CN112395683A - 一种sar载荷卫星辐射模型星设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法，包括SAR载荷大反射面天线影响评估，卫星本体模型设计，平面近场测试模型设计，球面近场对地面测试模型设计，球面近场对天面测试模型设计和辐射模型星测试状态设计，通过本发明的设计方法能够提供一种针对卫星射频系统天线性能和天线间兼容性验证的卫星模型。

Description

一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法

技术领域

本发明属于卫星辐射模型星的技术领域，具体涉及一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法。

背景技术

对于微波载荷卫星来说，卫星系统的射频系统往往比较复杂。而由于系统的复杂性，卫星要在相对狭小的空间上设计安装数量较多、类型多样的天线。平台和载荷的微波天线布局直接影响卫星射频系统的工作性能指标。因此，各类天线装星后的性能指标偏离情况，以及各类天线安装于同一平台后是否能兼容性工作，均需要在卫星设计初期进行有效的评估。

对于高轨SAR载荷卫星而言，为实现卫星工作目标，一方面，载荷功率和灵敏度均比其它卫星要高很多，工作模式复杂，载荷天线与平台天线的兼容性需要进行充分的验证评估；另一方面，载荷天线尺寸往往非常大，传统的直接验证的方法无法设置满足要求的试验条件，必须研究等效验证技术；再者，为实现载荷的成像功能，卫星要设计更为复杂的测控、数传和导航定位系统，这些系统天线的性能也需要准确评估。

卫星射频系统天线性能的验证关系到卫星的系统方案和布局设计，因此需要提前开展方案验证，而前期往往没有一个完整的卫星模型开展验证，而在卫星研制的后期开展该类验证则会发生工作滞后可能影响卫星系统方案的风险。因此需要设计一个可以对卫星射频系统天线性能进行验证的卫星辐射模型星。从费效比和需求方面而言，辐射模型星不能完全与实际卫星的结构、天线及射频系统完全一致，因此需要在实际卫星的方案上进行简化和优化设计成为辐射模型星，目前尚没有辐射模型星的设计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法，能够提供一种针对卫星射频系统天线性能和天线间兼容性验证的卫星模型。

实现本发明的技术方案如下：

一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法，包括以下步骤：

步骤一、SAR载荷反射面天线影响评估；

101、确定卫星射频发射系统频率和射频接收系统频率；

102、以SAR载荷为发射系统，进行频率分析，如果SAR载荷的基波干扰、谐波干扰、互调干扰、本振干扰、镜频干扰和组合干扰频率与卫星射频接收系统频率重合，则确定与SAR载荷发射存在频率干扰的接收天线和频率；

103、以SAR载荷为接收系统，进行频率分析，如果卫星射频发射系统的基波干扰、谐波干扰、互调干扰、本振干扰、镜频干扰和组合干扰频率与SAR载荷接收系统频率重合，则确定与SAR载荷接收存在频率干扰的发射天线和频率；

104、建立卫星三维结构仿真模型，卫星模型包括舱外的所有结构，不包括舱内的结构和太阳翼，卫星模型材料设置为金属铝；

105、对SAR载荷大反射面天线的尺寸进行缩比，并且保证大反射面天线物理尺寸缩小N倍，其与卫星的距离在结构方向上同比缩小N倍；

106、按照步骤102和步骤103分析得到的干扰天线对和频率，进行SAR载荷天线与存在频率兼容性的天线隔离度分析；

107、取消SAR载荷反射面天线，仅保留SAR载荷天线馈源，重复步骤106；

108、对比两次隔离度分析结果，如果两次隔离度分析结果在容限之内，则SAR载荷反射面天线不会影响卫星其它天线，在辐射模型星设计时不必增加反射面天线，否则需要调整卫星天线布局方案，重复步骤104～步骤107保证反射面天线对卫星其它天线影响在3dB之内；

步骤二、针对步骤一确定的卫星布局设计方案，进行卫星的辐射模型星本体设计；

201、设计所要在辐射模型星测试阶段开展测试的天线；如果同类天线在实际卫星上只有一幅，则辐射模型星上的该天线要与星上实际天线保持一致；如果同类天线在实际卫星上有多幅，则其中一幅要与星上实际天线保持一致，其它天线采用金属铝设计为外形结构尺寸相同的结构件；在SAR载荷卫星上，天线包括：SAR载荷馈源阵、对地面测控天线、卫星对地面GNSS天线、卫星对地面Ka测控天线、卫星对地面数传天线、卫星对天面测控天线；

202、设计将卫星天线安装到星上的结构，并且保证天线可拆卸；

步骤三、在步骤二的基础上进行平面近场测试模型设计；

301、将卫星本体翻转，保证SAR载荷天线馈源和数传天线与平面近场扫描探头的扫描方向一致；

302、在卫星舱板结构上安装SAR载荷天线馈源和数传天线；

303、在步骤301中翻转后的卫星本体上，朝向地面一侧设计辐射模型星支架，保证辐射模型星与平面近场扫描探头中心高度平齐；支架结构不与辐射模型星本体干涉；

步骤四、在步骤二的基础上进行球面近场对地面测试模型设计；

401、将卫星本体翻转，保证对地面天线朝向球面近场扫描探头；

402、以缩比方法设计太阳翼，太阳翼物理尺寸相对实际卫星太阳翼尺寸缩小N倍，其与卫星的距离在结构方向上同比缩小N倍；

403、在卫星舱板结构上安装对地面天线和缩比太阳翼；

404、在步骤401中翻转后的卫星本体上，对地面一侧设计辐射模型星支架，保证辐射模型星与球面近场扫描探头中心高度平齐；

步骤五、在步骤四基础上进行球面近场对天面测试模型设计；

501、将卫星本体翻转180°，保证对天面天线朝向球面近场扫描探头；

502、从辐射模型星上拆卸对地面天线；

503、在卫星舱板结构上安装对地面天线；

步骤六、对于所设计的辐射模型星，单天线或单状态的天线直接针对对应天线进行测试；组阵天线或多状态的天线辐射特性，在不同状态进行测试，然后进行合成。

进一步地，步骤六中，组阵天线或多状态的天线辐射特性的测试具体为：

1、测试不同状态的天线辐射性能；

2、设计同类、不同位置的天线，将天线与结构件互换位置后，测试天线辐射性能；

3、对不同状态天线辐射性能进行矢量叠加；

其中：

为合成后的辐射性能；

为第i个状态在θ和φ方向的辐射性能；θ为俯仰角；φ为方位角；i为状态。

有益效果：

第一、本发明提供了一种在卫星验资前期开展天线性能验证的模型，不需要设计完整的卫星系统模型即可开展天线性能测试评估，便于卫星天线性能验证工作提前开展。

第二、本发明设计了针对高轨SAR载荷卫星必要的射频系统天线，可对各类天线性能和天线间的兼容性进行充分验证。

第三、本发明在太阳翼的影响的设计中采用了缩比设计，降低了模型的尺寸，减小了模型的设计成本和对实验环境的需求。

第四、本发明采用半物理验证技术对SAR载荷大型反射面天线的影响进行评估，减小了卫星模型的尺寸，降低了对测试场地环境的需求程度。

第五、本发明设计了针对测控天线的组阵辐射性能验证方法，通过分解测试和数据合成得到测控天线组阵后的辐射性能，不需要同时开展测试所需的复杂的测试系统。

附图说明

图1是本发明辐射模型星设计流程示意图。

图2是本发明示例载荷天线带反射面与GNSS天线的隔离度分析结果。

图3是本发明示例载荷天线不带反射面与GNSS天线的隔离度分析结果。

图4是本发明对地面天线布局。

图5是本发明平面近场测试模型。

图6是本发明球面近场对地面测试模型。

图7是本发明球面近场对天面测试模型。

图8是本发明测控天线组阵辐射性能。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法，本发明SAR载荷卫星辐射模型星的设计内容和过程如图1所示，包括SAR载荷大反射面天线影响评估，卫星本体模型设计，平面近场测试模型设计，球面近场对地面测试模型设计，球面近场对天面测试模型设计和辐射模型星测试状态设计。

步骤一、SAR载荷反射面天线影响评估。由于SAR载荷反射面天线尺寸较大，地面试验过程中很难有足够的空间承载SAR载荷反射面，同时大型反射面天线加工费用过高。因此，在辐射模型星设计时，首先要对大反射面天线对卫星其它天线的影响，通过仿真的方式进行评估。实现在辐射模型星设计时，可以在不设计大反射面天线的条件下不影响辐射模型星的测试结论。

对SAR载荷大型反射面天线对卫星的影响进行评估。具体步骤为：

①卫星射频系统包括L频段SAR载荷、L频段GNSS、S频段测控、Ka

频段测控和Ka频段数传。确定卫星射频系统的频率。

②以SAR载荷为发射系统，S频段测控发射、Ka频段测控发射、Ka频段数传为发射系统，L频段GNSS、S频段测控接收、Ka频段测控接收为接收系统，进行频率分析；

③以SAR载荷为接收系统，S频段测控发射、Ka频段测控发射、Ka频段数传为发射系统，L频段GNSS、S频段测控接收、Ka频段测控接收为接收系统，进行频率分析；

④对卫星射频系统进行频率分析项目包括：基波干扰分析、谐波干扰分析、互调干扰分析、本振干扰分析、镜频干扰分析和组合干扰分析，其中的谐波干扰分析、互调干扰分析、本振干扰分析、镜频干扰分析和组合干扰分析阶数为10阶。通过频率分析发现，SAR载荷和GNSS存在频率干扰风险。

⑤建立卫星三维结构仿真模型，卫星模型包括舱外的各类结构，不考虑舱内的结构和太阳翼。卫星模型材料设置为金属铝。

⑥SAR载荷大反射面天线的尺寸进行0.3:1缩减，与卫星的距离进行0.3:1缩进；

⑦对SAR载荷天线和GNSS天线进行隔离度分析，如图2所示；

⑧取消SAR载荷大反射面天线，仅保留馈源，分析SAR载荷天线馈源和GNSS天线的隔离度，如图3所示；

⑨对比两次隔离度分析结果，仅存在小的波动，其幅值基本相当，因此在辐射模型星设计时不必增加反射面天线。

步骤二、辐射模型星本体设计

针对步骤一确定的布局设计方案，进行卫星的辐射模型本体设计，具体包括：

①卫星舱体结构设计。采用金属铝设计卫星结构舱体。卫星结构舱体只保留实际卫星舱外结构，如图4所示的喷口及支架模拟件和地敏模拟件。不考虑卫星舱内的结构设计和舱板上的孔缝及穿舱线缆、波导和管路。

②卫星天线设计。设计所要在RM星测试阶段开展测试的天线。如果同类天线在实际卫星上只有一幅，则辐射模型星上的该天线要与星上实际天线保持一致。如果同类天线在实际卫星上有多幅，则其中一幅要与星上实际天线保持一致，其它天线采用金属铝设计为外形结构尺寸相同的结构件。在SAR载荷卫星上，天线主要包括：

a)SAR载荷馈源阵，1组；

b)对地面测控天线，2副，其中1副为结构件；

c)卫星对地面GNSS天线，2副，其中1副为结构件；

d)卫星对地面Ka测控天线，2副，其中1副为结构件；

e)卫星对地面数传天线，2副，其中1副为结构件；

f)卫星对天面测控天线，2副，其中1副为结构件。

对地面天线如图4所示。

③安装结构设计。设计将卫星天线安装到星上的结构，并且保证天线可拆卸。

步骤三、平面近场测试模型设计

平面近场主要进行载荷天线和数传天线等窄波束天线性能测试，故在步骤二的基础上进行平面近场测试模型设计，如图5所示，主要包括：

①将卫星本体翻转90°，保证SAR载荷天线馈源和数传天线与平面近场扫描探头扫描的方向一致；

②在卫星舱板结构上安装SAR载荷天线馈源和数传天线；

③在步骤①中翻转后的卫星本体上，朝向地面一侧设计辐射模型星支架，支架高度3000mm，采用锥形结构，保证辐射模型星与平面近场扫描探头中心高度平齐。支架结构不与辐射模型星本体干涉。

步骤四、球面近场对地面测试模型设计

球面近场对地面测试模型主要用于对地面测控天线、Ka测控天线和GNSS天线等宽波束天线的测试，在步骤二的基础上进行设计，如图6所示主要包括：

①将卫星本体翻转180°，保证对地面天线朝向球面近场扫描探头；

②以缩比方法设计太阳翼，以0.3:1缩比设计增加卫星太阳翼，长度为2275mm，宽度为700mm，与对地面夹角37°；

③在卫星舱板结构上安装对地面天线和缩比太阳翼；

④在步骤①中翻转后的卫星本体上，对地面一侧设计辐射模型星支架，保证辐射模型星与球面近场扫描探头中心高度平齐。支架高度1200mm，支架采用桁架结构。

步骤五、球面近场对天面测试模型设计

球面近场对天面模型主要用于对天面测控天线的测试，在步骤四基础上进行改进设计，如图7所示，主要包括：

①在步骤四的基础上，将卫星本体翻转180°，保证对天面天线朝向球面近场扫描探头；

②从辐射模型星上拆卸对地面天线；

③在卫星舱板结构上安装对地面天线。

步骤六、组阵天线辐射性能测试状态设计

针对所设计的辐射模型星，对于单天线或单状态的天线，可直接针对对应天线进行测试。对于组阵天线或多状态的天线辐射特性，可在不同状态进行测试，然后进行合成。例如，要对测控天线的对地面天线和对天面天线组阵性能进行测试，主要过程包括：

①采用对地面模型测试1副测控天线对地面辐射性能

②将对地面测控天线与结构件互换位置后，测试辐射性能

③采用对天面模型测试1副测控天线的对天面辐射性能

④将对天面测控天线与结构件互换位置后，测试辐射性能

⑤将对地面天线辐射性能和对天面天线辐射性能进行矢量叠加：

得到测控天线组阵后的辐射性能。其中：

为合成后的辐射性能；

为第i副对地面天线辐射性能；

为第i副对天面天线辐射性能；θ为俯仰角；φ为方位角。如图8所示，为测控天线组阵后一个切面的方向图。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、SAR载荷反射面天线影响评估；

101、确定卫星射频发射系统频率和射频接收系统频率；

102、以SAR载荷为发射系统，进行频率分析，如果SAR载荷的基波干扰、谐波干扰、互调干扰、本振干扰、镜频干扰和组合干扰频率与卫星射频接收系统频率重合，则确定与SAR载荷发射存在频率干扰的接收天线和频率；

103、以SAR载荷为接收系统，进行频率分析，如果卫星射频发射系统的基波干扰、谐波干扰、互调干扰、本振干扰、镜频干扰和组合干扰频率与SAR载荷接收系统频率重合，则确定与SAR载荷接收存在频率干扰的发射天线和频率；

104、建立卫星三维结构仿真模型，卫星模型包括舱外的所有结构，不包括舱内的结构和太阳翼，卫星模型材料设置为金属铝；

105、对SAR载荷大反射面天线的尺寸进行缩比，并且保证大反射面天线物理尺寸缩小N倍，其与卫星的距离在结构方向上同比缩小N倍；

106、按照步骤102和步骤103分析得到的干扰天线对和频率，进行SAR载荷天线与存在频率兼容性的天线隔离度分析；

107、取消SAR载荷反射面天线，仅保留SAR载荷天线馈源，重复步骤106；

108、对比两次隔离度分析结果，如果两次隔离度分析结果在容限之内，则SAR载荷反射面天线不会影响卫星其它天线，在辐射模型星设计时不必增加反射面天线，否则需要调整卫星天线布局方案，重复步骤104～步骤107保证反射面天线对卫星其它天线影响在3dB之内；

步骤二、针对步骤一确定的卫星布局设计方案，进行卫星的辐射模型星本体设计；

201、设计所要在辐射模型星测试阶段开展测试的天线；如果同类天线在实际卫星上只有一幅，则辐射模型星上的该天线要与星上实际天线保持一致；如果同类天线在实际卫星上有多幅，则其中一幅要与星上实际天线保持一致，其它天线采用金属铝设计为外形结构尺寸相同的结构件；在SAR载荷卫星上，天线包括：SAR载荷馈源阵、对地面测控天线、卫星对地面GNSS天线、卫星对地面Ka测控天线、卫星对地面数传天线、卫星对天面测控天线；

202、设计将卫星天线安装到星上的结构，并且保证天线可拆卸；

步骤三、在步骤二的基础上进行平面近场测试模型设计；

301、将卫星本体翻转，保证SAR载荷天线馈源和数传天线与平面近场扫描探头的扫描方向一致；

302、在卫星舱板结构上安装SAR载荷天线馈源和数传天线；

303、在步骤301中翻转后的卫星本体上，朝向地面一侧设计辐射模型星支架，保证辐射模型星与平面近场扫描探头中心高度平齐；支架结构不与辐射模型星本体干涉；

步骤四、在步骤二的基础上进行球面近场对地面测试模型设计；

401、将卫星本体翻转，保证对地面天线朝向球面近场扫描探头；

402、以缩比方法设计太阳翼，太阳翼物理尺寸相对实际卫星太阳翼尺寸缩小N倍，其与卫星的距离在结构方向上同比缩小N倍；

403、在卫星舱板结构上安装对地面天线和缩比太阳翼；

404、在步骤401中翻转后的卫星本体上，对地面一侧设计辐射模型星支架，保证辐射模型星与球面近场扫描探头中心高度平齐；

步骤五、在步骤四基础上进行球面近场对天面测试模型设计；

501、将卫星本体翻转180°，保证对天面天线朝向球面近场扫描探头；

502、从辐射模型星上拆卸对地面天线；

503、在卫星舱板结构上安装对地面天线；

步骤六、对于所设计的辐射模型星，单天线或单状态的天线直接针对对应天线进行测试；组阵天线或多状态的天线辐射特性，在不同状态进行测试，然后进行合成。

2.如权利要求1所述的一种SAR载荷卫星辐射模型星设计方法，其特征在于，步骤六中，组阵天线或多状态的天线辐射特性的测试具体为：

1、测试不同状态的天线辐射性能；

2、设计同类、不同位置的天线，将天线与结构件互换位置后，测试天线辐射性能；

3、对不同状态天线辐射性能进行矢量叠加；

其中：

为合成后的辐射性能；

为第i个状态在θ和φ方向的辐射性能；θ为俯仰角；φ为方位角；i为状态。

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