去型號(hào)化接收機(jī)地面環(huán)境模擬試驗(yàn)充分性驗(yàn)證

司圣平，金 姣，楊 琳，郭晶晶，王 瑞

（1. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109； 2. 上海航天電子有限公司，上海 201821）

0 引言

高靈敏度接收機(jī)[1]是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分，為提高其產(chǎn)品可靠性，避免產(chǎn)品類型多、技術(shù)狀態(tài)繁雜、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)狀態(tài)發(fā)散等帶來(lái)的多種質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)、整機(jī)穩(wěn)定性不足，自2016 年航天科技集團(tuán)開(kāi)展去型號(hào)化[2]工作以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了不同研制廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品在功能、技術(shù)狀態(tài)、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件等方面的統(tǒng)一，并針對(duì)去型號(hào)化產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)制定航天標(biāo)準(zhǔn)，給出試驗(yàn)項(xiàng)目矩陣表和試驗(yàn)條件的規(guī)定[3]。然而在制定試驗(yàn)項(xiàng)目及條件過(guò)程中，單一鑒定或驗(yàn)收產(chǎn)品的狀態(tài)存在一定的隨機(jī)性，不能充分說(shuō)明試驗(yàn)項(xiàng)目是否能充分模擬產(chǎn)品的在軌工作環(huán)境。

為此，本文以某型高靈敏度接收機(jī)為研究對(duì)象，開(kāi)展去型號(hào)化接收機(jī)地面環(huán)境模擬試驗(yàn)充分性驗(yàn)證。該型接收機(jī)工作在S 波段，信號(hào)接收靈敏度指標(biāo)要求達(dá)到-124 dBm，地面實(shí)測(cè)指標(biāo)為-126 dBm。高靈敏度接收機(jī)作為測(cè)控應(yīng)答機(jī)[4]的模塊組件與發(fā)射機(jī)一起作為整體參加試驗(yàn)，其對(duì)環(huán)境特性敏感，諸多通道特性參數(shù)與試驗(yàn)環(huán)境密切關(guān)聯(lián)，如靈敏度、噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)在不同的熱、真空、電磁等環(huán)境下具有不同的測(cè)試數(shù)值[5]。該型接收機(jī)同一研制單位已經(jīng)生產(chǎn)30 多臺(tái)，驗(yàn)收交付24 臺(tái)，經(jīng)過(guò)4 批次產(chǎn)品的研制獲得了大量地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠直接有效地證明產(chǎn)品在地面工作的穩(wěn)定性。另外，隨著驗(yàn)收級(jí)產(chǎn)品在軌飛行次數(shù)的增多，積累了一定的在軌飛行樣本數(shù)據(jù)；利用高靈敏度接收機(jī)通道特性參數(shù)對(duì)環(huán)境的敏感性，可以開(kāi)展在軌飛行數(shù)據(jù)與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比對(duì)，從而對(duì)地面環(huán)境試驗(yàn)[6-7]的有效性、充分性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 AGC 特性參數(shù)分析

由于衛(wèi)星與信號(hào)接收方是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，距離變化會(huì)造成接收信號(hào)的不穩(wěn)定，存在從小到大、再?gòu)拇蟮叫〉闹芷谛宰兓^(guò)程。高靈敏度接收機(jī)利用自動(dòng)增益控制（auto gain control, AGC）電路[8-9]幫助接收機(jī)實(shí)現(xiàn)接收小信號(hào)時(shí)增益高，接收大信號(hào)時(shí)增益低的功能。AGC 電路屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，作用是使輸出信號(hào)保持適當(dāng)?shù)碾娖剑恢劣谝驗(yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無(wú)法正常工作，也不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)太大導(dǎo)致接收機(jī)飽和或堵塞。因此高靈敏度接收機(jī)的AGC 電路對(duì)信號(hào)的變化具有較強(qiáng)的敏感性，而熱、真空、電磁等環(huán)境變化造成的信號(hào)變化同樣可被AGC 電路捕捉到，因此，可以利用AGC 電路的在軌飛行數(shù)據(jù)與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，進(jìn)行環(huán)境變化影響分析，從而確認(rèn)地面環(huán)境試驗(yàn)的有效性。

高靈敏度接收機(jī)通道工作的重要遙測(cè)參數(shù)AGC 長(zhǎng)期進(jìn)行下傳，本文所述接收機(jī)采用的AGC閉環(huán)控制原理如圖1 所示，圖中：Vr為參考電壓，設(shè)置為常數(shù)；V1為信號(hào)檢波電壓；Vc為AGC 電壓；Vi為輸入信號(hào)電壓，由輸入信號(hào)功率轉(zhuǎn)化而成；A1為可變?cè)鲆娣糯笃鳎╲ariable gain amplifier, VGA）的放大倍數(shù)，隨AGC 電壓變化；Vo為輸出信號(hào)電壓。

圖1 AGC 閉環(huán)控制原理Fig. 1 AGC closed loop control schematic diagram

檢波器的檢波效率是固定的，因此如果Vo不變，V1也會(huì)保持不變。圖1 中N1為環(huán)路濾波器，當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時(shí)，恒有V1=Vr；當(dāng)Vi變化時(shí)，V1和Vr之間會(huì)產(chǎn)生微小的電壓差，N1通過(guò)V1-Vi的差值來(lái)調(diào)整Vc，而Vc的變化將引起A1的變化，最終達(dá)到V1=Vr，即實(shí)現(xiàn)Vo不變。

A1和Vc的關(guān)系為

因此，

V1和Vo的關(guān)系為

設(shè)環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)為F(s)，則

將式(2)代入式(4)后最終得到

由于a、b、K1、K2的數(shù)值是由器件決定、固定不變的，Vr為電路調(diào)試時(shí)設(shè)置的參考值，在電路調(diào)試完成后也不會(huì)變化，F(xiàn)(s)在電路確定的情況下也不會(huì)變化，所以可以得到結(jié)論：在溫度和電路參數(shù)確定的情況下，AGC 遙測(cè)電壓Vc僅與輸入信號(hào)電壓Vi有關(guān)。

在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，輸入信號(hào)為寬帶信號(hào)，其信號(hào)特性接近白噪聲，因此一般用信號(hào)功率Pi取代電壓Vi來(lái)衡量輸入信號(hào)的大小，即

對(duì)式(6)兩邊取對(duì)數(shù)得

故有

將式(8)代入式(5)，最終化簡(jiǎn)得到

式中除了Pi，其余參數(shù)均為定值，則式(9)可簡(jiǎn)化為

其中Pi(dBm)表示對(duì)數(shù)形式的功率。可以看出，理想情況下Vc和Pi(dBm)呈線性關(guān)系。

輸入信號(hào)的能量Pi又可分為噪聲能量Pn和信號(hào)能量Ps，很明顯

其中，Pn僅與溫度有關(guān)，常溫下的噪聲譜密度為-174 dBm/Hz。

在衛(wèi)星中繼通道中，信號(hào)帶寬WB為6.138 MHz，系統(tǒng)噪聲系數(shù)FN按照2 dB 計(jì)算，則可得出噪聲的總能量為-174+10×lgWB+FN= -174+68+2 = -104 dBm。因此在信號(hào)很小（Ps≤-107 dBm）的情況下，Pi的主要成分是Pn，此時(shí)的Vc主要表現(xiàn)為噪聲電壓。

通過(guò)上述理論分析，可以得出結(jié)論：由于AGC電路對(duì)噪聲極其敏感，結(jié)合遙測(cè)參數(shù)AGC 在軌長(zhǎng)期對(duì)地下傳的便利性，使用AGC 參數(shù)對(duì)高靈敏度接收機(jī)環(huán)境模擬試驗(yàn)的充分性進(jìn)行驗(yàn)證是可行的。

2 產(chǎn)品一致性分析

基于上述理論分析結(jié)論，本文首先對(duì)去型號(hào)化接收機(jī)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確認(rèn)其技術(shù)狀態(tài)的穩(wěn)定性、技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)一性；然后通過(guò)多臺(tái)高靈敏度接收機(jī)的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行地面試驗(yàn)充分性分析，避免單臺(tái)接收機(jī)的個(gè)體差異造成分析結(jié)論出現(xiàn)偏差。去型號(hào)化接收機(jī)的試驗(yàn)項(xiàng)目按照《衛(wèi)星型譜單機(jī)試驗(yàn)通用要求》中的電子類單機(jī)試驗(yàn)矩陣表[3]（表1）執(zhí)行。

表1 電子類單機(jī)試驗(yàn)矩陣表Table 1 Electronic single machine test matrix

本文所研究的每臺(tái)接收機(jī)均按照表1 的要求進(jìn)行了驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)，表2 為接收機(jī)全溫度試驗(yàn)時(shí)得到的數(shù)據(jù)，即在-15～50 ℃范圍內(nèi)每間隔1 ℃采集1 次AGC 電壓。本文為簡(jiǎn)化分析，選取間隔為5 ℃的數(shù)據(jù)。

表2 接收機(jī)全溫度試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Receiver full temperature test data

表2（續(xù)）

對(duì)表2 的數(shù)據(jù)按照溫度、輸入信號(hào)強(qiáng)度2 個(gè)維度進(jìn)行分析，如圖2 所示，結(jié)果表明：對(duì)于單臺(tái)接收機(jī)來(lái)說(shuō)，同一溫度條件下，在大信號(hào)（-99～-84 dBm）輸入時(shí)AGC 電壓隨輸入信號(hào)強(qiáng)度呈線性變化，在小信號(hào)（≤-109 dBm）輸入時(shí)AGC 電壓存在明顯的壓縮特性，AGC 區(qū)分值不明顯；在-10～45 ℃范圍內(nèi)，不同溫度的AGC 曲線變化趨勢(shì)相同，其中45 ℃為最大值曲線，-10 ℃為最小值曲線。

圖2 不同溫度下接收機(jī)AGC 電壓隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的變化Fig. 2 Voltage changes of receiver AGC with input signal intensities at different temperatures

圖3 以溫度作為變化參數(shù)，可以得出如下結(jié)論：1）在接收通道輸入同一信號(hào)強(qiáng)度條件下，在-10～45 ℃范圍內(nèi)，AGC 電壓存在最大值、最小值；2）在小信號(hào)輸入時(shí)，AGC 電壓曲線的最大值與最小值差別大，在大信號(hào)輸入時(shí)，AGC 電壓曲線的最大值與最小值差別較小；3）AGC 電壓曲線在-126～-104 dBm 信號(hào)范圍內(nèi)分布密集，在-94～-84 dBm 分布均勻，曲線之間間隔很大。

圖3 不同輸入信號(hào)下接收機(jī)AGC 隨著溫度的變化情況Fig. 3 Changes of receiver AGC with temperatures under different input signals

基于以上數(shù)據(jù)分析可知，在進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析時(shí)，只考慮每臺(tái)單機(jī)的AGC 電壓存在最大值曲線、最小值曲線，不再考慮溫度因素。按照

進(jìn)行方差計(jì)算，其中，

得到19 臺(tái)產(chǎn)品全溫度試驗(yàn)AGC 最小值與最大值方差曲線，如圖4 所示：19 臺(tái)接收機(jī)在小信號(hào)時(shí)，最大值曲線的波動(dòng)不會(huì)超過(guò)0.20 V，最小值曲線的波動(dòng)不會(huì)超過(guò)0.23 V；在大信號(hào)時(shí)，最大值曲線與最小值曲線的波動(dòng)性趨于一致。

圖4 19 臺(tái)產(chǎn)品全溫度試驗(yàn)AGC 最小值與最大值方差曲線Fig. 4 Variance curve of minimum and maximum AGC values of 19 products in full temperature test

通過(guò)地面數(shù)據(jù)分析去型號(hào)化接收機(jī)4 批次產(chǎn)品的AGC 數(shù)據(jù)后可以確認(rèn)，該型產(chǎn)品穩(wěn)定性、一致性良好，個(gè)體間差異性小，可以通過(guò)多臺(tái)高靈敏度接收機(jī)的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行地面試驗(yàn)充分性分析。

3 在軌現(xiàn)象與原因分析

圖5 為2 臺(tái)接收機(jī)的在軌飛行數(shù)據(jù)與其整星熱真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，其中在軌數(shù)據(jù)來(lái)源于2020 年2 月發(fā)射入軌的新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星C 星、D 星，兩星上裝載的高靈敏度接收為中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司首批去型號(hào)化[2]產(chǎn)品，也是該型產(chǎn)品的首飛。

圖5 在軌整星狀態(tài)下AGC 變化情況Fig. 5 AGC changes of the whole-satellite in orbit

由圖5 可見(jiàn)，在整星熱真空試驗(yàn)過(guò)程中，接收機(jī)1 和接收機(jī)2 在無(wú)輸入信號(hào)時(shí)AGC 通道遙測(cè)值基本無(wú)變化，可以認(rèn)為在地面環(huán)境下通道底噪穩(wěn)定；衛(wèi)星發(fā)射入軌后，接收機(jī)的AGC 通道在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，AGC 遙測(cè)值與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)間有-0.3 V 的偏差，2 臺(tái)接收機(jī)表現(xiàn)異常。而且發(fā)射入軌的多臺(tái)接收機(jī)表現(xiàn)出同樣的異常現(xiàn)象，因此可以排除文獻(xiàn)[10]所述的靈敏度遙測(cè)參數(shù)異常下跳原因。

本文針對(duì)該異常現(xiàn)象進(jìn)行原因分析發(fā)現(xiàn)，在地面整星熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，接收機(jī)的AGC 電壓并不隨溫度變化有明顯變化，由圖6 可以看到，溫度在10～35 ℃范圍內(nèi)變化時(shí)AGC 電壓只有±0.02 V 的波動(dòng)，因此可以排除此異常由溫度變化導(dǎo)致。

圖6 地面熱真空整星狀態(tài)下AGC 電壓的變化情況Fig. 6 AGC voltage changes of the whole-satellite in ground thermal vacuum test

在軌飛行與地面試驗(yàn)相比僅有環(huán)境變化，在排除了溫度的影響后，可以確定空間環(huán)境噪聲變化是導(dǎo)致異常的唯一原因。從式(11)出發(fā)分析，在軌飛行航天器內(nèi)部的電子元器件[11]在飛行軌道上與地面具有不同的工作環(huán)境：

1）空間環(huán)境噪聲。包括衛(wèi)星接收天線內(nèi)部由天線周?chē)橘|(zhì)微粒的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和外部空間帶來(lái)的噪聲，起伏噪聲被天線吸收后進(jìn)入接收機(jī)，呈現(xiàn)為天線的熱起伏噪聲。除了天線熱噪聲、接收機(jī)電子器件中的電子噪聲[12]外，空間噪聲與地面噪聲表現(xiàn)出巨大的不同：空間噪聲指來(lái)自外層空間的電磁噪聲，噪聲源是由許多離散源構(gòu)成的天體陣，綜合各種源得到總的空間噪聲，頻段在20～1000 MHz之間，強(qiáng)度隨頻率的升高而迅速變小。然而接收機(jī)工作在2000 MHz 頻段，故可以認(rèn)為空間噪聲對(duì)接收機(jī)影響較小。

2）地面環(huán)境噪聲。對(duì)于高靈敏度接收機(jī)來(lái)說(shuō)，地面環(huán)境噪聲主要指人為干擾噪聲，特別是人類活動(dòng)在地球上產(chǎn)生的各種射頻干擾，來(lái)自移動(dòng)通信基站[13]、廣播電臺(tái)、導(dǎo)航設(shè)備、搜索雷達(dá)、微波中繼站等，頻率從百M(fèi)Hz 到GHz。雖然按照無(wú)線電規(guī)則，這些信號(hào)在中心頻率帶寬上與衛(wèi)星通信信號(hào)不重疊，但由于其旁瓣信號(hào)的存在、鄰近信號(hào)產(chǎn)生的交調(diào)和互調(diào)[14]等原因，衍生出的各階頻率抬高了環(huán)境的背景噪聲，給衛(wèi)星通信設(shè)備在地面上的調(diào)試、測(cè)試和試驗(yàn)帶來(lái)了一定影響。在大系統(tǒng)對(duì)接試驗(yàn)場(chǎng)景中，手機(jī)信號(hào)甚至產(chǎn)生過(guò)嚴(yán)重干擾。對(duì)于靈敏度[7]較高的衛(wèi)星接收設(shè)備，背景噪聲信號(hào)作為接收機(jī)的噪聲往往伴隨著接收機(jī)的生產(chǎn)、研制和試驗(yàn)全過(guò)程，即使航天器發(fā)射入軌前經(jīng)過(guò)各種環(huán)境試驗(yàn)，如熱試驗(yàn)、真空試驗(yàn)、EMC 兼容測(cè)試試驗(yàn)等，也不能完全模擬空間的真實(shí)環(huán)境，直到衛(wèi)星發(fā)射入軌后衛(wèi)星接收機(jī)表現(xiàn)出與地面環(huán)境下不同的性能。

基于以上分析可以看出，在軌飛行后接收機(jī)AGC 底噪較地面的幅值更小，表明接收機(jī)在軌飛行時(shí)具有較好的工作環(huán)境，故可認(rèn)為地面各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M的電磁試驗(yàn)條件比空間電磁環(huán)境更惡劣。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)現(xiàn)行去型號(hào)化接收機(jī)的環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范，利用在軌飛行數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證地面各項(xiàng)環(huán)境模擬試驗(yàn)的充分性。從AGC 原理出發(fā)，利用高靈敏度接收機(jī)AGC 電路對(duì)背景噪聲極其敏感的特性，通過(guò)對(duì)去型號(hào)化高靈敏度接收機(jī)的AGC 參數(shù)一致性進(jìn)行分析，得到去型號(hào)化接收機(jī)批次產(chǎn)品AGC 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、一致性良好，個(gè)體間差異性小的結(jié)論；然后通過(guò)多臺(tái)高靈敏度接收機(jī)在軌數(shù)據(jù)與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，分析通道底噪變小的可能原因，得到地面各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M的電磁試驗(yàn)條件比空間電磁環(huán)境更惡劣的結(jié)論。因此，底噪變化導(dǎo)致的異常可以排除產(chǎn)品的性能問(wèn)題，通道底噪變小是由環(huán)境變化導(dǎo)致的固有特性，具有較好一致性的去型號(hào)化接收機(jī)底噪變化幅值可以為后續(xù)型號(hào)發(fā)射任務(wù)提供經(jīng)驗(yàn)參考。