CN116073893A - 标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统及方法,包括前向转发系统和返向转发系统,前向转发系统包括1副Q/V天线、1个V频段预选器、2个V频段低噪放、1个V频段混合桥、2个V/Ka下变频器、3个Ka双工器、4个Ka频段TWTA、1个Ka信标机和2副Ka天线;前向转发系统中所述Q/V天线和Ka天线与所述返向转发系统共用;返向转发系统包括2个Ka输入预选器、4个Ka低噪放、1个Ka双工器、2个Ka/Q变频器、2个通道滤波器、1个Q混合桥、2个Q频段TWTA、1个Q频段输出滤波器和1个Q频段信标机。本发明可同时获得V频段、Q频段、Ka上行频段和Ka下行频段4种频率在指定区域的大气传输特性,具有通用性、准确性和实时性。

Description

标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统及方法
技术领域
本发明属于空间毫米波通信领域,具体涉及一种标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统及方法,基于该系统获得的科学数据可用于指导毫米波卫星通信系统设计和规划。
背景技术
为满足宽带接入、基站中继、高清/超高清视频等应用带来的带宽增长需求,基于多点波束和频分复用的HTS(High Throughput Satellite)卫星通信系统应运而生。HTS卫星通信系统的通信容量取决于频率资源,Q、V、Ka频率具有较大的频率带宽,是发展HTS系统必选的频率资源。
卫星通信系统设计必须考虑电磁波在大气中的传输特性,大气中的氧分子和水分子能从电磁波吸收能量,导致电磁波在传输过程中能量损耗而产生损耗,频率越高,损耗越大。大气衰减会导致通信质量下降,当大气衰减到一定程度将导致通信链路失败。因此掌握准确有效的Q、V、Ka频率信号大气传输数据对搭建稳定、可靠、高质量的HTS通信系统至关重要。
目前,在通信系统链路预算时,有两种途径评估电磁波大气传输特性,一是采用ITU公布的模型,进行仿真分析,得到特定地区在特定大气情况下的大气衰减值,二是采用实测值,利用卫星载荷发射信标信号,在地面接收并通过计算得到大气衰减值。方法一有模型误差,不能准确得到大气传输特性,方法二具有局限性,一次测试只能得到一种频率的大气传输特性。
针对上述需求和现状,亟需研究一种能够同时获得多个频率的大气传输特性的卫星载荷系统,以提高获得毫米波信号大气传输特性数据的通用性、准确性和实时性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统及方法,以解决现有技术中存在的通用性、准确性和实时性问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案予以解决:
一种标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统,包括前向转发系统和返向转发系统,其中:
前向转发系统包括1副Q/V天线、1个V频段预选器、2个V频段低噪放、1个V频段混合桥、2个V/Ka下变频器、3个Ka双工器、4个Ka频段TWTA、1个Ka信标机和2副Ka天线;所述Q/V天线接收的V频段上行信号经过V频段预选器实现带外杂波抑制,然后进入2:1备份关系的2个V频段低噪放进行低噪声系数放大,再通过V频段混合桥分路,将上行V频段信号分为2路宽带信号,这2路宽带信号分别进入对应的V/Ka下变频器进行频率变换得到Ka频段17.7~20.2GHz信号;所述Ka频段17.7~20.2GHz信号通过1个Ka双工器分成2个子带信号,这2个子带信号通过1组输入微波开关进行备份切换后进入4个Ka频段TWTA分别进行高功率放大,放大后的子带信号通过1组输出微波开关进行备份切换后,接入2个Ka双工器进行谐杂波抑制得到Ka频段信号,每个Ka双工器的输出的Ka频段信号接入对应的Ka天线;所述Ka信标机的2个输出端分别连接对应的Ka双工器;
所述前向转发系统中的Q/V天线和Ka天线与所述返向转发系统共用;
返向转发系统包括2个Ka输入预选器、4个Ka低噪放、1个Ka双工器、2个Ka/Q变频器、2个通道滤波器、1个Q混合桥、2个Q频段TWTA、1个Q频段输出滤波器和1个Q频段信标机;Ka天线接收的Ka频段27.5~30.0GHz信号分别进入对应的Ka输入预选器实现带外杂波抑制,抑制后的2路信号通过1组输入微波开关进行备份切换后进入4个Ka低噪放进行低噪声放大,放大后的Ka信号通过1组输出微波开关进行备份切换后进入1个Ka双工器合路为1路信号,该信号经过微波开关进行切换后,进入对应的Ka/Q变频器进行频率变换得到Q频段37.0~39.5GHz信号和Q频段39.5~42.0GHz信号;这2路Q频段信号分别经过对应的通道滤波器后共同进入Q频段混合桥进行分路,分路后的信号分别进入对应的Q频段TWTA,2路Q频段TWTA的输出进入Q频段输出滤波器进行谐杂波的抑制,得到的信号送至Q/V天线;所述Q频段信标机的输出端连接Q混合桥。
另一方面,本发明提供一种标定多频段毫米波信号大气传输特性的方法,具体步骤如下:
步骤1:上述本发明标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统控制Ka频段TWTA工作在ALC模式;
步骤2:数据监测中心依据卫星回传给卫星控制站的Ka频段TWTA输入功率遥测信息,监测V频段上行信号的功率波动情况;
步骤3: Ka地面站接收Ka下行信号,并记录Ka频段下行信号的功率波动数据;
步骤4:上述本发明标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统控制Q频段TWTA工作在ALC模式;
步骤5:数据监测中心依据卫星回传给卫星地面站的Q频段TWTA输入功率遥测,实时监测Ka频段信号的功率波动情况;
步骤6:Q/V地面站接收Q频段下行信号,并记录Q频段下行信号的功率波动数据。
第三方面,本发明还提供了一种星地系统,包括卫星控制站、Q/V地面站、Ka地面站、气象站以及数据监测中心;其中,所述卫星控制站负责对安装于卫星上的载荷系统发射遥控指令并回收卫星发回的遥测数据,所述Q/V地面站、Ka地面站与安装于卫星上载荷系统形成射频信号传输链路,所述气象站负责实时收集当地的天气情况并将气象信息发送给数据监测中心,所述数据监测中心负责收集卫星控制站、Q/V地面站、Ka地面站和气象站的数据,并生成毫米波信号的大气传输特性;所述载荷系统采用上述本发明标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统。
相较于现有技术,本发明具有如下技术效果:
1、本发明能够同时标定V、Q、Ka上行、Ka下行四个频段的大气传输特性,通过本发明的载荷系统可以实时、准确的获得上述四个频段在不同大气情况下毫米波信号的空气衰减情况,具有实时性和准确性;
2、本发明能够同时标定卫星天线视场范围内的任何地面区域毫米波信号的大气传输特性,本发明的载荷系统配置了1副Q/V天线,2副Ka天线,通过调整卫星天线指向机构可以指向用户关心的地面区域,进而获得该区域的毫米波信号的空气衰减情况,通用性强;
3、本发明中的V/Ka变频器和Ka/Q变频器分别采用可变频本振技术,实现了Q/V到Ka不等带宽变频,可实现V、Q、Ka上行、Ka下行四个频带大气传输特性标定,变频关系图见图5。
综上,本发明可同时获得V频段(47.0~52.0GHz)、Q频段(37.0~42.0GHz)、Ka上行频段(27.5~30.0GHz)和Ka下行频段(17.7~20.2GHz)4种频率在指定区域的大气传输特性,具有通用性、准确性和实时性。可为我国后续宽带卫星通信系统的频率规划、星地指标、通信体制及信关站选址等设计工作提供毫米波信号大气传输真实有效的科学数据。
附图说明
图1为本发明的标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统所应用的星地系统的组成框图。
图2为本发明的标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统的组成框图。
图3为行放工作在ALC模式输入功率和遥测的对应关系(实例)。
图4为Q频段信号大气传输特性采集结果(实例)。
图5为V-Ka及Ka-Q变频关系示意图。
具体实施方式
本发明的标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统(以下简称载荷系统)设置在卫星上。依据载荷系统获得多频段毫米波信号大气传输特性,需要一些地面设备的支持,它们共同组成如图1所示的星地系统,包括卫星控制站、Q/V地面站、Ka地面站、气象站以及数据监测中心。其中,卫星控制站负责对载荷系统发射遥控指令并回收卫星发回的遥测数据,Q/V地面站、Ka地面站与本发明的载荷系统形成射频信号传输链路,具备向卫星发射信号和接收卫星信号的能力,气象站负责实时收集当地的天气情况并将气象信息发送给数据监测中心,数据监测中心负责收集卫星控制站、Q/V地面站、Ka地面站和气象站的数据,并根据用户需求处理生成毫米波信号的大气传输特性。
如图2所示,本发明提出的标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统,包括前向转发系统和返向转发系统。前向转发系统用于实现Q/V地面站到Ka地面站的射频信号传输,可以获得V频段和Ka下行频率大气传输特性。前向转发系统包括1副Q/V天线(与返向转发系统共用)、1个V频段预选器、2个V频段低噪放、1个V频段混合桥、2个V/Ka下变频器、3个Ka双工器、4个Ka频段TWTA、1个Ka信标机和2副Ka天线(与返向转发系统共用)。上述这些设备的连接关系和信号流向如下:Q/V天线接收的V频段上行信号经过V频段预选器实现带外杂波抑制,然后进入2:1备份关系的2个V频段低噪放进行低噪声系数放大,再通过V频段混合桥分路,将上行V频段信号分为2路宽带信号,这2路宽带信号分别进入对应的V/Ka下变频器进行频率变换得到Ka频段17.7~20.2GHz信号;Ka频段17.7~20.2GHz信号通过1个Ka双工器分成2个子带信号,这2个子带信号通过1组输入微波开关进行备份切换后进入4个Ka频段TWTA分别进行高功率放大,放大后的子带信号通过1组输出微波开关进行备份切换后,接入2个Ka双工器进行谐杂波抑制得到Ka频段信号,每个Ka双工器的输出的Ka频段信号接入对应的Ka天线;Ka信标机的2个输出端分别连接对应的Ka双工器,Ka信标机用于发射信号以辅助Ka地面站天线对准卫星,从而保证Ka地面站与卫星之间通信链路的建立。
返向转发系统用于实现Ka地面站到Q/V地面站的射频信号传输,可以获得Ka上行频段和Q频段大气传输特性。返向转发系统包括2副Ka天线(与前向转发系统共用)、2个Ka输入预选器、4个Ka低噪放、1个Ka双工器、2个Ka/Q变频器、2个通道滤波器、1个Q混合桥、2个Q频段TWTA、1个Q频段输出滤波器、1个Q频段信标机和1副Q/V天线(与前向转发系统共用)。上述这些设备的连接关系和信号流向如下:2个Ka天线接收的Ka频段27.5~30.0GHz信号分别进入对应的Ka输入预选器实现带外杂波抑制,抑制后的2路信号通过1组输入微波开关进行备份切换后进入4个Ka低噪放进行低噪声放大,放大后的Ka信号通过1组输出微波开关进行备份切换后进入1个Ka双工器合路为1路信号,该信号经过微波开关进行切换后,进入对应的Ka/Q变频器进行频率变换得到Q频段37.0~39.5GHz信号和Q频段39.5~42.0GHz信号;这2路Q频段信号分别经过对应的通道滤波器后,进入Q频段混合桥进行分路,分路后的信号分别进入对应的Q频段TWTA,2路Q频段TWTA的输出共同进入Q频段输出滤波器进行谐杂波的抑制,得到的信号送至Q/V天线;Q频段信标机的输出端连接Q混合桥,Q频段信标机用于辅助Q/V地面站天线对准卫星,保证Q/V地面站与卫星之间通信链路的建立。
基于上述发明的载荷系统,本发明给出的标定多频段毫米波信号大气传输特性的方法,具体步骤如下:
步骤1:本发明的载荷系统控制Ka频段TWTA工作在ALC模式。在ALC模式下,本发明的载荷系统下行的Ka频段EIRP是恒定的。
步骤2:数据监测中心依据卫星回传给卫星控制站的Ka频段TWTA输入功率遥测信息,监测V频段上行信号的功率波动情况,即大气对V频段上行信号的衰减特性。
步骤3: Ka地面站接收Ka下行信号的功率波动,即反映了Ka频段下行信号的大气衰减特性。
因此,通过上述前向转发系统能够同时标定V频段上行信号(47.0GHz~49.5GHz和49.5~52.0GHz)和Ka频段下行信号(17.7~20.2GHz)的大气传输特性。
步骤4:本发明的载荷系统控制Q频段TWTA工作在ALC模式。在ALC模式下,本发明的载荷系统下行的Q频段EIRP为恒定值。
步骤5:数据监测中心依据卫星回传给卫星地面站的Q频段TWTA输入功率遥测,实时监测Ka频段信号的功率波动情况,即大气对Ka频段上行信号的衰减特性。
步骤6:Q/V地面站接收Q频段下行信号的功率波动,即反映了Q频段下行信号的大气衰减特性。
因此,通过返向转发系统能够同时标定Ka频段上行信号(27.5~30.0GHz)和Q频段下行信号(37.0~39.5GHz&39.5~42.0GHz)的大气传输特性。
做为步骤1-步骤3的实例,图3给出了本发明中Ka频段TWTA工作在ALC模式输入功率和遥测的对应关系,横坐标表示Ka频段TWTA输入功率,数值递增方向表示V频段大气衰减加大,纵坐标表示Ka频段TWTA输入功率遥测,该测试数据由卫星控制站获得。举例说明,在某时刻卫星遥测显示Ka频段TWTA输入功率遥测为150,即图3纵坐标相应点,此时对应的Ka频段TWTA输入功率为-68dBm,即图3横坐标相应点,经过一段时间,Q/V地面站所在地区出现降雨,遥测变为100,对应输入功率为-60dBm,则表明V频段上行信号由于当时降雨量引起的雨衰为8dB。
另外,本发明提出的标定多频率信号大气传输特性的载荷系统,还能够根据标定的V频段、Q频段、Ka上行频段和Ka下行频段的大气传输特性,结合气象站的大气信息,实时绘制V、Q、Ka上行、Ka下行4个频段的大气传输特性曲线(如图4为采用本发明的载荷系统监测绘制的某地Q频段信号大气传输的特性曲线)。同时,也可以实时监测不同天气情况下的V、Q、Ka上行、Ka下行4个频段的大气传输特性数据,具备良好的实时性,从而为我国后续宽带卫星通信系统的频率规划、星地指标、通信体制及信关站选址等设计工作提供毫米波信号大气传输真实有效的科学数据,有广泛的适用性和推广应用价值。

Claims (3)

1.一种标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统,其特征在于,包括前向转发系统和返向转发系统,其中:
前向转发系统包括1副Q/V天线、1个V频段预选器、2个V频段低噪放、1个V频段混合桥、2个V/Ka下变频器、3个Ka双工器、4个Ka频段TWTA、1个Ka信标机和2副Ka天线;所述Q/V天线接收的V频段上行信号经过V频段预选器实现带外杂波抑制,然后进入2:1备份关系的2个V频段低噪放进行低噪声系数放大,再通过V频段混合桥分路,将上行V频段信号分为2路宽带信号,这2路宽带信号分别进入对应的V/Ka下变频器进行频率变换得到Ka频段17.7~20.2GHz信号;Ka频段17.7~20.2GHz信号通过1个Ka双工器分成2个子带信号,这2个子带信号通过1组输入微波开关进行备份切换后进入4个Ka频段TWTA进行高功率放大,放大后的子带信号通过1组输出微波开关进行备份切换后,接入2个Ka双工器进行谐杂波抑制得到Ka频段信号,每个Ka双工器输出的Ka频段信号接入对应的Ka天线;所述Ka信标机的2个输出端分别连接对应的Ka双工器;
所述前向转发系统中的Q/V天线和Ka天线与所述返向转发系统共用;
返向转发系统包括2个Ka输入预选器、4个Ka低噪放、1个Ka双工器、2个Ka/Q变频器、2个通道滤波器、1个Q混合桥、2个Q频段TWTA、1个Q频段输出滤波器和1个Q频段信标机;Ka天线接收的Ka频段27.5~30.0GHz信号分别进入对应的Ka输入预选器实现带外杂波抑制,抑制后的2路信号通过1组输入微波开关进行备份切换后进入4个Ka低噪放进行低噪声放大,放大后的Ka信号通过1组输出微波开关进行备份切换后进入1个Ka双工器合路为1路信号,该信号经过微波开关进行切换后,进入对应的Ka/Q变频器进行频率变换得到Q频段37.0~39.5GHz信号和Q频段39.5~42.0GHz信号;这2路Q频段信号分别经过对应的通道滤波器后,进入Q频段混合桥进行分路,分路后的信号分别进入对应的Q频段TWTA,2路Q频段TWTA的输出进入Q频段输出滤波器进行谐杂波的抑制,得到的信号送至Q/V天线;所述Q频段信标机的输出端连接Q混合桥。
2.一种标定多频段毫米波信号大气传输特性的方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤1:权利要求1所述的标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统控制Ka频段TWTA工作在ALC模式;
步骤2:数据监测中心依据卫星回传给卫星控制站的Ka频段TWTA输入功率遥测信息,监测V频段上行信号的功率波动情况;
步骤3: Ka地面站接收Ka下行信号,并记录Ka频段下行信号的功率波动数据;
步骤4:权利要求1所述的标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统控制Q频段TWTA工作在ALC模式;
步骤5:数据监测中心依据卫星回传给卫星地面站的Q频段TWTA输入功率遥测,实时监测Ka频段信号的功率波动情况;
步骤6:Q/V地面站接收Q频段下行信号,并记录Q频段下行信号的功率波动数据。
3.一种星地系统,其特征在于,包括卫星控制站、Q/V地面站、Ka地面站、气象站以及数据监测中心;其中,所述卫星控制站负责对安装于卫星上的载荷系统发射遥控指令并回收卫星发回的遥测数据,所述Q/V地面站、Ka地面站与安装于卫星上载荷系统形成射频信号传输链路,所述气象站负责实时收集当地的天气情况并将气象信息发送给数据监测中心,所述数据监测中心负责收集卫星控制站、Q/V地面站、Ka地面站和气象站的数据,并生成毫米波信号的大气传输特性;所述载荷系统采用权利要求1所述的标定多频段毫米波信号大气传输特性的载荷系统。
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