風(fēng)云四號(hào)測(cè)距副站距離值異常的技術(shù)分析

任立清 張偉航 殷星晨

（1.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆氣象局裝備保障中心，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

我國(guó)第二代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)A星采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)，與自旋穩(wěn)定的風(fēng)云二號(hào)共同運(yùn)行在赤道上空，為我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候預(yù)報(bào)及天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警等提供精確數(shù)據(jù)[1]。

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星選用國(guó)內(nèi)5個(gè)幾何位置合理的測(cè)距站，采用偽碼擴(kuò)頻信息幀測(cè)距體制，通過(guò)5個(gè)測(cè)距站每小時(shí)一次連續(xù)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行S和L頻段雙程測(cè)距，利用每個(gè)測(cè)距站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星兩行根數(shù)進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)確定衛(wèi)星軌跡。風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星由北京（主站）、烏魯木齊、廣州、佳木斯及云南騰沖站共同完成測(cè)距定軌，測(cè)距系統(tǒng)的各誤差源引起的系統(tǒng)誤差修正后的總計(jì)小于2 m，對(duì)衛(wèi)星位置確定精度提高到了20 m。

1 風(fēng)云四號(hào)測(cè)距副站工作流程

1.1 偽碼擴(kuò)頻碼分多址測(cè)距技術(shù)的特點(diǎn)

風(fēng)云四號(hào)A星采用碼分多址測(cè)距體制，選取10組平衡GOLD碼，碼長(zhǎng)1023，由時(shí)頻板提供的20 Hz信號(hào)對(duì)下行、上行信號(hào)進(jìn)行采樣，從中提取收和發(fā)的碼相位、位計(jì)數(shù)、幀計(jì)數(shù)和擴(kuò)頻偽碼計(jì)數(shù)等測(cè)量信息，然后把這些測(cè)量信息送給基帶，基帶監(jiān)控計(jì)算上、下行信號(hào)的測(cè)量信息進(jìn)行求差，得到時(shí)延差并換算為距離。

1.2 測(cè)距站與衛(wèi)星之間距離值的測(cè)量流程

每個(gè)測(cè)距站按照統(tǒng)一時(shí)間表將攜帶各站信息的測(cè)距信號(hào)采用固定格式裝載在基帶數(shù)據(jù)中，以同一個(gè)S頻段上行載波（中心頻率2047 MHz）同時(shí)發(fā)送到星上。衛(wèi)星收到5個(gè)測(cè)距信號(hào)后，變頻為一路L頻段（中心頻率1693 MHz）和一路S頻段（中心頻率2227 MHz）信號(hào)由各站接收。5個(gè)站收到下行信號(hào)，經(jīng)解調(diào)、解擴(kuò)處理后獲得S和L共2種距離零值。4個(gè)副站將本站距離值打上時(shí)標(biāo)經(jīng)風(fēng)四衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給主站。5個(gè)站的測(cè)距幀、上行及下行相互之間完全獨(dú)立。主站通過(guò)信息幀給副站發(fā)送遙控指令，副站通過(guò)信息幀給主站回報(bào)狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果等。主、副發(fā)送的指令數(shù)不受限。主站通過(guò)計(jì)算各站測(cè)距數(shù)據(jù)確定衛(wèi)星的空間位置和軌道，生成軌道參數(shù)對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2 測(cè)距副站異常測(cè)量值的技術(shù)分析

風(fēng)云四號(hào)采用變頻轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距，利用數(shù)據(jù)信息幀和擴(kuò)頻偽碼（數(shù)據(jù)信息位計(jì)數(shù)器和偽碼相位計(jì)數(shù)器）標(biāo)定信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，通過(guò)測(cè)距時(shí)延確定求得星地距離差，如圖1所示。

圖1 測(cè)距信號(hào)流程圖

表示地面站測(cè)量幀的起始時(shí)刻即測(cè)距過(guò)程的開(kāi)始，此時(shí)地面站測(cè)距發(fā)射計(jì)數(shù)器（信息位計(jì)數(shù)、偽碼相位計(jì)數(shù)）為0。此后測(cè)距計(jì)數(shù)器在地面站發(fā)射的測(cè)量信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始周期計(jì)數(shù)（與數(shù)據(jù)幀周期保持一致）。即在時(shí)刻A星接收到測(cè)量信號(hào)，在時(shí)刻完成變頻轉(zhuǎn)發(fā)。時(shí)刻A星變頻轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)量信號(hào)測(cè)量幀的幀頭傳至地面站，地面站接收端測(cè)量計(jì)數(shù)器（信息位計(jì)數(shù)、偽碼相位計(jì)數(shù)）被幀頭脈沖信號(hào)清零，隨后測(cè)距計(jì)數(shù)器在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)量信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下循環(huán)計(jì)數(shù)。

2.1 測(cè)距計(jì)數(shù)器被錯(cuò)誤清零引起星地距離測(cè)量值異常

風(fēng)四A星的測(cè)距標(biāo)志信息就是每一幀的幀同步，擴(kuò)頻后一個(gè)信息位內(nèi)包括1個(gè)或多個(gè)完整的偽碼周期，擴(kuò)頻碼通過(guò)增加信息幀的長(zhǎng)度來(lái)解決測(cè)距的距離模糊。上、下行測(cè)距計(jì)數(shù)器，分別由上、下行測(cè)量幀驅(qū)動(dòng)完成計(jì)數(shù)。在幀頭時(shí)刻，計(jì)數(shù)器被幀頭脈沖計(jì)數(shù)清零，因此計(jì)數(shù)器將隨測(cè)量幀實(shí)現(xiàn)周期計(jì)數(shù)。如圖2所示。

圖2 測(cè)量幀與測(cè)距計(jì)數(shù)器工作示意圖

假設(shè)上、下行延時(shí)相同，則測(cè)距結(jié)果如公式（1）所示。

式中：為光速。

發(fā)射計(jì)數(shù)器和接收計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)采樣結(jié)果用來(lái)計(jì)算傳輸時(shí)延差（-），如公式（2）所示。

式中：Δ為計(jì)數(shù)器時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù)，由偽碼速率決定。

通過(guò)分析可知，測(cè)量幀幀頭時(shí)刻產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)測(cè)距計(jì)數(shù)器的清零，開(kāi)啟計(jì)數(shù)器新的計(jì)數(shù)周期。因此，下行測(cè)量幀同步的正確性直接決定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果的可用性，當(dāng)幀同步判定錯(cuò)誤時(shí)，下行測(cè)距計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果受到錯(cuò)誤清零脈沖的影響，將導(dǎo)致計(jì)數(shù)結(jié)果錯(cuò)誤（如圖3所示）。

圖3 測(cè)量幀同步錯(cuò)誤導(dǎo)致接收端計(jì)數(shù)結(jié)果異常示意圖

2.2 幀同步的高容錯(cuò)率導(dǎo)致測(cè)距計(jì)數(shù)器工作異常

風(fēng)四測(cè)距系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息是以數(shù)據(jù)幀的形式傳輸?shù)?。幀同步工作流程由同步搜索、同步?yàn)證和同步保持等狀態(tài)組成共同完成信息幀的解調(diào)。幀同步單元搜索解調(diào)數(shù)據(jù)的幀頭EB90，然后以數(shù)據(jù)幀的形式將數(shù)據(jù)上報(bào)監(jiān)控軟件，并根據(jù)幀頭位置產(chǎn)生測(cè)距采樣脈沖。

幀同步單元將系統(tǒng)預(yù)置的幀頭信息EB90與存儲(chǔ)在串行移位寄存器中的解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比較，如果檢測(cè)到串行移位寄存器中的數(shù)據(jù)與幀頭相同，就認(rèn)為搜索到一個(gè)幀頭，否則繼續(xù)移位搜索。搜到一個(gè)幀頭后，就啟動(dòng)幀內(nèi)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器，同時(shí)幀同步計(jì)數(shù)器計(jì)為1，數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿(mǎn)后，在下一個(gè)幀頭來(lái)臨時(shí)，再與幀頭信息進(jìn)行比較，相同則幀同步計(jì)數(shù)器加1，同時(shí)清空幀內(nèi)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行重新計(jì)數(shù)；否則將幀同步計(jì)數(shù)器清為0，并開(kāi)始再一次幀同步頭的搜索工作。重復(fù)搜索，當(dāng)幀同步計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到，即連續(xù)搜索到了個(gè)幀頭時(shí)，即可認(rèn)為幀同步鎖定了。幀同步的失鎖過(guò)程與同步搜索的過(guò)程類(lèi)似，當(dāng)連續(xù)幀都搜不到幀頭時(shí)，判斷是幀同步失鎖了，然后開(kāi)始新一輪的幀同步搜索工作。其中用表示校核幀數(shù)，用表示鎖定幀數(shù)。

同步搜索過(guò)程包括數(shù)據(jù)容錯(cuò)，以保證在誤碼率較高的情況下能正常實(shí)現(xiàn)幀同步。用表示校核容錯(cuò)，在校核幀數(shù)為的情況下允許其中的個(gè)幀頭檢測(cè)存在錯(cuò)誤，即個(gè)幀頭中即使存在個(gè)錯(cuò)誤結(jié)果，同樣會(huì)判定結(jié)果正確，認(rèn)為幀頭是鎖定的。由分析可知，同步搜索過(guò)程中，本地端的幀頭信息為EB90，依次與數(shù)據(jù)幀信息位進(jìn)行異或運(yùn)算，連續(xù)搜索幀頭信息，通過(guò)同步驗(yàn)證判定當(dāng)次搜索數(shù)據(jù)信息即幀頭是與EB90相同，如果相同次數(shù)大于，幀同步鎖定進(jìn)入同步保持階段。在同步保持階段將持續(xù)對(duì)同步結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)不同次數(shù)大于鎖定幀數(shù)后，認(rèn)為幀同步失鎖，重新進(jìn)行同步搜索。如果設(shè)置的容錯(cuò)率較高，就會(huì)造成誤鎖現(xiàn)象，導(dǎo)致誤判幀同步鎖定，出現(xiàn)距離值異常的錯(cuò)誤。

由分析可知本地端的幀頭信息EB90依次與數(shù)據(jù)幀信息位進(jìn)行異或運(yùn)算，連續(xù)搜索幀頭信息。通過(guò)同步驗(yàn)證判定當(dāng)次搜索幀頭是否與EB90一致，如果一致次數(shù)大于，幀同步進(jìn)入同步保持階段。在同步保持階段將持續(xù)對(duì)同步結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)失步次數(shù)大于鎖定幀數(shù)后，幀同步失鎖，重新進(jìn)行同步搜索。

2.3 雙重幀頭信息造成測(cè)距值異常的分析

風(fēng)云四號(hào)測(cè)距副站運(yùn)行多年出現(xiàn)多次和距離異常值（見(jiàn)表1中黑體），結(jié)果遠(yuǎn)大于星地距離138 000km以上。

表1 烏魯木齊站S/L頻段設(shè)備時(shí)延異常測(cè)量值

取異常與正常差值，即138047614m（）～38066832m（）≈99 980 782 m。

已知測(cè)量幀數(shù)據(jù)信息速率為1 kbps，一個(gè)信息位代表的距離長(zhǎng)度約為149 896.229 m，可得99 980 782/149 896.229=667（bit）。

因此可推斷測(cè)距的錯(cuò)誤與正確之間信息位差為667 bit。查詢(xún)異常時(shí)刻L測(cè)距幀解調(diào)信息結(jié)果文件可知，自幀頭EB90起推移667個(gè)信息位，相應(yīng)信息位為F5C80，變?yōu)槎M(jìn)制為11110101110010000000，包括信息字段1110101110010000，即F5C80包括EB90，EB90的二進(jìn)制為1110101110010000，說(shuō)明該測(cè)量幀包括2組幀頭信息，即幀同步結(jié)果錯(cuò)誤所導(dǎo)致。

遙測(cè)信息幀中包括幀頭信息EB90，分析可知整個(gè)測(cè)量幀存在2個(gè)EB90，又因?yàn)閹竭^(guò)程存在容錯(cuò)機(jī)制，導(dǎo)致測(cè)距幀頭的幀同步鎖定判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤，引起測(cè)距結(jié)果異常偏大。

同一時(shí)刻的S測(cè)距幀解調(diào)信息結(jié)果和測(cè)距幀解調(diào)信息結(jié)果的存盤(pán)數(shù)據(jù)文件，尋找相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)信息為3D7201，二進(jìn)制為1111010111001000000001，包括1110101110010000，即EB90。通過(guò)遙測(cè)幀格式定義，檢查該段字節(jié)具體信息含義。其中3D7201表示功放B狀態(tài)參數(shù)和功率設(shè)置值，3D表示功放B鏈路接通、不加電靜默、備份狀態(tài)、不加負(fù)載，自動(dòng)電平控制（ALC）環(huán)路閉環(huán)、輸入信號(hào)正常，末級(jí)功放A正常、末級(jí)功放B正常，7201表示功率設(shè)置值為5 W。問(wèn)題定位在參數(shù)設(shè)置不合適誤判為幀頭導(dǎo)致距離值異常。

3 解決方法與結(jié)論

通過(guò)測(cè)距信息幀的對(duì)比可知，測(cè)距站功放設(shè)備的工作狀態(tài)和功率設(shè)置值導(dǎo)致遙測(cè)字段出現(xiàn)3D7201，包括完整的幀頭信息EB90。由于容錯(cuò)機(jī)制，以一定概率將3D7201搜索誤判為數(shù)據(jù)幀的幀頭，造成接收測(cè)距計(jì)數(shù)器清零時(shí)刻異常，最終造成測(cè)距結(jié)果超差。

經(jīng)過(guò)技術(shù)分析有2種解決方法。1） 重設(shè)功放的輸出功率，避免設(shè)置輸出功率為5 W，避免功放狀態(tài)出現(xiàn)3D7201。2） 修改幀頭同步過(guò)程的容錯(cuò)機(jī)制，減少目前設(shè)置的容錯(cuò)值。

已知該系統(tǒng)門(mén)限條件下信號(hào)載噪比為43 dBHz，信息速率為1 kbps，考慮2 dB的擴(kuò)頻解調(diào)損失，該條件下數(shù)據(jù)的誤碼率小于2.6×10。該誤碼率下可以設(shè)置校核容錯(cuò)為0。方法1僅能作為臨時(shí)規(guī)避措施，因此采用方法2徹底消除異常測(cè)距值及其相關(guān)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星采用抗干擾、精度高的雙頻率測(cè)距技術(shù)，在測(cè)距同時(shí)完成信息傳輸，保證了信息的保密性。該文重新設(shè)置參數(shù)，消除了測(cè)量幀同步錯(cuò)誤導(dǎo)致的星地距離測(cè)量值異?，F(xiàn)象，通過(guò)1 000次信號(hào)重捕試驗(yàn)檢驗(yàn)是否出現(xiàn)幀同步錯(cuò)誤，試驗(yàn)結(jié)果表明1 000次同步結(jié)果完全正確，同步錯(cuò)誤及距離值異常過(guò)大的情況未重現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果測(cè)距均正常。