小卫星星座系统级EMC设计与验证

陶成华 李延东

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

以多星编队和多组卫星组网模式运行的小卫星星座，是小卫星发展和应用的重要方向[1-3]。卫星配置多种并行工作的载荷、卫星更高的功能密度比、多星协同工作、星间互连互通等，是小卫星及其星座发展的重要特点和优势所在。在此背景下，小卫星星座的系统级电磁兼容性(EMC)设计和验证问题变得更加突出和困难[4-9]。其主要问题和难点如下。

(1)单颗小卫星的数据传输链路主要包括对地测控链路和对地数传链路，而小卫星星座为了便于星座的在轨管理和数据传输，往往要增加星间测控链路和星间数传链路，以实现卫星间的互连互通功能。星间链路的增加，加大了卫星系统级EMC设计在频域分配和隔离的难度。

(2)小卫星星座一般采用一箭多星发射、在轨快速组网，需要尽量压缩卫星的发射质量，因此卫星集成度要进一步提高，功能密度比要进一步扩大。卫星大量功能设备安装在狭小的空间内，特别是各类射频天线往往都集中安装在面积只有1～2 m2的结构板上，天线之间的距离很近。同时，为了满足各天线的视场需求，天线之间的安装高度没有大的差异，导致天线之间的互相耦合比以往卫星更加严重，由此更是加大了卫星系统级EMC设计在空域分配和隔离的难度。

(3)小卫星星座在轨工作时，还经常要进行多颗卫星和多种载荷的协同配合，需要在任务载荷工作的同时通过星间链路将多颗卫星的载荷数据实时汇集到星座中某一颗卫星上进行快速处理、下传，需要多台具有不同任务功能、不同电磁辐射特性的载荷设备同时开机工作，配合完成既定的复杂任务。因此，多台载荷设备之间、载荷设备与星间链路之间，无法通过分时工作的方式规避彼此之间可能存在的电磁兼容问题，由此加大了卫星系统级EMC设计在时域分配和隔离的难度。

文献[4-9]中介绍了卫星EMC设计中相关技术，包括收发潜在干扰频率分析、干扰抑制和隔离、接收设备屏蔽处理、收发天线隔离设计、接地设计等设计及验证技术。其中，强调了频域、空域和时域隔离对于EMC的重要性，但是没有提出面向卫星系统EMC设计及验证难题的解决措施或可供借鉴的措施。在不改变星载各单机EMC设计特性的前提下，本文根据前述3个难点，提出了基于最小资源占用的星座系统级EMC设计理念和基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证策略，并通过具体应用证明了其可行性和有效性。

1 基于最小资源占用的星座系统级EMC设计

基于最小资源占用的星座系统级EMC设计理念，是针对小卫星星座在频域、空域和时域的分配和隔离难题，通过整合频率资源和设备资源，确保在星座层面的频域、空域和时域的资源需求最小化，从而降低资源分配和隔离的难度，达到系统电磁兼容的目的。

1.1 设计流程

由于小卫星星座系统级EMC设计存在频域、空域和时域分配和相互隔离的难度，系统级EMC设计不能再像以往卫星一样，依照卫星功能设备需求，对3个域进行简单的需求分配和隔离设计。在此情况下，系统级EMC设计要同时完成资源占用的优化设计，确保在频域、空域和时域不仅完成资源的分配，还要尽可能实现足够的隔离度，提高设备间的电磁兼容裕度，给最终的工程实现留下更多的余量。图1是小卫星星座系统级EMC设计的流程，在其中2处流程节点进行了频域资源和设备资源的占用最小化设计。

图1 基于最小资源占用的EMC设计流程Fig.1 EMC design flow based on minimum resources occupied

从图1可见，首先要完成功能梳理和列表分析，进行时域的分配，明确各功能在时域的重叠情况。对于时域非重叠的功能，需要开展频域资源占用最小化设计，即对于分时工作的功能设备，可以将其频率进行部分或者完全的复用设计。频域资源占用最小化，可以减少频率申请和报批，压缩整星频率的数量和频段的数量；可以在频率分配和隔离设计时，具有更大的灵活性，具备更好的隔离度，提高最终设备间的电磁兼容裕度；可以压缩整星各设备射频器件、材料的规格，实现尽可能多的器件和材料的统一选用。此后，可以开展各功能在频域的分配，明确频率重叠的功能。对于频域重叠的功能，需要开展设备资源占用最小化设计，即尽可能考虑整台单机或功能模块、组件的复用设计，以减少整星的功能设备数量。设备资源占用最小化，可以节省质量、功耗和经费；可以方便进一步的空域分配和隔离设计。系统级EMC设计还要结合卫星的构型布局设计，完成空域的分配和隔离设计，从而保证各功能模块和设备间的电磁兼容。上述设计完成后，就能实现单颗卫星对频率资源和设备资源的最小占用。最后，还要统筹考虑星座多颗卫星，统一进行资源占用最小化设计，从而实现整个星座的设备状态统一、成本降低，满足星座统一设计、组批生产的要求，以更加符合现代小卫星工业化和商业化的特点。

1.2 典型设计案例

为了进一步阐述基于最小资源占用的星座系统级EMC设计理念，下面结合某小卫星星座系统级EMC设计，举例说明。该小卫星星座中每颗卫星需要具备独立的对地测控链路和独立的对地数传链路，这2条链路与以往卫星相同，其中测控链路包括上行、下行各1个频点，使用S频段。对地数传仅1个下行频点，使用X频段。此外，为了完成星座功能，需要具备与其他卫星双向通信的星间测控链路，以及向其他卫星传送载荷数据的高速的单向星间数传链路，这2条链路均使用X频段。

按照以往卫星的系统级EMC设计，在设计前已经完成了频率资源的申请和分配。一颗卫星需要申请和占用的频率资源为：对地测控占用S频段2个频点(上行/下行各1个频点)，对地数传占用X频段1个频点，星间测控占用X频段2个频点(前向/返向各1个频点)，星间数传占用X频段1个频点。对于由N颗卫星组成的小卫星星座，需要申请和占用的频率资源为：S频段频点数2N，X频段频点数4N。如果星座卫星数N很大时，大量的频率资源占用申请很难获得批准。此外，频点数量过多，需要相应配备的滤波器、放大器的种类和规格也多；星上射频谐波和杂波特性会更加复杂，从而产生更多的组合干扰频率，导致频率隔离和抑制更加复杂和困难。频率资源占用过多，会降低设备间的电磁兼容裕度，导致最终电磁兼容问题难以解决。本文的小卫星星座采用基于最小资源占用的小卫星星座系统级EMC设计思想，解决了该难题。

(1)按照图1的流程，经过时域分配，星座各卫星的对地数传和星间数传是分时工作的，在时域上是非重叠的。因为星座各卫星要么直接通过对地数传链路将载荷数据传输到地面，要么通过星间数传链路将载荷数据传输到其他卫星，再通过其他卫星转发到地面，因此不会出现这2条链路同时工作的情形。因此，在实现频域资源占用最小化设计时，可将星间数传的频率设置成与对地数传的频率相同。

(2)在频域分配设计时，星座各卫星的星间数传频点分配在X频段，而星间测控频点也分配在X频段，从功能上看，星间数传的频点为发射频点，星间测控的前向频点也为发射频点，两者之间不存在电磁兼容问题，因此可以将这2个频点设置成相邻的频点。同时，为了提高设备间的电磁兼容裕度，尽可能实现频率域的隔离，卫星的星间测控返向频点作为接收频点，选择与这2个发射频点差异尽可能大的X频段其他频点。以进行相互通信的2颗卫星为例：A卫星的星间测控发射和星间数传发射频点选择在X频段的低端，如8 GHz附近；A卫星的星间测控接收频点则选择在X频段的高端，如9 GHz附近。B卫星的星间测控接收频点选择在A卫星的发射频点上，B卫星的星间测控发射和星间数传发射频点选择在A卫星的接收频点上。这样设计之后，单颗卫星上的收发频点能实现尽可能大的隔离，提高电磁兼容裕度，减少后续空域分配的难度。更重要的是，可以实现设备资源的共享，例如可以共用发射天线，可以共用接收天线、共用前级放大器、滤波器等，从而实现设备资源占用的最小化。

(3)由于已经实现了星间数传和对地数传的频率复用设计，因此可进一步考虑两者的设备资源复用设计。在系统设计时，可以考虑将卫星的星间数传帧格式、码速率、编码方式等设计成与对地数传完全相同，而对地数传的相关参数仅需要与地面接收系统协调一致即可。在功能设计上，由于不需要考虑星间数传和对地数传同时工作的模式，因此在链路参数和频率完全相同的情况下，可以设计成星间数传和对地数传设备尽可能的复用。其原理框图如图2所示，星间数传和对地数传通过一个微波开关进行切换，实现分时工作在星间数传或对地数传模式。选择通过开关切换，是因为对地数传和星间数传在具体通信链路的方向上有区别，对地数传是面向地面站传输，星间数传是面向卫星间传输，因此天线的朝向存在差异。另外，对地数传和星间数传的通信距离存在差异，对发射天线的增益要求不同，因此很难设计成一副天线，这样就需要通过微波开关在2副天线间进行切换。经过以上设备的复用设计，能实现星间数传和对地数传设备绝大部分设备的共用，达到设备资源最小占用的目的。

图2 星间数传和对地数传统一设计Fig.2 Unified design of data transmission to intersatellite and ground

(4)在小卫星星座层面，尽可能考虑频率资源的最小占用。采取的主要措施是，相同功能的链路选择相同的频点，通过采用不同扩频码进行码分的方式实现星座不同卫星间的干扰抑制。星座所有卫星的对地测控频点选择相同的上行/下行频点对，各卫星对地测控的发射功率和接收灵敏度均相同，优选相关特性良好的扩频码，不同扩频码间具有不低于15 dB的抗干扰能力。通过码分的方式，避免星座内各卫星间的相互干扰，实现一个测控站对星座多颗卫星的同时测控，节省对地面测控站资源的占用。由于星座内不同卫星的对地测控频点一致，除了与扩频码相关的数字基带软件外，星座内所有星载应答机的射频组件、下位机、测控天线，均统一设计、批量生产、高度互换，从而实现基于统计概率的抽样环境试验验证、批次验收，以及星座内不同卫星间星载设备研制生产资源的最大共用。星座所有卫星的星间测控频点选择相同的前向/返向频点对，与对地测控链路相同，通过扩频码分的方式实现星座不同卫星间的干扰抑制，进而实现星座内不同卫星的星间测控链路设备状态统一。

采用基于最小资源占用的小卫星星座系统级EMC设计后，对于由N颗卫星组成的星座，其频率规划优化情况见表1。

图3对不同卫星数量下频率规划优化设计前后的星座频点占用数量进行了比对。结果表明：在星座卫星数量越多时，优化设计带来的益处越明显。因此，对于多颗卫星组网的小卫星星座而言，星座规模越大，卫星数量越多，基于最小资源占用的EMC设计在解决系统EMC难题的同时，更能显著降低卫星的频率和设备(含模块、组件、器件)资源需求，有利于卫星研制时的设备状态统一和批量生产，以及基于统计概率的抽样验证和测试，显著节约卫星研制成本。

表1 基于最小资源占用的星座频率规划

图3 不同卫星数量下的星座频率规划比对Fig.3 Contrast of constellation frequency layout for different amount of satellites

2 基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证

基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证策略，是针对小卫星星座系统级EMC特性复杂，频域、空域和时域上隔离难度大，各功能设备间的电磁兼容裕度小的难题，采用不同于以往集中在整星测试验证的策略，通过分级、分步的EMC特性模拟和EMC验证，大大降低了整星集中验证所存在的各设备间电磁不兼容的风险。

2.1 验证流程

以往卫星通常在进行系统级EMC仿真分析、设计后，编制系统级EMC设计规范，各单机和分系统按照规范进行设计和验证，最终通过卫星研制总体单位组织的验收测试，功能性能符合之后交付卫星研制总体单位，由卫星研制总体单位组织完成整星总装、测试与试验(AIT)后，通过整星EMC试验进行验证。对于小卫星星座，上述EMC验证流程已经不太适用。从第1节分析可知，即使采取了基于最小资源占用的系统级EMC设计，由于星座增加了星间通信链路等功能，星座的射频设备和频点数量也比一般的卫星要多，EMC特性更加复杂，设备间的频域隔离特性更差，最终导致星座EMC设计裕度较小，EMC设计结果往往比较临界。如果按照一般小卫星的EMC验证流程执行，则很大可能是在完成星座AIT后，通过星座EMC试验才能发现EMC问题，而系统EMC问题在后期发现时，可供采取的措施很有限，需要付出的代价也更大。为了降低技术风险，本文的小卫星星座采用基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证思想，流程如图4所示。

图4 基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证流程Fig.4 EMC verification flow based on simulated boundary conditions

2.2 EMC验证实施

按照图4的流程，在完成系统EMC仿真分析后，进行系统EMC初步设计，确定系统EMC重点设备和EMC薄弱环节，作为开展EMC设计和测试验证时的关注重点。

小卫星星座通信天线数量较多，在优先满足各天线辐射特性需求的前提下，通过优化天线布局提高接收和发射设备的天线隔离度，是实现系统EMC的重要措施。而天线布局的优化需要依据辐射模型(RM)星测试结果作为支撑。在各天线单元设计并生产出工艺件之后，可以安排第一阶段的系统级EMC验证——RM星测试。RM星是在真实星体的基础上经过适当简化，实现对各天线辐射边界条件的准确模拟。各单元天线按照设计结果，安装在RM星星体对应位置。在RM星上既要测试各单元天线及天线阵在星体辐射边界条件下的方向图，判断其结果是否满足设计要求，还要测试各单元天线间的隔离度，为系统级EMC分析提供必要的参数。

图5是本文小卫星星座2副天线之间的隔离度测试结果。可以看出：这些天线在不同频点处的隔离度变化很大，变化范围为46～80 dB，而在小卫星上大部分设备之间的电磁兼容裕度都不足10 dB，因此必须要保证RM星测试时对各天线辐射边界条件模拟的真实性，并且参加试验的天线单元也要与正样天线技术状态一致，以保证在RM星上进行天线隔离度测试的有效性。

图5 某小卫星星座2副天线在RM星上天线隔离度测试结果Fig.5 Isolation test results between two antennas on one RM satellite

在RM星测试后，还要分步骤进行多次模拟边界条件下的EMC验证，尤其对EMC裕度较小的项目进行重点验证，以便在出现裕度超差时提前采取补救措施。某对收发设备的EMC裕度仿真结果如图6所示。可见，这对收发设备间的EMC裕度偏小。如果在最后的整星EMC试验时发现这2台设备电磁不相容，再采取补救措施，往往需要对设备进行返厂修改，甚至要重新投产设备，代价很大，并且会影响整星研制进度。因此，有必要尽可能早安排专项EMC验证，而进行验证的前提是准确模拟边界条件。在生产完发射设备、接收设备及相应天线工艺件后，安排这2台设备的专项EMC验证。试验在RM星上进行，采用的射频电缆比实际电缆短1～2 m，从而将试验状态加严。实测结果表明：2台设备电磁兼容良好。为了实现最终的电磁兼容，在这2台设备的正样产品研制时，将发射设备的带外杂波抑制度指标和接收设备的滤波器带外抑制指标作为强制检验参数进行检验，检验结果都没有出现超差。

图6 某对收发设备间的EMC裕度仿真结果Fig.6 EMC abundance ratio simulation result between transmitting and receiving equipments

基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证的目标，是顺利通过整星EMC试验验证。整星EMC试验验证的具体做法比较成熟，本文不再赘述。针对小卫星星座的特点，对整星EMC试验验证有如下建议：小卫星星座经过前面的逐级分步式EMC验证之后，在整星EMC试验验证阶段可以考虑抽样2颗卫星进行整星EMC试验，因为经过2颗卫星的整星EMC试验，可以确认整星EMC设计正确无误，同时经过2颗卫星的试验结果比对，可以确认与整星EMC结果相关的工艺和过程操作的稳定性、一致性。整星EMC试验与此前的RM星测试和专项EMC验证相同，同样重视对电磁边界条件的模拟：整星推入EMC暗室中进行，保证了周围电磁环境的洁净度；卫星除太阳翼等组件外，技术状态与在轨飞行状态相同，保证了卫星自身电磁辐射的真实性；地面测试设备模拟卫星在轨飞行时相应的地面系统状态，保证了卫星外部接口电磁特性模拟的准确性。

综上所述，本文小卫星星座系统级EMC验证工作依次包括RM星测试、多次专项EMC试验、最终的整星EMC试验验证，经过这样完整的基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证，对星座系统级EMC特性进行了全面完整的测试验证，保证了系统在轨运行的电磁兼容性。

2.3 典型应用案例

本文小卫星星座进行基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证时，出现过具有代表性的事件。这个事件的出现及最终的解决方法都充分说明了开展逐级分步式EMC验证的必要性。

经过系统级EMC仿真计算和RM星测试，获取了星上各无线设备间的EMC裕度，虽然裕度较小，但是没有互相电磁不兼容的射频设备。而在进行专项EMC试验时，发现有2台无线设备存在电磁不兼容的情况，其主要EMC参数如图7所示。复查其相关电磁参数的实测结果，并未发现超差情况，证明2台设备间的电磁干扰信号不是发射设备载波信号的带外分量。通过实测和分析，确定干扰信号是发射设备的带外宽带噪声。接收机实测的抗宽带噪声的能力为-170 dBm/Hz。对发射设备输出的带外噪声功率谱进行测量，结果为-80 dBm/Hz，经过天线耦合，到达接收机入口的接收机带内噪声功率谱密度为-147 dBm/Hz，超过了接收机的抗干扰门限，因此导致2台设备EMC不合格。根据从干扰源头解决问题的原则，在发射设备输出端增加一个带通滤波器，在接收设备工作频段内提高抑制度30 dB以上。该滤波器是波导型腔体滤波器(见图8)，其接口与普通波导相同，可以将发射设备输出端的一截波导替换为该滤波器，增加的插入损耗小于0.2 dB。实测滤波器对带外噪声的抑制优于35 dB。因此，最终这2台设备的电磁兼容裕度优于12 dB。经过专项EMC试验复测，以及后续整星EMC试验测试，2台设备的EMC良好。

图7 某对收发设备间的EMC参数Fig.7 EMC parameters of transmitting and receiving equipments

图8 腔体滤波器外形Fig.8 Figuration of cavum filter

2台设备出现电磁不兼容的情况，一方面是由于在进行系统级EMC分析时，仅进行了发射设备工作载波信号的带外抑制分析，没有进行宽带噪声干扰分析，属于分析漏项；另一方面说明了进行逐级分步式EMC验证的必要性，如果按照以往卫星处理，该问题会最终在整星EMC试验时才能发现，由于此时星上设备众多，宽带噪声干扰信号很难定位其辐射源，排查问题很难。此外，需要研制新的滤波器才能解决该问题，因此有可能造成整星研制进度的延迟；而通过基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证，在卫星研制的初期就发现了问题和准确确定了问题原因，提前启动了滤波器的研制，避免了对整星研制进度可能造成的不利影响。

3 结束语

本文提出了基于最小资源占用的星座系统级EMC设计理念和基于模拟边界条件的逐级分步式EMC验证策略，经过具体卫星的工程实践验证，系统有效地解决了小卫星星座系统级EMC设计及验证的难题，在优化了系统EMC性能的同时，还优化了系统的整体性能，如简化了系统的配置和空间、频率占用等，降低了卫星研制中的EMC相关技术风险和进度风险，可为其他小卫星星座系统级EMC设计提供参考。小卫星星座系统级EMC设计实践是一个系统性的工程课题，需要通过多个任务的不断探索实践才能形成科学规范的设计实践准则，本文的研究结果可作为这些准则形成的基础。