盛保印

(西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

航天測控地面站的品質(zhì)因數(shù)(Gain/noise Temperature，G/T)是地面站的一個重要系統(tǒng)指標，G/T 值越大則接收天線增益G 越高，系統(tǒng)等效噪聲溫度T 越低，表示系統(tǒng)的接收靈敏度越高[1]。G/T 值的測量方法一般有對標校塔法、對射電星法和對同步星驗證法。近年來國內(nèi)新建了一批12 m 口徑地面站用于低軌衛(wèi)星Ka 頻段高速數(shù)據(jù)接收，工作頻率范圍為25 GHz～27.5 GHz，大部分站點均不具備G/T 值測量條件。用對標校塔法測量，在滿足遠場條件且仰角大于3°的條件下，架標的距離要大于26.4 km 且高度大于1 381 m，大部分的站點均無法找到合適的架標地點。利用射電星作為射頻噪聲源，采用Y 因子法測量可用于系統(tǒng)G/T 值的測量，但在北半球無法找到既可觀測到且在Ka 頻段的流量又能滿足12 m口徑天線G/T 值測量要求的射電星。采用同步衛(wèi)星法可對G/T 值進行驗證，但Ka 頻段低軌衛(wèi)星的頻率與高軌同步衛(wèi)星的頻率不一致，該方法同樣無法采用。因此用于低軌衛(wèi)星Ka 頻段數(shù)據(jù)接收的地面站均存在G/T 值無法進行有效測量的問題。

目前國內(nèi)工業(yè)用無人機在懸停精度、載荷重量及飛行時間等方面均有較大的提升，因此可考慮利用無人機搭載信標源和寬波束標準增益天線懸停至滿足遠場條件的空域進行Ka 頻段G/T 值的測量。

利用無人機測量Ka 頻段G/T 值需要考慮無人機懸停精度和信標源受高低空溫差導致的輸出信號功率變化的影響。同時傳統(tǒng)的G/T 值計算公式?jīng)]有考慮大氣衰減的影響，只適用于工作頻段低于10 GHz 且對塔距離較近的系統(tǒng)，但是頻率范圍在25 GHz～27.5 GHz 的Ka 頻段大氣吸收損耗在第一峰值附近，且信標源離地面站距離遠，因此大氣吸收損耗不可忽略。本文給出了利用無人機測量對上述各種影響因素進行了分析計算，給出無人機測量Ka 頻段G/T 值法的一種帶誤差修正的計算公式，對上述各種影響因素進行了分析計算，在天線試驗場進行了對比測試，驗證了該方法的可行性。

1 測量方法

圖1 為利用無人機平臺測量地面站Ka 頻段G/T 值的框圖。

圖1 無人機平臺測量地面站Ka 頻段G/T 值框圖

無人機懸停在滿足遠場條件和仰角的預(yù)定位置，經(jīng)過指向修正后的地面站接收天線根據(jù)計算出的目標角度并指向無人機，若地面站天線指向精度不夠，可在平臺上安裝一個S 頻段信標源當做引導信號。信標源發(fā)出一個Ka 頻段單載波信號，頻譜儀接至Ka 和路中頻輸出口，通過頻譜儀測量接收到的中頻信號。通過畫方向圖的方式在方位、俯仰方向微動地面站接收天線找到中頻信號最大值S，然后接收天線指向仰角≥5 ℃的冷空，測量此時的接收通道噪聲譜密度?，其中：

式中Pt為信標源的輸出功率(dBW)；Gt、G 分別為信標喇叭的標準增益(dB)、地面站天線在低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)入口的增益(dB)；Gr為地面站接收鏈路的增益(dB)；T 為系統(tǒng)的等效噪聲溫度(dBK)；Lt為信標源輸出至信標喇叭間的電纜損耗(dB)；Ls為電磁波自由空 間損 耗(dB)，Ls=(4πd/λ)2；k 為波爾茲曼常數(shù)。

式(4)是通過測量S/? 值來計算系統(tǒng)G/T 值的基本公式，可以用于S、X 頻段G/T值的測量。Ka 頻段的大氣損耗嚴重，測量中需要進行修正，同時本方法測量時還考慮無人機懸停精度及信標源輸出功率的溫度特性對G/T值測量的影響，因此提出一個修正因子的計算公式用于Ka 頻段G/T值的測量。

式中Lai為大氣損耗；Lp為天線指不準引起的測量損失，包括天線指向誤差、無人機懸停誤差等；Ab為信標源功率修正值。以下對Lai、Lp和Ab這三個修正因子進行具體分析。

2 修正因子分析

2.1 大氣損耗修正分析

由于氣體分子對電磁波有吸收作用，電磁波在大氣中傳播時會發(fā)生衰減現(xiàn)象，經(jīng)研究大氣中的氧氣和水蒸氣在電磁波大氣損耗中占據(jù)主導地位[2]。根據(jù)ITU-R P.676的建議在任何壓力、溫度和濕度下，采用累加氧氣和水汽各自諧振線的方法，可以準確計算電磁波在大氣中的損耗[3]。對于天線仰角大于5°大氣損耗的公式：

對微小傾斜的地面路徑，大氣損耗為：

式中Lai為大氣總衰減量(dB)；γo、ho分別為氧氣的衰減系數(shù)和等效高度(km)；γw、hw分別為水蒸氣的衰減系數(shù)和等效高度(km)；θ 為天線的仰角；rD為路徑長度(km)。

本方法中在遠場的條件下時，地面站與無人機平臺距離為26.4 km，仰角為3°時平臺高度為1 381 m，近于地面路徑，因此采用式(7)計算大氣損耗。

式中f為工作頻率(GHz)；rp=p/1 013，p為壓強(hPa)；rt=288/(273+t)，t為溫度(℃)；ξ1、ξ2、ξ3均為與rp、rt相關(guān)的中間量。

式中ρ為水汽密度(g/m3)；η1、η2為分別與rt、rp和ρ相關(guān)的中間量；g(f，fi)為與工作頻率相關(guān)的中間量。

天線試驗場某晴空條件下查到的壓強為896 hPa，溫度為16 ℃，水汽密度為6 g/m3，由式(8)和式(9)計算出的大氣衰減系數(shù)隨頻率的變化曲線見圖2。

圖2 大氣損耗隨頻率變化的曲線

從圖2 可以看出，氧氣衰減系數(shù)從S 頻段、X 頻段到Ka 頻段緩慢增加，衰減系數(shù)均在0.01 dB/km 左右，考慮到S、X 頻段的遠場距離均＜10 km，故在G/T 值測量時可忽略氧氣損耗，Ka 頻段遠場距離較遠，不可忽略氧氣損耗的影響。水蒸氣衰減系數(shù)在10 GHz 以下＜0.001 8 dB/km，在Ka 頻段的水蒸氣衰減系數(shù)非常大，22.3 GHz 出現(xiàn)一個峰值，在25 GHz～27.5 GHz 頻帶內(nèi)，水蒸氣衰減系數(shù)為0.048 dB/km～0.09 dB/km。以12 m 口徑天線為例，按照圖2 的衰減系數(shù)統(tǒng)計出的各頻段在遠場邊界條件下的大氣損耗數(shù)據(jù)見表1。

表1 近地遠場條件下各頻段大氣損耗統(tǒng)計表

從表1 中可以看出，在遠場邊界條件下，S 頻段、X頻段的大氣損耗分別為0.01 dB 和0.06 dB，對G/T 值的影響基本可忽略，Ka 頻段的大氣損耗在1.63 dB～2.44 dB之間，可見在測量Ka 頻段G/T 值時必須計算大氣損耗并進行修正，若仍采用式(4)計算Ka 頻段G/T 值則會出現(xiàn)較大偏差。

本方法大氣損耗采用微小傾斜路徑模型計算，實際上無人機懸停處的大氣壓強和水汽密度與地面有一定偏差，該偏差會引起大氣損耗修正誤差，估算修正誤差≤0.1Lai，精度可滿足目前地面站對G/T 值測量精度的要求。

針對少數(shù)具備遠場架標條件的地面站，在傳統(tǒng)測量方法的基礎(chǔ)上再對大氣損耗進行修正可得到較準確的Ka 頻段G/T 值測量結(jié)果，但大部分不具備遠場架標條件的地面站仍需采用無人機平臺進行G/T 值測量。

2.2 波束對不準修正分析

G/T 值測量過程中，信標源和地面接收天線的波束無法完全對準，存在波束對不準損耗，需要對各種波束對不準因素進行分析計算。地面接收天線的半功率波束寬度按照下式計算[5]：

式中θ1/2為天線的半功率波束寬(°)；D 為天線直徑(m)；λ 為電磁波波長(m)。

考慮到電磁波對拋物面的照射并不是均勻的，因此半功率波束寬度要展寬，因此應(yīng)按照下式計算：

在主波束內(nèi)，因為波束對不準導致的接收天線增益損耗可由下式計算：

式中Lp為波束偏差導致的增益損耗 (dB)；△θ 為波束對不準導致的指向偏差。

利用無人機平臺測量G/T 值時，波束對不準的主要因素有：天線指向誤差、平臺懸停精度引起的誤差以及平臺上信標天線的指向誤差。前兩項誤差的分析見圖3，O 點為地面站接收天線的位置，O1為平臺的指定位 置，x軸和y軸所在的平面與直線OO1垂直?！鳓?為天線的指向誤差角，經(jīng)指向修正后天線指向△θ1≤0.02°，△θ2為受平臺懸停精度引起的誤差角。△θ1引起的誤差角可采用畫方向圖的方式通過找最大值消除。△θ2在不停變化，無法采用上述方法消除，需要分析計算由△θ2可能引起的最大測量損耗。

圖3 波束對不準示意圖

圖3 中天線在找到最大值后的實際指向為OO0，此時：

式中a 為平臺在水平方向的懸停精度(m)；b 為平臺在垂直方向的懸停精度(m)。

在天線口徑為12 m，工作頻率為27.5 GHz 時接收天線增益測量損耗與平臺懸停精度導致的最大偏離距離O0O2的對應(yīng)關(guān)系見圖4。

從圖4 可以看出，平臺在1/2 遠場邊界條件下由同樣的偏移距離引起的天線增益測量損耗是遠場邊界條件下的4 倍，為提高無人機平臺測量G/T 值的精度，需選擇滿足遠場的條件。選擇的無人機平臺在GSP 正常工作時，水平方向懸停精度a≤2.5 m，垂直方向懸停精度b≤1 m，在遠場條件下對應(yīng)的天線增益測量損耗最大約為0.101 dB。

圖4 平臺偏離距離與天線增益測量損耗對應(yīng)圖

針對信標天線波束的指向誤差，選用的標準增益天線為喇叭天線，半功率波束寬度約為17°。在測試過程中地面天線指向不動的情況下，通過調(diào)整無人機的指向和云臺的俯仰利用找最大值的方式可以準確地將信標天線指向地面天線，由該因素造成的G/T 值測量損耗基本可忽略。

除了上述因素外，無人機平臺在圖3 中OO1方向上的懸停精度會造成信標源與地面天線之間的徑向距離變化，從而影響空間損耗。經(jīng)計算在遠場邊界條件下平臺在徑向懸停精度為±2.5 m 時，造成的空間損耗差值為±0.001 7 dB，對G/T 值的測量影響可忽略。

2.3 信標功率修正分析

G/T 值測量前，先將平臺上Ka 信標的輸出接至頻譜儀進行輸出功率標定作為G/T 值測量過程中的一個已知數(shù)據(jù)。由于測量中平臺與地面的高度差有1 381 m，按照每100 m 溫度降低0.6 ℃計算，溫差達8.4 ℃。信標經(jīng)兩個鎖相環(huán)路后經(jīng)過一級放大和濾波輸出，放大器的增益易受溫度影響[6]，需要對信標在不同溫度下的輸出功率變化進行測量，在G/T 值計算時進行修正。對Ka 信標的輸出功率進行了溫度試驗，輸出功率隨溫度的變化曲線見圖5。

圖5 信標輸出功率與溫度的對應(yīng)圖

從圖5 中可見，溫度在-30 ℃～10 ℃時，增益隨溫度變化較明顯，約為0.23 dB/10 ℃，溫度在10 ℃～60 ℃時，增益變化相對較小，約為0.05 dB/10 ℃。試驗中不同頻率下功率隨溫度變化趨勢基本一致?？梢姴捎帽痉椒y量Ka 頻段G/T 值時，尤其是環(huán)境溫度在10 ℃以下時需要對信標源的輸出功率進行修正量Ab約為0.19 dB。不同的信標源的功率-溫度特性不同，需要通過溫度試驗實際標定再進行修正。

2.4 測量誤差分析

采用本方法測量地面站Ka 頻段G/T 值的誤差主要來源有：大氣損耗修正誤差ΔLai、信標源功率修正誤差ΔAb及切面內(nèi)懸停精度修正誤差ΔLp。

除了以上修正因子的誤差，本方法在G/T 值測量時還存在無人機定位誤差的影響。無人機定位誤差相對穩(wěn)定，在圖3 中OO1切面上的定位誤差，可以通過找最大值的方法消除，在OO1徑向的定位誤差會引起空間距離的變化而影響G/T 值的測量精度。無人機的定位誤差≤15 m，遠場條件時，造成的測量誤差在±0.004 9 dB以內(nèi)，對G/T 值的測量影響可忽略。

針對12 m 口徑天線在滿足遠場邊界距離和3°仰角條件測量G/T 值時，各誤差估值如下：ΔLai為±0.1Lai，ΔAb約為±0.1Ab,ΔLp約為±0.2Lp。則計算出的Ka 頻段測量精度結(jié)果見表2。

表2 測量精度統(tǒng)計表

從表2 中可以看出，采用本方法測量地面站Ka 頻段G/T 總的估算誤差≤0.283 dB，滿足目前地面站對G/T值測量精度的要求。

3 試驗驗證

為了驗證本方法的可行性和準確性，在天線試驗場分別用兩種方法測量系統(tǒng)Ka 頻段的G/T 值進行對比驗證。第一種方法為間接測量法，需分別測量出天線的增益G[7]和系統(tǒng)噪溫T[8]，然后計算出系統(tǒng)G/T 值，這種方法測量出來的G/T 值較準確，但是大部分站點不具備測試條件。第二種方法采用無人機平臺進行測量，并按照式(5)進行對各修正因子進行修正。在試驗中以第一種方法的測量結(jié)果來驗證第二種方法的可行性和測量準確性。

3.1 間接測量法

天線增益與天線的主波束的帶寬存在一種固定的關(guān)系[9]，可由下式計算天線增益：

式中G為天線在LNA輸入口的增益(dB)；θA3、θE3分別為天線在A、E 軸的3 dB 波束寬度(°)；θA10、θE10分別為天線在A、E 軸的10 dB波束寬度(°)；nσ為反射面表面誤差引起的增益惡化量(dB)；nf為饋源至LNA 輸入口的饋線損耗(dB)。

上述波束寬度通過在天線試驗場滿足遠場條件的山上架設(shè)信標采用畫方向圖進行測量，nσ可以通過對天線反射面標定后測量計算[10]。

式中T 為系統(tǒng)在LNA 輸入口的等效噪溫(K)；T0為環(huán)境溫度(℃)；TLNA為LNA 的等效噪溫(K)；P1、P2分別為LNA接天線和接常溫負載時在頻譜儀上讀取的噪聲譜密度(dBm/Hz)。

按照上述公式在環(huán)境溫度T0為16 ℃時，在天線試驗場對地面站Ka 頻段左旋通道三個頻點的G/T 值進行了測量，測試結(jié)果見表3。

表3 間接測量法G/T 值測量統(tǒng)計表

3.2 無人機平臺測量法

在天線試驗場利用無人機平臺同樣對地面站Ka 頻段左旋通道三個頻點的G/T 值進行了測量，無人機距天線為26.4 km，高度差為1 381 m，信標功率為-20 dBm。外界天氣條件為壓強為896 hPa，溫度為16 ℃，水汽密度為6 g/m3，測試結(jié)果見表4。

表4 無人機平臺法G/T 值測量統(tǒng)計表

從上述兩項試驗可以看出，采用無人機平臺并利用式(5)測量地面站Ka 頻段三個頻點的G/T 值比間接測量法的結(jié)果分別高：0.26 dB、0.18 dB 和0.15 dB，采用兩種方法的測量結(jié)果基本一致，采用無人機平臺測量地面站Ka 頻段G/T 值并對影響因子進行修正后的測量精度在誤差估算范圍內(nèi)。

試驗中利用無人機平臺進行G/T 值測量時，有時會因無人機平臺受陣風擾動影響造成測量結(jié)果偏差較大。在天氣良好的條件下，一般無人機起飛3 次進行3 組測量，剔除其中偏差較大的值，對有效數(shù)據(jù)求平均可得到穩(wěn)定的測量結(jié)果，且與間接測量法結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過無人機平臺測量地面站Ka 頻段G/T 值并對影響因子進行修正的方法解決了大部分地面站Ka 頻段G/T 值無法測量的問題。

采用本方法測量Ka 頻段的G/T 值需要多人協(xié)作測量等，測量準備時間及工作量仍較大，后續(xù)計劃利用本方法測量G/T 值的同時，進行系統(tǒng)偏饋無線閉環(huán)測量此時接收鏈路的S/? 值，建立本方法測量的G/T 值與偏饋閉環(huán)測量接收通道S/? 間的對應(yīng)關(guān)系，通過測量S/? 即可推算系統(tǒng)的G/T 值，提高地面站Ka 頻段G/T 值的測量效率。