一种导航卫星EIRP及其稳定性自动化测试方法

李 光，沈冠浩，龚文斌，任前义，沈 苑

(1.上海微小卫星工程中心，上海 201203;2.中国科学院 微小卫星创新研究院，上海 201203)

0 引言

导航落地信号功率在接收机接收范围内是地面用户进行导航定位的先决条件，其强度及稳定度直接关系到导航定位的精度。因此，导航卫星的等效全向辐射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)及其稳定度是导航卫星的重要指标之一。导航卫星在出厂前需要进行EIRP及其稳定度的多次测量，以确保各阶段卫星的功率符合指标要求[1-4]。

卫星在地面的EIRP测试分为有线测试和无线测试。由于受测试场限制，较难实现无线EIRP的测量要求，因此，有线EIRP的测量结果是各阶段判断卫星功率符合性的最重要依据。同时，由于不同仰角上的卫星信号在到达地面时有着近似等功率的要求，导航卫星的下行信号发射通道是多通道设计，结合卫星无线电导航业务下行天线阵列实现地球不同位置等功率设计要求[5-6]。

传统的EIRP有线测量方法是每次仅发射一个频点的信号，然后利用功率计逐个测量卫星的下行信号通道功率[7-8]。该方法每次仅能测量一个频点、测试过程需要人工进行测试端口的更换，耗时长且存在安全隐患，而且无法进行EIRP的长时间连续性测试。因此，亟需根据导航卫星的特点，进行EIRP及其稳定度的自动化测试方法探索。

本文提出了一种利用矩阵开关、频谱仪及配套的测试软件进行EIRP及其稳定度的测量方法，可以实现导航卫星发射EIRP的快速、准确测量及EIRP稳定度的连续监测与测量。同时，测试软件可以完成测试过程中的异常功率告警与异常频谱记录。

1 EIRP测量原理

EIRP为无线电发射机供给天线的功率与在给定方向上天线绝对增益的乘积。各方向具有相同单位增益的理想全向天线，通常作为无线通信系统的参考天线。EIRP定义为：EIRP=Pt×Gt，它表示同全向天线相比，可由发射机获得的在最大天线增益方向上的发射功率。Pt表示发射机的发射功率，Gt表示发射天线的天线增益。在无线通信中，通常用来衡量干扰的强度，以及发射机发射强信号的能力。

导航卫星EIRP测量原理框图如图1所示。

图1 EIRP测量原理Fig.1 The block diagram of EIRP measurement principle

测试前，首先将测试线缆1、大功率衰减器、测试线缆2的插损进行整段标定，假设整个链路的插损为LdB。卫星载荷开机后发送下行导航信号，利用功率计或者频谱仪对每个通道的功率进行测量，假定测得信号功率为P1，P2，P3，…，Pn，则卫星发送下行信号的总功率为：

P=10×lg(P1+P2+P3+…+Pn)，

(1)

式中，P1，P2，P3，…，Pn的单位为W，P的单位为dBW。则，卫星的EIRP为：

EIRP(dBW) =P(dBW)+G(dB) +L(dB) ，

(2)

式中，G为下行发射天线的增益。

2 系统构成

为克服传统EIRP测试过程中需要人工进行测试端更换的问题，可以通过L频段的矩阵开关实现任意一路信号的测试接入，并且该程控开关箱需具备网口远程控制功能。为了可以进行下行导航信号的多频点并行测试及EIRP测量结果的连续记录，需采用频谱仪进行下行信号的功率测量并且使用自动记录软件将测试结果自动保存。因此，EIRP自动测试系统由程控矩阵开关、频谱仪、测试软件、大功率衰减器和测试线缆等组成。

EIRP自动测试系统的组成及测试原理框图如图2所示。

图2 EIRP自动测试系统组成及原理Fig.2 Composition and principle block diagram of EIRP automatic test system

导航载荷通过射频线缆与大功率衰减器及程控矩阵开关进行连接，程控矩阵开关进行1路测试信号的选通后通过射频线缆送至频谱仪。程控矩阵开关、频谱仪通过网线连接至上位机。上位机中运行的测试及控制软件通过网口对程控矩阵开关、频谱仪进行控制。

2.1 程控矩阵开关设计

射频微波开关矩阵能够在测试仪器与被测器件之间自动路由射频微波信号，它们可以提供一致的信号路径，支持自动测试，通常还包括信号调理能力。在设计射频开关系统时，要考虑一些关键电气规范包括串扰(路径隔离)、插入损耗、电压驻波比和带宽。可能影响开关系统性能的其他因素包括阻抗匹配、端接、功率传输、信号滤波器、相位畸变和布线。开关的使用不可避免地会降低测量系统的性能，因此需要着重考虑能显著影响系统性能的关键参数[9]。

本文的EIRP自动化测试系统采用的射频矩阵开关为15入1出(部分通道备用)，其原理示意如图3所示。

图3 射频矩阵开关原理示意Fig.3 Schematic diagram of RF matrix switch

程控矩阵开关的主要技术指标如下，可满足导航信号的EIRP测量要求：输入输出:15×1;频率范围:DC-4 GHz;通道损耗:通道插入损耗小于3 dB;最大承受功率 1 W；端口驻波：小于1.4；通道间隔离度：大于90 dB。

2.2 测试及控制软件设计

测试及控制软件由矩阵开关控制模块、频谱仪控制模块、数据分析模块及人机交互界面组成。测试及控制软件运行在Windows系统软件的PC上，通过网口输出控制命令、接收测试数据。测试及控制软件的组成框图如图4所示。

矩阵开关控制模块的主要作用是控制程控矩阵开关的选通，开关之间的选通是互斥的，测量时每次仅能选通一个通道，同时未选通的支路在矩阵开关内部有匹配负载，可以匹配未选通支路的输出功率。频谱仪控制模块的主要作用是对频谱仪的测量模式、测试频点、测量带宽和频率分辨率等参数进行设置，并接收频谱仪的测量结果。数据分析模块对接收到的频谱仪数据进行分析及存储。同时，数据分析模块在测试时将测量数据与用户设定的阈值进行实时比较，如果超出阈值则控制频谱仪进行频谱的截图及保存。

图4 测试及控制软件组成Fig.4 The block diagram of test and control software

测试系统的工作流程是：① 导航载荷的下行信号经过大功率衰减器进行信号衰减后，将测试信号经过射频线缆送入程控矩阵开关；② 程控矩阵开关通过网线与上位机进行连接，上位机通过测试及控制软件可控制矩阵开关的选通，从而将待测通道的信号选通至频谱仪；③ 频谱仪接收到测量信号后，利用通道功率测量功能进行带内功率测量，然后将测量结果通过网口上传至上位机的测试及控制软件；④ 测试及控制软件将测量结果进行实时记录与保存，同时，也可以对比测量结果和判断阈值，如果超出阈值则将测试屏幕上的超出数据标红并将异常时刻的频谱图进行保存。测试的流程如图5所示。

图5 EIRP自动化测试流程Fig.5 EIRP automated test flow chart

3 测试系统运用

本文所设计的EIRP自动化测试系统已经应用于北斗三号系统导航卫星的测试。该系统，具备了EIRP三频并行测量能力、EIRP自动记录能力、功率异常告警能力、异常频谱保存能力，将EIRP的测试效率提升了70%以上，大大提升了该测试项目的测试效率及测试安全性。

EIRP测试系统的交互界面如图6所示。

图6 EIRP测试系统的交互界面Fig.6 Interface of EIRP test system

EIRP测试系统的测量结果通过表格和图片形式进行自动保存。其中，表格保存结果中包括时间、中心频点、每秒测量结果等，具体如图7所示。

图7 EIRP测试结果Fig.7 Schematic diagram of EIRP test results

图片结果的保存分为设定时间保存和超过阈值时的异常频谱保存。其中，设定时间保存可以根据用户的需求进行设置，每隔特定时间则进行自动保存。异常频谱保存是当EIRP测量结果超出阈值时，测量系统自动控制频谱仪进行频谱的截图及保存。EIRP频谱测量结果如图8所示。

图8 频域自动存储图Fig.8 Automatic storage graph in frequency domain

4 结束语

导航卫星EIRP及其稳定性自动化测量系统由程控矩阵开关、频谱仪和测试及控制软件组成，可以实现多频点的EIRP测量结果的自动、快速和连续测量保存，同时实现了异常的自动告警和异常频谱的自动保存，克服了传统测量方法效率低、无法进行EIRP稳定性测量等问题。

该系统已经成功应用于北斗三号系统导航卫星的EIRP测试，将该测试项目的效率提高了70%以上，取得了较好的应用价值。该系统的测试方法不仅可以应用导航卫星，也适用于其他具有多通道下行信号的EIRP测量的场景，具有一定的应用推广价值。