风云四号接收天线新技术的研究及应用

李庆硕，裘 奕通信作者，冯小虎

（1.国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心，北京 100081；2.许健民气象卫星创新中心，北京 100081）

0 引言

随着气象高质量发展不断深化，气象卫星在防灾减灾中须臾不可离开的作用日益凸显，卫星观测的时间分辨率和空间分辨率不断提升，星载有效载荷对卫星数传码率的要求越来越高[1]。随着数据量的增加，X频段带宽已经难以满足卫星传输大容量数据的需求。Ka频段（26.5～40 GHz）具有数据传输速率高、频段带宽宽、数据传输容量大等特点，逐渐成为卫星数传的新发展趋势。Ka频段通信具有频率高、波长短、波束窄的特点，为保证信号的成功接收，地面接收天线需要进行相应的技术升级[2]。快速捕获、自动跟踪、稳定运行是卫星地面接收天线的三个主要目标。因此，风云四号地面接收天线在以上三个方面开展了相关的技术研究改进及应用。

1 风云四号地面接收天线天伺馈系统简介

风云四号15米Ka/X/S频段接收天线是风云四号卫星地面应用系统获取工程数据和测控系统的重要组成部分，用于风云四号卫星的Ka频段信号的接收、X频段信号的发射和接收、S频段信号的发射和接收[3]。

风云四号地面接收天线是卡塞格伦式双反射面天线，天线口径为15 m，座架采用转台式方位/俯仰型全动座架。天线具有单脉冲自动跟踪为主，步进跟踪为辅的自动跟踪捕获卫星功能[4]。天线主要由以下5个子系统构成：天馈子系统、结构子系统、控制子系统、驱动子系统和跟踪接收机子系统。其组成框图如图1所示。

图1 风云四号15米天线结构框图

2 风云四号15米Ka/X/S三频段天线新技术应用

为了实现Ka/X/S三频段卫星信号的接收功能，风云四号地面接收天线相应地采取多项新技术保证数据接收[5]。主要有单脉冲自动跟踪和步进跟踪、智能跟踪策略、自动搜索卫星、自动校相及自动测试功能。

2.1 单脉冲自动跟踪

单脉冲自跟踪方式是风云四号地面接收天线的主要工作方式。单脉冲自跟踪工作方式指以跟踪接收机的误差电压、和电平（天线接收信号的总和，经接收机变化成电压表现形式（0-5V），为天线驱动单元提供判断方向）、锁定信号为依据，利用接收机送来的方位（AZ）、俯仰（EL）误差信号进行自动跟踪闭环，使AZ、EL误差信号始终趋近于零，从而确保天线实时准确地跟踪目标，以便完成对卫星的数据接收[6]。当自动跟踪接收机锁定，并且和电平大于设定的自动跟踪进入门限值时，天线便可进入自动跟踪工作方式[7]。在自动跟踪方式下，天线控制单元会根据自动跟踪接收机送来的方位俯仰误差电压信号进行位置闭环，驱动天线向误差电压减小的方向运动[8]。天线单脉冲自动跟踪架构图如图2所示。

图2 单脉冲自动跟踪架构图

2.2 步进跟踪

步进跟踪是风云四号地面接收天线的补充工作方式。步进跟踪工作方式指以跟踪接收机的和电平、锁定信号为依据，设置合理的步进跟踪步长、起跟门限和跌落门限，实施对目标步进跟踪的方式[9]。根据接收机和电平实现步进跟踪，在接收机锁定且和电平高于预设的门限时，天线控制单元可以进入步进跟踪方式，通过方位跟踪子流程和俯仰跟踪子流程采用一步一步地搜索使和电平趋于最大的方式来跟踪卫星目标信号[10]。步进跟踪架构图如图3所示。

图3 步进跟踪架构图

2.3 智能跟踪策略设计

当天线处于主动自动跟踪方式下，主要以单脉冲跟踪为主，如果天线跟踪丢失目标或由于某种原因导致天线接收机暂时失锁，天线会自动转入位置保持方式等待，等待时间过后信号还未恢复则到转记忆跟踪方式[11]。进入记忆跟踪方式中，天线控制单元会调用前一个跟踪周期相同时刻跟踪目标的数据（方位角度、俯仰角度）自动指向天线记忆的位置[12]。在记忆跟踪时间内，如果重新发现目标会自动恢复自动跟踪方式，否则天线一直保持在记忆跟踪工作方式[13]。智能跟踪流程图如图4所示。

图4 智能跟踪流程图

2.4 自动搜索卫星技术

风云四号气象卫星定点于地球赤道上方约36 000千米的高空。风云四号气象卫星地面接收天线的主要任务是要保证快速捕获、精确稳定地跟踪卫星，为接收系统上下行信道提供高品质的射频通道[14]。如何让地面接收天线快速准确地捕获地球同步轨道的高轨卫星信号是保证卫星云图接收的基础[15]。风云四号天线Ka频段的波束宽度约为S频段的十分之一，捕获卫星信号难度更大，因此自动搜索捕获方法的应用在工程实践中有较好的效果[16]。不同频段的波束宽度和波长如表1所示[17]。

表1 L、S、X、Ka频段的波束宽度及对应波长表

风云四号天线控制单元内置了自动搜索模块[18]，搜索方法为“方位（俯仰）扫描”方法，即选择开始俯仰（或方位）位置，让天线在该俯仰（或方位）处做方位（俯仰）直线运行扫描空间线区域[19]，观察天线接收和电平信号（AGC）的大小变化，然后改变该俯仰（或方位）值，重复方位（或俯仰）直线扫描，直到找到信号的最大值，即为指向卫星的位置，然后转向自动跟踪卫星[20]。自动搜索操作模块如图5所示。

图5 自动搜索操作模块图

天线在业务运行中，会遇到以下几种情况需要进行搜索操作找到天线对卫星的方位和俯仰角度[21]：①新卫星发射定点开机后；②卫星漂移改变轨位后；③卫星消旋失锁天线跟踪不能自恢复时；④切换备份天线时，需用备份天线找卫星；⑤天线出现故障修复后找卫星。

出现了上述情况，可以首先使用天线控制单元内置软件计算出天线对卫星的基本位置[21]，然后在该位置基础上使用方位或者俯仰扫描的搜索方法可以自动找到天线对卫星的位置，然后智能转向跟踪状态，极大地缩短捕获卫星的时间，对业务运行有实际应用意义[22]。

2.5 自动校相技术

天线控制单元具备自动校相功能，在对星跟踪锁定位置时可实现自动偏移、结果校验、装订校相结果等操作[23]。主要功能：天线找零（对当前位置、对星）、自动校相偏移、装订校相结果、跟踪检查、上传记录校相结果并下载存储到接收机中[24]。自动校相操作模块如图6所示。

图6 自动校相操作模块图

2.6 自动测试技术

在进行天线运动速度测试时，软件模块产生测试所需要的速度环梯形速度指令，同时记录天线的运动数据，根据所记录数据解算出天线运动的速度，并自动计算出天线的跟踪精度[25]。

（1）位置环阶跃响应测试：天线控制软件模块自动驱动天线完成方位、俯仰的阶跃控制，并实时记录角度响应、调整时间和超调量等信息，依据软件内置的公式快速计算出系统相应参数[26]。

（2）跟踪精度测试：天线跟踪目标卫星后，天线控制单元根据自动测试指令，控制天线对卫星进行单脉冲自跟踪，记录一组跟踪角度值：方位角度 、俯仰角度 ，自动进行统计平均后可得到自跟踪零点均值和方差 。计算公式为[27]：

（3）电机电流、速度测量：电机自动测试电流和速度的按钮，天线控制单元驱动天线方位、俯仰电机分别正反转±5°，自动记录电机启动电流、运行电流，通过记录的位移和时间自主计算电机运行速度[28]。自动测试操作模块如图7所示。

图7 自动测试操作模块图

2.7 风云四号接收天线主要参数指标

风云四号地面接收天线相比于风云二号地面接收天线在多个技术指标、性能和功能方面有了明显的提高，主要包括天线频段、跟踪方式、跟踪精度及智能化应用等。风云二号天线与风云四号天线的主要技术参数对比如表2所示。

表2 风云二号天线与风云四号天线部分参数对比表

3 新技术应用及未来展望

风云四号地面接收天线新技术的应用给地面接收系统带来了更高的稳定性和快速性。智能跟踪卫星、自动捕获卫星、自动校相技术、自动测试技术和智能除冰雪控制从多个维度提升了地面接收天线的效能[29]。风云四号Ka频段的使用给地面天线带来了机遇。Ka波束更窄，跟踪精度更精确，天线指向卫星的角度每次跟踪的变化很小，因此其电机比风云二号电机损耗小。单脉冲跟踪方式的特点决定了对电机的使用磨损小于步进跟踪方式，会使电机的使用寿命更长。

另外，由于天线的K a 频段跟踪指向精度更高，可以通过天线指向卫星角度计算卫星轨道位置。卫星的轨道变化会导致天线跟踪角度的变化，天线时刻指向卫星的最新位置，依据这个特点，我们可根据天线角度的变化估算卫星在空间中的位置变化[30]。天线的角度变化和卫星的空间位置变化趋势是一致的，我们也可利用卫星在空间中的变化规律来预测天线下一个时次的指向角度，为天线在卫星信号失锁后还能指向卫星预测位置方向提供参考。■