FY-2号静止卫星测距地面应用系统设备故障排查与维护案例分析

关键词：风云二号；零值测试；发射系统；故障检修

0 引言

风云二号气象卫星（FY-2）是中国自行研制的第一代地球同步轨道气象卫星，它与极地轨道气象卫星相辅相成，构成了中国气象卫星应用体系。风云二号系列卫星可以实现非汛期每小时、汛期每半小时获取覆盖地球表面约三分之一的全圆盘图像，能够针对台风、强对流等灾害性天气进行重点观测，在我国气象灾害监测预警、防灾减灾工作中发挥重要作用[1]。目前在轨投入业务的风云二号静止气象卫星有E星、F 星、G星和H星。

气象卫星观测对气象数据的连续性要求较高，卫星一旦停止工作，就会给天气预报、灾害监测造成严重影响。风云二号星地系统实现了一年365天、每天24小时连续运行。风云二号静止气象卫星采用三个测距站的实测数据和卫星的两行根数确定卫星轨道，测距系统的稳定运行是获取气象卫星精确位置保卫星云图精准度的基础。多年的连续业务运行伴随设备的老化，设备出现故障的频率也在不断增加，因此定期的设备维护成为保障业务稳定运行的必要措施。本文系统地介绍了风云二号气象卫星测距副站地面应用系统设备出现的一些故障案例和检测维护方法。

1 测距系统地面应用系统设备原理

风云二号气象卫星采用三点测距定轨方式，测距副站的地面应用系统同时具备接收和转发卫星信号的功能。测距系统的设备分为五个部分：接收分系统、发射分系统、遥控分系统、天线伺服分系统、监控分系统。

1） 接收系统由高频接收机、中频接收机、跟踪接收机、开关切换网络、标校变频器等组成。其功能主要有：接收并放大测距信号，提供测距中频转发信号；接收并放大遥测信号，提供伺服AGC电压实现天线跟踪。

2） 发射分系统由上变频器、高功放、相应的开关网络和监控单元组成。其主要功能是将指令终端送来的70.5MHz中频信号经上变频器转换成发射机的射频信号，再经过固态高功率放大器放大到系统需要的额定功率，经低损耗电缆送至天线发射出去。

3） 遥控分系统的目的是实现三点测距的自动化运行。测距开始时，接收终端机接收主站发来的遥控指令打开副站发射机；测距完成之后，接收遥控指令关闭发射机。另外分系统还包括测距标校模拟源，配合系统完成副站零值的测定。

4） 天线伺服分系统是风云二号三点测距系统设备的重要组成部分，负责测距信号的发射和接收。

5） 监控分系统是以监控计算机为中心的计算机应用系统，可以对副站各个分系统的信息进行集中管理。它是实现副站设备自动化运行管理的关键部分。副站设备的工作状态检测、故障定位、参数设置、主备切换、发射机高功放开关机等均可在监控软件的统一指挥调度下人工干预或自动完成。

2 设备故障的排查和检修案例分析

2.1 零值测试故障检修

信号在设备传输过程中被延迟的一段时间折合成电波在自由空间传播的距离就称为距离零值。要得到精确的空间距离， 必须扣除设备产生的时延[2]。

“风云二号”卫星测距系统采用的设备零指标校方法为传统的反测法：即让地面系统去测量一个空间距离已知的目标，从测距输出的距离数据中扣除已知的空间距离及测试用的电缆、天线、变频器的电长度，即可获得地面系统自身的距离零值[3]。设备的校零方式分为终端自环校零和系统校零，原理如图1 所示。

终端自环校零的功能是测定终端设备的零值。由测距伪码调制器发出调制的测距信号进行测距模拟，信号经同轴开关送至测距终端，形成中频环路，将测试出的中频零值通过监控单元回报给监控微机。

系统校零的功能是测定整个测距系统的零值。在进行系统零值测定时需要预先设定一个较小功率，将高功率放大器打开，调制器产生的调制信号经同轴开关到达上变频器，由功率放大器放大后发射出去。放大后的测距信号经过天线偏馈接收并送至测距终端，整个过程形成的射频环路模拟了实际测距场景，由此测出系统零值，并通过监控单元回报给监控微机[4]。

为了使风云二号气象卫星的测距结果更加准确，测距副站每隔一段时间就需要对设备零值进行测试。目前正在运行的风云二号系列卫星有E星、F星、H 星、G星，分别对这四颗星的A和B两套设备链路进行零值测试，在外部环境和电缆都完好的前提下，发现E 星、H星和G星的中频自检校零结果和系统校零结果都无法正常显示。

采用逐段检测分析方法，对中频设备进行故障排查[5]。首先将系统切换至自检模式，该模式用于测试中频内部环路是否存在故障。由遥控自检源发出控制信号，经中频跟踪解调器解调后返回译码单元形成中频环路，模拟主站的遥控信号对指令接收进行测试并通过监控单元回报给监控微机。A、B两套设备自检时需要分别测试中频零值和系统零值。通过中频自检显示发现A、B两套设备的链路均不通，判断遥控终端设备中公共元件可能出现故障，需要对公共元件进行检测。

打开遥控终端设备进行检查测试，遥控终端的公共元件有电源、同轴开关和10M时钟分路器。先对电源模块进行检测，遥控终端内有三块电源，一块为终端A套供电，一块为终端B套供电，还有一块给测距标校模拟源及监控单元、10MHz时钟分路器供电[6]。

通过检测发现10兆分路器供电不稳定，电源灯闪烁，导致信号的传输不稳定。更换电源后再次进行中频校零测试，E星、F星可以正常输出零值。G星在更换电源后仍然无法得到零值。

在电源正常情况下检查设备链接线路，检查发现G星终端设备中A、B套链路的线缆接反，A套链路校零时信号会通过同轴开关自动切换到B套链路上，导致中频校零数值不能正常测出。将A、B套设备链路线缆重新接好后进行零值测试，测试结果如表1所示：

通过测试结果显示A、B两套链路的零值结果数值相差不大，与设备理论零值相比误差在可接受范围内，表明零值测试结果正常。设备零值测试的故障得到了解决。

2.2 高频箱故障检修

风云二号测距系统采用的是三点测距系统，测距副站的信号会通过卫星转发给主站，主站可以通过信号频谱仪监控其他几个副站转发的测距信号强度。如图3 所示，在接收风云二号F 星的测距信号时，测距主站的频谱显示乌鲁木齐测距副站风云二号F星的测距信号（最左侧信号）很低，测距信号已经几乎被噪声淹没，这会直接影响测到距结果的准确性。

通过监控单元观察风云二号F星测距时状态，监控单元显示系统设备一切正常，可以正常接收主站发来的遥测信号，因此排除接收系统故障原因，初步判断信号强度低是测距设备的发射系统出现了故障，导致天线发射的信号较弱。天线的发射系统设备主要由高频箱和高功放组成。需要对这两个组成部分分别进行测试，逐步排查系统故障。

首先测试高功放状态，通过监控微机手动下发指令让A、B两套高功放开机，测试开机时的实测功率。经检验A、B两套功放设备开机的实测功率均能达到额定功率，高功放测试结果正常，判断故障可能出现在高频箱内的设备中。

高频箱内主要放置的是上变频器和场放，上变频器由中平滤波分路器、上变频器模块（含两个混频器和一个放大检波器）、本振LO1、本振LO2 等模块组成。上变频器的主要功能是将70.5MHz中频信号经过上变频器后转换成相应的射频信号，并把信号电平放大到高功放需要的信号电平[6]。高频箱内部构造如图4所示：

对可能产生故障的设备，利用测试仪器通过适当的信号注入，选取合适的测试点，通过测量频率准确度、输入输出电平、信噪比变化等指标来进行故障诊断[7]。为寻找故障点，先用频谱仪测试A、B链路高频下行信号。为保证数据准确性对四套天线设备分别进行了测试作为对照，测试结果数据如表2所示。

测试数据显示，4套天线发射系统设备中3套设备下行链路电平正常，电平值均在-48dBm左右，与数据库中首次校准结果相比误差在可接受范围内。而F 星的天线发射系统A套设备下行链路异常，电平值达到了-70.3dBm，与B套设备以及其它卫星发射设备数据对比相差约30dBm，信号衰减过大。因此确定高频箱内的A套设备链路出现故障。打开高频箱后逐段测试线路连通情况，发现A套设备链路的中频输出口线缆松动导致信号幅度下降，重新接好电缆进行测试，并对F星设备高频箱内部A、B套低噪声放大器和频率综合器进行了测试，检修后的A套设备链路信号电平值为-39dBm，B 套设备链路信号电平值为-38dBm，数据显示设备性能正常，A套链路恢复正常。最后通过与主站沟通测试，对F星的测距信号进行检测，结果显示测距信号强度恢复正常。

3 结束语

风云二号气象卫星作为中国第一代静止气象卫星已经服役多年，设备设计年代久远，设备使用率较高，部分设备使用寿命已超出设计寿命，关键元器件等存在老化和性能严重下降的趋势，综上原因导致设备的可靠性降低、故障率增加、设备运行不稳定等现象。通过对风云二号卫星测距系统定期维护检查，对系统出现的故障逐步测试分析，找到故障原因，解决了系统出现的零值测试故障和发射系统信号强度低的问题，保障了风云二号静止气象卫星的稳定运行。