風云四號靜止氣象衛(wèi)星測距站坐標測量點的確定及修正

賈耀紅 裘奕 郭強

(國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100094)

引言

風云四號(FY-4)衛(wèi)星是我國第二代靜止氣象衛(wèi)星，采用三軸穩(wěn)定的姿態(tài)控制方式，星上搭載了許多高精度載荷，載荷下傳數(shù)據(jù)需要定位和配準后才可以使用，衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道也需要定期保持和控制[1-2]，這些都離不開高精度的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)支持。

FY-4衛(wèi)星測距、軌道確定及預報系統(tǒng)就是用以獲得衛(wèi)星高精度軌道數(shù)據(jù)，其工作原理是幾何法測距定軌[3]，就是通過測量地面上位于不同地方的多個測距站到衛(wèi)星的距離進而確定并預報出衛(wèi)星的位置和軌道，那么各個站的站址坐標就必須精確測量。FY-4衛(wèi)星的定位原理跟GPS/北斗導航定位系統(tǒng)類似，GPS/北斗通過測量多顆不同位置的衛(wèi)星天線相位中心到地面接收天線相位中心之間的距離確定出地面目標位置[4-5]，但是由于FY-4靜止氣象衛(wèi)星測距站采用卡塞格倫天線，并且天線結(jié)構(gòu)比較特殊，無法用天線相位中心作為測距起始參考點和站址坐標測量點，本文介紹了如何根據(jù)其天線結(jié)構(gòu)及工作原理確定這兩個位置，并給出它們的距離修正算法及其在實際工程中的應用。

1 FY-4測距站天線

FY-4測距站采用的是7.3 m的卡塞格倫天線。這種尺寸天線結(jié)構(gòu)一般有2種方式:①是桁架式，②轉(zhuǎn)臺式，桁架式結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是由于方位俯仰均采用絲杠，轉(zhuǎn)動速度慢，一般用于轉(zhuǎn)動比較少的場合，如FY-2衛(wèi)星測距站天線[6]；轉(zhuǎn)臺式轉(zhuǎn)動速度快，但成本高，一般用于大型天線。在系統(tǒng)設(shè)計之初，結(jié)合測距定軌可以分時作業(yè)實現(xiàn)的特點，從節(jié)約成本的角度出發(fā)設(shè)計出一套設(shè)備具備分時對多顆衛(wèi)星測距定軌的功能，這就要求一套天線能夠在規(guī)定的時間內(nèi)指向空間不同位置的衛(wèi)星。FY-4靜止氣象衛(wèi)星在赤道上空從79°～133°E申請了7個軌道位置[7]，以北京站為例，針對7個位置的衛(wèi)星，天線方位最大轉(zhuǎn)動角度約為74°，俯仰約10°，方位轉(zhuǎn)動幅度大，俯仰轉(zhuǎn)動幅度小，于是FY-4衛(wèi)星測距站采用了簡易半轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的天線，方位采用簡易桶式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)快速全方位轉(zhuǎn)動，俯仰采用絲杠式結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 FY-4測距站天線結(jié)構(gòu)

2 FY-4測距站測距距離起始參考點

FY-4測距站天線是卡塞格倫天線，由3部分組成，即主反射面、副反射面和輻射源(饋源)。其中主反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面，副反射面為旋轉(zhuǎn)雙曲面。在結(jié)構(gòu)上，雙曲面的一個焦點與拋物面的焦點F2重合，雙曲面焦軸與拋物面焦軸重合，而輻射源位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的另一個焦點F1上，如圖2所示。輻射源發(fā)出電磁波，經(jīng)由副反射面反射后發(fā)射到主反射面，然后再經(jīng)由主反射面反射后獲得相應方向的平面波波束，實現(xiàn)定向發(fā)射[8-9]。其中輻射源位于旋轉(zhuǎn)雙曲面的實焦點F1處時，其發(fā)出的射線經(jīng)過雙曲面反射后的射線，就相當于雙曲面的虛焦點F2直接發(fā)出的射線，因此只要是雙曲面的虛焦點和拋物面的實焦點重合，就可使副反射面反射到主反射面的射線被拋物面反射成平面波輻射出去。

天線相位中心的概念是天線輻射源所輻射出去的電磁波在離開天線一定距離后，其等相位面近似為一個球面，該球面的球心即為該天線的等效相位中心[10-11]。從物理現(xiàn)象上解釋，從遠區(qū)場向天線看去，所有電磁波好像是從相位中心那點發(fā)出，相位中心相當于等效源點[12]，所以用它作為測距起始參考點。但是對卡塞格倫天線而言，輻射源(饋源)F1輻射的球面波經(jīng)過副反射面和主反射面后變?yōu)槠矫娌?，因為?jīng)過2次反射，所以無法用天線的相位中心作為測距距離起始參考點，但球面波變?yōu)槠矫娌ê螅湫谐滔嗟?，呈現(xiàn)同相場，形成如圖2所示的等相位面，可以取等相位面的中心作為測距距離起始參考點。因為從天線設(shè)計中可以得到圖1中相關(guān)數(shù)據(jù)，所以在本系統(tǒng)取天線口面中心為測距距離起始參考點。

圖2 卡塞格倫天線電磁波傳播

3 站址坐標測量點的確定

幾何法測距定軌最基本的原理就是通過測量地面至少3個位于不同地方的地面站到衛(wèi)星的距離進而確定出衛(wèi)星的位置和軌道，那么各個站準確的大地坐標是前提，所以在建站時需要將各個站的大地坐標測量點確定并精確測量。

從理論上講測距距離起始參考點應該作為站址坐標測量點，但是該點隨著天線跟蹤不同的衛(wèi)星會有變化，所以在站址測量時一般選取固定的點，比如天線的旋轉(zhuǎn)中心來測量。天線有3個軸，方位、俯仰和饋電軸，一般的全方位天線這3個軸是相交在一點的，該點就是旋轉(zhuǎn)中心,如圖3所示。如果以旋轉(zhuǎn)中心為坐標測量點，那么在天線旋轉(zhuǎn)時，天線口面中心將會圍繞旋轉(zhuǎn)中心形成一個球面軌跡，如圖4所示。

圖3 全方位天線示意

設(shè)O為坐標測量點，P為天線口面中心，D表示測距信道和終端。FY-4衛(wèi)星測距站測距的工作過程是首先對標校塔C測距，P到標校塔C的距離PC提前標校好，標校測距的結(jié)果是DPC的距離，減去PC的距離就得到設(shè)備的零值PD，當天線對準衛(wèi)星S測距時，測距結(jié)果減去設(shè)備零值PD，就得到PS的距離值。但隨著天線跟蹤不同的衛(wèi)星S1時，其天線口面中心大地坐標是變化的，如圖4中P1，這樣就無法應用到實際工程當中。

圖4 全方位天線測距示意

以天線旋轉(zhuǎn)中心O作為坐標測量點，該點是固定不變的。但是測距信號不通過該點，需要將距離核算到該點后才能用于軌道確定和預報。對全方位天線而言，距離起始參考點與坐標測量點之間的距離是固定不變的，就是球面的半徑R。坐標測量點O在饋電軸反向延長線上，所以將距離起算點P到目標S的距離加上R，就是坐標測量點O到目標S的距離。

FY-4衛(wèi)星測距站天線，如圖1所示，方位軸、俯仰軸和饋電軸不相交，沒有固定的旋轉(zhuǎn)中心。但是基于上述測量原理，從實際天線結(jié)構(gòu)及便于精確測量大地坐標的目的出發(fā)，可以選取不隨著天線的轉(zhuǎn)動而變化的固定點，于是在實際測距過程中選取方位軸上最靠近天線口面上的一個固定點O作為測量點，天線口面中心P為測距起始參考點，這樣當天線旋轉(zhuǎn)時，測距起始參考點圍繞坐標測量點將無法形成完美的球面，它們之間的距離不是固定值，將會隨著天線的轉(zhuǎn)動而變化，需要進行距離修正。

4 距離起始參考點到坐標測量點的距離修正及應用

4.1 距離修正算法

如圖1所示，選擇天線方位軸上的一點O作為坐標測量點，天線口面中心位置P為距離起始參考點。設(shè)坐標測量點O到俯仰軸所在平面的水平距離為L1，垂直距離為L2，俯仰軸所在水平面到P所在等相位面的垂直距離為L3，俯仰軸到P所在饋電軸的水平距離為L4，饋電軸與俯仰軸所在水平面交點為M，俯仰軸中心點為D。其中L1、L2、L3及L4在天線設(shè)計中為已知距離值。

對距離起始參考點和坐標測量點之間進行距離修正。以坐標測量點為坐標原點，正南水平方向為X方向，垂直向上的方向為Z方向，右手法則得到Y(jié)方向，建立直角坐標系。由于地基與天線連接的平面是水平的，即天線的方位軸與Z軸重合。當天線工作于北半球，和衛(wèi)星通信時，天線的轉(zhuǎn)動范圍一般以正南方向為基準，向東西各90°。所以定義天線的方位角以正南為0°，向東轉(zhuǎn)為正，向西轉(zhuǎn)為負，并記為θAZ。天線的俯仰角以水平指向為基準，向上轉(zhuǎn)為正，并記為θEL。如圖5所示，其中M1、D1和P1是M、D和P在X-Y平面上的投影。

根據(jù)圖5所示幾何關(guān)系，可得：

圖5 坐標測量點到距離起始參考點核算坐標示意

(1)

(2)

(3)

則可以求得坐標測量點O到衛(wèi)星S的距離：

(5)

(6)

4.2 修正結(jié)果分析及應用

圖測量值隨仰角變化

表1 FY-4測距站天線指向不同軌道位置的衛(wèi)星時的d值

5 結(jié)論

本文分析了FY-4衛(wèi)星測距站簡易半轉(zhuǎn)臺天線的特殊結(jié)構(gòu)，結(jié)合卡塞格倫天線工作原理，確定出測距距離起始參考點和坐標測量點，并給出距離起始參考點到坐標測量點的距離修正算法。結(jié)合FY-4靜止氣象衛(wèi)星及其測距站實際分布情況，分析了5個測距站對著不同軌道位置的衛(wèi)星時的修正結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果給出了在工程實踐當中的實施方法，該方法已經(jīng)應用到FY-4衛(wèi)星測距定軌作業(yè)當中，從使用效果看坐標測量點和測距距離起始參考點選取合適，修正方法正確，定軌結(jié)果滿足定軌精度要求。