CN109142888B - 一种卫星电磁泄漏定位方法及系统 - Google Patents

一种卫星电磁泄漏定位方法及系统 Download PDF

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CN109142888B CN201811112559.8A CN201811112559A CN109142888B CN 109142888 B CN109142888 B CN 109142888B CN 201811112559 A CN201811112559 A CN 201811112559A CN 109142888 B CN109142888 B CN 109142888B
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Abstract

一种卫星电磁泄漏定位方法及系统，步骤为：(1)对矢量网络分析仪进行校准，测量射频电缆的差损特性；(2)建立测试系统链路；(3)将矢量网络分析仪两端口的测量数据，差损特性数据导入控制计算机，将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据；(4)基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据；(5)令星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性；(6)确定偶极子个数；(7)确定偶极子个数后求解系数M；(8)基于偶极子个数和系数M，求得星表的任意位置的磁场分布；(9)通过星表磁场分布即可得到星表电磁干扰泄漏的位置和强度。

Description

一种卫星电磁泄漏定位方法及系统
技术领域
本发明涉及一种卫星电磁泄漏定位方法及系统，属于卫星电磁兼容性技术领域。
背景技术
目前卫星星地和星间通信的主要方式是通过微波实现，因此各类微波天线便成为卫星的一种主要配置系统。卫星在设计研制过程中，要进行电磁兼容性试验验证。卫星在进行系统级电磁兼容性分析和设计过程中，一项重要的内容是要保证卫星其它电子设备不要在卫星天线的工作频带内产生电磁干扰。相应的，在卫星系统级电磁兼容性试验过程中，需要对卫星其它电子设备在天线工作频带内产生的电磁干扰进行测试。
在测试过程中，如果发现在卫星天线工作频带内存在电磁干扰，目前主要采用的方法是采用将星上设备逐个断电的方式进行电磁干扰定位，在此基础上再进一步考虑改进措施。这种方法主要存在两方面的问题：其一是当将星上某台设备关机后，对于其它设备而言阻抗和通路特性发生变化，不能反映当前状态设备在卫星天线工作频段产生干扰的真实状态；另一方面，此种方式即使定位到产生干扰的设备，在整星层面，尤其是正样星阶段，能采取的措施也很少，很难对产生干扰的设备进行较大的处理。
从电磁兼容性三要素出发，敏感设备为安装在卫星舱外的天线；干扰源为安装在卫星舱内的各类电子设备；干扰源产生的电磁辐射干扰要对敏感设备造成干扰必然会经过卫星舱板，在舱内设备和舱外天线安装确定的情况下，干扰路径的主要部分为卫星舱板。为解决电磁干扰，可将干扰路径进行处理，即将电磁干扰在卫星舱板上的电磁泄漏进行定位和处理，以代替对电磁干扰源的定位和处理，实现对电磁干扰问题的解决。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星电磁泄漏定位方法及系统，以电磁干扰在卫星舱板上的电磁泄漏点作为定位对象，代替电磁干扰产生的设备的定位。提高了卫星上电子设备对天线工作频带干扰定位的准确性，同时提高了电磁干扰问题解决的可实施性，实现对卫星舱板电磁干扰泄漏位置和强度的确定。
本发明的技术解决方案是：
一种卫星电磁泄漏定位方法，步骤如下：
(1)对矢量网络分析仪进行校准，并通过矢量网络分析仪测量射频电缆的差损特性；
(2)建立测试系统链路；
(3)将矢量网络分析仪两端口的测量数据，电缆的差损特性数据导入到控制计算机中，将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据；
(4)基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据；
(5)令星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性；
(6)进行偶极子个数优化，建立优化函数，采用赤池信息准则确定偶极子个数；
(7)确定偶极子个数后，求解得到系数M；
(8)基于步骤(6)确定的偶极子个数和步骤(7)确定的系数M，求得星表的任意位置的磁场分布；
(9)通过星表磁场分布即可得到星表电磁干扰泄漏的位置和强度。
该定位方法基于电磁泄漏测试平台实现，所述电磁泄漏测试平台包括控制计算机、矢量网络分析仪、两副近场磁场探头和两根射频测试电缆；矢量网络分析仪用于电磁干扰信息的采集，近场磁场探头用于测量电磁辐射，测试数据导出到控制计算机中进行数据处理，射频测试电缆用于设备之间的连接。
建立测试系统链路，具体是指：
矢量网络分析仪一端接一副近场磁场探头，该近场磁场探头垂直于星表，且置于所测卫星表面一角，作为参考通路；矢量网络分析仪另一端接另一幅近场磁场探头，在星表按照预设步进量进行卫星电磁辐射泄漏的测量。
预设步进量为10cm。
所述步骤(3)做电缆差损特性补偿，具体为：将两端口的测量数据分别与对应的电缆差损特性进行矢量叠加。
所述步骤(4)基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据，具体为：
Figure BDA0001809513490000031
其中，H为卫星电磁辐射特性磁场数据，PdBm为卫星电磁辐射特性测量功率数据，AFdB为测量近场探头的天线系数。
所述步骤(5)确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性，通过下式实现：
Figure BDA0001809513490000032
其中，
Figure BDA0001809513490000033
f表示频率；μ0表示真空磁导率；ε0表示真空介电常数； r表示距离坐标原点的距离，坐标原点是指参考通路的探头所在位置；z表示距离星表垂直距离；n表示偶极子个数；
Figure BDA0001809513490000034
为磁场矢量；M为待求系数。
所述步骤(6)中优化函数为：
Figure BDA0001809513490000035
其中，
Figure BDA0001809513490000036
为最大似然函数；
Figure BDA0001809513490000037
为估计参数矢量；D为数据矩阵；R(k)为独立估计参数个数；S(H,k)为罚函数，表示为
Figure BDA0001809513490000038
k为当前个数。
一种卫星电磁泄漏定位方法及系统，包括：
校准模块：用于对矢量网络分析仪进行校准，并通过矢量网络分析仪测量射频电缆的差损特性；
链路建立模块：用于建立测试系统链路；
电磁辐射特性测量模块：用于将矢量网络分析仪两端口的测量数据，电缆的差损特性数据导入到控制计算机中，将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据；
磁场数据确定模块：用于基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据；
任意位置磁场辐射确定模块：令星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性；
偶极子个数确定模块：进行偶极子个数优化，建立优化函数，采用赤池信息准则确定偶极子个数；
系数M求解模块：确定偶极子个数后，求解得到系数M；
磁场分布确定模块：基于偶极子个数和系数M，求得星表的任意位置的磁场分布；
电磁干扰泄漏确定模块：通过磁场分布确定模块获得的星表磁场分布即可得到星表电磁干扰泄漏的位置和强度。
磁场数据确定模块，基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据，具体为：
Figure BDA0001809513490000041
其中，H为卫星电磁辐射特性磁场数据，PdBm为卫星电磁辐射特性测量功率数据，AFdB为测量近场探头的天线系数；
任意位置磁场辐射确定模块，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性，通过下式实现：
Figure BDA0001809513490000042
其中，
Figure BDA0001809513490000043
f表示频率；μ0表示真空磁导率；ε0表示真空介电常数； r表示距离坐标原点的距离，坐标原点是指参考通路的探头所在位置；z表示距离星表垂直距离；n表示偶极子个数；
Figure BDA0001809513490000051
为磁场矢量；M为待求系数；
优化函数为：
Figure BDA0001809513490000052
其中，
Figure BDA0001809513490000053
为最大似然函数；
Figure BDA0001809513490000054
为估计参数矢量；D为数据矩阵；R(k)为独立估计参数个数；S(H,k)为罚函数，表示为
Figure BDA0001809513490000055
k为当前个数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明可有助于解决卫星舱内电子设备对舱外天线工作频段的电磁辐射干扰问题，在电磁干扰定位过程中，以干扰路径定位代替干扰源定位，定位过程中不需要传统的电子设备逐步断电的方式，不改变卫星电子设备的实际工作状态，保证了电子设备产生电磁干扰的准确性，从而提高了定位的准确性。
(2)本发明定位出的电磁干扰路径，在改进过程中更好实施，克服了传统的电子设备定位方式中即使定位出干扰源也不便于整改的问题，为卫星电磁干扰问题的解决提供了更可实施的方式。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是定位示例图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明具体实施方式。
为了解决现有技术的不足，实现对卫星舱板电磁干扰泄漏位置和强度的确定，如图1所示，本发明提出了一种卫星电磁泄漏定位方法，该定位方法基于电磁泄漏测试平台实现，所述电磁泄漏测试平台包括控制计算机、矢量网络分析仪、两副近场磁场探头和两根射频测试电缆；矢量网络分析仪用于电磁干扰信息的采集，近场磁场探头用于测量电磁辐射，测试数据导出到控制计算机中进行数据处理，射频测试电缆用于设备之间的连接。
步骤如下：
(1)对矢量网络分析仪进行校准，并通过矢量网络分析仪测量射频电缆的差损特性；
(2)建立测试系统链路；矢量网络分析仪一端接一副近场磁场探头，该近场磁场探头垂直于星表，且置于所测卫星表面一角，作为参考通路；矢量网络分析仪另一端接另一幅近场磁场探头，在星表按照预设步进量进行卫星电磁辐射泄漏的测量。
(3)将矢量网络分析仪两端口的测量数据，电缆的差损特性数据导入到控制计算机中，将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据；
将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿具体为：将两端口的测量数据分别与对应的电缆差损特性进行矢量叠加。
(4)基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据，具体为：
Figure BDA0001809513490000061
其中，H为卫星电磁辐射特性磁场数据，PdBm为卫星电磁辐射特性测量功率数据，AFdB为测量近场探头的天线系数。
(5)令星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性；
通过下式实现：
Figure BDA0001809513490000062
其中，
Figure BDA0001809513490000063
f表示频率；μ0表示真空磁导率；ε0表示真空介电常数； r表示距离坐标原点的距离，坐标原点是指参考通路的探头所在位置；z表示距离星表垂直距离；n表示偶极子个数；
Figure BDA0001809513490000064
为磁场矢量；M为待求系数。
(6)由于部分偶极子对于电磁辐射的贡献较小，为了避免矩阵奇异，进行偶极子个数优化，建立优化函数，采用赤池信息准则确定偶极子个数；
优化函数为：
Figure BDA0001809513490000071
其中，
Figure BDA0001809513490000072
为最大似然函数；
Figure BDA0001809513490000073
为估计参数矢量；D为数据矩阵；R(k)为独立估计参数个数；S(H,k)为罚函数，表示为
Figure BDA0001809513490000074
k为当前个数。
(7)确定偶极子个数n后，通过步骤五建立参数求解矩阵(即代入步骤五公式中)，求解得到系数M；
(8)基于步骤(6)确定的偶极子个数和步骤(7)确定的系数M，代入到步骤五中的公式求的星表的磁场分布求得星表的任意位置的磁场分布；本发明的思路是，通过局部的计算，进而推算出任意位置的磁场分布。
(9)通过星表磁场分布即可得到星表电磁干扰泄漏的位置和强度。
基于上述定位方法，本发明还提出一种卫星电磁泄漏定位方法及系统，包括：
校准模块：用于对矢量网络分析仪进行校准，并通过矢量网络分析仪测量射频电缆的差损特性；
链路建立模块：用于建立测试系统链路；
电磁辐射特性测量模块：用于将矢量网络分析仪两端口的测量数据，电缆的差损特性数据导入到控制计算机中，将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据；
磁场数据确定模块：用于基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据；
任意位置磁场辐射确定模块：令星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性；
偶极子个数确定模块：进行偶极子个数优化，建立优化函数，采用赤池信息准则确定偶极子个数；
系数M求解模块：确定偶极子个数后，求解得到系数M；
磁场分布确定模块：基于偶极子个数和系数M，求得星表的任意位置的磁场分布；
电磁干扰泄漏确定模块：通过磁场分布确定模块获得的星表磁场分布即可得到星表电磁干扰泄漏的位置和强度
本发明给出实施例具体如下：
测试系统主要有一台控制计算机、一台矢量网络分析仪、两个近场磁场探头和两根射频测试电缆组成。矢量网络分析仪主要用于电磁干扰信息的采集。近场探头主要用于测量电磁辐射。测试数据导出到控制计算机中进行数据处理。
测试对象为一个1m立方的卫星结构，测量其一个平面在1GHz的电磁泄漏。
主要包括以下步骤：
步骤一、矢量网络分析仪进行校准，试验中采用两根射频电缆，采用矢量网络分析仪测量两根射频电缆的差损特性S21参数。
步骤二、建立测试系统链路，矢量网络分析仪一端接一副近场探头，该进场探头垂直于星表置于所测卫星表面左下角，作为参考通路。矢量网络分析仪另一端接另一幅近场探头，在星表按照10cm的步进进行卫星电磁辐射泄漏的测量。
步骤三、将两端口的测量数据，电缆的差损特性数据导入到控制计算机中。在控制计算机中，将两端口的测量数据分别对对应的电缆差损特性进行矢量叠加做补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据PdBm。
步骤四、基于测量近场探头的天线系数AFdB，由：
Figure BDA0001809513490000081
得到卫星电磁辐射特性磁场数据H。
步骤五、假设星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，则任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性为：
Figure BDA0001809513490000082
其中，
Figure BDA0001809513490000083
f表示频率；μ0表示真空磁导率；ε0表示真空介电常数； r表示距离坐标原点距离；z表示距离星表垂直距离；n表示偶极子个数；
Figure BDA0001809513490000084
为磁场矢量；M为待求系数。
初始定义偶极子个数为10×10个。采样距离星表垂直距离为5cm。
步骤六、由于部分偶极子对于电磁辐射的贡献较小，为了避免矩阵奇异，进行偶极子个数优化，建立优化函数：
Figure BDA0001809513490000091
其中，
Figure BDA0001809513490000092
为最大似然函数；
Figure BDA0001809513490000093
为估计参数矢量；D为数据矩阵；R(k)为独立估计参数个数；S(H,k)为罚函数，表示为
Figure BDA0001809513490000094
k为当前个数。
采用赤池信息准则确定偶极子个数。优化后，偶极子个数为28个。
步骤七、确定偶极子个数28个后，通过步骤五建立参数求解矩阵，求解得到 M。
步骤八、基于第六步确定的偶极子个数和第七步确定的系数M，带入到步骤五中的公式求的星表任意位置的磁场分布。
步骤九、通过任意位置磁场分布即可得到星表各个位置电磁干扰泄漏的位置和强度，如图2所示。
本发明实施例可有助于解决卫星舱内电子设备对舱外天线工作频段的电磁辐射干扰问题，在电磁干扰定位过程中，以干扰路径定位代替干扰源定位，定位过程中不需要传统的电子设备逐步断电的方式，不改变卫星电子设备的实际工作状态，保证了电子设备产生电磁干扰的准确性，从而提高了定位的准确性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种卫星电磁泄漏定位方法，其特征在于步骤如下：
(1)对矢量网络分析仪进行校准，并通过矢量网络分析仪测量射频电缆的差损特性；
(2)建立测试系统链路；
(3)将矢量网络分析仪两端口的测量数据，电缆的差损特性数据导入到控制计算机中，将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据；
(4)基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据；
具体为：
Figure FDA0002680724240000011
其中，H为卫星电磁辐射特性磁场数据，PdBm为卫星电磁辐射特性测量功率数据，AFdB为测量近场探头的天线系数；
(5)令星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性，通过下式实现：
Figure FDA0002680724240000012
其中，
Figure FDA0002680724240000013
f表示频率；μ0表示真空磁导率；ε0表示真空介电常数；r表示距离坐标原点的距离，坐标原点是指参考通路的探头所在位置；z表示距离星表垂直距离；n表示偶极子个数；
Figure FDA0002680724240000014
为磁场矢量；M为待求系数；
(6)进行偶极子个数优化，建立优化函数，采用赤池信息准则确定偶极子个数；
优化函数为：
Figure FDA0002680724240000015
其中，
Figure FDA0002680724240000016
为最大似然函数；
Figure FDA0002680724240000017
为估计参数矢量；D为数据矩阵；R(k)为独立估计参数个数；S(H,k)为罚函数，表示为
Figure FDA0002680724240000021
k为当前个数；
(7)确定偶极子个数后，求解得到系数M；
(8)基于步骤(6)确定的偶极子个数和步骤(7)确定的系数M，求得星表的任意位置的磁场分布；
(9)通过星表磁场分布即可得到星表电磁干扰泄漏的位置和强度。
2.根据权利要求1所述的一种卫星电磁泄漏定位方法，其特征在于：该定位方法基于电磁泄漏测试平台实现，所述电磁泄漏测试平台包括控制计算机、矢量网络分析仪、两副近场磁场探头和两根射频测试电缆；矢量网络分析仪用于电磁干扰信息的采集，近场磁场探头用于测量电磁辐射，测试数据导出到控制计算机中进行数据处理，射频测试电缆用于设备之间的连接。
3.根据权利要求2所述的一种卫星电磁泄漏定位方法，其特征在于：建立测试系统链路，具体是指：
矢量网络分析仪一端接一副近场磁场探头，该近场磁场探头垂直于星表，且置于所测卫星表面一角，作为参考通路；矢量网络分析仪另一端接另一幅近场磁场探头，在星表按照预设步进量进行卫星电磁辐射泄漏的测量。
4.根据权利要求3所述的一种卫星电磁泄漏定位方法，其特征在于：预设步进量为10cm。
5.根据权利要求1所述的一种卫星电磁泄漏定位方法，其特征在于：所述步骤(3)做电缆差损特性补偿，具体为：将两端口的测量数据分别与对应的电缆差损特性进行矢量叠加。
6.一种基于权利要求1所述卫星电磁泄漏定位方法实现的卫星电磁泄漏定位系统，其特征在于包括：
校准模块：用于对矢量网络分析仪进行校准，并通过矢量网络分析仪测量射频电缆的差损特性；
链路建立模块：用于建立测试系统链路；
电磁辐射特性测量模块：用于将矢量网络分析仪两端口的测量数据，电缆的差损特性数据导入到控制计算机中，将两端口的测量数据做电缆差损特性补偿后，得到卫星电磁辐射特性测量功率数据；
磁场数据确定模块：用于基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据；
任意位置磁场辐射确定模块：令星表的电磁辐射特性以磁偶极子进行等效代替，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性；
偶极子个数确定模块：进行偶极子个数优化，建立优化函数，采用赤池信息准则确定偶极子个数；
系数M求解模块：确定偶极子个数后，求解得到系数M；
磁场分布确定模块：基于偶极子个数和系数M，求得星表的任意位置的磁场分布；
电磁干扰泄漏确定模块：通过磁场分布确定模块获得的星表磁场分布即可得到星表电磁干扰泄漏的位置和强度。
7.根据权利要求6所述的卫星电磁泄漏定位系统，其特征在于：
磁场数据确定模块，基于测量近场探头的天线系数，得到卫星电磁辐射特性磁场数据，具体为：
Figure FDA0002680724240000031
其中，H为卫星电磁辐射特性磁场数据，PdBm为卫星电磁辐射特性测量功率数据，AFdB为测量近场探头的天线系数；
任意位置磁场辐射确定模块，确定任意位置的垂直于星表的磁场辐射特性，通过下式实现：
Figure FDA0002680724240000032
其中，
Figure FDA0002680724240000033
f表示频率；μ0表示真空磁导率；ε0表示真空介电常数；r表示距离坐标原点的距离，坐标原点是指参考通路的探头所在位置；z表示距离星表垂直距离；n表示偶极子个数；
Figure FDA0002680724240000034
为磁场矢量；M为待求系数；
优化函数为：
Figure FDA0002680724240000041
其中，
Figure FDA0002680724240000042
为最大似然函数；
Figure FDA0002680724240000043
为估计参数矢量；D为数据矩阵；R(k)为独立估计参数个数；S(H,k)为罚函数，表示为
Figure FDA0002680724240000044
k为当前个数。
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