地球站入網驗證系統的設計

張小平 朱明悅 劉飛飛

摘要：衛星地球站在新建、擴容和更新設備時，都需要進行入網驗證測試。文章主要對入網驗證系統設計方案進行簡要介紹，供讀者在操作實踐中參考。

關鍵詞：衛星通信；入網驗證

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.003

中圖分類號：TN 927+.21? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-04

0? ?引言

衛星通信業務以其大范圍、高可靠、多并行的特點成為通信領域不可或缺的通信手段。地球站入網驗證（Earth Station Verification Acceptance，ESVA）系統接入業務天線上下行信號，實現對用戶地面站的測試驗證功能。

1? ?ESVA系統設計分析

1.1 測量點設置分析

ESVA系統需要控制上行信號，并測量下行信號，因此同時要接入天線上下行鏈路，并且要滿足衛星C頻段和Ku頻段兩種業務天線測試需要，系統上行要接入C頻段和Ku頻段上行鏈路，下行要接入C頻段和Ku頻段兩種不同極化下行鏈路。

現有衛星主站的C13A和Ku13C天線可以接收衛星轉發器的所有下行信號，可以完成衛星各頻段的功率上行任務，因此，C13A和Ku13C天線滿足作為ESVA系統測量點的條件。如圖1所示，ESVA系統的測量點可以設置在C13A的兩條下行鏈路和Ku13C的兩條下行鏈路上的下變頻器之后。

1.2 測試項目分析

ESVA系統由衛星運營商組織對用戶天線進行性能測試，滿足運營商要求后方可允許使用衛星通信服務，測試項主要有天線方向圖、交叉極化隔離度、EIRP穩定性、頻率穩定性，各項測試流程均需滿足Intelsat-standard ssog 210[1]標準要求。

1.2.1 天線方向圖

天線方向圖用來標識天線在各個方向上輻射能力的相對場強[2]。不同的天線尺寸和功放配置決定了天線的增益能力不同，一般來說口徑和功放功率越大的天線增益能力越強，對ESVA系統的測試動態范圍要求就越高[3]。

以測量Ku頻段13米用戶天線為例，其上行增益約66 dB，根據Intelsat-standard ssog 210標準第12.2.1和13.2.1節，遠旁瓣還需要預留10 dB的下探范圍，再考慮遠旁瓣與噪聲之間預留5～10 dB余量，ESVA系統測試該天線方向圖時，需要完整接收的增益范圍就達到

66 dB+10 dB+10 dB（5～10 dB余量中取最大10 dB）=86 dB。

然后考慮這86 dB的信號經過衛星送到運營商天線后的情況，對于運營商的Ku13C天線，口徑為13米，由GCS-MGT-05-03 COCC System Design文件可知，LNA噪聲溫度為60 K、饋線損耗為2.7 dB，其他數據取一般的天線數據，求得在信噪比達到上述86 dB時，衛星EIRP強度應達到30 dBW。

再將30 dBW輸入到運營商天線下行鏈路計算公式以確定主瓣最高值，則ESVA系統頻譜儀收到的信號強度最高為－28.6 dBm，信噪比為86 dB，該信號噪底即為－28.6 dBm－86 dBm=－114.6 dBm，ESVA頻譜儀在最大衰減條件下本地噪聲達到－130 dBm/Hz，在進行天線方向圖測試時取頻譜儀最小帶寬100 Hz，相應的分辨率帶寬設置為100 Hz，此時頻譜儀噪聲會達到－130+（10lg10100）為－110 dBm，動態范圍達到

－110～+5 dBm，上述信號范圍為－114.6～－28.6 dBm范圍，最小值超出，但由于之前有10 dB的預留，所以遠旁瓣信號也不會淹沒到噪聲里。本ESVA系統可以滿足一般13米Ku天線的天線方向圖測試動態范圍要求，因此一般也可以滿足小于13米口徑Ku天線的測試要求，但對13米以上的用戶天線則需要重新根據具體數據進行計算。

同理，以C頻段13米天線上行天線增益約為57 dB，方向圖測試需要的動態測量范圍約為77 dB，此時衛星EIRP約為21 dBW，頻譜儀動態范圍為－110～+5 dBm，覆蓋－102.93～－25.93 dBm范圍，滿足一般13米及以下C頻段天線方向圖測試的動態范圍要求，但對13米以上的用戶天線則需要重新根據具體數據進行計算。

1.2.2 交叉極化隔離度

交叉極化隔離度是指在給定方向上，天線輻射的主極化分量與交叉極化分量的功率密度之比，一般交叉極化隔離度越大，天線極化純度越高。在本系統中兩幅天線均為水平、垂直兩個交叉極化方向，即使用一個極化參數測量另一個極化的信號強度。

1.2.3 EIRP穩定性

EIRP是等效全向輻射功率，指天線在某個指定方向上的輻射功率，EIRP穩定性則指天線在指定方向上保持輻射功率的能力，在測試中用戶天線以某功率發射上行信號，測量衛星EIRP信號在長時間內的變化量[4]。

1.2.4 頻率穩定性

頻率穩定性指天線上行信號保持某個上行頻率的能力，在測試中用戶天線以某頻率發射上行信號，測量信號頻率在長時間內的變化量。

1.3 測試性能分析

根據上述測量流程可知，進行天線方向圖測試時需要地面站用戶提供天線轉動速度數值，ESVA系統則使用天線轉動速度和時間計算天線當前的方位俯仰角，所以天線轉動速度對于方向圖測試影響能力巨大，且受限于機械機構，不容易精確計算，影響天線方向圖測量精度。

對于地面站用戶天線，在測試天線EIRP穩定度、頻率穩定度指標時，由于需要長時間測量，所以在測量的同時，影響測量精度的其他因素也會發生變化，除了天線鏈路等在沒有日常標校操作時鏈路穩定度會發生變化，隨著12小時測量的進行，天氣會影響空間損耗，鏈路穩定度會隨測量時間變化，所以最終測量出的EIRP穩定度和頻率穩定度的參考意義會有一定的下降。

1.4 天線入網標準

對于天線方向圖，根據Intelsat-standard ssog 210標準第12.2.1和13.2.1節要求，對50且主波束峰值夾角大于1°的天線（其中D為天線口面直徑，λ為信號波長），同極化和交叉極化信號峰值不得超過以下計算值的10%。其中，θ為天線方向圖測試圖中某個天線方向與主瓣方向的插值。

對于交叉極化隔離度，根據Intelsat-standard ssog 210標準節12.3和13.3的要求，極化隔離度指標需要滿足“IESS 207”“IESS 208”“IESS 601”標準要求。根據三項標準的要求，對于工作頻率為3.4～4.2 GHz、直徑大于4.5米的線極化天線，其交叉極化隔離度應大于30 dB；對于工作頻率為11 GHz或12 GHz、直徑大于2.5米的線極化天線，其交叉極化隔離度應大于30 dB。

1.5 設備配置分析

ESVA系統具有三種類型的工作內容，分別是對接鏈路設備、數據信息處理以及用戶交互處理，因此各工作內容層均需要設置硬件設備。

對接鏈路設備時，ESVA系統需要監測到兩幅天線的四路下行信號，因此起碼需要滿足四路下行信號輸入要求，并提供盡可能快的路間并行或切換功能。在接收到數據后需要使用采集卡或者頻譜儀設備處理載波信號。同時提供信號源設備方便用戶操作使用。目前選型的頻譜儀設備提供八個口的信號輸入，內置矩陣切換開關，滿足鏈路設備要求。選型信號源滿足C至Ku頻段上行能力。

在處理數據信息時，ESVA系統需要能夠接收到上述設備初步處理過的數據，進行載波數據收集，記錄入網測試過程。針對需要的計算能力，目前選型由服務器設備提供計算能力，實現數據信息處理。

在用戶交互處理層，ESVA系統需要提供方便用戶交互的界面，為用戶提供全系統的操作能力。為實現用戶交互，需要選型用戶工作站兩臺，包括顯示器、鍵盤、鼠標等設備，提供用戶交互層。

在上述設備中，按照用途不同，工作站需要部署在用戶操作機房，而服務器因長期運行且噪聲較大，需要部署在設備機房中方便維護，并且鏈路下行信號已經連接到設備機房，為方便頻譜儀接入網絡，頻譜儀、信號源也部署在設備機房。上述設備也需要組網部署，因此需要在設備機房部署網絡交換機一臺，連接頻譜儀、信號源、服務器，并通過網線連接到操作機房的工作站。

在ESVA系統中，在用頻譜儀共提供8路信號輸入，內置一個8選1矩陣開關。在上述分析中共用去4路信號輸入輸入端，還有4路信號空置，可以作為以后的擴展口使用。在與其他系統諸如載波監視系統聯合部署時，如果在一臺頻譜儀上接入8路信號輸入，兩個系統可共用一臺頻譜儀，可以節省出一臺頻譜儀用作冷備。但是由于頻譜儀內置的8選1矩陣開關在同一時刻只能有一個輸出，就導致ESVA和載波監視系統不能同時使用，需要互相避開使用時間。因此從開發角度不建議兩個系統聯合部署。

2? ?ESVA系統設計描述

2.1 功能描述

ESVA系統支持的測試項目包括：天線方向圖、天線增益、交叉極化隔離、EIRP穩定性、頻率穩定性；測試儀器的自動遠程監控和管理；儀器參數的遠程配置；測試流程和腳本設計；自動測試報告的生成[5]。

2.2 性能描述

2.2.1 測試鏈路

支持4路信號接收，包括C13A的2路下行信號和Ku13C的2路下行信號；支持2路信號分時上行，包括C13A的1路上行信號和Ku13C的1路上行信號。

2.2.2 測試點分布

ESVA系統測試點分布于衛星下行2路C/L波段信號，該信號由C13A天線C/L下變頻輸出；分布于衛星下行2路Ku/L波段信號，該信號由Ku13C天線Ku/L下變頻輸出。

2.3 系統組成

ESVA系統由軟件部分和硬件部分兩部分組成。

2.3.1 硬件部分

硬件部分主要實現底層信號傳輸、載波數據采集、信號發射控制等功能，并為軟件提供運行環境。如圖2所示。

以下是硬件部分主要設備。

（1）一臺信號源發生器。用來生成Ku波段和C波段信號，發送給相應天線。

（2）一個射頻跳線板。用來連接Ku波段和C波段的上行波導。

（3）一臺C波段頻譜儀。用來接收Ku波段13米天線和C波段13米天線下行的載波數據。

（4）一臺服務器、一臺網絡交換機、兩臺工作站及相關線纜。用來搭建系統網絡，服務器和工作站為ESVA系統軟件提供運行和操作環境，網絡環境可支持后續新增服務器、工作站、磁盤陣列等設備，接入交換機進行數據存儲功能擴展。

2.3.2 軟件部分

ESVA系統軟件按照C/S架構進行設計開發，又分為ESVA系統服務端軟件、ESVA系統客戶端軟件和系列通用軟件，各軟件基于主流TCP/IP或HTTP/HTTPS進行通信，支持多用戶在多網段模式下的跨網段訪問。

2.3.2.1 ESVA系統服務端

負責響應ESVA系統客戶端請求的載波信息的加載、修改和刪除；能與ESVA系統頻譜儀設備對接，收集載波信號，采集數據；能對獲取到的載波信息進行識別、分析、實時儲存，能響應ESVA系統客戶端的載波回放請求；能向消息總線推送實時或歷史載波數據供ESVA系統客戶端顯示；能與ESVA信號源設備對接，控制信號源工作；能響應ESVA客戶端操作，生成天線測試腳本并執行；能向系統監視服務上報當前ESVA系統中頻譜儀、信號源及各服務器運行狀態；同時承擔ESVA系統日志記錄功能；能提供用戶登錄和管理功能。

2.3.2.2 ESVA系統客戶端

作為ESVA系統用戶交互接口使用，負責與ESVA系統服務端進行通信，獲取實時載波數據和分析結果，在本客戶端頁面顯示；響應用戶登錄、日志查看、設備狀態查看，并與相關服務端進行交互，獲取相關數據并在本客戶端頁面顯示；響應用戶的載波信息修改、載波查看等操作，與ESVA系統服務端軟件交互并獲取反饋；可修改天線測試腳本并提交給服務端，可查看執行狀態；可向日志服務發送報表生成請求，形成操作報表；根據操作與用戶服務進行賬號的創建、查看、修改、刪除、登錄等交互操作。

2.3.2.3 通用軟件

作為上述軟件提供的通用服務，類型包括注冊中心、消息總線、數據庫MySQL、載波數據庫Cassandra、用戶服務、設備狀態監測服務、日志管理服務等。注冊中心、消息總線、數據庫和載波數據庫用來進行上述各種服務的掛載、信息通信及數據持久化存儲，用戶服務與ESVA系統客戶端交互，提供賬號的創建、查看、修改、刪除、登錄等服務；設備狀態監測服務與ESVA系統服務端進行交互，獲取設備狀態信息，可提供給ESVA系統客戶端使用；日志服務接收ESVA系統服務端的日志數據并進行持久化存儲，可提供給ESVA系統客戶端查詢。

3? ?結束語

衛星地球站開通運行時都要進行入網測試，這是因為如果地球站天線及功放、上變頻器、調制器的雜散指標不合格，工作載波中帶有雜波或諧波，或者調制器上變頻器工作點設置不當，功放工作在非線性區，就會出現頻譜擴散并造成載波噪聲，對本星及鄰星的用戶造成干擾[6]。本文詳細闡述了自主開發的可以完成入網測試的系統，嚴格做好設備的入網驗訊測試，確保將雜波功率限制在規定的范圍之內，確保衛星通信網絡正常穩定運行。

參考文獻

[1] Intelsat-standard ssog 210.

[2] 童曉蘭．衛星地球站入網驗證測試的項目和測試方法[J]．天津通信技術，1997（S1）：39-42.

[3] 趙紀華．地球站發射天線入網驗證測試項目檢測方法[J]．廣播電視信息，2009（10）：75-78.

[4] 韋漫濤．衛星地球站入網驗證測試[J]．有線電視技術，2011，18（08）：39-41，45.

[5] 范晶．模擬上行系統測試平臺介紹[J]．中國新技術新產品，2013（01）：31-32.

[6] 張龍．我國廣播電視衛星上行天線EUTELSAT ESVA入網認證的實踐與研究[J]．廣播電視信息，2020，27（10）：73-75.