深圳監(jiān)測站衛(wèi)星鏈路校準方法及誤差分析

周 平，王文帥，肖 鑫，林 輝，蔡鴻昀

（1.國家無線電監(jiān)測中心深圳站，深圳 518120；2.國家無線電監(jiān)測中心北京站，北京 100037）

電波衛(wèi)士

深圳監(jiān)測站衛(wèi)星鏈路校準方法及誤差分析

周 平1，王文帥2，肖 鑫1，林 輝1，蔡鴻昀1

（1.國家無線電監(jiān)測中心深圳站，深圳 518120；2.國家無線電監(jiān)測中心北京站，北京 100037）

衛(wèi)星鏈路校準是衛(wèi)星監(jiān)測設(shè)施維護的重要環(huán)節(jié)，鏈路測量的準確度直接關(guān)系到測量星上信號EIRP值及PFD值的置信度。本文以深圳站衛(wèi)星監(jiān)測鏈路校準測量為例，詳細分析了鏈路各部分誤差來源及誤差大小，然后針對性地提出了減小測量誤差的方法。

衛(wèi)星；鏈路校準；鏈路誤差

1 引言

衛(wèi)星鏈路校準就是精確測量從衛(wèi)星天線口面至頻譜儀接收機輸入口的整個傳輸鏈路的衰減值（或者增益值），只有掌握了傳輸鏈路準確的衰減或增益值，衛(wèi)星信號分析系統(tǒng)才能從頻譜儀中讀出的數(shù)據(jù)來反推星上信號的EIRP值及PFD值。

2 衛(wèi)星鏈路的組成

衛(wèi)星監(jiān)測鏈路一般是指從監(jiān)測天線口面至接收機輸入口之間的傳輸鏈路，主要由以下幾個部件組成：天線、饋源網(wǎng)絡(luò)、饋源網(wǎng)絡(luò)至LNA的剛性波導(dǎo)、低噪放（LNA）、橢圓波導(dǎo)、矩陣開關(guān)、同軸電纜等。

根據(jù)天線及傳輸鏈路的現(xiàn)場安裝情況（以國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站為例），結(jié)合測試的可行性及可靠性，將衛(wèi)星鏈路的校準測量分成三個模塊，分別是：天線增益的校準測量，饋源波導(dǎo)的校準測量，LNA至頻譜儀輸入口之間傳輸鏈路的校準測量。

3 天線增益測量

天線增益的測量常用方法有：射電源法、信標塔法、衛(wèi)星源法、波束寬度法等。波束寬度法由于其操作的便利性，且相比于其他測量增益的方法，不需要添置其他的儀器設(shè)備。更多的測量儀器的使用將帶來更多的不確定因素，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的測量誤差更大[3]，而波束寬度法利用現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)備和衛(wèi)星信標來畫出天線主瓣的方向圖，且波束寬度的是個相對值（測量值的差值），而非測量的絕對值（測量值），相對值可以有效消除因為監(jiān)測系統(tǒng)的固有特性帶來的測量值的偏差[2]，也是減少測量誤差的有效手段之一。

波束寬度法原理是通過測量天線主瓣方向圖的3dB波束寬度、10dB波束寬度、天線表面精度和饋源插入損耗，從而計算天線增益的方法。國際衛(wèi)星組織的SSOG 210標準中，通過對地面站天線進行理論研究和實驗分析，給出了用天線波束寬度測量天線增益的原理公式：

式中，AZ3，EL3分別表示方位方向圖和俯仰方向圖的3dB波束寬度；AZ10，EL10分別表示方位方向圖和俯仰方向圖的3dB波束寬度；Floss表示饋源插入損耗，該值一般是在天線出廠時通過實驗測量獲得的，在C頻段饋源插入損耗為0.02～0.03d B，在Ku頻段約為0.3dB；R loss表示天線表面公差引起的增益損耗，其增益損耗詳見公式（3）：

深圳站13m天線的單塊天線表面公差為0.4mm，天線塊組裝后因安裝產(chǎn)生的公差為0.8mm，整個天線的表面公差為0.8mm，代入公式（3）可知，在C頻段其公差損耗約為0.08dB，在標準Ku頻段其公差損耗約為0.68dB。

3.1 天線方向圖的測量

步驟如下：

⊙ 利用衛(wèi)星信標，驅(qū)動待測天線的方位和俯仰，使待測天線與衛(wèi)星對準，并調(diào)整待測天線極化與衛(wèi)星極化匹配，此時頻譜儀接收的衛(wèi)星信標電平最大。

⊙ 將頻譜span設(shè)置為零（頻譜儀測方向圖的原理是：當(dāng)頻譜儀的掃描寬度置零時，頻譜儀就變成了時域測試接收機），合理設(shè)置掃描時間。

⊙ 按照一定的角度轉(zhuǎn)動天線，頻譜即可顯示天線在一定角度內(nèi)的方向圖。

⊙ 保存方向圖。

⊙ 多次測量，計算3dB寬度與10dB寬度的平均值。

3.2 波束寬度測量誤差來源

波束寬度的誤差來源如下：

（1）角度測量誤差。當(dāng)天線轉(zhuǎn)動是非勻速轉(zhuǎn)動時，會導(dǎo)致測量的主瓣方向圖變形，導(dǎo)致測量的波束寬度出現(xiàn)偏差，深圳站天線是齒輪轉(zhuǎn)動的，認為其是基本勻速轉(zhuǎn)動的，因此此項誤差可以忽略不計。

（2）頻譜儀采樣誤差。在頻譜儀一個窗口中的方向圖實際上并不是連續(xù)的，它是由離散的601個點組成（以4440A頻譜儀為例），所以操作者在取3dB點和10dB點時會存在一個類似模擬信號數(shù)字化時的取樣誤差。該誤差可以通過減少角度的掃描寬度，以增加頻譜儀對主瓣的采樣點數(shù)，減少取樣誤差，如圖1、圖2所示。

圖1 頻譜儀寬角度采樣

圖2 頻譜儀窄角度采樣

（3）測量帶來的隨機誤差。通過多次測量求平均值可減少該誤差。

3.3 天線增益測量結(jié)果

對所測數(shù)據(jù)進行處理分析后可得13米C頻段天線和13米Ku頻段天線的增益表達式詳見公式（4）、公式（5）：

3.4 天線增益測量誤差評估

利用波束寬度法測量天線增益的主要誤差來源有：波束寬度測量誤差引起的G3和G10誤差，δG3與δG10；天線饋源網(wǎng)絡(luò)插入損耗引起的測量誤差δFloss；反射面精度測量誤差引起的增益測量誤差δRloss。天線系統(tǒng)總的均方根誤差為各部分獨立誤差源的均方根，如公式6所示：

各部分獨立誤差大小及總的均方根誤差大小如表1所示[1]。

表1 天線測量誤差源及總誤差

4 鏈路傳輸增益測量

傳輸鏈路的校準測量主要是指LNA至頻譜儀輸入口之間傳輸鏈路的校準測量。在這段鏈路上存在多個微波器件、傳輸波導(dǎo)及同軸線，各器件的接口處由于阻抗不完全匹配，以及接口轉(zhuǎn)換頭等本身會消耗能量等，會導(dǎo)致對各個器件及傳輸線纜的增益之和不會等于各部分串接在一起時的增益值，將整個鏈路作為一個整體黑盒來測量是更科學(xué)的辦法（見圖3）。

圖3 傳輸鏈路測試框圖

測試步驟如下：

⊙ 將被測鏈路天線對準冷空。將信號源連接波導(dǎo)傳輸鏈路，將信號從LNA耦合端口（該耦合端口在C頻段有40dB衰減，Ku頻段有30dB衰減）輸入。

⊙ 信號源發(fā)射一固定功率固定頻率的單載波信號。

⊙ 將頻譜儀連接波導(dǎo)末端的輸入口（Pin口），記錄輸入功率P1（dBm）。

⊙ 頻譜儀接至開關(guān)矩陣輸出端（Pout口），記錄輸出功率P2（dBm）。待測鏈路的損耗為二者的差值，如公式（7）所示：

4.1 鏈路誤差來源及誤差分析

（1）LNA耦合輸入口的誤差。耦合接口的衰減系數(shù)是30±0.3dB，整個鏈路的增益是測量值加上耦合衰減值，故耦合接口的誤差直接引入了整個傳輸鏈路，誤差值為0.3dB，該誤差無法消除。

（2）傳輸系統(tǒng)噪聲對測量值會造成誤差。頻譜儀接收的信號功率不僅僅是信號源發(fā)送過來的功率，還包括同頻段內(nèi)的噪聲功率，最后在頻譜儀上顯示的功率值（dBm）實際上是在設(shè)定的RBW帶寬內(nèi)所有信號功率和噪聲功率的累積，因此實際的信號功率應(yīng)該是頻譜儀上顯示的功率減去RBW帶寬內(nèi)的噪聲功率，如公式（8）所示。顯然噪聲功率會影響信號功率的測量精度，這是頻譜儀測量功率值的一個誤差來源。

（3）針對此噪聲產(chǎn)生的誤差，減小該誤差的辦法之一是減小噪聲。在鏈路系統(tǒng)中噪聲來源于兩處，一處是鏈路系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，另一處噪聲來源于天線接收的外部噪聲。由于天線輸出端連接到LNA的輸入口，輸入口處的連接非常精密，且安裝在天線背部的一個極小空間內(nèi)，不容易拆卸，若直接拆卸下來可以立即消除外部噪聲的影響，實際情況是很難斷開天線饋源波導(dǎo)與LNA的連接。一個減小噪聲的方法就是將天線對準冷空，盡量減少外部噪聲的輸入；另一個方法是設(shè)置盡量小的RBW帶寬，由于被測信號是單載波信號，減小RBW帶寬對信號功率無任何影響，卻能有效降低噪聲功率，在本次信號測量中所用頻譜儀為RS-FSH18，將RBW設(shè)置為最小（100Hz）。減小噪聲誤差的另一個方法是增大信號的功率，當(dāng)信噪比大于30dB時，噪聲對信號功率值得影響將下降到0.01d B以下。在本次測量中，筆者將信號源發(fā)射功率設(shè)置較大，頻譜儀測到的信噪比在30～35dB左右，這樣就幾乎完全排除了噪聲對信號的影響。

（4）讀數(shù)誤差。該誤差是指頻譜儀測量信號功率是由于受到噪聲以及信號本身功率抖動的影響，導(dǎo)致頻譜儀測到的數(shù)值一直在跳動，不會是一個固定靜止的值，由此帶來讀數(shù)的誤差，該誤差比較大，在實際測量中發(fā)現(xiàn)讀數(shù)最大最小值之間的跳變可達1dB。減小該誤差的方法是設(shè)置頻譜儀的顯示方式為多次平均，這樣可以有效減小功率值的隨機跳動帶來的讀數(shù)誤差。在本次測量中，設(shè)置為10次平均，然后用marker功能長時間觀察讀數(shù)，等最后數(shù)字穩(wěn)定在一個狹小的區(qū)間變化時才開讀數(shù)，該方法讀取的數(shù)值重復(fù)性好，變化范圍不超過0.1dB。最終讀數(shù)誤差控制在0.1dB。

（5）不同測量儀器導(dǎo)致的誤差。在圖4中可知在整個鏈路中需要測試兩個點，在Pin處測量一次，然后再Pout處測量一次，然后二者相減加上耦合衰減值就是鏈路增益。在本次測量中，兩個不同的測量點使用同一個頻譜儀測量，兩值相減后就能有效消除了因頻譜儀不同導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差[2]。

4.2 鏈路測量結(jié)果

鏈路測量增益結(jié)果分為C頻段與Ku頻段結(jié)果，如表2表3所示。

表2 C頻段鏈路測量增益

表3 Ku頻段鏈路測量增益

5 誤差評估與驗證

5.1 衛(wèi)星監(jiān)測鏈路總誤差評估

監(jiān)測鏈路總的誤差由以下四部分組成：天線增益測量產(chǎn)生的誤差，饋源波導(dǎo)的估計誤差，鏈路測量時LNA耦合接口引入的誤差，鏈路測量時的讀數(shù)誤差。系統(tǒng)總的均方根誤差為±0.45dB，誤差控制較好，詳見表4所示。

表4 衛(wèi)星監(jiān)測鏈路誤差

5.2 鏈路校準結(jié)果的驗證

鏈路校準完畢后，需要對實際衛(wèi)星信號測量來檢驗鏈路校準結(jié)果。衛(wèi)星的信標信號通常都非常強而且非常穩(wěn)定，帶寬已知，是單載波信號，非常適合作為驗證信號來驗證?，F(xiàn)以亞太6號信標作為測試信號，亞太6號C頻段信標EIRP為12dBW/Hz，水平線極化，Ku頻段信標EIRP為16dBW/Hz，垂直線極化。測試結(jié)果為C頻段信標為11.6dBW/Hz，Ku頻段信標的測量值為16.3dBW/Hz，與標稱值的差值為-0.4dBW和0.3dBW，測量結(jié)果完全符合誤差評估范圍。

6 結(jié)束語

此次深圳監(jiān)測站的鏈路校準，筆者參考以前的鏈路校準方案，通過大量的工程測量資料查詢研究，以及對現(xiàn)場測試出現(xiàn)的測試問題反復(fù)分析，給出了整個鏈路測試過程中的各種誤差來源及誤差產(chǎn)生原因，提出了減小誤差的方法。該流程方法與以前的粗略測量方式相比，結(jié)果有了很大的改善。校準結(jié)果通過衛(wèi)星信標的驗證性測量，具有較高的可信度，測量誤差在誤差分析評估的允許范圍之內(nèi)，在校準測試中形成的經(jīng)驗和方法對以后的衛(wèi)星鏈路校準測試具有很好的借鑒價值。

[1] 秦順友，許德森．衛(wèi)星通信地面站天線工程測量技術(shù)．北京：人民郵電出版社，2006.

[2] 劉暢，周吉陽，倪正．無線電設(shè)備射頻參數(shù)測量中鏈路校準的不確定評估．移動通信，2010(18).

[3] 倪育才．實用測量不確定度評估．北京：中國質(zhì)檢出版社，北京：中國標準出版社，2014.

Satellite Radio Link Calibration and Its Error Analysis in Shenzhen Station

Zhou Ping1, Wang Wenshuai2, Xiao Xin1, Lin Hui1, Cai Hongyun1
(1. Shenzhen Station of The State Radio Monitoring Center, Shenzhen, 518120; 2. Beijing Station of The State Radio Monitoring Center, Beijing, 100037)

Satellite radio link calibration is an important part of the maintenance of satellite radio monitoring facility , the measurement accu racy is directly related to the confidence level of the EIRP and PFD of signals measured in the satellite. In this paper, take the Shenzhen monitoring station as an example , we have analyzed all kinds of link errors and how much these errors is in detail ,then proposed some methods to reduce these errors.

satellite; link calibration; link errors

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.07.007

TN 92文獻標示碼：A

1672-7274（2014）07-0025-04

周 平，碩士研究生學(xué)歷，國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，助理工程師，主要從事無線無線電監(jiān)測以及衛(wèi)星干擾源上行站定位工作，主要研究方向為天線與微波技術(shù)，信號分析等。

王文帥，碩士研究生學(xué)歷，國家無線電監(jiān)測中心北京監(jiān)測站，助理工程師，主要從事無線電超短波監(jiān)測，衛(wèi)星監(jiān)測等工作，主要研究方向為信號分析，無線電新技術(shù)研究等。

肖 鑫，碩士研究生學(xué)歷，國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，助理工程師，主要從事無線無線電監(jiān)測以及衛(wèi)星干擾源上行站定位工作，主要研究方向為衛(wèi)星通信新技術(shù)研究，盲信號分析等。

林 輝，碩士研究生學(xué)歷，國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，助理工程師，主要從事無線無線電監(jiān)測以及衛(wèi)星干擾源上行站定位工作，主要研究方向為衛(wèi)星監(jiān)測新技術(shù)研究，信號分析等。

蔡鴻昀，本科學(xué)歷，國家無線電監(jiān)測中心深圳監(jiān)測站，助理工程師，主要從事無線無線電監(jiān)測、衛(wèi)星干擾源上行站定位以及衛(wèi)星監(jiān)測設(shè)備維護工作，主要研究方向為衛(wèi)星監(jiān)測新技術(shù)研究，天線技術(shù)研究等。