利用矩阵实现气象卫星信号的可靠接收

摘要：矩阵是一种可一进多出的电器设备，能实现信号的选择和扩展。在风云三号系列气象卫星地面数据接收系统链路中使用了射频矩阵、中频矩阵、数据矩阵后，使得原两套相互独立的数据接收链路在射频、中频、基带3个频点上有了纽带、联系和交换，从而在射频、中频、基带3个节点上实现灵活切换、灵活组配，大大提高了设备利用率，确保卫星信号不因链路中某台设备故障而中断，使卫星信号的接收、传输更加可靠。

关键词：矩阵; 气象卫星; 信号; 可靠; 接收

中图分类号：TN92734文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)23010103

Reliable Receiving of Meteorological Satellite Signal Based on Matrix

ZHOU Haiying, HUANG Jinyuan, ZHU Chunmeng, WENG Weilin

(Guangzhou Meteorological Satellite Ground Stations, Guangzhou 510640, China)

Abstract： Matrix is an electrical equipment which can realize selection and expansion of signal. The radio frequency matrix, intermediate frequency matrix and data matrix were used in some meteorological satellite signal receiving system, which made two sets of independent data receiving link can link, contact and exchange the RF, intermediate frequency and baseband for improving the equipment utilization and ensuring the reliable receiving and transmission of the meteorological satellite signal.

Keywords： matrix; meteorological satellite; signal; reliability; receiving

收稿日期：201106210引言

矩阵是指在电器设备中能程控、分配、调度多路信号的输入和输出的一种设备。电路中使用矩阵后，可大大提高系统的利用率和自动化水平，对延长设备的使用寿命具有重要的意义。风云三号(以下简称FY3)系列气象卫星是我国自主研制的新一代极轨气象卫星，目前已发射了A、B星，实现了在轨组网对地观测，计划2012年发射C星，星上搭载11 台探测仪器，日夜不停地对地观测扫描。卫星过境时向地面站下发庞大的星载探测数据。对地面站而言，视卫星过境最高仰角的高低，卫星入境时长约10~15 min。在这短暂的时间内，地面设备必须完好地正常运行、准确跟踪卫星并接收卫星下发的数据，否则，卫星出境，错过接收机会，损失不可弥补，正是机不可失，时不再来。地面站配备了两套从天线、变频、解调、进机分包处理到传输都相互独立的设备，为了确保万无一失，卫星入境时两套设备同时启动、跟踪、接收。但设备长期24 h运行，难免故障。如何在现有设备的基础上，保障卫星数据的正常、可靠接收，正是本文所要讨论和实现的。

1矩阵

矩阵的名字源于线性代数的概念，结构为M×N形。它可一进一出，也可一进多出。常用于卫星通信传输、电视广播信号传输、视频会议传输、闭路监控传输、电力调度传输等领域。

1.1矩阵的分类

按传输信号的频率，可分为射频矩阵、中频矩阵、基带矩阵。

按工作原理可分为继电器控制矩阵和芯片控制矩阵。

1.2继电器控制矩阵原理及优缺点

继电器控制矩阵是利用信号电平来控制继电器的通断，继电器的通断又控制着输入、输出信号的连接与断开，从而完成信号的选择。其价格低廉，但稳定性较差，不适合用在高频电路及大规模的输入、输出选择电路中。

1.3芯片控制矩阵原理及优缺点

芯片控制矩阵是利用专用芯片内部电路的导通与关闭，对输入、输出进行连接与断开的。其稳定性好，但价格昂贵，多用于高频电路及大规模的信号选择电路中。FY3系列气象卫星地面接收系统射频矩阵、中频矩阵就是采用芯片控制。

2FY3气象卫星星载仪器及数传信道

FY3气象卫星为近极地太阳同步轨道卫星，倾角为98.753°，轨道高度为836.4 km，目前已发射了上午星A星和下午星B星，实现了在轨组网对地观测。星上搭载了11 台探测仪器，仪器探测波段覆盖紫外、可见光、红外和微波波段，光谱通道达百余个，除对大气温度、湿度进行三维立体观测外，还可监测云、雨、O3 分布、地表特征参数等，数据量非常丰富，因此向地面传输的数据量非常庞大［15］。

极轨卫星每天24 h可对同一地区进行4次观测，即每个地面站每天可4次接收卫星数据。卫星每次入境时长约10~15 min，入境时向地面站同时传输3个信道的数据:L波段的全球实时广播的高速图像传输数据即HRPT数据；X波段的实时中分辨率图像传输数据即MPT数据；X波段的延时图像传输数据即DPT数据。其中HRPT数据包括:可见光红外扫描辐射计(VIRR)、红外分光计(IRAS)、微波温度计(MWTS)、微波湿度计(MWHS)、紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)、紫外臭氧总量探测仪(TOU)、微波成像仪(MWRI)、太阳辐射监测仪(SIM)、地球辐射探测仪(ERM)、空间环境监测器(SEM)等仪器的数据。MPT数据是中分辨率光谱成像仪(MERSI)数据。DPT数据包括:可见光红外扫描辐射计(VIRR)、红外分光(IRAS)、微波温度计(MWTS)、微波湿度计(MWHS)、中分辨率光谱成像仪(MERSI)、紫外臭氧垂直探测仪(SBUS)、紫外臭氧总量探测仪(TOU)、微波成像仪(MWRI)、太阳辐射监测仪(SIM)地球辐射探测仪(ERM)、空间环境监测器(SEM)等仪器的延时数据及卫星遥测的延时数据。

L波段HRPT信号的数传码速率为4.2 Mb/s，X波段MPT的数传码速率为18.7 Mb/s，DPT的数传码速率为93.0 Mb/s［6］。

3广州站FY3气象卫星地面数据接收系统特点

广州气象卫星地面站是部级的卫星地面站之一，也是FY3系列气象卫星接收站之一，接收到的卫星信号实时传送到北京国家气象卫星中心。地面站配备了两套从天线、变频、解调、进机分包处理到传输都相互独立的设备，如图1所示。为了确保可靠运行、万无一失，卫星入境时两套设备同时启动、跟踪、接收，但设备长期24 h运行，难免有出现故障的时候。

为了保障卫星数据的可靠接收，广州地面站在原有的两套相互独立的设备的基础上，特别增加了3个矩阵，它们是16×16的射频矩阵、16×16的中频矩阵和16×16数据分配矩阵，如图2所示，使得两套相互独立的数据接收链路在射频、中频、基带3个频点上有了纽带、联系和交换，从而在射频、中频、基带3个节点上实现了灵活切换、灵活组配，最大限度地提高了地面站设备的利用率，对稍纵即逝的卫星信号能够更加稳妥、可靠地接收好。

图1广州站FY3系列地面设备未加矩阵前的信号流程图矩阵还可以扩展输出(1路输入、16路输出)，使前端有限的信号在后端扩展成多路。极轨跟踪天线跟踪伺服系统复杂，长期启动运转，极易磨损，容易故障。为了充分利用前端天线资源，可将一套天线接收下来的信号经射频矩阵后同时进多台相关的变频器、解调器，并可同时对该路信号进行频谱测试和分析，非常灵活方便。矩阵的最大优势还在于：当链路上某一设备发生故障时，可以通过矩阵的灵活切换，从而绕过故障设备，使信号仍然可以多路往下输出。

4FY3链路三矩阵技术指标

4.1射频矩阵的组成、特点及主要技术指标

射频矩阵由放大器、功分器、选择器、控制电路、键盘显示、通信电路等组成，16路输入，16路输出，如图3所示。具有开关容量大、电路简单可靠、掉电保护、上电自动恢复、可本地及远程控制、性价比高等特点。

频率范围为1.5~3.0 GHz；输入、输出隔离度为不小于40 dB;插入损耗为1 dB；输入、输出驻波比为1.5∶1；输入、输出阻抗为50 Ω；接线端口为SMA。

4.2中频矩阵的组成及主要技术指标

中频矩阵的组成及原理框图与射频矩阵相同，只是频率范围不同。

频率范围为0.5~0.97 GHz；输入、输出隔离度不大于40 dB;插入损耗为1 dB；输入、输出驻波比为1.5∶1;输入、输出阻抗为50 Ω；接线端口为SMA。

4.3数据分配矩阵的组成及主要技术指标

数据分配矩阵由1台主控机和1台受控机组成，主控机完成ECL(或TTL)的差分数据DATA(+)和DATA(-)的输入、输出切换，受控机完成ECL(或TTL)的时钟信号CLK(+)、CLK(-)的输入、输出切换。2台设备配合可实现16×16的数据和时钟的同步切换。

图2广州站FY3系列地面设备加矩阵后的信号流程图图3射频矩阵原理框图5三矩阵在FY3数据接收链路中的作用

5.1射频矩阵

从图2中可以看出，射频矩阵处在光纤接收端与S/720M下变频器、L/720M下变频器之间，担负着放大、扩展、传输、切换处在射频段的DPT、MPT、HRPT信号的任务，除此以外，在射频矩阵输出处，接一频谱仪，完成监测射频前端设备如天线、低噪声放大器、X/S下变频器、光纤发射机、光纤接收机工作状态的任务。

从图2还可看出，从光纤下来2路信号进射频矩阵。一路是S波段信号，它包含了2 445.95 MHz的DPT信号和2 075 MHz的MPT信号。另一路是L波段HRPT 1 704.5 MHz的信号。通过射频矩阵后，分出3路信号，分别引入DPT下变频器、MPT下变频器和L波段的HRPT下变频器。

5.2中频矩阵

同理分析，中频矩阵在FY3数据接收链路中，处在S/720M下变频器、L/720M下变频器与高速解调器、低速解调器之间，担负着对处在中频的DPT、MPT、HRPT信号的放大、扩展、传输、切换任务。除此以外，在中频矩阵输出处接一频谱仪，完成对各变频器的监测任务。

从图2还可看出进入中频矩阵有3路信号，分别是720 MHz的DPT，MPT，HRPT信号。从中频矩阵出来有4路信号，分别输出到DPT解调器、MPT解调器、HRPT解调器及中频自跟踪接收机。

5.3数据矩阵

数据矩阵由时钟、数据部分组成，处在FY3数据接收链路中解调器与进机分包微机之间，对基带信号起到整形、放大、扩展的作用。

6三矩阵故障应急

因为矩阵成本较高及矩阵设备较可靠，一般都没有备份。但是，电子产品再可靠难免也会有出现故障的时候。如果射频矩阵故障，可用与其主要技术指标相适应的功分器代替，以便应急。同理，中频矩阵故障时也可用具有相应技术指标的功分器代替。由于基带信号频率低，因此可用普通的BNC直通头代替。

7结论

在广州站FY3气象卫星数据接收链路中使用矩阵后， 设备组配灵活、方便，这对卫星信号的传输、测试

及故障的排除起到很好的作用，从而使卫星信号的接收、传输更加稳妥、可靠。同时，用具有相应技术指标的功分器对矩阵进行必要的备份，防患于未然也是非常重要的。

参考文献

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作者简介： 周海莺女,1963年出生,浙江临海人,工程师。主要从事气象卫星的接收及地面设备的维护工作。