极轨气象卫星接收系统原理及故障分析处理＊

陈 鹏，吴 麟，潘 锋

（乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆 乌鲁木齐 830011）

2011-10-28，一枚联合发射同盟的德尔塔II 型运载火箭从加利福尼亚州的范登堡空军基地的SLC-2W工位发射升空，将美国国家海洋和大气管理局的国家极轨业务环境卫星系统预备计划（NPP）卫星以及6颗立方体小型卫星送入了预定轨道[1]。NPP 卫星最初是作为NPOESS 项目的探索者而开发的，在NPOESS项目被放弃后，NPP 反而成为了任务卫星项目。

NPP 卫星系统包括5 个传感器，该星上搭载的可见光红外成像辐射仪、跨轨扫描红外探测仪、先进技术微波探测器等有效载荷，可以很好地用于探测地球环境和大气，监控火山爆发、森林火灾、干旱、洪水、沙尘暴、飓风、台风等自然灾害[1]。另外NPP 还能追踪大气中臭氧和气溶胶的含量以及海洋和陆地表面温度。

中国负责接收NPP 卫星数据的3 个地面站分别是广州站、佳木斯站和乌鲁木齐站。接收、处理和应用NPP 卫星数据有助于了解国外先进的气象卫星技术，对提高自身防灾减灾能力具有重要意义。总之，NPP卫星可以从太空中监测地球的健康，提供长时间序列数据，建立下一代地球观测卫星系统，以应对长期的气候转变和短期的天气变化。

1 NPP 卫星接收系统原理

NPP 卫星接收系统是由天线接收分系统、变频解调分系统、任务管理分系统、校时分系统、进机分包分系统以及网络存储分系统6 个系统组成[2]。数据接收通过X 频段中频点为7 812 MHz 的射频信号下发，速率是15 MB/s，调制方式为QPSK，I 路和Q 路的比值为1∶1，信号极化方向为右旋极化，可采用跟踪天线接收。NPP 卫星接收系统原理如图1 所示。

图1 NPP 卫星接收系统原理

1.1 天线接收分系统

乌鲁木齐气象卫星地面站采用4.2 m 天线对NPP卫星数据进行接收，每部4.2 m 天线可同时接收2 路X频段信号和1 路L 频段信号，其工作原理为天线低噪声放大器输出X 频段（7.7～8.4 GHz）信号通过X 频段变频器变到2.0～2.7 GHz，与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[3]。

1.2 变频解调分系统

乌鲁木齐气象卫星地面站NPP 卫星数据接收采用完全相同且独立的两路信道，故变频解调分系统是由2台完全相同的2.0～2.7 GHz/720 MHz 下变频器跟2 台低速率SPK 解调器共同组成。NPP 卫星数据接收是通过X 频段中频点为7 812 MHz 的射频信号下发，X 频段信号经过第一次变频后再通过2.0～2.7 GHz/720 MHz下变频器变到720 MHz 中频，经过中频开关矩阵将信号送至解调器，经过中频解调、基带处理、信道译码后解调出数据信息。

1.3 任务管理分系统

任务管理分系统由任务调度管理公共机以及设备状态监视公共机组成。利用任务调度管理软件对国家卫星气象中心下发的NPP 轨道时间表和根数进行计算生成NPP 卫星数据接收计划，并将计划下达到要接收NPP 卫星数据的天线[2]，除此之外还要将卫星中心下发的NPP 轨道时间表发送到NPP 进机分包分系统。设备状态监视软件会根据天线的接收任务时间表在轨道开始前5 min 将事先设置好的组配信息下发到接收NPP 此条轨道的相关设备。

1.4 校时分系统

NPP 卫星接收系统的执行必须在统一的时间基础上进行，所以整个系统的时间同步非常重要。本系统采用GPS 接收机提供整个系统的时间精度。将时间服务器与整个系统接入到同一个局域网内，利用Symmtime 时统软件实现对整个系统的校时。

1.5 进机分包分系统

进机分包分系统包括2 台NPP 进机分包公共机和2 块USB 接口进机卡。进机分包公共机通过进机卡接收解调器输出的NPP 卫星原始数据，将接收到数据进行实时的格式处理，处理后的数据记录在本地磁盘以及上传数据存储分系统，最后对接收到的数据进行质量判识并记录在册。

1.6 网络存储分系统

接收到的NPP 卫星数据需上传到卫星中心和本单位遥感室。NPP 进机分包软件在数据接收过程中将数据记录在本地硬盘，待数据接收完成后自动上传到磁盘阵列。卫星中心通过磁盘阵列获取NPP 卫星数据，乌鲁木齐气象卫星地面站遥感室通过NPP 进机分包公共机上安装的FTP 传输软件获取NPP 卫星数据。

2 故障分析处理

接收系统是全天全自动运行接收系统，整套设备具有很高的精确度和自动化程度。为确保数据接收质量和运行成功率，整套接收设备要定期进行检修、维护，以减少不必要的故障发生。在NPP 卫星数据接收过程中，采用一主一备两路完整且独立的接收系统，以确保数据接收万无一失[4]。但由于接收任务的时效性，对于突发或偶发的运行故障，若不能在第一时间及时处理，必定会造成原始数据的丢失，影响接收成功率。因此值班人员要掌握一定的故障应急处理方法，这样出现故障时才能第一时间作出快速准确的判断，及时排除故障，确保数据接收正常。现将乌鲁木齐气象卫星地面站NPP 卫星数据接收时遇到的一些问题总结归纳如下。

2.1 天线故障

2.1.1 天线跟踪异常

在NPP 卫星数据接收过程中，4.2 m 天线偶有信号跟踪不上，解调器不锁定的情况发生，可通过天线室内控制软件手动微调天线俯仰或方位直到解调器锁定为止。

2.1.2 天线X、Y 功放报警

NPP 卫星数据接收前或接收过程中4.2 m 天线室内天线控制软件X、Y 功放报警，天线停止跟踪。此时可点击“待机”按钮，再点“程引”，如上述现象依然存在，则重复上述步骤多次，一般可解决问题，这样做的目的是让天线系统复位后再重新跟踪。若上述方法不能解决问题，则有可能是下位机死机，需到对应天线塔基机房重新启动下位机[5]。若上述2 种方法依然无法排除故障，则怀疑是天线机械故障，需立即停止天线任务并通知相关维护人员。

2.2 变频解调故障

乌鲁木齐气象卫星地面站采用一主一备两路NPP卫星接收系统，所用2 台变频器和解调器完全相同且独立存在，在数据接收过程中2 台变频器只接收NPP卫星信号，频率是固定的2 112 GHz，故变频器目前无任何故障发生。2 台解调器偶有失锁情况发生，主要是由天线跟踪异常所致，目前没有发生过解调器死机的情况。

2.3 任务管理故障

NPP 卫星数据接收过程都是由各控制管理软件自动执行，接收轨道前5 min 设备状态监视软件会按照组配方案配置相关接收设备参数，此时要密切注意天线、变频器、解调器、进机分包软件接收任务是否正常[6]。NPP 卫星数据接收开始前发生过天线没有接收到此条轨道任务的情况，此时需手动在设备状态监视软件上给对应的单个天线发送任务。

2.4 进机分包故障

2.4.1 进机分包软件闪退

NPP 卫星数据接收过程中偶有发生进机分包软件自动退出的情况，有时是单个1 台进机分包软件自动退出，有时是2 台同时退出。若2 台同时退出，则会影响此条轨道的接收质量。且此类情况每月都有发生，一般在3 次左右。NPP 卫星数据接收过程中进机分包软件自动退出时，需第一时间重启软件，数据会恢复正常接收，但是重启软件后接收到的数据会重新写盘且数据命名格式有误，这样就生成了2 条不完整的数据，在软件闪退以及重启过程中丢失的数据也无法找回，最终影响此条轨道的接收质量。

乌鲁木齐气象卫星地面站现有的NPP 卫星接收系统是解调器不对数据进行译码，进机分包软件对接收到的数据进行译码，这样接收到的数据中正常数据快视图正常，只是偶有软件闪退现象发生。为了解决进机分包软件闪退问题，经过反复实验最终确定解调器跟软件同时译码可以解决软件闪退问题，但是接收到的数据只能看到帧数的变化，没有快视图，数据可以正常使用。如果解调器译码软件不译码接收到的数据有快视图，但是接收过程中软件一直重复读取时间表，则接收到的数据无法正常使用。故本站NPP 进机分包分系统采用主机软件译码，解调器不译码，备机软件跟解调器都译码的配置，既可以看到快视图，又可以确保主机软件在发生闪退的情况下备机数据正常[7]。

2.4.2 自动生成无效数据

NPP 进机分包软件在没有NPP 轨道任务的情况下，自动生成下一条NPP 卫星数据，且自动上传到磁盘阵列，此条数据大小为2 KB，这种情况只在最近发生过一次，目前还不知道什么原因引起，有待日后继续观察。

2.5 数据回放故障

上文中2.4.1 进机分包软件闪退中提到NPP 进机分包备机采用软件跟解调器同时译码的配置，此种搭配不存在软件闪退问题且数据接收是正常的，只是没有快视图而已。但在后期的数据回放过程中发现，回放备机数据必须在主机数据完成磁盘阵列上传的前提下进行，否则卫星中心无法处理备机回放数据。例如主机软件在数据快进机时发生闪退，重启软件后生成的数据格式错误无法自动上传磁盘阵列，此时若直接回放备机数据，卫星中心是无法正常处理数据的，此类情况极少发生[8]。如碰到这种现象，可修改主机数据格式然后手动上传磁盘阵列，若主机数据丢失严重，可回放备机数据，此时备机数据可以正常处理。大部分情况下都是在接收过程中主机软件闪退，在闪退之前接收到的数据虽然不完整但是数据格式正确，可自动上传磁盘阵列，此时直接回放备机数据即可。

3 结束语

本文重点介绍了乌鲁木齐气象卫星地面站NPP 卫星接收系统原理，包括天线接收分系统、变频解调分系统、任务管理分系统、校时分系统、进机分包分系统和网络存储分系统，并且对每个分系统的工作原理都做了详细的阐述。同时归纳分析了乌鲁木齐气象卫星地面站NPP 卫星数据接收过程中出现的故障，并对部分故障的应急处理方法进行了详细说明。亟待解决的问题有2 个：①怎样实现进机分包软件在接收数据的过程中既有快视图又不发生闪退且数据接收正常；②在主机没有上传数据到磁盘阵列的情况下是否可以直接回放备机数据。