漂移和交叉耦合[J].雷达测量技术，1973（2）：1?20.

[5] 李靖，李强，李硕.单脉冲跟踪接收机相位自动校正的研究[J].无线电工程，2008（5）：56?58.

作者简介：

任立清（1967—） ，硕士，高级工程师，研究方向：应用气象技术。

周立平（1969—） ，硕士，研究方向：应用气象技术。