載噪比直接法測量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值的精度研究

陶憶雪，劉 宸，李琴琴

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

0 引言

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的G/T 值即接收系統(tǒng)天線增益（G）與噪聲溫度（T）之比，是衡量衛(wèi)星接收和轉(zhuǎn)發(fā)性能的重要指標(biāo)，是衛(wèi)星通信設(shè)計的重要依據(jù)之一。因此，研究衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值的測量方法及其測量精度，具有重要的現(xiàn)實意義。

當(dāng)前，地面站G/T 值的測量主要有三種方法，即直接法［1-4］、間接法［5-7］和載噪比直接法［8-11］。其中，載噪比直接法最為簡單、方便且測量的重復(fù)性強。本文參考國內(nèi)學(xué)者利用載噪比直接法測試同步衛(wèi)星有效載荷G/T 值的方法［12］，將測量地面站G/T 值的載噪比直接法推廣到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值的測量上，對測試方法和過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并針對大氣損耗、天線方向跟蹤誤差等損耗測量精度進(jìn)行研究。

1 測量原理和方法

圖1 為利用載噪比直接法測量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值的典型方框圖。按照圖1 所示，使系統(tǒng)設(shè)備工作正常。依據(jù)給定的測試頻率、極化及等效全向輻射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），由地面發(fā)射站發(fā)射一個單載波，使接收站天線對準(zhǔn)衛(wèi)星（實際測試過程中，發(fā)射和接收共用一副天線），并調(diào)整接收天線極化使之與衛(wèi)星極化匹配。

圖1 載噪比直接法測量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值的典型方框圖

衛(wèi)星通信線路多載波時的噪聲分布的等效電路如圖2 所示。其中，上行熱噪聲包括衛(wèi)星接收系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲，而下行熱噪聲包括地球站接收系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲。圖中，將噪聲歸算到有關(guān)點，因而傳輸信道、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器及地球站接收機都認(rèn)為是理想的，也就是它們本身已不再產(chǎn)生噪聲。在此只研究發(fā)射單載波的工作情況，因此可不考慮互調(diào)噪聲，即認(rèn)為N1=0。

圖2 測試鏈路等效電路圖

假設(shè)上行信道的熱噪聲為NU，上行信號和熱噪聲經(jīng)過理想轉(zhuǎn)發(fā)器到達(dá)2 號點后，信號功率和噪聲功率分別為C2和N2：

式中：EIRPe為地面站發(fā)射信號的等效各向同性輻射功率，LU為上行自由空間傳播損耗，；d為地面站到衛(wèi)星的距離，λU為上行信號工作波長，GS為理想轉(zhuǎn)發(fā)器的增益，k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380 54×10-23(J/K)；TS為等效噪聲溫度，BS為等效噪聲帶寬。

利用式（1）、式（2）可以得到信號經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器到達(dá)2 號點時載噪比CNRS為

進(jìn)而可以得到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值的計算公式：

用分貝表示為

式中：〈k〉=-228.6 dBW/K·Hz。

假設(shè)下行信道的熱噪聲功率為ND，信號和衛(wèi)星產(chǎn)生熱噪聲經(jīng)過理想下行信道和理想接收信道，到達(dá)天線后端頻譜儀（3 號點），此時通過頻譜儀測量的信號與噪聲功率之和C0為

GR為折算到頻譜儀入口處的接收信道增益。

結(jié)合式（7）、式（8），有：

為了便于計算，采用載波功率與等效噪聲功率譜密度之比G/n替換載噪比，這樣可以把帶寬因素去除，式（9）和式（5）可分別改寫為

當(dāng)EIRPe足夠大時，通過頻譜儀測量得到的載波功率C3≈C0；停止發(fā)送上行信號，利用接收天線場放后端頻譜儀（3 號點）示數(shù)可以計算得到n3的測量值；將發(fā)射天線置頂，利用接收天線場放后端頻譜儀（3 號點）示數(shù)可以計算得到nD的測量值。

2 誤差分析與估計

2.1 大氣損耗La

電波在大氣中傳輸時，會受到電離層中自由電子和離子的吸收，受到對流層中氧分子、水蒸氣分子和云、霧、雨、雪等的吸收和散射，從而形成損耗。這種損耗與電波的頻率、波束的仰角以及天氣好壞有密切關(guān)系。

在0.3～10 GHz 頻段，大氣損耗最小，比較適合電波穿出大氣層的傳播，并且大體上可以把電波看作是自由空間傳播。

目前應(yīng)用最為廣泛的是4/6 GHz（下行頻率/上行頻率）頻段，表1 是華盛頓8 月間典型氣象條件為基礎(chǔ)的理論損耗值［13］。

表1 4/6 GHz 時大氣引起的損耗

由表1 可以看出，當(dāng)衛(wèi)星仰角大于等于10.0°時，大氣損耗La在0.03～0.15 dB，天線出廠測試指標(biāo)為La=0.08 dB，與上述指標(biāo)范圍一致。因而本文采信0.08 dB 的出廠測試指標(biāo)。

2.2 天線方向跟蹤誤差LTr

地球站天線在實際跟蹤過程中，由于跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度等原因，天線的指向常常偏離理論方向。對于C 波段信號發(fā)射天線，天線波束一般較窄，因而真正在衛(wèi)星方向上的天線增益往往不是天線增益的最大值，這相當(dāng)于使信號受到了損耗。這種天線方向跟蹤誤差損耗LTr可以定義為

式中：G(θ)為地球站發(fā)射（或接收）天線的功率增益方向圖函數(shù)，θ為天線增益最大值方向與衛(wèi)星方向的偏離角；G(0)為天線增益最大值方向的功率增益。通常G(θ)可近似［5］表示為

式中：θ1/2為天線發(fā)射波束的3 dB 角度。所以：

實測過程中，天線發(fā)射波束的3 dB 角度為0.243 °，天線的跟蹤誤差約為0.04 °。故發(fā)射天線天線方向跟蹤誤差為

用dB 表示為〈LTr〉≈0.326 dB。

3 測試實例

由前面討論的值方程G/T 及誤差分析，可將式（11）改進(jìn)為

2021 年7 月1 日至3 日，筆者在北京利用13 m拋物面天線對某GEO 衛(wèi)星開展了連續(xù)50 次C/C 轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值測試，某單次測試結(jié)果如表2 所示。

表2 單次測試的典型參數(shù)值

衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的G/T 值出廠測試值為-5.88 dB/K，50次測試平均結(jié)果為-5.97 dB，與理論值相差0.09 dB?？紤]到測試設(shè)備和測試鏈路的標(biāo)校誤差，兩者吻合度較高。

4 結(jié)語

本文將測量地面站G/T 值的載噪比直接法推廣到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器G/T 值的測量上，對測試的信道鏈路進(jìn)行了建模，并針對大氣損耗和天線方向跟蹤誤差進(jìn)行了分析，最后給出了測試實例。測試結(jié)果表明，該方法的測試精度較高，且測試方法簡單易行，對于從事衛(wèi)星測試相關(guān)工程的技術(shù)人員具有較高的參考價值。