FY-2气象卫星信号的开发利用

张荣楷,单海滨,曹 静,杨伍琳

(广州气象卫星地面站,广东广州510640)

0 引言

电离层是地球大气的一个电离区域,距地表60 km以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态。电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。太阳耀斑和地磁磁暴的爆发对电离层具有极大的影响。

我国泛珠三角地区处于磁赤道异常区的峰值区域,是全球范围内电离层闪烁衰落出现最频繁、影响最严重的区域之一。近50年来,人们逐渐认识到地球的陆地、大气和海洋环境外,还存在与人类的生存发展息息相关的由太阳、行星际、地球磁层、电离层和中高层大气所组成的日地空间环境[1]。恶劣的空间天气也会造成卫星失效乃至陨落、通信中断、导航跟踪失误和电力系统损坏等,甚至危及人类的健康与生命[2-4]。随着大气探测和卫星遥感技术的发展,从风云卫星在轨运行的实践中,人们越来越意识到深入探测高层大气和地球空间的重要性。

几年来对电离层研究有较大的发展,主要是通过GPS信号进行电离层的闪烁研究[5]。文中监测仪是利用FY-2卫星信号进行这方面的探索,为更好地在气象和卫星等领域应用推广,该设计是在接收FY-2展宽云图的基础上增加了闪烁监测和星上多个辐射计的遥测信号的接收功能,目前,静止气象卫星实现了双星在轨的运行方式,这些对实现电离层的监测研究提供了很好的前提条件。

1 FY-2卫星信号电离层闪烁监测仪构建

目前FY-2静止气象卫星展宽云图广泛使用直径2.3 m的抛物面天线进行接收,该仪器集合了FY-2云图接收、星上遥测数据接收和卫星信号电离层闪烁检测 3部分。其中云图接收处理的是1.6 GHz的数字调制信号,遥测数据接收和电离层闪烁信息都是通过处理1.7 GHz的卫星信号获得。

星上遥测信息是2kHz的比特流,以相移键控的方式调制在32kHz的副载波上,再把调制后的32 kHz信号和75 kHz、160kHz的模拟调制信号混合,一起调制在1.7 GHz的载波上。设备框图如图1所示。

图1 设备框图

卫星信号通过抛物面发射聚焦,焦点上的馈源接收到信号,经过高频放大,进行第一次变频。变频后,1.7 GHz的遥测信号变为低频信号,一中放把变频后的云图和遥测信号再进行放大。其中馈源、低噪声放大、变频、一中放都安装在天线上。中放后的信号频率较低,远距离传输衰减小,也便于后端处理,其他设备安装在机房里。经过远距离传输后的一中信号被3功分器一分为三,分别进入云图接收处理、电离层闪烁处理和遥测解调数据处理电路进行处理。

2 云图接收部分

首先经过带通滤波器,再进行放大和变频,变频后,再经过锁相环解调、整形电路和时钟提取等电路处理,输出数据信号和时钟信号。再经过USB数据采集卡进入微机,进行接收和显示处理。云图接收框图如图2所示。

图2 云图接收框图

3 遥测数据信号处理

星上的遥测数据信号经过调制、混合、再调制的信号,成分比较复杂。要经过二次调制才能解调出数据来。且为了保证云图信号的质量,云图信号强度遥测信号比大很多。为减少云图信号对遥测信号的干扰,本电路在二次变频前进行带通滤波、放大、滤波的两次滤波放大处理。

通过中频带通滤波,中频放大后输入到锁相解调电路。由于卫星信号从L波段经传输、变频处理到10.7 MHz时有一定范围频率漂移,锁相环需要一定的捕捉范围。锁相解调的难点在于要兼顾解调出来的调相信号强度和捕捉范围两方面的要求。要想解调出来的信号强,捕捉范围就窄,这就不容易捕捉到信号;要想捕捉范围大,解调出来的信号就弱,又不利于下一步对解调后的信号处理。为了解决这个问题,在锁相环中增加了扫描电路。在锁相环失锁期间用单片机输出输出锯齿波扫描电压,一旦锁定则停止扫描,即时保持该电压。由锁相环跟踪中频变化,解调出调相信号。这样锁相环本身的捕捉范围可以适当小一点,解调出来的调相信号比较强。

解调电路解调出来的 32 kHz、75 kHz、160 kHz合成信号,由于调制后的32 kHz信号也并非单一信号,需要比较宽的带通滤波进行提取,而75 kHz、160 kHz的模拟调制信号很强。为了减少75 kHz、160 kHz信号的影响,首先对 75 kHz、160 kHz信号进行陷波,再进行32 kHz的带通滤波,选出比较接近理想的32 kHz遥测信号。经过锁相环解调后得出2 kHz比特流信号,再经过锁相电路、时钟提取电路得到数据时钟信号。经过单片机的接收、帧同步提取处理后用4 800 bits/s的速率传输到计算机。遥测解调的框图如图3所示。

图3 遥测解调框图

4 电离层闪烁检监测的硬件的实现

电离层闪烁检测部分将遥测信号变频后的中频信号进行滤波、放大、再滤波后,进行变频,以获得2.5 MHz的信号,将其放大到0.5 V左右的幅度,直接进入高速A/D采集电路,采集电路的精度为14位,以6 MHz的采样速率进行采集,采样后的数据速率为96Mbits/s,经过USB接口送到计算机。由于计算机的Windows操作系统是多用户的分时操作系统,为了保证数据的连续完整,采集电路增加了大容量的高速缓存芯片,以防止因计算机的分时操作使数据堵塞。

由于同步卫星不是在地球赤道上发射,卫星在入轨时,相对卫星轨道平面并非零度,轨道平面和赤道平面不完全重合,卫星相对地面就会出现8字情况,即卫星相对天线的角度并非固定,一天之内有一个周期的变化,有时偏离天线所指方向大,有时小,有时为零。使信号场强变化较大,到达A/D采集的电平只有0.1 V,太小了,影响A/D采样精度。为了保证A/D转换的精度,计算机发现幅度太小时可通过串口往单片机MGC控制电路适当改变中频放大的增益,使电平幅度往0.5 V靠。

计算机通过对信号数据快速傅氏变换等模式计算,实现对频谱、相位和幅度闪烁分析。闪烁检测框图如图4所示。

图4 闪烁检测框图

5 结束语

基于目前遍布全国的静止气象卫星展宽云图接收设备,利用其接收机天线、高频及第一中频通道的情况下进行设计,因此有利于未来在全国范围内进行推广和组网监测[6],为电离层闪烁监测研究打好基础。

[1]黄 江,赵文化,唐云秋,等.空间天气对广东电网的影响[J].广东气象,2007,29(1):11-12.

[2]曹 静,单海滨,黄 江,等.发展广东省空间天气轨道的思考[J].广东气象,2006(3):6-9.

[3]郭延波,焦培南,凡俊梅,等.电离层多普勒频移的预测[J].现代雷达,2008,30(11):32-35.

[4]刘 钝,冯 健,邓忠新,等.电离层闪烁对全球导航卫星系统(GNSS)的定位影响分析[J].全球定位系统,2009(6):1-8.

[5]李国主,宁百齐,袁 洪.GPS电离层闪烁实时监测系统的设计与实现[J].电波科学学报,2005,20(6):758-763.

[6]单海滨,王劲松,张效信,等.基于风云二号卫星信号的电离层闪烁监测[D].广东:中国气象学会,2007:480-481.