卫星覆盖区测试方法及工程应用

王宏兵,薛 峰,刘昌洁

（1.中国人民解放军61081部队,北京 100094;2.南开大学信息技术科学学院,天津 300071）

0 引言

卫星覆盖区测试是卫星有效载荷在轨测试和卫星工程系统测试的重要内容,目的是检验卫星覆盖区是否满足用户提出的设计研制要求,是否可在设计区域内为系统用户提供良好优质的服务,测试结果是卫星验收交付及用户使用的重要依据。

卫星波束覆盖区根据卫星天线的不同大致可分为“全球覆盖”、“区域覆盖”、“点波束覆盖”等几类。区别主要体现在覆盖区面积和范围上,对于覆盖区测试方法来说,没有本质上的不同。这里重点以区域覆盖波束测试来介绍卫星覆盖区测试方法。

1 主要评判参数

卫星覆盖区范围直接决定了用户未来的实际使用,因此评判卫星覆盖区性能是否合格主要是看卫星覆盖区是否能按照工程设计要求覆盖使用范围,并向终端用户提供稳定良好的服务,即在某指定区域终端设备是否能正确接收卫星转发的信号,是否能成功转发该终端设备发送的信号。卫星覆盖区性能主要通过以下几个指标评判。

（1）出站链路

卫星应用工程中,出站链路即地面站发射出站信号至卫星,卫星转发信号至用户终端的信号链路,主要有2个评判参数:①卫星出站信号等效全向辐射功率EIRPs,由于多数地面中心站配有大功率高功放和大口径天线,可以将卫星出站转发器推至饱和工作,因此EIRPs体现了卫星出站信号发射功率性能,直接决定用户在覆盖区接收卫星信号的强度;②终端用户接收误码率Pb,该指标为终端用户接收卫星系统提供服务性能的评判指标。由于接收误码率Pb与接收信号信噪比有直接关系,一般来说确定的信噪比及信号调制方式就基本确定了终端用户的接收误码率Pb,而信噪比又与卫星发射EIRPs相关,因此出站链路只需进行卫星发射EIRPs测试即可。

（2）入站链路

卫星工程中,入站链路即用户终端发射信号至卫星,卫星转发信号至地面站的信号链路。入站链路的主要评判参数为:卫星G/T值。由于终端用户

多为小信号发射,该指标体现了卫星对用户终端发射信号无失真放大的能力。

1.1 卫星等效全向辐射功率EIRPs

卫星等效全向辐射功率EIRPs是指地面站向卫星转发器发射信号,使转发器处于饱和状态时,转发器的饱和输出功率。卫星等效全向辐射功率EIRPs的计算公式为:

式中,PLNA:地面测试设备低噪声放大器输出端口信号电平;DLNA:地面测试设备低噪声放大器增益;Ld:卫星信号至地面测试设备天线口面的空间总损耗,包括空间、极化、跟踪、大气等损耗;Gear_r:地面测试设备接收天线增益,包括馈线等损耗;Gso:卫星发射天线波束指向中心增益;Gsi:卫星发射天线在地面测试点增益。

从公式（1）可以看出:由于卫星天线在不同地点的增益不同,因此覆盖区测试时,不同测试地点的测得的卫星等效全向辐射功率EIRPs不同。

1.2 卫星G/T值

卫星品质因数（G/T）是指卫星接收天线到转发器输入端的增益G与转发器输入端的噪声温度T之比。G和T要求都等效到设备的同一个测试点上。

式中:

C/N0:由公式（3）计算得到

EIRPe:地面站发射信号功率;

Lu:地面站发射信号至卫星接收天线口面的上行总损耗,包括空间、极化、跟踪、大气等损耗;

[K]≈-228.6dBW/（kHz）:玻尔兹曼常数;

（Gso-Gsi）:卫星转发器波束指向中心与测试点之间的差值;

（C/N0）d:下行载噪比;

（C/N0）u:上行载噪比;

C/N0:下行总载噪比。

2 测试方法

工程应用中,卫星覆盖区测试主要采用2种方法进行。①移动测试方法。保持卫星正常姿态不变,有效载荷正常工作,地面测试设备从卫星有效覆盖区选取若干测试点进行测试,根据测试结果绘制卫星覆盖区范围,评估覆盖区是否符合用户的实际使用要求。该方法为卫星覆盖区测试的常规方法;②卫星姿态偏置测试方法。该方法是地面移动测试方法的延伸,通过使卫星平台姿态偏置改变卫星天线波束指向,从而间接改变卫星覆盖区范围,在卫星覆盖区改变后,采用地面移动测试方法绘制卫星覆盖区范围,再通过理论计算推算卫星恢复至正常姿态时的实际覆盖区范围。该方法主要应用于地面移动测试无法到达或不宜测试的情况。

2.1 测试设备组成

卫星覆盖区参试,设备包括地面站、监测站、移动测试设备、测试仪器等,如图1所示。

图1 卫星覆盖区测试设备组成示意图

地面站主要承担卫星覆盖区测试时出站信号的发射、入站信号的接收与测量,负责测试期间卫星有效载荷的管理、调度、状态监测,负责完成遥测信号的接收处理和遥控指令的发射。

监测站分布于卫星覆盖区的不同位置,负责接收测量卫星转发的地面站发送的出站信号,并向卫星发射入站信号。

移动测试设备包括用户终端设备与数据处理计算机,功能任务与监测站基本相同,但其具备灵活的机动性,可在任意预定的测试特征点完成测试任务。

测试仪器主要包括频谱仪、信号源、功率计等。

地面站、监测站和移动测试设备在参加测试前需要对其链路增益及损耗进行准确的标定。

2.2 地面移动测试法

在使用地面移动测试方法进行卫星覆盖区测试前,首先根据卫星转发器天线设计及测试结果,通过仿真、理论计算,绘制卫星覆盖区的设计范围,初步确定覆盖区中心点及其边缘;再沿此卫星覆盖区等值曲线切线方向,自中心点至边缘选取若干个典型测试特征点。

卫星覆盖区测试时,地面站与移动测试设备构成出入站信号链路,采用互发互收信号的方式进行,如图2所示。首先,地面站向卫星发出站信号,将卫星转发器推至饱和点工作。移动测试设备从覆盖区中心地区开始进行测试。已知地面站发射EIRPe,移动测试设备接收卫星转发的出站信号,通过单载波测量或电平载噪比估值方式测量接收信号电平强度,利用公式（1）计算得到卫星等效全向辐射功率EIRPs。通过卫星发射EIRPs参数的符合情况评判该点是否满足用户技术要求,确定该点是否属于出站信号服务区范围。当测量结果低于指标要求时,则认为该点已出覆盖区。

图2 卫星覆盖区移动测试法设备组成示意图

移动测试设备向卫星发射入站信号,地面站接收信号并通过单载波或电平估值方式估算卫星发射信号EIRPs,及地面天线接收冷、热噪声,利用式（2）、式（3）计算得到卫星G/T值。通过卫星G/T值测量结果的符合情况评判该点是否满足用户服务要求,确定该点是否属于入站信号服务区范围。当测量结果低于指标要求,则认为该点已出覆盖区。

依次测量各测试特征点,找出卫星覆盖区边缘位置,并通过测试结果绘制出卫星覆盖区闭合曲线。测试结果与卫星工程设计要求的覆盖区范围进行一致性比对,评估卫星覆盖区性能是否满足要求。

2.3 卫星姿态偏置测试法

卫星姿态偏置测试法是利用主动改变卫星覆盖区范围,将覆盖区从不便于测试的地区（如海上、境外等）移至利用测试的地区进行测试,测试过程与地面移动测试方法相同。

在利用卫星姿态偏置测试方法进行卫星覆盖区测试前,为使卫星通过姿态偏置的方式使覆盖区指向选定的测试特征点,需要根据特征点位置和天线波束指向的设计位置来计算卫星俯仰角偏置（Δθ）和滚动角偏置（Δβ）。考虑到姿态偏置控制需要消耗星上燃料,测试特征点不能选择过多。偏置姿态角的简化计算公式如下:

式中,λ1、∂1为需要进行测试的特征点经度和纬度;λ0、∂0为理论设计的天线波束指向中心点的经度和纬度;r为地球半径;H为卫星距离地面的高度。

地面站测控系统按照计算得到的卫星偏置姿态角,向卫星发射控制指令,控制卫星天线波束指向测试特征点。卫星偏置完成后,采用地面移动测试方法,选取多个测试特征点进行出站链路卫星等效全向辐射功率EIRPs测试,入站链路卫星G/T值测试。

测试结束后,绘制出卫星覆盖区闭合曲线,并推算卫星不偏置状态下的覆盖区,将结果与卫星理论覆盖区范围进行一致性比对,评估卫星实际覆盖区性能是否满足要求。全部测试结束后,地面站发遥控指令,恢复卫星正常工作姿态。

2.4 2种测试方法对比

2种卫星覆盖区测试方法各有特点,在工程中均有广泛的应用。

地面移动测试方法,操作简单,技术要求低,不会对卫星正常工作产生影响,也不会影响系统工作的正常进行;但需要选取卫星覆盖区的多个特征点位,选取点位的数量与覆盖区范围相关,一般不少于十点,因此测试周期较长,需要消耗大量人力和财物资源,同时会出现测试点位地理位置不在国内或者不适合移动测试等因素影响测试,造成关键点位无法测到。

卫星姿态偏置方法,是地面移动测试方法的有效补充,可以很好地解决卫星覆盖区在海上或境外的不利于测试的问题,测试方法比较方便灵活,同时降低了测试成本和时间,不受外场测试环境制约,提高了测试效率;但该方法需要对卫星姿态进行调整,会消耗卫星燃料,同时测试期间由于卫星覆盖区的变化会对系统正常工作造成一定的影响或中断。

3 工程应用

在某型号卫星的覆盖区测试中,将2种测试方法很好地结合起来共同完成了该星的覆盖区测试。由于该卫星覆盖区中心在东南沿海地区,自覆盖区中心向西,大部地区为我国内陆范围,可采用地面移动测试方法完成陆地范围内的测试。向东由于覆盖区大部位于海上,采用出海测试成本高,时间过长,因此利用卫星姿态偏置测试方式,将卫星覆盖区中心向西偏移500km左右,将位于海上的覆盖区大部分移至陆地,在结合地面移动测试方法,高效地完成了卫星覆盖区测试。

测试根据理论覆盖区范围选取了十几个测试特征点,即包括覆盖区中心,也包括边缘地区。通过对每个特征点进行出站链路和入站链路的2个参数测试,根据计算结果绘制了卫星实际覆盖区范围。测试结果表明:利用2种测试方法结合,可以有效地完成对卫星覆盖区的测试,测试结果更好地真实反映了卫星实际覆盖区范围。

4 结束语

从工程实践来看,将地面移动测试方法与卫星姿态偏置方法结合起来进行卫星覆盖区测试可以取得较好的测试结果与效率,通过测量出站链路卫星发射EIRPs及入站链路卫星G/T值,可以较为准确地评估卫星实际的覆盖区范围,有效提高测试的准确性。

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