關(guān)鍵詞：風(fēng)云二號(hào)；零值測(cè)試；發(fā)射系統(tǒng)；故障檢修

0 引言

風(fēng)云二號(hào)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(yīng)用體系。風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)非汛期每小時(shí)、汛期每半小時(shí)獲取覆蓋地球表面約三分之一的全圓盤圖像，能夠針對(duì)臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，在我國氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)工作中發(fā)揮重要作用[1]。目前在軌投入業(yè)務(wù)的風(fēng)云二號(hào)靜止氣象衛(wèi)星有E星、F 星、G星和H星。

氣象衛(wèi)星觀測(cè)對(duì)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(huì)給天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)造成嚴(yán)重影響。風(fēng)云二號(hào)星地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一年365天、每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。風(fēng)云二號(hào)靜止氣象衛(wèi)星采用三個(gè)測(cè)距站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星的兩行根數(shù)確定衛(wèi)星軌道，測(cè)距系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是獲取氣象衛(wèi)星精確位置保衛(wèi)星云圖精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)。多年的連續(xù)業(yè)務(wù)運(yùn)行伴隨設(shè)備的老化，設(shè)備出現(xiàn)故障的頻率也在不斷增加，因此定期的設(shè)備維護(hù)成為保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施。本文系統(tǒng)地介紹了風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星測(cè)距副站地面應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)的一些故障案例和檢測(cè)維護(hù)方法。

1 測(cè)距系統(tǒng)地面應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備原理

風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星采用三點(diǎn)測(cè)距定軌方式，測(cè)距副站的地面應(yīng)用系統(tǒng)同時(shí)具備接收和轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號(hào)的功能。測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)備分為五個(gè)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(jī)、中頻接收機(jī)、跟蹤接收機(jī)、開關(guān)切換網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)校變頻器等組成。其功能主要有：接收并放大測(cè)距信號(hào)，提供測(cè)距中頻轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)；接收并放大遙測(cè)信號(hào)，提供伺服AGC電壓實(shí)現(xiàn)天線跟蹤。

2） 發(fā)射分系統(tǒng)由上變頻器、高功放、相應(yīng)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)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(hào)經(jīng)上變頻器轉(zhuǎn)換成發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào)，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(shí)現(xiàn)三點(diǎn)測(cè)距的自動(dòng)化運(yùn)行。測(cè)距開始時(shí)，接收終端機(jī)接收主站發(fā)來的遙控指令打開副站發(fā)射機(jī)；測(cè)距完成之后，接收遙控指令關(guān)閉發(fā)射機(jī)。另外分系統(tǒng)還包括測(cè)距標(biāo)校模擬源，配合系統(tǒng)完成副站零值的測(cè)定。

4） 天線伺服分系統(tǒng)是風(fēng)云二號(hào)三點(diǎn)測(cè)距系統(tǒng)設(shè)備的重要組成部分，負(fù)責(zé)測(cè)距信號(hào)的發(fā)射和接收。

5） 監(jiān)控分系統(tǒng)是以監(jiān)控計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，可以對(duì)副站各個(gè)分系統(tǒng)的信息進(jìn)行集中管理。它是實(shí)現(xiàn)副站設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行管理的關(guān)鍵部分。副站設(shè)備的工作狀態(tài)檢測(cè)、故障定位、參數(shù)設(shè)置、主備切換、發(fā)射機(jī)高功放開關(guān)機(jī)等均可在監(jiān)控軟件的統(tǒng)一指揮調(diào)度下人工干預(yù)或自動(dòng)完成。

2 設(shè)備故障的排查和檢修案例分析

2.1 零值測(cè)試故障檢修

信號(hào)在設(shè)備傳輸過程中被延遲的一段時(shí)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(shè)備產(chǎn)生的時(shí)延[2]。

“風(fēng)云二號(hào)”衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)采用的設(shè)備零指標(biāo)校方法為傳統(tǒng)的反測(cè)法：即讓地面系統(tǒng)去測(cè)量一個(gè)空間距離已知的目標(biāo)，從測(cè)距輸出的距離數(shù)據(jù)中扣除已知的空間距離及測(cè)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(shè)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(cè)定終端設(shè)備的零值。由測(cè)距偽碼調(diào)制器發(fā)出調(diào)制的測(cè)距信號(hào)進(jìn)行測(cè)距模擬，信號(hào)經(jīng)同軸開關(guān)送至測(cè)距終端，形成中頻環(huán)路，將測(cè)試出的中頻零值通過監(jiān)控單元回報(bào)給監(jiān)控微機(jī)。

系統(tǒng)校零的功能是測(cè)定整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)的零值。在進(jìn)行系統(tǒng)零值測(cè)定時(shí)需要預(yù)先設(shè)定一個(gè)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(hào)經(jīng)同軸開關(guān)到達(dá)上變頻器，由功率放大器放大后發(fā)射出去。放大后的測(cè)距信號(hào)經(jīng)過天線偏饋接收并送至測(cè)距終端，整個(gè)過程形成的射頻環(huán)路模擬了實(shí)際測(cè)距場(chǎng)景，由此測(cè)出系統(tǒng)零值，并通過監(jiān)控單元回報(bào)給監(jiān)控微機(jī)[4]。

為了使風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星的測(cè)距結(jié)果更加準(zhǔn)確，測(cè)距副站每隔一段時(shí)間就需要對(duì)設(shè)備零值進(jìn)行測(cè)試。目前正在運(yùn)行的風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星有E星、F星、H 星、G星，分別對(duì)這四顆星的A和B兩套設(shè)備鏈路進(jìn)行零值測(cè)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(cè)分析方法，對(duì)中頻設(shè)備進(jìn)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(cè)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(hào)，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(hào)對(duì)指令接收進(jìn)行測(cè)試并通過監(jiān)控單元回報(bào)給監(jiān)控微機(jī)。A、B兩套設(shè)備自檢時(shí)需要分別測(cè)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(shè)備的鏈路均不通，判斷遙控終端設(shè)備中公共元件可能出現(xiàn)故障，需要對(duì)公共元件進(jìn)行檢測(cè)。

打開遙控終端設(shè)備進(jìn)行檢查測(cè)試，遙控終端的公共元件有電源、同軸開關(guān)和10M時(shí)鐘分路器。先對(duì)電源模塊進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)距標(biāo)校模擬源及監(jiān)控單元、10MHz時(shí)鐘分路器供電[6]。

通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)10兆分路器供電不穩(wěn)定，電源燈閃爍，導(dǎo)致信號(hào)的傳輸不穩(wěn)定。更換電源后再次進(jìn)行中頻校零測(cè)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(shè)備鏈接線路，檢查發(fā)現(xiàn)G星終端設(shè)備中A、B套鏈路的線纜接反，A套鏈路校零時(shí)信號(hào)會(huì)通過同軸開關(guān)自動(dòng)切換到B套鏈路上，導(dǎo)致中頻校零數(shù)值不能正常測(cè)出。將A、B套設(shè)備鏈路線纜重新接好后進(jìn)行零值測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示：

通過測(cè)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(shè)備理論零值相比誤差在可接受范圍內(nèi)，表明零值測(cè)試結(jié)果正常。設(shè)備零值測(cè)試的故障得到了解決。

2.2 高頻箱故障檢修

風(fēng)云二號(hào)測(cè)距系統(tǒng)采用的是三點(diǎn)測(cè)距系統(tǒng)，測(cè)距副站的信號(hào)會(huì)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給主站，主站可以通過信號(hào)頻譜儀監(jiān)控其他幾個(gè)副站轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)距信號(hào)強(qiáng)度。如圖3 所示，在接收風(fēng)云二號(hào)F 星的測(cè)距信號(hào)時(shí)，測(cè)距主站的頻譜顯示烏魯木齊測(cè)距副站風(fēng)云二號(hào)F星的測(cè)距信號(hào)（最左側(cè)信號(hào)）很低，測(cè)距信號(hào)已經(jīng)幾乎被噪聲淹沒，這會(huì)直接影響測(cè)到距結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過監(jiān)控單元觀察風(fēng)云二號(hào)F星測(cè)距時(shí)狀態(tài)，監(jiān)控單元顯示系統(tǒng)設(shè)備一切正常，可以正常接收主站發(fā)來的遙測(cè)信號(hào)，因此排除接收系統(tǒng)故障原因，初步判斷信號(hào)強(qiáng)度低是測(cè)距設(shè)備的發(fā)射系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致天線發(fā)射的信號(hào)較弱。天線的發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備主要由高頻箱和高功放組成。需要對(duì)這兩個(gè)組成部分分別進(jìn)行測(cè)試，逐步排查系統(tǒng)故障。

首先測(cè)試高功放狀態(tài)，通過監(jiān)控微機(jī)手動(dòng)下發(fā)指令讓A、B兩套高功放開機(jī)，測(cè)試開機(jī)時(shí)的實(shí)測(cè)功率。經(jīng)檢驗(yàn)A、B兩套功放設(shè)備開機(jī)的實(shí)測(cè)功率均能達(dá)到額定功率，高功放測(cè)試結(jié)果正常，判斷故障可能出現(xiàn)在高頻箱內(nèi)的設(shè)備中。

高頻箱內(nèi)主要放置的是上變頻器和場(chǎng)放，上變頻器由中平濾波分路器、上變頻器模塊（含兩個(gè)混頻器和一個(gè)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(hào)經(jīng)過上變頻器后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的射頻信號(hào)，并把信號(hào)電平放大到高功放需要的信號(hào)電平[6]。高頻箱內(nèi)部構(gòu)造如圖4所示：

對(duì)可能產(chǎn)生故障的設(shè)備，利用測(cè)試儀器通過適當(dāng)?shù)男盘?hào)注入，選取合適的測(cè)試點(diǎn)，通過測(cè)量頻率準(zhǔn)確度、輸入輸出電平、信噪比變化等指標(biāo)來進(jìn)行故障診斷[7]。為尋找故障點(diǎn)，先用頻譜儀測(cè)試A、B鏈路高頻下行信號(hào)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對(duì)四套天線設(shè)備分別進(jìn)行了測(cè)試作為對(duì)照，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，4套天線發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備中3套設(shè)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(zhǔn)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(shè)備下行鏈路異常，電平值達(dá)到了-70.3dBm，與B套設(shè)備以及其它衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)比相差約30dBm，信號(hào)衰減過大。因此確定高頻箱內(nèi)的A套設(shè)備鏈路出現(xiàn)故障。打開高頻箱后逐段測(cè)試線路連通情況，發(fā)現(xiàn)A套設(shè)備鏈路的中頻輸出口線纜松動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)幅度下降，重新接好電纜進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)F星設(shè)備高頻箱內(nèi)部A、B套低噪聲放大器和頻率綜合器進(jìn)行了測(cè)試，檢修后的A套設(shè)備鏈路信號(hào)電平值為-39dBm，B 套設(shè)備鏈路信號(hào)電平值為-38dBm，數(shù)據(jù)顯示設(shè)備性能正常，A套鏈路恢復(fù)正常。最后通過與主站溝通測(cè)試，對(duì)F星的測(cè)距信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示測(cè)距信號(hào)強(qiáng)度恢復(fù)正常。

3 結(jié)束語

風(fēng)云二號(hào)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(shè)備設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)，設(shè)備使用率較高，部分設(shè)備使用壽命已超出設(shè)計(jì)壽命，關(guān)鍵元器件等存在老化和性能嚴(yán)重下降的趨勢(shì)，綜上原因?qū)е略O(shè)備的可靠性降低、故障率增加、設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。通過對(duì)風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)定期維護(hù)檢查，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障逐步測(cè)試分析，找到故障原因，解決了系統(tǒng)出現(xiàn)的零值測(cè)試故障和發(fā)射系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度低的問題，保障了風(fēng)云二號(hào)靜止氣象衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行。