地球站入网验证系统的设计

张小平 朱明悦 刘飞飞

摘要：卫星地球站在新建、扩容和更新设备时，都需要进行入网验证测试。文章主要对入网验证系统设计方案进行简要介绍，供读者在操作实践中参考。

关键词：卫星通信；入网验证

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.003

中图分类号：TN 927+.21          文献标志码：A           文章编码：1672-7274（2024）03-00-04

0   引言

卫星通信业务以其大范围、高可靠、多并行的特点成为通信领域不可或缺的通信手段。地球站入网验证（Earth Station Verification Acceptance，ESVA）系统接入业务天线上下行信号，实现对用户地面站的测试验证功能。

1   ESVA系统设计分析

1.1 测量点设置分析

ESVA系统需要控制上行信号，并测量下行信号，因此同时要接入天线上下行链路，并且要满足卫星C频段和Ku频段两种业务天线测试需要，系统上行要接入C频段和Ku频段上行链路，下行要接入C频段和Ku频段两种不同极化下行链路。

现有卫星主站的C13A和Ku13C天线可以接收卫星转发器的所有下行信号，可以完成卫星各频段的功率上行任务，因此，C13A和Ku13C天线满足作为ESVA系统测量点的条件。如图1所示，ESVA系统的测量点可以设置在C13A的两条下行链路和Ku13C的两条下行链路上的下变频器之后。

1.2 测试项目分析

ESVA系统由卫星运营商组织对用户天线进行性能测试，满足运营商要求后方可允许使用卫星通信服务，测试项主要有天线方向图、交叉极化隔离度、EIRP稳定性、频率稳定性，各项测试流程均需满足Intelsat-standard ssog 210[1]标准要求。

1.2.1 天线方向图

天线方向图用来标识天线在各个方向上辐射能力的相对场强[2]。不同的天线尺寸和功放配置决定了天线的增益能力不同，一般来说口径和功放功率越大的天线增益能力越强，对ESVA系统的测试动态范围要求就越高[3]。

以测量Ku频段13米用户天线为例，其上行增益约66 dB，根据Intelsat-standard ssog 210标准第12.2.1和13.2.1节，远旁瓣还需要预留10 dB的下探范围，再考虑远旁瓣与噪声之间预留5～10 dB余量，ESVA系统测试该天线方向图时，需要完整接收的增益范围就达到

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

然后考虑这86 dB的信号经过卫星送到运营商天线后的情况，对于运营商的Ku13C天线，口径为13米，由GCS-MGT-05-03 COCC System Design文件可知，LNA噪声温度为60 K、馈线损耗为2.7 dB，其他数据取一般的天线数据，求得在信噪比达到上述86 dB时，卫星EIRP强度应达到30 dBW。

再将30 dBW输入到运营商天线下行链路计算公式以確定主瓣最高值，则ESVA系统频谱仪收到的信号强度最高为－28.6 dBm，信噪比为86 dB，该信号噪底即为－28.6 dBm－86 dBm=－114.6 dBm，ESVA频谱仪在最大衰减条件下本地噪声达到－130 dBm/Hz，在进行天线方向图测试时取频谱仪最小带宽100 Hz，相应的分辨率带宽设置为100 Hz，此时频谱仪噪声会达到－130+（10lg10100）为－110 dBm，动态范围达到

－110～+5 dBm，上述信号范围为－114.6～－28.6 dBm范围，最小值超出，但由于之前有10 dB的预留，所以远旁瓣信号也不会淹没到噪声里。本ESVA系统可以满足一般13米Ku天线的天线方向图测试动态范围要求，因此一般也可以满足小于13米口径Ku天线的测试要求，但对13米以上的用户天线则需要重新根据具体数据进行计算。

同理，以C频段13米天线上行天线增益约为57 dB，方向图测试需要的动态测量范围约为77 dB，此时卫星EIRP约为21 dBW，频谱仪动态范围为－110～+5 dBm，覆盖－102.93～－25.93 dBm范围，满足一般13米及以下C频段天线方向图测试的动态范围要求，但对13米以上的用户天线则需要重新根据具体数据进行计算。

1.2.2 交叉极化隔离度

交叉极化隔离度是指在给定方向上，天线辐射的主极化分量与交叉极化分量的功率密度之比，一般交叉极化隔离度越大，天线极化纯度越高。在本系统中两幅天线均为水平、垂直两个交叉极化方向，即使用一个极化参数测量另一个极化的信号强度。

1.2.3 EIRP稳定性

EIRP是等效全向辐射功率，指天线在某个指定方向上的辐射功率，EIRP稳定性则指天线在指定方向上保持辐射功率的能力，在测试中用户天线以某功率发射上行信号，测量卫星EIRP信号在长时间内的变化量[4]。

1.2.4 频率稳定性

频率稳定性指天线上行信号保持某个上行频率的能力，在测试中用户天线以某频率发射上行信号，测量信号频率在长时间内的变化量。

1.3 测试性能分析

根据上述测量流程可知，进行天线方向图测试时需要地面站用户提供天线转动速度数值，ESVA系统则使用天线转动速度和时间计算天线当前的方位俯仰角，所以天线转动速度对于方向图测试影响能力巨大，且受限于机械机构，不容易精确计算，影响天线方向图测量精度。

对于地面站用户天线，在测试天线EIRP稳定度、频率稳定度指标时，由于需要长时间测量，所以在测量的同时，影响测量精度的其他因素也会发生变化，除了天线链路等在没有日常标校操作时链路稳定度会发生变化，随着12小时测量的进行，天气会影响空间损耗，链路稳定度会随测量时间变化，所以最终测量出的EIRP稳定度和频率稳定度的参考意义会有一定的下降。

1.4 天线入网标准

对于天线方向图，根据Intelsat-standard ssog 210标准第12.2.1和13.2.1节要求，对50且主波束峰值夹角大于1°的天线（其中D为天线口面直径，λ为信号波长），同极化和交叉极化信号峰值不得超过以下计算值的10%。其中，θ为天线方向图测试图中某个天线方向与主瓣方向的插值。

对于交叉极化隔离度，根据Intelsat-standard ssog 210标准节12.3和13.3的要求，极化隔离度指标需要满足“IESS 207”“IESS 208”“IESS 601”标准要求。根据三项标准的要求，对于工作频率为3.4～4.2 GHz、直径大于4.5米的线极化天线，其交叉极化隔离度应大于30 dB；对于工作频率为11 GHz或12 GHz、直径大于2.5米的线极化天线，其交叉极化隔离度应大于30 dB。

1.5 設备配置分析

ESVA系统具有三种类型的工作内容，分别是对接链路设备、数据信息处理以及用户交互处理，因此各工作内容层均需要设置硬件设备。

对接链路设备时，ESVA系统需要监测到两幅天线的四路下行信号，因此起码需要满足四路下行信号输入要求，并提供尽可能快的路间并行或切换功能。在接收到数据后需要使用采集卡或者频谱仪设备处理载波信号。同时提供信号源设备方便用户操作使用。目前选型的频谱仪设备提供八个口的信号输入，内置矩阵切换开关，满足链路设备要求。选型信号源满足C至Ku频段上行能力。

在处理数据信息时，ESVA系统需要能够接收到上述设备初步处理过的数据，进行载波数据收集，记录入网测试过程。针对需要的计算能力，目前选型由服务器设备提供计算能力，实现数据信息处理。

在用户交互处理层，ESVA系统需要提供方便用户交互的界面，为用户提供全系统的操作能力。为实现用户交互，需要选型用户工作站两台，包括显示器、键盘、鼠标等设备，提供用户交互层。

在上述设备中，按照用途不同，工作站需要部署在用户操作机房，而服务器因长期运行且噪声较大，需要部署在设备机房中方便维护，并且链路下行信号已经连接到设备机房，为方便频谱仪接入网络，频谱仪、信号源也部署在设备机房。上述设备也需要组网部署，因此需要在设备机房部署网络交换机一台，连接频谱仪、信号源、服务器，并通过网线连接到操作机房的工作站。

在ESVA系统中，在用频谱仪共提供8路信号输入，内置一个8选1矩阵开关。在上述分析中共用去4路信号输入输入端，还有4路信号空置，可以作为以后的扩展口使用。在与其他系统诸如载波监视系统联合部署时，如果在一台频谱仪上接入8路信号输入，两个系统可共用一台频谱仪，可以节省出一台频谱仪用作冷备。但是由于频谱仪内置的8选1矩阵开关在同一时刻只能有一个输出，就导致ESVA和载波监视系统不能同时使用，需要互相避开使用时间。因此从开发角度不建议两个系统联合部署。

2   ESVA系统设计描述

2.1 功能描述

ESVA系统支持的测试项目包括：天线方向图、天线增益、交叉极化隔离、EIRP稳定性、频率稳定性；测试仪器的自动远程监控和管理；仪器参数的远程配置；测试流程和脚本设计；自动测试报告的生成[5]。

2.2 性能描述

2.2.1 测试链路

支持4路信号接收，包括C13A的2路下行信号和Ku13C的2路下行信号；支持2路信号分时上行，包括C13A的1路上行信号和Ku13C的1路上行信号。

2.2.2 测试点分布

ESVA系统测试点分布于卫星下行2路C/L波段信号，该信号由C13A天线C/L下变频输出；分布于卫星下行2路Ku/L波段信号，该信号由Ku13C天线Ku/L下变频输出。

2.3 系统组成

ESVA系统由软件部分和硬件部分两部分组成。

2.3.1 硬件部分

硬件部分主要实现底层信号传输、载波数据采集、信号发射控制等功能，并为软件提供运行环境。如图2所示。

以下是硬件部分主要设备。

（1）一台信号源发生器。用来生成Ku波段和C波段信号，发送给相应天线。

（2）一个射频跳线板。用来连接Ku波段和C波段的上行波导。

（3）一台C波段频谱仪。用来接收Ku波段13米天线和C波段13米天线下行的载波数据。

（4）一台服务器、一台网络交换机、两台工作站及相关线缆。用来搭建系统网络，服务器和工作站为ESVA系统软件提供运行和操作环境，网络环境可支持后续新增服务器、工作站、磁盘阵列等设备，接入交换机进行数据存储功能扩展。

2.3.2 软件部分

ESVA系统软件按照C/S架构进行设计开发，又分为ESVA系统服务端软件、ESVA系统客户端软件和系列通用软件，各软件基于主流TCP/IP或HTTP/HTTPS进行通信，支持多用户在多网段模式下的跨网段访问。

2.3.2.1 ESVA系统服务端

负责响应ESVA系统客户端请求的载波信息的加载、修改和删除；能与ESVA系统频谱仪设备对接，收集载波信号，采集数据；能对获取到的载波信息进行识别、分析、实时储存，能响应ESVA系统客户端的载波回放请求；能向消息总线推送实时或历史载波数据供ESVA系统客户端显示；能与ESVA信号源设备对接，控制信号源工作；能响应ESVA客户端操作，生成天线测试脚本并执行；能向系统监视服务上报当前ESVA系统中频谱仪、信号源及各服务器运行状态；同时承担ESVA系统日志记录功能；能提供用户登录和管理功能。

2.3.2.2 ESVA系统客户端

作为ESVA系统用户交互接口使用，负责与ESVA系统服务端进行通信，获取实时载波数据和分析结果，在本客户端页面显示；响应用户登录、日志查看、设备状态查看，并与相关服务端进行交互，获取相关数据并在本客户端页面显示；响应用户的载波信息修改、载波查看等操作，与ESVA系统服务端软件交互并获取反馈；可修改天线测试脚本并提交给服务端，可查看执行状态；可向日志服务发送报表生成请求，形成操作报表；根据操作与用户服务进行账号的创建、查看、修改、删除、登录等交互操作。

2.3.2.3 通用软件

作为上述软件提供的通用服务，类型包括注册中心、消息总线、数据库MySQL、载波数据库Cassandra、用户服务、设备状态监测服务、日志管理服务等。注册中心、消息总线、数据库和载波数据库用来进行上述各种服务的挂载、信息通信及数据持久化存储，用户服务与ESVA系统客户端交互，提供账号的创建、查看、修改、删除、登录等服务；设备状态监测服务与ESVA系统服务端进行交互，获取设备状态信息，可提供给ESVA系统客户端使用；日志服务接收ESVA系统服务端的日志数据并进行持久化存储，可提供给ESVA系统客户端查询。

3   结束语

卫星地球站开通运行时都要进行入网测试，这是因为如果地球站天线及功放、上变频器、调制器的杂散指标不合格，工作载波中带有杂波或谐波，或者调制器上变频器工作点设置不当，功放工作在非线性区，就会出现频谱扩散并造成载波噪声，对本星及邻星的用户造成干扰[6]。本文详细阐述了自主开发的可以完成入网测试的系统，严格做好设备的入网验讯测试，确保将杂波功率限制在规定的范围之内，确保卫星通信网络正常稳定运行。

参考文献

[1] Intelsat-standard ssog 210.

[2] 童晓兰．卫星地球站入网验证测试的项目和测试方法[J]．天津通信技术，1997（S1）：39-42.

[3] 赵纪华．地球站发射天线入网验证测试项目检测方法[J]．广播电视信息，2009（10）：75-78.

[4] 韦漫涛．卫星地球站入网验证测试[J]．有线电视技术，2011，18（08）：39-41，45.

[5] 范晶．模擬上行系统测试平台介绍[J]．中国新技术新产品，2013（01）：31-32.

[6] 张龙．我国广播电视卫星上行天线EUTELSAT ESVA入网认证的实践与研究[J]．广播电视信息，2020，27（10）：73-75.