利用太阳作为射电源测量车载遥测设备G/T值的方法

摘要

本发明提供了一种利用太阳作为射电源测量车载遥测设备G/T值的方法，属于遥测技术领域。本发明方法应用于5.2m天线的S频段车载遥测设备，将太阳作为射电星，测量太阳噪声功率和冷空噪声功率，然后根据公式获得遥测设备的G/T值，在计算G/T值时，本发明还对公式涉及的K

说明书

技术领域

本发明属于遥测技术领域，具体地说，是指一种利用太阳作为射电源测量进行车载遥测 设备的G/T值测试的方法。

背景技术

设备品质因数G/T值是衡量设备接收系统性能优劣的一项重要指标，也是设备指标测试 时必测项目之一。G为天线增益，T为系统噪声温度，G/T值越高，代表系统接收性能就越 好。目前，测试设备G/T值的常用方法主要有：标校塔法、卫星源法、射电天文法。

标校塔法即利用设备附近的标校塔进行测试，通过在标校塔上架设信号源和标准增益喇 叭，驱动设备天线对准目标，根据接收的信噪比测得设备G/T值，由于利用标校塔架设信号 源可以同时测得绝大部分天线指标，所以目前设备G/T值测试时通常采用标校塔法。但在实 际使用中，标校塔法存在如下缺陷：

(1)测试环境要求高。首先标校塔必须有足够的高度，保证被测天线的测试仰角大于3°， 以减小地面反射波的影响；其次标校塔与天线的距离d要满足远场测试的必要条件；同时测 试周围要比较开阔，无建筑物和树木等的遮挡。

(2)信标架设精度要求高。测试G/T值所需要的标准增益喇叭通常没有很好的架设条件， 喇叭不能稳定架设，导致测试数据读值波动比较大，在实际测量中，常出现左旋18dB/K，右 旋13dB/K的结果，左右旋测试结果相差较大，影响测试结果的可信度。

(3)测试操作不方便。测试时，用频谱仪读取不同频点的最大值时，需要不断调整天线， 需要测试人员与伺服岗位人员和标校塔架设信标人员不断沟通，容易产生人为误差。

随着卫星技术发展，卫星的等效辐射功率(EIRP)、空间传播损耗可以精确计算或测量， 利用卫星作为空间信标源，通过测量设备接收下行载噪比测得设备G/T值，该方法称为卫星 源法。

射电天文法即利用宇宙射电源作为噪声功率源，通过测量射电星噪声功率和冷空噪声功 率之比，根据相应公式直接测得设备G/T值的一种方法。显然利用射电天文法可以完全满足 测试环境要求，具备远场测试条件，同时也不存在信标机架设精度、建筑物遮挡等问题。但 利用射电源测量G/T值，其G/T值必须足够大方可满足测量精度，通常适用于大型天线系统 测量G/T值。INTELSAT标准推荐利用仙后座、金牛座、天鹅座等射电星测量设备G/T值。 但由于遥测设备一般天线增益小，测得的噪声功率之比误差大。

目前遥测设备多为车载设备，根据任务需求，常在野外进行布站，由于没有很好的外场 测试条件，甚至没有标校塔，无法利用标校塔法测G/T值，同时卫星源法测G/T值也存在天 线指向误差大、卫星发射频率在工作频段外等因素，操作性较差。

发明内容

本发明针对目前测量设备G/T值存在的问题，为了使设备人员能检测设备G/T值，从而 更好地了解设备性能，提出了一种利用太阳作为射电源测量车载遥测设备G/T值的方法。

本发明利用太阳作为射电源测量车载遥测设备G/T值的方法，应用于5.2m天线的S频 段车载遥测设备，具体是将太阳作为射电星，测量太阳噪声功率Y_太阳和冷空噪声功率Y_冷空； 然后根据下面公式来获得遥测设备的G/T值：

$\frac{G}{T}=15.86+10\log (Y-1)+20\log f-10\log s+K_1+K_2$

其中，Y为天线指向太阳与指向冷空时的噪声功率电平之差，Y_E＝Y_太阳-Y_冷空；

f为测试频率，单位为GHz；

s是太阳流量值；

K₁为大气吸收衰减因子，ν为大气衰减常数，El表示天线仰角，对于S 频段天线，当天线仰角El＞5°时，ν＝0.0358dB；

K₂为波束修正因子，其中参数θ_3dB表示天线的半功 率波束宽度。

本发明还对太阳流量值s和频谱仪测量的信号进行了修正。

本发明利用太阳作为射电源测量车载遥测设备G/T值，测量太阳噪声功率Y_太阳和冷空噪 声功率Y_冷空的一个具体步骤如下：

步骤1：连接测试系统，加电预热，使各仪器设备工作正常；

步骤2：伺服操作手驱动天线对准太阳；

步骤3：为频谱仪设置参数：扫描跨度Span＝0MHz，分析带宽RBW＝1MHz，显示带宽 VBW＝10Hz，衰减ATT＝0dB，扫描时间SWT＝500ms；

读取频谱仪本身噪底，将频谱仪测试线缆连接中频信号左旋接口；

步骤4，下变频器设置点频2200.5MHz，在频谱仪读数前，伺服操作手重新微调天线对 准太阳，读取当前点频下的最大太阳噪声功率值和此时的天线仰角；

步骤5，设置下变频器的点频分别为2300.5MHz和2399.5MHz，重复步骤4；

步骤6，下变频器设置点频2399.5MHz，保持天线俯仰不变，转动天线方位，使天线偏 开太阳对准冷空，记下当前点频对应的冷空噪声功率值；

步骤7，设置下变频器的点频分别为2300.5MHz和2200.5MHz，重复步骤6；

步骤8，将频谱仪测试线缆连接中频信号右旋接口，重复步骤4～7。

本发明实现了5.2m天线S频段车载遥测设备的G/T值测试，其优点与积极效果在于：(1) 利用太阳进行设备关键指标测试，使操作人员对设备性能有较好的掌握；(2)并提供了规范 的测试步骤，使得该方法在遥测设备上具有较好的操作性；(3)本发明对K₁、K₂值进行修正， 另外还对太阳流量值和频谱仪测量的信号进行了修正，提高了测试精度。

附图说明

图1是本发明利用太阳作为射电源测量车载遥测设备G/T值的原理框图；

图2是本发明提供的测量车载遥测设备G/T值的流程示意图；

图3是修正因子CF与载噪比(C+N)/N的关系曲线图；

图4是本发明实施例中2013年度太阳平均流量图(f＝2695MHz)；

图5是太阳法测G/T值与标校塔法测G/T值的对比图(2200.5MHz左旋)；

图6是太阳法测G/T值与标校塔法测G/T值的对比图(2200.5MHz右旋)；

图7是太阳法测G/T值与标校塔法测G/T值的对比图(2300.5MHz左旋)；

图8是太阳法测G/T值与标校塔法测G/T值的对比图(2300.5MHz右旋)；

图9是太阳法测G/T值与标校塔法测G/T值的对比图(2399.5MHz左旋)；

图10是太阳法测G/T值与标校塔法测G/T值的对比图(2399.5MHz右旋)。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

太阳是一个很强的射电星，相比仙后座、金牛座等射电星，太阳到达地面的噪声功率大， 载噪比大，测量较为准确。太阳的电磁波波长范围为1mm～20m，频段很宽，完全覆盖遥测 设备的工作频段。另外在晴天条件下容易驱动天线对准太阳。本发明在现有射电天文法的基 础上，利用太阳作为一种微波噪声功率源，通过测量太阳噪声功率和冷空噪声功率之比，根 据相应公式计算出车载遥测设备的G/T值。

本发明利用太阳作为射电源测量车载遥测设备G/T值的方法，应用于5.2m天线S频段 车载遥测设备，如图1和2所示，测试步骤如下：具体是测量太阳噪声功率电平和冷空噪声 功率电平：

步骤1，按图1所示连接好整个测试系统，加电预热，使各仪器设备工作正常。将太阳 作为射电星进行测量。

图1中，伺服操作手控制驱动地面站天线转动，天线收集信号，信号依次经过低噪声放 大器(LNA)、自动增益控制放大器(AGCA)、射频耦合器和下变频器的处理后，传送到频 谱仪进行测量。

LNA的作用是对输入的微弱射频信号进行放大，同时尽可能减小自身的噪声功率。

AGCA的作用是对输入的射频信号进一步放大，同时能够控制输出的信号幅度，避免输 入强信号经放大后造成后面信道饱和。

射频耦合器主要是对输入的射频信号进行分路。

下变频器的作用是对射频信号进行变频，将射频信段信号变为中频信号。

频谱仪在这里充当中频接收机，测量接收中频信号和噪声的幅度。

步骤2，伺服操作手驱动天线对准太阳。

本发明实施例中采用某车载遥测设备馈源，由于馈源安装于抛物面天线的焦点位置，当 天线对准太阳时，馈源在抛物面天线上的投影应在天线中心位置。设置一名观察人员，观察 馈源在天线面上的投影指挥伺服操作手将天线迅速转到朝太阳方向，伺服操作手根据伺服界 面的误差示波器微调天线精确对准太阳。

步骤3，频谱仪设置参数。

测试频谱仪要有足够大的动态范围，否则无法测试到最低点的冷空值，同时要读到尽可 能低的噪声值。

在实际测量中，为了提高频谱仪的灵敏度，从而提高仪器测量微弱信号的能力，设置频 谱仪相关参数如下：扫描跨度Span＝0MHz，分析带宽RBW＝1MHz，显示带宽VBW＝10Hz， 衰减ATT＝0dB，扫描时间SWT＝500ms。

读取频谱仪本身噪底，然后将频谱仪测试线缆连接中频信号左旋接口。

测试电缆的选择：要求电缆的插入损耗尽可能小，采用低损耗电缆，同时电缆尽可能短。

步骤4，下变频器设置点频2200.5MHz，由于太阳时刻处于运动状态，频谱仪读数前， 要求伺服操作手重新根据跟踪光点微调天线，对准太阳后，迅速读取该点频下的最大太阳噪 声功率值和此时天线仰角。

在测量时，充分利用频谱仪的视频带宽和视频平均技术，提高测量小信号和噪声功率电 平的测量精度。频谱仪读数要求数据曲线尽可能波动小，读值选用信号电平均值，减小读值 误差。

步骤5，设置下变频器的点频分别为2300.5MHz和2399.5MHz，重复步骤4，读出不同 点频下的最大太阳噪声功率值。

步骤6，下变频器设置点频2399.5MHz，保持天线俯仰不变，转动天线方位，使天线偏 开太阳对准冷空，记下当前点频对应的冷空噪声功率值；天线方位至少转动50°角，以避开太 阳干扰，尽量读取最小冷空噪声功率值。

步骤7，设置下变频器点频分别为2300.5MHz和2200.5MHz，重复步骤6，读出不同点 频下的冷空噪声功率值。

步骤8，将频谱仪测试线缆连接中频信号右旋接口，重复步骤4～7。

在测试过程中按照下表所示，填写测试数据。

表1测试数据记录表

表中，LHCP表示左旋信号，RHCP表示右旋信号，A表示天线对准目标时的方位角度， E表示天线对准目标时的俯仰角度。

在获得试验数据后，进行车载遥测设备的G/T值计算。

首先，下面给出获得车载遥测设备的G/T值的过程。

太阳法测G/T值的测试公式如下：

$\frac{G}{T}=\frac{8\mathrm{\pi k}(Y-1)K_1{K}_2}{{\lambda }^{2}s}---\left(1\right)$

其中，G为天线增益，T为系统噪声温度；

k为波尔兹曼常数，k＝1.380622*10^-23，单位为焦/开(J/K)；

Y为天线指向太阳与指向冷空时的噪声功率电平之差，称为Y因子；

Y_E＝Y_太阳-Y_冷空，Y_太阳为太阳噪声功率，Y_冷空为冷空噪声功率。

λ为测量频率的波长，单位为米(m)；

s为太阳的流量密度，单位为瓦/平方米.赫兹(W/m²Hz),一个太阳流量单位为10^-22W/m²Hz；

K₁为大气吸收衰减因子；

K₂为波束修正因子。

将上面公式(1)用dB来表示为：

$\frac{G}{T}=10\lg \left(8\mathrm{\pi k}\right)+10\lg (Y-1)+K_1+K_2-10\lg {\left(\frac{c}{f*{10}^{-9}}\right)}^2-10\lg (s*{10}^{-22})---\left(2\right)$

其中，f为测试频率，单位为GHz，c表示光速。

将各项常数代入上式并化简，得到：

$\frac{G}{T}=15.86+10\log (Y-1)+20\log f-10\log s+K_1+K_2---\left(3\right)$

其中，对K₁和K₂进行修正的过程如下。

大气吸收衰减因子K₁一般可使用以下公式进行简单估算：

$K_1=\frac{v}{\sin \left(\mathrm{El}\right)}---\left(4\right)$

ν为大气衰减常数，通过查表，可知对于S频段天线，当天线仰角El＞5°时，ν＝0.0358dB； 所以大气吸收衰减因子

当天线的半功率波束宽度θ_3dB大于太阳的最大角直径(0.542°)时，波束修正因子K₂近似 计算为:

$K_2=10\log \frac{\chi }{1-e^{-\chi }}\left(\mathrm{dB}\right)---\left(5\right)$

其中，参数根据公式(5)可以计算出用某车载遥测设备测试时K₂的取值：

f＝2.2GHz时，K₂＝0.126dB；

f＝2.3GHz时，K₂＝0.157dB；

f＝2.4GHz时，K₂＝0.167dB。

此外，本发明还对太阳流量值s和频谱仪测量的信号进行了修正，以进一步提高测量精 度。

在实际测试中，由于可查询的太阳流量值所对应的频点不是试验所用的频点，必须按一 定的方法进行修正，得出测试频点对应的太阳流量值。查阅资料得出一定频点的太阳流量值， 如表2所示：

表2：网络太阳流量s值

太阳流量修正方法如下：

假定待测频率为f₀，通过查表找到与最相近的频率f_n，采用以下公式对太阳流量进行修 正：

取频率f_n在各个站点各个时间的太阳流量的平均值

对太阳流量进行频率修正：

$s\left(f_0\right)=(0.0002\times \bar{s}-0.01)\times (f_0-f_n)+\bar{s}---\left(6\right)$

其中s(f₀)为修正后的频率为f₀的太阳流量值，频率以MHz为单位。

在测量G/T值时，由于频谱仪接收的太阳信号和冷空信号通常比较弱，若天线系统中连 接线的插入损耗较大，比如AGC后的电缆线比较长，50米的插入损耗可达22dB左右，将会 使信号的幅值进一步降低。当仪器接收到的信号接近仪器本身的内部噪声电平时，由于噪声 迭加的影响以及频谱仪内部的失真分量，仪器读值反映的不仅是信号的信息，也包含了仪器 内部噪声的信息，这样会大大降低实际信号信噪比C/N的测量精度。

本发明定义载噪比修正因子CF为：

CF＝(C+N)/N-C/N(dB)           (7)

式中，C为实际信号的功率，N是频谱仪带宽内的噪声功率；(C+N)/N是频谱仪测量的信 号相对于仪器内部噪声的读值，C/N是实际信号相对于仪器内部噪声的读值。

图2给出了修正因子CF与载噪比(C+N)/N的关系曲线。由图2可知，随着测量载噪比的 增大，修正因子减小；反之，修正因子增大。当测量的载噪比大于或等于20dB时，可忽略 噪声对测量的影响。当载噪比大于等于15dB时，由于修正因子较小，可考虑不做修正；当 载噪比大于等于10dB时，则必须要修正；当载噪比大于等于3dB时，通过修正后的其测试 结果仍具有可靠性；但是当载噪比低于3dB时，其测试结果误差较大，已经不能通过修正来 减小误差。

本发明中，由实际测量的信号绝对读值(C+N)/N，利用公式(8)可近似计算真实信号值 C/N的大小。

$\frac{C}{N}=10\log [{10}^{\left[\frac{(C+N)}{N}\right]/10}-1]---\left(8\right)$

由图3可知，随着测量载噪比的增大，修正因子减小；反之，修正因子增大。当测量的 载噪比大于或等于20dB时，可忽略噪声对测量的影响。当载噪比大于等于15dB时，由于修 正因子较小，可考虑不做修正；当载噪比大于等于10dB时，则必须要修正；当载噪比大于 等于3dB时，通过修正后的其测试结果仍具有可靠性；但是当载噪比低于3dB时，其测试结 果误差较大，已经不能通过修正来减小误差。

实施例

本发明实施例中，利用某车载遥测设备在2013年4月至9月期间共进行了72次G/T值 实际测量，并对测量数据进行处理，以验证本发明利用太阳测量遥测设备G/T值的可行性和 准确性。

图4为2013年1月至9月份太阳流量均值，由图4可以看出，2013年太阳活动较为频 繁。但从整个测试结果看，相应G/T值变化较小，最大相差4.3dB。

采用本发明方法，在整个测试过程中，出现两组测试数据异常。具体测试数据如表3所 示：

表3：2300.5MHz下太阳法测试异常数据

通过对标校塔进行G/T值测试，测试时采用原有标校喇叭，所测数据如表4所示：

表4：2250.5MHz下标校塔法测试异常数据

比对两种方法测试数据，判定设备接收系统存在故障。经仔细排查，发现某车载遥测设 备天线馈源出现故障，导致接收太阳信噪比异常，从而影响测试结果。

将70组测试结果与标校塔所测结果进行比较，如图5～图10所示。

本发明实施例中，该车载遥测设备停放在场坪，附近具有标校塔且无大的建筑物遮挡， 外场测试条件好，利用标校塔法对该遥测设备进行了G/T值测试，将本发明方法与标校塔法 测得的G/T以及设计指标进行比较，如表5所示。

表5：两种方法下G/T值测试结果比较

由表5可知，本发明太阳法测G/T值单次测量时测量结果与标校塔法相比，结果相差较 大，最大相差2.7左右，在不考虑频谱仪读值偏差、线缆插入损耗变化等影响，分析整个测 试系统引入的主要偏差在1.太阳流量变化带入的测试结果发生变化。太阳是天线测量的最强 射电源，其流量不很稳定，太阳通量密度随黑子活动发生较大变化。从单个测试结果可以看 出太阳通量密度对其有影响。当太阳通量密度大时，所测得G/T值偏大。2.环境温度改变导 致设备性能改变引起的测试结果变化。设备特别是馈源部分受温度影响较大，在实际测试中， 当外界温度较低时，所测的G/T值偏小，当外界温度高时，所测的G/T值偏大。但通过多次 测量求均值的方法，尽量减小测试引入的随机误差，可以取得较高精度。当测量5次求均值 时，与标校塔所测结果相比，最大相差1.9，而当测量10次求均值时，最大相差0.8，当测量 测试达到20次时，最大相差0.5左右，对70组数据求均值时，最大相差0.35，测试精度较 高。

下面通过公式计算出太阳法测量G/T值的均方根误差。

对公式(1)取对数可得：

$\frac{G}{T}(\mathrm{dB}/K)=10\log \left[\frac{8\mathrm{\pi k}(Y-1)K_2}{{\lambda }^{2}s}\right]+K_1---\left(9\right)$

对公式(9)进行微分可得：

$d\frac{G}{T}=4.343[\frac{\mathrm{dY}}{Y-1}+\frac{{\mathrm{dK}}_1}{4.343}+\frac{{\mathrm{dK}}_2}{K_2}-\frac{\mathrm{ds}}{s}-2\frac{\mathrm{d\lambda }}{\lambda }]---\left(10\right)$

假设各项误差相互独立，则G/T值测量的均方根误差为：

$\Delta \frac{G}{T}=\pm 4.343{[{\left(\frac{\mathrm{dY}}{Y-1}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{dK}}_1}{4.343}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{dK}}_2}{K_2}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{ds}}{s}\right)}^2+2{\left(\frac{\mathrm{d\lambda }}{\lambda }\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(11\right)$

误差项dY/(Y-1)表示Y因子测量的相对误差，实际测量中使用的仪器为advantest U3741 频谱分析仪，测量精度为±0.1dB，即Y因子的测量最大误差小于0.1dB。

误差项dK₁/K₁表示大气吸收衰减的相对误差，由上面计算结果可知，其最大衰减为 0.057dB，因此此项测量误差很小，S波段大气吸收衰减误差小于0.01dB是没有问题的。

误差项dK₂/K₂为射电星波束修正因子的相对误差，太阳的角直径为0.542°，5.2m遥测 天线的波束宽度为1.8°，假定太阳的角直径误差为10％，则估算出dK₂/K₂＝0.023。

误差项ds/s为太阳流量密度的相对误差，假设其误差﹤3％，即ds/s＝0.03。

误差项dλ/λ表示波长的相对误差，其误差大小取决于频率误差的大小，advantest U3741 的频率稳定度为±1*10^-8，因此波长的相对误差可以忽略不计。

将各个误差项分析结果代入公式(11)，5.2m遥测天线G/T值的均方根误差估算结果为 ±0.466，与实测结果相吻合较好。

通过上面试验结果以及均方根误差分析，可以得出以下结论：

(1)采用本发明方法，进行单次测量时，由于频谱仪读值存在误差、线缆插入损耗变 化、太阳流量变化特别是环境变化引起的Y因子变化，G/T测量值与设备指标值偏差可能 较大，在项目测试过程中最大相差2.7dB/K左右；

(2)通过多次测试求均值的方法可以得到设备较高精度的G/T值。项目建议测试10 次求均值，与设备指标值相差在0.8dB/K以内；

(3)遥测设备设计时一般都保留6dB的安全余量，所以在利用太阳单次测试设备G/T 值时，虽然结果与指标值最大相差2.7dB/K，但仍可认为G/T值满足任务要求，具备执行任 务条件。

(4)利用太阳完全可以测量遥测设备的G/T值，测试结果可作为判断遥测设备工作是 否正常的依据。

本发明针对机动遥测设备G/T值测量困难这一现状，提出用太阳作为射电源测量机动遥 测设备的G/T值，通过对修正因子的研究，提高了测试精度。通过对某车载遥测设备进行多 次G/T值测试，验证了太阳法测量机动遥测设备的G/T值是完全可行的。最后通过试验，建 议采用10次测试求均值的方法进行G/T测试，其结果与指标值相差0.35dB左右，精度较高， 值得在其他测控设备中推广使用。