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多波段多波束船载卫星气象信息接收和风场探测系统

文献发布时间：2023-06-19 10:24:22

技术领域

本发明涉及气象卫星领域，具体涉及一种多波段多波束船载卫星气象信息接收和风场探测系统。

背景技术

气象水文是战场制胜的重要因素，战场既是军事力量的对抗，也是探测预报战场的竞争，这对气象观测系统的机动性、全方位探测提出了更高要求。海军是唯一的一种既可以在深水和高空、又可以在陆地和海洋活动的武装力量，需要开展深入细致的水文气象保障工作，系统需能获取全方位的气象数据，并对核心区域风场进行精细实时探测。

气象卫星实现全球高分辨率观测，具备全天时和全天候能力。舰船上安装的气象卫星接收处理设备，作为综合气象水文系统的重要组成部分，可实时接收处理全天候、大范围实地观测的静止和极轨气象卫星资料，为飞机起降、舰船航行气象保障提供了有力气象卫星数据支持。从气象保障角度考虑，多功能气象卫星接收处理设备将以接收我国自主气象卫星（总参气象卫星、风云系列民用气象卫星）为主，接收国外气象卫星为辅，为天气监测、预报和保障及时提供多光谱和高光谱的微光、可见光、红外、微波等波段成像和（或）垂直探测资料。风廓线雷达提供大气水平风场、垂直风场、风切变状况等气象资料，且大多数资料以廓线的形式给出，在航空飞行安全保障、军事国防等诸多领域都发挥着重要作用。

目前传统的气象卫星接收设备一般采用机械扫描跟踪方式，难以实现动态接收数据，或者说动态接收的数据存在极大的错误，同时无法实现多波段多波束的信号接收。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多波段多波束船载卫星气象信息接收和风场探测系统，采用相控阵天线实现卫星气象信号的多波段多波束接收，降低运动状态下造成的信号接收误差，同时实现舰面上空风廓线探测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种多波段多波束船载卫星气象信息接收和风场探测系统，该系统由相控阵天线、卫星接收设备、风廓线雷达组成；

所述相控阵天线由天线阵列、TR组件、馈电网络、波控电源、C波段下变频器组成，用于将气息信息传输至卫星接收设备；所述天线阵列由单元天线按照矩形排列组成，每个单元天线包含L1、L2、C三个频段，并支持多种极化；

所述卫星接收设备与相控阵天线连接用于接收卫星数据，完成卫星数据的接收、解包、快视及存储；快视表示将卫星数据快速形成图片，卫星领域通用用语。

所述风廓线雷达采用1个天顶波束和4个分别与天顶成15°夹角的方位波束的5波束模式，用于获取舰面5000米高度以下空中风速、风向和Cn

进一步的，所述单元天线采用4个C波段天线与1个L波段天线共口径设计，L波段天线采用L1、L2频段的双频双线极化，C波段天线采用双层贴片实现15%带宽，L波段天线采用双层贴片实现双频工作。

进一步的，所述L波段天线的贴片呈十字形分布，4个C波段天线的贴片分列于十字形所隔开的四个区域中。

进一步的，所述C波段天线间距，布阵方式为三角阵与矩形阵混合构成，该阵列中C波段天线单元4328个，L波段单元1082个。

进一步的，所述卫星接收设备由天线稳定与控制模块、数字波束合成模块、接收解调模块、数据进机处理模块、监控管理模块以及自检测试模块组成。

进一步的，所述天线稳定与控制模块由计算机和天线稳定与控制软件组成，实现天线程序控制跟踪，通过对导航系统提供的船姿、艏向、舰位和卫星轨道数据实时运算处理，生成天线轴角数据，控制天线跟踪卫星，并使天线极化角与卫星信号保持一致；

数字波束合成模块由接收变频通道、数字波束合成单元、发射变频通道组成，用于接收L1波段和C波段三组模拟中频信号，在数字域完成数字下变频处理和波束合成处理，然后，对L1波段中三个频点和C波段中两个频点对应的五路信号调制到合适的中频上，通过发射通道上变频到射频并分别送入卫星接收解调器；

接收解调模块由低噪声放大器、滤波器、变频器和解调器组成，对所接收到的卫星信号，经低噪声放大器放大后依次输入到窄带滤波器、变频器，经变频后输出的中频信号输入到解调器，经信号解调、译码、去扰及软判纠错译码、译码后以串行序列输出，恢复出卫星信号携载的原始数据流；窄带滤波器的主要作用是抑制带外强干扰信号，以减少电磁环境对接收气象卫星信号的影响；

数据进机处理模块由数据进机计算机、数据处理计算机组成，用于采集来自解调器的信息，完成卫星数据的接收、解包、快视及存储；并将所接收到气象卫星数据处理生成图像及应用产品，提供给综合气象水文系统；

监控管理模块由监控管理计算机和监控管理软件组成，用于完成卫星接收任务的计划制定，业务运行控制，卫星轨道数据生成，设备工作参数的设置和状态信息监视，数据管理，故障警示；

监控管理计算机根据输入的作业命令和轨道参数，卫星相关信息及过境情况生成一个任务周期的作业任务表；实时设置及采集各设备状态参数，生成设备工作状态信息和日志文件，按要求发送给综合气象水文系统，以便了解设备的运行状况；

自检测试模块由自检信号源、上变频器、信号开关等部件组成测试环路，产生中频以及射频信号，对变频器、解调器设备进行测试。

进一步的，所述风廓线雷达由天线、收发组件、信号处理模块、终端软件、监控与定标模块、数据处理与显示终端组成；所述天线根据舰船的姿态信号进行反向补偿，隔离舰船运动对波束稳定性的影响，并控制天顶波束和方位波束顺序扫描东南西北和垂直向上五个方向。

进一步的，所述信号处理模块由双通道数字中频接收机、风廓线信号处理模块组成，主要对I/Q数字中频信号进行相干累积、FFT、脉压等处理，对气象目标进行判定和信号测量，实时输出高精度的气象目标信息。

进一步的，所述数据处理与显示终端包括采集监控计算机、数据处理服务器、显示终端，采集监控计算机通过网络与信号处理模块连接，信号处理模块采集的雷达基数据通过数据接口传送到采集监控计算机，采集监控计算机将这些数据经过处理后通过网络传送到显示终端；显示终端对信号处理模块和雷达的控制，通过网络传给采集监控计算机，由采集监控实现；采集监控将收到的雷达状态信息上报给显示终端。

进一步的，所述数据处理服务器接收到信号处理模块传来的信号功率谱密度分布后，对信号功率谱密度分布作进一步数据处理，提高对径向速度估算的精度，处理内容包括：

1）对功率谱密度分布进行非相干积累进一步提高信噪比；

2）估算径向速度谱宽、S/N；

3）对估算出的径向速度进行时间的平均，进而得出较为确切的径向速度估算值，再行进风廓线的运算。

4）风廓线测量形成下述几种类型的图形产品：

5）观测时间的风速、风向随高度变化图；

6）用风羽表示的风廓线随时间变化图；

7）cn

本发明的有益效果是：

（1）用一部相控阵天线同时完成多颗卫星信号接收和风廓线雷达信号收发，减少气象保障设备的安装空间；

（2）运动状态下同时接收国内外多颗气象卫星L波段数据，实时处理所接收到的各种气象卫星信息数据，包括预处理和综合应用处理；

（3）接收处理中国气象局气象数据卫星广播系统CMACast通过C波段广播的气象探测数据；

（4）接收处理总参气象水文局卫星气象水文数据广播系统CCTV通过C波段广播的气象水文数据；

（5）船面上空5km风场连续探测，发现和预报风切变等危害航空安全的天气现象；

（6）后端处理采用统一的硬件和软件架构，硬件平台由专用化向商用化、通用化发展，便于后续气象算法的快速升级和功能扩展。

附图说明

图1是相控阵天线原理图；

图2是天线单元的结构示意图；

图3是天线阵列布局示意图；

图4是馈电网络原理图；

图5是TR组件收示意图；

图6是发射对接收的干扰示意图；

图7是卫星接收设备外部信息关系图；

图8是风廓线雷达原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

一种多波段多波束船载卫星气象信息接收和风场探测系统，该系统由相控阵天线、卫星接收设备、风廓线雷达组成。

在安装上分为室外设备和室内设备，室外设备主要包括相控阵天线，室内设备包括风廓线数据接收机柜、卫星数据接收机柜、监控与自检机柜、控制与应用机柜等四个机柜。

其中卫星数据接收机柜主要集成了卫星接收设备的各模块，负责卫星数据的解调处理，包括滤波器、L波段下变频器、L波段解调器、C波段数据接收机、DBF单元等部分；

风廓线数据接收机柜主要集成了风廓线雷达的各模块，负责风廓线测量所需的五波束顺序扫描控制和风场数据处理，包括波束扫描控制单元、信号处理单元等；

监控与自检机柜负责设备的状态监控和自检，包括监控管理计算机、信号源、上变频器、显控装置等部分；

控制与应用机柜负责天线的稳定和控制参数、卫星数据的预处理和应用，包括稳定与控制计算机、相控阵天线电源、L波段数据进机计算机、L波段数据处理计算机、C波段数据进机计算机、C波段数据处理计算机、风廓线数据处理计算机、显控装置等部分。

相控阵天线由天线阵列、TR组件、馈电网络、波控电源、C波段下变频器组成，用于将卫星气息信息传输至卫星接收设备，同时实现风廓线雷达信号收发；天线阵列由单元天线按照矩形排列组成，每个单元天线包含L1、L2、C三个频段，并支持多种极化，其原理如图1所示。

多波段相控阵天线主要完成C频段卫星接收、L波段卫星接收、L波段雷达信号收发、卫星跟踪等功能，可应用于船载等运动平台，在运动状态下实时接收来自卫星的气象数据，多种功能天线相互之间独立工作，互不干扰，多个天线波束（≥6）可以同时存在。

天线采用二维平面相控阵技术，完全取消了伺服装置，具有低剖面的特点，跟踪速度快、跟踪精度高等特点。

TR组件包括风廓线雷达TR通道、L1频段R通道、C频段R通道，完成雷达信号的收发，L1卫星信号的接收放大，C卫星信号的接收放大。

C变频通道完成C频段卫星信号的下变频，输出中频信号供DBF板卡进行ADC处理。考虑到C频段单元数量较多，采用子阵级DBF合成。

L1变频通道完成L1频段卫星信号的下变频，输出中频信号供DBF板卡进行ADC处理。

风廓线雷达信号不需要进行多波束合成，因此采用模拟的馈电网络把多个TR组件的功率分配和信号合成整合在一起，形成一个模拟通道输出给雷达信号处理机。

整机组成包括：天线罩、天线阵列、TR组件、安装框架、馈电网络、波控电源板等部分组成。天线整机尺寸：Φ3000mm×高360mm（含天线罩）。

单元天线采用4个C波段天线与1个L波段天线共口径设计，L波段天线采用L1、L2频段的双频双线极化，C波段天线采用双层贴片实现15%带宽，L波段天线采用双层贴片实现双频工作。

进一步的，L波段天线的贴片呈十字形分布，4个C波段天线的贴片分列于十字形所隔开的四个区域中，其结构如图2所示。

进一步的，C波段天线间距，布阵方式为三角阵与矩形阵混合构成，该阵列中C波段天线单元4328个，L波段单元1082个，其结构如图3所示。

L1频段天线法向增益约32.1dBi，60°扫描角增益约27.8dBi。法向波束宽度约3.1°×3.1°，扫描60°方向波束宽度约为6.1°。

天线副瓣要求大于35dB，通过对幅度进行泰勒加权实现。加权后，L2频段天线法向增益约28.3dBi，30°扫描角增益约27.2dBi。法向波束宽度约5.6°×5.6°，扫描30°方向波束宽度约为6.4°。

C频段天线法向增益约41.2dBi，60°扫描角增益约36.5dBi。3.7GHz法向波束宽度约1.4°×1.4°，扫描60°方向波束宽度约2.8°。

馈电网络的主要功能是实现组件与系统接口间的接收信号合成、发射信号分配。L1波段、C波段采用数字多波束实现，馈电网络实现L1、C子阵级合成。馈电网络包含发射馈电网络和接收馈电网络，是组件收发信号合成通道。其原理图如4，将16个TR组件中的64个C波段E极化、C波段H极化分别合成后，通过极化跟踪模块实现线极化极化跟踪。将16个TR组件中的L1波段E极化、L1波段H极化分别合成后，通过极化跟踪模块实现线极化极化跟踪或圆极化跟踪。

TR组件由4个C波段双极化接收通道、L1波段双极化接收通道、L2波段水平极化收发通道组成，其原理如图5所示。每一个C波段双极化接收通道由两个C波段接收通道组成，每个接收通道由一个限幅低噪声放大器，两个滤波器，一个低噪声放大器，一个数控衰减器，一个数控移相器以及相应连接器、控制电路组成，限幅低噪声放大器和低噪声放大器完成接收信号放大功能其中限幅低噪声放大器对通道起限幅保护作用、滤波器完成对接收信号以外信号频率过滤功能，防止低噪声放大器饱和，数控衰减器完成对该路接收信号幅度控制功能，数控移相器完成对该路接收信号相位控制功能。

L1波段双极化接收通道由两个L1波段接收通道组成，每个接收通道由一个限幅低噪声放大器，一个低噪声放大器，一个数控衰减器，一个数控移相器以及相应连接器、控制电路组成，限幅低噪声放大器和低噪声放大器完成接收信号放大功能其中限幅低噪声放大器对通道起限幅保护作用、滤波器完成对接收信号以外信号频率过滤功能，防止低噪声放大器饱和，数控衰减器完成对该路接收信号幅度控制功能，数控移相器完成对该路接收信号相位控制功能。其中L1波段垂直极化接收通道，同过滤波器与天线连接，L1波段水平极化接收通道通过L1与L2波段的双工器与天线连接。

L2波段水平极化收发通道由一个接收通道和一个发射通道组成，其中发射通道由一个功率放大器，一个驱动声放大器，一个数控衰减器，一个数控移相器、一个耦合器以及相应连接器、控制电路组成，功率放大器和驱动声放大器完成发射信号的放大功能，数控衰减器完成对该路接收信号幅度控制功能，数控移相器完成对该路接收信号相位控制功能，耦合器完成对功率放大器输出的发射信号耦合部分能量输出反馈功能；接收通道由一个限幅低噪声放大器，一个低噪声放大器，一个数控衰减器，一个数控移相器以及相应连接器、控制电路组成，限幅低噪声放大器和低噪声放大器完成接收信号放大功能其中限幅低噪声放大器对通道起限幅保护作用、滤波器完成对接收信号以外信号频率过滤功能，防止低噪声放大器饱和，数控衰减器完成对该路接收信号幅度控制功能，数控移相器完成对该路接收信号相位控制功能。

天线在L1、L2、C三个频段上并行进行接收和发射，其中L1频段1670MHz～1710MHz、L2频段1290MHz±10MHz、C频段3.625GHz～4.2GHz，频率比超过3。同时，设备可正常接收的卫星俯仰角范围≥30°，所以要求相控阵天线同时具有高增益和宽角覆盖特性。因此，设计大频比、高增益和宽角覆盖的相控阵列单元是实现三频共用的关键技术之一。项目的天线单元如图2，采用4个C波段天线与1个L波段天线共口径设计，L波段天线采用双频双线极化。C波段天线采用双层贴片实现15%带宽，L波段天线采用双层贴片实现双频工作，既可以保证高低三个频段在实空间内均无栅瓣，又满足了三频段共孔径的设计要求。

三个频段同时工作时（特别是风廓线雷达发射脉冲期间），模拟器件在对方的高频辐射下都有可能产生杂波、串扰、互调等反应，影响彼此的通道信号效果。这就要求我们的设计能够充分隔离多个频段的电磁影响，做好屏蔽、隔断、接地等防范措施。对于全双工天线，主要针对发射信号对接收的影响以及发射噪声对接收的影响两个方面进行分析。发射对接收的影响如图6所示.

天线之间的隔离度分析可以为后续接收电路的发阻滤波器设计提供支撑，由于发射频率与接收频率不同，因此设计时需要注意以下两点，就可以避免发射系统对接收性能的影响。

主要控制措施如下：

接收端通过低损耗、高带外抑制能力的滤波器来有效的抑制发射信号；

在发射功放之后增加收阻滤波器，抑制各接收频段的噪声、杂散，确保发射端的带外噪声耦合到接收天线口面的电平不引起信噪比恶化。

卫星接收设备与相控阵天线连接用于接收卫星数据，完成卫星数据的接收、解包、快视及存储；卫星接收设备由天线稳定与控制模块、数字波束合成模块、接收解调模块、数据进机处理模块、监控管理模块以及自检测试模块组成。

天线稳定与控制模块由计算机和天线稳定与控制软件组成，实现天线程序控制跟踪，通过对导航系统提供的船姿、艏向、舰位和卫星轨道数据实时运算处理，生成天线轴角数据，控制天线跟踪卫星，并使天线极化角与卫星信号保持一致；

数字波束合成模块由接收变频通道、数字波束合成单元、发射变频通道组成，用于接收L1波段和C波段三组模拟中频信号，在数字域完成数字下变频处理和波束合成处理，然后，对L1波段中三个频点和C波段中两个频点对应的五路信号调制到合适的中频上，通过发射通道上变频到射频并分别送入卫星接收解调器。

数据进机处理模块由数据进机计算机、数据处理计算机组成，用于采集来自解调器的信息，完成卫星数据的接收、解包、快视及存储；并将所接收到气象卫星数据处理生成图像及应用产品，提供给综合气象水文系统。

监控管理模块由监控管理计算机和监控管理软件组成，用于完成卫星接收任务的计划制定，业务运行控制，卫星轨道数据生成，设备工作参数的设置和状态信息监视，数据管理，故障警示。

监控管理计算机根据输入的作业命令和轨道参数，卫星相关信息及过境情况生成一个任务周期的作业任务表；实时设置及采集各设备状态参数，生成设备工作状态信息和日志文件，按要求发送给综合气象水文系统，以便了解设备的运行状况。

自检测试模块由自检信号源、上变频器、信号开关等部件组成测试环路，产生中频以及射频信号，对变频器、解调器设备进行测试。

当进行设备自检测试时，信号源产生中频信号，再经上变频器变成射频信号，引入到变频器，测试接收设备的工作状况。

当业务运行时，将轨道报送入监控管理计算机，该计算机将卫星轨道数据送入稳定与控制计算机，同时稳定与控制计算机还从外部得到时统、舰位、舰姿等信息，经运算生成程控数据，控制天线指向卫星。

天线指向卫星后收到卫星下发的射频信号，一路送跟踪接收机，计算生成自动跟踪数据，经控制器控制天线自动跟踪卫星；一路经变频器变成中频信号，经解调器解调出气象卫星探测数据流。

气象卫星探测数据流经数据进机计算机和数据处理计算机处理后生成图像和应用产品，上传给综合气象水文系统。设备外部信息关系如图7所示，包括与气象卫星的信息关系、与综合导航系统的信息关系、与综合气象水文系统和时统设备的信息关系。

风廓线雷达采用1个天顶波束和4个分别与天顶成15°夹角的方位波束的5波束模式，用于获取舰面5000米高度以下空中风速、风向和Cn2，并根据舰姿态信息实时修正波束指向与风向风速。

为了保证载体（舰体）移动过程中，使天线能够实时对准卫星，在本实施例中使用圆锥扫描跟踪与卫星导航和惯性导航程序引导跟踪进行融合跟踪，两种跟踪方式的联合工作模式是根据卫星导航和惯性导航数据的有效性来进行有序工作的。当在跟踪起始阶段，卫星和惯导导航数据暂未获得，此时采用圆锥扫描跟踪，在卫星和惯导数据获取以后，转为程序引导跟踪。如在程引跟踪过程中，由于周围环境原因例如汽车停车在高大建筑物周围，遮挡了导航卫星信号，导致卫星数据暂时失效，则再转入圆锥扫描跟踪，直到卫星导航数据重新捕获。

综合极大值、圆锥扫描等多种跟踪方式，结合相控阵的天线体制，采用改进型复合跟踪。使用双天线测向技术，对惯导的测量数据进行实时修正，作为提高惯导姿态测量精度的辅助手段，部分弥补低成本惯导精度差的缺陷。

此组合导航技术有以下三方面优势：

（1）通常惯性器件的输出频率可以达到50HZ或者更高，一旦北斗定姿系统初始化成功，通过传递方式对惯性器件进行初始化之后，就可以利用惯性器件的输出作为插值，从而提高整个系统的数据更新率。即使存在北斗定姿系统敏感轴和惯性器件敏感轴存在失准角的情况下，也不会造成大的误差，因为通过安装时的标定手段，可以将失准角限制在小角度的范围之内，这时失准角对短时间内的姿态解算不会造成大的误差；

（2）因为即使在惯性器件没有初始化的前提下，仍然能够以较高的精度测量前后两个位置之间的相对姿态变化量，通过该信息，结合北斗定姿系统前后两次姿态测量的结果，可以验证北斗定姿结果的正确性，从而帮助北斗定姿系统在初始化阶段提高成功率；

（3）由于北斗定姿的成功率取决于北斗信号的质量，在干扰过大的环境，容易造成定姿结果波动较大，数据的短期稳定性不好，更进一步，可能造成定姿失败。通过惯性器件提供的高频姿态信息，可以平滑短时间内北斗定姿结果的波动，提高系统短期稳定性；此外通过姿态角信息可以在北斗定姿失败时辅助模糊度求解，提高系统的再次初始化速度。

进一步的，风廓线雷达由天线、收发组件、信号处理模块、终端软件、监控与定标模块、数据处理与显示终端组成；天线根据舰船的姿态信号进行反向补偿，隔离舰船运动对波束稳定性的影响，并控制天顶波束和方位波束顺序扫描东南西北和垂直向上五个方向，其原理如图8所示。

进一步的，信号处理模块由双通道数字中频接收机、风廓线信号处理模块组成，主要对I/Q数字中频信号进行相干累积、FFT、脉压等处理，对气象目标进行判定和信号测量，实时输出高精度的气象目标信息。

进一步的，数据处理与显示终端包括采集监控计算机、数据处理服务器、显示终端，采集监控计算机通过网络与信号处理模块连接，信号处理模块采集的雷达基数据通过数据接口传送到采集监控计算机，采集监控计算机将这些数据经过处理后通过网络传送到显示终端；显示终端对信号处理模块和雷达的控制，通过网络传给采集监控计算机，由采集监控实现；采集监控将收到的雷达状态信息上报给显示终端。

进一步的，数据处理服务器接收到信号处理模块传来的信号功率谱密度分布后，对信号功率谱密度分布作进一步数据处理，提高对径向速度估算的精度，处理内容包括：