風云四號系列衛星測定軌系統及自動運行設計

李 歡

(西安科技大學高新學院 信息與科技工程學院，陜西 西安 710109)

0 引言

氣象衛星在氣象、減災、海洋、林業、農業、民航和交通運輸方面具有十分重要的地位。按所在軌道可分成2類：太陽同步軌道氣象衛星(也稱“極軌道氣象衛星”)和地球靜止軌道氣象衛星。其中靜止軌道氣象衛星可對覆蓋地球近1/3的地區進行觀測，實時將觀測數據發回地面。其軌道測量、確定和預報精度不僅用于衛星自身軌道保持和姿態控制，更重要的是影響遙感圖像的精確定位處理結果[1]。

當前，對于單顆靜止氣象衛星均建設有專用的測距和定軌系統為其提供時、空上的獨占式服務。當出現東西分布而且跨度大的多顆衛星時，如果還采用傳統獨占服務模式，將造成巨大的地面資源冗余和浪費。針對該問題，本文通過分析測站布局、觀測方案和定軌精度等影響，提出增建一套測距定軌系統的必要性，并通過設計智能、自動化運行方案，保證2套測距定軌系統對多顆衛星進行測距、定軌作業的高效、可靠運行[2]。

1 風云四號地面系統及系列衛星測定軌能力分析

風云四號A星是新一代靜止氣象衛星的首發星[3]，測距和軌道確定系統由衛星轉發器、北京(含測距作業控制和軌道確定軟件)或廣州主站、烏魯木齊、佳木斯和騰沖(每站一套測距設備)3個測距副站組成，如圖1所示。

圖1 風云四號A星測距系統Fig.1 FY-4 A satellite ranging system

測距系統的工作原理是：主站和副站同時向衛星發送測距信號(碼分多址)，通過衛星轉發回地面，測量信號上、下傳輸時間，然后乘以光速即可得到地面到衛星的距離。測距采用L和S頻段(均為國際電聯劃分)，這些頻段的無線電波受電離層的折射影響較大，為了像GPS和北斗衛星導航系統那樣消除電離層折射誤差，風云四號測距下行采用了L和S雙頻。通過雙頻段測量地面已知5個地面站到衛星的距離，列出的測量方程為[4]：

i=1,2,3,4,5，

(1)

式中，x，y，z為衛星的位置信息；xi，yi，zi為地面站的位置信息；Ri,S為地面站i—衛星—地面i下行頻率為fS(S波段)的偽距觀測值；Ri,L為地面站i—衛星—地面i下行頻率為fL(L波段)的偽距觀測值；Ri,0為地面站i到衛星真實距離值；TECi為測站電離層電子濃度總含量；RS,sat，RL,sat為S波段和L波段的衛星轉發時延；Ri,S,zero，Ri,L,zero為測站i的設備零值。

通過式(1)，可以求解出電離層造成的時延(5個未知數TECi，i=1,2,3,4,5)、衛星轉發器時延(2個未知數RS,sat，RL,sat)以及衛星的坐標(3個未知數x，y，z)[5]。

多個測距站的布局主要是為了提高定軌精度和速度，同時也可以相互備份提高系統的可靠性。風云四號A星主要承擔科研試驗任務，地面測距設備均是單套配置。

1.1 測站布局對風云四號系列衛星覆蓋能力分析

按照風云四號衛星發展計劃，不僅要發射光學衛星，還要發射微波探測衛星。根據氣象觀測的需求，將采用東西雙星布局，為了保證觀測業務的連續、穩定，采用衛星在軌備份方式。為此，我國向國際電信聯盟申報了7個靜止軌道位置：79.0°E，86.5°E，99.5°E，105.0°E，112.0°E，123.5°E和133.0°E，形成靜止軌道衛星組網的工作狀態，以提供更好的服務[6]。

測站至衛星的方位角如圖2所示。

圖2 測站至衛星的方位角Fig.2 Azimuth from station to satellite

論證現有測站布局對風云四號系列衛星的覆蓋能力，需要以風云四號A星已經建成的測站為基礎，計算每個測站天線對每顆風云四號衛星的方位角與俯仰角，計算方法如下[7]。

已知條件：測站的緯度ФG和經度λG；衛星定點軌道星下點的緯度ФS和經度λS；衛星高度h。

求測站指向衛星的方位角A(從正北算起)[8]。從圖2中的球面三角形NGS，可得：

(2)

cosL′=sin ФGsin ФS+cos ФGcos ФScos Δλ。

如果畫出一個以測站為中心的水平日晷投影地圖，則可以從圖上直接得出觀測衛星的方位角。在這種地圖上，測站作用范圍是圓，衛星通過測站上空的星下點軌跡是直線。從測站(中心)畫直線到軌跡上的一點，它與正北之間的角度便是方位角[9]。

測站至衛星的俯仰角如圖3所示。

圖3 測站至衛星的俯仰角Fig.3 Elevation from station to satellite

求測站指向衛星的仰角E[3]：

(3)

式中，β=L′。依據rs+h各測站天線觀測風云四號系列衛星的方位、俯仰角結果，如表1所示。

表1 各測站天線觀測風云四號衛星的方位(A)、俯仰角(E)Tab.1 Azimuth (A) and elevation (E) of satellite observed by antenna of each station

從表1可以看出，以當前的測站布局，各測站的天線對于上述7個靜止軌道的衛星均是可見的，現有測站布局能夠對風云四號系列全部衛星實現測距定軌功能。

1.2 測站布局對風云四號系列衛星定軌精度分析

根據跟蹤衛星和無線電信號轉發，當前的測站可以支持7個軌道位置衛星測距。但是這對于基于測站布局的幾何法定軌，尚存在不足。5個測站分別對東、西衛星測距的關系如圖4所示。

圖4 地基多站多星測距系統Fig.4 Ground-based multi-station multi-satellite ranging system

需要分析現有測站布局對風云四號系列衛星定軌精度的影響，判斷現有測站布局是否滿足風云四號系列衛星定軌精度需求[10]。

測站幾何分布對定軌精度的影響通常用幾何精度因子(Position Dilution Precision，PDOP)來體現，這是衡量多站測距定軌精度的一個系數，是測量誤差造成的測站至衛星距離矢量的放大因子。地面測站分布與衛星所形成的空間體積與PDOP成反比，測站在星下點周圍分布越開闊，越均勻，PDOP越小，對定軌精度的影響就越小[2]。下面給出PDOP的計算方法[11]：

權系數陣QX：

QX=[ATA]-1，

式中，A為誤差方程的系數矩陣。

QX也可以表示為：

位置精度衰減因子PDOP可由下式計算：

按照衛星軌道位置為79°E，105°E和133°E，計算5個站布局的PDOP值[12]，并仿真與其相應的條件下的定軌精度，仿真過程如下：

① 由衛星狀態量和嚴格力模型外推，模擬一條真實軌道，并根據觀測方程模擬含有隨機噪聲和系統噪聲的觀測數據文件。

② 采用批處理(加權最小二乘)方法解算初始時刻的軌道改進量。

③ 在每個歷元點，解算出的軌道與模擬的真實軌道作差，并通過下式求解定軌精度：

式中，σ為定軌精度；N為歷元個數；Δi為解算軌道與真實軌道之差。

④ 為了保證實驗結果的可信度，采用蒙特卡羅統計模擬方法仿真100次加入隨機誤差的觀測數據，重復步驟①～③，取100次結果的統計平均作為該組實驗的軌道精度。仿真結果如表2所示。

表2 測站組合定軌精度仿真結果Tab.2 Simulation results of combined orbit determination precision of stations

由表2可以看出，利用現有布局的測距站，對于規劃中不同位置的衛星所構成的PDOP差異并不大，定軌精度差異也不大，可滿足要求。

1.3 現有測站對風云四號系列衛星的可用性分析

測距是衛星軌道確定及預報的基礎[13]。目前，一顆衛星一天之中有等時間間隔的8次測距即可較高精度地確定軌道參數。但是需要在衛星執行飛輪卸載后及時進行測距和定軌，然后盡快安排第2次測距，以提高定軌精度。如果按在軌7顆衛星計算，每顆衛星每天測距10次(8次常規+1次卸載+1次加密)計，共需要70次測距作業。

根據以上分析，若在7顆衛星共用一套地面測定軌系統的情況下，相當于每20 min天線要從指向一顆衛星運轉到指向另一顆衛星，由于衛星東、西布局跨度較大，測距設備天線需要不斷地往返運動。天線工作在室外，受環境影響大，是測定軌系統中故障率最高的部分，而且不同于室內電子部件，維修不便和時間較長[14]。

因此，按照多顆衛星測定軌可靠性要求，每站配置2套測距設備是必要的，可以互為備份，統一調度以提高系統的可用性。在配備2套測距設備的情況下，每個站需要配置站控實現對2套設備的監控和調度。站控與2套測距設備之間是互聯互通的，避免一套設備故障導致信息無法傳送。

2 雙地面測定軌系統自動運行方案設計

為了實現雙地面測距定軌系統對風云四號系列衛星全覆蓋自動作業，同時達到無人值守的要求，本系統的自動化運行方案采用任務管理與控制中心(MCS)、主站站控(MRS)、副站站控(SRS)和設備監控這4級監控方式，雙地面測距定軌系統在任務管理與控制中心的指揮和調度下運行[5]。MCS每天根據衛星的運行情況自動生成測定軌系統的任務時間表，主站接收并解析后通過衛星分發給各個副站，每個副站按照時間表自行運行，副站測距過程中將本副站設備的狀態及測距結果通過衛星轉發的方式實時發回主站。主站利用各站數據進行軌道確定及預報，然后將軌道數據、設備狀態上報MCS，需要使用軌道數據的系統從MCS自行提取[15]。

系統總體的工作流程如圖5所示。

圖5 系統工作流程Fig.5 System flow chart

2.1 控制中心對主站的控制方案設計

地面測定軌系統作為靜止氣象衛星地面應用系統的一部分，在控制中心的指揮和調度下運行。控制中心在每天固定的時間向地面測定軌系統主站站控下達當天的作業任務，控制中心也可以根據需求添加臨時任務或取消某一時間的任務。作業任務的參數包括衛星代號及軌道位置、每次任務的開始時間和結束時間等。設定7個軌道位置均有衛星，即滿負荷工作，每日作業任務如表3所示。

表3 控制中心每日下達給測定軌系統的作業任務表Tab.3 Daily task list issued by control center to orbit determination system

2.2 主站與副站之間的信息傳輸方案設計

主站將接收到的作業任務調制在上行測距信號中，在測距時通過衛星向副站發送作業任務；副站在測距的同時解調衛星轉發的主站信號，獲得主站下發的作業任務表[16]。

每個副站將該站對衛星測距的距離值、距離值時刻、設備工作狀態等信息按照一定的格式裝載在上行信號的基帶數據中，經過衛星轉發給主站。主站在進行衛星測距的同時，解調衛星轉發的4個副站的信號獲得每個副站的測距值和狀態信息；基于衛星轉發的主站與副站之間的信息傳輸方案,如圖6所示。

圖6 測距主站與測距副站之間的信息傳輸方案Fig.6 Scheme of information transmission between master and auxiliary ranging stations

2.3 站控對測距設備的控制設計

每個測站均配置2套測距設備，每個站都設有一個站控，MRS除了接收MCS下達的測定軌任務、對副站運行進行監控外，還要對主站的2套設備進行作業調度和監控；SRS監控2套設備的運行，根據任務和設備的狀態對2套設備的運行進行作業調度。每個站的2套設備同時接收任務時間表，以便一套設備工作出現故障時及時切換到另一套設備工作，由站控控制哪套設備執行任務。測距設備與站控之間的關系如圖7所示。

圖7 測距設備與站控之間的關系Fig.7 Relationship between ranging equipment and station control

2.4 地面測定軌系統的測距作業流程設計

2.4.1 主站測距作業流程

主站接收MCS的任務時間表，解析后通過衛星分發給各個副站。在進行作業前，站控決策調度設備1工作還是設備2工作。2套設備同時收到任務時間表，這樣在一套設備故障時，另一套設備及時根據任務時間表接續工作。再判斷各個副站是否均有信號，若其中有副站沒有信號需要判斷當前測距組合是否有效，如異常，系統將報警提示。在進行測距作業的過程中，如果采集到的數據出現異常，也會及時報警[8]。主站測距作業流程如圖8所示。

圖8 主站設備作業流程Fig.8 Operation flow chart of master station equipmen

2.4.2 副站作業流程

副站站控選定一套設備工作，從任務表中讀取下一次作業的衛星位置，計算天線將要指向的目標方位角和俯仰角；讀取當前天線指向的方位角和俯仰角，根據天線方位運動速度計算從當前方位角到目標方位角所需時間，同樣計算俯仰運動所需時間，取它們中的最長時間；讀取下一次作業對應的起始時間，設定各站測距天線在下一次測距作業開始前2 min到達指定衛星所對應的位置，與系統時間比對，判斷天線轉動時間是否到；如時間到，控制天線轉動到達目標位置，并打開發射機；讀取結束時間，與系統時間比對，判斷是否結束；結束時間到，完成本次測距。副站作業流程如圖9所示。

圖9 副站設備作業流程Fig.9 Operation flow chart of auxiliary station equipment

3 結束語

針對未來分布跨度大(79°E～133°E)的7顆新一代靜止氣象衛星需要進行測距定軌作業的需求，利用現有的地面測站布局，通過計算衛星測距的幾何因子，仿真分析現有測距定軌系統對7顆衛星定軌精度，得出現有測站布局滿足未來7顆氣象衛星的定軌精度需求的結論；通過對單套測距定軌系統運行能力、高精度定軌對測距數據量需求的分析，論證了每個測站增加一套測距設備的必要性，2套測距定軌系統能夠很好地解決多星測距作業任務需求，并對衛星的測距任務的生成、下達和執行架構進行了設計，詳細設計了任務管理與控制中心和主站、測距主站和副站之間的信息傳輸方案，對測距測定軌系統主站及副站工作流程進行了詳細設計，提出了全系統自動監控、故障分級的設計思路，保障雙地面測距定軌系統高效、可靠運行，以期為新一代氣象衛星觀測系統的發展提供有益的借鑒和參考。