衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試方法及工程應(yīng)用

王宏兵,薛 峰,劉昌潔

（1.中國人民解放軍61081部隊(duì),北京 100094;2.南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院,天津 300071）

0 引言

衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試是衛(wèi)星有效載荷在軌測試和衛(wèi)星工程系統(tǒng)測試的重要內(nèi)容,目的是檢驗(yàn)衛(wèi)星覆蓋區(qū)是否滿足用戶提出的設(shè)計(jì)研制要求,是否可在設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)為系統(tǒng)用戶提供良好優(yōu)質(zhì)的服務(wù),測試結(jié)果是衛(wèi)星驗(yàn)收交付及用戶使用的重要依據(jù)。

衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)根據(jù)衛(wèi)星天線的不同大致可分為“全球覆蓋”、“區(qū)域覆蓋”、“點(diǎn)波束覆蓋”等幾類。區(qū)別主要體現(xiàn)在覆蓋區(qū)面積和范圍上,對于覆蓋區(qū)測試方法來說,沒有本質(zhì)上的不同。這里重點(diǎn)以區(qū)域覆蓋波束測試來介紹衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試方法。

1 主要評判參數(shù)

衛(wèi)星覆蓋區(qū)范圍直接決定了用戶未來的實(shí)際使用,因此評判衛(wèi)星覆蓋區(qū)性能是否合格主要是看衛(wèi)星覆蓋區(qū)是否能按照工程設(shè)計(jì)要求覆蓋使用范圍,并向終端用戶提供穩(wěn)定良好的服務(wù),即在某指定區(qū)域終端設(shè)備是否能正確接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號,是否能成功轉(zhuǎn)發(fā)該終端設(shè)備發(fā)送的信號。衛(wèi)星覆蓋區(qū)性能主要通過以下幾個(gè)指標(biāo)評判。

（1）出站鏈路

衛(wèi)星應(yīng)用工程中,出站鏈路即地面站發(fā)射出站信號至衛(wèi)星,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號至用戶終端的信號鏈路,主要有2個(gè)評判參數(shù):①衛(wèi)星出站信號等效全向輻射功率EIRPs,由于多數(shù)地面中心站配有大功率高功放和大口徑天線,可以將衛(wèi)星出站轉(zhuǎn)發(fā)器推至飽和工作,因此EIRPs體現(xiàn)了衛(wèi)星出站信號發(fā)射功率性能,直接決定用戶在覆蓋區(qū)接收衛(wèi)星信號的強(qiáng)度;②終端用戶接收誤碼率Pb,該指標(biāo)為終端用戶接收衛(wèi)星系統(tǒng)提供服務(wù)性能的評判指標(biāo)。由于接收誤碼率Pb與接收信號信噪比有直接關(guān)系,一般來說確定的信噪比及信號調(diào)制方式就基本確定了終端用戶的接收誤碼率Pb,而信噪比又與衛(wèi)星發(fā)射EIRPs相關(guān),因此出站鏈路只需進(jìn)行衛(wèi)星發(fā)射EIRPs測試即可。

（2）入站鏈路

衛(wèi)星工程中,入站鏈路即用戶終端發(fā)射信號至衛(wèi)星,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號至地面站的信號鏈路。入站鏈路的主要評判參數(shù)為:衛(wèi)星G/T值。由于終端用戶

多為小信號發(fā)射,該指標(biāo)體現(xiàn)了衛(wèi)星對用戶終端發(fā)射信號無失真放大的能力。

1.1 衛(wèi)星等效全向輻射功率EIRPs

衛(wèi)星等效全向輻射功率EIRPs是指地面站向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射信號,使轉(zhuǎn)發(fā)器處于飽和狀態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)發(fā)器的飽和輸出功率。衛(wèi)星等效全向輻射功率EIRPs的計(jì)算公式為:

式中,PLNA:地面測試設(shè)備低噪聲放大器輸出端口信號電平;DLNA:地面測試設(shè)備低噪聲放大器增益;Ld:衛(wèi)星信號至地面測試設(shè)備天線口面的空間總損耗,包括空間、極化、跟蹤、大氣等損耗;Gear_r:地面測試設(shè)備接收天線增益,包括饋線等損耗;Gso:衛(wèi)星發(fā)射天線波束指向中心增益;Gsi:衛(wèi)星發(fā)射天線在地面測試點(diǎn)增益。

從公式（1）可以看出:由于衛(wèi)星天線在不同地點(diǎn)的增益不同,因此覆蓋區(qū)測試時(shí),不同測試地點(diǎn)的測得的衛(wèi)星等效全向輻射功率EIRPs不同。

1.2 衛(wèi)星G/T值

衛(wèi)星品質(zhì)因數(shù)（G/T）是指衛(wèi)星接收天線到轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端的增益G與轉(zhuǎn)發(fā)器輸入端的噪聲溫度T之比。G和T要求都等效到設(shè)備的同一個(gè)測試點(diǎn)上。

式中:

C/N0:由公式（3）計(jì)算得到

EIRPe:地面站發(fā)射信號功率;

Lu:地面站發(fā)射信號至衛(wèi)星接收天線口面的上行總損耗,包括空間、極化、跟蹤、大氣等損耗;

[K]≈-228.6dBW/（kHz）:玻爾茲曼常數(shù);

（Gso-Gsi）:衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器波束指向中心與測試點(diǎn)之間的差值;

（C/N0）d:下行載噪比;

（C/N0）u:上行載噪比;

C/N0:下行總載噪比。

2 測試方法

工程應(yīng)用中,衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試主要采用2種方法進(jìn)行。①移動測試方法。保持衛(wèi)星正常姿態(tài)不變,有效載荷正常工作,地面測試設(shè)備從衛(wèi)星有效覆蓋區(qū)選取若干測試點(diǎn)進(jìn)行測試,根據(jù)測試結(jié)果繪制衛(wèi)星覆蓋區(qū)范圍,評估覆蓋區(qū)是否符合用戶的實(shí)際使用要求。該方法為衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試的常規(guī)方法;②衛(wèi)星姿態(tài)偏置測試方法。該方法是地面移動測試方法的延伸,通過使衛(wèi)星平臺姿態(tài)偏置改變衛(wèi)星天線波束指向,從而間接改變衛(wèi)星覆蓋區(qū)范圍,在衛(wèi)星覆蓋區(qū)改變后,采用地面移動測試方法繪制衛(wèi)星覆蓋區(qū)范圍,再通過理論計(jì)算推算衛(wèi)星恢復(fù)至正常姿態(tài)時(shí)的實(shí)際覆蓋區(qū)范圍。該方法主要應(yīng)用于地面移動測試無法到達(dá)或不宜測試的情況。

2.1 測試設(shè)備組成

衛(wèi)星覆蓋區(qū)參試,設(shè)備包括地面站、監(jiān)測站、移動測試設(shè)備、測試儀器等,如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試設(shè)備組成示意圖

地面站主要承擔(dān)衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試時(shí)出站信號的發(fā)射、入站信號的接收與測量,負(fù)責(zé)測試期間衛(wèi)星有效載荷的管理、調(diào)度、狀態(tài)監(jiān)測,負(fù)責(zé)完成遙測信號的接收處理和遙控指令的發(fā)射。

監(jiān)測站分布于衛(wèi)星覆蓋區(qū)的不同位置,負(fù)責(zé)接收測量衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的地面站發(fā)送的出站信號,并向衛(wèi)星發(fā)射入站信號。

移動測試設(shè)備包括用戶終端設(shè)備與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī),功能任務(wù)與監(jiān)測站基本相同,但其具備靈活的機(jī)動性,可在任意預(yù)定的測試特征點(diǎn)完成測試任務(wù)。

測試儀器主要包括頻譜儀、信號源、功率計(jì)等。

地面站、監(jiān)測站和移動測試設(shè)備在參加測試前需要對其鏈路增益及損耗進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定。

2.2 地面移動測試法

在使用地面移動測試方法進(jìn)行衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試前,首先根據(jù)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器天線設(shè)計(jì)及測試結(jié)果,通過仿真、理論計(jì)算,繪制衛(wèi)星覆蓋區(qū)的設(shè)計(jì)范圍,初步確定覆蓋區(qū)中心點(diǎn)及其邊緣;再沿此衛(wèi)星覆蓋區(qū)等值曲線切線方向,自中心點(diǎn)至邊緣選取若干個(gè)典型測試特征點(diǎn)。

衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試時(shí),地面站與移動測試設(shè)備構(gòu)成出入站信號鏈路,采用互發(fā)互收信號的方式進(jìn)行,如圖2所示。首先,地面站向衛(wèi)星發(fā)出站信號,將衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器推至飽和點(diǎn)工作。移動測試設(shè)備從覆蓋區(qū)中心地區(qū)開始進(jìn)行測試。已知地面站發(fā)射EIRPe,移動測試設(shè)備接收衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的出站信號,通過單載波測量或電平載噪比估值方式測量接收信號電平強(qiáng)度,利用公式（1）計(jì)算得到衛(wèi)星等效全向輻射功率EIRPs。通過衛(wèi)星發(fā)射EIRPs參數(shù)的符合情況評判該點(diǎn)是否滿足用戶技術(shù)要求,確定該點(diǎn)是否屬于出站信號服務(wù)區(qū)范圍。當(dāng)測量結(jié)果低于指標(biāo)要求時(shí),則認(rèn)為該點(diǎn)已出覆蓋區(qū)。

圖2 衛(wèi)星覆蓋區(qū)移動測試法設(shè)備組成示意圖

移動測試設(shè)備向衛(wèi)星發(fā)射入站信號,地面站接收信號并通過單載波或電平估值方式估算衛(wèi)星發(fā)射信號EIRPs,及地面天線接收冷、熱噪聲,利用式（2）、式（3）計(jì)算得到衛(wèi)星G/T值。通過衛(wèi)星G/T值測量結(jié)果的符合情況評判該點(diǎn)是否滿足用戶服務(wù)要求,確定該點(diǎn)是否屬于入站信號服務(wù)區(qū)范圍。當(dāng)測量結(jié)果低于指標(biāo)要求,則認(rèn)為該點(diǎn)已出覆蓋區(qū)。

依次測量各測試特征點(diǎn),找出衛(wèi)星覆蓋區(qū)邊緣位置,并通過測試結(jié)果繪制出衛(wèi)星覆蓋區(qū)閉合曲線。測試結(jié)果與衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)要求的覆蓋區(qū)范圍進(jìn)行一致性比對,評估衛(wèi)星覆蓋區(qū)性能是否滿足要求。

2.3 衛(wèi)星姿態(tài)偏置測試法

衛(wèi)星姿態(tài)偏置測試法是利用主動改變衛(wèi)星覆蓋區(qū)范圍,將覆蓋區(qū)從不便于測試的地區(qū)（如海上、境外等）移至利用測試的地區(qū)進(jìn)行測試,測試過程與地面移動測試方法相同。

在利用衛(wèi)星姿態(tài)偏置測試方法進(jìn)行衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試前,為使衛(wèi)星通過姿態(tài)偏置的方式使覆蓋區(qū)指向選定的測試特征點(diǎn),需要根據(jù)特征點(diǎn)位置和天線波束指向的設(shè)計(jì)位置來計(jì)算衛(wèi)星俯仰角偏置（Δθ）和滾動角偏置（Δβ）。考慮到姿態(tài)偏置控制需要消耗星上燃料,測試特征點(diǎn)不能選擇過多。偏置姿態(tài)角的簡化計(jì)算公式如下:

式中,λ1、?1為需要進(jìn)行測試的特征點(diǎn)經(jīng)度和緯度;λ0、?0為理論設(shè)計(jì)的天線波束指向中心點(diǎn)的經(jīng)度和緯度;r為地球半徑;H為衛(wèi)星距離地面的高度。

地面站測控系統(tǒng)按照計(jì)算得到的衛(wèi)星偏置姿態(tài)角,向衛(wèi)星發(fā)射控制指令,控制衛(wèi)星天線波束指向測試特征點(diǎn)。衛(wèi)星偏置完成后,采用地面移動測試方法,選取多個(gè)測試特征點(diǎn)進(jìn)行出站鏈路衛(wèi)星等效全向輻射功率EIRPs測試,入站鏈路衛(wèi)星G/T值測試。

測試結(jié)束后,繪制出衛(wèi)星覆蓋區(qū)閉合曲線,并推算衛(wèi)星不偏置狀態(tài)下的覆蓋區(qū),將結(jié)果與衛(wèi)星理論覆蓋區(qū)范圍進(jìn)行一致性比對,評估衛(wèi)星實(shí)際覆蓋區(qū)性能是否滿足要求。全部測試結(jié)束后,地面站發(fā)遙控指令,恢復(fù)衛(wèi)星正常工作姿態(tài)。

2.4 2種測試方法對比

2種衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試方法各有特點(diǎn),在工程中均有廣泛的應(yīng)用。

地面移動測試方法,操作簡單,技術(shù)要求低,不會對衛(wèi)星正常工作產(chǎn)生影響,也不會影響系統(tǒng)工作的正常進(jìn)行;但需要選取衛(wèi)星覆蓋區(qū)的多個(gè)特征點(diǎn)位,選取點(diǎn)位的數(shù)量與覆蓋區(qū)范圍相關(guān),一般不少于十點(diǎn),因此測試周期較長,需要消耗大量人力和財(cái)物資源,同時(shí)會出現(xiàn)測試點(diǎn)位地理位置不在國內(nèi)或者不適合移動測試等因素影響測試,造成關(guān)鍵點(diǎn)位無法測到。

衛(wèi)星姿態(tài)偏置方法,是地面移動測試方法的有效補(bǔ)充,可以很好地解決衛(wèi)星覆蓋區(qū)在海上或境外的不利于測試的問題,測試方法比較方便靈活,同時(shí)降低了測試成本和時(shí)間,不受外場測試環(huán)境制約,提高了測試效率;但該方法需要對衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,會消耗衛(wèi)星燃料,同時(shí)測試期間由于衛(wèi)星覆蓋區(qū)的變化會對系統(tǒng)正常工作造成一定的影響或中斷。

3 工程應(yīng)用

在某型號衛(wèi)星的覆蓋區(qū)測試中,將2種測試方法很好地結(jié)合起來共同完成了該星的覆蓋區(qū)測試。由于該衛(wèi)星覆蓋區(qū)中心在東南沿海地區(qū),自覆蓋區(qū)中心向西,大部地區(qū)為我國內(nèi)陸范圍,可采用地面移動測試方法完成陸地范圍內(nèi)的測試。向東由于覆蓋區(qū)大部位于海上,采用出海測試成本高,時(shí)間過長,因此利用衛(wèi)星姿態(tài)偏置測試方式,將衛(wèi)星覆蓋區(qū)中心向西偏移500km左右,將位于海上的覆蓋區(qū)大部分移至陸地,在結(jié)合地面移動測試方法,高效地完成了衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試。

測試根據(jù)理論覆蓋區(qū)范圍選取了十幾個(gè)測試特征點(diǎn),即包括覆蓋區(qū)中心,也包括邊緣地區(qū)。通過對每個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行出站鏈路和入站鏈路的2個(gè)參數(shù)測試,根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了衛(wèi)星實(shí)際覆蓋區(qū)范圍。測試結(jié)果表明:利用2種測試方法結(jié)合,可以有效地完成對衛(wèi)星覆蓋區(qū)的測試,測試結(jié)果更好地真實(shí)反映了衛(wèi)星實(shí)際覆蓋區(qū)范圍。

4 結(jié)束語

從工程實(shí)踐來看,將地面移動測試方法與衛(wèi)星姿態(tài)偏置方法結(jié)合起來進(jìn)行衛(wèi)星覆蓋區(qū)測試可以取得較好的測試結(jié)果與效率,通過測量出站鏈路衛(wèi)星發(fā)射EIRPs及入站鏈路衛(wèi)星G/T值,可以較為準(zhǔn)確地評估衛(wèi)星實(shí)際的覆蓋區(qū)范圍,有效提高測試的準(zhǔn)確性。

[1]徐福祥.衛(wèi)星工程[M].北京:中國宇航出版社,2004.

[2]劉旭東.衛(wèi)星通信技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.

[3]李建成,余培軍,安錦文.基于姿態(tài)偏置的衛(wèi)星天線方向圖在軌測試實(shí)現(xiàn)[J].飛行器測控學(xué)報(bào),2006,25（2）:44-47.

[4]溫日紅,潘穎.同步衛(wèi)星有效載荷G/T值在軌測試方法[J].無線電工程,2005,35（1）:33-34.