载噪比直接法测量卫星转发器G/T 值的精度研究

陶忆雪，刘 宸，李琴琴

（北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

卫星转发器的G/T 值即接收系统天线增益（G）与噪声温度（T）之比，是衡量卫星接收和转发性能的重要指标，是卫星通信设计的重要依据之一。因此，研究卫星转发器G/T 值的测量方法及其测量精度，具有重要的现实意义。

当前，地面站G/T 值的测量主要有三种方法，即直接法［1-4］、间接法［5-7］和载噪比直接法［8-11］。其中，载噪比直接法最为简单、方便且测量的重复性强。本文参考国内学者利用载噪比直接法测试同步卫星有效载荷G/T 值的方法［12］，将测量地面站G/T 值的载噪比直接法推广到卫星转发器G/T 值的测量上，对测试方法和过程进行了数学推导，并针对大气损耗、天线方向跟踪误差等损耗测量精度进行研究。

1 测量原理和方法

图1 为利用载噪比直接法测量卫星转发器G/T 值的典型方框图。按照图1 所示，使系统设备工作正常。依据给定的测试频率、极化及等效全向辐射功率（Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP），由地面发射站发射一个单载波，使接收站天线对准卫星（实际测试过程中，发射和接收共用一副天线），并调整接收天线极化使之与卫星极化匹配。

图1 载噪比直接法测量卫星转发器G/T 值的典型方框图

卫星通信线路多载波时的噪声分布的等效电路如图2 所示。其中，上行热噪声包括卫星接收系统的内部噪声，而下行热噪声包括地球站接收系统的内部噪声。图中，将噪声归算到有关点，因而传输信道、卫星转发器及地球站接收机都认为是理想的，也就是它们本身已不再产生噪声。在此只研究发射单载波的工作情况，因此可不考虑互调噪声，即认为N1=0。

图2 测试链路等效电路图

假设上行信道的热噪声为NU，上行信号和热噪声经过理想转发器到达2 号点后，信号功率和噪声功率分别为C2和N2：

式中：EIRPe为地面站发射信号的等效各向同性辐射功率，LU为上行自由空间传播损耗，；d为地面站到卫星的距离，λU为上行信号工作波长，GS为理想转发器的增益，k为玻尔兹曼常数，k=1.380 54×10-23(J/K)；TS为等效噪声温度，BS为等效噪声带宽。

利用式（1）、式（2）可以得到信号经卫星转发器到达2 号点时载噪比CNRS为

进而可以得到卫星转发器G/T 值的计算公式：

用分贝表示为

式中：〈k〉=-228.6 dBW/K·Hz。

假设下行信道的热噪声功率为ND，信号和卫星产生热噪声经过理想下行信道和理想接收信道，到达天线后端频谱仪（3 号点），此时通过频谱仪测量的信号与噪声功率之和C0为

GR为折算到频谱仪入口处的接收信道增益。

结合式（7）、式（8），有：

为了便于计算，采用载波功率与等效噪声功率谱密度之比G/n替换载噪比，这样可以把带宽因素去除，式（9）和式（5）可分别改写为

当EIRPe足够大时，通过频谱仪测量得到的载波功率C3≈C0；停止发送上行信号，利用接收天线场放后端频谱仪（3 号点）示数可以计算得到n3的测量值；将发射天线置顶，利用接收天线场放后端频谱仪（3 号点）示数可以计算得到nD的测量值。

2 误差分析与估计

2.1 大气损耗La

电波在大气中传输时，会受到电离层中自由电子和离子的吸收，受到对流层中氧分子、水蒸气分子和云、雾、雨、雪等的吸收和散射，从而形成损耗。这种损耗与电波的频率、波束的仰角以及天气好坏有密切关系。

在0.3～10 GHz 频段，大气损耗最小，比较适合电波穿出大气层的传播，并且大体上可以把电波看作是自由空间传播。

目前应用最为广泛的是4/6 GHz（下行频率/上行频率）频段，表1 是华盛顿8 月间典型气象条件为基础的理论损耗值［13］。

表1 4/6 GHz 时大气引起的损耗

由表1 可以看出，当卫星仰角大于等于10.0°时，大气损耗La在0.03～0.15 dB，天线出厂测试指标为La=0.08 dB，与上述指标范围一致。因而本文采信0.08 dB 的出厂测试指标。

2.2 天线方向跟踪误差LTr

地球站天线在实际跟踪过程中，由于跟踪系统的跟踪精度等原因，天线的指向常常偏离理论方向。对于C 波段信号发射天线，天线波束一般较窄，因而真正在卫星方向上的天线增益往往不是天线增益的最大值，这相当于使信号受到了损耗。这种天线方向跟踪误差损耗LTr可以定义为

式中：G(θ)为地球站发射（或接收）天线的功率增益方向图函数，θ为天线增益最大值方向与卫星方向的偏离角；G(0)为天线增益最大值方向的功率增益。通常G(θ)可近似［5］表示为

式中：θ1/2为天线发射波束的3 dB 角度。所以：

实测过程中，天线发射波束的3 dB 角度为0.243 °，天线的跟踪误差约为0.04 °。故发射天线天线方向跟踪误差为

用dB 表示为〈LTr〉≈0.326 dB。

3 测试实例

由前面讨论的值方程G/T 及误差分析，可将式（11）改进为

2021 年7 月1 日至3 日，笔者在北京利用13 m抛物面天线对某GEO 卫星开展了连续50 次C/C 转发器G/T 值测试，某单次测试结果如表2 所示。

表2 单次测试的典型参数值

卫星转发器的G/T 值出厂测试值为-5.88 dB/K，50次测试平均结果为-5.97 dB，与理论值相差0.09 dB。考虑到测试设备和测试链路的标校误差，两者吻合度较高。

4 结语

本文将测量地面站G/T 值的载噪比直接法推广到卫星转发器G/T 值的测量上，对测试的信道链路进行了建模，并针对大气损耗和天线方向跟踪误差进行了分析，最后给出了测试实例。测试结果表明，该方法的测试精度较高，且测试方法简单易行，对于从事卫星测试相关工程的技术人员具有较高的参考价值。