王 懷，王 強，朱翔宇，劉 焱，柳樹林

(1.航天恒星科技有限公司,北京 100086； 2.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094)

遙感地面站自動化測試系統(tǒng)的設計與應用

王 懷1，王 強2，朱翔宇1，劉 焱1，柳樹林1

(1.航天恒星科技有限公司,北京 100086； 2.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094)

遙感衛(wèi)星地面站的G/T值(品質因數(shù))和系統(tǒng)誤碼特性是遙感衛(wèi)星地面站最重要的系統(tǒng)指標，是測試遙感衛(wèi)星地面站不可或缺的測試項目；傳統(tǒng)的測試方法采用人工干預進行測試，測試過程復雜繁瑣，人機交互工作量極大，測試效率低下；文中提出了一種在遙感地面站監(jiān)控管理分系統(tǒng)的統(tǒng)一調度下，協(xié)調站內天伺饋分系統(tǒng)、信道分系統(tǒng)和測試分系統(tǒng)的資源，優(yōu)化測試流程，自動完成系統(tǒng)G/T值和系統(tǒng)誤碼特性的測試方案，顯著提高測試效率；介紹了自動化測試系統(tǒng)的測試原理和自動化測試的設計方法，然后結合某工程實際應用進行了自動化測試，并給出了測試結果；測試結果表明，自動化測試系統(tǒng)的測試結果和人工測試結果一致，但減少了大量的人機交互工作，使測試效率大大提高，測試過程不再繁瑣和耗時。

品質因數(shù); 誤碼特性; 地面站; 測試

0 引言

隨著遙感衛(wèi)星技術的快速發(fā)展，地面站的建設也越來越多。如何實現(xiàn)對遙感地面站關鍵指標的快速測試，協(xié)助遙感地面站故障的快速定位，是目前遙感地面站長期穩(wěn)定運行的基礎。

目前，遙感地面站的系統(tǒng)指標有很多，例如系統(tǒng)G/T值(品質因數(shù))、誤碼特性、指向精度、跟蹤精度、超調量、伺服性能等，但關鍵的指標有：G/T值(品質因數(shù))和系統(tǒng)誤碼特性(又稱為Eb/N0曲線)，同時該性能指標是地面站系統(tǒng)測試的必測指標，也在日常維護中作為檢測系統(tǒng)惡化的手段。一般測試方式為人工讀取儀表的數(shù)據(jù)，通過公式計算得到數(shù)值，測試工作量大、繁瑣，重復[1]。本文從提高系統(tǒng)的測試效率出發(fā)，優(yōu)化測試流程，統(tǒng)一調配站內各種測試儀器的使用，重點對系統(tǒng)G/T值和誤碼特性的自動化測試進行設計，并結合工程實際應用進行驗證。最終通過監(jiān)控管理分系統(tǒng)機統(tǒng)一協(xié)調站內其他分系統(tǒng)的資源，實現(xiàn)了G/T值和誤碼特性自動化測試，解決了目前遙感地面站關鍵指標測試步驟繁瑣，測試效率低的問題，也節(jié)約了日常維護地面站的時間[2]。

1 自動化測試原理和設計方法

典型的遙感地面站包括天伺饋分系統(tǒng)、信道分系統(tǒng)、記錄分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)、技術支持分系統(tǒng)和監(jiān)控管理分系統(tǒng)組成。組成框圖如圖 1所示。

圖1 典型地面站組成框圖

測試分系統(tǒng)主要包括測試調制器、頻譜儀、功率計和濾波器等測試設備。測試分系統(tǒng)的設備典型組成框圖如圖 2所示[3]：

圖2 測試分系統(tǒng)組成框圖

測試分系統(tǒng)中的測試設備與中頻均衡開關矩陣、X頻段光端機、測試耦合器進行連接，通過切換光端機和中頻均衡開關矩陣將測試分系統(tǒng)與信道分系統(tǒng)和天伺饋分系統(tǒng)參試設備組成測試環(huán)路；同時在中頻均衡開關矩陣連接頻譜儀和功率計，對測試過程中的測試數(shù)據(jù)進行記錄顯示，并上報監(jiān)控管理分系統(tǒng)，完成各種測試工作。

測試分系統(tǒng)中測試設備及測試儀器均由監(jiān)控管理分系統(tǒng)中的站控軟件監(jiān)視和控制，包括儀器設備參數(shù)的設置、儀器測試結果的讀取和上報。此外，監(jiān)控管理分系統(tǒng)可以統(tǒng)一調度測試分系統(tǒng)和其他分系統(tǒng)的設備，組成各種測試項目的測試環(huán)境，自動完成測試工作。本文重點關注遙感地面站G/T值自動化測試設計和系統(tǒng)誤碼特性自動化測試設計。

1.1 系統(tǒng)G/T值自動化測試設計

G/T值是地面站天線的增益Gs與等效系統(tǒng)噪聲溫度Ts的比值[4]，其單位為dB/K；測試利用月亮作為射電源進行測試，其定義為[5-6]：

(1)

公式中：k: 波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23 J/K；Y:Y因子，Y=P1/P2;(P1為天線指向射電源時接收的噪聲功率；P2為天線指向冷空時接收的噪聲功率);k1為大氣衰減修正因子；k2為輻射源擴展修正因子；λ為測試波長；S為基準時間、基準頻率上射電源輻射通量密度流。

1.1.1 大氣衰減修正因子k1的計算

(2)

式中,α為測試時的天線仰角；Ag為天頂大氣衰減，對于S波段，Ag近似為0.035 dB，對于X波段，Ag近似為0.051 dB。

1.1.2 輻射源擴展修正因子k2的計算

(3)

公式中：θS為月亮角半徑；θA為被測試天線半功率波束寬度，可以直接計算出。

(4)

(5)

1.1.3 通量密度S計算

在射頻段，月亮為接近理想黑體的特性，其圓面中心的輻射能力達98%，亮溫度分布具有清晰的邊界，因此月球的通量密度可以應用平均亮溫度的概念來計算。由瑞利-瓊斯公式可以得到:

(6)

這樣上式可寫為:

(7)

因此上式中，只要求出不同頻率的平均亮溫度就可計算出相應頻率的通量密度。

根據(jù)長期科學觀測，對于常用頻率4 000 MHz(λ=7.5 cm)、8 000 MHz(λ=3.75 cm)、12 000 MHz(λ=2.5 cm)時的月亮平均亮溫度表達式如下：

(8)

備注：J為月相周期，J=29.53天；t為月相周期內觀察的時間，以天數(shù)來表示，滿月當天的t=0作為起始點；

對于其他頻率，可以用線性插值的方法計算。把上式中利用線性插值求得對應頻率的月亮平均亮溫度代入公式(6)即可得到月亮的通量密度。至此，可以通過公式(1)計算求得接收站的G/T值[7]。

1.1.4 自動化測試流程設計

利用月亮作為射電源進行G/T值測試，框圖如圖3所示。

圖3 月亮法測試G/T值框圖

首先監(jiān)控管理分系統(tǒng)下發(fā)設備宏配置，對測試設備進行參數(shù)配置。天線按照監(jiān)控管理分系統(tǒng)下發(fā)的月亮軌道進行自動跟蹤，天伺饋分系統(tǒng)將接收到的射電源信號通過X波段饋源、LNA、分路器、X-Band下變頻器、光端機、中頻均衡分配單元至濾波器，由功率計測量出此時的噪聲電平，并上報監(jiān)控管理分系統(tǒng)；再由監(jiān)控管理分系統(tǒng)控制天線背離月亮指向冷空，由功率計測量此時的噪聲功率，并上報監(jiān)控管理分系統(tǒng)。監(jiān)控管理分系統(tǒng)由兩次測量的功率差值得到Y因子，同時根據(jù)相關星歷和時間信息計算射電源的磁通量密度，最后通過公式計算得到本次測試的G/T值。

圖5 誤碼特性測試組成框圖

以月亮作為射電源自動測試地面站G/T值的流程如圖4所示。

圖4 月亮法測試G/T值流程圖

描述如下：

1)監(jiān)控管理分系統(tǒng)下發(fā)自動測試指令和相應的宏配置；

2)站監(jiān)控管理分系統(tǒng)中的軌道計算模塊計算月亮軌道，如月亮不可見，提示月亮不可見，測試結束。若月亮可見，經(jīng)月亮軌道下發(fā)給天伺饋分系統(tǒng)，天線對月亮進行自跟蹤；

3)監(jiān)控管理分系統(tǒng)讀取天線對準月亮和偏離月亮的功率，并計算差值；

4)監(jiān)控管理分系統(tǒng)根據(jù)時統(tǒng)設備相關星歷信息計算校正因子和月亮通量密度；

5)站監(jiān)控管理分系統(tǒng)匯總以上測試數(shù)據(jù)，通過G/T值計算模塊，自動計算G/T值并以表格形式在界面上顯示計算結果。

1.2 系統(tǒng)誤碼特性自動化測試設計

誤碼率是指二進制碼元在傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，它與載噪比密切相關，通常所說的比特誤碼特性隱含了是在某一載噪比下測定的。環(huán)路誤碼在10-3～10-7內，Eb/N0偏離理論值不超過2 dB。對遙感衛(wèi)星而言，地面站接收系統(tǒng)的信噪比決定了解調信號的誤碼特性，而誤碼特性直接影響遙感圖像質量。當實際接收的比特能量與噪聲功率譜密度之比(簡稱比特信噪比)Eb/N0不低于給定的理論門限信噪比[8]。

遙感地面站誤碼特性測試框圖如圖5所示。

監(jiān)控管理分系統(tǒng)監(jiān)控調制器發(fā)射某一頻點的調制信號(發(fā)送偽隨機碼)[9]，經(jīng)過中頻均衡開關矩陣，測試上變頻器、射頻矩陣開關、光端機、分路器、耦合器、LNA、射頻開關矩陣、下變頻器、中頻均衡開關矩陣進入解調器，通過監(jiān)控解調器是否鎖定判斷整個環(huán)路是否閉環(huán)，同時解調器上報誤碼特性統(tǒng)計結果。監(jiān)控管理分系統(tǒng)根據(jù)誤碼特性調整調制器發(fā)射功率，直到解調器上報誤碼特性滿足要求。滿足誤碼要求后，監(jiān)控管理分系統(tǒng)發(fā)送控制指令使調制信號變?yōu)閱屋d波，通過頻譜儀測量信號電平C，再關閉測試調制器通過頻譜儀測量噪聲功率N0，得到測試指標C/N0，計算出Eb/N0(比特能量和噪聲功率之比)[10]，實測Eb/N0=C-N0-10log(BR)，其中BR為碼速率；惡化值等于實測Eb/N0減去理論的Eb/N0，理論Eb/N0可通過查表求得，該差值即為系統(tǒng)誤碼特性。

2 工程應用及實測結果分析

結合某工程7.3米天線口徑地面接收站，對系統(tǒng)的G/T值和誤碼特性自動化測試進行設計。

本項目利用月亮作為射電源測試G/T值，使用的儀器為功率計，型號為安捷倫公司的E4417A。測試誤碼特性使用的儀器為頻譜儀，型號為安捷倫公司的E9030A，測試調制解調器為法國INSNEC公司的HDR-XXL型號，站監(jiān)控管理軟件部署于IBM3550M4服務器上，組成了測試分系統(tǒng)。系統(tǒng)主要性能指標見表1所示。

表1 7.3米天線口徑地面接收站系統(tǒng)指標

2.1 G/T值自動化測試工程應用及實測結果

G/T值自動化測試是由監(jiān)控管理分系統(tǒng)發(fā)起，天伺饋分系統(tǒng)、信道分系統(tǒng)和測試分系統(tǒng)配合，完成自動化測試，并將結果測試結果上報，最終以表格形式輸出。G/T值自動化測試流程如圖6所示。

圖6 G/T值自動測試流程圖

G/T值自動化測試流程描述如下：

(1)監(jiān)控管理分系統(tǒng)接收遠程下發(fā)的測試計劃驅動或根據(jù)本地需要制定本地測試計劃，監(jiān)控管理分系統(tǒng)進行計劃沖突檢測，若地面站處于非執(zhí)行任務的狀態(tài)則進行G/T值測試，否則，拒絕執(zhí)行測試任務；

(2)監(jiān)控管理分系統(tǒng)根據(jù)測試計劃選擇相應的宏配置，下發(fā)給天伺饋分系統(tǒng)、信道分系統(tǒng)和測試分系統(tǒng)；

(3)天伺饋分系統(tǒng)、信道分系統(tǒng)和測試分系統(tǒng)接收到控制指令后執(zhí)行宏配置命令，配置完成后將反饋發(fā)給監(jiān)控管理分系統(tǒng)；

(4)天線按照下發(fā)的的月亮軌道進行自動跟蹤，監(jiān)控下變頻器的頻率、增益、本振鎖定狀態(tài)等，30秒后監(jiān)控管理分系統(tǒng)讀取雙通道功率計中左旋信號與右旋信號的噪聲功率值P1與Q1；

(5)監(jiān)控管理分系統(tǒng)控制天伺饋分系統(tǒng)俯仰不變，方位轉動使天線背離射電源指向冷空，由雙通道功率計測量出采集到信號的噪聲電平P2與Q2，并將測量到的噪聲功率值發(fā)送給監(jiān)控管理分系統(tǒng)，監(jiān)控管理分系統(tǒng)利用兩次噪聲功率計算Y因子；

(6)監(jiān)控管理分系統(tǒng)讀取此時的時間和頻率信息，通過站控軟件中集成的月亮法測試G/T值模塊，自動進行G/T值得計算，輸出結果，見表2所示。

表2 G/T實際測試輸出表格

測試結果表明，7.3米天線口徑地面站的G/T值大于32 dB/K, 滿足設計要求，和傳統(tǒng)的手動測試方法對比，測試結果一致，但人機交互工作大大減少，測試效率顯著提高。

2.2 誤碼特性自動化測試工程應用及實測結果

誤碼特性測試采用系統(tǒng)射頻閉環(huán)測試的方法。由監(jiān)控管理分系統(tǒng)發(fā)起，其他分系統(tǒng)配合，完成系統(tǒng)的誤碼特性自動化測試，測試流程圖見圖 7所示。

圖7 誤碼特性自動測試流程圖

誤碼特性測試流程描述如下：

1)監(jiān)控管理分系統(tǒng)接收遠程下發(fā)的測試計劃驅動或根據(jù)本地需要制定本地測試計劃，監(jiān)控管理分系統(tǒng)進行計劃沖突檢測，若地面站處于非執(zhí)行任務的狀態(tài)則進行誤碼特性測試；

2)監(jiān)控管理分系統(tǒng)根據(jù)測試計劃為信道分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)選擇相應的宏配置并下達控制指令；

3)信道分系統(tǒng)、測試分系統(tǒng)設備接收到宏配置參數(shù)，執(zhí)行宏配置命令后向監(jiān)控管理分系統(tǒng)發(fā)送反饋；

4)監(jiān)控管理分系統(tǒng)通過對比誤碼率與標稱值的偏差，判斷其是否在要求范圍內；若不在要求范圍內，當誤碼特性大于規(guī)定范圍時，由監(jiān)控管理分系統(tǒng)發(fā)送控制命令增大調制器發(fā)射電平， 1 dbm步進，直到誤碼特性落在規(guī)定范圍之內，若誤碼特性小于規(guī)定值，則由監(jiān)控管理分系統(tǒng)發(fā)送控制命令增降低調制器發(fā)射電平，直到滿足規(guī)定范圍[11]；

5)當解調器上報的誤碼特性滿足系統(tǒng)性能指標要求，監(jiān)控管理分系統(tǒng)發(fā)送控制指令給測試調制器，使調制信號變?yōu)閱屋d波；頻譜儀將測到的信號電平C發(fā)送至監(jiān)控管理分系統(tǒng)；監(jiān)控管理分系統(tǒng)收到電平值后將測試調制器關閉，頻譜儀再將測量到得噪聲值N0發(fā)送至監(jiān)控管理分系統(tǒng)；監(jiān)控管理分系統(tǒng)計算出C/N0，并通過計算公式得到Eb/N0，并與理論值比對，得到測試結果。

站控軟件可以根據(jù)需要，最終測試結果輸出可以選擇表格形式輸出，見表3所示。

表3 誤碼特性實際測試輸出表格

續(xù)表

指標要求在BER=10-5-10-7范圍內:Eb/N0偏離理論值≤2dB理論BER實際BER信號功率(dBm)噪聲功率(dBm)Eb/No(dB)Eb/No理論值(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鏈路組合LNA1+DC1+HDR1頻率(MHz)8212調制方式OQPSK碼速率450Mbps碼型NRZ-L編碼方式LDPC指標要求在BER=10-5-10-7范圍內:Eb/N0偏離理論值≤2dB理論BER實際BER信號功率(dBm)噪聲功率(dBm)Eb/No(dB)Eb/No理論值(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測試儀器AgilentN9030AHDR-XXL測試結論合格測試人李凡王懷測試地點密云地面站測試時間20150915

自動化測試的結果滿足系統(tǒng)指標要求，和傳統(tǒng)的手動測試的結果一致，可以減少大量的人工操作，減少人機交互，提高了測試效率。

3 結論

通過遙感地面站系統(tǒng)自動化測試的設計，從測試原理入手，優(yōu)化測試流程，協(xié)同調度站內測試資源，新設計的方法大大提高了測試效率，在很大程度上減輕了地面站操作維護人員日常測試的工作量，并且測試結果可靠可信，為遙感地面站的長期穩(wěn)定運行提供支撐。并且結合實際遙感地面站進行設計，驗證了設計方法和測試流程的正確性。

本文的設計和應用解決了遙感地面站關鍵指標測試人機交互工作量大、測試效率低的問題。同時此系統(tǒng)結合自動化技術，監(jiān)控各種測試儀器，形成了自動化的測試系統(tǒng)。因此在遙感地面站的日常測試維護中具備了工程應用的能力。此項自動化測試技術已經(jīng)在某7.3米遙感地面站工程中得到了實際應用，穩(wěn)定可靠，具有廣泛推廣應用的前景。

[1] 孫源源,馬忠松. 基于LabVIEW的地面站監(jiān)控及自動測試系統(tǒng)[J].國外電子測量技術，2013，32(2)：60-62.

[2] 曾 屹. 遙感衛(wèi)星地面接收站的自動化測試系統(tǒng)[J].信息化研究，2009，35(3)：44-46.

[3] 王萬玉，張寶全，劉愛平，等. 頻率復用高碼速率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設計[J].電訊技術，2012，52(4)：423-428.

[4] Thomas A .Milligan .Modern Antenna Design(M).Second Edition. Hoboken, New Jersey.John Wiley & Sons, Inc.2005,34-35.

[5] 李 文，馬忠松. G/T值測試三原則及G/T值測量方法[J]. 國外電子測量技術，2011，30(6)：33-36.

[6] ITU .ITU-R S.733-2 Determination Of The G/T Ratio For Earth Stations Operating In The Fixed-Satellite Service (S) Geneva：ITU，2000.

[7] Garg V K，Rauthan D B. Choice of Moon for G/T Measurement[J]. IETE Journal of Research 2015; 31(3):73-77.

[8] 王中果，王振興，湯海濤，等. 頻率偏置對Ka頻段圓極化頻率復用數(shù)傳鏈路的影響[J].航天器工程，2014，23(5)：65-71.

[9] Srinivas R, Nithyanandan Dr L, Subba Rao P V V. Evaluation Of Remote Sensing Satellite Ground StationPerformance In Prbs Local Loop, Tpg Loop Mode From FarField Boresight And Validation Of Satellite DownlinkChain For Indian Remote Sensing Satellite Series (J)International Journal Of Electronics And Communication Engineering & Technology (IJECET) .2013.4(4):119-125.

[10] 王中果，汪大寶，曹 京，等. Ka頻段雙圓極化頻率復用的星地數(shù)傳鏈路分析[J].航天器工程， 2013，22(5)：85-91.

[11] Srinivas R, Nithyanandan L, Umadevi G, Padmavathi C S. Radha Nayani. Remote-sensing satellite ground station evaluation using QPSK emulator with test pattern and PRBS generation[J] CEAS Space Journal 2015，7(4)：399-417.

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 懷(1984-)，男，河南南陽人，工程師，碩士研究生，主要從事事遙感地面站總統(tǒng)設計方向的研究。

1671-4598(2016)07-0001-05

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

V474.2

A