極軌氣象衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理及故障分析處理＊

陳 鵬，吳 麟，潘 鋒

（烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

2011-10-28，一枚聯(lián)合發(fā)射同盟的德爾塔II 型運載火箭從加利福尼亞州的范登堡空軍基地的SLC-2W工位發(fā)射升空，將美國國家海洋和大氣管理局的國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)預(yù)備計劃（NPP）衛(wèi)星以及6顆立方體小型衛(wèi)星送入了預(yù)定軌道[1]。NPP 衛(wèi)星最初是作為NPOESS 項目的探索者而開發(fā)的，在NPOESS項目被放棄后，NPP 反而成為了任務(wù)衛(wèi)星項目。

NPP 衛(wèi)星系統(tǒng)包括5 個傳感器，該星上搭載的可見光紅外成像輻射儀、跨軌掃描紅外探測儀、先進技術(shù)微波探測器等有效載荷，可以很好地用于探測地球環(huán)境和大氣，監(jiān)控火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、干旱、洪水、沙塵暴、颶風、臺風等自然災(zāi)害[1]。另外NPP 還能追蹤大氣中臭氧和氣溶膠的含量以及海洋和陸地表面溫度。

中國負責接收NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的3 個地面站分別是廣州站、佳木斯站和烏魯木齊站。接收、處理和應(yīng)用NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)有助于了解國外先進的氣象衛(wèi)星技術(shù)，對提高自身防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。總之，NPP衛(wèi)星可以從太空中監(jiān)測地球的健康，提供長時間序列數(shù)據(jù)，建立下一代地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，以應(yīng)對長期的氣候轉(zhuǎn)變和短期的天氣變化。

1 NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理

NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)是由天線接收分系統(tǒng)、變頻解調(diào)分系統(tǒng)、任務(wù)管理分系統(tǒng)、校時分系統(tǒng)、進機分包分系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)存儲分系統(tǒng)6 個系統(tǒng)組成[2]。數(shù)據(jù)接收通過X 頻段中頻點為7 812 MHz 的射頻信號下發(fā)，速率是15 MB/s，調(diào)制方式為QPSK，I 路和Q 路的比值為1∶1，信號極化方向為右旋極化，可采用跟蹤天線接收。NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理

1.1 天線接收分系統(tǒng)

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站采用4.2 m 天線對NPP衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行接收，每部4.2 m 天線可同時接收2 路X頻段信號和1 路L 頻段信號，其工作原理為天線低噪聲放大器輸出X 頻段（7.7～8.4 GHz）信號通過X 頻段變頻器變到2.0～2.7 GHz，與L 頻段信號一起經(jīng)過光纖發(fā)送接收設(shè)備進入射頻開關(guān)矩陣[3]。

1.2 變頻解調(diào)分系統(tǒng)

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收采用完全相同且獨立的兩路信道，故變頻解調(diào)分系統(tǒng)是由2臺完全相同的2.0～2.7 GHz/720 MHz 下變頻器跟2 臺低速率SPK 解調(diào)器共同組成。NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收是通過X 頻段中頻點為7 812 MHz 的射頻信號下發(fā)，X 頻段信號經(jīng)過第一次變頻后再通過2.0～2.7 GHz/720 MHz下變頻器變到720 MHz 中頻，經(jīng)過中頻開關(guān)矩陣將信號送至解調(diào)器，經(jīng)過中頻解調(diào)、基帶處理、信道譯碼后解調(diào)出數(shù)據(jù)信息。

1.3 任務(wù)管理分系統(tǒng)

任務(wù)管理分系統(tǒng)由任務(wù)調(diào)度管理公共機以及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視公共機組成。利用任務(wù)調(diào)度管理軟件對國家衛(wèi)星氣象中心下發(fā)的NPP 軌道時間表和根數(shù)進行計算生成NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收計劃，并將計劃下達到要接收NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的天線[2]，除此之外還要將衛(wèi)星中心下發(fā)的NPP 軌道時間表發(fā)送到NPP 進機分包分系統(tǒng)。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視軟件會根據(jù)天線的接收任務(wù)時間表在軌道開始前5 min 將事先設(shè)置好的組配信息下發(fā)到接收NPP 此條軌道的相關(guān)設(shè)備。

1.4 校時分系統(tǒng)

NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)的執(zhí)行必須在統(tǒng)一的時間基礎(chǔ)上進行，所以整個系統(tǒng)的時間同步非常重要。本系統(tǒng)采用GPS 接收機提供整個系統(tǒng)的時間精度。將時間服務(wù)器與整個系統(tǒng)接入到同一個局域網(wǎng)內(nèi)，利用Symmtime 時統(tǒng)軟件實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的校時。

1.5 進機分包分系統(tǒng)

進機分包分系統(tǒng)包括2 臺NPP 進機分包公共機和2 塊USB 接口進機卡。進機分包公共機通過進機卡接收解調(diào)器輸出的NPP 衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)，將接收到數(shù)據(jù)進行實時的格式處理，處理后的數(shù)據(jù)記錄在本地磁盤以及上傳數(shù)據(jù)存儲分系統(tǒng)，最后對接收到的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量判識并記錄在冊。

1.6 網(wǎng)絡(luò)存儲分系統(tǒng)

接收到的NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)需上傳到衛(wèi)星中心和本單位遙感室。NPP 進機分包軟件在數(shù)據(jù)接收過程中將數(shù)據(jù)記錄在本地硬盤，待數(shù)據(jù)接收完成后自動上傳到磁盤陣列。衛(wèi)星中心通過磁盤陣列獲取NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站遙感室通過NPP 進機分包公共機上安裝的FTP 傳輸軟件獲取NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2 故障分析處理

接收系統(tǒng)是全天全自動運行接收系統(tǒng)，整套設(shè)備具有很高的精確度和自動化程度。為確保數(shù)據(jù)接收質(zhì)量和運行成功率，整套接收設(shè)備要定期進行檢修、維護，以減少不必要的故障發(fā)生。在NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中，采用一主一備兩路完整且獨立的接收系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)接收萬無一失[4]。但由于接收任務(wù)的時效性，對于突發(fā)或偶發(fā)的運行故障，若不能在第一時間及時處理，必定會造成原始數(shù)據(jù)的丟失，影響接收成功率。因此值班人員要掌握一定的故障應(yīng)急處理方法，這樣出現(xiàn)故障時才能第一時間作出快速準確的判斷，及時排除故障，確保數(shù)據(jù)接收正常。現(xiàn)將烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時遇到的一些問題總結(jié)歸納如下。

2.1 天線故障

2.1.1 天線跟蹤異常

在NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中，4.2 m 天線偶有信號跟蹤不上，解調(diào)器不鎖定的情況發(fā)生，可通過天線室內(nèi)控制軟件手動微調(diào)天線俯仰或方位直到解調(diào)器鎖定為止。

2.1.2 天線X、Y 功放報警

NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收前或接收過程中4.2 m 天線室內(nèi)天線控制軟件X、Y 功放報警，天線停止跟蹤。此時可點擊“待機”按鈕，再點“程引”，如上述現(xiàn)象依然存在，則重復(fù)上述步驟多次，一般可解決問題，這樣做的目的是讓天線系統(tǒng)復(fù)位后再重新跟蹤。若上述方法不能解決問題，則有可能是下位機死機，需到對應(yīng)天線塔基機房重新啟動下位機[5]。若上述2 種方法依然無法排除故障，則懷疑是天線機械故障，需立即停止天線任務(wù)并通知相關(guān)維護人員。

2.2 變頻解調(diào)故障

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站采用一主一備兩路NPP衛(wèi)星接收系統(tǒng)，所用2 臺變頻器和解調(diào)器完全相同且獨立存在，在數(shù)據(jù)接收過程中2 臺變頻器只接收NPP衛(wèi)星信號，頻率是固定的2 112 GHz，故變頻器目前無任何故障發(fā)生。2 臺解調(diào)器偶有失鎖情況發(fā)生，主要是由天線跟蹤異常所致，目前沒有發(fā)生過解調(diào)器死機的情況。

2.3 任務(wù)管理故障

NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程都是由各控制管理軟件自動執(zhí)行，接收軌道前5 min 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視軟件會按照組配方案配置相關(guān)接收設(shè)備參數(shù)，此時要密切注意天線、變頻器、解調(diào)器、進機分包軟件接收任務(wù)是否正常[6]。NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收開始前發(fā)生過天線沒有接收到此條軌道任務(wù)的情況，此時需手動在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視軟件上給對應(yīng)的單個天線發(fā)送任務(wù)。

2.4 進機分包故障

2.4.1 進機分包軟件閃退

NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中偶有發(fā)生進機分包軟件自動退出的情況，有時是單個1 臺進機分包軟件自動退出，有時是2 臺同時退出。若2 臺同時退出，則會影響此條軌道的接收質(zhì)量。且此類情況每月都有發(fā)生，一般在3 次左右。NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中進機分包軟件自動退出時，需第一時間重啟軟件，數(shù)據(jù)會恢復(fù)正常接收，但是重啟軟件后接收到的數(shù)據(jù)會重新寫盤且數(shù)據(jù)命名格式有誤，這樣就生成了2 條不完整的數(shù)據(jù)，在軟件閃退以及重啟過程中丟失的數(shù)據(jù)也無法找回，最終影響此條軌道的接收質(zhì)量。

烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站現(xiàn)有的NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)是解調(diào)器不對數(shù)據(jù)進行譯碼，進機分包軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行譯碼，這樣接收到的數(shù)據(jù)中正常數(shù)據(jù)快視圖正常，只是偶有軟件閃退現(xiàn)象發(fā)生。為了解決進機分包軟件閃退問題，經(jīng)過反復(fù)實驗最終確定解調(diào)器跟軟件同時譯碼可以解決軟件閃退問題，但是接收到的數(shù)據(jù)只能看到幀數(shù)的變化，沒有快視圖，數(shù)據(jù)可以正常使用。如果解調(diào)器譯碼軟件不譯碼接收到的數(shù)據(jù)有快視圖，但是接收過程中軟件一直重復(fù)讀取時間表，則接收到的數(shù)據(jù)無法正常使用。故本站NPP 進機分包分系統(tǒng)采用主機軟件譯碼，解調(diào)器不譯碼，備機軟件跟解調(diào)器都譯碼的配置，既可以看到快視圖，又可以確保主機軟件在發(fā)生閃退的情況下備機數(shù)據(jù)正常[7]。

2.4.2 自動生成無效數(shù)據(jù)

NPP 進機分包軟件在沒有NPP 軌道任務(wù)的情況下，自動生成下一條NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，且自動上傳到磁盤陣列，此條數(shù)據(jù)大小為2 KB，這種情況只在最近發(fā)生過一次，目前還不知道什么原因引起，有待日后繼續(xù)觀察。

2.5 數(shù)據(jù)回放故障

上文中2.4.1 進機分包軟件閃退中提到NPP 進機分包備機采用軟件跟解調(diào)器同時譯碼的配置，此種搭配不存在軟件閃退問題且數(shù)據(jù)接收是正常的，只是沒有快視圖而已。但在后期的數(shù)據(jù)回放過程中發(fā)現(xiàn)，回放備機數(shù)據(jù)必須在主機數(shù)據(jù)完成磁盤陣列上傳的前提下進行，否則衛(wèi)星中心無法處理備機回放數(shù)據(jù)。例如主機軟件在數(shù)據(jù)快進機時發(fā)生閃退，重啟軟件后生成的數(shù)據(jù)格式錯誤無法自動上傳磁盤陣列，此時若直接回放備機數(shù)據(jù)，衛(wèi)星中心是無法正常處理數(shù)據(jù)的，此類情況極少發(fā)生[8]。如碰到這種現(xiàn)象，可修改主機數(shù)據(jù)格式然后手動上傳磁盤陣列，若主機數(shù)據(jù)丟失嚴重，可回放備機數(shù)據(jù)，此時備機數(shù)據(jù)可以正常處理。大部分情況下都是在接收過程中主機軟件閃退，在閃退之前接收到的數(shù)據(jù)雖然不完整但是數(shù)據(jù)格式正確，可自動上傳磁盤陣列，此時直接回放備機數(shù)據(jù)即可。

3 結(jié)束語

本文重點介紹了烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星接收系統(tǒng)原理，包括天線接收分系統(tǒng)、變頻解調(diào)分系統(tǒng)、任務(wù)管理分系統(tǒng)、校時分系統(tǒng)、進機分包分系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)存儲分系統(tǒng)，并且對每個分系統(tǒng)的工作原理都做了詳細的闡述。同時歸納分析了烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站NPP 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)的故障，并對部分故障的應(yīng)急處理方法進行了詳細說明。亟待解決的問題有2 個：①怎樣實現(xiàn)進機分包軟件在接收數(shù)據(jù)的過程中既有快視圖又不發(fā)生閃退且數(shù)據(jù)接收正常；②在主機沒有上傳數(shù)據(jù)到磁盤陣列的情況下是否可以直接回放備機數(shù)據(jù)。