高功放改造論證

【摘要】在衛(wèi)星導航地面應用系統(tǒng)中，高功放設備承擔著出站信號放大的重要任務，直接關系著該系統(tǒng)的正常工作和穩(wěn)定運行。針對系統(tǒng)使用的速調管高功放壽命到期、故障率高、維修費用高等問題，對高功放改造與接入系統(tǒng)相關技術進行了分析研究，主要包括功放選型論證分析、功放接入方案設計及關鍵技術等內容。通過研究實現了固態(tài)高功放接入系統(tǒng)使用，提高了該衛(wèi)星導航地面應用系統(tǒng)可靠性。

【關鍵詞】地面應用系統(tǒng)；高功放；接入；時延

1.引言

高功放承擔著衛(wèi)星導航地面控制系統(tǒng)出站信號放大的重要任務，其性能狀態(tài)直接關系著系統(tǒng)的正常工作和穩(wěn)定運行。但通過長期工作運行發(fā)現，原有的速調管高功放存在以下幾個缺點：可靠性低，故障率高，維修周期長，維修成本較高；維護困難，噪音和散熱量大，需要專業(yè)的散熱維護；耗電量大，沒有充分使用全部資源。

針對上述問題，本文進行了固態(tài)高功放接入系統(tǒng)相關技術研究，主要包括功放選型論證分析、功放接入方案設計等內容。通過研究實現了固態(tài)高功放接入系統(tǒng)，無論單機還是整體都提高了該衛(wèi)星導航地面應用系統(tǒng)的可靠性。

2.功放改造需考慮的問題

由于原有速調管高功放和新型固態(tài)功放在外部結構上和硬件構成上存在很大的差別，所以在高功放改造之前必須考慮以下點問題。

（1）供電問題

為保障替換下速調管功放能夠定期加電維護檢查，替換后為其保留原有供電，固態(tài)功放使用另外安裝的UPS線路供電，供電線路直接從UPS供電機柜接出。

（2）連接波導問題

固態(tài)功放的安裝利用現有的高功放設備機柜，將速調管功放放在原機柜上位置整體下移，固態(tài)功放安裝在速調管功放上部，由于固態(tài)功放與速調管功放輸出口波導連接方式和位置均不同，需要重新定制波導進行匹配，使用新定制波導替換下原功率合路器前端的連接波導。

（3）通風問題

原有的速調管功放機柜上安裝了進風通道和排風通道，由于固態(tài)功放工作溫度較低，基本不需要外接冷卻風道，使用連接軟管連接固態(tài)功放排風口和速調管風道進行排風。

（4）監(jiān)控問題

改造后的高功放設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)利用原高功放的監(jiān)控系統(tǒng)改造完成。在原監(jiān)控系統(tǒng)中，速調管高功放的遠程監(jiān)控系統(tǒng)已比較成熟，并經過了實踐檢驗，此部分不需要大的改動。新監(jiān)控系統(tǒng)中需加入固態(tài)功放遠程監(jiān)控，此項工作需對地面應用系統(tǒng)的操作機、監(jiān)控服務器及相關軟件進行部分改造，從而實現固態(tài)功放的監(jiān)視數據和控制命令與射頻機房遠程監(jiān)控的互聯。速調管高功放與固態(tài)功放的主備切換功能的實現仍然利用現有的高功放控制器控制完成。

（5）時延修正問題

由于速調管功放和固態(tài)功放的設備時延存在差異，這就會影響到系統(tǒng)的定時和定位精度，更換功放后需要對系統(tǒng)時延進行修改，所以在替換前應測得速調管功放和固態(tài)功放的設備時延差異。

3.功放選型論證分析

通過實際運行情況看，速調管高功放輸出功率余量較大，但存在故障率高、維修周期長、運行環(huán)境要求高、維護費用高、用電量大等缺點，影響了系統(tǒng)可靠性。綜合可靠性、維護費用、用電量等因素進行了高功放的選型，相比較固態(tài)功放有故障概率低、不需要預熱、設備環(huán)境要求低、維護保養(yǎng)方便、節(jié)約電能等優(yōu)點，考慮選擇固態(tài)功放進行速調管高功放的更換工作，下面通過幾個方面對固態(tài)高功放和速調管高功放進行比較。

（1）可靠性

原來系統(tǒng)1個波束采用兩臺速調管高功放1：1備份，由于速調管高功放連續(xù)長時間工作，設備已到壽命末期、器件老化、增益降低、故障頻發(fā)，系統(tǒng)可靠性逐漸降低。現階段速調管高功放的可靠性只有95%左右，兩臺互為備份的速調管高功放的可靠性為1-（1-95%）2=99.75%左右。而固態(tài)高功放的可靠性為99.8%左右，更換后使用固態(tài)高功放替換1臺速調管高功放，固態(tài)功放與速調管高功放相互備份的可靠性為1-（1-99.8%）×（1-95%）=99.9%。由此可見，無論從單機還是整體上使用固態(tài)功放進行速調管高功放的更換都可以提高系統(tǒng)可靠性。

（2）用電量

3000W速調管高功放工作時用電量為11度/小時左右，400W固態(tài)功放工作時用電量為3度/小時左右，使用固態(tài)功放替換速調管高功放每臺每小時可節(jié)電8度左右，一年節(jié)省耗電28萬余度。

（3）故障概率和維修費用

速調管高功放連續(xù)長時間工作，且又到壽命末期，故障率較高，而每次維修大約需人民幣5萬元，系統(tǒng)每年速調管高功放維修費用都在20萬元以上，進風口空調、發(fā)射機房空調每年兩次清潔維護費用也在1萬元以上。而固態(tài)功放運行穩(wěn)定，工作時設備溫度比較低，對環(huán)境要求較低，能夠節(jié)約機房空調維護費用近萬元。

4.功放接入方案設計

固態(tài)高功放接入系統(tǒng)本著不改變原有速調管高功放設備布局結構和不影響系統(tǒng)正常工作的原則，采用1臺固態(tài)功放替換原來速調管高功放設備的A套，形成速調管高功放B套與固態(tài)功放1：1的備份形式，固態(tài)功放接入系統(tǒng)設備連接如圖1所示。更換后，高可靠性的固態(tài)功放主用，速調管高功放備份。當固態(tài)功放出現故障或功率不夠（大雨、大雪、衛(wèi)星轉發(fā)器因老化而增益不夠）時，再切換到備份的速調管高功放作為主用。這樣既可以發(fā)揮固態(tài)功放穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，同時也發(fā)揮了速調管高功放功率大、增益高的優(yōu)勢，從而保證了地面應用系統(tǒng)的高可靠性。

5.關鍵技術實現

5.1 系統(tǒng)注入時延修改補償

由功放時延差異引起的對注入時延進行修改涉及到多個基準時延表的修改，包括系統(tǒng)注入雙向基準時延表、發(fā)射信道時延差異表、單向時延修正表和單向定時時延基準表等修改。

（1）系統(tǒng)雙向時延基準修改

要將衛(wèi)星導航系統(tǒng)1、2、3、4波束A套高功放更換為固態(tài)功放，需要對系統(tǒng)注入的發(fā)1、發(fā)2、發(fā)3、發(fā)4波束的所有雙向基準時延進行修改。

（2）發(fā)射信道時延差異修改

因為1、2、3、4波束A套高功放更換為固態(tài)功放，系統(tǒng)注入基準時延進行了調整，發(fā)射信道涉及到的功放主備差異也要進行相應調整。在使用固態(tài)功放主用時，變頻器、發(fā)射終端主備時延差異不變。在使用B套速調管主用工作時，B套速調管高功放時延相對于原A套速調管高功放時延的修正值為。A套高功放更換為固態(tài)功放后，B套速調管高功放時延相對于A套固態(tài)功放時延的修正值為，因而得出。

（3）系統(tǒng)單向時延基準修改

在系統(tǒng)單向定時過程中，需要扣除設備單向時延。設備單向時延包含系統(tǒng)單向時延基準值、出站轉發(fā)器時延和定時設備的單向時延，這個值存儲在定時設備中。由于1波束高功放1A更換為固態(tài)功放，致使系統(tǒng)單向時延發(fā)生變化，為此必須對所有單向定時設備存儲的設備單向時延進行調整，相應減小18ns。對于單向定時用戶以公函形式通知進行相應修改。

（4）系統(tǒng)單向時延修正修改

系統(tǒng)各波束的單向時延是以1波束設備全A為基準修正的，現在高功放1A更換為固態(tài)功放，時延較原速調管高功放減小18ns，所以其他波束和1波束功放主備組合狀態(tài)下的單向時延修正值需要進行調整。

a.1A高功放使用固態(tài)功放后，基準單向時延相應減小18ns，當1B速調管高功放主用時，與發(fā)射信道時延差異修改相同，新的單向時延時延修正等于原單向時延時延修正加上固態(tài)功放與速調管高功放的時延差異值18ns。

b.如果2、3、4波束A套仍使用原來速調管高功放，由于1A單向基準時延減小18ns，單向時延時延修正值等于原單向時延時延修正值加上1A固態(tài)功放與速調管高功放的時延差異值18ns。現在2、3、4波束A套更換成固態(tài)功放，則有新的單向時延時延修正值等于原單向時延時延修正值加上1A固態(tài)功放與速調管高功放的時延差異值18ns，再減去相應功放間的時延差值。

c.在2、3、4波束使用B套速調管高功放主用時，新的單向時延時延修正等于原單向時延時延修正加上1A固態(tài)功放與速調管高功放的時延差異值18ns。

d.系統(tǒng)其余波束沒有進行高功放的更換，新的單向時延時延修正值等于原單向時延時延修正加上1A固態(tài)功放與速調管高功放的時延差異值18ns。

5.2 低耗電纜時延差異補償

根據固態(tài)功放比速調管高功放時延小的實際情況，采用串接電纜的方式解決了時延差異問題，即在固態(tài)功放輸入口接入低耗電纜來補償與原速調管高功放間的時延差異。定制的電纜時延與衰減如表2。

由表1和表2可知補償后時延差異最大為0.4ns，鑒于系統(tǒng)測距精度可認為0.4ns沒有差別，即接入的電纜實現了固態(tài)功放與原速調管高功放間時延差異的補償。但時延補償的同時引入了衰減，通過減小上變頻器的衰減值，使固態(tài)功放保持原有功率輸出并有一定的上調空間。

綜上分析，如果采用修改系統(tǒng)注入時延的方法來解決功放接入后的時延差異問題，需要分別修改系統(tǒng)單向時延基準值、雙向時延基準值、發(fā)射信道時延修正表和單向時延修正表，特別是單向時延基準值的修改還涉及到所有的單向定時設備的設置調整。而采用低耗電纜的補償方法使得補償后固態(tài)功放加電纜時延與原速調管高功放的時延基本相同，從而能夠繼續(xù)使用系統(tǒng)當前注入時延，因此高功放接入實施過程中采用低耗電纜來進行固態(tài)功放的時延差異補償。

6.應用情況

通過固態(tài)高功放改造與接入系統(tǒng)技術研究，由原先采用的兩臺速調管高功放互為主備模式更換為速調管與固態(tài)功放互為主備模式，無論單機還是整體都使該地面應用系統(tǒng)功放設備的可靠性得到很大程度提高。固態(tài)功放投入使用以來，沒有出現任何故障，也確保了該系統(tǒng)的定位精度，并且更換后每臺固態(tài)功放相比速調管功放每年節(jié)省7萬余度電，在提高可靠度的同時做到了節(jié)能。同時，該研究對于其它系統(tǒng)新型高功放選型、改造和接入使用具有重要參考價值。

參考文獻

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