专利名称：一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法
技术领域：
本发明涉及一种地面验证方法，具体涉及一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法，属于卫星大系统试验技术领域。
背景技术：
随着遥感卫星技术的不断提高以及用户需求的不断增长，卫星有效载荷的数据量大量增长。对于当前广泛使用的X波段星地数据传输系统，国际电联规定的可用带宽仅为8025MHz至8400MHz范围内的375MHz。为使载荷数据的传输能满足该规定的限制，一些新型遥感卫星提出了使用双圆极化频率复用数传技术的方案。双圆极化频率复用技术是指将卫星载荷数据分成两个通道并通过不同的极化形式辐射至地面接收站，两种极化形式通常为右旋圆极化和左旋圆极化。由于两种极化形式之间相互正交，因此可以将两个通道的数据在同一频域和同一时域内进行传输，因而充分利用了有限的射频带宽，大大提高了星地数据传输的效率。为实现双圆极化复用的星地数据传输，在星上将两路射频数传信号馈送至极化双工器分别形成右旋和左旋圆极化的电磁波信号，并由星载数传天线辐射至地面接收站。其中，星载数传天线目前通常采用机械式点波束双圆极化复用天线的方案。这种天线主瓣的波束宽度较窄，因此需要通过星载控制计算机和伺服控制器根据卫星的时间、轨道、姿态信息实时计算出天线指向地面接收站的角度，并控制天线转动，实现对地面接收站的精确指向。对于基于双圆极化复用数传天线的星地数传系统，星地联合极化鉴别率、链路余量、指向精度对链路影响等性能直接决定了卫星在轨运行的性能，需要通过卫星与地面接收站的无线对接试验对上述性能进行全面的地面验证。目前数传天线的地面验证方法基本上都是针对赋形天线进行设计的。在卫星与地面接收站进行无线对接试验时，仅对链路状况进行定性验证，无法定量测量星地联合极化鉴别率、链路余量等性能指标，而且赋形天线的波束较宽，不存在指向精度对链路影响的问题。

发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法，可以应用于卫星与地面接收站的无线对接试验。一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法，该地面验证方法采用的测试系统包括卫星系统和地面系统；在卫星系统中，调制器a和调制器b分别接收PN码发生器a和PN码发生器b送来的两路伪随机码，并将其进行调制形成两路射频信号，两路射频信号分别由衰减器a和衰减器b进行功率衰减，两者的输出信号分别作为通道I和通道2信号输入至星载双圆极化复用数传天线，形成双圆极化复用无线射频信号，并将其辐射至地面系统；其中通道I为右旋圆极化，通道2为左旋圆极化，且通过伺服控制器控制星载双圆极化复用数传天线的指向角度；在地面系统中，地面接收天线接收星载双圆极化复用数传天线辐射出的双圆极化复用无线射频信号，并将两个通道的信号进行分离形成独立的通道I和通道2信号，分别送至低噪声放大器a和低噪声放大器b进行低噪声放大后，送至下变频器a和下变频器b分别进行下变频，完成下变频的通道I信号由功分器a分成两路，一路送至解调器a进行解调，另一路送至频谱仪a进行频谱测量，完成下变频的通道2信号由功分器b分成两路，一路送至解调器b进行解调，另一路送至频谱仪b进行频谱测量；其地面验证方法具体步骤如下:第I步:根据卫星系统和地面系统之间的距离以及卫星在轨实际工作情况，计算衰减器a和衰减器b的衰减量；当卫星在轨过顶时，两个衰减器的衰减量设为L1，卫星在轨位于地面站5°仰角时，两个衰减器的衰减量设为L2;第2步:将星载双圆极化复用数传天线与地面接收天线之间进行相互指向对准；第3步:进行地面验证模拟试验，并分别测量通道I和通道2的星地联合极化鉴别率及链路余量，具体包括:(I)测量通道I和通道2的星地联合极化鉴别率，具体为:①通过调制器a发射单载波信号，将衰减器a的衰减量设为L1，调制器b处于关机状态，地面系统利用频谱仪a和频谱仪b分别测量接收到的通道I和通道2的载波功率，分别记为Al和A2 ；②通过调制器b发射单载波信号，将衰减器b的衰减量也设为L1，调制器a处于关机状态，地面系统利用频谱仪a和频谱仪b分别测量接收到的通道I和通道2的载波功率，分别为B2和BI ;③根据步骤①和步骤②得到的载波功率，则通道I的星地联合极化鉴别率为A1-B2，通道2的星地联合极化鉴别率为B1-A2 ；(2)测量两个通道的链路余量，具体为:①通过PN码发生器a和PN码发生器b分别向调制器a和调制器b发送伪随机码，调制器a和调制器b对伪随机码分别进行调制，并将衰减器a和衰减器b的衰减量均设为Li ;②地面系统利用解调器a和解调器b分别测量通道I和通道2的误码率；③判断步骤②得到的误码率是否小于10_8，若小于10_8，则以设定步长增加衰减器a和衰减器b的衰减量，返回步骤②直至解调器a和解调器b分别测得的通道I和通道2误码率大于10_8且小于10_7 ;若大于10_8，则直接执行步骤④；④记录此时衰减器a和衰减器b的衰减量，分别为Lk和U，当卫星在轨过顶时，通道I的链路余量为Lk-L1，通道2的链路余量为U-L1 ;当卫星在轨位于地面站5°仰角时，通道I的链路余量为Lk-L2，通道2的链路余量为U-L2 ；第4步:分别对星载双圆极化复用数传天线和地面接收天线的指向角度进行拉偏，并在角度拉偏时测量星地联合极化鉴别率和链路余量，具体包括:(I)对星载双圆极化复用数传天线的指向角度进行拉偏，测量星地联合极化鉴别率和链路余量，具体为:①通过伺服控制器控制星载双圆极化复用数传天线的指向角度，使其方位角和俯仰角分别以设定步长偏离指向对准的状态；②在每个拉偏角度下，均按第3步的方法测量星地联合极化鉴别率和链路余量；③判断步骤②得到的链路余量是否小于3dB，若小于3dB，则执行步骤④；若大于3dB，则将星载双圆极化复用数传天线的拉偏角度增加设定值，返回步骤②；④停止角度拉偏，将此时的拉偏角度记为Θ 17并将其作为满足星地数传链路需要的星载双圆极化复用数传天线的指向精度；(2)对地面接收天线的指向角度进行拉偏，测量星地联合极化鉴别率和链路余量，具体为:①通过伺服控制器控制星载双圆极化复用数传天线的指向角度回到指向对准的状态，调节地面接收天线的指向角度，使其方位角和俯仰角分别以设定步长偏离指向对准的状态；②在每个拉偏角度下，均按第3步的方法测量星地联合极化鉴别率和链路余量；③判断步骤②得到的链路余量是否小于3dB，若小于3dB，则执行步骤④；若大于3dB,则将地面接收天线的拉偏角度增加设定值，返回步骤②；④停止角度拉偏，将此时的拉偏角度记为Θ 2，并将其作为满足星地数传链路需要的地面接收天线的指向精度。所述的第I步中，计算两个衰减器的衰减量具体为:设卫星系统和地面系统之间的距离为D，单位为km，调制器a和调制器b的输出功率均为P，单位为dBm，卫星在轨运行时，进入数传天线的信号功率为Ptl，单位为dBm，卫星轨道高度为H，单位为km ；根据公式(I)计算两个衰减器的衰减量L1，单位为dB ；L1 = P-Pq+20 I gH-20 IgD (I)根据公式(2)计算两个衰减器的衰减量L2，单位为dB ；
权利要求
1.一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法，其特征在于，该地面验证方法采用的测试系统包括卫星系统和地面系统；在卫星系统中，调制器a和调制器b分别接收PN码发生器a和PN码发生器b送来的两路伪随机码，并将其进行调制形成两路射频信号，两路射频信号分别由衰减器a和衰减器b进行功率衰减，两者的输出信号分别作为通道I和通道2信号输入至星载双圆极化复用数传天线，形成双圆极化复用无线射频信号，并将其辐射至地面系统；其中通道I为右旋圆极化，通道2为左旋圆极化，且通过伺服控制器控制星载双圆极化复用数传天线的指向角度； 在地面系统中，地面接收天线接收星载双圆极化复用数传天线辐射出的双圆极化复用无线射频信号，并将两个通道的信号进行分离形成独立的通道I和通道2信号，分别送至低噪声放大器a和低噪声放大器b进行低噪声放大后，送至下变频器a和下变频器b分别进行下变频，完成下变频的通道I信号由功分器a分成两路，一路送至解调器a进行解调，另一路送至频谱仪a进行频谱测量，完成下变频的通道2信号由功分器b分成两路，一路送至解调器b进行解调，另一路送至频谱仪b进行频谱测量； 其地面验证方法具体步骤如下: 第I步:根据卫星系统和地面系统之间的距离以及卫星在轨实际工作情况，计算衰减器a和衰减器b的衰减量；当卫星在轨过顶时，两个衰减器的衰减量设为L1，卫星在轨位于地面站5°仰角时，两个衰减器的衰减量设为L2 ； 第2步:将星载双圆极化复用数传天线与地面接收天线之间进行相互指向对准； 第3步:进行地面验证模拟试验，并分别测量通道I和通道2的星地联合极化鉴别率及链路余量，具体包括: (1)测量通道I和通道2的星地联合极化鉴别率，具体为: ①通过调制器a发射单载波信号，将衰减器a的衰减量设为L1，调制器b处于关机状态，地面系统利用频谱仪a和频谱仪b分别测量接收到的通道I和通道2的载波功率，分别记为Al和A2 ； ②通过调制器b发射单载波信号，将衰减器b的衰减量也设为L1，调制器a处于关机状态，地面系统利用频谱仪a和频谱仪b分别测量接收到的通道I和通道2的载波功率，分别为B2和BI ； ③根据步骤①和步骤②得到的载波功率，则通道I的星地联合极化鉴别率为A1-B2，通道2的星地联合极化鉴别率为B1-A2 ； (2)测量两个通道的链路余量，具体为: ①通过PN码发生器a和PN码发生器b分别向调制器a和调制器b发送伪随机码，调制器a和调制器b对伪随机码分别进行调制，并将衰减器a和衰减器b的衰减量均设为L1 ； ②地面系统利用解调器a和解调器b分别测量通道I和通道2的误码率； ③判断步骤②得到的误码率是否小于10_8，若小于10_8，则以设定步长增加衰减器a和衰减器b的衰减量，返回步骤②直至解调器a和解调器b分别测得的通道I和通道2误码率大于10_8且小于10_7 ;若大于10Λ则直接执行步骤④； ④记录此时衰减器a和衰减器b的衰减量，分别为Lk和U，当卫星在轨过顶时，通道I的链路余量为Lk-L1，通道2的链路余量为LfL1 ;当卫星在轨位于地面站5°仰角时，通道I的链路余量为Lk-L2，通道2的链路余量为U-L2 ；第4步:分别对星载双圆极化复用数传天线和地面接收天线的指向角度进行拉偏，并在角度拉偏时测量星地联合极化鉴别率和链路余量，具体包括: (1)对星载双圆极化复用数传天线的指向角度进行拉偏，测量星地联合极化鉴别率和链路余量，具体为: ①通过伺服控制器控制星载双圆极化复用数传天线的指向角度，使其方位角和俯仰角分别以设定步长偏离指向对准的状态； ②在每个拉偏角度下，均按第3步的方法测量星地联合极化鉴别率和链路余量； ③判断步骤②得到的链路余量是否小于3dB，若小于3dB，则执行步骤④；若大于3dB，则将星载双圆极化复用数传天线的拉偏角度增加设定值，返回步骤②； ④停止角度拉偏，将此时的拉偏角度记为Θi，并将其作为满足星地数传链路需要的星载双圆极化复用数传天线的指向精度； (2)对地面接收天线的指向角度进行拉偏，测量星地联合极化鉴别率和链路余量，具体为: ①通过伺服控制器控制星载双圆极化复用数传天线的指向角度回到指向对准的状态，调节地面接收天线的指向角度，使其方位角和俯仰角分别以设定步长偏离指向对准的状态； ②在每个拉偏角度下，均按第3步的方法测量星地联合极化鉴别率和链路余量； ③判断步骤②得到的链路余量是否小于3dB，若小于3dB，则执行步骤④；若大于3dB，则将地面接收天线的拉偏角度增加设定值，返回步骤②； ④停止角度拉偏，将此时的拉偏角度记为Θ2，并将其作为满足星地数传链路需要的地面接收天线的指向精度。
2.如权利要求1所述的一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法，其特征在于，所述的第I步中，计算两个衰减器的衰减量具体为:设卫星系统和地面系统之间的距离为D，单位为km，调制器a和调制器b的输出功率均为P，单位为dBm，卫星在轨运行时，进入数传天线的信号功率为Pd，单位为dBm,卫星轨道高度为H,单位为km ； 根据公式(I)计算两个衰减器的衰减量L1，单位为dB ；L1 = P-P0+201gH-201gD (I) 根据公式(2)计算两个衰减器的衰减量L2，单位为dB ；
3.如权利要求1或2所述的一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法，其特征在于，在第2步中将两个天线进行相互指向对准，具体包括: ①通过调制器a发射单载波信号，将衰减器a的衰减量设为OdB，地面接收天线接收星载双圆极化复用数传天线辐射出的通道I信号，并用频谱仪a测量通道I的载波功率； ②调节地面接收天线的方位角和俯仰角，直至频谱仪a测得的通道I的载波功率达到最大； ③通过伺服控制器调节星载双圆极化复用数传天线的方位角和俯仰角，使得频谱仪a测得的通道I的载波功率达到最大；④记录星载双 圆极化复用数传天线和地面接收天线各自的指向角度，作为后续测试的基准，完成星载双圆极化复用数传天线与地面接收天线之间的相互指向对准。
全文摘要
本发明提供了一种双圆极化复用星载数传天线性能的地面验证方法，该地面验证方法采用的测试系统包括卫星系统和地面系统；首先根据卫星系统和地面系统之间的距离以及卫星在轨实际工作情况，计算衰减器的衰减量；将星载双圆极化复用数传天线与地面接收天线之间进行相互指向对准；进行地面验证模拟试验，测量通道1和通道2的星地联合极化鉴别率和两个通道的链路余量，对星载双圆极化复用数传天线和地面接收天线的指向角度进行拉偏，并在角度拉偏时测量星地联合极化鉴别率和链路余量，进而测得满足链路需求的天线指向精度；本发明能够对双圆极化复用星载数传天线进行全面的地面验证，为在轨运行提供了依据，减小了在轨运行的风险。
文档编号G01R31/00GK103217596SQ20131007050
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者黄缙, 张莎莎, 李少辉, 刘希刚, 张新伟 申请人:北京空间飞行器总体设计部