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    去型号化接收机地面环境模拟试验充分性验证

    时间：2023-01-20 19:00:39来源：百花范文网本文已影响人

    司圣平，金 姣，杨 琳，郭晶晶，王 瑞

    （1. 上海卫星工程研究所，上海 201109；

    2. 上海航天电子有限公司，上海 201821）

    高灵敏度接收机[1]是卫星通信系统的重要组成部分，为提高其产品可靠性，避免产品类型多、技术状态繁杂、设计与生产状态发散等带来的多种质量问题频发、整机稳定性不足，自2016 年航天科技集团开展去型号化[2]工作以来，实现了不同研制厂家生产的产品在功能、技术状态、试验项目、试验条件等方面的统一，并针对去型号化产品的环境试验制定航天标准，给出试验项目矩阵表和试验条件的规定[3]。然而在制定试验项目及条件过程中，单一鉴定或验收产品的状态存在一定的随机性，不能充分说明试验项目是否能充分模拟产品的在轨工作环境。

    为此，本文以某型高灵敏度接收机为研究对象，开展去型号化接收机地面环境模拟试验充分性验证。该型接收机工作在S 波段，信号接收灵敏度指标要求达到-124 dBm，地面实测指标为-126 dBm。高灵敏度接收机作为测控应答机[4]的模块组件与发射机一起作为整体参加试验，其对环境特性敏感，诸多通道特性参数与试验环境密切关联，如灵敏度、噪声系数、动态范围等指标在不同的热、真空、电磁等环境下具有不同的测试数值[5]。该型接收机同一研制单位已经生产30 多台，验收交付24 台，经过4 批次产品的研制获得了大量地面试验数据，能够直接有效地证明产品在地面工作的稳定性。另外，随着验收级产品在轨飞行次数的增多，积累了一定的在轨飞行样本数据；
    利用高灵敏度接收机通道特性参数对环境的敏感性，可以开展在轨飞行数据与地面试验数据的分析比对，从而对地面环境试验[6-7]的有效性、充分性进行验证。

    由于卫星与信号接收方是相对运动的，距离变化会造成接收信号的不稳定，存在从小到大、再从大到小的周期性变化过程。高灵敏度接收机利用自动增益控制（auto gain control, AGC）电路[8-9]帮助接收机实现接收小信号时增益高，接收大信号时增益低的功能。AGC 电路属于闭环控制系统，作用是使输出信号保持适当的电平，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大导致接收机饱和或堵塞。因此高灵敏度接收机的AGC 电路对信号的变化具有较强的敏感性，而热、真空、电磁等环境变化造成的信号变化同样可被AGC 电路捕捉到，因此，可以利用AGC 电路的在轨飞行数据与地面试验数据比对，进行环境变化影响分析，从而确认地面环境试验的有效性。

    高灵敏度接收机通道工作的重要遥测参数AGC 长期进行下传，本文所述接收机采用的AGC闭环控制原理如图1 所示，图中：Vr为参考电压，设置为常数；
    V1为信号检波电压；
    Vc为AGC 电压；
    Vi为输入信号电压，由输入信号功率转化而成；
    A1为可变增益放大器（variable gain amplifier, VGA）的放大倍数，随AGC 电压变化；
    Vo为输出信号电压。

    图1 AGC 闭环控制原理Fig. 1 AGC closed loop control schematic diagram

    检波器的检波效率是固定的，因此如果Vo不变，V1也会保持不变。图1 中N1为环路滤波器，当环路稳定时，恒有V1=Vr；
    当Vi变化时，V1和Vr之间会产生微小的电压差，N1通过V1-Vi的差值来调整Vc，而Vc的变化将引起A1的变化，最终达到V1=Vr，即实现Vo不变。

    A1和Vc的关系为

    因此，

    V1和Vo的关系为

    设环路滤波器的传递函数为F(s)，则

    将式(2)代入式(4)后最终得到

    由于a、b、K1、K2的数值是由器件决定、固定不变的，Vr为电路调试时设置的参考值，在电路调试完成后也不会变化，F(s)在电路确定的情况下也不会变化，所以可以得到结论：在温度和电路参数确定的情况下，AGC 遥测电压Vc仅与输入信号电压Vi有关。

    在扩频通信系统中，输入信号为宽带信号，其信号特性接近白噪声，因此一般用信号功率Pi取代电压Vi来衡量输入信号的大小，即

    对式(6)两边取对数得

    故有

    将式(8)代入式(5)，最终化简得到

    式中除了Pi，其余参数均为定值，则式(9)可简化为

    其中Pi(dBm)表示对数形式的功率。可以看出，理想情况下Vc和Pi(dBm)呈线性关系。

    输入信号的能量Pi又可分为噪声能量Pn和信号能量Ps，很明显

    其中，Pn仅与温度有关，常温下的噪声谱密度为-174 dBm/Hz。

    在卫星中继通道中，信号带宽WB为6.138 MHz，系统噪声系数FN按照2 dB 计算，则可得出噪声的总能量为-174+10×lgWB+FN= -174+68+2 = -104 dBm。因此在信号很小（Ps≤-107 dBm）的情况下，Pi的主要成分是Pn，此时的Vc主要表现为噪声电压。

    通过上述理论分析，可以得出结论：由于AGC电路对噪声极其敏感，结合遥测参数AGC 在轨长期对地下传的便利性，使用AGC 参数对高灵敏度接收机环境模拟试验的充分性进行验证是可行的。

    基于上述理论分析结论，本文首先对去型号化接收机的数据稳定性进行分析，确认其技术状态的稳定性、技术指标的统一性；
    然后通过多台高灵敏度接收机的在轨数据进行地面试验充分性分析，避免单台接收机的个体差异造成分析结论出现偏差。去型号化接收机的试验项目按照《卫星型谱单机试验通用要求》中的电子类单机试验矩阵表[3]（表1）执行。

    表1 电子类单机试验矩阵表Table 1 Electronic single machine test matrix

    本文所研究的每台接收机均按照表1 的要求进行了验收级试验，表2 为接收机全温度试验时得到的数据，即在-15～50 ℃范围内每间隔1 ℃采集1 次AGC 电压。本文为简化分析，选取间隔为5 ℃的数据。

    表2 接收机全温度试验测试数据Table 2 Receiver full temperature test data

    表2（续）

    对表2 的数据按照温度、输入信号强度2 个维度进行分析，如图2 所示，结果表明：对于单台接收机来说，同一温度条件下，在大信号（-99～-84 dBm）输入时AGC 电压随输入信号强度呈线性变化，在小信号（≤-109 dBm）输入时AGC 电压存在明显的压缩特性，AGC 区分值不明显；
    在-10～45 ℃范围内，不同温度的AGC 曲线变化趋势相同，其中45 ℃为最大值曲线，-10 ℃为最小值曲线。

    图2 不同温度下接收机AGC 电压随着输入信号强度的变化Fig. 2 Voltage changes of receiver AGC with input signal intensities at different temperatures

    图3 以温度作为变化参数，可以得出如下结论：1）在接收通道输入同一信号强度条件下，在-10～45 ℃范围内，AGC 电压存在最大值、最小值；
    2）在小信号输入时，AGC 电压曲线的最大值与最小值差别大，在大信号输入时，AGC 电压曲线的最大值与最小值差别较小；
    3）AGC 电压曲线在-126～-104 dBm 信号范围内分布密集，在-94～-84 dBm 分布均匀，曲线之间间隔很大。

    图3 不同输入信号下接收机AGC 随着温度的变化情况Fig. 3 Changes of receiver AGC with temperatures under different input signals

    基于以上数据分析可知，在进行数据稳定性分析时，只考虑每台单机的AGC 电压存在最大值曲线、最小值曲线，不再考虑温度因素。按照

    进行方差计算，其中，

    得到19 台产品全温度试验AGC 最小值与最大值方差曲线，如图4 所示：19 台接收机在小信号时，最大值曲线的波动不会超过0.20 V，最小值曲线的波动不会超过0.23 V；
    在大信号时，最大值曲线与最小值曲线的波动性趋于一致。

    图4 19 台产品全温度试验AGC 最小值与最大值方差曲线Fig. 4 Variance curve of minimum and maximum AGC values of 19 products in full temperature test

    通过地面数据分析去型号化接收机4 批次产品的AGC 数据后可以确认，该型产品稳定性、一致性良好，个体间差异性小，可以通过多台高灵敏度接收机的在轨数据进行地面试验充分性分析。

    图5 为2 台接收机的在轨飞行数据与其整星热真空试验数据的对比，其中在轨数据来源于2020 年2 月发射入轨的新技术试验卫星C 星、D 星，两星上装载的高灵敏度接收为中国航天科技集团有限公司首批去型号化[2]产品，也是该型产品的首飞。

    图5 在轨整星状态下AGC 变化情况Fig. 5 AGC changes of the whole-satellite in orbit

    由图5 可见，在整星热真空试验过程中，接收机1 和接收机2 在无输入信号时AGC 通道遥测值基本无变化，可以认为在地面环境下通道底噪稳定；
    卫星发射入轨后，接收机的AGC 通道在无信号输入时，AGC 遥测值与地面试验数据间有-0.3 V 的偏差，2 台接收机表现异常。而且发射入轨的多台接收机表现出同样的异常现象，因此可以排除文献[10]所述的灵敏度遥测参数异常下跳原因。

    本文针对该异常现象进行原因分析发现，在地面整星热循环试验时，接收机的AGC 电压并不随温度变化有明显变化，由图6 可以看到，温度在10～35 ℃范围内变化时AGC 电压只有±0.02 V 的波动，因此可以排除此异常由温度变化导致。

    图6 地面热真空整星状态下AGC 电压的变化情况Fig. 6 AGC voltage changes of the whole-satellite in ground thermal vacuum test

    在轨飞行与地面试验相比仅有环境变化，在排除了温度的影响后，可以确定空间环境噪声变化是导致异常的唯一原因。从式(11)出发分析，在轨飞行航天器内部的电子元器件[11]在飞行轨道上与地面具有不同的工作环境：

    1）空间环境噪声。包括卫星接收天线内部由天线周围介质微粒的热运动产生的噪声和外部空间带来的噪声，起伏噪声被天线吸收后进入接收机，呈现为天线的热起伏噪声。除了天线热噪声、接收机电子器件中的电子噪声[12]外，空间噪声与地面噪声表现出巨大的不同：空间噪声指来自外层空间的电磁噪声，噪声源是由许多离散源构成的天体阵，综合各种源得到总的空间噪声，频段在20～1000 MHz之间，强度随频率的升高而迅速变小。然而接收机工作在2000 MHz 频段，故可以认为空间噪声对接收机影响较小。

    2）地面环境噪声。对于高灵敏度接收机来说，地面环境噪声主要指人为干扰噪声，特别是人类活动在地球上产生的各种射频干扰，来自移动通信基站[13]、广播电台、导航设备、搜索雷达、微波中继站等，频率从百MHz 到GHz。虽然按照无线电规则，这些信号在中心频率带宽上与卫星通信信号不重叠，但由于其旁瓣信号的存在、邻近信号产生的交调和互调[14]等原因，衍生出的各阶频率抬高了环境的背景噪声，给卫星通信设备在地面上的调试、测试和试验带来了一定影响。在大系统对接试验场景中，手机信号甚至产生过严重干扰。对于灵敏度[7]较高的卫星接收设备，背景噪声信号作为接收机的噪声往往伴随着接收机的生产、研制和试验全过程，即使航天器发射入轨前经过各种环境试验，如热试验、真空试验、EMC 兼容测试试验等，也不能完全模拟空间的真实环境，直到卫星发射入轨后卫星接收机表现出与地面环境下不同的性能。

    基于以上分析可以看出，在轨飞行后接收机AGC 底噪较地面的幅值更小，表明接收机在轨飞行时具有较好的工作环境，故可认为地面各项环境试验模拟的电磁试验条件比空间电磁环境更恶劣。

    本文根据现行去型号化接收机的环境试验规范，利用在轨飞行数据与地面测试数据对比验证地面各项环境模拟试验的充分性。从AGC 原理出发，利用高灵敏度接收机AGC 电路对背景噪声极其敏感的特性，通过对去型号化高灵敏度接收机的AGC 参数一致性进行分析，得到去型号化接收机批次产品AGC 数据稳定性、一致性良好，个体间差异性小的结论；
    然后通过多台高灵敏度接收机在轨数据与地面试验数据比对，分析通道底噪变小的可能原因，得到地面各项环境试验模拟的电磁试验条件比空间电磁环境更恶劣的结论。因此，底噪变化导致的异常可以排除产品的性能问题，通道底噪变小是由环境变化导致的固有特性，具有较好一致性的去型号化接收机底噪变化幅值可以为后续型号发射任务提供经验参考。

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