一種導(dǎo)航衛(wèi)星EIRP及其穩(wěn)定性自動(dòng)化測(cè)試方法

李 光，沈冠浩，龔文斌，任前義，沈 苑

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203;2.中國科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203)

0 引言

導(dǎo)航落地信號(hào)功率在接收機(jī)接收范圍內(nèi)是地面用戶進(jìn)行導(dǎo)航定位的先決條件，其強(qiáng)度及穩(wěn)定度直接關(guān)系到導(dǎo)航定位的精度。因此，導(dǎo)航衛(wèi)星的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)及其穩(wěn)定度是導(dǎo)航衛(wèi)星的重要指標(biāo)之一。導(dǎo)航衛(wèi)星在出廠前需要進(jìn)行EIRP及其穩(wěn)定度的多次測(cè)量，以確保各階段衛(wèi)星的功率符合指標(biāo)要求[1-4]。

衛(wèi)星在地面的EIRP測(cè)試分為有線測(cè)試和無線測(cè)試。由于受測(cè)試場(chǎng)限制，較難實(shí)現(xiàn)無線EIRP的測(cè)量要求，因此，有線EIRP的測(cè)量結(jié)果是各階段判斷衛(wèi)星功率符合性的最重要依據(jù)。同時(shí)，由于不同仰角上的衛(wèi)星信號(hào)在到達(dá)地面時(shí)有著近似等功率的要求，導(dǎo)航衛(wèi)星的下行信號(hào)發(fā)射通道是多通道設(shè)計(jì)，結(jié)合衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)下行天線陣列實(shí)現(xiàn)地球不同位置等功率設(shè)計(jì)要求[5-6]。

傳統(tǒng)的EIRP有線測(cè)量方法是每次僅發(fā)射一個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)，然后利用功率計(jì)逐個(gè)測(cè)量衛(wèi)星的下行信號(hào)通道功率[7-8]。該方法每次僅能測(cè)量一個(gè)頻點(diǎn)、測(cè)試過程需要人工進(jìn)行測(cè)試端口的更換，耗時(shí)長且存在安全隱患，而且無法進(jìn)行EIRP的長時(shí)間連續(xù)性測(cè)試。因此，亟需根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的特點(diǎn)，進(jìn)行EIRP及其穩(wěn)定度的自動(dòng)化測(cè)試方法探索。

本文提出了一種利用矩陣開關(guān)、頻譜儀及配套的測(cè)試軟件進(jìn)行EIRP及其穩(wěn)定度的測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射EIRP的快速、準(zhǔn)確測(cè)量及EIRP穩(wěn)定度的連續(xù)監(jiān)測(cè)與測(cè)量。同時(shí)，測(cè)試軟件可以完成測(cè)試過程中的異常功率告警與異常頻譜記錄。

1 EIRP測(cè)量原理

EIRP為無線電發(fā)射機(jī)供給天線的功率與在給定方向上天線絕對(duì)增益的乘積。各方向具有相同單位增益的理想全向天線，通常作為無線通信系統(tǒng)的參考天線。EIRP定義為：EIRP=Pt×Gt，它表示同全向天線相比，可由發(fā)射機(jī)獲得的在最大天線增益方向上的發(fā)射功率。Pt表示發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，Gt表示發(fā)射天線的天線增益。在無線通信中，通常用來衡量干擾的強(qiáng)度，以及發(fā)射機(jī)發(fā)射強(qiáng)信號(hào)的能力。

導(dǎo)航衛(wèi)星EIRP測(cè)量原理框圖如圖1所示。

圖1 EIRP測(cè)量原理Fig.1 The block diagram of EIRP measurement principle

測(cè)試前，首先將測(cè)試線纜1、大功率衰減器、測(cè)試線纜2的插損進(jìn)行整段標(biāo)定，假設(shè)整個(gè)鏈路的插損為LdB。衛(wèi)星載荷開機(jī)后發(fā)送下行導(dǎo)航信號(hào)，利用功率計(jì)或者頻譜儀對(duì)每個(gè)通道的功率進(jìn)行測(cè)量，假定測(cè)得信號(hào)功率為P1，P2，P3，…，Pn，則衛(wèi)星發(fā)送下行信號(hào)的總功率為：

P=10×lg(P1+P2+P3+…+Pn)，

(1)

式中，P1，P2，P3，…，Pn的單位為W，P的單位為dBW。則，衛(wèi)星的EIRP為：

EIRP(dBW) =P(dBW)+G(dB) +L(dB) ，

(2)

式中，G為下行發(fā)射天線的增益。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

為克服傳統(tǒng)EIRP測(cè)試過程中需要人工進(jìn)行測(cè)試端更換的問題，可以通過L頻段的矩陣開關(guān)實(shí)現(xiàn)任意一路信號(hào)的測(cè)試接入，并且該程控開關(guān)箱需具備網(wǎng)口遠(yuǎn)程控制功能。為了可以進(jìn)行下行導(dǎo)航信號(hào)的多頻點(diǎn)并行測(cè)試及EIRP測(cè)量結(jié)果的連續(xù)記錄，需采用頻譜儀進(jìn)行下行信號(hào)的功率測(cè)量并且使用自動(dòng)記錄軟件將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)保存。因此，EIRP自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由程控矩陣開關(guān)、頻譜儀、測(cè)試軟件、大功率衰減器和測(cè)試線纜等組成。

EIRP自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成及測(cè)試原理框圖如圖2所示。

圖2 EIRP自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成及原理Fig.2 Composition and principle block diagram of EIRP automatic test system

導(dǎo)航載荷通過射頻線纜與大功率衰減器及程控矩陣開關(guān)進(jìn)行連接，程控矩陣開關(guān)進(jìn)行1路測(cè)試信號(hào)的選通后通過射頻線纜送至頻譜儀。程控矩陣開關(guān)、頻譜儀通過網(wǎng)線連接至上位機(jī)。上位機(jī)中運(yùn)行的測(cè)試及控制軟件通過網(wǎng)口對(duì)程控矩陣開關(guān)、頻譜儀進(jìn)行控制。

2.1 程控矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)

射頻微波開關(guān)矩陣能夠在測(cè)試儀器與被測(cè)器件之間自動(dòng)路由射頻微波信號(hào)，它們可以提供一致的信號(hào)路徑，支持自動(dòng)測(cè)試，通常還包括信號(hào)調(diào)理能力。在設(shè)計(jì)射頻開關(guān)系統(tǒng)時(shí)，要考慮一些關(guān)鍵電氣規(guī)范包括串?dāng)_(路徑隔離)、插入損耗、電壓駐波比和帶寬。可能影響開關(guān)系統(tǒng)性能的其他因素包括阻抗匹配、端接、功率傳輸、信號(hào)濾波器、相位畸變和布線。開關(guān)的使用不可避免地會(huì)降低測(cè)量系統(tǒng)的性能，因此需要著重考慮能顯著影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)[9]。

本文的EIRP自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)采用的射頻矩陣開關(guān)為15入1出(部分通道備用)，其原理示意如圖3所示。

圖3 射頻矩陣開關(guān)原理示意Fig.3 Schematic diagram of RF matrix switch

程控矩陣開關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)如下，可滿足導(dǎo)航信號(hào)的EIRP測(cè)量要求：輸入輸出:15×1;頻率范圍:DC-4 GHz;通道損耗:通道插入損耗小于3 dB;最大承受功率 1 W；端口駐波：小于1.4；通道間隔離度：大于90 dB。

2.2 測(cè)試及控制軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試及控制軟件由矩陣開關(guān)控制模塊、頻譜儀控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊及人機(jī)交互界面組成。測(cè)試及控制軟件運(yùn)行在Windows系統(tǒng)軟件的PC上，通過網(wǎng)口輸出控制命令、接收測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試及控制軟件的組成框圖如圖4所示。

矩陣開關(guān)控制模塊的主要作用是控制程控矩陣開關(guān)的選通，開關(guān)之間的選通是互斥的，測(cè)量時(shí)每次僅能選通一個(gè)通道，同時(shí)未選通的支路在矩陣開關(guān)內(nèi)部有匹配負(fù)載，可以匹配未選通支路的輸出功率。頻譜儀控制模塊的主要作用是對(duì)頻譜儀的測(cè)量模式、測(cè)試頻點(diǎn)、測(cè)量帶寬和頻率分辨率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并接收頻譜儀的測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)接收到的頻譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及存儲(chǔ)。同時(shí)，數(shù)據(jù)分析模塊在測(cè)試時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，如果超出閾值則控制頻譜儀進(jìn)行頻譜的截圖及保存。

圖4 測(cè)試及控制軟件組成Fig.4 The block diagram of test and control software

測(cè)試系統(tǒng)的工作流程是：① 導(dǎo)航載荷的下行信號(hào)經(jīng)過大功率衰減器進(jìn)行信號(hào)衰減后，將測(cè)試信號(hào)經(jīng)過射頻線纜送入程控矩陣開關(guān)；② 程控矩陣開關(guān)通過網(wǎng)線與上位機(jī)進(jìn)行連接，上位機(jī)通過測(cè)試及控制軟件可控制矩陣開關(guān)的選通，從而將待測(cè)通道的信號(hào)選通至頻譜儀；③ 頻譜儀接收到測(cè)量信號(hào)后，利用通道功率測(cè)量功能進(jìn)行帶內(nèi)功率測(cè)量，然后將測(cè)量結(jié)果通過網(wǎng)口上傳至上位機(jī)的測(cè)試及控制軟件；④ 測(cè)試及控制軟件將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄與保存，同時(shí)，也可以對(duì)比測(cè)量結(jié)果和判斷閾值，如果超出閾值則將測(cè)試屏幕上的超出數(shù)據(jù)標(biāo)紅并將異常時(shí)刻的頻譜圖進(jìn)行保存。測(cè)試的流程如圖5所示。

圖5 EIRP自動(dòng)化測(cè)試流程Fig.5 EIRP automated test flow chart

3 測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)用

本文所設(shè)計(jì)的EIRP自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于北斗三號(hào)系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星的測(cè)試。該系統(tǒng)，具備了EIRP三頻并行測(cè)量能力、EIRP自動(dòng)記錄能力、功率異常告警能力、異常頻譜保存能力，將EIRP的測(cè)試效率提升了70%以上，大大提升了該測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試效率及測(cè)試安全性。

EIRP測(cè)試系統(tǒng)的交互界面如圖6所示。

圖6 EIRP測(cè)試系統(tǒng)的交互界面Fig.6 Interface of EIRP test system

EIRP測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果通過表格和圖片形式進(jìn)行自動(dòng)保存。其中，表格保存結(jié)果中包括時(shí)間、中心頻點(diǎn)、每秒測(cè)量結(jié)果等，具體如圖7所示。

圖7 EIRP測(cè)試結(jié)果Fig.7 Schematic diagram of EIRP test results

圖片結(jié)果的保存分為設(shè)定時(shí)間保存和超過閾值時(shí)的異常頻譜保存。其中，設(shè)定時(shí)間保存可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行設(shè)置，每隔特定時(shí)間則進(jìn)行自動(dòng)保存。異常頻譜保存是當(dāng)EIRP測(cè)量結(jié)果超出閾值時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)控制頻譜儀進(jìn)行頻譜的截圖及保存。EIRP頻譜測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8 頻域自動(dòng)存儲(chǔ)圖Fig.8 Automatic storage graph in frequency domain

4 結(jié)束語

導(dǎo)航衛(wèi)星EIRP及其穩(wěn)定性自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)由程控矩陣開關(guān)、頻譜儀和測(cè)試及控制軟件組成，可以實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)的EIRP測(cè)量結(jié)果的自動(dòng)、快速和連續(xù)測(cè)量保存，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了異常的自動(dòng)告警和異常頻譜的自動(dòng)保存，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法效率低、無法進(jìn)行EIRP穩(wěn)定性測(cè)量等問題。

該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于北斗三號(hào)系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星的EIRP測(cè)試，將該測(cè)試項(xiàng)目的效率提高了70%以上，取得了較好的應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)的測(cè)試方法不僅可以應(yīng)用導(dǎo)航衛(wèi)星，也適用于其他具有多通道下行信號(hào)的EIRP測(cè)量的場(chǎng)景，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。