卫星地球站电磁环境测试方法探析_上_

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卫星地球站电磁环境测试方法探析 (上)

■ 总参电磁频谱管理中心 沈国勤

能存在的这些系统和干扰源对卫星正常通信的干扰

0 引言

　　目前我国有上百个卫星通信网、上万个地球站，卫星通信业务主要工作在C频段和Ku频段。而C频段和Ku频段在我国目前是划分给卫星通信业务和其他无线电通信业务（主要是地面微波通信业务）共享的，因此卫星通信业务与其他地面业务之间存在互相干扰的隐患。

　　通过现场测试和干扰分析可有效实现不同业务的兼容，提高无线电频谱资源的利用率。国无管（1994）4号文“建设卫星通信网和设置使用地球站的暂行规定”明确规定，设置使用地球站必须向无线电管理部门申请审批，其站址选择应符合国家标准GB13615-92《地球站电磁环境保护要求》的有关规定，申请设置使用地球站，必须提交“干扰分析报告”和“电磁环境测试报告”。　　

情况，国家标准GB13615-92对卫星站址周边的电磁环境测试内容和保护要求均有明确要求。

　　从频谱角度分类，卫星通信干扰主要有同频干扰和非同频干扰，站址测试重点是测试同频干扰，对C频段和Ku 频段地球站而言，重点是测试3.7 G H z ～4.2 GHz、10.95 GHz～11.2 GHz、11.45 GHz～11.7 GHz、11.7 GHz～12.2 GHz等地球站接收的下行频段的电磁环境情况，并兼顾5.925 G H z～6.425 GHz、14 GHz～14.5 GHz发送的上行频段的电磁环境情况。同时对落入地球站接收机输入端工作频段的地面系统产生的干扰和噪声，均有明确要求。　　在国标GB13615-92中，对来自雷达系统的干扰信号，规定落入同步通信卫星地球站接收机输入端的干扰信号峰值电平应比正常接收信号电平低30d B；落入同步气象卫星和海岸地球站接收机输入端的干扰信号峰值电平应比正常接收信号电平低10d B。对来自电视广播和移动通信系统的谐波发射干扰落入卫星地球站接收机输入端的干扰信号电平应比正常接收信号电平低25dB。对来自微波接力通

1 电磁环境测试的内容和要求

　　对拟建卫星地球站址进行电磁环境测试是设置使用卫星地球站过程中必不可少的阶段，是无线电管理部门进行台站审批的重要依据。无线电管理部门必须认真组织和实施卫星地球站选址的电磁环境测试工作，其电磁环境测试的主要内容和要求有简述如下。

信系统的同频干扰，该国标根据通信系统的具体制式，有详细的平均噪声功率、干扰平均误码率等多种不同的限值要求。

　　在业务划分上，地面微波接力通信系统和卫星通信系统存在频率共享、系统兼容要求，地面微波接力通信系统对卫星通信系统存在产生干扰的隐患。国标GB13615-92对此有明确的规定要求，并

1.1 站址周边电磁环境测试

　　影响卫星通信的干扰是多种多样的，从空间角度进行分类，主要有来自陆地的各种通信系统干扰和来自其他空间站的干扰两大类。来自陆地的主要干扰源有：同频共用的微波接力通信系统、雷达系统、广播/电视和移动通信系统、工科医设备的辐射等。站址周边电磁环境测试，正是测试站址周边可

根据模拟、数字的不同通信体制，分别用平均噪声功率、平均误码率等不同表示方式对微波接力通信系统的干扰允许值提出限值指标。由于平均误码率同干扰允许值或信干比之间没有直接的对应关系，这给实际电磁环境测量和干扰协调计算带来不少困难，以下进行简单阐述。

　　我们知道，理想数字传输系统的误码率是由接

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收机输入端的理论门限载噪比(C/NT )值确定的，并和调制方式密切相关。当噪声带宽B为奈奎斯特带宽时(B=fS )，对M进制调制方式，有关系fB =fS ×log2M，则接收机输入端的理论门限载噪比为：　　C/NT =PR /(NF KT 0B)=EB f B /(NF KT 0f S )

=log2M×EB / N0=ES /N0 （1）。　　式(1)中，N0：接收机输入端单边噪声功率谱密度，为NF KT 0；

PR ：接收机输入端载波功率。

　　理论门限载噪比C/NT 与ES /N0含义不同，但B=fS 时，数值上相等。在实际应用中，可用ES /N0(单位：dB)代替C/NT 进行计算。对于2PSK和4PSK调制方式而调制方式，传输误码率同接收机输入端的理论门限载噪比C/NT 间是可计算转换的。

　　要达到一定误码率，必须先达到一定的载噪比。不同的调制解调方式，误码率与相应理论门限载噪比有不同的关系，可根据图表查得。接收机理论门限载波功率的计算公式为：

　　

　　若以某64Q A M 数字微波接收机为例，其噪声系数NF =1.58(合2dB)，通频带宽B=fS =155/6=25.833MHz，则该接收机的噪声功率电平为：　　NT =10lg(NF KT 0B)=-97.9dBm。

　　查表可得64QA M在Pe =10-3时的理论门限载噪比是22.6dB。微波传输系统均使用纠错编码技术，取编码增益为3dB，获得理论门限载噪比为19.6dB。　　实际传输系统在中继设备和传输通路上都存在各种恶化和干扰，使误码率特性恶化。通常取设备恶化储备量为2.5dB，干扰储备量为1dB。在微波链路设计时，来自其它系统的干扰量约为9×10-4，即信号干扰比大约是31dB。计算获得高误码率（Pe =10-3）门限时所要求的实际门限载噪比CR /NT 为23.1dB。

　　与实际门限载噪比对应的接收机输入端的电平称为门限接收电平PR ，则：　　PR =CR /NT +NT =-74.8dBm。

　　外界允许干扰I=PR -31=-105.89dBm。

　　至此，本文提供了实际微波传输系统的误码率同门限接收电平、干扰允许值之间的转换关系，并提供了微波传输设备门限接收电平、干扰允许值的

典型计算值，可给实际电磁环境测量和干扰协调计算提供借鉴。

1.2 对卫星工作指向信号接收干扰情况的计算和测试

　　对卫星工作指向信号接收情况计算：卫星通信的线路传输方式及线路计算是比较复杂的，由发信地球站到卫星的上行线路和卫星到收信地球站的下行线路合起来构成最简单的单工线路。

　　对卫星工作指向信号接收通常是指对静止通信卫星信号的接收及计算，由于卫星与地面相距为35800～41700公里，电磁波传播损耗大，通常下行线路的传播损耗均高达200dB。为保证通信质量，需要采用高增益天线、大功率发射机、高灵敏度的低噪声接收机、先进的调制解调技术等。对预设站址进行测试，必须了解掌握卫星参数、地球站地理和技术参数、相关计算公式，才能有效开展对卫星工作指向接收信号的计算，下面以鑫诺1号卫星为例，进行分析和计算。

　　鑫诺1号卫星标称规定经度：110.5°(东径)，下行工作载波中心频率：12.4162GHz，下行工作载波带宽：8640kHz，下行工作单载波EIRP（有效全向辐射功率）：35.5dB W，下行线路通信距离d：40000公里，线路传输损耗Lf：205.9dB。也可以使用卫星在整个KU 波段上的总EIRP值计算，KU 波段下行频率：12.25GHz～12.75GH z，卫星下行总EI R P：48dB W/54MH z，输出补偿因子BO：4.5dB。地球站地理和技术参数的情况，地址：北京市，地理坐标：116度18分24秒（东径），39度55分19秒，经计算获得接收天线工作指向：方位角为189度，仰角为43.3度，接收天线口径为6.2米，计算获得接收天线增益Gr：56dBi，接收信号带宽BW：8640kH z。有了这些预定工作参数，则可以有多种计算方法获得地球站接收机输入端工作信号的电平C(dBm)，设接收机中频带宽为100kHz。　　使用下行工作单载波EI R P值计算，方法①：C=EI R P(下行工作单载波)-Lf +Gr -10L o g(BW/R B W ) =35. 5-205. 9+56-10L o g (8640/100) =-133.8dBW=-103.8dBm。

　　使用卫星在整个KU 波段上的总EIRP值计算，方法②：C=EI R P（总下行功率）-BO -L f +Gr -10L o g(BW/

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R B W)=48-4.5-205.9+56-10Lo g(54000/100)=-133.8dBW=-103.8dBm。

　　使用地面接收天线口面功率通量密度计算，方法③：

　　Pfdc =EIRP-10Log（4πd2）-10Log(BW/RBW) =-146.9dBW/m2。

　　则使用口径6.2米接收天线的接收机输入端信号电平：

　　C=Pfdc ×Aη=-146.9+10Log(π×3.12×0.7)　 　=-133.9dBW=-103.9dBm （3）。　　式（3）中：A是接收天线口面面积，η是天线效率因子（取值0.7）。

　　通常电磁环境测试接收天线的口径是1米，则使用口径1米测试接收天线的接收机输入端信号电平，CP R =Pf d c ×Aη=-146.9+10Lo g(π×0.52×0.7)=-149.5dBW=-119.5dBm。

　　依据国标GB13615-92对卫星站址周边电磁环境干扰的保护要求，允许信干比的要求值是10dB～30dB，典型值是25dB。据此可计算确定接收机输入端允许干扰信号电平(天线口径6.2米)PI 值：-128.8dB m/100kHz。进一步地，在水平方向偏离地球站主波束，其在方位角φ方向的允许干扰电平PI (φ)值：　　PI (φ)=PI 值-G(φ)=-128.8-(-10)

=-118.8dBm （4）。　　式（4）中：G(φ)是立体去耦角，它是方位角φ方向与天线主轴方向间的夹角，地球站工作方位角方向与天线主轴方向间的夹角最小。此方向对干扰信号反应最敏感，允许的干扰信号也最小，将所有方向允许的干扰信号按照地球站工作方位角方向允许的干扰信号计算为保守计算。

　　对卫星工作指向干扰情况分析：由于卫星通信传输方式复杂，传输路径长，系统噪声来源复杂，有线路传输引入的上行噪声、下行噪声等，有设备传输引入的地球站发射系统噪声、地球站接收系统噪声等，还有来自其他系统的干扰噪声，其中包括有来自地面的干扰噪声和其它空间站的干扰噪声。C C I R352-3报告对模拟制信号传输的假设参考电路和国际卫星通信Ⅳ号系统的噪声进行了分配，其假设标准线路容许总噪声是10,000pW0p （pW：微微瓦，0：在信号为0dB m的点，p：加权值），其

分配给来自其他系统的干扰噪声是1,000pW0p 。在G B13615-92标准明确规定，对落入FD M-F M信号的同步卫星系统地球站接收机话路的来自其他空间站的干扰噪声最大允许值应不超过50pW0p ，折算为信号功率与干扰噪声功率之比是73dB，这是个非常高的限值要求，要在地面搭建完成此限值要求的对星干扰测试和分析系统是不现实的。因此，在卫星地球站电磁环境测试任务中，对卫星工作指向测试重点是对正常卫星通信信号接收情况的测试。

1.3 天际角测量

　　根据国标GB13615-92要求，卫星地球站正前方地势要开阔，要求天线前方净空区内不应有树木、烟囱、水塔、建筑物、金属反射物、架空电力线、电线杆等障碍物。因此要进行天际角测量，具体可用指南针和经纬度仪测量和记录拟建地球站周围（0°～360°方位角）的天际角。一般要求在工作方位角方向的天际角比工作仰角小10°以上。

2 常用计算公式

2.1 卫星通信线路计算的基本公式

　　接收功率通量密度和接收功率计算公式：设一个无方向性发射天线所发射的功率为PT (W)，若在距离d(m)为足够远的地方接收，其电波以一球面波形式向四面八方传播，则接收点功率通量密度WE 为：　　

　　卫星通信中，一般使用定向天线，常用有效全向辐射功率（EIRP）代表地球站或通信卫星发射系统的发射能力，它指的是天线所发射的功率PT 与天线增益GT 的乘积，即：EI R P=PT ×GT 。它表明了定向天线在最大辐射方向实际所辐射的功率。

　　若接收天线的有效接收面积为Aη，则接收功率P R 为：

　　

　　卫星通信中使用的喇叭天线、抛物面天线等面天线的增益计算公式：

　　

　　式（7）中，A为天线口面积(m2)，D为天线口面直径，λ为工作波长(m)，η为天线效率，若

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η=0.7，工程中也常用如下表示方式：　　G0=20lg(D/λ)+8.4dB 。

　　另外，自由空间传播损耗Lf的计算公式用下式表示：

　　Lf =92.45+20lgd(km)+20lgf(GHz) (dB) 。

以正南为基准，我国通常以正北为基准参考。若以所在点的真子午线——经线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角)，而非磁北角(从地球站所在点的磁子午线——磁北线起，依顺时针方向到目标方

2.2 抛物面天线增益计算公式

　　天线增益通常是通过实际天线方向图来确定的，若没有方向图资料时，可采用下述计算公式：　　设D为天线直径，λ为工作波长，当D/λ>100时，

向线之间的水平夹角)，用指南针测出的方位角是磁北角，测量时要根据当地磁偏角(磁子午线与真子午线间的水平夹角，以真子午线为准，角度值东偏为正，西偏为负)换算为真北角(真北角=磁北角+磁偏角）。　　举例如下：测试地球站经度116°14'E，纬度40°05'N，工作指向卫星经度80°E。

　　计算获得地球站通信方位角AZ=-48. 69°，仰

　　（8）。

角E=30.6°。

　　以正北为基准参考，则AZ=180°-(-48.69°)= 228.69°。

　　当D/λ

2.4 地球站测试干扰信号电平的 数据换算公式

　　地球站测试干扰信号电平的数据换算公式为：　　PANT =PSA +L-GLNA -G ANT 　　I=PANT +G()+M

　　M=10lg(BCW /BRBW ) （11）。　　式（11）中：PA N T 是把频谱分析仪测试的干扰电平读数折算到测试天线口面处的测量带宽内的干扰电平（dBm）；

　　式(8) 、式(9) 中：G 0为天线最大增益，G 0=20lg(D/λ)+8.4dB，（天线效率为0.7）；　　

　　　　2.3 地球站通信方位与仰角的计算公式

　　设卫星地球站A的经纬度分别为φ1和θ1，静止卫星S的星下点经度为φ2，φ=φ2-φ1为经度差。当卫星地球站A天线对准卫星S时，其仰角E和方位角AZ分别为：　　

　　　　对于对地静止卫星而言，

　　RE /(RE +he )=6378/(6378+35786.6)≈0.151，RE 是地球半径，he 是卫星离地面距离。

　　值得一提的是方位角有正有负，公式（10）是

　　PS A 是频谱分析仪测试的测量带宽内的干扰电平读数（dBm）；

　　GANT 是测试天线的最大增益(dB)；

　　I是把频谱分析仪测试的干扰电平读数折算到地球站天线输出端的地球站接收带宽内的干扰电平(dBm)；

　　G()是地球站接收天线在干扰源方向的增益；　　是地球站天线主波束方向与干扰源方向的立体角；

　　M是带宽换算因子，BC W 是地球站接收信号工作载波带宽，BRBW 是频谱分析仪测量带宽。

（下期待续）