應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航與對抗的穹形滿天星暗室的仿真設(shè)計(jì)

滿 豐，麻建朝，秦衛(wèi)華，張 明

應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航與對抗的穹形滿天星暗室的仿真設(shè)計(jì)

滿 豐1，麻建朝1，秦衛(wèi)華1，張 明2

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 湖南矩陣電子科技有限公司，長沙 410205）

針對當(dāng)前信息化戰(zhàn)爭背景下衛(wèi)星導(dǎo)航裝備對無線測試環(huán)境的應(yīng)用需求，結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)外暗室發(fā)展現(xiàn)狀，對矩形、穹形兩種暗室進(jìn)行選型分析，從靜區(qū)特性、應(yīng)用性能等方面進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析，最終采用穹形暗室作為暗室選型方案。通過滿天星天線布局，模擬真實(shí)環(huán)境中的衛(wèi)星軌跡和信號(hào)，構(gòu)建與真實(shí)環(huán)境高度逼真的無線測試環(huán)境，能夠有效支撐衛(wèi)星導(dǎo)航裝備尤其是波束成形抗干擾終端的測試，填補(bǔ)了國內(nèi)在穹形滿天星暗室方面的設(shè)計(jì)空白，可指導(dǎo)工程實(shí)踐應(yīng)用。

穹形暗室；滿天星；靜區(qū)；衛(wèi)星導(dǎo)航

0 引言

在當(dāng)前信息化戰(zhàn)爭背景下，衛(wèi)星導(dǎo)航裝備更加聚焦復(fù)雜電磁環(huán)境下的實(shí)戰(zhàn)性能和對抗性能，裝備相關(guān)的測試、評(píng)估系統(tǒng)也要求具備相應(yīng)的復(fù)雜電磁環(huán)境快速構(gòu)建能力、導(dǎo)航對抗作戰(zhàn)場景仿真與性能評(píng)估能力、導(dǎo)航裝備論證試驗(yàn)?zāi)芰σ约把b備全周期全過程科研生產(chǎn)、試驗(yàn)檢定、問題復(fù)盤、實(shí)戰(zhàn)演訓(xùn)和裝備保障能力。

在各種試驗(yàn)環(huán)境中，基于暗室的無線測試環(huán)境因其環(huán)境可控、場景可自定義、試驗(yàn)過程可重復(fù)等特點(diǎn)，在裝備復(fù)雜電磁環(huán)境仿真模擬上具備不可替代的優(yōu)勢，能夠構(gòu)建復(fù)雜電磁環(huán)境高逼真模擬、無線試驗(yàn)條件低成本易部署、各環(huán)節(jié)有機(jī)互動(dòng)促進(jìn)的一體化裝備仿真測試綜合試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

通過國內(nèi)外基于暗室的無線測試環(huán)境發(fā)展趨勢可以看出，暗室測試環(huán)境總體由矩形到穹形進(jìn)行轉(zhuǎn)變，天線布局由單天線到多天線再到滿天星布局發(fā)展。

1.1 國外暗室現(xiàn)狀

國外暗室測試環(huán)境經(jīng)歷了從前期“矩形暗室”測試環(huán)境到“矩形暗室+環(huán)形組件”測試環(huán)境再到目前的“穹形暗室”測試環(huán)境的變化路線，穹形結(jié)構(gòu)暗室測試環(huán)境逐步成熟，越來越受到關(guān)注。

1）理論研究

國外暗室發(fā)展過程中，在理論研究方面較為深入，系統(tǒng)性強(qiáng)，很好地指導(dǎo)了工程實(shí)踐應(yīng)用。

文獻(xiàn)[1]提出，可采用橢球結(jié)構(gòu)方案。在橢球一個(gè)焦點(diǎn)安裝輻射源，另一個(gè)焦點(diǎn)安裝高效能吸波材料，被測件置于橢球中心。該方案中，所有一次反射信號(hào)，均會(huì)匯聚于吸波材料，不會(huì)對測試區(qū)域產(chǎn)生影響[1]，如圖1所示。

圖1 橢球結(jié)構(gòu)方案反射信號(hào)路徑

由于一次反射信號(hào)路徑避開測試區(qū)域，因此，不會(huì)在暗室測試區(qū)域中產(chǎn)生干擾測試的多徑信號(hào)，也不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)反射影響導(dǎo)航產(chǎn)品測試的情況。但是該方案僅能布設(shè)一個(gè)輻射源，且輻射源位置固定，還無法布設(shè)干擾源。

文獻(xiàn)[2]提出，采用球形結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢更加顯著。該方案中，輻射源放于球體表面，吸波材料放置在球體另一側(cè)的聚焦線上，如圖2所示。

圖2 球形結(jié)構(gòu)方案反射信號(hào)路徑

由于球形為絕對對稱結(jié)構(gòu)，因此，所有的一次、二次及多次反射，均不會(huì)經(jīng)過測試區(qū)域[2]。依據(jù)該方案，信號(hào)輻射源數(shù)量不受限制，安裝位置不受限制，具有更好的適用性。該論文指出，球形暗室性能優(yōu)于矩形暗室。

2）典型工程應(yīng)用

國外在衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品測試領(lǐng)域，穹形微波暗室應(yīng)用相對較早，各主要大國均有成熟案例。實(shí)際應(yīng)用表明，穹形微波暗室在多星座聯(lián)合仿真、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬等方面具有不可替代的優(yōu)勢。具備典型參考價(jià)值的暗室有歐盟EMSL（The European Microwave Signature Laboratory）、日本Zoned Chamber實(shí)驗(yàn)室。

（1）歐盟EMSL

根據(jù)歐盟聯(lián)合研究中心（European Commission Joint Research Center，JRC）最新發(fā)布的報(bào)告，JRC進(jìn)行GNSS相關(guān)測試的暗室采用穹形架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

該暗室的整體結(jié)構(gòu)是半球形圓頂和圓柱形圓頂?shù)慕Y(jié)合體，直徑為20 m，半球形圓頂?shù)闹行奈挥诘孛嫔戏? m處，沿著兩部分之間的間隙安裝一個(gè)圓形拱，以支持軌道系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 EMSL暗室外形圖

（2）日本Zoned Chamber暗室

日本目前已有穹形暗室的實(shí)際建設(shè)與應(yīng)用案例，由東京電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社與美國思博倫共同建設(shè)。

思博倫是較早提出穹形暗室思路的廠商，按照“區(qū)域暗室”路徑進(jìn)行構(gòu)建，即在暗室內(nèi)將球面分為多個(gè)區(qū)，每個(gè)分區(qū)中都有一個(gè)天線，廣播該分區(qū)內(nèi)所有可見衛(wèi)星信號(hào)，模擬衛(wèi)星空中移動(dòng)，同一顆衛(wèi)星的信號(hào)可從一個(gè)分區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)分區(qū)，并持續(xù)廣播，如圖4所示。

圖4 Zoned Chamber暗室內(nèi)部圖

在思博倫發(fā)布的報(bào)告中提出，穹形暗室在減少干擾信號(hào)、提升衛(wèi)星信號(hào)波束控制等方面具有優(yōu)勢，在抗干擾測試中能發(fā)揮重大作用。

通過上述穹形暗室工程應(yīng)用案例可以看出，穹形結(jié)構(gòu)暗室已成為國外暗室發(fā)展的重要趨勢，其在仿真測試精度、復(fù)雜場景構(gòu)建等方面優(yōu)勢逐漸凸顯，相關(guān)穹形結(jié)構(gòu)暗室構(gòu)建技術(shù)逐漸成熟，將成為高端測試暗室的一大主流。

1.2 國內(nèi)暗室現(xiàn)狀

國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航測試暗室以傳統(tǒng)的矩形結(jié)構(gòu)為主，功能較單一，環(huán)境較簡單。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航測試需求的大量出現(xiàn)，暗室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，形態(tài)也出現(xiàn)多種樣式，一是采用近立方體結(jié)構(gòu)，暗室中可采用合路或滿天星結(jié)構(gòu)仿真導(dǎo)航衛(wèi)星星座，并可構(gòu)建一定數(shù)量的干擾源，實(shí)現(xiàn)在方形空間中對穹形使用需求的模擬近似[3]；二是采用錐形結(jié)構(gòu)，降低成本提高使用豐富性，但是信號(hào)分布式布局和干擾環(huán)境模擬能力不足；三是采用拱形天線布局方式，在一個(gè)維度或兩個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)圓形環(huán)境的構(gòu)建。近些年，國內(nèi)有關(guān)單位進(jìn)行了積極探索和嘗試，陸續(xù)設(shè)計(jì)制造了一些具有一定穹形特征的微波暗室，如圓柱形、半球形（國外承建）等，暗室使用效能得到進(jìn)一步提升。最近，西安導(dǎo)航技術(shù)研究所基于先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，瞄準(zhǔn)復(fù)雜電磁環(huán)境仿真，設(shè)計(jì)制造了穹形暗室，將無線測試環(huán)境模擬仿真能力提升到一個(gè)新高度?？梢灶A(yù)見，國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航無線測試環(huán)境構(gòu)建中，穹形暗室將逐步在復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建、多系統(tǒng)星座聯(lián)合仿真、分布式室內(nèi)導(dǎo)航對抗與戰(zhàn)情推演中扮演越來越重要的角色，承擔(dān)越來越重要的使命任務(wù)。

2 暗室選型影響因素

暗室性能是衡量暗室方案的先決條件，暗室主要選型因素包括靜區(qū)性能、一次反射信號(hào)特性和暗室區(qū)域可用性等[4]。

1）靜區(qū)性能

針對不同類型的暗室，靜區(qū)性能中首先需要比較的是靜區(qū)尺寸，需充分覆蓋被測件大??；其次是靜區(qū)應(yīng)位于暗室?guī)缀沃行狞c(diǎn)附近，便于被測件放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上測試；最后是靜區(qū)電平，靜區(qū)電平直接反映靜區(qū)內(nèi)非測試相關(guān)信號(hào)強(qiáng)度水平，該指標(biāo)越小、越均勻，則靜區(qū)性能越好。

2）一次反射信號(hào)特性

暗室性能中需要考慮的另一個(gè)因素為信號(hào)的一次反射傳播路徑。因?yàn)樾盘?hào)由天線播發(fā)后經(jīng)過一次反射有可能進(jìn)入測試區(qū)域內(nèi)，影響測試區(qū)域內(nèi)電平，對被測件造成干擾導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確，因此暗室內(nèi)一次反射應(yīng)最大可能避開測試區(qū)域。

3）暗室區(qū)域可用性

最后一個(gè)需要考慮的因素是暗室區(qū)域可用性。暗室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能提高其對稱性，確保暗室內(nèi)特性不均勻的區(qū)域盡可能小，從而保證暗室內(nèi)部靜區(qū)空間占比更大；同時(shí)暗室內(nèi)可用于布設(shè)天線的區(qū)域足夠多，提高暗室利用率。

3 暗室性能仿真

基于上述理論，根據(jù)國內(nèi)外暗室的發(fā)展及現(xiàn)狀，通過仿真手段比較矩形與穹形暗室的優(yōu)劣。

衛(wèi)星導(dǎo)航測試暗室的仿真模擬要求完成多源天線（模擬衛(wèi)星）的微波暗室混響特性模擬[5]，涉及多源天線的時(shí)、空、頻三域表征、微波暗室部件（轉(zhuǎn)臺(tái)、滑軌等）和吸波背景墻的電磁表征以及天線與微波暗室全要素的一體化耦合建模，進(jìn)而獲取暗室內(nèi)部任意位置場值的幅相分布并提取靜區(qū)相關(guān)電磁參數(shù)。

本文采用基于廣角寬帶數(shù)字材料模型的全暗室端到端射線追蹤仿真方案，使用FASTEM軟件，兼顧效率和精度。射線追蹤起全空間耦合和時(shí)間耦合的作用，能夠?qū)⑽⒉ㄊ覂?nèi)場部件計(jì)入電磁互作用評(píng)估[6]。相比傳統(tǒng)射線追蹤，本方案基于吸波材料、支撐結(jié)構(gòu)、饋源以及轉(zhuǎn)臺(tái)等部件的準(zhǔn)確模型化及其相互間的耦合作用，特別是作為主要誤差源的吸波材料和吸波結(jié)構(gòu)，采用廣角寬帶數(shù)字模型解決材料的空間色散和頻率色散、旁瓣和柵瓣建模問題。

3.1 暗室總體設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)定矩形暗室長和寬為12 m、高為8.5 m，穹形暗室直徑為12 m、高為8.5 m，約為3/4球體，如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)對真實(shí)衛(wèi)星星座時(shí)空特性的高精度模擬以及復(fù)雜電磁環(huán)境的構(gòu)建，暗室內(nèi)布設(shè)幾十個(gè)單星導(dǎo)航天線、上百個(gè)干擾天線（部分復(fù)用導(dǎo)航天線）。天線均采用寬帶設(shè)計(jì)，覆蓋L和S頻段。BDS/GPS/GLONASS/Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及QZSS/IRNSS區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)的信號(hào)均能通過單星導(dǎo)航天線實(shí)現(xiàn)任何地點(diǎn)和姿態(tài)的滿天星信號(hào)播發(fā)需求。干擾天線用于模擬實(shí)現(xiàn)不同來向的分布式干擾，并能在統(tǒng)一的控制下進(jìn)行基于時(shí)間同步的協(xié)同干擾。

（a）矩形12 m×12 m×8.5 m（b）穹形12 m×12 m×8.5 m

為了盡可能模擬真實(shí)衛(wèi)星星座并滿足長時(shí)間抗干擾和波束成形的測試需求，根據(jù)衛(wèi)星軌跡以及相對被測件的方位角和俯仰角，選擇相對位置最為接近的天線切換發(fā)射信號(hào)，以模擬真實(shí)環(huán)境中不同來向的衛(wèi)星信號(hào)和干擾信號(hào)。根據(jù)目前的工程水平與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用如圖6所示的天線布設(shè)方案。

圖6 天線布設(shè)三維投影示意圖

3.2 暗室性能仿真

以1×1×1 m3靜區(qū)空間作為指標(biāo)評(píng)估對象，選取9個(gè)采樣平面（//每個(gè)方向3個(gè)，覆蓋靜區(qū)的邊界和中心位置）實(shí)施靜區(qū)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，評(píng)估矩形和穹形暗室凈空間的幅度不平度、交叉極化度和最大反射率電平等指標(biāo)。

圖5的矩形和穹形暗室的靜區(qū)性能對比如表1所示，由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，在衛(wèi)星導(dǎo)航工作頻段內(nèi)，穹形暗室性能優(yōu)于矩形暗室。

表1 矩形和穹形暗室靜區(qū)性能對比

注：饋源位置敏感度由靜區(qū)指標(biāo)（幅度不平度和最大反射率電平）隨饋源位置變化的標(biāo)準(zhǔn)差決定。

3.3 暗室應(yīng)用性能仿真

由于穹形暗室在衛(wèi)星導(dǎo)航工作頻段內(nèi)具有更優(yōu)的綜合性能，因此基于穹形暗室開展應(yīng)用仿真，如圖7所示，并結(jié)合當(dāng)前的波束成形抗干擾用戶終端天線的工程水平，評(píng)估穹形暗室的應(yīng)用性能。不同陣元數(shù)的陣列天線的3 dB波束寬度如表2所示。

圖7 穹形暗室三維示意圖

表2 不同陣列天線成形波束寬度

單星導(dǎo)航天線分布俯仰角在0°～90°、方位角0°～360°的空域范圍內(nèi)。在該布局下對不同測試狀態(tài)的誤差角度進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算：

1）狀態(tài)1：目標(biāo)載體高度為0 m仿真精度計(jì)算

目標(biāo)載體高度為0 m，緯度-90°～90°，經(jīng)度0°～360°，以1°為間隔，構(gòu)建極坐標(biāo)單位矢量進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算真實(shí)場景下信號(hào)在每顆衛(wèi)星來向矢量和對應(yīng)暗室環(huán)境下天線輻射來向矢量之間的夾角誤差，并對一周內(nèi)的所有誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如下：

（1）平均夾角為：5.908 79°；

（2）最大值為：12.278°；

（3）大于10°的比例為：2.61%；

（4）大于12°的比例為：0.019%。

狀態(tài)1時(shí)每個(gè)經(jīng)緯度網(wǎng)格的平均角度誤差如圖8所示。

圖8 高程為0時(shí)，信號(hào)來向角度平均誤差統(tǒng)計(jì)圖

可以看出，對于0高度的場景，角度誤差基本能控制在10°以內(nèi)，基本能夠支持所有場景25振元天線的波束成形的指向測試；而超過12°角度誤差的概率約0.019%，最大也只有12.278°，完全能夠滿足16振元接收性能測試。

2）狀態(tài)2：目標(biāo)載體高度為30 km的臨近空間仿真精度計(jì)算

目標(biāo)載體高度為30 km高的臨近空間，統(tǒng)計(jì)方法同狀態(tài)1一致，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

（1）平均夾角為：5.973 2°；

（2）最大值為：13.190 8°；

（3）大于10°的比例為：3.87%；

（4）大于12°的比例為：0.175%。

狀態(tài)2時(shí)每個(gè)經(jīng)緯度網(wǎng)格的平均角度誤差如圖9所示。

圖9 高程30 km時(shí)，信號(hào)來向角度平均誤差統(tǒng)計(jì)圖

可以看出，對于30 km高程的場景，角度誤差也基本能控制在10°以內(nèi)，基本能夠支持所有場景25振元天線的波束成形的指向測試；而超過12°角度誤差的概率約0.175%，最大角度誤差為13.190 8°，能夠滿足16振元接收性能測試。

3）狀態(tài)3：目標(biāo)載體高度為600 km的近地軌道空間仿真精度計(jì)算

目標(biāo)載體高度為600 km高的近地軌道空間，統(tǒng)計(jì)方法與狀態(tài)1一致，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

（1）平均夾角為：6.782 36°；

（2）最大值為：19.098°；

（3）大于10°的比例為：13.15%；

（4）大于12°的比例為：6.6%；

（5）大于14°的比例為：3.1%。

狀態(tài)3時(shí)每個(gè)經(jīng)緯度網(wǎng)格的平均角度誤差如圖10所示。

圖10 高程600 km時(shí)，信號(hào)來向角度平均誤差統(tǒng)計(jì)圖

可以看出，對于600 km高程的場景，角度誤差也基本能控制在12°，基本能夠支持16振元天線的波束成形的指向測試。

針對此天線布局，以北斗全球系統(tǒng)為例，選取我國北部、中部、西北部、西南部、南部5個(gè)地點(diǎn)，得到1 h內(nèi)仿真精度偏差如表3所示。

表3 1 h內(nèi)仿真精度偏差

在一周分析時(shí)段內(nèi)，分別計(jì)算我國北部、中部、西北部、西南部、南部5個(gè)地點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表4所示。

通過上述分析可知，結(jié)合仿真時(shí)間、軌跡、衛(wèi)星星歷、立體星座布局，該滿天星穹形暗室的角度最大偏差基本在12°以內(nèi)，可以滿足3 dB波束角下16陣元及以下天線陣列的測試需求。

表4 一周內(nèi)仿真誤差分析

4 結(jié)語

本文針對當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端聚焦復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力、可用性和可信性，對相關(guān)測試、評(píng)估系統(tǒng)的應(yīng)用需求，結(jié)合國內(nèi)外暗室的發(fā)展及現(xiàn)狀，分析了暗室選型影響因素，通過仿真手段比較穹形與矩形暗室在天線滿天星布局方案下的優(yōu)劣，并選擇穹形暗室開展應(yīng)用性能仿真。結(jié)果表明，穹形滿天星暗室方案能夠?qū)崿F(xiàn)對真實(shí)導(dǎo)航星座的仿真模擬，滿足16陣元及以下波束成形抗干擾測試需求，能夠應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境建設(shè)。

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Simulation Design of Spherical Starry Anechoic Chamber for Satellite Navigation and Countermeasure

MAN Feng, MA Jianchao, QIN Weihua, ZHANG Ming

According to the application requirements of satellite navigation equipment for wireless test environment under the background of information-based war, combined with the development of spherical anechoic chamber at home and abroad, the paper makes a selection analysis of the rectangular and spherical anechoic chambers, and the system simulation analysis is carried out from the aspects of quiet zone characteristics and application performance. Eventually the spherical anechoic chambers is used as the selection scheme. Through the starry antenna layout, simulating the satellite trajectory and signal in the real environment, it can effectively support the testing of satellite navigation equipment, especially the test of beam forming anti-jamming terminal. It also fills the design gap in the spherical starry anechoic chamber, and guides the application of engineering practice.

Spherical Anechoic Chamber; Starry; Quiet Zone; Satellite Navigation

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-06-414-07

2022-10-31。

滿豐（1981.11—），山西太原人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。