摘  要： 微波濕度計的工作周期完全由天線掃描周期決定，系統根據天線角編碼信息，按照既定時序完成對地觀測數據、熱源及冷空的定標參數的采集。天線的掃描模式分為變速掃描、勻速掃描和定點觀測三種。三種工作模式需通過地面數據注入控制切換，數控單元解析后由天線掃描驅動控制電路將模式控制指令發送至天線驅動控制模塊（MCDE），最終由掃描機構執行。著重介紹數控單元如何根據地面注入指令控制天線掃描驅動機構的工作模式，同時通過讀取天線輔助參數，根據天線角編碼信息所對應的時序完成科學數據的采集。
關鍵詞： 風云三號；微波濕度計；天線驅動控制；LVDS

　風云三號衛星微波濕度計用于全天時、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。
風云三號衛星微波濕度計由3個單元組成，即：接收機單元、數控單元和電源單元。其中，接收機單元由天線與饋電網絡、接收機前端、中低頻接收機、熱輻射定標源、掃描機構、天線驅動控制模塊等部分組成；數控單元包括微處理器模塊、接收機控制及數據采集模塊、電源控制模塊以及總線通信模塊4部分。
本文著重介紹數控單元如何根據地面注入指令控制天線掃描驅動機構的工作模式，同時通過讀取天線輔助參數，根據天線角編碼信息所對應的時序完成科學數據的采集。此部分的主要功能如下：
　（1）通過1553B總線接收地面注入數據；
　（2）根據解析的注入數據向天線驅動控制模塊發送天線工作模式控制指令；
　（3）讀取天線輔助參數，包括天線角度信息和狀態信息；
　（4）根據天線角度信息和既定時序采集對地觀測及定標數據，并將遙感數據傳送到地面。
數控單元與天線驅動機構之間的數據傳輸是雙向的，天線控制指令由數控單元發送到天線驅動機構，而天線控制機構則將天線的相關參數反饋給數控單元使其完成后續任務；雙向信號均為48 bit串行數據并包括1路時鐘信號，2路邏輯控制信號，傳輸形式為LVDS低壓差分信號，傳送速率2 Mb/s，收到地面注入時發送控制指令，隨時讀取天線輔助數據[1]。天線控制信息流圖如圖1所示。

1 天線掃描模式
　為提高微波濕度計的可靠性，保證在軌壽命期間的正常運行，天線的驅動電機和驅動控制模塊由德國公司設計完成，采用直流無刷電機，不經過齒輪傳遞直接驅動；電機繞組和驅動控制電路為冷備份設計；軸承潤滑措施采用脂潤滑方式；進行必要的溫控，保證工作溫度范圍；天線罩采用輕質金屬合金材料，減小轉動慣量和負載力矩。
　微波濕度計掃描驅動機構共分為3種掃描模式：變速掃描、勻速掃描及定點觀測。此外還有一種停止模式，在接收機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星在軌工作中的各種需求，增加了系統的靈活性和實用性。
1.1 周期性連續變速掃描
　變速掃描模式為正常情況下首選的對地觀測工作模式，即默認工作模式。根據FY-3衛星的狀態，微波濕度計采用機械掃描，掃描方式為垂直于飛行軌跡的360°的連續變速圓周掃描，對地觀測掃描張角為±53.35°（以天底點為中心），即126.65°~233.35°，連續采樣98個點，采樣間隔為1.1°。冷空定標角度為107.1°，高溫定標源位于天頂點，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為起始點0°，掃描過程依次為：勻速（熱源定標）→加速→勻速→減速→勻速（冷空定標）→加速→減速→勻速（對地觀測）→加速→勻速→減速→勻速（熱源定標），完成一個掃描周期需要2.667 s，
1.2 勻速掃描
　根據衛星及微波濕度計在軌運行的實際情況，如果微波濕度計天線轉動對衛星姿態產生影響或變速掃描模式工作異常時可采用勻速掃描模式，工作模式的改變通過地面數據注入來完成。
1.3 定點觀測
　定點觀測模式是在需要對某些特定角度進行連續觀測的條件下所采用。通過地面數據注入切換至定點觀測模式，可對任意固定角度進行觀測。
1.4 停止模式
　此種工作模式是微波濕度計掃描驅動機構的缺省模式，系統上電時掃描驅動機構即處于停止狀態，當接收機開始工作之后才開啟天線進入前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入另一種，必須先進入停止模式，然后才能啟動另一種掃描模式。所有工作模式的切換均由地面注入完成，星上無自主控制。
　在天線掃描驅動機構發生工作異常時，也應采用停止模式，此種模式下電機不再驅動天線轉動，電源只需要提供很小的電流，這樣避免了電機故障可能產生的電流長時間持續增大的現象，保證了微波濕度計電源的安全，從而不會對整星造成不良影響。
2 天線驅動控制
2.1 數控單元天線控制接口
　從天線控制信息流圖可以看出，天線驅動控制的第一個環節是數控單元，首先接收衛星指令，然后將天線控制指令通過天線控制接口發送到天線控制模塊，數控單元天線驅動控制接口主要由80C32串口、LVDS發送器、LVDS接收器及相應的邏輯電路組成，詳細框圖如圖4所示。

　天線控制接口的功能是產生天線驅動控制模塊所需的控制指令，讀取天線狀態和角編碼信息，數控單元和天線驅動控制模塊之間接口信號包括48 bit串行信號（雙路雙向）、1路時鐘信號，2路邏輯控制信號。48 bit串行數據的發送和接收以及時鐘信號由80C32的串口完成，相關的邏輯控制信號由I/O口產生，信號傳輸形式為LVDS（低壓差分信號）。傳送速率2 Mb/s，控制指令需要時發送，隨時讀取天線信息[1]。
2.2 天線驅動控制接口時序
2.2.1 天線驅動控制命令發送時序
　天線驅動控制命令發送時序如圖5所示，控制信號分為4路信號輸出，在命令發送期間信號S_Acq為低電平，信號S_Cmd為高電平，48 bit串行數據傳送完成后S_Acq與S_Cmd均變為低電平。48 bit串行數據定義如表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，在電機調試后給出。

2.2.2 天線狀態信息讀取時序
　天線狀態信息讀取時序如圖6所示，信號分為3路輸出信號和1路48 bit串行輸入信號，在讀數期間信號S_Acq為高電平，信號S_Cmd為低電平，48 bit串行數據傳送完成后S_Acq與S_Cmd均變為低電平。48 bit串行數據定義如表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，在電機調試后給出。

3 實際應用
　此天線掃描驅動模式是為適應風云三號衛星微波濕度計的工作方式而特別設計的，在現已發射的兩顆風云三號衛星上此種天線驅動控制方式已獲得應用，其中微波濕度計在A星上工作已超過4年，B星上的微波濕度計也已工作將近兩年，期間未發生天線驅動控制異常及輔助參數讀取錯誤而導致的數據采集異常的情況，實踐證明這套控制系統是完善、可靠的。即將發射的風云三號C星，此天線驅動控制方式在原有的基礎上進一步改善，減少了器件使用的數量，降低了功耗和體積，從而可靠性也獲得了相應的提高。
參考文獻
[1] 李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1993.