CN108667506A - 一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统及方法，系统包括控制模块、波控网络模块、矢量网络分析模块、频谱分析模块、数据采集模块、发射天线、接收天线、时钟模块与电流监测模块。矢量网络分析模块产生射频信号并发射，穿过电推进产生的羽流体后被接收天线接收，传递给矢量网络分析模块从而得到时域传输系数，基于时域传输系数控制波控网络降低环境多径干扰，频谱分析模块得到射频信号的频谱以及调制后的射频信号频谱；数据采集模块还将电流监测模块监测到的电流信号提供给控制模块。控制模块进行调制信号频谱特性与发射射频信号频谱和电流的关系分析，得出电推进系统工作过程中产生羽流体对于卫星特定频率通信信号的调制影响。

Description

一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统及方法
技术领域
本发明涉及一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统及方法，属于卫星通信技术领域。
背景技术
随着卫星技术的进步，电推进技术逐步发展成熟并开始在通信卫星领域和深空探测卫星领域应用。国内东三B卫星平台和东五卫星平台的卫星均配置了电推进系统并成功应用。
电推进系统在工作过程中，会产生等离子体羽流，对卫星造成电磁干扰问题。在CN201110262611.X《电推进系统与卫星辐射电磁兼容性验证方法》，以及CN201110262626.6《电推进系统与星上射频设备辐射电磁兼容性试验方法》中，提出电推进系统与卫星或射频设备的辐射电磁兼容性试验方法，本质上是测试电推进系统的辐射发射，然后将该辐射发射干扰加到卫星或射频设备上，通过卫星或射频设备的工作情况来确定电推进系统与卫星的电磁兼容性情况。上述方法存在的问题是，①电推进系统对卫星或射频设备的电磁兼容性验证需要电推进系统电磁兼容性测试和卫星或射频设备电磁兼容性测试两个过程，且需要卫星参加测试，其花费代价较大；②电推进系统与卫星或射频设备的电磁兼容性验证通过卫星和相关设备的工作情况来评估，无法确定具体是什么原因造成的干扰，容易发生“知其然而不知其所以然”的问题；③上述测试方法测的是电推进羽流体无意电磁辐射发射对卫星或射频设备的影响，没有评估羽流体直接与卫星通信电磁波之间的作用。在ZL200941242500.5《电推进系统的电磁兼容性试验方法》中提出一种电推进系统工作过程中产生的羽流体对电磁波幅度衰减和时延影响的方法，该方法仅通过电推进系统测试，不需要卫星参与即可进行测试，更易于实现。但该方法评估的是羽流体对电磁波幅度衰减和时延影响，从卫星应用的角度来看，由于系统设计的裕量，羽流体对电磁波的衰减对卫星系统的影响不是很大；而时延影响仅对定位有要求的射频系统会造成一定影响。电推进工作过程中产生的羽流体作为一种等离子体介质，其对电磁波造成的一种更严重的影响是会对电磁波产生调制效应，该调制效应会产生其它频率的信号，在卫星频谱资源越来越紧张的同时，该调制信号很容易落入卫星射频接收通道内造成干扰。2014年，某通信卫星平台进行整星与电推进系统试验过程中，专门设计了羽流体对遥控遥测信号的影响试验，证明羽流体对电磁波的影响。
基于此技术背景，本发明设计了一种针对卫星电推进系统羽流体对通信电磁波调制效应影响的测试系统。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统及方法，仅在电推进系统层面进行测试，不需要整星参与，更易于实现，同时该系统可实现更高精度的测试。
本发明的技术方案是：
一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，包括：控制模块、矢量网络分析模块、频谱分析模块、数据采集模块、发射天线、接收天线与电流监测模块；
控制模块发送控制指令给矢量网络分析模块、频谱分析模块和数据采集模块，令矢量网络分析模块、频谱分析模块和数据采集模块开始工作，矢量网络分析模块产生射频信号，通过发射天线发射出去，穿过待测件后被接收天线接收，接收到的射频信号传递给矢量网络分析模块从而得到时域传输系数，同时，接收天线接收到的射频信号还送入频谱分析模块，得到所述矢量网络分析模块产生射频信号的频谱以及经过被测件调制后的射频信号的频谱，并通过数据采集模块提供给控制模块；数据采集模块还将电流监测模块监测到的电流信号提供给控制模块；
控制模块将所述矢量网络分析模块产生射频信号的频谱与经过被测件调制后的射频信号的频谱进行频率和幅度上的比较，得到被测件对特定频率射频信号调制的影响，控制模块将所述经过被测件调制后的射频信号和所述电流信号进行相关性分析，得出调制后的射频信号与电流的关系。
还包括波控网络模块，控制模块根据所述时域传输系数控制波控网络模块，进而调整矢量网络分析模块发射和接收信号的通断，以降低环境的多径干扰。
发射和接收信号通断的时间间隔发射天线和接收天线之间的距离为D，c为电磁波传播速度，c＝3×108m/s。
所述被测件包括透波舱和设置在其中的卫星电推力器，卫星电推力器产生羽流体，使得发射天线发射的射频信号穿过羽流体并被接收天线接收。
电流监测模块采用电流探头实现，所述电流探头设置在卫星电推力器阳极电流供电线上。
所述透波舱是指封闭腔体，内部为真空环境，且该腔体透射电磁波。
时钟控制模块采用铷钟实现，给矢量网络分析模块和频谱分析模块提供统一的时钟源，保证矢量网络分析模块和频谱分析模块同时开始工作。
控制模块将所述经过被测件调制后的射频信号和所述电流信号进行相关性分析，具体是指经过被测件调制后的射频信号的频率和幅度分别与电流信号的强度之间的关系。
一种基于所述卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统实现的测试方法，步骤如下：
(1)将卫星电推进系统的电推力器置于透波舱内，将发射天线和接收天线分置透波舱两侧，保证发射天线和接收天线之间的电磁波穿越推力器产生的羽流区；
(2)令电推力器不加电，控制模块控制矢量网络分析仪输出卫星上的射频频率信号，并监测时域传输系数，调整波控网络模块的通断时间，通过频谱分析模块监测发射的射频信号的频谱特征；
(3)电推力器加电工作，工作于不同的模式，产生羽流体，在频谱分析模块上监测射频频率信号，同时在该频率信号两侧各50MHz频率范围内监测调制信号，将电推力器在不同工作模式的监测数据传输给数据采集模块；
(4)电流监测模块监测电推力器不同工作模式阳极电流特性，将数据传输给数据采集模块；
(5)数据采集模块将相关数据传输给控制模块，控制模块一方面将矢量网络分析模块产生射频信号的频谱与经过羽流体调制后的射频信号的频谱进行频率和幅度上的比较，得到被测件对所测试频率的射频信号调制的影响，另一方面分别将调制后的射频信号的频率和幅度与电流信号的强度的关系进行分析，得出调制信号和阳极电流的关系。
发射和接收信号通断的时间间隔发射天线和接收天线之间的距离为D，c为电磁波传播速度，c＝3×108m/s。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可以在电推进系统层面验证羽流对卫星通信电磁波信号的调制效应，即在测试过程中，测试对象中仅需要电推进系统参与测试，无需整个卫星参加，降低了参与测试对象的复杂度，更易于实现，测试也更加灵活。
(2)本发明采用基于时域传输系数和波控网络模块相配合的方式进行多径干扰抑制，即基于时域传输系数调整波控网络通断时间，保证时域传输系数中多径信号最小，以此降低环境干扰对于测试的影响，可提高测试精度。
(3)本发明采用高精度时钟控制模块保证矢量网络分析模块和频谱分析模块工作的同步性，从而保证频谱分析模块监测到的频谱数据与当前满足环境多径干扰抑制的射频信号保持一致，有效避免频谱监测数据与期望数据不一致的问题，降低了测试出错的概率。
附图说明
图1是本发明系统结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出了一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，包括：波控网络模块、控制模块、矢量网络分析模块、频谱分析模块、数据采集模块、发射天线、接收天线与电流监测模块；
控制模块发送控制指令给矢量网络分析模块、频谱分析模块和数据采集模块，令矢量网络分析模块、频谱分析模块和数据采集模块开始工作，矢量网络分析模块产生射频信号，通过发射天线发射出去，穿过待测件后被接收天线接收，接收到的射频信号传递给矢量网络分析模块从而得到时域传输系数，同时，接收天线接收到的射频信号还送入频谱分析模块，得到所述矢量网络分析模块产生射频信号的频谱以及经过被测件调制后的射频信号的频谱，并通过数据采集模块提供给控制模块；数据采集模块还将电流监测模块监测到的电流信号提供给控制模块；
控制模块将所述矢量网络分析模块产生射频信号的频谱与经过被测件调制后的射频信号的频谱进行频率和幅度上的比较，得到被测件对特定频率射频信号调制的影响，控制模块将所述经过被测件调制后的射频信号和所述电流信号进行相关性分析，得出调制后的射频信号与电流的关系。相关性分析，具体是指经过被测件调制后的射频信号的频率和幅度分别与电流信号的强度之间的关系。
控制模块根据所述时域传输系数控制波控网络模块，进而调整矢量网络分析模块发射和接收信号的通断，以降低环境的多径干扰。
发射和接收信号通断的时间间隔发射天线和接收天线之间的距离为D，c为电磁波传播速度，c＝3×108m/s。
本发明中被测件包括透波舱和设置在其中的卫星电推力器，卫星电推力器产生羽流体，使得发射天线发射的射频信号穿过羽流体并被接收天线接收。透波舱是指封闭腔体，内部为真空环境，且该腔体透射电磁波。本发明中电流监测模块采用电流探头实现，所述电流探头设置在卫星电推力器阳极电流供电线上。时钟控制模块采用铷钟实现，给矢量网络分析模块和频谱分析模块提供统一的时钟源，保证矢量网络分析模块和频谱分析模块同时开始工作。
基于上述测试系统，本发明还提出了一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试方法，步骤如下：
(1)将卫星电推进系统的电推力器置于透波舱内，将发射天线和接收天线分置透波舱两侧，保证发射天线和接收天线之间的电磁波穿越推力器产生的羽流区；
(2)令电推力器不加电，控制模块控制矢量网络分析仪输出卫星上的射频频率信号，并监测时域传输系数，调整波控网络模块的通断时间，通过频谱分析模块监测发射的射频信号的频谱特征；
(3)电推力器加电工作，工作于不同的模式，产生羽流体，在频谱分析模块上监测射频频率信号，同时在该频率信号两侧各50MHz频率范围内监测调制信号，将电推力器在不同工作模式的监测数据传输给数据采集模块；
(4)电流监测模块监测电推力器不同工作模式阳极电流特性，将数据传输给数据采集模块；
(5)数据采集模块将相关数据传输给控制模块，控制模块一方面将矢量网络分析模块产生射频信号的频谱与经过羽流体调制后的射频信号的频谱进行频率和幅度上的比较，得到被测件对所测试频率的射频信号调制的影响，另一方面分别将调制后的射频信号的频率和幅度与电流信号的强度的关系进行分析，得出调制信号和阳极电流的关系。
本发明提出的实施例如下：
控制计算机主要控制整个系统的运行。波控网络主要控制信号的通断时间以降低多径干扰。矢量网络分析模块主要作为信号源并对信号特性进行监测。频谱分析模块进行频谱分析。数据采集模块进行频谱数据采集。时钟控制模块主要提供统一的高精度触发源。发射天线模块和接收天线模块主要进行电磁波信号的发射和接收。电流监测模块主要监测电推进系统阳极电流特性。如图1所示：
1)控制计算机一方面对波控网络、矢量网络分析模块、频谱分析模块和数据采集模块进行控制，控制这些模块的工作状态，同时可将相关模块的数据传输到控制计算机上进行数据分析。
2)波控网络主要控制信号的发射和接收。为了降低环境多径信号的影响，在测试过程中期望接收天线仅收到发射天线直接发射的信号，而不希望收到环境发射的信号。因此，若发射天线和接收天线之间的距离为D，则时间间隔为：
其中：为电磁波传播速度，c＝3×108m/s。
控制计算机控制波控网络在某个时刻T开启发射通路和接收通路，在T+Δt时刻关闭发射通路和接收通路。
3)矢量网络分析模块为一台型号为N5234A的矢量网络分析仪。矢量网络分析仪的作用包括两个：其一是作为信号发射和接收的源；其二是通过对S21参数的时域和频域特性分析，确定波控网络设置的准确性。矢量网络分析模块受两方面的控制：其一是受控制计算机的控制，对矢量网络分析仪的工作状态和工作参数设置，如工作频段、采样点数、发射功率、中频带宽和时频监测状态等；其二是受时钟控制模块的控制，对信号收发过程进行控制。
4)频谱分析模块为一台型号为E4440A的频谱分析仪。当通过矢量网络分析模块确定系统设置正确后，在频谱分析仪上监测信号的频谱特性。频谱分析仪受两方面的控制：其一是受控制计算机的控制，对频谱分析仪的工作状态和工作参数进行设置，如工作频段，RBW等；其二是受时钟控制模块的控制，对频谱监测过程进行控制。
5)数据采集模块为一台数据采集仪，一方面获取频谱分析仪分析的数据，另一方面获取电推进电流检测数据，相关数据可传输给控制计算机，进行信号调制效应与电推进工作电流之间的相关性分析。
6)时钟控制模块为一台10MHz铷钟源，铷钟输出接到矢量网络分析仪和频谱分析仪的外部触发端口，提供一个统一的高精度外部时钟源，保证系统工作在同一基准时刻，在一个精准时刻下进行信号的发射、接收和特性监测。
7)发射天线模块为一副模拟星上信号辐射发射的天线，其型号可采用下表所示的天线型号。
序号 频段 天线型号
1. 1GHz～18GHz HF907
2. 18GHz～26.5GHz QSH20S20
3. 26.5GHz～40GHz QSH22K20
8)接收天线模块为一副接收电磁信号的天线，其型号可采用和发射天线相应频段同样的型号。
9)电流监测模块为一副型号为TCP303的电流检测探头。电流检测探头置于电推进系统阳极电源线上，监测电流特性，将监测到的数据传输到数据采集模块，用于进行数据分析。
本方面的测试系统的工作过程为：
1)将电推进的推力器置于透波舱内，将发射天线和接收天线分置透波舱两侧，保证发射天线和接收天线之间的电磁波穿越推力器产生的羽流区。
2)电推进不加电工作，测试系统工作，控制计算机控制矢量网络分析仪输出卫星上的射频频率信号，并监测S21参数，确定波控网络时域门设置的正确性。设置正确后，通过频谱分析仪监测发射的射频信号的频谱特征。
3)电推进加电工作，工作于不同的模式，产生羽流体，测试系统采用2)中的设置，并工作，在频谱分析仪上监测射频频率信号，同时在该频率信号两侧各50MHz频率范围内监测调制信号，将电推进在不同工作模式的监测数据传输给数据采集模块。
4)电流探头监测电推进不同工作模式阳极电流特性，将数据传输给数据采集模块。
5)数据采集模块将相关数据传输给控制计算机，控制计算机一方面进行频谱分析，得出调制信号的频率特征和相对有意射频信号的幅度特征，另一方面进行调制谱和阳极电流的相关性分析，得出调制谱和阳极电流的关系。下表为针对某电推进系统产生的羽流体对卫星上14.5GHz射频信号的调制影响测试结果。其中阳极电流分别设置为低电流和高电流两档。从测试结果可以看出不同的电流产生的羽流体对于卫星上的射频信号所产生调制信号的幅度和频率特性，也可看出电流对于调制信号的影响关系。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于包括：控制模块、矢量网络分析模块、频谱分析模块、数据采集模块、发射天线、接收天线与电流监测模块；
控制模块发送控制指令给矢量网络分析模块、频谱分析模块和数据采集模块，令矢量网络分析模块、频谱分析模块和数据采集模块开始工作，矢量网络分析模块产生射频信号，通过发射天线发射出去，穿过待测件后被接收天线接收，接收到的射频信号传递给矢量网络分析模块从而得到时域传输系数，同时，接收天线接收到的射频信号还送入频谱分析模块，得到所述矢量网络分析模块产生射频信号的频谱以及经过被测件调制后的射频信号的频谱，并通过数据采集模块提供给控制模块；数据采集模块还将电流监测模块监测到的电流信号提供给控制模块；
控制模块将所述矢量网络分析模块产生射频信号的频谱与经过被测件调制后的射频信号的频谱进行频率和幅度上的比较，得到被测件对特定频率射频信号调制的影响，控制模块将所述经过被测件调制后的射频信号和所述电流信号进行相关性分析，得出调制后的射频信号与电流的关系。
2.根据权利要求1所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于还包括波控网络模块，控制模块根据所述时域传输系数控制波控网络模块，进而调整矢量网络分析模块发射和接收信号的通断，以降低环境的多径干扰。
3.根据权利要求2所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于：发射和接收信号通断的时间间隔发射天线和接收天线之间的距离为D，c为电磁波传播速度，c＝3×108m/s。
4.根据权利要求2所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于：所述被测件包括透波舱和设置在其中的卫星电推力器，卫星电推力器产生羽流体，使得发射天线发射的射频信号穿过羽流体并被接收天线接收。
5.根据权利要求4所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于：电流监测模块采用电流探头实现，所述电流探头设置在卫星电推力器阳极电流供电线上。
6.根据权利要求4所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于：所述透波舱是指封闭腔体，内部为真空环境，且该腔体透射电磁波。
7.根据权利要求1所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于：时钟控制模块采用铷钟实现，给矢量网络分析模块和频谱分析模块提供统一的时钟源，保证矢量网络分析模块和频谱分析模块同时开始工作。
8.根据权利要求1所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统，其特征在于：控制模块将所述经过被测件调制后的射频信号和所述电流信号进行相关性分析，具体是指经过被测件调制后的射频信号的频率和幅度分别与电流信号的强度之间的关系。
9.一种基于权利要求1～8中任一项所述卫星电推进系统对通信信号调制影响测试系统实现的测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)将卫星电推进系统的电推力器置于透波舱内，将发射天线和接收天线分置透波舱两侧，保证发射天线和接收天线之间的电磁波穿越推力器产生的羽流区；
(2)令电推力器不加电，控制模块控制矢量网络分析仪输出卫星上的射频频率信号，并监测时域传输系数，调整波控网络模块的通断时间，通过频谱分析模块监测发射的射频信号的频谱特征；
(3)电推力器加电工作，工作于不同的模式，产生羽流体，在频谱分析模块上监测射频频率信号，同时在该频率信号两侧各50MHz频率范围内监测调制信号，将电推力器在不同工作模式的监测数据传输给数据采集模块；
(4)电流监测模块监测电推力器不同工作模式阳极电流特性，将数据传输给数据采集模块；
(5)数据采集模块将相关数据传输给控制模块，控制模块一方面将矢量网络分析模块产生射频信号的频谱与经过羽流体调制后的射频信号的频谱进行频率和幅度上的比较，得到被测件对所测试频率的射频信号调制的影响，另一方面分别将调制后的射频信号的频率和幅度与电流信号的强度的关系进行分析，得出调制信号和阳极电流的关系。
10.根据权利要求9所述的一种卫星电推进系统对通信信号调制影响测试方法，其特征在于：发射和接收信号通断的时间间隔发射天线和接收天线之间的距离为D，c为电磁波传播速度，c＝3×108m/s。
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