CN109131939B - 一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法及系统 - Google Patents

一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法及系统，包括(1)获得卫星设备现有布局；(2)进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局；(3)进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，得到发射天线对设备的电磁辐射影响，进而确定设备的初步布局；(4)进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，得到设备对接收天线的电磁辐射影响，进而确定设备的最终布局。本发明在卫星设备布局的考虑因素中引入电磁兼容因素，增加了卫星电磁兼容性设计的有效性，避免传统的在卫星研制的后期才针对电磁兼容性问题进行整改所导致的措施不足和费效比高的问题。

Description

一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法及系统，属于卫星设备布局技术领域。
背景技术
近年来，随着卫星设计及制造技术的高速发展，电子设备的数量迅猛增加，集成度也越来越高，从而卫星自身的电磁环境也变得复杂起来。电子设备之间相互干扰的情况逐渐开始增多。各类电磁干扰源有的通过天线辐射杂波干扰信号，有的通过线缆辐射，还有的直接从设备缝隙中泄漏，造成大量的干扰信号在舱内外传递和相互耦合，这些干扰信号的频率从数十千赫兹一直延伸到数百兆赫兹，甚至是千兆赫兹。如此宽广的干扰频率范围会对星上敏感电子设备造成严重影响。
现有卫星设备布局的方法，是通过计算单机设备连接电缆的重量、计算单机热耗分布，分析卫星平台质量特性的质心是否满足要求，热耗是否满足热管的散热能力，以及舱板开合、电缆插拔等因素，判断是否满足设备布局要求。但该方法未考虑设备的电磁辐射环境问题，无法满足卫星高灵敏度接收设备对舱内外设备布局的要求。在设备之间出现相互电磁干扰时，往往是卫星研制的中后期，只能采取高成本、低可靠性的解决方案进行处理，严重时会延迟卫星的发射时间，造成不可估量的影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法及系统，在采用现有卫星设备布局方法进行舱内外设备布局设计的基础上，通过电磁仿真分析，优化卫星舱内外设备布局，减少通过天线间耦合、天线与设备间耦合以及设备间耦合方式产生的电磁干扰问题，从而满足卫星敏感接收设备对电磁辐射环境的需求。
本发明的技术方案是：
一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法，步骤如下：
(1)获得卫星设备现有布局；
(2)进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局；
(3)进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，得到发射天线对设备的电磁辐射影响，进而确定设备的初步布局；
(4)进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，得到设备对接收天线的电磁辐射影响，进而确定设备的最终布局。
所述步骤(2)进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局，具体为：
(2.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(2.2)将步骤(2.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率以及网格参数，进行天线间空间隔离度的仿真计算，获得空间隔离度；
(2.3)根据获取的空间隔离度，对天线间的干扰指示进行估算；
(2.4)根据估算得到的干扰指示，优化发射天线和接收天线的布局。
所述步骤(2.3)对天线间的干扰指示进行估算，具体为：
SMtr＝PR-[PT-Lt1-Lt2-Ltr-Lr1-Lr2]；
其中，Lt1为所计算的发射谱相对主谱的衰减值；Lt2为发射系统馈线损耗；Ltr为收发天线间的空间隔离度；Lr1为接收机天线到接收机输入端口间的馈线损耗；Lr2为所计算的接收频率相对于正常信号接收通带的衰减值；PR(f)为在频率f处的接收天线所连接收机的灵敏度；PT(f)为在频率f处的发射天线所连发射机的发射功率；SMtr为发射天线和接收天线间的干扰指示。
所述步骤(2.3)对天线间的干扰指示进行估算的约束条件为：来自卫星自身电磁辐射环境的、敏感接收设备位置处的电磁杂波信号满足幅值低于敏感度阈值的要求。
所述步骤(3)进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，具体为：
(3.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(3.2)将步骤(3.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率、网格参数以及场强监测区域，进行发射天线在设备处辐射电场场的仿真计算，获得电场强度；
(3.3)根据获取的电场强度，对发射天线与设备间的干扰指示进行估算；
(3.4)根据估算得到的干扰指示，优化设备的初步布局。
所述步骤(3.3)根据获取的电场强度，对发射天线与设备间的干扰指示进行估算，具体为：
SMte＝Se-Et；
其中，Se为设备的电场辐射敏感度阈值；Et为发射天线在设备处产生的电场强度；SMte为发射天线和设备间的干扰指示。
所述步骤(4)进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，具体为：
(4.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(4.2)将设备的电磁辐射源模型以及步骤(4.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率和网格参数，进行设备在接收天线端口处的耦合功率仿真计算，获得接收天线端口处的耦合功率；
(4.3)根据获取的耦合功率，对设备和接收天线间的干扰指示进行估算；
(4.4)根据估算得到的干扰指示，优化得到设备的最终布局。
所述步骤(4.3)根据获取的耦合功率，对设备和接收天线间的干扰指示进行估算，具体为：
SMer＝Pr-Pe；
其中，Pr为接收天线所连接收机的灵敏度；Pe为设备电磁辐射在接收天线端口处的耦合功率；SMer为设备和接收天线间的干扰指示。
所述步骤(4.3)根据获取的耦合功率，对设备和接收天线间的干扰指示进行估算，约束条件为：来自卫星自身电磁辐射环境的、敏感接收设备位置处的电磁杂波信号满足幅值低于敏感度阈值的要求。
一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法系统，包括：
布局获取模块：用于获得卫星设备现有布局；
天线间耦合分析模块：用于进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局；
发射天线和设备耦合分析模块：用于进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，得到发射天线对设备的电磁辐射影响，进而确定设备的初步布局；
设备与接收天线间耦合分析模块：用于进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，得到设备对接收天线的电磁辐射影响，进而确定设备的最终布局。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在卫星设备布局的考虑因素中引入电磁兼容因素，在优化布局设计过程中，以约束条件、分析计算方法为支撑，从而达到依托设备布局减少电子设备间电磁干扰的目的。
(2)本发明的方法可以将卫星系统电磁兼容性在设计阶段即进行考虑和设计，可以增加卫星电磁兼容性设计的有效性，避免传统的在卫星研制的后期才针对电磁兼容性问题进行整改所导致的措施不足和费效比高的问题。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2为本发明实施例设备布局示意图。
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，本发明提出了一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法，步骤如下：
(1)获得卫星设备现有布局，主要为卫星结构布局设计模型；
(2)进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局；
具体为：
(2.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(2.2)将步骤(2.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率以及网格参数，进行天线间空间隔离度的仿真计算，获得空间隔离度；
(2.3)根据获取的空间隔离度，对天线间的干扰指示进行估算；
约束条件为：来自卫星自身电磁辐射环境的、敏感接收设备位置处的电磁杂波信号满足幅值低于敏感度阈值的要求。
具体估算为：
SMtr＝PR-[PT-Lt1-Lt2-Ltr-Lr1-Lr2]；
其中，Lt1为所计算的发射谱相对主谱的衰减值；Lt2为发射系统馈线损耗；Ltr为收发天线间的空间隔离度；Lr1为接收机天线到接收机输入端口间的馈线损耗；Lr2为所计算的接收频率相对于正常信号接收通带的衰减值；PR(f)为在频率f处的接收天线所连接收机的灵敏度；PT(f)为在频率f处的发射天线所连发射机的发射功率；SMtr为发射天线和接收天线间的干扰指示。
(2.4)根据估算得到的干扰指示，优化发射天线和接收天线的布局。
(3)进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，得到发射天线对设备的电磁辐射影响，进而确定设备的初步布局；
具体为：
(3.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(3.2)将步骤(3.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率、网格参数以及场强监测区域，进行发射天线在设备处辐射电场场的仿真计算，获得电场强度；
(3.3)根据获取的电场强度，对发射天线与设备间的干扰指示进行估算；
具体为：
SMte＝Se-Et；
其中，Se为设备的电场辐射敏感度强度；Et为发射天线在设备处产生的电场强度；SMte为发射天线和设备间的干扰指示。
(3.4)根据估算得到的干扰指示，优化设备的初步布局。
(4)进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，得到设备对接收天线的电磁辐射影响，进而确定设备的最终布局。
具体为：
(4.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(4.2)将设备的电磁辐射源模型以及步骤(4.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率和网格参数，进行设备在接收天线端口处的耦合功率仿真计算，获得接收天线端口处的耦合功率；
(4.3)根据获取的耦合功率，对设备和接收天线间的干扰指示进行估算；约束条件为：来自卫星自身电磁辐射环境的、敏感接收设备位置处的电磁杂波信号满足幅值低于敏感度阈值的要求。
估算具体为：
SMer＝Pr-Pe；
其中，Pr为接收天线所连接收机的灵敏度；Pe为设备电磁辐射在接收天线端口处的耦合功率；SMer为设备和接收天线间的干扰指示。
(4.4)根据估算得到的干扰指示，优化得到设备的最终布局。
基于上述布局方法，本发明还提出了一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局系统，包括：
布局获取模块：用于获得卫星设备现有布局；
天线间耦合分析模块：用于进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局；
发射天线和设备耦合分析模块：用于进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，得到发射天线对设备的电磁辐射影响，进而确定设备的初步布局；
设备与接收天线间耦合分析模块：用于进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，得到设备对接收天线的电磁辐射影响，进而确定设备的最终布局。
实施例
某遥感卫星在卫星进行初步布局设计后，要求确定卫星上的一副载荷发射天线和一副载荷接收天线的布局，以及卫星上一台控制设备的布局是否满足电磁兼容性要求。
首先进行载荷发射天线和载荷接收天线之间布局分析。分析得到两幅天线之间的隔离度为51dB，进一步得到发射天线和接收天线之间干扰指示为67dB，满足要求。因此载荷发射天线和接收天线的布局合理。
然后分析发射天线在卫星上该控制设备处产生的电场强度为60V/m，该设备的电场辐射敏感度阈值为40V/m，载荷发射天线与该控制设备之间的干扰指示为-20<0，不满足要求，需要对该控制设备的布局进行调整。
分析载荷发射天线在该控制设备附近产生的电场强度，且保证载荷发射天线与该控制设备之间的干扰指示大于0，确定有两个位置可以作为该控制设备的初步布局。
位置 x/mm y/mm z/mm 干扰指示
1 130 3800 -900 15
2 790 3700 -900 26
根据初步确定的两个位置，分析与载荷接收天线的电磁耦合，得到两个初步位置在载荷接收天线端口产生的功率分别为-80dBm和-93dBm。载荷接收天线所连接收机灵敏度为-85dBm，因此干扰指示分别为-5和8，位置2的干扰指示满足要求，因此确定该控制设备在星上的布局为位置2，如图2所示。
本发明在卫星设备布局的考虑因素中引入电磁兼容因素，增加了卫星电磁兼容性设计的有效性，避免传统的在卫星研制的后期才针对电磁兼容性问题进行整改所导致的措施不足和费效比高的问题。
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 (4)

1.一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法，其特征在于步骤如下：
(1)获得卫星设备现有布局；
(2)进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局；
具体为：
(2.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(2.2)将步骤(2.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率以及网格参数，进行天线间空间隔离度的仿真计算，获得空间隔离度；
(2.3)根据获取的空间隔离度，对天线间的干扰指示进行估算；
具体为：
SMtr＝PR-[PT-Lt1-Lt2-Ltr-Lr1-Lr2]；
其中，Lt1为所计算的发射谱相对主谱的衰减值；Lt2为发射系统馈线损耗；Ltr为收发天线间的空间隔离度；Lr1为接收机天线到接收机输入端口间的馈线损耗；Lr2为所计算的接收频率相对于正常信号接收通带的衰减值；PR(f)为在频率f处的接收天线所连接收机的灵敏度；PT(f)为在频率f处的发射天线所连发射机的发射功率；SMtr为发射天线和接收天线间的干扰指示；
(2.4)根据估算得到的干扰指示，优化发射天线和接收天线的布局；
(3)进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，得到发射天线对设备的电磁辐射影响，进而确定设备的初步布局；
具体为：
(3.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(3.2)将步骤(3.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率、网格参数以及场强监测区域，进行发射天线在设备处辐射电场的仿真计算，获得电场强度；
(3.3)根据获取的电场强度，对发射天线与设备间的干扰指示进行估算；
具体为：
SMte＝Se-Et；
其中，Se为设备的电场辐射敏感度阈值；Et为发射天线在设备处产生的电场强度；SMte为发射天线和设备间的干扰指示；
(3.4)根据估算得到的干扰指示，优化设备的初步布局；
(4)进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，得到设备对接收天线的电磁辐射影响，进而确定设备的最终布局；
具体为：
(4.1)根据天线模型的输入条件对天线模型建模仿真，获得空间隔离度计算所需的模型和参数；
(4.2)将设备的电磁辐射源模型以及步骤(4.1)中获得的模型放入卫星模型中，设置端口、频率和网格参数，进行设备在接收天线端口处的耦合功率仿真计算，获得接收天线端口处的耦合功率；
(4.3)根据获取的耦合功率，对设备和接收天线间的干扰指示进行估算；
具体为：
SMer＝Pr-Pe；
其中，Pr为接收天线所连接收机的灵敏度；Pe为设备电磁辐射在接收天线端口处的耦合功率；SMer为设备和接收天线间的干扰指示；
(4.4)根据估算得到的干扰指示，优化得到设备的最终布局。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法，其特征在于：所述步骤(2.3)对天线间的干扰指示进行估算的约束条件为：来自卫星自身电磁辐射环境的、敏感接收设备位置处的电磁杂波信号满足幅值低于敏感度阈值的要求。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁辐射环境的卫星设备布局方法，其特征在于：所述步骤(4.3)根据获取的耦合功率，对设备和接收天线间的干扰指示进行估算，约束条件为：来自卫星自身电磁辐射环境的、敏感接收设备位置处的电磁杂波信号满足幅值低于敏感度阈值的要求。
4.一种基于权利要求1所述卫星设备布局方法实现的卫星设备布局系统，其特征在于包括：
布局获取模块：用于获得卫星设备现有布局；
天线间耦合分析模块：用于进行天线间的电磁耦合分析，确定发射天线和接收天线的布局；
发射天线和设备耦合分析模块：用于进行发射天线和设备之间的电磁耦合分析，得到发射天线对设备的电磁辐射影响，进而确定设备的初步布局；
设备与接收天线间耦合分析模块：用于进行设备与接收天线之间的电磁耦合分析，得到设备对接收天线的电磁辐射影响，进而确定设备的最终布局。
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