深圳监测站卫星链路校准方法及误差分析

周 平，王文帅，肖 鑫，林 辉，蔡鸿昀

（1.国家无线电监测中心深圳站，深圳 518120；2.国家无线电监测中心北京站，北京 100037）

电波卫士

深圳监测站卫星链路校准方法及误差分析

周 平1，王文帅2，肖 鑫1，林 辉1，蔡鸿昀1

（1.国家无线电监测中心深圳站，深圳 518120；2.国家无线电监测中心北京站，北京 100037）

卫星链路校准是卫星监测设施维护的重要环节，链路测量的准确度直接关系到测量星上信号EIRP值及PFD值的置信度。本文以深圳站卫星监测链路校准测量为例，详细分析了链路各部分误差来源及误差大小，然后针对性地提出了减小测量误差的方法。

卫星；链路校准；链路误差

1 引言

卫星链路校准就是精确测量从卫星天线口面至频谱仪接收机输入口的整个传输链路的衰减值（或者增益值），只有掌握了传输链路准确的衰减或增益值，卫星信号分析系统才能从频谱仪中读出的数据来反推星上信号的EIRP值及PFD值。

2 卫星链路的组成

卫星监测链路一般是指从监测天线口面至接收机输入口之间的传输链路，主要由以下几个部件组成：天线、馈源网络、馈源网络至LNA的刚性波导、低噪放（LNA）、椭圆波导、矩阵开关、同轴电缆等。

根据天线及传输链路的现场安装情况（以国家无线电监测中心深圳监测站为例），结合测试的可行性及可靠性，将卫星链路的校准测量分成三个模块，分别是：天线增益的校准测量，馈源波导的校准测量，LNA至频谱仪输入口之间传输链路的校准测量。

3 天线增益测量

天线增益的测量常用方法有：射电源法、信标塔法、卫星源法、波束宽度法等。波束宽度法由于其操作的便利性，且相比于其他测量增益的方法，不需要添置其他的仪器设备。更多的测量仪器的使用将带来更多的不确定因素，可能导致系统的测量误差更大[3]，而波束宽度法利用现有的监测设备和卫星信标来画出天线主瓣的方向图，且波束宽度的是个相对值（测量值的差值），而非测量的绝对值（测量值），相对值可以有效消除因为监测系统的固有特性带来的测量值的偏差[2]，也是减少测量误差的有效手段之一。

波束宽度法原理是通过测量天线主瓣方向图的3dB波束宽度、10dB波束宽度、天线表面精度和馈源插入损耗，从而计算天线增益的方法。国际卫星组织的SSOG 210标准中，通过对地面站天线进行理论研究和实验分析，给出了用天线波束宽度测量天线增益的原理公式：

式中，AZ3，EL3分别表示方位方向图和俯仰方向图的3dB波束宽度；AZ10，EL10分别表示方位方向图和俯仰方向图的3dB波束宽度；Floss表示馈源插入损耗，该值一般是在天线出厂时通过实验测量获得的，在C频段馈源插入损耗为0.02～0.03d B，在Ku频段约为0.3dB；R loss表示天线表面公差引起的增益损耗，其增益损耗详见公式（3）：

深圳站13m天线的单块天线表面公差为0.4mm，天线块组装后因安装产生的公差为0.8mm，整个天线的表面公差为0.8mm，代入公式（3）可知，在C频段其公差损耗约为0.08dB，在标准Ku频段其公差损耗约为0.68dB。

3.1 天线方向图的测量

步骤如下：

⊙ 利用卫星信标，驱动待测天线的方位和俯仰，使待测天线与卫星对准，并调整待测天线极化与卫星极化匹配，此时频谱仪接收的卫星信标电平最大。

⊙ 将频谱span设置为零（频谱仪测方向图的原理是：当频谱仪的扫描宽度置零时，频谱仪就变成了时域测试接收机），合理设置扫描时间。

⊙ 按照一定的角度转动天线，频谱即可显示天线在一定角度内的方向图。

⊙ 保存方向图。

⊙ 多次测量，计算3dB宽度与10dB宽度的平均值。

3.2 波束宽度测量误差来源

波束宽度的误差来源如下：

（1）角度测量误差。当天线转动是非匀速转动时，会导致测量的主瓣方向图变形，导致测量的波束宽度出现偏差，深圳站天线是齿轮转动的，认为其是基本匀速转动的，因此此项误差可以忽略不计。

（2）频谱仪采样误差。在频谱仪一个窗口中的方向图实际上并不是连续的，它是由离散的601个点组成（以4440A频谱仪为例），所以操作者在取3dB点和10dB点时会存在一个类似模拟信号数字化时的取样误差。该误差可以通过减少角度的扫描宽度，以增加频谱仪对主瓣的采样点数，减少取样误差，如图1、图2所示。

图1 频谱仪宽角度采样

图2 频谱仪窄角度采样

（3）测量带来的随机误差。通过多次测量求平均值可减少该误差。

3.3 天线增益测量结果

对所测数据进行处理分析后可得13米C频段天线和13米Ku频段天线的增益表达式详见公式（4）、公式（5）：

3.4 天线增益测量误差评估

利用波束宽度法测量天线增益的主要误差来源有：波束宽度测量误差引起的G3和G10误差，δG3与δG10；天线馈源网络插入损耗引起的测量误差δFloss；反射面精度测量误差引起的增益测量误差δRloss。天线系统总的均方根误差为各部分独立误差源的均方根，如公式6所示：

各部分独立误差大小及总的均方根误差大小如表1所示[1]。

表1 天线测量误差源及总误差

4 链路传输增益测量

传输链路的校准测量主要是指LNA至频谱仪输入口之间传输链路的校准测量。在这段链路上存在多个微波器件、传输波导及同轴线，各器件的接口处由于阻抗不完全匹配，以及接口转换头等本身会消耗能量等，会导致对各个器件及传输线缆的增益之和不会等于各部分串接在一起时的增益值，将整个链路作为一个整体黑盒来测量是更科学的办法（见图3）。

图3 传输链路测试框图

测试步骤如下：

⊙ 将被测链路天线对准冷空。将信号源连接波导传输链路，将信号从LNA耦合端口（该耦合端口在C频段有40dB衰减，Ku频段有30dB衰减）输入。

⊙ 信号源发射一固定功率固定频率的单载波信号。

⊙ 将频谱仪连接波导末端的输入口（Pin口），记录输入功率P1（dBm）。

⊙ 频谱仪接至开关矩阵输出端（Pout口），记录输出功率P2（dBm）。待测链路的损耗为二者的差值，如公式（7）所示：

4.1 链路误差来源及误差分析

（1）LNA耦合输入口的误差。耦合接口的衰减系数是30±0.3dB，整个链路的增益是测量值加上耦合衰减值，故耦合接口的误差直接引入了整个传输链路，误差值为0.3dB，该误差无法消除。

（2）传输系统噪声对测量值会造成误差。频谱仪接收的信号功率不仅仅是信号源发送过来的功率，还包括同频段内的噪声功率，最后在频谱仪上显示的功率值（dBm）实际上是在设定的RBW带宽内所有信号功率和噪声功率的累积，因此实际的信号功率应该是频谱仪上显示的功率减去RBW带宽内的噪声功率，如公式（8）所示。显然噪声功率会影响信号功率的测量精度，这是频谱仪测量功率值的一个误差来源。

（3）针对此噪声产生的误差，减小该误差的办法之一是减小噪声。在链路系统中噪声来源于两处，一处是链路系统内部产生的噪声，另一处噪声来源于天线接收的外部噪声。由于天线输出端连接到LNA的输入口，输入口处的连接非常精密，且安装在天线背部的一个极小空间内，不容易拆卸，若直接拆卸下来可以立即消除外部噪声的影响，实际情况是很难断开天线馈源波导与LNA的连接。一个减小噪声的方法就是将天线对准冷空，尽量减少外部噪声的输入；另一个方法是设置尽量小的RBW带宽，由于被测信号是单载波信号，减小RBW带宽对信号功率无任何影响，却能有效降低噪声功率，在本次信号测量中所用频谱仪为RS-FSH18，将RBW设置为最小（100Hz）。减小噪声误差的另一个方法是增大信号的功率，当信噪比大于30dB时，噪声对信号功率值得影响将下降到0.01d B以下。在本次测量中，笔者将信号源发射功率设置较大，频谱仪测到的信噪比在30～35dB左右，这样就几乎完全排除了噪声对信号的影响。

（4）读数误差。该误差是指频谱仪测量信号功率是由于受到噪声以及信号本身功率抖动的影响，导致频谱仪测到的数值一直在跳动，不会是一个固定静止的值，由此带来读数的误差，该误差比较大，在实际测量中发现读数最大最小值之间的跳变可达1dB。减小该误差的方法是设置频谱仪的显示方式为多次平均，这样可以有效减小功率值的随机跳动带来的读数误差。在本次测量中，设置为10次平均，然后用marker功能长时间观察读数，等最后数字稳定在一个狭小的区间变化时才开读数，该方法读取的数值重复性好，变化范围不超过0.1dB。最终读数误差控制在0.1dB。

（5）不同测量仪器导致的误差。在图4中可知在整个链路中需要测试两个点，在Pin处测量一次，然后再Pout处测量一次，然后二者相减加上耦合衰减值就是链路增益。在本次测量中，两个不同的测量点使用同一个频谱仪测量，两值相减后就能有效消除了因频谱仪不同导致测量结果存在误差[2]。

4.2 链路测量结果

链路测量增益结果分为C频段与Ku频段结果，如表2表3所示。

表2 C频段链路测量增益

表3 Ku频段链路测量增益

5 误差评估与验证

5.1 卫星监测链路总误差评估

监测链路总的误差由以下四部分组成：天线增益测量产生的误差，馈源波导的估计误差，链路测量时LNA耦合接口引入的误差，链路测量时的读数误差。系统总的均方根误差为±0.45dB，误差控制较好，详见表4所示。

表4 卫星监测链路误差

5.2 链路校准结果的验证

链路校准完毕后，需要对实际卫星信号测量来检验链路校准结果。卫星的信标信号通常都非常强而且非常稳定，带宽已知，是单载波信号，非常适合作为验证信号来验证。现以亚太6号信标作为测试信号，亚太6号C频段信标EIRP为12dBW/Hz，水平线极化，Ku频段信标EIRP为16dBW/Hz，垂直线极化。测试结果为C频段信标为11.6dBW/Hz，Ku频段信标的测量值为16.3dBW/Hz，与标称值的差值为-0.4dBW和0.3dBW，测量结果完全符合误差评估范围。

6 结束语

此次深圳监测站的链路校准，笔者参考以前的链路校准方案，通过大量的工程测量资料查询研究，以及对现场测试出现的测试问题反复分析，给出了整个链路测试过程中的各种误差来源及误差产生原因，提出了减小误差的方法。该流程方法与以前的粗略测量方式相比，结果有了很大的改善。校准结果通过卫星信标的验证性测量，具有较高的可信度，测量误差在误差分析评估的允许范围之内，在校准测试中形成的经验和方法对以后的卫星链路校准测试具有很好的借鉴价值。

[1] 秦顺友，许德森．卫星通信地面站天线工程测量技术．北京：人民邮电出版社，2006.

[2] 刘畅，周吉阳，倪正．无线电设备射频参数测量中链路校准的不确定评估．移动通信，2010(18).

[3] 倪育才．实用测量不确定度评估．北京：中国质检出版社，北京：中国标准出版社，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文献标示码：A

1672-7274（2014）07-0025-04

周 平，硕士研究生学历，国家无线电监测中心深圳监测站，助理工程师，主要从事无线无线电监测以及卫星干扰源上行站定位工作，主要研究方向为天线与微波技术，信号分析等。

王文帅，硕士研究生学历，国家无线电监测中心北京监测站，助理工程师，主要从事无线电超短波监测，卫星监测等工作，主要研究方向为信号分析，无线电新技术研究等。

肖 鑫，硕士研究生学历，国家无线电监测中心深圳监测站，助理工程师，主要从事无线无线电监测以及卫星干扰源上行站定位工作，主要研究方向为卫星通信新技术研究，盲信号分析等。

林 辉，硕士研究生学历，国家无线电监测中心深圳监测站，助理工程师，主要从事无线无线电监测以及卫星干扰源上行站定位工作，主要研究方向为卫星监测新技术研究，信号分析等。

蔡鸿昀，本科学历，国家无线电监测中心深圳监测站，助理工程师，主要从事无线无线电监测、卫星干扰源上行站定位以及卫星监测设备维护工作，主要研究方向为卫星监测新技术研究，天线技术研究等。