静止卫星跟踪系统技术特点与故障排除

陈 静，潘 锋

（乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引 言

收信信道针对天线从空间接收集到的遥测信号进行处理，通过对信号的提取、放大、滤波以及变频等完成遥测信号的接收。跟踪分系统根据遥测信号控制伺服系统，驱动天线的方位和俯仰转动，使天线对准卫星，只有跟踪分系统正常运转，地面的应用系统才能有价值的工作。

1 卫星跟踪常用的技术及特点

静止卫星的轨道并不是理想的圆形轨道，而是类似椭圆形。轨道半径不是一成不变，而是时大时小，这种轨道参数的偏差会引起卫星的东西漂移。另外，静止卫星的轨道倾角也不是理想的0°，而是略有1°的倾角，使得卫星呈现出南北漂移的状态。由于地球引力的不平均性和赤道隆起等，静止卫星一天中的姿态会发生变化，导致地面天线在跟踪过程中，方位和仰角的跟踪角度也会发生变化，尤其是抛物面比较小的天线[1-3]。

卫星跟踪技术有轨道预测跟踪、单脉冲跟踪、步进跟踪以及记忆跟踪等多种跟踪方式，每种跟踪方式都有自身的优势，但也有不足之处。轨道预测跟踪需要不断更新模型参数；单脉冲跟踪结构复杂，成本高；步进跟踪的缺点是当跟踪信号受到干扰或是遥测信号不稳定，天线出现长时间运转，会导致天线磨损并且容易跟丢信号；程序跟踪需要精确的轨道数据，否则，出现跟踪失误的概率较高；记忆跟踪只能在短时间内保持跟踪精度，记忆数据需要不断刷新。组合跟踪包含了多个跟踪方式，多种跟踪方式组合应用，可以避免局部设备出现问题时全部系统停止工作的情况。因此从跟踪可靠性和实用性出发，组合跟踪更贴合实际应用。

2 跟踪原理

实际工作中，跟踪分系统的工作同时还受到监控软件的控制。监控软件利用天线的跟踪特性，设计了定时跟踪、记忆跟踪和综合跟踪，跟踪方式可以根据实际需要自行选择。定时跟踪时，天线按照预先设置的时间，启动自动跟踪。记忆跟踪时，系统对天线24 h 的跟踪数据进行存储，每次自动跟踪开始时，天线会先旋转到数据库中相同时次的位置，然后启动自动跟踪。综合跟踪是时间跟踪和记忆跟踪的组合，实际工作中使用较多，综合跟踪有助于跟踪电压长期保持在一个稳定的范围内[4]。

静止卫星天线跟踪工作过程可以分为初始化、粗略瞄准、最大值跟踪以及稳定跟踪4 个环节。系统加电以后进入初始化状态，通过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）获取天线地理位置信息，如天线所在的经纬度和高度等信息或从测绘数据中获取的地理位置信息。经过计算，可以得到粗略的天线方位和俯仰数据。天线控制单元（Antenna Control Unit，ACU）驱动方位电机、俯仰电机将天线转动到计算所得的方位角和俯仰角，完成粗略瞄准。利用跟踪接收机反馈回来的信号强度，通过步进跟踪等跟踪技术促使天线找到卫星遥测信号的最大值。由于静止卫星存在轨道漂移的情况，卫星发射的遥测信号最大值方向也会随着漂移发生变化，地面接收系统的天线主瓣所对应的方位、俯仰值也会随着卫星对地球辐射角度的变化而发生变化。因此，天线的控制系统会设置一个跟踪门限。当天线指向偏离卫星遥测信号，跟踪电压不断减小，当达到跟踪门限值时，伺服控制系统启动天线转动，重新寻找最大值，以保持稳定跟踪[5,6]。

跟踪原理如图1 所示。天线接收到卫星发射遥测信号后，首先要进行降噪处理，滤除干扰，得到一个相对纯净的信号。但该信号的电平值很小，必须经过放大处理，然后进入下变频器，经过变频处理后变成70 MHz 的中频信号进入跟踪分系统。跟踪分系统将该信号转换成电压信号，电压信号被传给天线控制单元，天线控制单元根据收到的电压信号判断是否需要启动天线实现对遥测信号的自动跟踪。

图1 跟踪原理

3 故障现象及分析与解决

3.1 故障现象（跟踪电压值低于正常工作参数）

设备正常时与设备异常时跟踪电压的具体数据如表1 所示。

表1 设备正常时与设备异常时跟踪电压对比

从表1 数据可以看出，天线设备跟踪时，跟踪电压通常在4.5 V 附近波动，当设备出现故障时，跟踪电压数值下降，甚至出现了跟踪电压为0 的情况。

3.2 故障分析

步进跟踪的特点是伺服控制系统控制天线，沿方位轴方向顺时针或逆时针转动，或沿俯仰轴向上转动或向下转动，天线每转动一定距离，跟踪信号的电平值就会增加或减小。计算机对信号电平的增减进行判别，当接收电平呈现增加趋势，天线在原方向继续转动，否则反方向转动，方位轴和仰角轴的转动交替进行。从天线跟踪程序的设计角度分析，天线启动步进跟踪的前提条件是天线跟踪电压自动增益（Auto Gain Control，AGC）的实际数值高于天线设定的门限值，若实际AGC 值达不到启动天线跟踪的门限值，天线跟踪停止。文章所涉及的设备，在实际工作中的跟踪门限设计值是2.5 V。当天线跟踪电压低于2.5 V时，天线停止跟踪。这种设计可以防止天线过度偏离遥测信号，同时也有助于跟踪失败被发现后，天线跟踪能在较短的时间内得到恢复。从表1 提供的数据可以看出，故障发生时，跟踪电压降低至门限值2.5 V时，仍呈现持续降低的状态，天线仍然继续转动，并未停止，这种现象并不符合天线跟踪程序的设计思想，程序没有发挥作用，失去了控制天线运行的能力。文章的天线控制程序是监控程序的分支之一，重启监控程序后，通过监控程序对天线的基本功能进行测试，发现天线的基本功能都能通过天线遥控完成，说明天线跟踪失败与程序控制无关[7-9]。

从伺服控制系统的角度分析，遥测信号经过多次变频，最终由跟踪接收机处理转换成电压信号，该电压信号为跟踪卫星提供依据。文章发生故障的天线跟踪方式为步进跟踪，天线搜索遥测信号时，跟踪系统会记录各个方向上的电压值。电压值越大，说明天线跟踪的准确程度越好。通过对跟踪得到的电压数值大小的判定，最终找到与遥测信号方向最相符的电平值。表1 数据显示，当设备正常工作时，跟踪电压以4.5 V 为中心，波动幅度没有超过0.3 V。当天线跟踪系统故发生障时，跟踪电压的变化可以看出跟踪电压出现逐渐变小的趋势，说明天线没有对准遥测信号，跟踪电压越小，天线的跟踪精度越来越差，追踪遥测信号的能力越来越弱，最终完全丢失遥测信号。当遥测信号越来越弱时，天线为了追踪信号，不停地在多个方向上转动，这种转动持续时间较长，可以减少天线的机械部分的使用寿命。

伺服控制跟踪失败，可能是天线运行的机械部分发生故障，也可能是地面系统附近存在与遥测信号频率相近的信号，或是基带提供的跟踪电平值变化较大导致伺服控制系统出现误判。对天线进行“正转”和“逆转”等操作，天线转动正常，监控也没有任何告警提示，天线的方位和仰角等数据也可以正常采集和显示。经过检查，天线伺服系统可以正常工作，因此天线跟踪失败和伺服控制的机械部分没有关系。将一个全向天线与频谱仪联接，设置好起始频率和结束频率，将遥测信号频率包含在起止频率内，检查在起止频率范围内，有没有与遥测信号频率接近的高电平信号。在地面应用系统附近不存在与遥测信号相似的噪声信号，因此噪声干扰导致伺服系统跟踪失败的情况也被排除。

从天线和跟踪分系统连接关系的角度分析，如图2 所示，天线跟踪功能的实现与跟踪分系统、天馈系统、高频分系统、功分器以及伺服控制系统有关。由于地面应用系统包含室内设备和室外设备2个部分，跟踪分系统是室内单元的主要设备，可能会发生不能锁定信号的问题，另外一个原因可能是功分器输出的信号太弱，导致跟踪分系统无法处理或是端口连接点接触不良等。对跟踪环路和外围电路所有输入输出转接点进行检查，没有发现接触不良的情况。

图2 天线跟踪分系统连接

由图2 可知，跟踪分系统分为A 套和B 套，通常当设备正常工作时，遥测信号到达跟踪环路输入端时的强度大致为78 dBm。经过跟踪环路，在跟踪环路的输出端，遥测信号的强度大致为48 dBm，也就是说跟踪环路的增益是30 dBm。对A套和B 套的跟踪分系统进行了独立测试，结果发现2 套跟踪分系统的增益均能达到30 dBm，说明2 套跟踪分系统未出现故障。分析设备日常检测记录，在天线正常工作的情况下，A 套跟踪系统输出电平值为-46.29 dBm，B 套跟踪系统输出电平值为47.16 dBm。天线出现故障后，A 套设备的跟踪信号的电平值约为-61.75 dBm，B 套设备的跟踪信号的电平值约为-62.83 dBm，增益均下降了约15 dBm。跟踪分系统自身无故障，但跟踪电压却降低了，可以推断是跟踪分系统的前端设备出现了故障。在前面，已经排除了天馈发生故障的可能，因此可以推断高频分系统也可能是故障发生的一个环节。

针对高频分系统进行分析。由图2 可知，高频分系统输出的信号经过开关和分路器，由跟踪分系统接收。将A 套高频分系统设置为在线设备，A 套和B套跟踪分系统输出的跟踪电压同时变小，监控设备告警。若将B 套高频分系统设置为在线设备，A 套和B套跟踪分系统的跟踪电压正常，天线跟踪也正常。当接收通道链路中的设备组合发生变化时，跟踪电压从不正常变成了正常。由此可见，天线跟踪失败的原因与跟踪分系统无关。天线跟踪失败的原因是A 套高频分系统出现故障引起。跟踪分系统接收高频分系统输出的信号，当高频分系统输出的信号减弱或无输出，跟踪分系统将不能正常工作，当然也就不能输出正常的工作电压，导致天线跟踪失败。在通信链路中，前端设备信号输出的信号，必须满足后端设备信号处理的要求，否则，后端设备将无法正常工作。

3.3 解决故障办法

对A 套高频分系统进行检查，发现在A 套高频分系统中，有一个检波模块失真严重、性能下降，更换新的检波模块，天线跟踪电压恢复正常，天线跟踪失败的故障得以解决。

4 结 论

当通信信道发生故障时，设备维护人员应该从信号在信道中传送的特点出发，寻找故障点，依照信号传送的先后顺序对相关设备逐个进行检查，同时在检查设备时，需要充分考虑每个环节设备的电气特性和参数要求，提高故障的检修效率。