遥感地面站自动化测试系统的设计与应用

王 怀，王 强，朱翔宇，刘 焱，柳树林

(1.航天恒星科技有限公司,北京 100086； 2.中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100094)

遥感地面站自动化测试系统的设计与应用

王 怀1，王 强2，朱翔宇1，刘 焱1，柳树林1

(1.航天恒星科技有限公司,北京 100086； 2.中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100094)

遥感卫星地面站的G/T值(品质因数)和系统误码特性是遥感卫星地面站最重要的系统指标，是测试遥感卫星地面站不可或缺的测试项目；传统的测试方法采用人工干预进行测试，测试过程复杂繁琐，人机交互工作量极大，测试效率低下；文中提出了一种在遥感地面站监控管理分系统的统一调度下，协调站内天伺馈分系统、信道分系统和测试分系统的资源，优化测试流程，自动完成系统G/T值和系统误码特性的测试方案，显著提高测试效率；介绍了自动化测试系统的测试原理和自动化测试的设计方法，然后结合某工程实际应用进行了自动化测试，并给出了测试结果；测试结果表明，自动化测试系统的测试结果和人工测试结果一致，但减少了大量的人机交互工作，使测试效率大大提高，测试过程不再繁琐和耗时。

品质因数; 误码特性; 地面站; 测试

0 引言

随着遥感卫星技术的快速发展，地面站的建设也越来越多。如何实现对遥感地面站关键指标的快速测试，协助遥感地面站故障的快速定位，是目前遥感地面站长期稳定运行的基础。

目前，遥感地面站的系统指标有很多，例如系统G/T值(品质因数)、误码特性、指向精度、跟踪精度、超调量、伺服性能等，但关键的指标有：G/T值(品质因数)和系统误码特性(又称为Eb/N0曲线)，同时该性能指标是地面站系统测试的必测指标，也在日常维护中作为检测系统恶化的手段。一般测试方式为人工读取仪表的数据，通过公式计算得到数值，测试工作量大、繁琐，重复[1]。本文从提高系统的测试效率出发，优化测试流程，统一调配站内各种测试仪器的使用，重点对系统G/T值和误码特性的自动化测试进行设计，并结合工程实际应用进行验证。最终通过监控管理分系统机统一协调站内其他分系统的资源，实现了G/T值和误码特性自动化测试，解决了目前遥感地面站关键指标测试步骤繁琐，测试效率低的问题，也节约了日常维护地面站的时间[2]。

1 自动化测试原理和设计方法

典型的遥感地面站包括天伺馈分系统、信道分系统、记录分系统、测试分系统、技术支持分系统和监控管理分系统组成。组成框图如图 1所示。

图1 典型地面站组成框图

测试分系统主要包括测试调制器、频谱仪、功率计和滤波器等测试设备。测试分系统的设备典型组成框图如图 2所示[3]：

图2 测试分系统组成框图

测试分系统中的测试设备与中频均衡开关矩阵、X频段光端机、测试耦合器进行连接，通过切换光端机和中频均衡开关矩阵将测试分系统与信道分系统和天伺馈分系统参试设备组成测试环路；同时在中频均衡开关矩阵连接频谱仪和功率计，对测试过程中的测试数据进行记录显示，并上报监控管理分系统，完成各种测试工作。

测试分系统中测试设备及测试仪器均由监控管理分系统中的站控软件监视和控制，包括仪器设备参数的设置、仪器测试结果的读取和上报。此外，监控管理分系统可以统一调度测试分系统和其他分系统的设备，组成各种测试项目的测试环境，自动完成测试工作。本文重点关注遥感地面站G/T值自动化测试设计和系统误码特性自动化测试设计。

1.1 系统G/T值自动化测试设计

G/T值是地面站天线的增益Gs与等效系统噪声温度Ts的比值[4]，其单位为dB/K；测试利用月亮作为射电源进行测试，其定义为[5-6]：

(1)

公式中：k: 波尔兹曼常数k=1.38×10-23 J/K；Y:Y因子，Y=P1/P2;(P1为天线指向射电源时接收的噪声功率；P2为天线指向冷空时接收的噪声功率);k1为大气衰减修正因子；k2为辐射源扩展修正因子；λ为测试波长；S为基准时间、基准频率上射电源辐射通量密度流。

1.1.1 大气衰减修正因子k1的计算

(2)

式中,α为测试时的天线仰角；Ag为天顶大气衰减，对于S波段，Ag近似为0.035 dB，对于X波段，Ag近似为0.051 dB。

1.1.2 辐射源扩展修正因子k2的计算

(3)

公式中：θS为月亮角半径；θA为被测试天线半功率波束宽度，可以直接计算出。

(4)

(5)

1.1.3 通量密度S计算

在射频段，月亮为接近理想黑体的特性，其圆面中心的辐射能力达98%，亮温度分布具有清晰的边界，因此月球的通量密度可以应用平均亮温度的概念来计算。由瑞利-琼斯公式可以得到:

(6)

这样上式可写为:

(7)

因此上式中，只要求出不同频率的平均亮温度就可计算出相应频率的通量密度。

根据长期科学观测，对于常用频率4 000 MHz(λ=7.5 cm)、8 000 MHz(λ=3.75 cm)、12 000 MHz(λ=2.5 cm)时的月亮平均亮温度表达式如下：

(8)

备注：J为月相周期，J=29.53天；t为月相周期内观察的时间，以天数来表示，满月当天的t=0作为起始点；

对于其他频率，可以用线性插值的方法计算。把上式中利用线性插值求得对应频率的月亮平均亮温度代入公式(6)即可得到月亮的通量密度。至此，可以通过公式(1)计算求得接收站的G/T值[7]。

1.1.4 自动化测试流程设计

利用月亮作为射电源进行G/T值测试，框图如图3所示。

图3 月亮法测试G/T值框图

首先监控管理分系统下发设备宏配置，对测试设备进行参数配置。天线按照监控管理分系统下发的月亮轨道进行自动跟踪，天伺馈分系统将接收到的射电源信号通过X波段馈源、LNA、分路器、X-Band下变频器、光端机、中频均衡分配单元至滤波器，由功率计测量出此时的噪声电平，并上报监控管理分系统；再由监控管理分系统控制天线背离月亮指向冷空，由功率计测量此时的噪声功率，并上报监控管理分系统。监控管理分系统由两次测量的功率差值得到Y因子，同时根据相关星历和时间信息计算射电源的磁通量密度，最后通过公式计算得到本次测试的G/T值。

图5 误码特性测试组成框图

以月亮作为射电源自动测试地面站G/T值的流程如图4所示。

图4 月亮法测试G/T值流程图

描述如下：

1)监控管理分系统下发自动测试指令和相应的宏配置；

2)站监控管理分系统中的轨道计算模块计算月亮轨道，如月亮不可见，提示月亮不可见，测试结束。若月亮可见，经月亮轨道下发给天伺馈分系统，天线对月亮进行自跟踪；

3)监控管理分系统读取天线对准月亮和偏离月亮的功率，并计算差值；

4)监控管理分系统根据时统设备相关星历信息计算校正因子和月亮通量密度；

5)站监控管理分系统汇总以上测试数据，通过G/T值计算模块，自动计算G/T值并以表格形式在界面上显示计算结果。

1.2 系统误码特性自动化测试设计

误码率是指二进制码元在传输系统中被传错的概率，它与载噪比密切相关，通常所说的比特误码特性隐含了是在某一载噪比下测定的。环路误码在10-3～10-7内，Eb/N0偏离理论值不超过2 dB。对遥感卫星而言，地面站接收系统的信噪比决定了解调信号的误码特性，而误码特性直接影响遥感图像质量。当实际接收的比特能量与噪声功率谱密度之比(简称比特信噪比)Eb/N0不低于给定的理论门限信噪比[8]。

遥感地面站误码特性测试框图如图5所示。

监控管理分系统监控调制器发射某一频点的调制信号(发送伪随机码)[9]，经过中频均衡开关矩阵，测试上变频器、射频矩阵开关、光端机、分路器、耦合器、LNA、射频开关矩阵、下变频器、中频均衡开关矩阵进入解调器，通过监控解调器是否锁定判断整个环路是否闭环，同时解调器上报误码特性统计结果。监控管理分系统根据误码特性调整调制器发射功率，直到解调器上报误码特性满足要求。满足误码要求后，监控管理分系统发送控制指令使调制信号变为单载波，通过频谱仪测量信号电平C，再关闭测试调制器通过频谱仪测量噪声功率N0，得到测试指标C/N0，计算出Eb/N0(比特能量和噪声功率之比)[10]，实测Eb/N0=C-N0-10log(BR)，其中BR为码速率；恶化值等于实测Eb/N0减去理论的Eb/N0，理论Eb/N0可通过查表求得，该差值即为系统误码特性。

2 工程应用及实测结果分析

结合某工程7.3米天线口径地面接收站，对系统的G/T值和误码特性自动化测试进行设计。

本项目利用月亮作为射电源测试G/T值，使用的仪器为功率计，型号为安捷伦公司的E4417A。测试误码特性使用的仪器为频谱仪，型号为安捷伦公司的E9030A，测试调制解调器为法国INSNEC公司的HDR-XXL型号，站监控管理软件部署于IBM3550M4服务器上，组成了测试分系统。系统主要性能指标见表1所示。

表1 7.3米天线口径地面接收站系统指标

2.1 G/T值自动化测试工程应用及实测结果

G/T值自动化测试是由监控管理分系统发起，天伺馈分系统、信道分系统和测试分系统配合，完成自动化测试，并将结果测试结果上报，最终以表格形式输出。G/T值自动化测试流程如图6所示。

图6 G/T值自动测试流程图

G/T值自动化测试流程描述如下：

(1)监控管理分系统接收远程下发的测试计划驱动或根据本地需要制定本地测试计划，监控管理分系统进行计划冲突检测，若地面站处于非执行任务的状态则进行G/T值测试，否则，拒绝执行测试任务；

(2)监控管理分系统根据测试计划选择相应的宏配置，下发给天伺馈分系统、信道分系统和测试分系统；

(3)天伺馈分系统、信道分系统和测试分系统接收到控制指令后执行宏配置命令，配置完成后将反馈发给监控管理分系统；

(4)天线按照下发的的月亮轨道进行自动跟踪，监控下变频器的频率、增益、本振锁定状态等，30秒后监控管理分系统读取双通道功率计中左旋信号与右旋信号的噪声功率值P1与Q1；

(5)监控管理分系统控制天伺馈分系统俯仰不变，方位转动使天线背离射电源指向冷空，由双通道功率计测量出采集到信号的噪声电平P2与Q2，并将测量到的噪声功率值发送给监控管理分系统，监控管理分系统利用两次噪声功率计算Y因子；

(6)监控管理分系统读取此时的时间和频率信息，通过站控软件中集成的月亮法测试G/T值模块，自动进行G/T值得计算，输出结果，见表2所示。

表2 G/T实际测试输出表格

测试结果表明，7.3米天线口径地面站的G/T值大于32 dB/K, 满足设计要求，和传统的手动测试方法对比，测试结果一致，但人机交互工作大大减少，测试效率显著提高。

2.2 误码特性自动化测试工程应用及实测结果

误码特性测试采用系统射频闭环测试的方法。由监控管理分系统发起，其他分系统配合，完成系统的误码特性自动化测试，测试流程图见图 7所示。

图7 误码特性自动测试流程图

误码特性测试流程描述如下：

1)监控管理分系统接收远程下发的测试计划驱动或根据本地需要制定本地测试计划，监控管理分系统进行计划冲突检测，若地面站处于非执行任务的状态则进行误码特性测试；

2)监控管理分系统根据测试计划为信道分系统、测试分系统选择相应的宏配置并下达控制指令；

3)信道分系统、测试分系统设备接收到宏配置参数，执行宏配置命令后向监控管理分系统发送反馈；

4)监控管理分系统通过对比误码率与标称值的偏差，判断其是否在要求范围内；若不在要求范围内，当误码特性大于规定范围时，由监控管理分系统发送控制命令增大调制器发射电平， 1 dbm步进，直到误码特性落在规定范围之内，若误码特性小于规定值，则由监控管理分系统发送控制命令增降低调制器发射电平，直到满足规定范围[11]；

5)当解调器上报的误码特性满足系统性能指标要求，监控管理分系统发送控制指令给测试调制器，使调制信号变为单载波；频谱仪将测到的信号电平C发送至监控管理分系统；监控管理分系统收到电平值后将测试调制器关闭，频谱仪再将测量到得噪声值N0发送至监控管理分系统；监控管理分系统计算出C/N0，并通过计算公式得到Eb/N0，并与理论值比对，得到测试结果。

站控软件可以根据需要，最终测试结果输出可以选择表格形式输出，见表3所示。

表3 误码特性实际测试输出表格

续表

指标要求在BER=10-5-10-7范围内:Eb/N0偏离理论值≤2dB理论BER实际BER信号功率(dBm)噪声功率(dBm)Eb/No(dB)Eb/No理论值(dB)ΔEb/No(dB)1.0E-079.00E-08-28.7-127.512.2711.310.961.0E-069.00E-07-29.5-127.511.4710.530.941.0E-058.00E-06-30.5-127.510.479.590.88链路组合LNA1+DC1+HDR1频率(MHz)8212调制方式OQPSK码速率450Mbps码型NRZ-L编码方式LDPC指标要求在BER=10-5-10-7范围内:Eb/N0偏离理论值≤2dB理论BER实际BER信号功率(dBm)噪声功率(dBm)Eb/No(dB)Eb/No理论值(dB)ΔEb/No(dB)1.0E-077.00E-08-36.9-127.64.774.150.621.0E-067.00E-07-36.9-127.64.774.090.681.0E-057.00E-06-37.1-127.64.574.020.55测试仪器AgilentN9030AHDR-XXL测试结论合格测试人李凡王怀测试地点密云地面站测试时间20150915

自动化测试的结果满足系统指标要求，和传统的手动测试的结果一致，可以减少大量的人工操作，减少人机交互，提高了测试效率。

3 结论

通过遥感地面站系统自动化测试的设计，从测试原理入手，优化测试流程，协同调度站内测试资源，新设计的方法大大提高了测试效率，在很大程度上减轻了地面站操作维护人员日常测试的工作量，并且测试结果可靠可信，为遥感地面站的长期稳定运行提供支撑。并且结合实际遥感地面站进行设计，验证了设计方法和测试流程的正确性。

本文的设计和应用解决了遥感地面站关键指标测试人机交互工作量大、测试效率低的问题。同时此系统结合自动化技术，监控各种测试仪器，形成了自动化的测试系统。因此在遥感地面站的日常测试维护中具备了工程应用的能力。此项自动化测试技术已经在某7.3米遥感地面站工程中得到了实际应用，稳定可靠，具有广泛推广应用的前景。

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Remote Sensing Ground Station Automatic Test System Design and Application

Wang Huai1, Wang Qiang2, Zhu XiangYu1, Liu Yan1, Liu ShuLin1

(1.Space Star Technology Co.,Ltd., Beijing 100086； 2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094,China)

Remote sensing satellite ground station G/T values (quality factor) and system BER performance is the most important system target, and is essential to test the whole remote sensing satellite ground station. Traditional test methods for testing by artificial intervention, the testing process is complex and cumbersome, the human-computer interaction workload is great, the test efficiency is low. This article proposes a method which monitor and control subsystem unified management servo feed、channel and test subsystem resources, auto-complete system G / T values and BER performance testing program, and improve test efficiency. This paper introduces automatic test system design principle and method of automated testing, and then carries on the field test with the practical application of a project, and gives the test result.Test result shows that automatic test system and manual test is consistent, test efficiency is greatly improved, reducing manual intervention, so that the testing process is no longer cumbersome and time-consuming.

G/T values; BER performance; ground station; test

2016-01-22；

2016-02-29。

王 怀(1984-)，男，河南南阳人，工程师，硕士研究生，主要从事事遥感地面站总统设计方向的研究。

1671-4598(2016)07-0001-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.001

V474.2

A