FY-2號靜止衛(wèi)星測距地面應用系統(tǒng)設備故障排查與維護案例分析

關鍵詞：風云二號；零值測試；發(fā)射系統(tǒng)；故障檢修

0 引言

風云二號氣象衛(wèi)星（FY-2）是中國自行研制的第一代地球同步軌道氣象衛(wèi)星，它與極地軌道氣象衛(wèi)星相輔相成，構(gòu)成了中國氣象衛(wèi)星應用體系。風云二號系列衛(wèi)星可以實現(xiàn)非汛期每小時、汛期每半小時獲取覆蓋地球表面約三分之一的全圓盤圖像，能夠針對臺風、強對流等災害性天氣進行重點觀測，在我國氣象災害監(jiān)測預警、防災減災工作中發(fā)揮重要作用[1]。目前在軌投入業(yè)務的風云二號靜止氣象衛(wèi)星有E星、F 星、G星和H星。

氣象衛(wèi)星觀測對氣象數(shù)據(jù)的連續(xù)性要求較高，衛(wèi)星一旦停止工作，就會給天氣預報、災害監(jiān)測造成嚴重影響。風云二號星地系統(tǒng)實現(xiàn)了一年365天、每天24小時連續(xù)運行。風云二號靜止氣象衛(wèi)星采用三個測距站的實測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星的兩行根數(shù)確定衛(wèi)星軌道，測距系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是獲取氣象衛(wèi)星精確位置保衛(wèi)星云圖精準度的基礎。多年的連續(xù)業(yè)務運行伴隨設備的老化，設備出現(xiàn)故障的頻率也在不斷增加，因此定期的設備維護成為保障業(yè)務穩(wěn)定運行的必要措施。本文系統(tǒng)地介紹了風云二號氣象衛(wèi)星測距副站地面應用系統(tǒng)設備出現(xiàn)的一些故障案例和檢測維護方法。

1 測距系統(tǒng)地面應用系統(tǒng)設備原理

風云二號氣象衛(wèi)星采用三點測距定軌方式，測距副站的地面應用系統(tǒng)同時具備接收和轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號的功能。測距系統(tǒng)的設備分為五個部分：接收分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、遙控分系統(tǒng)、天線伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控分系統(tǒng)。

1） 接收系統(tǒng)由高頻接收機、中頻接收機、跟蹤接收機、開關切換網(wǎng)絡、標校變頻器等組成。其功能主要有：接收并放大測距信號，提供測距中頻轉(zhuǎn)發(fā)信號；接收并放大遙測信號，提供伺服AGC電壓實現(xiàn)天線跟蹤。

2） 發(fā)射分系統(tǒng)由上變頻器、高功放、相應的開關網(wǎng)絡和監(jiān)控單元組成。其主要功能是將指令終端送來的70.5MHz中頻信號經(jīng)上變頻器轉(zhuǎn)換成發(fā)射機的射頻信號，再經(jīng)過固態(tài)高功率放大器放大到系統(tǒng)需要的額定功率，經(jīng)低損耗電纜送至天線發(fā)射出去。

3） 遙控分系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)三點測距的自動化運行。測距開始時，接收終端機接收主站發(fā)來的遙控指令打開副站發(fā)射機；測距完成之后，接收遙控指令關閉發(fā)射機。另外分系統(tǒng)還包括測距標校模擬源，配合系統(tǒng)完成副站零值的測定。

4） 天線伺服分系統(tǒng)是風云二號三點測距系統(tǒng)設備的重要組成部分，負責測距信號的發(fā)射和接收。

5） 監(jiān)控分系統(tǒng)是以監(jiān)控計算機為中心的計算機應用系統(tǒng)，可以對副站各個分系統(tǒng)的信息進行集中管理。它是實現(xiàn)副站設備自動化運行管理的關鍵部分。副站設備的工作狀態(tài)檢測、故障定位、參數(shù)設置、主備切換、發(fā)射機高功放開關機等均可在監(jiān)控軟件的統(tǒng)一指揮調(diào)度下人工干預或自動完成。

2 設備故障的排查和檢修案例分析

2.1 零值測試故障檢修

信號在設備傳輸過程中被延遲的一段時間折合成電波在自由空間傳播的距離就稱為距離零值。要得到精確的空間距離， 必須扣除設備產(chǎn)生的時延[2]。

“風云二號”衛(wèi)星測距系統(tǒng)采用的設備零指標校方法為傳統(tǒng)的反測法：即讓地面系統(tǒng)去測量一個空間距離已知的目標，從測距輸出的距離數(shù)據(jù)中扣除已知的空間距離及測試用的電纜、天線、變頻器的電長度，即可獲得地面系統(tǒng)自身的距離零值[3]。設備的校零方式分為終端自環(huán)校零和系統(tǒng)校零，原理如圖1 所示。

終端自環(huán)校零的功能是測定終端設備的零值。由測距偽碼調(diào)制器發(fā)出調(diào)制的測距信號進行測距模擬，信號經(jīng)同軸開關送至測距終端，形成中頻環(huán)路，將測試出的中頻零值通過監(jiān)控單元回報給監(jiān)控微機。

系統(tǒng)校零的功能是測定整個測距系統(tǒng)的零值。在進行系統(tǒng)零值測定時需要預先設定一個較小功率，將高功率放大器打開，調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制信號經(jīng)同軸開關到達上變頻器，由功率放大器放大后發(fā)射出去。放大后的測距信號經(jīng)過天線偏饋接收并送至測距終端，整個過程形成的射頻環(huán)路模擬了實際測距場景，由此測出系統(tǒng)零值，并通過監(jiān)控單元回報給監(jiān)控微機[4]。

為了使風云二號氣象衛(wèi)星的測距結(jié)果更加準確，測距副站每隔一段時間就需要對設備零值進行測試。目前正在運行的風云二號系列衛(wèi)星有E星、F星、H 星、G星，分別對這四顆星的A和B兩套設備鏈路進行零值測試，在外部環(huán)境和電纜都完好的前提下，發(fā)現(xiàn)E 星、H星和G星的中頻自檢校零結(jié)果和系統(tǒng)校零結(jié)果都無法正常顯示。

采用逐段檢測分析方法，對中頻設備進行故障排查[5]。首先將系統(tǒng)切換至自檢模式，該模式用于測試中頻內(nèi)部環(huán)路是否存在故障。由遙控自檢源發(fā)出控制信號，經(jīng)中頻跟蹤解調(diào)器解調(diào)后返回譯碼單元形成中頻環(huán)路，模擬主站的遙控信號對指令接收進行測試并通過監(jiān)控單元回報給監(jiān)控微機。A、B兩套設備自檢時需要分別測試中頻零值和系統(tǒng)零值。通過中頻自檢顯示發(fā)現(xiàn)A、B兩套設備的鏈路均不通，判斷遙控終端設備中公共元件可能出現(xiàn)故障，需要對公共元件進行檢測。

打開遙控終端設備進行檢查測試，遙控終端的公共元件有電源、同軸開關和10M時鐘分路器。先對電源模塊進行檢測，遙控終端內(nèi)有三塊電源，一塊為終端A套供電，一塊為終端B套供電，還有一塊給測距標校模擬源及監(jiān)控單元、10MHz時鐘分路器供電[6]。

通過檢測發(fā)現(xiàn)10兆分路器供電不穩(wěn)定，電源燈閃爍，導致信號的傳輸不穩(wěn)定。更換電源后再次進行中頻校零測試，E星、F星可以正常輸出零值。G星在更換電源后仍然無法得到零值。

在電源正常情況下檢查設備鏈接線路，檢查發(fā)現(xiàn)G星終端設備中A、B套鏈路的線纜接反，A套鏈路校零時信號會通過同軸開關自動切換到B套鏈路上，導致中頻校零數(shù)值不能正常測出。將A、B套設備鏈路線纜重新接好后進行零值測試，測試結(jié)果如表1所示：

通過測試結(jié)果顯示A、B兩套鏈路的零值結(jié)果數(shù)值相差不大，與設備理論零值相比誤差在可接受范圍內(nèi)，表明零值測試結(jié)果正常。設備零值測試的故障得到了解決。

2.2 高頻箱故障檢修

風云二號測距系統(tǒng)采用的是三點測距系統(tǒng)，測距副站的信號會通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給主站，主站可以通過信號頻譜儀監(jiān)控其他幾個副站轉(zhuǎn)發(fā)的測距信號強度。如圖3 所示，在接收風云二號F 星的測距信號時，測距主站的頻譜顯示烏魯木齊測距副站風云二號F星的測距信號（最左側(cè)信號）很低，測距信號已經(jīng)幾乎被噪聲淹沒，這會直接影響測到距結(jié)果的準確性。

通過監(jiān)控單元觀察風云二號F星測距時狀態(tài)，監(jiān)控單元顯示系統(tǒng)設備一切正常，可以正常接收主站發(fā)來的遙測信號，因此排除接收系統(tǒng)故障原因，初步判斷信號強度低是測距設備的發(fā)射系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，導致天線發(fā)射的信號較弱。天線的發(fā)射系統(tǒng)設備主要由高頻箱和高功放組成。需要對這兩個組成部分分別進行測試，逐步排查系統(tǒng)故障。

首先測試高功放狀態(tài)，通過監(jiān)控微機手動下發(fā)指令讓A、B兩套高功放開機，測試開機時的實測功率。經(jīng)檢驗A、B兩套功放設備開機的實測功率均能達到額定功率，高功放測試結(jié)果正常，判斷故障可能出現(xiàn)在高頻箱內(nèi)的設備中。

高頻箱內(nèi)主要放置的是上變頻器和場放，上變頻器由中平濾波分路器、上變頻器模塊（含兩個混頻器和一個放大檢波器）、本振LO1、本振LO2 等模塊組成。上變頻器的主要功能是將70.5MHz中頻信號經(jīng)過上變頻器后轉(zhuǎn)換成相應的射頻信號，并把信號電平放大到高功放需要的信號電平[6]。高頻箱內(nèi)部構(gòu)造如圖4所示：

對可能產(chǎn)生故障的設備，利用測試儀器通過適當?shù)男盘栕⑷?，選取合適的測試點，通過測量頻率準確度、輸入輸出電平、信噪比變化等指標來進行故障診斷[7]。為尋找故障點，先用頻譜儀測試A、B鏈路高頻下行信號。為保證數(shù)據(jù)準確性對四套天線設備分別進行了測試作為對照，測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

測試數(shù)據(jù)顯示，4套天線發(fā)射系統(tǒng)設備中3套設備下行鏈路電平正常，電平值均在-48dBm左右，與數(shù)據(jù)庫中首次校準結(jié)果相比誤差在可接受范圍內(nèi)。而F 星的天線發(fā)射系統(tǒng)A套設備下行鏈路異常，電平值達到了-70.3dBm，與B套設備以及其它衛(wèi)星發(fā)射設備數(shù)據(jù)對比相差約30dBm，信號衰減過大。因此確定高頻箱內(nèi)的A套設備鏈路出現(xiàn)故障。打開高頻箱后逐段測試線路連通情況，發(fā)現(xiàn)A套設備鏈路的中頻輸出口線纜松動導致信號幅度下降，重新接好電纜進行測試，并對F星設備高頻箱內(nèi)部A、B套低噪聲放大器和頻率綜合器進行了測試，檢修后的A套設備鏈路信號電平值為-39dBm，B 套設備鏈路信號電平值為-38dBm，數(shù)據(jù)顯示設備性能正常，A套鏈路恢復正常。最后通過與主站溝通測試，對F星的測距信號進行檢測，結(jié)果顯示測距信號強度恢復正常。

3 結(jié)束語

風云二號氣象衛(wèi)星作為中國第一代靜止氣象衛(wèi)星已經(jīng)服役多年，設備設計年代久遠，設備使用率較高，部分設備使用壽命已超出設計壽命，關鍵元器件等存在老化和性能嚴重下降的趨勢，綜上原因?qū)е略O備的可靠性降低、故障率增加、設備運行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。通過對風云二號衛(wèi)星測距系統(tǒng)定期維護檢查，對系統(tǒng)出現(xiàn)的故障逐步測試分析，找到故障原因，解決了系統(tǒng)出現(xiàn)的零值測試故障和發(fā)射系統(tǒng)信號強度低的問題，保障了風云二號靜止氣象衛(wèi)星的穩(wěn)定運行。