地面站Ka 頻段G/T 值測(cè)量方法研究

盛保印

(西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

航天測(cè)控地面站的品質(zhì)因數(shù)(Gain/noise Temperature，G/T)是地面站的一個(gè)重要系統(tǒng)指標(biāo)，G/T 值越大則接收天線增益G 越高，系統(tǒng)等效噪聲溫度T 越低，表示系統(tǒng)的接收靈敏度越高[1]。G/T 值的測(cè)量方法一般有對(duì)標(biāo)校塔法、對(duì)射電星法和對(duì)同步星驗(yàn)證法。近年來(lái)國(guó)內(nèi)新建了一批12 m 口徑地面站用于低軌衛(wèi)星Ka 頻段高速數(shù)據(jù)接收，工作頻率范圍為25 GHz～27.5 GHz，大部分站點(diǎn)均不具備G/T 值測(cè)量條件。用對(duì)標(biāo)校塔法測(cè)量，在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件且仰角大于3°的條件下，架標(biāo)的距離要大于26.4 km 且高度大于1 381 m，大部分的站點(diǎn)均無(wú)法找到合適的架標(biāo)地點(diǎn)。利用射電星作為射頻噪聲源，采用Y 因子法測(cè)量可用于系統(tǒng)G/T 值的測(cè)量，但在北半球無(wú)法找到既可觀測(cè)到且在Ka 頻段的流量又能滿足12 m口徑天線G/T 值測(cè)量要求的射電星。采用同步衛(wèi)星法可對(duì)G/T 值進(jìn)行驗(yàn)證，但Ka 頻段低軌衛(wèi)星的頻率與高軌同步衛(wèi)星的頻率不一致，該方法同樣無(wú)法采用。因此用于低軌衛(wèi)星Ka 頻段數(shù)據(jù)接收的地面站均存在G/T 值無(wú)法進(jìn)行有效測(cè)量的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)工業(yè)用無(wú)人機(jī)在懸停精度、載荷重量及飛行時(shí)間等方面均有較大的提升，因此可考慮利用無(wú)人機(jī)搭載信標(biāo)源和寬波束標(biāo)準(zhǔn)增益天線懸停至滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的空域進(jìn)行Ka 頻段G/T 值的測(cè)量。

利用無(wú)人機(jī)測(cè)量Ka 頻段G/T 值需要考慮無(wú)人機(jī)懸停精度和信標(biāo)源受高低空溫差導(dǎo)致的輸出信號(hào)功率變化的影響。同時(shí)傳統(tǒng)的G/T 值計(jì)算公式?jīng)]有考慮大氣衰減的影響，只適用于工作頻段低于10 GHz 且對(duì)塔距離較近的系統(tǒng)，但是頻率范圍在25 GHz～27.5 GHz 的Ka 頻段大氣吸收損耗在第一峰值附近，且信標(biāo)源離地面站距離遠(yuǎn)，因此大氣吸收損耗不可忽略。本文給出了利用無(wú)人機(jī)測(cè)量對(duì)上述各種影響因素進(jìn)行了分析計(jì)算，給出無(wú)人機(jī)測(cè)量Ka 頻段G/T 值法的一種帶誤差修正的計(jì)算公式，對(duì)上述各種影響因素進(jìn)行了分析計(jì)算，在天線試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 測(cè)量方法

圖1 為利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)測(cè)量地面站Ka 頻段G/T 值的框圖。

圖1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)測(cè)量地面站Ka 頻段G/T 值框圖

無(wú)人機(jī)懸停在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件和仰角的預(yù)定位置，經(jīng)過(guò)指向修正后的地面站接收天線根據(jù)計(jì)算出的目標(biāo)角度并指向無(wú)人機(jī)，若地面站天線指向精度不夠，可在平臺(tái)上安裝一個(gè)S 頻段信標(biāo)源當(dāng)做引導(dǎo)信號(hào)。信標(biāo)源發(fā)出一個(gè)Ka 頻段單載波信號(hào)，頻譜儀接至Ka 和路中頻輸出口，通過(guò)頻譜儀測(cè)量接收到的中頻信號(hào)。通過(guò)畫(huà)方向圖的方式在方位、俯仰方向微動(dòng)地面站接收天線找到中頻信號(hào)最大值S，然后接收天線指向仰角≥5 ℃的冷空，測(cè)量此時(shí)的接收通道噪聲譜密度?，其中：

式中Pt為信標(biāo)源的輸出功率(dBW)；Gt、G 分別為信標(biāo)喇叭的標(biāo)準(zhǔn)增益(dB)、地面站天線在低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)入口的增益(dB)；Gr為地面站接收鏈路的增益(dB)；T 為系統(tǒng)的等效噪聲溫度(dBK)；Lt為信標(biāo)源輸出至信標(biāo)喇叭間的電纜損耗(dB)；Ls為電磁波自由空 間損 耗(dB)，Ls=(4πd/λ)2；k 為波爾茲曼常數(shù)。

式(4)是通過(guò)測(cè)量S/? 值來(lái)計(jì)算系統(tǒng)G/T 值的基本公式，可以用于S、X 頻段G/T值的測(cè)量。Ka 頻段的大氣損耗嚴(yán)重，測(cè)量中需要進(jìn)行修正，同時(shí)本方法測(cè)量時(shí)還考慮無(wú)人機(jī)懸停精度及信標(biāo)源輸出功率的溫度特性對(duì)G/T值測(cè)量的影響，因此提出一個(gè)修正因子的計(jì)算公式用于Ka 頻段G/T值的測(cè)量。

式中Lai為大氣損耗；Lp為天線指不準(zhǔn)引起的測(cè)量損失，包括天線指向誤差、無(wú)人機(jī)懸停誤差等；Ab為信標(biāo)源功率修正值。以下對(duì)Lai、Lp和Ab這三個(gè)修正因子進(jìn)行具體分析。

2 修正因子分析

2.1 大氣損耗修正分析

由于氣體分子對(duì)電磁波有吸收作用，電磁波在大氣中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象，經(jīng)研究大氣中的氧氣和水蒸氣在電磁波大氣損耗中占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。根據(jù)ITU-R P.676的建議在任何壓力、溫度和濕度下，采用累加氧氣和水汽各自諧振線的方法，可以準(zhǔn)確計(jì)算電磁波在大氣中的損耗[3]。對(duì)于天線仰角大于5°大氣損耗的公式：

對(duì)微小傾斜的地面路徑，大氣損耗為：

式中Lai為大氣總衰減量(dB)；γo、ho分別為氧氣的衰減系數(shù)和等效高度(km)；γw、hw分別為水蒸氣的衰減系數(shù)和等效高度(km)；θ 為天線的仰角；rD為路徑長(zhǎng)度(km)。

本方法中在遠(yuǎn)場(chǎng)的條件下時(shí)，地面站與無(wú)人機(jī)平臺(tái)距離為26.4 km，仰角為3°時(shí)平臺(tái)高度為1 381 m，近于地面路徑，因此采用式(7)計(jì)算大氣損耗。

式中f為工作頻率(GHz)；rp=p/1 013，p為壓強(qiáng)(hPa)；rt=288/(273+t)，t為溫度(℃)；ξ1、ξ2、ξ3均為與rp、rt相關(guān)的中間量。

式中ρ為水汽密度(g/m3)；η1、η2為分別與rt、rp和ρ相關(guān)的中間量；g(f，fi)為與工作頻率相關(guān)的中間量。

天線試驗(yàn)場(chǎng)某晴空條件下查到的壓強(qiáng)為896 hPa，溫度為16 ℃，水汽密度為6 g/m3，由式(8)和式(9)計(jì)算出的大氣衰減系數(shù)隨頻率的變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 大氣損耗隨頻率變化的曲線

從圖2 可以看出，氧氣衰減系數(shù)從S 頻段、X 頻段到Ka 頻段緩慢增加，衰減系數(shù)均在0.01 dB/km 左右，考慮到S、X 頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)距離均＜10 km，故在G/T 值測(cè)量時(shí)可忽略氧氣損耗，Ka 頻段遠(yuǎn)場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，不可忽略氧氣損耗的影響。水蒸氣衰減系數(shù)在10 GHz 以下＜0.001 8 dB/km，在Ka 頻段的水蒸氣衰減系數(shù)非常大，22.3 GHz 出現(xiàn)一個(gè)峰值，在25 GHz～27.5 GHz 頻帶內(nèi)，水蒸氣衰減系數(shù)為0.048 dB/km～0.09 dB/km。以12 m 口徑天線為例，按照?qǐng)D2 的衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)出的各頻段在遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件下的大氣損耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 近地遠(yuǎn)場(chǎng)條件下各頻段大氣損耗統(tǒng)計(jì)表

從表1 中可以看出，在遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件下，S 頻段、X頻段的大氣損耗分別為0.01 dB 和0.06 dB，對(duì)G/T 值的影響基本可忽略，Ka 頻段的大氣損耗在1.63 dB～2.44 dB之間，可見(jiàn)在測(cè)量Ka 頻段G/T 值時(shí)必須計(jì)算大氣損耗并進(jìn)行修正，若仍采用式(4)計(jì)算Ka 頻段G/T 值則會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

本方法大氣損耗采用微小傾斜路徑模型計(jì)算，實(shí)際上無(wú)人機(jī)懸停處的大氣壓強(qiáng)和水汽密度與地面有一定偏差，該偏差會(huì)引起大氣損耗修正誤差，估算修正誤差≤0.1Lai，精度可滿足目前地面站對(duì)G/T 值測(cè)量精度的要求。

針對(duì)少數(shù)具備遠(yuǎn)場(chǎng)架標(biāo)條件的地面站，在傳統(tǒng)測(cè)量方法的基礎(chǔ)上再對(duì)大氣損耗進(jìn)行修正可得到較準(zhǔn)確的Ka 頻段G/T 值測(cè)量結(jié)果，但大部分不具備遠(yuǎn)場(chǎng)架標(biāo)條件的地面站仍需采用無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行G/T 值測(cè)量。

2.2 波束對(duì)不準(zhǔn)修正分析

G/T 值測(cè)量過(guò)程中，信標(biāo)源和地面接收天線的波束無(wú)法完全對(duì)準(zhǔn)，存在波束對(duì)不準(zhǔn)損耗，需要對(duì)各種波束對(duì)不準(zhǔn)因素進(jìn)行分析計(jì)算。地面接收天線的半功率波束寬度按照下式計(jì)算[5]：

式中θ1/2為天線的半功率波束寬(°)；D 為天線直徑(m)；λ 為電磁波波長(zhǎng)(m)。

考慮到電磁波對(duì)拋物面的照射并不是均勻的，因此半功率波束寬度要展寬，因此應(yīng)按照下式計(jì)算：

在主波束內(nèi)，因?yàn)椴ㄊ鴮?duì)不準(zhǔn)導(dǎo)致的接收天線增益損耗可由下式計(jì)算：

式中Lp為波束偏差導(dǎo)致的增益損耗 (dB)；△θ 為波束對(duì)不準(zhǔn)導(dǎo)致的指向偏差。

利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)測(cè)量G/T 值時(shí)，波束對(duì)不準(zhǔn)的主要因素有：天線指向誤差、平臺(tái)懸停精度引起的誤差以及平臺(tái)上信標(biāo)天線的指向誤差。前兩項(xiàng)誤差的分析見(jiàn)圖3，O 點(diǎn)為地面站接收天線的位置，O1為平臺(tái)的指定位 置，x軸和y軸所在的平面與直線OO1垂直。△θ1為天線的指向誤差角，經(jīng)指向修正后天線指向△θ1≤0.02°，△θ2為受平臺(tái)懸停精度引起的誤差角?！鳓?引起的誤差角可采用畫(huà)方向圖的方式通過(guò)找最大值消除?！鳓?在不停變化，無(wú)法采用上述方法消除，需要分析計(jì)算由△θ2可能引起的最大測(cè)量損耗。

圖3 波束對(duì)不準(zhǔn)示意圖

圖3 中天線在找到最大值后的實(shí)際指向?yàn)镺O0，此時(shí)：

式中a 為平臺(tái)在水平方向的懸停精度(m)；b 為平臺(tái)在垂直方向的懸停精度(m)。

在天線口徑為12 m，工作頻率為27.5 GHz 時(shí)接收天線增益測(cè)量損耗與平臺(tái)懸停精度導(dǎo)致的最大偏離距離O0O2的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖4。

從圖4 可以看出，平臺(tái)在1/2 遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件下由同樣的偏移距離引起的天線增益測(cè)量損耗是遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件下的4 倍，為提高無(wú)人機(jī)平臺(tái)測(cè)量G/T 值的精度，需選擇滿足遠(yuǎn)場(chǎng)的條件。選擇的無(wú)人機(jī)平臺(tái)在GSP 正常工作時(shí)，水平方向懸停精度a≤2.5 m，垂直方向懸停精度b≤1 m，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下對(duì)應(yīng)的天線增益測(cè)量損耗最大約為0.101 dB。

圖4 平臺(tái)偏離距離與天線增益測(cè)量損耗對(duì)應(yīng)圖

針對(duì)信標(biāo)天線波束的指向誤差，選用的標(biāo)準(zhǔn)增益天線為喇叭天線，半功率波束寬度約為17°。在測(cè)試過(guò)程中地面天線指向不動(dòng)的情況下，通過(guò)調(diào)整無(wú)人機(jī)的指向和云臺(tái)的俯仰利用找最大值的方式可以準(zhǔn)確地將信標(biāo)天線指向地面天線，由該因素造成的G/T 值測(cè)量損耗基本可忽略。

除了上述因素外，無(wú)人機(jī)平臺(tái)在圖3 中OO1方向上的懸停精度會(huì)造成信標(biāo)源與地面天線之間的徑向距離變化，從而影響空間損耗。經(jīng)計(jì)算在遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件下平臺(tái)在徑向懸停精度為±2.5 m 時(shí)，造成的空間損耗差值為±0.001 7 dB，對(duì)G/T 值的測(cè)量影響可忽略。

2.3 信標(biāo)功率修正分析

G/T 值測(cè)量前，先將平臺(tái)上Ka 信標(biāo)的輸出接至頻譜儀進(jìn)行輸出功率標(biāo)定作為G/T 值測(cè)量過(guò)程中的一個(gè)已知數(shù)據(jù)。由于測(cè)量中平臺(tái)與地面的高度差有1 381 m，按照每100 m 溫度降低0.6 ℃計(jì)算，溫差達(dá)8.4 ℃。信標(biāo)經(jīng)兩個(gè)鎖相環(huán)路后經(jīng)過(guò)一級(jí)放大和濾波輸出，放大器的增益易受溫度影響[6]，需要對(duì)信標(biāo)在不同溫度下的輸出功率變化進(jìn)行測(cè)量，在G/T 值計(jì)算時(shí)進(jìn)行修正。對(duì)Ka 信標(biāo)的輸出功率進(jìn)行了溫度試驗(yàn)，輸出功率隨溫度的變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 信標(biāo)輸出功率與溫度的對(duì)應(yīng)圖

從圖5 中可見(jiàn)，溫度在-30 ℃～10 ℃時(shí)，增益隨溫度變化較明顯，約為0.23 dB/10 ℃，溫度在10 ℃～60 ℃時(shí)，增益變化相對(duì)較小，約為0.05 dB/10 ℃。試驗(yàn)中不同頻率下功率隨溫度變化趨勢(shì)基本一致。可見(jiàn)采用本方法測(cè)量Ka 頻段G/T 值時(shí)，尤其是環(huán)境溫度在10 ℃以下時(shí)需要對(duì)信標(biāo)源的輸出功率進(jìn)行修正量Ab約為0.19 dB。不同的信標(biāo)源的功率-溫度特性不同，需要通過(guò)溫度試驗(yàn)實(shí)際標(biāo)定再進(jìn)行修正。

2.4 測(cè)量誤差分析

采用本方法測(cè)量地面站Ka 頻段G/T 值的誤差主要來(lái)源有：大氣損耗修正誤差ΔLai、信標(biāo)源功率修正誤差ΔAb及切面內(nèi)懸停精度修正誤差ΔLp。

除了以上修正因子的誤差，本方法在G/T 值測(cè)量時(shí)還存在無(wú)人機(jī)定位誤差的影響。無(wú)人機(jī)定位誤差相對(duì)穩(wěn)定，在圖3 中OO1切面上的定位誤差，可以通過(guò)找最大值的方法消除，在OO1徑向的定位誤差會(huì)引起空間距離的變化而影響G/T 值的測(cè)量精度。無(wú)人機(jī)的定位誤差≤15 m，遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，造成的測(cè)量誤差在±0.004 9 dB以內(nèi)，對(duì)G/T 值的測(cè)量影響可忽略。

針對(duì)12 m 口徑天線在滿足遠(yuǎn)場(chǎng)邊界距離和3°仰角條件測(cè)量G/T 值時(shí)，各誤差估值如下：ΔLai為±0.1Lai，ΔAb約為±0.1Ab,ΔLp約為±0.2Lp。則計(jì)算出的Ka 頻段測(cè)量精度結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)表

從表2 中可以看出，采用本方法測(cè)量地面站Ka 頻段G/T 總的估算誤差≤0.283 dB，滿足目前地面站對(duì)G/T值測(cè)量精度的要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本方法的可行性和準(zhǔn)確性，在天線試驗(yàn)場(chǎng)分別用兩種方法測(cè)量系統(tǒng)Ka 頻段的G/T 值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。第一種方法為間接測(cè)量法，需分別測(cè)量出天線的增益G[7]和系統(tǒng)噪溫T[8]，然后計(jì)算出系統(tǒng)G/T 值，這種方法測(cè)量出來(lái)的G/T 值較準(zhǔn)確，但是大部分站點(diǎn)不具備測(cè)試條件。第二種方法采用無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，并按照式(5)進(jìn)行對(duì)各修正因子進(jìn)行修正。在試驗(yàn)中以第一種方法的測(cè)量結(jié)果來(lái)驗(yàn)證第二種方法的可行性和測(cè)量準(zhǔn)確性。

3.1 間接測(cè)量法

天線增益與天線的主波束的帶寬存在一種固定的關(guān)系[9]，可由下式計(jì)算天線增益：

式中G為天線在LNA輸入口的增益(dB)；θA3、θE3分別為天線在A、E 軸的3 dB 波束寬度(°)；θA10、θE10分別為天線在A、E 軸的10 dB波束寬度(°)；nσ為反射面表面誤差引起的增益惡化量(dB)；nf為饋源至LNA 輸入口的饋線損耗(dB)。

上述波束寬度通過(guò)在天線試驗(yàn)場(chǎng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的山上架設(shè)信標(biāo)采用畫(huà)方向圖進(jìn)行測(cè)量，nσ可以通過(guò)對(duì)天線反射面標(biāo)定后測(cè)量計(jì)算[10]。

式中T 為系統(tǒng)在LNA 輸入口的等效噪溫(K)；T0為環(huán)境溫度(℃)；TLNA為L(zhǎng)NA 的等效噪溫(K)；P1、P2分別為L(zhǎng)NA接天線和接常溫負(fù)載時(shí)在頻譜儀上讀取的噪聲譜密度(dBm/Hz)。

按照上述公式在環(huán)境溫度T0為16 ℃時(shí)，在天線試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)地面站Ka 頻段左旋通道三個(gè)頻點(diǎn)的G/T 值進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 間接測(cè)量法G/T 值測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

3.2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)測(cè)量法

在天線試驗(yàn)場(chǎng)利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)同樣對(duì)地面站Ka 頻段左旋通道三個(gè)頻點(diǎn)的G/T 值進(jìn)行了測(cè)量，無(wú)人機(jī)距天線為26.4 km，高度差為1 381 m，信標(biāo)功率為-20 dBm。外界天氣條件為壓強(qiáng)為896 hPa，溫度為16 ℃，水汽密度為6 g/m3，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 無(wú)人機(jī)平臺(tái)法G/T 值測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

從上述兩項(xiàng)試驗(yàn)可以看出，采用無(wú)人機(jī)平臺(tái)并利用式(5)測(cè)量地面站Ka 頻段三個(gè)頻點(diǎn)的G/T 值比間接測(cè)量法的結(jié)果分別高：0.26 dB、0.18 dB 和0.15 dB，采用兩種方法的測(cè)量結(jié)果基本一致，采用無(wú)人機(jī)平臺(tái)測(cè)量地面站Ka 頻段G/T 值并對(duì)影響因子進(jìn)行修正后的測(cè)量精度在誤差估算范圍內(nèi)。

試驗(yàn)中利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行G/T 值測(cè)量時(shí)，有時(shí)會(huì)因無(wú)人機(jī)平臺(tái)受陣風(fēng)擾動(dòng)影響造成測(cè)量結(jié)果偏差較大。在天氣良好的條件下，一般無(wú)人機(jī)起飛3 次進(jìn)行3 組測(cè)量，剔除其中偏差較大的值，對(duì)有效數(shù)據(jù)求平均可得到穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，且與間接測(cè)量法結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)測(cè)量地面站Ka 頻段G/T 值并對(duì)影響因子進(jìn)行修正的方法解決了大部分地面站Ka 頻段G/T 值無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題。

采用本方法測(cè)量Ka 頻段的G/T 值需要多人協(xié)作測(cè)量等，測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間及工作量仍較大，后續(xù)計(jì)劃利用本方法測(cè)量G/T 值的同時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)偏饋無(wú)線閉環(huán)測(cè)量此時(shí)接收鏈路的S/? 值，建立本方法測(cè)量的G/T 值與偏饋閉環(huán)測(cè)量接收通道S/? 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量S/? 即可推算系統(tǒng)的G/T 值，提高地面站Ka 頻段G/T 值的測(cè)量效率。