一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证方法和系统与流程

本发明涉及一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证方法和系统，属于配置有电推进系统的卫星的电磁兼容试验技术领域。

背景技术：

电推进系统作为一种先进的卫星推进技术，具有高比冲、小推力的特点，能够有效提升航天器的承载能力和控制精度，已成为各航天强国先进航天器的标准配置。

电推进系统点火要求在真空环境和配置等离子体防护设备的条件下进行，而卫星电磁兼容性验证应在专业的电磁兼容性实验室进行。专业的电磁兼容性验证试验设备不能提供真空环境，因此不能够在电推进真实点火条件下直接测量配置电推进系统的卫星的电磁兼容性。为完成配置电推进系统的卫星的电磁兼容性验证，需要设计利用地面模拟设备间接测量的方案。

电推进应用卫星其电磁兼容性问题目前是一项全新的研究课题，由于电推进需要工作在真空环境，因此在评估电推进对整星电磁兼容影响时无法直接通过测量方式获得。目前仍无法积累在轨数据评估电推进工作对卫星的电磁兼容性影响，因此需要解决以上不足。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证方法和系统，能够解决电推进系统只能在真空环境中点火的需求与现有的卫星电磁兼容行试验环境不能提供真空环境之间的矛盾。本发明提出一种利用电磁辐射模拟器的整星电磁兼容性验证方法，适用于配置有电推进系统的卫星在地面进行电磁兼容试验的测试和评估方法，解决了卫星应用电推进技术的电磁兼容性评估难题。

本发明解决的技术方案为：一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证方法，其特征在于步骤如下：

(1)获得电推力器点火状态下的辐射发射参数；

(2)根据步骤(1)的辐射发射参数搭建电推进辐射发射模拟器，使电推进辐射发射模拟器具备在配置电推进系统的卫星工作全频段内模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力；

(3)在整星电磁兼容性实验室对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估

(4)通过探测过程中配置电推进系统的卫星的受扰情况，判断配置电推进系统的卫星的电磁兼容性，完成对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估。

步骤(1)获得电推力器点火状态下的辐射发射参数，步骤如下：

(1)将电推力器置于透波舱内，对透波舱内抽真空，真空度优于1×10^-3Pa；

(2)电推力器在真空环境下进行点火，电推力器点火要求保持稳定的供电和供气环境，

这样保证外界环境对试验结果干扰影响减小，将一个接收天线置于透波舱外，对准电推力器的背面，另一个接收天线置于透波舱外，指向垂直于电推力器的侧面；

(4)使用测量仪器测量两个接收天线分别接收的电推力器的辐射发射参数，测试得到辐射发射量级范围；

步骤(2)根据步骤(1)的辐射发射参数搭建电推进辐射发射模拟器，使电推进辐射发射模拟器具备在配置电推进系统的卫星工作全频段内模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力，步骤如下：

(1)电磁干扰接收机根据地面检测和控制设备获取的电推力器辐射发射参数，给预放器提供频率和场强的输入；

(2)预放器根据频率和场强利用天线对外发射电磁波，即模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力。

步骤(3)在整星电磁兼容性实验室对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估，步骤如下：

(1)将配置电推进系统的卫星置于整星电磁兼容性实验室内，卫星模拟在轨处于正常工作状态；

(2)在卫星水平方向采用电推进辐射发射模拟器根据电推力器的辐射发射参数量级，注入2倍于辐射发射参数最大值的辐射电磁干扰量级；

(3)在整星电磁兼容性实验室内距离配置电推进系统的卫星进一定距离远处架设场强探头，测量并确认在设定频段施加的场强；

(4)通过天线探测整星电磁兼容性实验室内的辐射发射特性，通过采集分析电磁波场强随频率的变化来确认卫星的受扰量级。

步骤(4)通过探测过程中配置电推进系统的卫星的受扰情况，判断配置电推进系统的卫星的电磁兼容性，完成对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估，步骤如下：

(1)在探测频带内设置干扰场强阈值，当步骤(3)天线探测的电磁波场强高于设置的干扰场强阈值时，判定配置电推进系统的卫星的电磁兼容性不合格；否则，判定配置电推进系统的卫星的电磁兼容性合格。

电推进辐射发射模拟器具备发射频率大于等于30MHz且小于40GHz范围内电磁波的辐射发射能力，其中大于等于30MHz且小于1GHz频段辐射发射模拟利用预放和周期对数天线实现，大于等于1GHz且小于18GHz频段辐射发射模拟利用预放和双脊喇叭天线实现，大于等于18GHz且小于26.5GHz频段辐射发射模拟利用预放和喇叭天线实现，大于等于26.5GHz且小于40GHz频段辐射发射模拟利用预放和喇叭天线实现。

电推进辐射发射模拟器对外输出电磁波的频率和场强均与电推进点火状态下的辐射发射参数保持一致，频率的场强参数通过电推进的辐射发射测试结果获得，且需在真空点火环境下进行测试。

在进行卫星辐射敏感度测试的时候，在距离电推进1m远处架设场强探头，卫星射频接收频带为测控接收频带时，在该测试频带内设置干扰场强阈值不应低于2V/m；通信涉及到的卫星射频接收频带为通信频带时，在该测试频带内设置干扰场强阈值不应低于4V/m；场强探头位于地敏位置处，整星加电过程最大场强阈值不应低于3V/m。

被测对象为配置电推进系统的卫星，包括：电推力器及其供电、供气系统；电推力器位于卫星的舱板外。

整星电磁兼容性实验室，是非密闭环境，具备屏蔽外界电磁干扰的能力，卫星的电磁兼容性试验为常温常压条件。

电推进辐射发射模拟器，包括：电磁干扰接收机、多个预放器、多个天线；还可以包括滤波器；

地面检测和控制设备获取点推力器的辐射发射参数；

电磁干扰接收机根据地面检测和控制设备获取的辐射发射参数，给预放器提供频率和场强的输入，预放器根据频率和场强利用天线对外发射电磁波。

一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证系统，包括：获取模块、搭建模块、测试和评估模块、判断模块；

获取模块获得电推力器点火状态下的辐射发射参数；

搭建模块根据步骤(1)的辐射发射参数搭建电推进辐射发射模拟器，使电推进辐射发射模拟器具备在配置电推进系统的卫星工作全频段内模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力；

测试和评估模块在整星电磁兼容性实验室对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估

判断模块通过探测过程中配置电推进系统的卫星的受扰情况，判断配置电推进系统的卫星的电磁兼容性，完成对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明解决了电推进系统只能在真空环境中点火的需求与现有的卫星电磁兼容性试验环境不能提供真空环境之间的矛盾，为配置电推进系统的卫星进行整星电磁兼容性的测试和评估提供了途径。

(2)本发明提供了225MHz～31GHz范围测试得到电推力器真空下工作的辐射发射量级在10～70dBμV/m范围，并依据此条件实现整星环境下的电磁兼容性评估。

(3)本发明提供了卫星电磁兼容判断准则，为卫星与电推力器电磁兼容提供了测试判读依据。

(4)本发明提供了评估电推进对卫星其他分系统兼容性测试的抗干扰阈值，在本发明规定的阈值下可以判断卫星其他设备工作过程不会受到电推进工作的影响。

附图说明

图1为本发明采用透波舱获取电推进点火状态下辐射发射参数的布局示意图；

图2为本发明电推力器电磁辐射发射模拟器工作示意图；

图3为本发明采用电推进辐射发射模拟器进行配置电推进系统的卫星电磁兼容性试验的布局示意图；

图4为本发明辐射发射模拟器实际输出频段和强度曲线图。

图5为本发明的流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明的一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证方法，首先在真空条件下，对配置完备的电推进系统单独进行电磁兼容性测试，获得在真实点火条件下电推进系统的辐射发射参数；其次搭建电推进电磁辐射发射模拟器，该模拟器能够产生与电推进系统真实点火条件下的辐射发射参数相同的电磁辐射发射；最终在整星电磁兼容性测试时，利用电推进辐射发射模拟器替代真空点火条件下的电推进辐射发射，完成配置电推进系统的卫星电磁兼容性的测试和评估。依据卫星加严频段的测试要求，进行了整星在电推进工作前后的电磁发射测试(Radiated emission test:RE102)，测试了电推力器正常工作的自身对卫星的辐射干扰强度范围，测试频段覆盖1GHz～31GHz频段，通过上述的三个阶段测试确认了电推进工作电磁辐射干扰量级在10～60dBμV/m范围，电推进工作过程的电磁辐射效应不会影响到整星通信载荷在L频段、C频段、Ku频段以及Ka频段的正常工作。

本发明的一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证方法，步骤如下：

(1)获得电推力器点火状态下的辐射发射参数；

(2)根据步骤(1)的辐射发射参数搭建电推进辐射发射模拟器，使电推进辐射发射模拟器具备在配置电推进系统的卫星工作全频段内模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力；

(3)在整星电磁兼容性实验室对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估

(4)通过探测过程中配置电推进系统的卫星的受扰情况，判断配置电推进系统的卫星的电磁兼容性，完成对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估。

步骤(1)获得电推力器点火状态下的辐射发射参数，步骤如下：

(1)将电推力器置于透波舱内，对透波舱内抽真空，真空度优于1×10^-3Pa；

(2)电推力器在真空环境下进行点火，电推力器点火要求保持稳定的供电和供气环境，供电屏栅电压稳定在1000V±10V，屏栅电流稳定在0.8A±0.05A，总供气流量稳定在1.362±5％mg/s；

(3)推力器电磁特性测试在屏蔽暗室内实施，这样保证外界环境对试验结果干扰影响减小，将一个接收天线置于透波舱外，对准电推力器的背面(即指电推力器真空点火喷射离子体的反方向)，另一个接收天线置于透波舱外，指向垂直于电推力器的侧面(侧面是指等离子体束流的平行方向)；

(4)使用测量仪器测量两个接收天线分别接收的电推力器的辐射发射参数，在225MHz～31GHz范围测试得到辐射发射量级在10～70dBμV/m范围；

步骤(2)根据步骤(1)的辐射发射参数搭建电推进辐射发射模拟器，使电推进辐射发射模拟器具备在配置电推进系统的卫星工作全频段内模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力，步骤如下：

(1)电磁干扰接收机根据地面检测和控制设备获取的电推力器辐射发射参数，给预放器提供频率和场强的输入；

(2)预放器根据频率和场强(发射前先由滤波器滤波后)利用天线对外发射电磁波，即模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力。

步骤(3)在整星电磁兼容性实验室对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估，步骤如下：

(1)将配置电推进系统的卫星置于整星电磁兼容性实验室内，卫星模拟在轨处于正常工作状态。

(2)在卫星水平方向(水平方向是指与地面平行方向)采用电推进辐射发射模拟器根据电推力器的辐射发射参数量级(模拟范围10～65dBμV/m)，注入2倍于最大值的辐射电磁干扰量级，即130dBμV/m(3V/m)。

(3)在整星电磁兼容性实验室内距离配置电推进系统的卫星进一定距离(0.1m～3m)远处架设场强探头(各向同性电场探头覆盖10kHz-40GHz范围，分辨率0.01v/m，测量范围0.15-3000V/m，1V/m＝log10(10e6×20)dBμV/m)，测量并确认在30MHz～31GHz频段施加的场强为3V/m,。

(4)通过天线探测整星电磁兼容性实验室内的辐射发射特性，通过采集分析电磁波场强随频率的变化来确认卫星的受扰量级。

步骤(4)通过探测过程中配置电推进系统的卫星的受扰情况，判断配置电推进系统的卫星的电磁兼容性，完成对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估，步骤如下：

(1)在探测频带内设置干扰场强阈值，当步骤(3)天线探测的电磁波场强高于设置的干扰场强阈值时，判定配置电推进系统的卫星的电磁兼容性不合格；否则，判定配置电推进系统的卫星的电磁兼容性合格。

电推进辐射发射模拟器具备发射频率大于等于30MHz且小于40GHz范围内电磁波的辐射发射能力，其中大于等于30MHz且小于1GHz频段辐射发射模拟利用预放和周期对数天线实现，大于等于1GHz且小于18GHz频段辐射发射模拟利用预放和双脊喇叭天线实现，大于等于18GHz且小于26.5GHz频段辐射发射模拟利用预放和喇叭天线实现，大于等于26.5GHz且小于40GHz频段辐射发射模拟利用预放和喇叭天线实现。

电推进辐射发射模拟器对外输出电磁波的频率和场强均与电推进点火状态下的辐射发射参数保持一致，频率的场强参数通过电推进的辐射发射测试结果获得，且需在真空点火环境下进行测试。

在进行卫星辐射敏感度测试的时候，在距离电推进1m远处架设场强探头，卫星射频接收频带为测控接收频带时，在该测试频带内设置干扰场强阈值不应低于2V/m；通信涉及到的卫星射频接收频带为通信频带时，在该测试频带内设置干扰场强阈值不应低于4V/m；场强探头位于地敏位置处，整星加电过程最大场强阈值不应低于3V/m。

被测对象为配置电推进系统的卫星，包括：电推力器及其供电、供气系统；电推力器位于卫星的舱板外，；

整星电磁兼容性实验室，是非密闭环境，具备屏蔽外界电磁干扰的能力，卫星的电磁兼容性试验为常温常压条件。

电推进辐射发射模拟器，包括：电磁干扰接收机(EMI接收机)、多个预放器、多个天线；还可以包括滤波器；

地面检测和控制设备获取点推力器的辐射发射参数；

电磁干扰接收机根据地面检测和控制设备获取的辐射发射参数，给预放器提供频率和场强的输入，预放器根据频率和场强(由滤波器滤波后)利用天线对外发射电磁波。

本发明优选的的一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证方法，步骤如下：

(1)推力器电磁特性测试在屏蔽暗室内实施，这样保证外界环境对试验结果干扰影响减小，如图1所示。首先，将电推力器置于透波舱内，将测试天线布置在屏蔽暗室内，其中一个接收天线置于透波舱外，对准电推力器的背面处(即指电推力器真空点火喷射离子体的反方向)，距离1m，另一个接收天线置于透波舱外，指向垂直于电推力器的侧面(侧面是指等离子体束流的平行方向)，距离1m；其次，对透波舱内抽真空，真空度优于1×10^-3Pa；然后电推力器在真空环境下进行点火，电推力器点火要求保持稳定的供电和供气环境，供电屏栅电压稳定在1000V±10V，屏栅电流稳定在0.8A±0.05A，总供气流量稳定在1.362±5％mg/s。

(2)使用测量仪器测量两个接收天线分别接收的电推力器的辐射发射参数，在225MHz～31GHz范围测试得到辐射发射量级在10～70dBμV/m范围，从而获得电推力器点火状态下的辐射发射参数；

(3)根据步骤(2)的辐射发射参数搭建电推进辐射发射模拟器，使电推进辐射发射模拟器具备在配置电推进系统的卫星工作全频段内模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力；

(4)实现在整星电磁兼容性实验室对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估的过程描述。配置电推进系统的卫星电磁兼容性评估内容为模拟在轨段辐射发射期间考察卫星工作时主份工作模式和最大配置工作模式下，整星能否兼容性工作，同时记录卫星本身所产生的电磁辐射发射情况，为以后的电磁兼容分析工作提供数据。如图2的整星电磁兼容性测试示意图所示，测试的配置电推进系统的卫星(简称电推进卫星)布置于电磁兼容试验室中央，在距星体1m远处架设测试电推进辐射发射模拟器，并在测试过程中实时记录30MHz～31GHz频段的电磁辐射发射数据。

模拟在轨段辐射发射测试原理如图3所示，电推进辐射发射模拟器包含覆盖不同频段需求的多路预放器和滤波器，同时配套多种天线。天线的实现方式在于：电推进辐射发射模拟器具备发射频率大于等于30MHz且小于40GHz范围内电磁波的辐射发射能力，其中大于等于30MHz且小于1GHz频段辐射发射模拟利用预放和周期对数天线实现，大于等于1GHz且小于18GHz频段辐射发射模拟利用预放和双脊喇叭天线实现，大于等于18GHz且小于26.5GHz频段辐射发射模拟利用预放和喇叭天线实现，大于等于26.5GHz且小于40GHz频段辐射发射模拟利用预放和喇叭天线实现。

具体整星电磁兼容性试验实现方式如下：测试过程首先距星体1m远处架设测试天线，记录30MHz～31GHz频段的电磁辐射发射数据，天线极化要求为水平极化和垂直极化均要进行测试；其次，测试时，卫星处于最大配置工作状态，分别在卫星+X面和-X面距离1米处采用模拟器产生辐射电磁干扰，即电磁干扰接收机根据电推力器辐射发射参数，给预放器提供频率和场强的输入，预放器根据频率和场强(由滤波器滤波后)利用天线对外发射电磁波，即模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力，实际电推力器真空工作电磁辐射试验测试范围在10～65dBμV/m，整星测试时根据裕度要求，注入2倍于最大值的辐射电磁干扰量级，即130dBμV/m(3V/m；然后，在距离电推进0.1m～3m处架设场强探头，保证场强探头监测到的干扰强度满足电推进电磁辐射量级要求，此时利用接收机记录测试结果，监测卫星是否受扰，各向同性电场探头覆盖10kHz-40GHz范围，分辨率0.01v/m，测量范围0.15-3000V/m，1V/m＝log10(10e6×20)dBμV/m)。

在探测频带内设置干扰场强阈值，当步骤(4)中天线探测的电磁波场强高于设置的干扰场强阈值时，判定配置电推进系统的卫星的电磁兼容性不合格；否则，判定配置电推进系统的卫星的电磁兼容性合格。本发明优选的卫星电磁兼容判断准则为：

(5)进行卫星辐射敏感度测试。测量卫星关键位置的场强，判断配置电推进系统的卫星的电磁兼容性，完成对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估。其具体做法为：

在距离电推进0.3～1m处移动场强探头，放置在地敏附近、星敏附近以及其他敏感设备附近，测试电推进模拟工作环境下卫星频段的受扰情况，如图4所示的阈值要求，说明如下：通常卫星射频接收频带为测控接收频带时，在该测试频带内设置干扰场强阈值不应低于2V/m；通信涉及到的卫星射频接收频带为通信频带时，在该测试频带内设置干扰场强阈值不应低于4V/m；场强探头位于地敏位置处，整星加电过程最大场强阈值不应低于4V/m。

通过调整天线探测位置评估整星电磁兼容性实验室内的辐射发射特性，通过采集分析电磁波场强随频率的变化来确认卫星的受扰量级。

(5)图5描述了基于电磁辐射模拟器的整星电磁兼容性试验的实现流程。首先是通过单独的地面真空推力器点火状态下的电磁辐射特性测量，获取电推力器点火状态下的辐射发射参数，解决了电推进系统只能在真空环境中点火的需求与现有的卫星电磁兼容性试验环境不能提供真空环境之间的矛盾，为配置电推进系统的卫星进行整星电磁兼容性的测试和评估提供了途径；其次，根据测试的数据搭建电推进辐射发射模拟器，进行整星常压状态下的电磁兼容性试验。通过多种天线组合实现了225MHz～31GHz范围测试得到电推力器真空下工作的辐射发射量级的模拟，并依据此条件实现整星环境下的电磁兼容性评估和多点电磁环境测试，形成了针对电推进点火电磁辐射环境下的卫星电磁兼容判断准则，为卫星与电推力器电磁兼容提供了测试判读依据；然后，本发明提供了评估电推进对卫星其他分系统兼容性测试的抗干扰阈值，在本发明规定的阈值下可以判断卫星其他设备工作过程不会受到电推进工作的影响。

本发明的一种基于电推进辐射发射模拟器的整星电磁兼容性验证系统，解决了电推进系统只能在真空环境中点火的需求与现有的卫星电磁兼容性试验环境不能提供真空环境之间的矛盾，为配置电推进系统的卫星进行整星电磁兼容性的测试和评估提供了途径，系统包括：获取模块、搭建模块、测试和评估模块、判断模块；

获取模块获得电推力器点火状态下的辐射发射参数；

搭建模块根据步骤(1)的辐射发射参数搭建电推进辐射发射模拟器，使电推进辐射发射模拟器具备在配置电推进系统的卫星工作全频段内模拟电推力器点火状态下辐射发射的能力；本发明提供了225MHz～31GHz范围测试得到电推力器真空下工作的辐射发射量级在10～70dBμV/m范围，并依据此条件实现整星环境下的电磁兼容性评估。

测试和评估模块在整星电磁兼容性实验室对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估

判断模块通过探测过程中配置电推进系统的卫星的受扰情况，判断配置电推进系统的卫星的电磁兼容性，完成对配置电推进系统的卫星的电磁兼容性进行测试和评估。本发明提供了卫星电磁兼容判断准则，为卫星与电推力器电磁兼容提供了测试判读依据。

本发明提供了评估电推进对卫星其他分系统兼容性测试的抗干扰阈值，在本发明规定的阈值下可以判断卫星其他设备工作过程不会受到电推进工作的影响。

本发明进行了整星在电推进工作前后的电磁发射测试(Radiated emission test:RE102)，测试了电推力器正常工作的自身对卫星的辐射干扰强度范围，测试频段覆盖1GHz～31GHz频段，通过上述的三个阶段测试确认了电推进工作电磁辐射干扰量级在10～60dBμV/m范围，电推进工作过程的电磁辐射效应不会影响到整星通信载荷在L频段、C频段、Ku频段以及Ka频段的正常工作。