风云四号接收天线新技术的研究及应用.pdf
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1、1数字通信世界2023.08DCWTechnology Study技术研究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(26.540 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,
2、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/俯仰型全风云四号接收天线新技术的研究及应用李庆硕1,2,裘 奕1,2通信作者,冯小虎1,2(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)摘要:风云四
3、号气象卫星是采用三轴稳定的大型遥感平台、装载多台观测仪器的第二代静止气象卫星,其地面接收天线主要任务就是要保证准确捕获卫星,高可靠、高精度地跟踪卫星,为系统上下行信道提供高品质的射频通道。风云四号B星在风云四号A星的基础上增加Ka频段数传。风云四号15米Ka/X/S频段天线是其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B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。Ka频段的频率高、波长短、波束窄的特点对地面接收天线带来了更高的要求,为此,文章主要分析研究风云四号地面接收天线新技术及应用。关键词:风云四号;接收天线;步进跟踪;单脉冲跟踪;智能跟踪d
4、oi:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.08.001中图分类号:TN 828.5 文献标志码:A 文章编码:1672-7274(2023)08-0001-04Research and Application of New Technology for FY-4 Receiving AntennaLI Qingshuo1,2,QIU Yi1,2,FENG Xiaohu1,2(1.National Satellite Meteorological Center/National Center for Space Weather,Beijing 100081,China;2
5、.Innovation Center for Fengyun Meteorological Satellite(FYSIC),Beijing 100081,China)Abstract:FY-4 meteorological satellite is the second generation stationary meteorological satellite with a large remote sensing platform with three-axis stability and multiple observation instruments.The main task of
6、 FY-4 ground receiving antenna is to ensure accurate acquisition,high reliability and high precision tracking of satellites,and provide high-quality RF channels for the uplink and downlink channels of the system.FY-4B adds Ka-band data transmission on the basis of FY-4A.The 15-meter Ka/X/S band ante
7、nna of FY-4 is an important part of the engineering data acquisition and measurement and control system of FY-4 satellite ground application system.It is used for receiving the Ka-band signal of FY-4B satellite,transmitting and receiving the X-band signal,and transmitting and receiving the S-band si
8、gnal.The characteristics of Ka-band such as high frequency,short wavelength and narrow beam have brought higher requirements to the ground receiving antenna.In order to meet the operational requirements of the business,this article mainly analyzes and studies the new technology and application of FY
9、-4 ground receiving antenna.Key words:FY-4;receiving antenna;steptracking;Mono-pulse tracking;intelligent tracking作者简介:李庆硕(1981-),男,高级工程师,毕业于北京工业大学,主要研究方向为风云卫星接收天线。裘 奕(1969-),男,高级工程师,毕业于大连海运学院,主要研究方向星地通信链路工程与数据获取。冯小虎(1972-),男,正研级高级工程师,主要研究方向为星地任务管控系统。2DIGITCW2023.08DIGITCW技术 研究Technology Study动座架。天线
10、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。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1
11、 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
12、,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
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