CN112532307B - 一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统及方法，该系统包括：上行测试链路和下行测试链路，通过在上行测试链路中设置第一频谱仪，在上行链路测量时，通过第一频谱仪内部的滤波器除去了宽带噪声信号对上行信号功率的影响，然后根据第一频谱仪读数和上行校准时得到的修正数据计算卫星入口信号的功率，使得计算得出的卫星入口信号功率更加精确。本申请解决了现有技术中对高通量通信卫星有效载荷测试准确性较差的技术问题。

Description

一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统及方法

技术领域

本申请涉及卫星测试技术领域，尤其涉及一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统及方法。

背景技术

通信卫星有效载荷在轨测试是指卫星定点到轨道位置后对通信有效载荷性能指标的全面测试，以验证卫星的有效载荷系统和部件没有受到发射损伤，性能指标满足系统设计要求。

有效载荷在轨测试通常包括饱和等效全向辐射功率(EIRP)测试、饱和输入通量密度(SFD)测试、输入输出特性测试、品质因数(G/T)测试、带内幅频响应测试、频率转换精度测试，噪声谱测试、交叉极化隔离度测试、天线方向图验证等测试项目。其基本原理是地球站发射上行信号至卫星，卫星接收上行信号进行变频、放大后发射下行信号至地球站。改变地球站发射上行信号的功率或频率，并测量地球站相应接收的下行信号的功率和频率，据此计算卫星入口信号和输出信号的功率和频率，从而得到卫星有效载荷的各项性能指标。

目前，传统的通信卫星在轨测试系统主要是通过读取功率计的读数，按照一定步长在带内扫频得到上行测试链路的路径损耗，但是功率计的原理是将射频信号转换成热信号来测量信号功率，测量精度高，但没有频率选择功能。若按照传统方法测试高通量通信卫星有效载荷性能时，在上行测试链路的路径损耗时，功率计的读数是上行信号与噪声信号的功率和，由于Ka波段宽带放大器的噪声较大，当上行信号较小时，噪声功率占比较大，导致功率计的读数无法表示实际上行型号的功率，根据功率计的读数计算得到的卫星入口信号功率误差较大。例如，Ka频段高通量卫星饱和通量密度典型值为-90dBw/m²，当地面上行信号为饱和回退20dB时，经链路计算此时功率放大器输出的信号为-13dBW，仅为噪声功率-18dBW的3倍，此时采用功率计读数作为上行信号会有约1.2dB的误差，因此传统通信卫星在轨测试系统不适用于高通量通信卫星有效载荷测试。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术中对高通量通信卫星有效载荷测试准确性较差的情况，本申请提供了一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统及方法，本申请实施例所提供的方案中，通过在高通量卫星有效载荷在轨测试系统中设置第一频谱仪，在上行链路测量时，通过第一频谱仪内部的滤波器除去了宽带噪声信号对上行信号功率的影响，然后根据第一频谱仪读数和上行校准时得到的修正数据计算卫星入口信号的功率，使得计算得出的卫星入口信号功率更加精确，进而提高了对高通量通信卫星有效载荷测试准确性。

第一方面，本申请实施例提供一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统，该系统包括：上行测试链路和下行测试链路；其中，

所述上行测试链路包括信号源、功率放大器、第一测试耦合器、第二测试耦合器、第一功率计、第一频谱仪以及地面发射天线；所述信号源用于生成上行激励信号；所述功率放大器用于放大所述上行激励信号；所述第一测试耦合器用于将放大后的上行激励信号耦合给所述地面发射天线以及所述第二测试耦合器；所述第二耦合器用于将所述放大后的上行激励信号发送给所述第一功率计以及所述第一频谱仪，所述第一功率计用于测量所述放大后的上行激励信号的功率，所述第一频谱仪用于测量预设带宽内的上行激励信号的功率；

所述下行测试链路包括：地面接收天线、注入耦合器、功分器、下行校准信号源、第二功率计、低噪声放大器以及第二频谱仪；其中，所述地面接收天线用于接收高通量卫星发送的下行信号；所述下行校准信号源用于生成下行校准信号；所述功分器用于将所述下行校准信号功分给所述第二功率计以及所述注入耦合器；所述第二功率计用于测量所述下行校准信号；所述注入耦合器用于将所述下行信号和所述下行校准信号发送给所述低噪声放大器；所述低噪声放大器用于将所述下行信号和所述下行校准信号进行放大；所述第二频谱仪用于测量预设带宽内的下行信号和下行校准信号的功率。

第二方面，本申请实施例提供了一种高通量卫星有效载荷在轨测试方法，应用于第一方面所述的系统，该方法包括：

测量第一测试耦合器的耦合度以及第二测试耦合器的插入损耗，根据所述耦合度和所述插入损耗计算第一功率计到地面发射天线的路径损耗；

读取第一功率计和第一频谱仪的读数，根据所述第一功率计和所述第一频谱仪的读数计算所述第一频谱仪到所述第一功率计的损耗修正值；

根据第二功率计和第二频谱仪的读数计算下行测试链路的路径损耗，以及计算上行和下行大气损耗；

根据所述路径损耗、所述损耗修正值、所述下行测试链路的路径损耗、所述上行和下行大气损耗、所述第一功率计以及所述第二频谱仪读数计算得到卫星输入信号功率以及输出信号功率，根据所述输入信号功率和所述输出信号功率对卫星有效载荷进行测试。

可选地，根据所述路径损耗、所述损耗修正值、所述下行测试链路的路径损耗、所述上行和下行大气损耗、所述第一功率计以及所述第二功率计读数计算得到卫星输入信号功率以及输出信号功率，包括：

通过如下公式计算得到卫星输入信号功率：

其中，P_is表示卫星输入信号功率；P_te表示第一频谱仪的读数；G_te表示地面天线的发射增益；d表示自由空间距离；λ_u表示上行射频信号波长；l_a.u表示上行大气损耗；l_u.w表示第一功率计到发射天线的路径损耗；l_mod表示第一频谱仪到第一功率计的损耗修正值；

通过如下公式计算卫星输出口信号功率：

其中，P_os表示卫星输出口信号功率；P_re表示第二频谱仪的读数；G_re表示地面天线接收增益；d表示自由空间距离；λ_d表示下行射频信号波长；l_a.d表示下行大气损耗；l_d.w表示下行测试链路的路径损耗。

与现有技术相比，本申请实施例具有如下有益效果：

在本申请实施例所提供的方案中，上行链路测量时，通过第一频谱仪内部的滤波器除去了宽带噪声信号对上行信号功率的影响，然后根据第一频谱仪读数和上行校准时得到的修正数据计算卫星入口信号的功率，使得计算得出的卫星入口信号功率更加精确，进而提高了对高通量通信卫星有效载荷测试准确性。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种高通量卫星有效载荷在轨测试方法的流程示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，为本申请实施例提供的一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统，其特征在于，包括：上行测试链路1和下行测试链路2；其中，

所述上行测试链路1包括信号源11、功率放大器12、第一测试耦合器13、第二测试耦合器14、第一功率计15、第一频谱仪16以及地面发射天线17；所述信号源11用于生成上行激励信号；所述功率放大器12用于放大所述上行激励信号；所述第一测试耦合器13用于将放大后的上行激励信号耦合给所述地面发射天线17以及所述第二测试耦合器14；所述第二耦合器14用于将所述放大后的上行激励信号发送给所述第一功率计15以及所述第一频谱仪16，所述第一功率计15用于测量所述放大后的上行激励信号的功率，所述第一频谱仪16用于测量预设带宽内的上行激励信号的功率；

所述下行测试链路2包括：地面接收天线18、注入耦合器19、功分器20、下行校准信号源21、第二功率计22、低噪声放大器23以及第二频谱仪24；其中，所述地面接收天线18用于接收高通量卫星发送的下行信号；所述下行校准信号源21用于生成下行校准信号；所述功分器20用于将所述下行校准信号功分给所述第二功率计22以及所述注入耦合器19；所述第二功率计22用于测量所述下行校准信号；所述注入耦合器19用于将所述下行信号和所述下行校准信号发送给所述低噪声放大器23；所述低噪声放大器23用于将所述下行信号和所述下行校准信号进行放大；所述第二频谱仪24用于测量预设带宽内的下行信号和下行校准信号的功率。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，上行校准时，信号源11产生校准信号，通过第一功率计15和第一频谱仪16测量上行信号功率得到第一功率计15和第一频谱仪16之间读数的功率差；下行校准时，下行校准信号源21产生校准信号，通过第二功率计22和第二频谱仪24得到下行链路的路径损耗；测试时，信号源11产生上行激励信号，通过第一频谱仪16读数计算卫星入口信号功率和频率，通过第二频谱仪24读数计算卫星输出信号功率和频率，从而得到有效载荷的性能特性。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，卫星有效载荷在轨测试过程中包括上行链路测量和下行链路测量，其中，上行链路测量用于测量卫星入口信号的功率和频谱，下行链路测量用于测量卫星出口信号的功率和频谱。为了便于理解下面分别对上行链路测量过程和下行链路测量过程进行简要介绍。

一、上行链路测量

具体的，信号源11用于产生上行激励信号，功率放大器12用于放大上行激励信号，第一测试耦合器13和第二测试耦合器14用于耦合上行信号，第一功率计15用于测量上行信号频谱和功率，其中，上行信号包括上行有用信号和噪声信号，当上行信号输入到第一频谱仪16时，通过第一频谱仪16内部的滤波器去除宽带噪声信号对上行信号功率的影响，然后，根据第一频谱仪16的读数和第一功率计15的读数计算上行信号的修正数据，在上行链路测量过程中，根据第一频谱仪16的读数和上行信号的修正数据计算卫星入口信号的功率和频谱。

二、下行链路测量

具体的，下行校准信号源21生成下行校准信号，然后通过功分器20将下行校准信号功分至第二功率计22和注入耦合器19，通过第二功率计22测量下行校准信号的功率；注入耦合器将下行校准信号发动给低噪声放大器23中，通过低噪声放大器23将下行校准信号放大，然后通过第二频谱仪24测量放大后的下行校准信号，并根据第二功率计22和第二频谱仪24的读数计算下行测试链路的路径损耗；地面接收天线18接收卫星发送的下行信号，功过低噪声放大器将下行信号放大，然后通过第二频谱仪24测量放大后的下行信号功率，并根据第二频谱仪24的读数和下行测试链路的路径损耗计算卫星输出口信号的功率和频率。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，为了实现对高通量卫星的有效载荷在轨测试，参见图2，本申请实施例提供了一种高通量卫星有效载荷在轨测试方法，应用于图1所述的系统，该方法包括：

步骤201，测量第一测试耦合器的耦合度以及第二测试耦合器的插入损耗，根据所述耦合度和所述插入损耗计算第一功率计到地面发射天线的路径损耗。

步骤202，读取第一功率计和第一频谱仪的读数，根据所述第一功率计和所述第一频谱仪的读数计算所述第一频谱仪到所述第一功率计的损耗修正值。

步骤203，根据第二功率计和第二频谱仪的读数计算下行测试链路的路径损耗，以及计算上行和下行大气损耗。

步骤204，根据所述路径损耗、所述损耗修正值、所述下行测试链路的路径损耗、所述上行和下行大气损耗、所述第一功率计以及所述第二频谱仪读数计算得到卫星输入信号功率以及输出信号功率，根据所述输入信号功率和所述输出信号功率对卫星有效载荷进行测试。

在一种可能实现的方式中，根据所述路径损耗、所述损耗修正值、所述下行测试链路的路径损耗、所述上行和下行大气损耗、所述第一功率计以及所述第二功率计读数计算得到卫星输入信号功率以及输出信号功率，包括：

通过如下公式计算得到卫星输入信号功率：

其中，P_is表示卫星输入信号功率；P_te表示第一频谱仪的读数；G_te表示地面天线的发射增益；d表示自由空间距离；λ_u表示上行射频信号波长；l_a.u表示上行大气损耗；l_u.w表示第一功率计到发射天线的路径损耗；l_mod表示第一频谱仪到第一功率计的损耗修正值；

通过如下公式计算卫星输出口信号功率：

其中，P_os表示卫星输出口信号功率；P_re表示第二频谱仪的读数；G_re表示地面天线接收增益；d表示自由空间距离；λ_d表示下行射频信号波长；l_a.d表示下行大气损耗；l_d.w表示下行测试链路的路径损耗。

为了便于理解下面对测试过程进行简要介绍，具体测试步骤如下所示：

1、测量第一测试耦合器的耦合度，第二测试耦合器的插入损耗，根据所述耦合度和所述插入损耗计算第一功率计到卫星发射天线(图1中从B到C)的路径损耗。

2、按图1所示的系统结构连接好测试仪器设备，设置信号源输出频率为卫星有效载荷上行频率的单载波信号，调节信号源的输出功率使得功率放大器工作在饱和回退10dB，读取第一功率计和第一频谱仪的读数，同时按一定步长在带内扫频，得到第一频谱仪到第一功率计(图1中从C到D)的损耗修正值。

3、设置下行校准信号源输出为卫星有效载荷下行频率的单载波信号，读取第二功率计的读数，同时按一定步长在带内扫频，得到下行测试链路(图1中从E到F)的路径损耗。

4、计算上行、下行大气损耗，设置卫星转发器增益档位为规定的标称档位以及设置信号源的功率和频率，按照测试项目的要求在规定的测试动态范围内调节信号源的输出功率或频率。

5、读取第一频谱仪和第二频谱仪的读数；根据测量数据计算卫星入口信号的功率、频率和卫星输出信号的功率、频率。

6、通过如下公式计算卫星入口信号功率和卫星输出口信号功率：

具体的，通过如下公式计算卫星入口信号功率：

其中，P_is表示卫星入口信号功率，其单位是dBW；P_te表示第一频谱仪的读数，其单位是dBW；G_te表示地面天线的发送增益，其单位是dBi；d表示自由空间距离，其单位为m；λ_u表示上行射频信号波长，其单位为m；l_a.u表示上行大气损耗，其单位为dB；l_u.w表示第一功率计到卫星发射天线的路径损耗，其单位为dB；l_mod表示第一频谱仪到第一功率计的损耗修正值，其单位为dB。

具体的，通过如下公式计算卫星输出口信号功率：

其中，P_os表示卫星输出口信号功率，其单位是dBW；P_re表示第二频谱仪的读数，其单位是dBW；G_re表示地面天线接收增益，其单位是dBi；d表示自由空间距离，其单位为m；λ_d表示下行射频信号波长，其单位为m；l_a.d表示下行大气损耗，其单位为dB；l_d.w表示卫星接收天线下行测试链路的路径损耗，其单位为dB。

为了便于理解本申请实施例所提供的方案中，卫星有效载荷测试的效果下面以举例的形式进行说明。

例如，Ka频段功率放大器全频段(2GHz)内噪声功率典型值为-18dBW，Ka频段高通量卫星饱和通量密度典型值为-90dBW/m²，当地面上行信号为饱和回退20dB时，经链路计算此时功率放大器输出的信号为-13dBW，仅为噪声功率-18dBW的3倍，此时传统在轨测试系统功率计的读数为上行信号和噪声功率和-11.8dBW作为上行信号，与实际上行信号相比误差约为1.2dB；使用本文介绍的在轨测试系统则可以避免这部分由于功率计读数引入的误差。

在本申请实施例所提供的方案中，上行链路测量时，通过第一频谱仪16内部的滤波器除去了宽带噪声信号对上行信号功率的影响，然后根据第一频谱仪16读数和上行校准时得到的修正数据计算卫星入口信号的功率，使得计算得出的卫星入口信号功率更加精确，进而提高了对高通量通信卫星有效载荷测试准确性。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种高通量卫星有效载荷在轨测试系统，其特征在于，包括：上行测试链路(1)和下行测试链路(2)；其中，

所述上行测试链路(1)包括信号源(11)、功率放大器(12)、第一测试耦合器(13)、第二测试耦合器(14)、第一功率计(15)、第一频谱仪(16)以及地面发射天线(17)；所述信号源(11)用于生成上行激励信号；所述功率放大器(12)用于放大所述上行激励信号；所述第一测试耦合器(13)用于将放大后的上行激励信号耦合给所述地面发射天线(17)以及所述第二测试耦合器(14)；所述第二测试耦合器(14)用于将所述放大后的上行激励信号发送给所述第一功率计(15)以及所述第一频谱仪(16)，所述第一功率计(15)用于测量所述放大后的上行激励信号的功率，所述第一频谱仪(16)用于测量预设带宽内的上行激励信号的功率；

所述下行测试链路(2)包括：地面接收天线(18)、注入耦合器(19)、功分器(20)、下行校准信号源(21)、第二功率计(22)、低噪声放大器(23)以及第二频谱仪(24)；其中，所述地面接收天线(18)用于接收高通量卫星发送的下行信号，所述下行校准信号源(21)用于生成下行校准信号；所述功分器(20)用于将所述下行校准信号功分给所述第二功率计(22)以及所述注入耦合器(19)；所述第二功率计(22)用于测量所述下行校准信号；所述注入耦合器(19)用于将所述下行信号和所述下行校准信号发送给所述低噪声放大器(23)；所述低噪声放大器(23)用于将所述下行信号和所述下行校准信号进行放大；所述第二频谱仪(24)用于测量预设带宽内的下行信号和下行校准信号的功率。

2.一种高通量卫星有效载荷在轨测试方法，应用于如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：

测量第一测试耦合器的耦合度以及第二测试耦合器的插入损耗，根据所述耦合度和所述插入损耗计算第一功率计到地面发射天线的路径损耗；

读取第一功率计和第一频谱仪的读数，根据所述第一功率计和所述第一频谱仪的读数计算所述第一频谱仪到所述第一功率计的损耗修正值；

根据第二功率计和第二频谱仪的读数计算下行测试链路的路径损耗，以及计算上行和下行大气损耗；

根据所述路径损耗、所述损耗修正值、所述下行测试链路的路径损耗、所述上行和下行大气损耗、所述第一功率计以及所述第二频谱仪读数计算得到卫星输入信号功率以及输出信号功率，根据所述输入信号功率和所述输出信号功率对卫星有效载荷进行测试。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述路径损耗、所述损耗修正值、所述下行测试链路的路径损耗、所述上行和下行大气损耗、所述第一功率计以及所述第二功率计读数计算得到卫星输入信号功率以及输出信号功率，包括：

通过如下公式计算得到卫星输入信号功率：

其中，P_is表示卫星输入信号功率；P_te表示第一频谱仪的读数；G_te表示地面天线的发射增益；d表示自由空间距离；λ_u表示上行射频信号波长；l_a.u表示上行大气损耗；l_u.w表示第一功率计到发射天线的路径损耗；l_mod表示第一频谱仪到第一功率计的损耗修正值；

通过如下公式计算卫星输出口信号功率：

其中，P_os表示卫星输出口信号功率；P_re表示第二频谱仪的读数；G_re表示地面天线接收增益；d表示自由空间距离；λ_d表示下行射频信号波长；l_a.d表示下行大气损耗；l_d.w表示下行测试链路的路径损耗。

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