靜止衛星跟蹤系統技術特點與故障排除

陳 靜，潘 鋒

（烏魯木齊氣象衛星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

收信信道針對天線從空間接收集到的遙測信號進行處理，通過對信號的提取、放大、濾波以及變頻等完成遙測信號的接收。跟蹤分系統根據遙測信號控制伺服系統，驅動天線的方位和俯仰轉動，使天線對準衛星，只有跟蹤分系統正常運轉，地面的應用系統才能有價值的工作。

1 衛星跟蹤常用的技術及特點

靜止衛星的軌道并不是理想的圓形軌道，而是類似橢圓形。軌道半徑不是一成不變，而是時大時小，這種軌道參數的偏差會引起衛星的東西漂移。另外，靜止衛星的軌道傾角也不是理想的0°，而是略有1°的傾角，使得衛星呈現出南北漂移的狀態。由于地球引力的不平均性和赤道隆起等，靜止衛星一天中的姿態會發生變化，導致地面天線在跟蹤過程中，方位和仰角的跟蹤角度也會發生變化，尤其是拋物面比較小的天線[1-3]。

衛星跟蹤技術有軌道預測跟蹤、單脈沖跟蹤、步進跟蹤以及記憶跟蹤等多種跟蹤方式，每種跟蹤方式都有自身的優勢，但也有不足之處。軌道預測跟蹤需要不斷更新模型參數；單脈沖跟蹤結構復雜，成本高；步進跟蹤的缺點是當跟蹤信號受到干擾或是遙測信號不穩定，天線出現長時間運轉，會導致天線磨損并且容易跟丟信號；程序跟蹤需要精確的軌道數據，否則，出現跟蹤失誤的概率較高；記憶跟蹤只能在短時間內保持跟蹤精度，記憶數據需要不斷刷新。組合跟蹤包含了多個跟蹤方式，多種跟蹤方式組合應用，可以避免局部設備出現問題時全部系統停止工作的情況。因此從跟蹤可靠性和實用性出發，組合跟蹤更貼合實際應用。

2 跟蹤原理

實際工作中，跟蹤分系統的工作同時還受到監控軟件的控制。監控軟件利用天線的跟蹤特性，設計了定時跟蹤、記憶跟蹤和綜合跟蹤，跟蹤方式可以根據實際需要自行選擇。定時跟蹤時，天線按照預先設置的時間，啟動自動跟蹤。記憶跟蹤時，系統對天線24 h 的跟蹤數據進行存儲，每次自動跟蹤開始時，天線會先旋轉到數據庫中相同時次的位置，然后啟動自動跟蹤。綜合跟蹤是時間跟蹤和記憶跟蹤的組合，實際工作中使用較多，綜合跟蹤有助于跟蹤電壓長期保持在一個穩定的范圍內[4]。

靜止衛星天線跟蹤工作過程可以分為初始化、粗略瞄準、最大值跟蹤以及穩定跟蹤4 個環節。系統加電以后進入初始化狀態，通過全球定位系統（Global Positioning System，GPS）獲取天線地理位置信息，如天線所在的經緯度和高度等信息或從測繪數據中獲取的地理位置信息。經過計算，可以得到粗略的天線方位和俯仰數據。天線控制單元（Antenna Control Unit，ACU）驅動方位電機、俯仰電機將天線轉動到計算所得的方位角和俯仰角，完成粗略瞄準。利用跟蹤接收機反饋回來的信號強度，通過步進跟蹤等跟蹤技術促使天線找到衛星遙測信號的最大值。由于靜止衛星存在軌道漂移的情況，衛星發射的遙測信號最大值方向也會隨著漂移發生變化，地面接收系統的天線主瓣所對應的方位、俯仰值也會隨著衛星對地球輻射角度的變化而發生變化。因此，天線的控制系統會設置一個跟蹤門限。當天線指向偏離衛星遙測信號，跟蹤電壓不斷減小，當達到跟蹤門限值時，伺服控制系統啟動天線轉動，重新尋找最大值，以保持穩定跟蹤[5,6]。

跟蹤原理如圖1 所示。天線接收到衛星發射遙測信號后，首先要進行降噪處理，濾除干擾，得到一個相對純凈的信號。但該信號的電平值很小，必須經過放大處理，然后進入下變頻器，經過變頻處理后變成70 MHz 的中頻信號進入跟蹤分系統。跟蹤分系統將該信號轉換成電壓信號，電壓信號被傳給天線控制單元，天線控制單元根據收到的電壓信號判斷是否需要啟動天線實現對遙測信號的自動跟蹤。

圖1 跟蹤原理

3 故障現象及分析與解決

3.1 故障現象（跟蹤電壓值低于正常工作參數）

設備正常時與設備異常時跟蹤電壓的具體數據如表1 所示。

表1 設備正常時與設備異常時跟蹤電壓對比

從表1 數據可以看出，天線設備跟蹤時，跟蹤電壓通常在4.5 V 附近波動，當設備出現故障時，跟蹤電壓數值下降，甚至出現了跟蹤電壓為0 的情況。

3.2 故障分析

步進跟蹤的特點是伺服控制系統控制天線，沿方位軸方向順時針或逆時針轉動，或沿俯仰軸向上轉動或向下轉動，天線每轉動一定距離，跟蹤信號的電平值就會增加或減小。計算機對信號電平的增減進行判別，當接收電平呈現增加趨勢，天線在原方向繼續轉動，否則反方向轉動，方位軸和仰角軸的轉動交替進行。從天線跟蹤程序的設計角度分析，天線啟動步進跟蹤的前提條件是天線跟蹤電壓自動增益（Auto Gain Control，AGC）的實際數值高于天線設定的門限值，若實際AGC 值達不到啟動天線跟蹤的門限值，天線跟蹤停止。文章所涉及的設備，在實際工作中的跟蹤門限設計值是2.5 V。當天線跟蹤電壓低于2.5 V時，天線停止跟蹤。這種設計可以防止天線過度偏離遙測信號，同時也有助于跟蹤失敗被發現后，天線跟蹤能在較短的時間內得到恢復。從表1 提供的數據可以看出，故障發生時，跟蹤電壓降低至門限值2.5 V時，仍呈現持續降低的狀態，天線仍然繼續轉動，并未停止，這種現象并不符合天線跟蹤程序的設計思想，程序沒有發揮作用，失去了控制天線運行的能力。文章的天線控制程序是監控程序的分支之一，重啟監控程序后，通過監控程序對天線的基本功能進行測試，發現天線的基本功能都能通過天線遙控完成，說明天線跟蹤失敗與程序控制無關[7-9]。

從伺服控制系統的角度分析，遙測信號經過多次變頻，最終由跟蹤接收機處理轉換成電壓信號，該電壓信號為跟蹤衛星提供依據。文章發生故障的天線跟蹤方式為步進跟蹤，天線搜索遙測信號時，跟蹤系統會記錄各個方向上的電壓值。電壓值越大，說明天線跟蹤的準確程度越好。通過對跟蹤得到的電壓數值大小的判定，最終找到與遙測信號方向最相符的電平值。表1 數據顯示，當設備正常工作時，跟蹤電壓以4.5 V 為中心，波動幅度沒有超過0.3 V。當天線跟蹤系統故發生障時，跟蹤電壓的變化可以看出跟蹤電壓出現逐漸變小的趨勢，說明天線沒有對準遙測信號，跟蹤電壓越小，天線的跟蹤精度越來越差，追蹤遙測信號的能力越來越弱，最終完全丟失遙測信號。當遙測信號越來越弱時，天線為了追蹤信號，不停地在多個方向上轉動，這種轉動持續時間較長，可以減少天線的機械部分的使用壽命。

伺服控制跟蹤失敗，可能是天線運行的機械部分發生故障，也可能是地面系統附近存在與遙測信號頻率相近的信號，或是基帶提供的跟蹤電平值變化較大導致伺服控制系統出現誤判。對天線進行“正轉”和“逆轉”等操作，天線轉動正常，監控也沒有任何告警提示，天線的方位和仰角等數據也可以正常采集和顯示。經過檢查，天線伺服系統可以正常工作，因此天線跟蹤失敗和伺服控制的機械部分沒有關系。將一個全向天線與頻譜儀聯接，設置好起始頻率和結束頻率，將遙測信號頻率包含在起止頻率內，檢查在起止頻率范圍內，有沒有與遙測信號頻率接近的高電平信號。在地面應用系統附近不存在與遙測信號相似的噪聲信號，因此噪聲干擾導致伺服系統跟蹤失敗的情況也被排除。

從天線和跟蹤分系統連接關系的角度分析，如圖2 所示，天線跟蹤功能的實現與跟蹤分系統、天饋系統、高頻分系統、功分器以及伺服控制系統有關。由于地面應用系統包含室內設備和室外設備2個部分，跟蹤分系統是室內單元的主要設備，可能會發生不能鎖定信號的問題，另外一個原因可能是功分器輸出的信號太弱，導致跟蹤分系統無法處理或是端口連接點接觸不良等。對跟蹤環路和外圍電路所有輸入輸出轉接點進行檢查，沒有發現接觸不良的情況。

圖2 天線跟蹤分系統連接

由圖2 可知，跟蹤分系統分為A 套和B 套，通常當設備正常工作時，遙測信號到達跟蹤環路輸入端時的強度大致為78 dBm。經過跟蹤環路，在跟蹤環路的輸出端，遙測信號的強度大致為48 dBm，也就是說跟蹤環路的增益是30 dBm。對A套和B 套的跟蹤分系統進行了獨立測試，結果發現2 套跟蹤分系統的增益均能達到30 dBm，說明2 套跟蹤分系統未出現故障。分析設備日常檢測記錄，在天線正常工作的情況下，A 套跟蹤系統輸出電平值為-46.29 dBm，B 套跟蹤系統輸出電平值為47.16 dBm。天線出現故障后，A 套設備的跟蹤信號的電平值約為-61.75 dBm，B 套設備的跟蹤信號的電平值約為-62.83 dBm，增益均下降了約15 dBm。跟蹤分系統自身無故障，但跟蹤電壓卻降低了，可以推斷是跟蹤分系統的前端設備出現了故障。在前面，已經排除了天饋發生故障的可能，因此可以推斷高頻分系統也可能是故障發生的一個環節。

針對高頻分系統進行分析。由圖2 可知，高頻分系統輸出的信號經過開關和分路器，由跟蹤分系統接收。將A 套高頻分系統設置為在線設備，A 套和B套跟蹤分系統輸出的跟蹤電壓同時變小，監控設備告警。若將B 套高頻分系統設置為在線設備，A 套和B套跟蹤分系統的跟蹤電壓正常，天線跟蹤也正常。當接收通道鏈路中的設備組合發生變化時，跟蹤電壓從不正常變成了正常。由此可見，天線跟蹤失敗的原因與跟蹤分系統無關。天線跟蹤失敗的原因是A 套高頻分系統出現故障引起。跟蹤分系統接收高頻分系統輸出的信號，當高頻分系統輸出的信號減弱或無輸出，跟蹤分系統將不能正常工作，當然也就不能輸出正常的工作電壓，導致天線跟蹤失敗。在通信鏈路中，前端設備信號輸出的信號，必須滿足后端設備信號處理的要求，否則，后端設備將無法正常工作。

3.3 解決故障辦法

對A 套高頻分系統進行檢查，發現在A 套高頻分系統中，有一個檢波模塊失真嚴重、性能下降，更換新的檢波模塊，天線跟蹤電壓恢復正常，天線跟蹤失敗的故障得以解決。

4 結 論

當通信信道發生故障時，設備維護人員應該從信號在信道中傳送的特點出發，尋找故障點，依照信號傳送的先后順序對相關設備逐個進行檢查，同時在檢查設備時，需要充分考慮每個環節設備的電氣特性和參數要求，提高故障的檢修效率。