卫星导航专用暗室测试环境建设研究

何 健,谭志强,任伯峰,周海俊

（1.中国洛阳电子装备试验中心,河南 洛阳 471003；2.北京市怀柔区装备学院,北京101416）

0 引言

微波暗室又称无回波室，是一个能吸收高频电磁能，而反射、散射及投射都极小的材料覆盖在房间内的各个面上所构成的空间。微波暗室试验环境具有可控性和可重复性好，不受外界环境和多径效应影响等方面的优势，能够有效的排除环境杂波的干扰。因此，在电子信息、航天、航空等高技术领域得到广泛应用。由于它有效地模拟了自由空间无电磁回波的条件，因而可以用来进行各种类型的微波测量，更重要的是能大大提高测试精度和工作效率。

随着卫星导航的快速发展和导航系统的建成，越来越多的导航终端设备将应用到各行各业，因此针对导航终端设备的性能需要专用的测试场地和测试环境，针对大批量多型号的终端测试，最高效的测试方式就是采用暗室环境测试，配合有导航信号模拟器。因此针对导航终端试验，测试单位应该建设专用的导航暗室[2]。

本文主要对导航终端类设备进行测试的暗室环境进行了一定的分析，论述了导航终端设备对暗室规模和静区等方面的最低要求，同时还针对较大规模的导航专用暗室进行研究论证，提出了一些建设构想。

1 微波暗室分类

微波暗室按形状分主要分为矩形、锥形、喇叭形三种形状。尤其是使用频率向高、低两端的扩展，促进了矩形、锥形暗室的发展，并得到了广泛应用。

1.1 喇叭形微波暗室

喇叭形微波暗室的长处是,墙壁的表面积比同类矩形微波暗室小，使用吸波材料也少等。但缺点是，使用时需准确调整发射天线的位置，使用空间小被测物只能在一个固定地方进行测量在某种程度上喇叭形微波暗室固有的有效散射面比矩形微波暗室大等,因此其应用范围与发展受到限制。

1.2 锥形微波暗室

在低频时,由于锥形暗室发散的几何形状,避免了来自侧墙、地板和天花板大角度镜面反射,因而低频特性比矩形暗室好。另外由于室内的表面积小,吸波材料用量少,因而造价相对矩形暗室低，但锥形暗室使用的条件受到限制，第一，由于空间传输损耗与自由空间不一样，因而只能用比较法测量天线增益。第二，只能作单端测量，对于像北斗一代测试时的用户机收发双向无线测试不能适用。

1.3 矩形微波暗室

矩形与锥形微波暗室在主要的电波传播方向特性、静区的性能等方面是相同的。矩形微波暗室能避免锥形微波暗室的缺点,它的通用性较好,微波暗室的两端均好使用，在远场试验时矩形暗室的通用性要好于其它暗室。锥形对于多源、动源测试等是不适用的，也不能提供绝对场强的测试。同时有些用户机用户机测试时需要用户机收发双向信号，所以锥型暗室无法满足要求，固只能选取矩形暗室。

综合考虑，卫星导航用暗室主要工作频段为1GHz-3GHz，且测试中要求考虑双向测试要求，即被测设备存在收发特性。锥形和喇叭形暗室可扩展性和暗室利用率较低，因此暗室形状首选矩形。

2 暗室设计中需考虑的因素

2.1 规模设计

规模设计是暗室设计的前提，规模设计中要充分分析测试规模、建造周期、经费等因素，在此基础上依据相关经验公式计算暗室的长、宽、高的尺寸。

在暗室设计中，首先要明确测试规模，比如满足多套用户机并行测试还是单套用户机测试，当然这与建造周期、经费有必然的联系。根据用途的不同，暗室的设计规模有所不同。本文主要按照满足单套用户机性能测试要求的规模进行设计。

2.2 暗室性能

暗室设计中核心的指标是暗室的性能，主要包括静区的大小、静区的性能、幅度均匀性等指标。导航终端设备测试中依据被测设备天线尺寸可确定暗室静区大小，同时跟据相关测试精度要求可反向推算静区的性能。幅度均匀性可依据测试要求进行推算。

2.3 屏蔽性要求

屏蔽性要求，主要依据暗室建造地点、周边电磁环境进行设计，同时选取相应的吸波材料，建造的金属外壳屏蔽体。同时还要综合考虑建设成本以及国内现有工艺水平。如建设地点周边电磁环境较为复杂可参照相关标准进行设计。

2.4 辅助设施要求

辅助设施如供电、照明、接地、通风、火灾告警等对于暗室的性能以及使用都是比较重要的内容，因此在设计中要求充分考虑。

3 卫星导航暗室设计

3.1 暗室规模设计

为了能够满足测试的需要，可建设满足单套卫星导航用户设备辐射式测试条件的小型暗室。该暗室主要用于卫星导航用户设备的整机接收指标测试。为了保证测试精度，应该在满足天线远场条件下进行测试。如图1所示。

图1 暗室尺寸示意图

对于目前主流导航系统的工作频点分析，由下述公式可计算出测试距离R：

根据图中所示，假定暗室长为L，宽为W，远场距离为R，发射天线距离前墙体R1，静区长度为R2，接收天线距后墙体为R3。

3.1.1 测试天线与转台的距离应满足远场条件。

远场条件应满足下式：

D1、D2 为收发天线的最大尺寸，分别为40cm、25cm；

λ为工作频率的最小波长,取12cm（对应于最高工作频率2.5GHz）；

通过计算，R≥3.7m，该数据是理论上的最小值，这里取测试距离按3.8m来考虑。

3.1.2 暗室宽度及高度

暗室的工作频率为1GHz-3GHz，吸收率按40dB计，主反射区吸波材料的高度应不小于750mm。宽度应保证电波入射角不超过60°。入射角大于60°，吸波性能明显下降。一般从电性能和经济观点考虑，暗室宽度和长度之比应在1/2～1/3之间。

取吸波材料的入射角θ为45°，则暗室的内部净宽度W应不小于4m，加上吸波材料的长度，暗室宽度的最小宽度应为5.5m，考虑适当的余量，暗室宽度定为6.2m。暗室高度设计一般与宽度相当。

3.1.3 暗室长度

根据上述计算，暗室收发天线附近墙壁吸波材料厚度d1、d2分别按0.6m、0.9m考虑，静区长度R2按0.6m设计，一般情况R1按0.5m-0.7m考虑，R3约为测试距离的1/3左右，暗室净长度L按以下公式计算：

考虑留有一定余量，暗室长度按7.2m设计。综上分析因此暗室净尺寸为7.2m（长）×4m（宽）×4m（高）。再考虑吸波材料厚度以及屏蔽体厚度，外推建设暗室所需空间最小尺寸约为9m（长）×6.2m（宽）×6.2m（高）。

3.2 暗室性能设计

3.2.1 静区性能[3]

根据被试卫星导航用户设备情况，天线直径一般在0.4m以内，暗室的静区应大于该数值，因此取0.6m×0.6m×0.6m即可满足测试要求。根据卫星导航用户设备测试要求，其功率测量精度为0.3dB，按测试精度0.2dB计算，静区性能的计算公式：

静区性能为R(反射系数)

代入数据得R=0.0115，转换成dB数值得到R＝－38.7dB。故暗室的静区性能应优于-40dB设计。

3.2.2 幅度均匀性分析

在卫星导航用户设备测试中，由于用户设备在测试台上要保持天线相位中心不变，因此测试静区指标中的轴向幅度均匀性对测试结果无影响，可不对该指标进行要求。而横向均匀性与用户设备性能测试关系密切，按暗室静区设计要求，取值一般为±0.25dB。

3.3 屏蔽性设计

由于卫星导航终端性能测试中，测试信号环境幅度较小主要处于-160dBm以下，因此暗室的屏蔽性设计主要考虑周边电磁环境对其测试的影响，在对周边电磁环境监测的基础上提出屏蔽性能要求。以目前一般户外环境为例，非工作期间背景信号幅度约-50dBm，工作期间信号幅度约-30dBm，若暗室屏蔽性能按100dB设计（国军标C级或与之相当的保密标C级）[4]，结合吸波材料对信号的吸收性（约30dB）环境信号可降低至-160dBm左右，满足卫星导航用户设备测试条件。

4 关于大型导航专用暗室的构想

根据未来卫星导航模拟系统和抗干扰技术的发展，例如多星多路输出的模拟器，采用自适应调零天线的导航终端设备，配合多角度多方向的干扰信号源，其对暗室建设的要求将进一步提高，需要专用的大型微波暗室才能满足要求。

在装有自适应调零天线的终端性能测试方面，可采用多路输出的GSS7790导航信号模拟器，该模拟器为思博伦公司产品。能够独立输出最多12路的卫星模拟信号。

导航信号模拟系统的发射天线可以考虑部分安装在暗室顶部，部分布设于四周墙壁。模拟器根据仿真场景模拟出实际天空中的卫星分布情况，因此在暗室顶部和四周墙壁发射天线空间位置分布需要和模拟的仿真场景匹配，为此每一个天线的位置都需经过严格的计算得出。为保证个通道的时延一致性，每一个天线到转台中心的距离都必须严格测定，导航信号模拟器的射频口到发射天线之间的射频电缆的长度也必须严格测定，以保证各路信号在整个发射链路中时延是已知并可控。因此其链路的设计与标定需要专业的技术人员。

考虑暗室大小，天线到转台中心的距离不得少于4m，以保证天线发出的射频信号在到达转台中心的终端时的传输波形可以近似于平面，满足暗室测试的远场条件。并且暗室墙壁上安装的吸波材料本身有1m左右的长度，再加上暗室中心测试台至少2m左右的高度，因此暗室的高度应不小于8m。如果在暗室四周墙壁上再布设相关导航天线或测试天线，暗室的长度和宽度也必须也满足远场条件。

由于暗室顶部和四周墙壁的空间和空域只能模拟部分卫星空中信号来波方向，因此模拟导航系统的仿真运行时间受到严格的限制。同时对于暗室中心的测试台也有更高的要求，应至少具备方位360°无限制转动和俯仰±100°的能力。

在大暗室的设计中，天线的安装位置至关重要。具体天线的安装位置上，可以通过对实际导航卫星星座进行场景模拟，可以针对一个或是多个时刻的场景进行仿真模拟。时刻的模拟可以分别选取不同的PDOP值作为依据，也可选根据特定需求选取，具体方案可根据不同需求进一步明确。

图2 星座仿真三位效果图

图3 俯视效果图

图2为随机选定的三个时刻的GPS、北斗星座仿真在暗室顶部和墙壁周围的投影效果图。根据星座仿真结果将导航信号发射天线投射到暗室的天顶和四周墙壁，不同的仿真时刻，仿真结果不同，可根据要求自行选定，同时为节约天线数量，降低建造成本，也可以将仿真结果中紧邻的几个天线和为一个天线，可以相应的控制成本。

图3、图4、图5分别为长、宽、高不同方向的侧视效果图。

5 结束语

图4 宽度方向侧视效果图

图5 长度方向侧视效果图

小型卫星导航专用暗室在设计中考虑诸如照明、通风、用电等方面的技术要求，可根据测试系统工作要求进行具体设计。本文主要针对简单测试条件，对暗室的整体结构和关键指标进行了初步地研究和分析。同时针对仿真程度更高的大型专用暗室也进行了建设研究，提出了一些建设思路，具体建设中还需要进一步分析论证。随着卫星导航技术在民用和军事中的作用不断加强，导航设备与导航技术已经融入到生活工作的方方面面，越来越多的导航应用设备走进千家万户，因此需要功能性能更加完备的专用暗室为导航终端设备提供测试环境。

[1]郑生全,黄松高.电波暗室静区性能及设计要点[J].电波暗室专刊,2005.

[2]秦毅,蓝朝良.暗室工程概念设计[J].电子信息对抗技术,2009.

[3]刘汝兵,刘海涛.小型微波暗室的静区分析[J].机电技术,2011.

[4]王向阳,郑兴,何洪涛,高向东.微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响[J].电讯技术,2010.

[5]师建龙,全厚德,甘连仓,洪军.微波暗室静区反射电平计算方法研究[J].舰船电子工程,2010.

[6]郑星,汪连栋.缩比模型试验技术在射频仿真暗室设计中的应用[J].电视技术,2008.