衛(wèi)星導(dǎo)航專用暗室測試環(huán)境建設(shè)研究

何 健,譚志強(qiáng),任伯峰,周海俊

（1.中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心,河南 洛陽 471003；2.北京市懷柔區(qū)裝備學(xué)院,北京101416）

0 引言

微波暗室又稱無回波室，是一個(gè)能吸收高頻電磁能，而反射、散射及投射都極小的材料覆蓋在房間內(nèi)的各個(gè)面上所構(gòu)成的空間。微波暗室試驗(yàn)環(huán)境具有可控性和可重復(fù)性好，不受外界環(huán)境和多徑效應(yīng)影響等方面的優(yōu)勢，能夠有效的排除環(huán)境雜波的干擾。因此，在電子信息、航天、航空等高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于它有效地模擬了自由空間無電磁回波的條件，因而可以用來進(jìn)行各種類型的微波測量，更重要的是能大大提高測試精度和工作效率。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航的快速發(fā)展和導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，越來越多的導(dǎo)航終端設(shè)備將應(yīng)用到各行各業(yè)，因此針對導(dǎo)航終端設(shè)備的性能需要專用的測試場地和測試環(huán)境，針對大批量多型號的終端測試，最高效的測試方式就是采用暗室環(huán)境測試，配合有導(dǎo)航信號模擬器。因此針對導(dǎo)航終端試驗(yàn)，測試單位應(yīng)該建設(shè)專用的導(dǎo)航暗室[2]。

本文主要對導(dǎo)航終端類設(shè)備進(jìn)行測試的暗室環(huán)境進(jìn)行了一定的分析，論述了導(dǎo)航終端設(shè)備對暗室規(guī)模和靜區(qū)等方面的最低要求，同時(shí)還針對較大規(guī)模的導(dǎo)航專用暗室進(jìn)行研究論證，提出了一些建設(shè)構(gòu)想。

1 微波暗室分類

微波暗室按形狀分主要分為矩形、錐形、喇叭形三種形狀。尤其是使用頻率向高、低兩端的擴(kuò)展，促進(jìn)了矩形、錐形暗室的發(fā)展，并得到了廣泛應(yīng)用。

1.1 喇叭形微波暗室

喇叭形微波暗室的長處是,墻壁的表面積比同類矩形微波暗室小，使用吸波材料也少等。但缺點(diǎn)是，使用時(shí)需準(zhǔn)確調(diào)整發(fā)射天線的位置，使用空間小被測物只能在一個(gè)固定地方進(jìn)行測量在某種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,因此其應(yīng)用范圍與發(fā)展受到限制。

1.2 錐形微波暗室

在低頻時(shí),由于錐形暗室發(fā)散的幾何形狀,避免了來自側(cè)墻、地板和天花板大角度鏡面反射,因而低頻特性比矩形暗室好。另外由于室內(nèi)的表面積小,吸波材料用量少,因而造價(jià)相對矩形暗室低，但錐形暗室使用的條件受到限制，第一，由于空間傳輸損耗與自由空間不一樣，因而只能用比較法測量天線增益。第二，只能作單端測量，對于像北斗一代測試時(shí)的用戶機(jī)收發(fā)雙向無線測試不能適用。

1.3 矩形微波暗室

矩形與錐形微波暗室在主要的電波傳播方向特性、靜區(qū)的性能等方面是相同的。矩形微波暗室能避免錐形微波暗室的缺點(diǎn),它的通用性較好,微波暗室的兩端均好使用，在遠(yuǎn)場試驗(yàn)時(shí)矩形暗室的通用性要好于其它暗室。錐形對于多源、動源測試等是不適用的，也不能提供絕對場強(qiáng)的測試。同時(shí)有些用戶機(jī)用戶機(jī)測試時(shí)需要用戶機(jī)收發(fā)雙向信號，所以錐型暗室無法滿足要求，固只能選取矩形暗室。

綜合考慮，衛(wèi)星導(dǎo)航用暗室主要工作頻段為1GHz-3GHz，且測試中要求考慮雙向測試要求，即被測設(shè)備存在收發(fā)特性。錐形和喇叭形暗室可擴(kuò)展性和暗室利用率較低，因此暗室形狀首選矩形。

2 暗室設(shè)計(jì)中需考慮的因素

2.1 規(guī)模設(shè)計(jì)

規(guī)模設(shè)計(jì)是暗室設(shè)計(jì)的前提，規(guī)模設(shè)計(jì)中要充分分析測試規(guī)模、建造周期、經(jīng)費(fèi)等因素，在此基礎(chǔ)上依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算暗室的長、寬、高的尺寸。

在暗室設(shè)計(jì)中，首先要明確測試規(guī)模，比如滿足多套用戶機(jī)并行測試還是單套用戶機(jī)測試，當(dāng)然這與建造周期、經(jīng)費(fèi)有必然的聯(lián)系。根據(jù)用途的不同，暗室的設(shè)計(jì)規(guī)模有所不同。本文主要按照滿足單套用戶機(jī)性能測試要求的規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 暗室性能

暗室設(shè)計(jì)中核心的指標(biāo)是暗室的性能，主要包括靜區(qū)的大小、靜區(qū)的性能、幅度均勻性等指標(biāo)。導(dǎo)航終端設(shè)備測試中依據(jù)被測設(shè)備天線尺寸可確定暗室靜區(qū)大小，同時(shí)跟據(jù)相關(guān)測試精度要求可反向推算靜區(qū)的性能。幅度均勻性可依據(jù)測試要求進(jìn)行推算。

2.3 屏蔽性要求

屏蔽性要求，主要依據(jù)暗室建造地點(diǎn)、周邊電磁環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)選取相應(yīng)的吸波材料，建造的金屬外殼屏蔽體。同時(shí)還要綜合考慮建設(shè)成本以及國內(nèi)現(xiàn)有工藝水平。如建設(shè)地點(diǎn)周邊電磁環(huán)境較為復(fù)雜可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.4 輔助設(shè)施要求

輔助設(shè)施如供電、照明、接地、通風(fēng)、火災(zāi)告警等對于暗室的性能以及使用都是比較重要的內(nèi)容，因此在設(shè)計(jì)中要求充分考慮。

3 衛(wèi)星導(dǎo)航暗室設(shè)計(jì)

3.1 暗室規(guī)模設(shè)計(jì)

為了能夠滿足測試的需要，可建設(shè)滿足單套衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備輻射式測試條件的小型暗室。該暗室主要用于衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備的整機(jī)接收指標(biāo)測試。為了保證測試精度，應(yīng)該在滿足天線遠(yuǎn)場條件下進(jìn)行測試。如圖1所示。

圖1 暗室尺寸示意圖

對于目前主流導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻點(diǎn)分析，由下述公式可計(jì)算出測試距離R：

根據(jù)圖中所示，假定暗室長為L，寬為W，遠(yuǎn)場距離為R，發(fā)射天線距離前墻體R1，靜區(qū)長度為R2，接收天線距后墻體為R3。

3.1.1 測試天線與轉(zhuǎn)臺的距離應(yīng)滿足遠(yuǎn)場條件。

遠(yuǎn)場條件應(yīng)滿足下式：

D1、D2 為收發(fā)天線的最大尺寸，分別為40cm、25cm；

λ為工作頻率的最小波長,取12cm（對應(yīng)于最高工作頻率2.5GHz）；

通過計(jì)算，R≥3.7m，該數(shù)據(jù)是理論上的最小值，這里取測試距離按3.8m來考慮。

3.1.2 暗室寬度及高度

暗室的工作頻率為1GHz-3GHz，吸收率按40dB計(jì)，主反射區(qū)吸波材料的高度應(yīng)不小于750mm。寬度應(yīng)保證電波入射角不超過60°。入射角大于60°，吸波性能明顯下降。一般從電性能和經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)考慮，暗室寬度和長度之比應(yīng)在1/2～1/3之間。

取吸波材料的入射角θ為45°，則暗室的內(nèi)部凈寬度W應(yīng)不小于4m，加上吸波材料的長度，暗室寬度的最小寬度應(yīng)為5.5m，考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚凳覍挾榷?.2m。暗室高度設(shè)計(jì)一般與寬度相當(dāng)。

3.1.3 暗室長度

根據(jù)上述計(jì)算，暗室收發(fā)天線附近墻壁吸波材料厚度d1、d2分別按0.6m、0.9m考慮，靜區(qū)長度R2按0.6m設(shè)計(jì)，一般情況R1按0.5m-0.7m考慮，R3約為測試距離的1/3左右，暗室凈長度L按以下公式計(jì)算：

考慮留有一定余量，暗室長度按7.2m設(shè)計(jì)。綜上分析因此暗室凈尺寸為7.2m（長）×4m（寬）×4m（高）。再考慮吸波材料厚度以及屏蔽體厚度，外推建設(shè)暗室所需空間最小尺寸約為9m（長）×6.2m（寬）×6.2m（高）。

3.2 暗室性能設(shè)計(jì)

3.2.1 靜區(qū)性能[3]

根據(jù)被試衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備情況，天線直徑一般在0.4m以內(nèi)，暗室的靜區(qū)應(yīng)大于該數(shù)值，因此取0.6m×0.6m×0.6m即可滿足測試要求。根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備測試要求，其功率測量精度為0.3dB，按測試精度0.2dB計(jì)算，靜區(qū)性能的計(jì)算公式：

靜區(qū)性能為R(反射系數(shù))

代入數(shù)據(jù)得R=0.0115，轉(zhuǎn)換成dB數(shù)值得到R＝－38.7dB。故暗室的靜區(qū)性能應(yīng)優(yōu)于-40dB設(shè)計(jì)。

3.2.2 幅度均勻性分析

在衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備測試中，由于用戶設(shè)備在測試臺上要保持天線相位中心不變，因此測試靜區(qū)指標(biāo)中的軸向幅度均勻性對測試結(jié)果無影響，可不對該指標(biāo)進(jìn)行要求。而橫向均勻性與用戶設(shè)備性能測試關(guān)系密切，按暗室靜區(qū)設(shè)計(jì)要求，取值一般為±0.25dB。

3.3 屏蔽性設(shè)計(jì)

由于衛(wèi)星導(dǎo)航終端性能測試中，測試信號環(huán)境幅度較小主要處于-160dBm以下，因此暗室的屏蔽性設(shè)計(jì)主要考慮周邊電磁環(huán)境對其測試的影響，在對周邊電磁環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上提出屏蔽性能要求。以目前一般戶外環(huán)境為例，非工作期間背景信號幅度約-50dBm，工作期間信號幅度約-30dBm，若暗室屏蔽性能按100dB設(shè)計(jì)（國軍標(biāo)C級或與之相當(dāng)?shù)谋Ｃ軜?biāo)C級）[4]，結(jié)合吸波材料對信號的吸收性（約30dB）環(huán)境信號可降低至-160dBm左右，滿足衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備測試條件。

4 關(guān)于大型導(dǎo)航專用暗室的構(gòu)想

根據(jù)未來衛(wèi)星導(dǎo)航模擬系統(tǒng)和抗干擾技術(shù)的發(fā)展，例如多星多路輸出的模擬器，采用自適應(yīng)調(diào)零天線的導(dǎo)航終端設(shè)備，配合多角度多方向的干擾信號源，其對暗室建設(shè)的要求將進(jìn)一步提高，需要專用的大型微波暗室才能滿足要求。

在裝有自適應(yīng)調(diào)零天線的終端性能測試方面，可采用多路輸出的GSS7790導(dǎo)航信號模擬器，該模擬器為思博倫公司產(chǎn)品。能夠獨(dú)立輸出最多12路的衛(wèi)星模擬信號。

導(dǎo)航信號模擬系統(tǒng)的發(fā)射天線可以考慮部分安裝在暗室頂部，部分布設(shè)于四周墻壁。模擬器根據(jù)仿真場景模擬出實(shí)際天空中的衛(wèi)星分布情況，因此在暗室頂部和四周墻壁發(fā)射天線空間位置分布需要和模擬的仿真場景匹配，為此每一個(gè)天線的位置都需經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算得出。為保證個(gè)通道的時(shí)延一致性，每一個(gè)天線到轉(zhuǎn)臺中心的距離都必須嚴(yán)格測定，導(dǎo)航信號模擬器的射頻口到發(fā)射天線之間的射頻電纜的長度也必須嚴(yán)格測定，以保證各路信號在整個(gè)發(fā)射鏈路中時(shí)延是已知并可控。因此其鏈路的設(shè)計(jì)與標(biāo)定需要專業(yè)的技術(shù)人員。

考慮暗室大小，天線到轉(zhuǎn)臺中心的距離不得少于4m，以保證天線發(fā)出的射頻信號在到達(dá)轉(zhuǎn)臺中心的終端時(shí)的傳輸波形可以近似于平面，滿足暗室測試的遠(yuǎn)場條件。并且暗室墻壁上安裝的吸波材料本身有1m左右的長度，再加上暗室中心測試臺至少2m左右的高度，因此暗室的高度應(yīng)不小于8m。如果在暗室四周墻壁上再布設(shè)相關(guān)導(dǎo)航天線或測試天線，暗室的長度和寬度也必須也滿足遠(yuǎn)場條件。

由于暗室頂部和四周墻壁的空間和空域只能模擬部分衛(wèi)星空中信號來波方向，因此模擬導(dǎo)航系統(tǒng)的仿真運(yùn)行時(shí)間受到嚴(yán)格的限制。同時(shí)對于暗室中心的測試臺也有更高的要求，應(yīng)至少具備方位360°無限制轉(zhuǎn)動和俯仰±100°的能力。

在大暗室的設(shè)計(jì)中，天線的安裝位置至關(guān)重要。具體天線的安裝位置上，可以通過對實(shí)際導(dǎo)航衛(wèi)星星座進(jìn)行場景模擬，可以針對一個(gè)或是多個(gè)時(shí)刻的場景進(jìn)行仿真模擬。時(shí)刻的模擬可以分別選取不同的PDOP值作為依據(jù)，也可選根據(jù)特定需求選取，具體方案可根據(jù)不同需求進(jìn)一步明確。

圖2 星座仿真三位效果圖

圖3 俯視效果圖

圖2為隨機(jī)選定的三個(gè)時(shí)刻的GPS、北斗星座仿真在暗室頂部和墻壁周圍的投影效果圖。根據(jù)星座仿真結(jié)果將導(dǎo)航信號發(fā)射天線投射到暗室的天頂和四周墻壁，不同的仿真時(shí)刻，仿真結(jié)果不同，可根據(jù)要求自行選定，同時(shí)為節(jié)約天線數(shù)量，降低建造成本，也可以將仿真結(jié)果中緊鄰的幾個(gè)天線和為一個(gè)天線，可以相應(yīng)的控制成本。

圖3、圖4、圖5分別為長、寬、高不同方向的側(cè)視效果圖。

5 結(jié)束語

圖4 寬度方向側(cè)視效果圖

圖5 長度方向側(cè)視效果圖

小型衛(wèi)星導(dǎo)航專用暗室在設(shè)計(jì)中考慮諸如照明、通風(fēng)、用電等方面的技術(shù)要求，可根據(jù)測試系統(tǒng)工作要求進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。本文主要針對簡單測試條件，對暗室的整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了初步地研究和分析。同時(shí)針對仿真程度更高的大型專用暗室也進(jìn)行了建設(shè)研究，提出了一些建設(shè)思路，具體建設(shè)中還需要進(jìn)一步分析論證。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在民用和軍事中的作用不斷加強(qiáng)，導(dǎo)航設(shè)備與導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)融入到生活工作的方方面面，越來越多的導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)備走進(jìn)千家萬戶，因此需要功能性能更加完備的專用暗室為導(dǎo)航終端設(shè)備提供測試環(huán)境。

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