卫星EMC测试概览

卫星EMC测试概览 目录 03引言04卫星子系统与电子设备04何时应考虑进行EMC测试？06航天EMC标准概览07航天EMC测试指南基础- MIL-461 (GJB-151B/C)标准09创新的70 GHz频段卫星EMC测试以及洁净度测试10其他关键航天标准12电磁环境效应(E3)14快速傅里叶变换的优势15通过软件简化的EMC标准测试16结论17参考文献 引言 航天工业正经历一场重大变革。随着新航天(NewSpace)的兴起，向私营开发、低成本、可快速部署卫星的商业化转型正在加速，这推动了制造业及其支撑领域的更大需求。为确保这些卫星在发射、在轨运行及主动离轨期间的坚韧性、可靠性与安全操作，全面严格的EMC测试至关重要。卫星在多样化的条件下运行，包括任务时长、极端温度、辐射暴露以及电磁环境，这些因素均受其运行轨道(如低地球轨道、中地球轨道或地球静止轨道，见图1)的影响。 卫星是由多个子系统组成的整体，包括电源、推进、通信和有效载荷等。其中，复杂的电子元器件—如敏感的星载仪器、高速开关电路、传感器和天线――对整体运行性能起着至关重要的作用。尽管在航天系统中，人们非常关注航天级元器件的选择及其在全寿命周期内对辐射的耐受性，但确保EMC同样至关重要。 未经合理设计和测试以应对复杂电磁环境的系统，可能易受电磁干扰。这可能导致任务期间性能下降或发生意外故障，从而可能危及卫星维持通信、控制或可靠执行指令的能力。本质上，卫星在其运行寿命期内，既不能产生EMI，也不能受其影响。 1994年加拿大Telsat通信卫星(Anik-E1和E2)的事件，时刻提醒着我们EMC测试的重要性。该事件曾导致大范围的通信中断和昂贵的恢复工作。这个案例在今天仍然极具现实意义，因为新一代卫星，包括小型和纳卫星，通常集成了高密度电子设备、高速数字电路以及先进的子系统和组件。 航天系统的EMC标准不同于商业和汽车行业。航天EMC测试的一个关键差异在于对电磁环境效应(E3)的考量。此外，各航天标准中的EMC要求还包括了测试设置和程序的调整。 在构建测试系统以分析和验证卫星系统时，清晰理解这些特定的运行前需求至关重要。本白皮书概述了卫星EMC测试及适用标准，重点围绕EMI和EMS，强调了关键的技术挑战和重要的考量因素。 卫星子系统与电子设备 卫星由多个复杂且相互关联的子系统构成，包括综合有效载荷系统和支持子系统。如图2所示，它包含决定任务性质的有效载荷，以及保障卫星运行与稳定的平台。 综合有效载荷系统根据其任务目标，决定需要设计哪些组件和子系统。该系统使卫星能够执行特定的任务操作，包括对地观测、导航、电信、科学研究和太空探索。有效载荷包括任务专用仪器，如通信设备(转发器、接收机和发射机)、合成孔径雷达、天线、相机等。 卫星平台，亦称支持子系统，负责处理核心的发射及在轨功能。它们是不同敏感模块和电子元器件的组合，支持诸如电源、推进、通信、姿态控制、指令、星载数据处理(见图2)等功能。它们需要为有效载荷提供一个稳定的平台，以确保其在任务期间有效运行。 简而言之，卫星由任务专用的有效载荷和其他复杂的子系统层级构建而成，每一层级都承担着关键功能。这个层级结构始于元器件层面，包括单个部件和模块，如电源、传感器、天线、发射机、接收机、通信阵列、科学仪器等；进而上升到子系统层面，即将功能组件进行集成；最终，这些部分在系统层面集成为一颗完整的卫星。 何时应考虑进行EMC测试？ 在设计开发过程的早期阶段就纳入对EMI的考量至关重要。图3展示了EMC问题发现时机与整体项目成本的关系，其明确指出，越早发现问题，成本就越低。密集的敏感电子设备布局，加上对组装完成后的卫星进行接触的物理限制，会大幅增加返工或重新设计的难度和成本。 各个子系统中包含会产生EMI的有源电子元器件。尽管它们可能经过单独测试，但在集成到完整的卫星单元时，仍会引入互调和谐波干扰的风险。每个模块都必须在受控的EMC合规状态下正常工作，以确保后续组装的更高成功率。 在开发、组装和集成阶段，所有这些子系统—无论是有效载荷、通信系统、平台系统、天线、电源还是电子模块――都需经过大量测试。根本上，完整卫星系统将经历包含热真空测试(TVAC)的功能性能验证流程。整个系统在模拟测试环境中，还需验证其在处于外部动态且不可预测的环境中执行任务时的内部系统兼容性。卫星系统必须可靠运行，并能与其他电子设备互操作而无共存干扰。这在卫星运行的所有阶段都至关重要。从卫星发射、在轨运行到主动离轨过程的任何环节发生故障风险，都可能导致任务失败。 在这方面的一个关键测试挑战是管理无意的射频发射和不足的射频抗扰度。EMC测试，包括EMI测试和EMS测试，对于最小化这些风险和提高操作成功率至关重要。早期阶段的EMC测试有助于管理产品设计时间线，使工程师能够在组件或子系统层级识别和解决问题，从而减少返工和成本。最终，目标是确保符合相关标准化机构定义的EMC要求。 航天EMC标准概览 从广义上讲，EMC标准因市场而异，具体取决于设备的特定运行环境和应用领域。就航空相关的电磁兼容性标准而言，MIL-STD-461 (GJB-151B/C)是其他航天标准建立的基础(见表1)。 航天中的电磁环境是多方面的，需同时考虑系统内与系统间的电磁兼容性。系统内测试侧重于卫星内部子系统之间的相互作用――例如，卫星子模块与有效载荷之间――以确保它们在无电磁干扰的情况下运行。相比之下，系统间测试则处理不同独立系统之间的电磁相互作用，例如运载火箭与卫星之间，或在邻近轨道运行的多颗卫星之间。系统间的电磁兼容性问题可能使卫星暴露于来自外部系统的干扰信号，例如与项目未必直接相关的跟踪雷达，这些信号可能在任务期间对卫星造成干扰。一个很好的例子是无意辐射对天文学界的影响。根据《天文学》杂志报道，一项利用低频阵列射电望远镜开展的荷兰研究表明，新一代星链卫星所产生的无意电磁辐射水平显著高于第一代。尽管SpaceX已努力降低卫星亮度，但无线电干扰问题似乎仍在加剧。尽管干扰源尚不确定，但据信其可能源自推进系统或航空电子设备等机载电子设备³。 由于卫星发射操作中EMC干扰的复杂性，欧洲和美国的航天EMC标准组织已根据实际应用场景和操作经验，起草了相应版本的EMC指南(见表2)。 航天EMC标准组织在监管领域扮演着重要角色： 1、通过系统间和系统内的EMC考量，确保卫星运行的可靠性。2、保护太空资产，以最小化任务失败的风险。3、通过协调一致的设计与测试实践，支持国内及国际法规。 这些指南参考了美国国防部的MIL-STD-461 (GJB-151B/C)和MIL-STD-464标准，并进行了最适于太空环境的修改。 航天EMC测试指南基础- MIL-461 (GJB-151B/C)标准 目前使用的G版MIL-STD-461 (GJB-151B/C)定义了一套适用于航天系统的EMC测试用例。表3展示了测试参考编号、描述、频率及航天系统适用性，其中： “A”表示适用于该航天系统“L”表示有限的航天系统适用性，具体如标准各章节所规定“S”表示采购方必须在采购文件中明确其航天系统适用性 如表3详述，该测试范围评估传导发射、辐射发射、传导敏感度与辐射敏感度。 一个基本的辐射发射与抗扰度测试案例如图6所示，即RE102和RS103的设置。测试通常在EMC暗室中进行，被测设备放置于标准定义的80-90厘米高度的测试台上，测试天线则按照标准建议安装在120厘米的固定高度。 RE102测试程序用于验证被测设备及其相关线缆产生的电场辐射发射不超过规定限值。该限值适用于所有在同一环境中运行的航天系统。基本设置包括数据记录设备、测量接收机、天线、信号发生器和线路阻抗稳定网络。在实际设计中，对应为测试软件、测试接收机、接收天线、信号发生器、LISN及配套附件。 在RE102测试中，针对不同频段会使用标准化的不同天线，以最大限度降低因测试天线规格覆盖差异而导致的测试不确定性。这些天线被放置在距离卫星被测设备1米的位置。 配备阻抗匹配网络的棒状天线，适用于10 kHz至30 MHz频段双锥天线，适用于30 MHz至200 MHz频段双脊喇叭天线，适用于200 MHz至1 GHz频段小型双脊喇叭天线，适用于1 GHz至18 GHz频段 RS103测试用于测量设备对辐射电磁场的敏感度，对于评估卫星在2 MHz至40 GHz高频干扰下的性能至关重要。其频率覆盖范围取决于具体适用性。该测试案例综合考虑了故障风险、性能下降及其操作容限，并概述了在EMC测试室内的测试布置、校准流程、电场探头操作流程、被测设备测试以及数据呈现方式。辐射敏感度测试所需的关键设备包括信号发生器、功率放大器、功率传感器、发射天线、线路阻抗稳定网络、测试软件及相关附件。功率放大器和发射天线的组合由预期的测试严酷度等级决定。鉴于投资成本，通常会对解决方案进行优化。 创新的70 GHz频段卫星EMC测试以及洁净度测试 创新EMC测试技术：扩频至70 GHz 随着卫星技术的不断发展，EMC测试技术也需要持续创新。以卫星间高速中继的核心频段为例，其工作频率在60 GHz附近，以支撑全球高效、低延时通信的要求；另外，60 GHz器件工艺为未来更高频率的卫星通信奠定技术基础，未来的工作频段可能会扩频至100 GHz；且射电天文保护频段(59.3 GHz-60 GHz)与气象卫星的工作频段存在共存问题，基于上述的要求和存在的问题，推进卫星高频的EMC测试，包括测试频率的扩展以及测试场强的提升。目前，R&S为卫星客户提供了40 GHz-70 GHz的辐射发射测试系统，以及40 GHz-70 GHz，200 V/m的辐射抗扰度测试系统，为业界内首次交付。系统控制器TS9975辐射射测试系统按照：GJB151B/C，RS102 (40 GHz to 70 GHz) 创新测试技术：洁净度 功率计卫星升空后，对太阳电磁波动进行测量；也要测量月、地空间的星际等离子体波动，其测量结果可用于太阳物理和月、地空间的研究，其测试数据，可用于预报空间天气，保障空间设施的安全。 基于上述测试需求，要求系统的洁净度极高，要达到-40dBuV/m/Hz的量级。 系统控制器1m为了满足上述的测试需求，以R&S接收机为基础，配合高灵敏度测试天线，完成了指定频段内的测试要求，达到了测试效果。 其他关键航空标准 AIAA 美国航空航天学会是航空与航天领域的一个专业非营利性学会。为业界提供技术信息支持，其标准包含了23个测试案例，其中对运载火箭、航天飞行器系统和地面设备的要求进行了进一步分析。相关规范详见表4。该标准融合了MIL-STD-464和MIL-STD-461(GJB-151B/C)的内容，并包含了自身专为航天操作定制的测试参考与适应性调整。 AIAA标准包含更广泛的适用测试案例，覆盖了从天线的各种考量，其操作风险谱更宽。总体而言，它采用了为太空环境设计的、更为严格的辐射敏感度标准。AIAA标准针对关键电路和电触发装置接口—那些同时参考直流不发火电平和射频不发火电平的接口—进一步规定了其EMI安全裕度等级。 EID是“一个单一单元、装置或子组件，其利用电能来产生不可逆的爆炸、烟火、热学或机械输出” 。“不发火”电平指的是在特定持续时间内，可施加于EID而不会触发其不可逆输出的最大电激励量值。 GSFC 由NASA太空研究实验室制定的GSFC标准主要侧重于地球科学任务。如表5(下页)所述，该标准包含22个测试案例，其中许多基于MIL-STD-461G测试。然而，也存在一些差异；例如，新的传导发射测试案例以及涵盖瞬态、电源线上传导敏感度的CS106测试方法，参考的是较早版本的MIL-STD-461F。 ECSS 欧洲各航天机构联合发起成立了欧洲太空标准化合作组织，旨在为所有欧洲太空项目创建一套共同的标准，以提升质量、确保兼容性并降低成本。为此制定的ECSS-E-ST-20标准，旨在为航天项目中