FY-2號靜止衛星測距地面應用系統設備故障排查與維護案例分析

關鍵詞：風云二號；零值測試；發射系統；故障檢修

0 引言

風云二號氣象衛星（FY-2）是中國自行研制的第一代地球同步軌道氣象衛星，它與極地軌道氣象衛星相輔相成，構成了中國氣象衛星應用體系。風云二號系列衛星可以實現非汛期每小時、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，在我國氣象災害監測預警、防災減災工作中發揮重要作用[1]。目前在軌投入業務的風云二號靜止氣象衛星有E星、F 星、G星和H星。

氣象衛星觀測對氣象數據的連續性要求較高，衛星一旦停止工作，就會給天氣預報、災害監測造成嚴重影響。風云二號星地系統實現了一年365天、每天24小時連續運行。風云二號靜止氣象衛星采用三個測距站的實測數據和衛星的兩行根數確定衛星軌道，測距系統的穩定運行是獲取氣象衛星精確位置保衛星云圖精準度的基礎。多年的連續業務運行伴隨設備的老化，設備出現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務穩定運行的必要措施。本文系統地介紹了風云二號氣象衛星測距副站地面應用系統設備出現的一些故障案例和檢測維護方法。

1 測距系統地面應用系統設備原理

風云二號氣象衛星采用三點測距定軌方式，測距副站的地面應用系統同時具備接收和轉發衛星信號的功能。測距系統的設備分為五個部分：接收分系統、發射分系統、遙控分系統、天線伺服分系統、監控分系統。

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

2） 發射分系統由上變頻器、高功放、相應的開關網絡和監控單元組成。其主要功能是將指令終端送來的70.5MHz中頻信號經上變頻器轉換成發射機的射頻信號，再經過固態高功率放大器放大到系統需要的額定功率，經低損耗電纜送至天線發射出去。

3） 遙控分系統的目的是實現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來的遙控指令打開副站發射機；測距完成之后，接收遙控指令關閉發射機。另外分系統還包括測距標校模擬源，配合系統完成副站零值的測定。

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

5） 監控分系統是以監控計算機為中心的計算機應用系統，可以對副站各個分系統的信息進行集中管理。它是實現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檢測、故障定位、參數設置、主備切換、發射機高功放開關機等均可在監控軟件的統一指揮調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， 必須扣除設備產生的時延[2]。

“風云二號”衛星測距系統采用的設備零指標校方法為傳統的反測法：即讓地面系統去測量一個空間距離已知的目標，從測距輸出的距離數據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，即可獲得地面系統自身的距離零值[3]。設備的校零方式分為終端自環校零和系統校零，原理如圖1 所示。

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

系統校零的功能是測定整個測距系統的零值。在進行系統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，調制器產生的調制信號經同軸開關到達上變頻器，由功率放大器放大后發射出去。放大后的測距信號經過天線偏饋接收并送至測距終端，整個過程形成的射頻環路模擬了實際測距場景，由此測出系統零值，并通過監控單元回報給監控微機[4]。

為了使風云二號氣象衛星的測距結果更加準確，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，在外部環境和電纜都完好的前提下，發現E 星、H星和G星的中頻自檢校零結果和系統校零結果都無法正常顯示。

采用逐段檢測分析方法，對中頻設備進行故障排查[5]。首先將系統切換至自檢模式，該模式用于測試中頻內部環路是否存在故障。由遙控自檢源發出控制信號，經中頻跟蹤解調器解調后返回譯碼單元形成中頻環路，模擬主站的遙控信號對指令接收進行測試并通過監控單元回報給監控微機。A、B兩套設備自檢時需要分別測試中頻零值和系統零值。通過中頻自檢顯示發現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控單元、10MHz時鐘分路器供電[6]。

通過檢測發現10兆分路器供電不穩定，電源燈閃爍，導致信號的傳輸不穩定。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，檢查發現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，測試結果如表1所示：

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

2.2 高頻箱故障檢修

風云二號測距系統采用的是三點測距系統，測距副站的信號會通過衛星轉發給主站，主站可以通過信號頻譜儀監控其他幾個副站轉發的測距信號強度。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（最左側信號）很低，測距信號已經幾乎被噪聲淹沒，這會直接影響測到距結果的準確性。

通過監控單元觀察風云二號F星測距時狀態，監控單元顯示系統設備一切正常，可以正常接收主站發來的遙測信號，因此排除接收系統故障原因，初步判斷信號強度低是測距設備的發射系統出現了故障，導致天線發射的信號較弱。天線的發射系統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，逐步排查系統故障。

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

高頻箱內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中頻信號經過上變頻器后轉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]。高頻箱內部構造如圖4所示：

對可能產生故障的設備，利用測試儀器通過適當的信號注入，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。為保證數據準確性對四套天線設備分別進行了測試作為對照，測試結果數據如表2所示。

測試數據顯示，4套天線發射系統設備中3套設備下行鏈路電平正常，電平值均在-48dBm左右，與數據庫中首次校準結果相比誤差在可接受范圍內。而F 星的天線發射系統A套設備下行鏈路異常，電平值達到了-70.3dBm，與B套設備以及其它衛星發射設備數據對比相差約30dBm，信號衰減過大。因此確定高頻箱內的A套設備鏈路出現故障。打開高頻箱后逐段測試線路連通情況，發現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，數據顯示設備性能正常，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，結果顯示測距信號強度恢復正常。

3 結束語

風云二號氣象衛星作為中國第一代靜止氣象衛星已經服役多年，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，綜上原因導致設備的可靠性降低、故障率增加、設備運行不穩定等現象。通過對風云二號衛星測距系統定期維護檢查，對系統出現的故障逐步測試分析，找到故障原因，解決了系統出現的零值測試故障和發射系統信號強度低的問題，保障了風云二號靜止氣象衛星的穩定運行。