应用于卫星导航与对抗的穹形满天星暗室的仿真设计

满 丰，麻建朝，秦卫华，张 明

应用于卫星导航与对抗的穹形满天星暗室的仿真设计

满 丰1，麻建朝1，秦卫华1，张 明2

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 湖南矩阵电子科技有限公司，长沙 410205）

针对当前信息化战争背景下卫星导航装备对无线测试环境的应用需求，结合现阶段国内外暗室发展现状，对矩形、穹形两种暗室进行选型分析，从静区特性、应用性能等方面进行系统仿真分析，最终采用穹形暗室作为暗室选型方案。通过满天星天线布局，模拟真实环境中的卫星轨迹和信号，构建与真实环境高度逼真的无线测试环境，能够有效支撑卫星导航装备尤其是波束成形抗干扰终端的测试，填补了国内在穹形满天星暗室方面的设计空白，可指导工程实践应用。

穹形暗室；满天星；静区；卫星导航

0 引言

在当前信息化战争背景下，卫星导航装备更加聚焦复杂电磁环境下的实战性能和对抗性能，装备相关的测试、评估系统也要求具备相应的复杂电磁环境快速构建能力、导航对抗作战场景仿真与性能评估能力、导航装备论证试验能力以及装备全周期全过程科研生产、试验检定、问题复盘、实战演训和装备保障能力。

在各种试验环境中，基于暗室的无线测试环境因其环境可控、场景可自定义、试验过程可重复等特点，在装备复杂电磁环境仿真模拟上具备不可替代的优势，能够构建复杂电磁环境高逼真模拟、无线试验条件低成本易部署、各环节有机互动促进的一体化装备仿真测试综合试验能力。

1 国内外现状

通过国内外基于暗室的无线测试环境发展趋势可以看出，暗室测试环境总体由矩形到穹形进行转变，天线布局由单天线到多天线再到满天星布局发展。

1.1 国外暗室现状

国外暗室测试环境经历了从前期“矩形暗室”测试环境到“矩形暗室+环形组件”测试环境再到目前的“穹形暗室”测试环境的变化路线，穹形结构暗室测试环境逐步成熟，越来越受到关注。

1）理论研究

国外暗室发展过程中，在理论研究方面较为深入，系统性强，很好地指导了工程实践应用。

文献[1]提出，可采用椭球结构方案。在椭球一个焦点安装辐射源，另一个焦点安装高效能吸波材料，被测件置于椭球中心。该方案中，所有一次反射信号，均会汇聚于吸波材料，不会对测试区域产生影响[1]，如图1所示。

图1 椭球结构方案反射信号路径

由于一次反射信号路径避开测试区域，因此，不会在暗室测试区域中产生干扰测试的多径信号，也不会出现强信号反射影响导航产品测试的情况。但是该方案仅能布设一个辐射源，且辐射源位置固定，还无法布设干扰源。

文献[2]提出，采用球形结构，优势更加显著。该方案中，辐射源放于球体表面，吸波材料放置在球体另一侧的聚焦线上，如图2所示。

图2 球形结构方案反射信号路径

由于球形为绝对对称结构，因此，所有的一次、二次及多次反射，均不会经过测试区域[2]。依据该方案，信号辐射源数量不受限制，安装位置不受限制，具有更好的适用性。该论文指出，球形暗室性能优于矩形暗室。

2）典型工程应用

国外在卫星导航产品测试领域，穹形微波暗室应用相对较早，各主要大国均有成熟案例。实际应用表明，穹形微波暗室在多星座联合仿真、复杂电磁环境模拟等方面具有不可替代的优势。具备典型参考价值的暗室有欧盟EMSL（The European Microwave Signature Laboratory）、日本Zoned Chamber实验室。

（1）欧盟EMSL

根据欧盟联合研究中心（European Commission Joint Research Center，JRC）最新发布的报告，JRC进行GNSS相关测试的暗室采用穹形架构的设计方案。

该暗室的整体结构是半球形圆顶和圆柱形圆顶的结合体，直径为20 m，半球形圆顶的中心位于地面上方5 m处，沿着两部分之间的间隙安装一个圆形拱，以支持轨道系统，如图3所示。

图3 EMSL暗室外形图

（2）日本Zoned Chamber暗室

日本目前已有穹形暗室的实际建设与应用案例，由东京电气化学工业株式会社与美国思博伦共同建设。

思博伦是较早提出穹形暗室思路的厂商，按照“区域暗室”路径进行构建，即在暗室内将球面分为多个区，每个分区中都有一个天线，广播该分区内所有可见卫星信号，模拟卫星空中移动，同一颗卫星的信号可从一个分区移动到另一个分区，并持续广播，如图4所示。

图4 Zoned Chamber暗室内部图

在思博伦发布的报告中提出，穹形暗室在减少干扰信号、提升卫星信号波束控制等方面具有优势，在抗干扰测试中能发挥重大作用。

通过上述穹形暗室工程应用案例可以看出，穹形结构暗室已成为国外暗室发展的重要趋势，其在仿真测试精度、复杂场景构建等方面优势逐渐凸显，相关穹形结构暗室构建技术逐渐成熟，将成为高端测试暗室的一大主流。

1.2 国内暗室现状

国内卫星导航测试暗室以传统的矩形结构为主，功能较单一，环境较简单。随着卫星导航测试需求的大量出现，暗室的设计结构日益复杂，形态也出现多种样式，一是采用近立方体结构，暗室中可采用合路或满天星结构仿真导航卫星星座，并可构建一定数量的干扰源，实现在方形空间中对穹形使用需求的模拟近似[3]；二是采用锥形结构，降低成本提高使用丰富性，但是信号分布式布局和干扰环境模拟能力不足；三是采用拱形天线布局方式，在一个维度或两个维度上实现圆形环境的构建。近些年，国内有关单位进行了积极探索和尝试，陆续设计制造了一些具有一定穹形特征的微波暗室，如圆柱形、半球形（国外承建）等，暗室使用效能得到进一步提升。最近，西安导航技术研究所基于先进的设计理念，瞄准复杂电磁环境仿真，设计制造了穹形暗室，将无线测试环境模拟仿真能力提升到一个新高度。可以预见，国内卫星导航无线测试环境构建中，穹形暗室将逐步在复杂电磁环境构建、多系统星座联合仿真、分布式室内导航对抗与战情推演中扮演越来越重要的角色，承担越来越重要的使命任务。

2 暗室选型影响因素

暗室性能是衡量暗室方案的先决条件，暗室主要选型因素包括静区性能、一次反射信号特性和暗室区域可用性等[4]。

1）静区性能

针对不同类型的暗室，静区性能中首先需要比较的是静区尺寸，需充分覆盖被测件大小；其次是静区应位于暗室几何中心点附近，便于被测件放置在转台上测试；最后是静区电平，静区电平直接反映静区内非测试相关信号强度水平，该指标越小、越均匀，则静区性能越好。

2）一次反射信号特性

暗室性能中需要考虑的另一个因素为信号的一次反射传播路径。因为信号由天线播发后经过一次反射有可能进入测试区域内，影响测试区域内电平，对被测件造成干扰导致测试结果不准确，因此暗室内一次反射应最大可能避开测试区域。

3）暗室区域可用性

最后一个需要考虑的因素是暗室区域可用性。暗室设计时应尽可能提高其对称性，确保暗室内特性不均匀的区域尽可能小，从而保证暗室内部静区空间占比更大；同时暗室内可用于布设天线的区域足够多，提高暗室利用率。

3 暗室性能仿真

基于上述理论，根据国内外暗室的发展及现状，通过仿真手段比较矩形与穹形暗室的优劣。

卫星导航测试暗室的仿真模拟要求完成多源天线（模拟卫星）的微波暗室混响特性模拟[5]，涉及多源天线的时、空、频三域表征、微波暗室部件（转台、滑轨等）和吸波背景墙的电磁表征以及天线与微波暗室全要素的一体化耦合建模，进而获取暗室内部任意位置场值的幅相分布并提取静区相关电磁参数。

本文采用基于广角宽带数字材料模型的全暗室端到端射线追踪仿真方案，使用FASTEM软件，兼顾效率和精度。射线追踪起全空间耦合和时间耦合的作用，能够将微波室内场部件计入电磁互作用评估[6]。相比传统射线追踪，本方案基于吸波材料、支撑结构、馈源以及转台等部件的准确模型化及其相互间的耦合作用，特别是作为主要误差源的吸波材料和吸波结构，采用广角宽带数字模型解决材料的空间色散和频率色散、旁瓣和栅瓣建模问题。

3.1 暗室总体设计

结合工程实际，设定矩形暗室长和宽为12 m、高为8.5 m，穹形暗室直径为12 m、高为8.5 m，约为3/4球体，如图5所示。为实现对真实卫星星座时空特性的高精度模拟以及复杂电磁环境的构建，暗室内布设几十个单星导航天线、上百个干扰天线（部分复用导航天线）。天线均采用宽带设计，覆盖L和S频段。BDS/GPS/GLONASS/Galileo全球卫星导航系统以及QZSS/IRNSS区域导航系统的信号均能通过单星导航天线实现任何地点和姿态的满天星信号播发需求。干扰天线用于模拟实现不同来向的分布式干扰，并能在统一的控制下进行基于时间同步的协同干扰。

（a）矩形12 m×12 m×8.5 m（b）穹形12 m×12 m×8.5 m

为了尽可能模拟真实卫星星座并满足长时间抗干扰和波束成形的测试需求，根据卫星轨迹以及相对被测件的方位角和俯仰角，选择相对位置最为接近的天线切换发射信号，以模拟真实环境中不同来向的卫星信号和干扰信号。根据目前的工程水平与经验数据，采用如图6所示的天线布设方案。

图6 天线布设三维投影示意图

3.2 暗室性能仿真

以1×1×1 m3静区空间作为指标评估对象，选取9个采样平面（//每个方向3个，覆盖静区的边界和中心位置）实施静区指标统计，评估矩形和穹形暗室净空间的幅度不平度、交叉极化度和最大反射率电平等指标。

图5的矩形和穹形暗室的静区性能对比如表1所示，由统计结果可见，在卫星导航工作频段内，穹形暗室性能优于矩形暗室。

表1 矩形和穹形暗室静区性能对比

注：馈源位置敏感度由静区指标（幅度不平度和最大反射率电平）随馈源位置变化的标准差决定。

3.3 暗室应用性能仿真

由于穹形暗室在卫星导航工作频段内具有更优的综合性能，因此基于穹形暗室开展应用仿真，如图7所示，并结合当前的波束成形抗干扰用户终端天线的工程水平，评估穹形暗室的应用性能。不同阵元数的阵列天线的3 dB波束宽度如表2所示。

图7 穹形暗室三维示意图

表2 不同阵列天线成形波束宽度

单星导航天线分布俯仰角在0°～90°、方位角0°～360°的空域范围内。在该布局下对不同测试状态的误差角度进行了评估计算：

1）状态1：目标载体高度为0 m仿真精度计算

目标载体高度为0 m，纬度-90°～90°，经度0°～360°，以1°为间隔，构建极坐标单位矢量进行仿真计算，计算真实场景下信号在每颗卫星来向矢量和对应暗室环境下天线辐射来向矢量之间的夹角误差，并对一周内的所有误差进行统计分析，结果如下：

（1）平均夹角为：5.908 79°；

（2）最大值为：12.278°；

（3）大于10°的比例为：2.61%；

（4）大于12°的比例为：0.019%。

状态1时每个经纬度网格的平均角度误差如图8所示。

图8 高程为0时，信号来向角度平均误差统计图

可以看出，对于0高度的场景，角度误差基本能控制在10°以内，基本能够支持所有场景25振元天线的波束成形的指向测试；而超过12°角度误差的概率约0.019%，最大也只有12.278°，完全能够满足16振元接收性能测试。

2）状态2：目标载体高度为30 km的临近空间仿真精度计算

目标载体高度为30 km高的临近空间，统计方法同状态1一致，统计结果如下：

（1）平均夹角为：5.973 2°；

（2）最大值为：13.190 8°；

（3）大于10°的比例为：3.87%；

（4）大于12°的比例为：0.175%。

状态2时每个经纬度网格的平均角度误差如图9所示。

图9 高程30 km时，信号来向角度平均误差统计图

可以看出，对于30 km高程的场景，角度误差也基本能控制在10°以内，基本能够支持所有场景25振元天线的波束成形的指向测试；而超过12°角度误差的概率约0.175%，最大角度误差为13.190 8°，能够满足16振元接收性能测试。

3）状态3：目标载体高度为600 km的近地轨道空间仿真精度计算

目标载体高度为600 km高的近地轨道空间，统计方法与状态1一致，统计结果如下：

（1）平均夹角为：6.782 36°；

（2）最大值为：19.098°；

（3）大于10°的比例为：13.15%；

（4）大于12°的比例为：6.6%；

（5）大于14°的比例为：3.1%。

状态3时每个经纬度网格的平均角度误差如图10所示。

图10 高程600 km时，信号来向角度平均误差统计图

可以看出，对于600 km高程的场景，角度误差也基本能控制在12°，基本能够支持16振元天线的波束成形的指向测试。

针对此天线布局，以北斗全球系统为例，选取我国北部、中部、西北部、西南部、南部5个地点，得到1 h内仿真精度偏差如表3所示。

表3 1 h内仿真精度偏差

在一周分析时段内，分别计算我国北部、中部、西北部、西南部、南部5个地点，统计分析结果如表4所示。

通过上述分析可知，结合仿真时间、轨迹、卫星星历、立体星座布局，该满天星穹形暗室的角度最大偏差基本在12°以内，可以满足3 dB波束角下16阵元及以下天线阵列的测试需求。

表4 一周内仿真误差分析

4 结语

本文针对当前卫星导航用户终端聚焦复杂电磁环境下的抗干扰能力、可用性和可信性，对相关测试、评估系统的应用需求，结合国内外暗室的发展及现状，分析了暗室选型影响因素，通过仿真手段比较穹形与矩形暗室在天线满天星布局方案下的优劣，并选择穹形暗室开展应用性能仿真。结果表明，穹形满天星暗室方案能够实现对真实导航星座的仿真模拟，满足16阵元及以下波束成形抗干扰测试需求，能够应用于实际环境建设。

[1] Ali Farahbakhsh，Mohammad Khalaj-Amirhosseini，Homayoon Oraizi. Ellipsoid anechoic chamber for radiation pattern measurments[J]. 2015 IEEE，DOI：10.1109/MMS.2015.7375478.

[2] Ali Farahbakhsh，Mohammad Khalaj-Amirhosseini. Metallic spherical anechoic chamber for antenna pattern measurement[J]. Chinese Physics B，2016，25（8）：088401.

[3] 董树理，葛海龙，刘敏. 多星座卫星导航对抗测试系统设计与实现[J]. 无线电通信技术，2019，45（03）：311-315.

[4] 何健，谭志强，任伯峰，等. 卫星导航专用暗室测试环境建设研究[J]. 山东工业技术，2015，（18）：243-245.

[5] 王雷钢，乔会东，周继航，等. 暗室条件下强干扰信号多径效应对调零天线导航接收机测试影响分析[J]. 现代导航，2022，13（01）：1-6.

[6] 洪丽娜，何洪涛，郝晓军，等. 微波暗室静区性能仿真预测方法[J]. 信息与电子工程，2012，10（03）：295-299.

[7] 谭树森. 卫星导航终端复杂电磁环境仿真测试系统理论与应用[M]. 北京：科学出版社，2018.

[8] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[9] 李跃. 导航与定位[M]. 2版，北京：国防工业出版社，2008.

[10] Elliott D.Kaplan，Christopher J. Hegarty. GPS原理与应用[M]. 2版，北京：电子工业出版社，2007.

Simulation Design of Spherical Starry Anechoic Chamber for Satellite Navigation and Countermeasure

MAN Feng, MA Jianchao, QIN Weihua, ZHANG Ming

According to the application requirements of satellite navigation equipment for wireless test environment under the background of information-based war, combined with the development of spherical anechoic chamber at home and abroad, the paper makes a selection analysis of the rectangular and spherical anechoic chambers, and the system simulation analysis is carried out from the aspects of quiet zone characteristics and application performance. Eventually the spherical anechoic chambers is used as the selection scheme. Through the starry antenna layout, simulating the satellite trajectory and signal in the real environment, it can effectively support the testing of satellite navigation equipment, especially the test of beam forming anti-jamming terminal. It also fills the design gap in the spherical starry anechoic chamber, and guides the application of engineering practice.

Spherical Anechoic Chamber; Starry; Quiet Zone; Satellite Navigation

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-06-414-07

2022-10-31。

满丰（1981.11—），山西太原人，硕士，高级工程师，主要研究方向为卫星导航。