摘 要： 微波濕度計(jì)的工作周期完全由天線掃描周期決定，系統(tǒng)根據(jù)天線角編碼信息，按照既定時(shí)序完成對(duì)地觀測數(shù)據(jù)、熱源及冷空的定標(biāo)參數(shù)的采集。天線的掃描模式分為變速掃描、勻速掃描和定點(diǎn)觀測三種。三種工作模式需通過地面數(shù)據(jù)注入控制切換，數(shù)控單元解析后由天線掃描驅(qū)動(dòng)控制電路將模式控制指令發(fā)送至天線驅(qū)動(dòng)控制模塊（MCDE），最終由掃描機(jī)構(gòu)執(zhí)行。著重介紹數(shù)控單元如何根據(jù)地面注入指令控制天線掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作模式，同時(shí)通過讀取天線輔助參數(shù)，根據(jù)天線角編碼信息所對(duì)應(yīng)的時(shí)序完成科學(xué)數(shù)據(jù)的采集。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)云三號(hào)；微波濕度計(jì)；天線驅(qū)動(dòng)控制；LVDS
風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)用于全天時(shí)、全天候地觀測全球大氣濕度的垂直分布、水汽含量和降雨量等空間氣象資料，在大氣探測中具有重要作用。
風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)由3個(gè)單元組成，即：接收機(jī)單元、數(shù)控單元和電源單元。其中，接收機(jī)單元由天線與饋電網(wǎng)絡(luò)、接收機(jī)前端、中低頻接收機(jī)、熱輻射定標(biāo)源、掃描機(jī)構(gòu)、天線驅(qū)動(dòng)控制模塊等部分組成；數(shù)控單元包括微處理器模塊、接收機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集模塊、電源控制模塊以及總線通信模塊4部分。
本文著重介紹數(shù)控單元如何根據(jù)地面注入指令控制天線掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作模式，同時(shí)通過讀取天線輔助參數(shù)，根據(jù)天線角編碼信息所對(duì)應(yīng)的時(shí)序完成科學(xué)數(shù)據(jù)的采集。此部分的主要功能如下：
（1）通過1553B總線接收地面注入數(shù)據(jù)；
（2）根據(jù)解析的注入數(shù)據(jù)向天線驅(qū)動(dòng)控制模塊發(fā)送天線工作模式控制指令；
（3）讀取天線輔助參數(shù)，包括天線角度信息和狀態(tài)信息；
（4）根據(jù)天線角度信息和既定時(shí)序采集對(duì)地觀測及定標(biāo)數(shù)據(jù)，并將遙感數(shù)據(jù)傳送到地面。
數(shù)控單元與天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，天線控制指令由數(shù)控單元發(fā)送到天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而天線控制機(jī)構(gòu)則將天線的相關(guān)參數(shù)反饋給數(shù)控單元使其完成后續(xù)任務(wù)；雙向信號(hào)均為48 bit串行數(shù)據(jù)并包括1路時(shí)鐘信號(hào)，2路邏輯控制信號(hào)，傳輸形式為LVDS低壓差分信號(hào)，傳送速率2 Mb/s，收到地面注入時(shí)發(fā)送控制指令，隨時(shí)讀取天線輔助數(shù)據(jù)[1]。天線控制信息流圖如圖1所示。
1 天線掃描模式
為提高微波濕度計(jì)的可靠性，保證在軌壽命期間的正常運(yùn)行，天線的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制模塊由德國公司設(shè)計(jì)完成，采用直流無刷電機(jī)，不經(jīng)過齒輪傳遞直接驅(qū)動(dòng)；電機(jī)繞組和驅(qū)動(dòng)控制電路為冷備份設(shè)計(jì)；軸承潤滑措施采用脂潤滑方式；進(jìn)行必要的溫控，保證工作溫度范圍；天線罩采用輕質(zhì)金屬合金材料，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載力矩。
微波濕度計(jì)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共分為3種掃描模式：變速掃描、勻速掃描及定點(diǎn)觀測。此外還有一種停止模式，在接收機(jī)未開啟之前和兩種掃描模式切換之間使用。3種掃描模式的采用可滿足衛(wèi)星在軌工作中的各種需求，增加了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。
1.1 周期性連續(xù)變速掃描
變速掃描模式為正常情況下首選的對(duì)地觀測工作模式，即默認(rèn)工作模式。根據(jù)FY-3衛(wèi)星的狀態(tài)，微波濕度計(jì)采用機(jī)械掃描，掃描方式為垂直于飛行軌跡的360°的連續(xù)變速圓周掃描，對(duì)地觀測掃描張角為±53.35°（以天底點(diǎn)為中心），即126.65°~233.35°，連續(xù)采樣98個(gè)點(diǎn)，采樣間隔為1.1°。冷空定標(biāo)角度為107.1°，高溫定標(biāo)源位于天頂點(diǎn)，圖2為周期掃描速度曲線，掃描過程如圖3所示。
從圖中可以看出假定天頂點(diǎn)為起始點(diǎn)0°，掃描過程依次為：勻速（熱源定標(biāo)）→加速→勻速→減速→勻速（冷空定標(biāo)）→加速→減速→勻速（對(duì)地觀測）→加速→勻速→減速→勻速（熱源定標(biāo)），完成一個(gè)掃描周期需要2.667 s，
1.2 勻速掃描
根據(jù)衛(wèi)星及微波濕度計(jì)在軌運(yùn)行的實(shí)際情況，如果微波濕度計(jì)天線轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生影響或變速掃描模式工作異常時(shí)可采用勻速掃描模式，工作模式的改變通過地面數(shù)據(jù)注入來完成。
1.3 定點(diǎn)觀測
定點(diǎn)觀測模式是在需要對(duì)某些特定角度進(jìn)行連續(xù)觀測的條件下所采用。通過地面數(shù)據(jù)注入切換至定點(diǎn)觀測模式，可對(duì)任意固定角度進(jìn)行觀測。
1.4 停止模式
此種工作模式是微波濕度計(jì)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺省模式，系統(tǒng)上電時(shí)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)即處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)接收機(jī)開始工作之后才開啟天線進(jìn)入前3種掃描模式。在其他掃描模式切換的過程中，前一種掃描模式不能直接進(jìn)入另一種，必須先進(jìn)入停止模式，然后才能啟動(dòng)另一種掃描模式。所有工作模式的切換均由地面注入完成，星上無自主控制。
在天線掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生工作異常時(shí)，也應(yīng)采用停止模式，此種模式下電機(jī)不再驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，電源只需要提供很小的電流，這樣避免了電機(jī)故障可能產(chǎn)生的電流長時(shí)間持續(xù)增大的現(xiàn)象，保證了微波濕度計(jì)電源的安全，從而不會(huì)對(duì)整星造成不良影響。
2 天線驅(qū)動(dòng)控制
2.1 數(shù)控單元天線控制接口
從天線控制信息流圖可以看出，天線驅(qū)動(dòng)控制的第一個(gè)環(huán)節(jié)是數(shù)控單元，首先接收衛(wèi)星指令，然后將天線控制指令通過天線控制接口發(fā)送到天線控制模塊，數(shù)控單元天線驅(qū)動(dòng)控制接口主要由80C32串口、LVDS發(fā)送器、LVDS接收器及相應(yīng)的邏輯電路組成，詳細(xì)框圖如圖4所示。
天線控制接口的功能是產(chǎn)生天線驅(qū)動(dòng)控制模塊所需的控制指令，讀取天線狀態(tài)和角編碼信息，數(shù)控單元和天線驅(qū)動(dòng)控制模塊之間接口信號(hào)包括48 bit串行信號(hào)（雙路雙向）、1路時(shí)鐘信號(hào)，2路邏輯控制信號(hào)。48 bit串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以及時(shí)鐘信號(hào)由80C32的串口完成，相關(guān)的邏輯控制信號(hào)由I/O口產(chǎn)生，信號(hào)傳輸形式為LVDS（低壓差分信號(hào)）。傳送速率2 Mb/s，控制指令需要時(shí)發(fā)送，隨時(shí)讀取天線信息[1]。
2.2 天線驅(qū)動(dòng)控制接口時(shí)序
2.2.1 天線驅(qū)動(dòng)控制命令發(fā)送時(shí)序
天線驅(qū)動(dòng)控制命令發(fā)送時(shí)序如圖5所示，控制信號(hào)分為4路信號(hào)輸出，在命令發(fā)送期間信號(hào)S_Acq為低電平，信號(hào)S_Cmd為高電平，48 bit串行數(shù)據(jù)傳送完成后S_Acq與S_Cmd均變?yōu)榈碗娖健?8 bit串行數(shù)據(jù)定義如表1所示，其中位置控制器增益、速度控制器增益以及電偏移量是固定的，在電機(jī)調(diào)試后給出。
2.2.2 天線狀態(tài)信息讀取時(shí)序
天線狀態(tài)信息讀取時(shí)序如圖6所示，信號(hào)分為3路輸出信號(hào)和1路48 bit串行輸入信號(hào)，在讀數(shù)期間信號(hào)S_Acq為高電平，信號(hào)S_Cmd為低電平，48 bit串行數(shù)據(jù)傳送完成后S_Acq與S_Cmd均變?yōu)榈碗娖健?8 bit串行數(shù)據(jù)定義如表2所示，其中位置控制器增益、速度控制器增益以及電偏移量是固定的，在電機(jī)調(diào)試后給出。
3 實(shí)際應(yīng)用
此天線掃描驅(qū)動(dòng)模式是為適應(yīng)風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星微波濕度計(jì)的工作方式而特別設(shè)計(jì)的，在現(xiàn)已發(fā)射的兩顆風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星上此種天線驅(qū)動(dòng)控制方式已獲得應(yīng)用，其中微波濕度計(jì)在A星上工作已超過4年，B星上的微波濕度計(jì)也已工作將近兩年，期間未發(fā)生天線驅(qū)動(dòng)控制異常及輔助參數(shù)讀取錯(cuò)誤而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集異常的情況，實(shí)踐證明這套控制系統(tǒng)是完善、可靠的。即將發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)C星，此天線驅(qū)動(dòng)控制方式在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善，減少了器件使用的數(shù)量，降低了功耗和體積，從而可靠性也獲得了相應(yīng)的提高。
參考文獻(xiàn)
[1] 李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.