电推进系统与卫星辐射电磁兼容性验证方法

摘要

电推进系统与卫星辐射电磁兼容性验证方法，首先由EMC测试接收机测试连接离子推力器的电推进系统辐射干扰，然后使用离子推力器模拟负载代替离子推力器，测试连接离子推力器模拟负载的电推进系统的辐射干扰，此时应确保连接离子推力器模拟负载的电推进系统产生的干扰在全频段内小于连接离子推力器的电推进系统产生的干扰。然后将连接离子推力器模拟负载的电推进系统安装到卫星上，将卫星运到暗室内，由EMC干扰发射机模拟之前测试的连接离子推力器的电推进系统的辐射干扰，该干扰发射给卫星，卫星各设备进行性能测试，考察是否受扰，从而验证电推进系统与卫星的辐射电磁兼容性。本发明方法成本低、操作简便、易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星电磁兼容性验证方法，特别是电推进系统与卫星的辐 射电磁兼容性验证方法。

背景技术

由于卫星电推进系统工作时具有高电压、大电流、较大的电压或电流变化 率、以及复杂的等离子体环境，因此电推进系统工作时产生的辐射发射电磁干 扰对卫星的通信、制导、导航、有效载荷以及其它电子设备会造成潜在的影响。 这些辐射电磁干扰可能来自于供配电管理单元(PPU)、电缆线、电推力器以及 引出羽流中的发射。电推进系统与卫星要确保电磁兼容，因此必须进行电推进 系统与卫星的辐射电磁兼容性验证。

国内目前只对PPU、数字接口控制单元(DICU)等进行过单独的设备级 EMC测试，没有进行过整个电推进系统与卫星的辐射电磁兼容性测试，也没有 提出这方面的方法。

国外进行电推进系统与卫星辐射电磁兼容性测试的方法是：建设一个电推 进系统EMC测试实验室，这个实验室包括用于容纳羽流的透波真空罐，全电 波的暗室两部分，即将普通的电推进测试室和普通的EMC测试室结合在一起， 完成电推进系统与卫星的辐射电磁兼容性测试。测试的时候，将整个卫星推入 电推进系统EMC测试实验室，卫星和电推进系统进行相关的测试流程，考察 辐射电磁兼容性。这种方法的缺点是需要建设专门的电推进系统EMC测试实 验室，代价高昂。而目前电推进系统尚属于试验产品，数量极少，为此建设专 门的实验室，利用率不高。

在没有电推进系统EMC测试实验室的情况下，如何对电推进系统与卫星 的辐射电磁兼容性进行验证，这是一个难题，国内外尚没有提出解决方法。主 要的困难在于，电推进系统的离子推力器必需在真空环境中工作，无法直接安 装于卫星上，而离子推力器产生的羽流会产生电磁辐射干扰，该干扰与卫星的 辐射兼容性又必须得到验证。另一方面，卫星是在专门的总装测试厂房进行测 试，无法在普通的电推进实验室内进行测试。既不能把离子推力器直接安装于 卫星上，也不能把卫星放置于有离子推力器的电推进实验室内，这就给验证二 者的辐射电磁兼容性造成了困难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种方法简便、 易于实现的电推进系统与卫星辐射电磁兼容性验证方法，可以在没有电推进系 统EMC测试实验室的情况下，实现电推进系统与卫星辐射电磁兼容性的有效 验证。

本发明的技术解决方案是：电推进系统与卫星辐射电磁兼容性验证方法， 步骤如下：

(1)将电推进系统的离子推力器放置于透波副舱内，同时将透波副舱与主 真空罐固定连接，离子推力器通过电缆与放置在透波副舱和主真空罐外的电推 进系统的其余部分连接；离子推力器的安装位置靠近透波副舱末端中心位置， 确保在透波副舱内有1米长的羽流；所述透波副舱为圆柱形玻璃钢材料；

(2)在主真空罐和透波副舱连接部位的两侧安装两块吸波材料板，尖劈状 吸波材料朝向透波副舱一侧，并能够完全遮挡主真空罐；

(3)在透波副舱外侧放置EMC测试天线，EMC测试天线连接至EMC测 试接收机；

(4)使用抽气系统对主真空罐抽真空；

(5)电推进系统加电，处于正常工作状态，由EMC测试接收机和EMC 测试天线测试电推进系统的辐射干扰；

(6)断开离子推力器与电推进系统的连接，使用离子推力器模拟负载替换 离子推力器，同时移除主真空罐和透波副舱，将EMC测试天线至于离子推力 器模拟负载旁边；

(7)电推进系统加电，处于正常工作状态，由EMC测试接收机和EMC 测试天线测试电推进系统的辐射干扰，测试时应对离子推力器模拟负载的阻抗 进行调整，使得连接离子推力器模拟负载的电推进系统辐射干扰测试结果小于 连接离子推力器的电推进系统辐射干扰测试结果；

(8)将由离子推力器模拟负载替代离子推力器的电推进系统装入卫星，卫 星其他所有分系统和设备装星；

(9)将卫星放入暗室，在安装离子推力器模拟负载的星表位置放置一个场 强探头，并在此星表位置附近放置EMC测试天线；EMC测试天线与卫星的距 离应确保整个卫星都在EMC测试天线波束范围内，所述的暗室为标准半电波 暗室，卫星周围2米范围内铺设吸波材料；

(10)连接EMC测试天线与暗室外的EMC干扰发射机；

(11)卫星各分系统按加电流程加电，进入正常工作模式，同时电推进系 统加电，EMC干扰发射机加电输出干扰，所述干扰的频段和强度与连接离子推 力器的电推进系统产生的辐射干扰强度相同；

(12)卫星各分系统进行测试，监测红外和GPS工作是否正常；红外工 作正常与否的判断标准为红外波形是否为标准的方波，如果方波出现变形，则 认为受到了干扰，否则认为工作正常；GPS工作正常与否的判断标准为监测遥 测参数是否在要求范围内，包括信噪比在14～22dB，可用导航星数不少于4 颗并能够定位，绝对寻址精度小于15米，如果这些遥测参数均在要求范围内， 则认为GPS工作正常，未受干扰，否则认为GPS工作不正常。

本发明的原理是：利用与主真空罐连接的透波副舱，使羽流产生的电磁辐 射发射到真空罐外，被罐外的EMC测试天线接收到，由EMC测试接收机测试 连接离子推力器的电推进系统辐射干扰。然后使用离子推力器模拟负载代替离 子推力器，测试连接离子推力器模拟负载的电推进系统的辐射干扰，确保连接 离子推力器模拟负载的电推进系统产生的干扰在全频段内小于连接离子推力器 的电推进系统产生的干扰。然后将连接离子推力器模拟负载的电推进系统安装 到卫星上，将卫星运到暗室内，由EMC干扰发射机模拟之前测试的连接离子 推力器的电推进系统的辐射干扰，该干扰发射给卫星，卫星各设备进行性能测 试，考察是否受扰，从而验证电推进系统与卫星的辐射电磁兼容性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法由于避免了建设专门的电推进系统EMC测试实验室的巨 大代价，实现了在没有电推进系统EMC测试实验室情况下电推进系统与卫星 的辐射电磁兼容性的有效验证，节约了测试成本；

(2)本发明方法采用透波副舱与主真空罐连接的方式，实现了羽流产生的 电磁辐射能够被罐外天线接收到，又避免了使用全透波主真空罐的巨大投入， 降低了测试复杂性；

(3)本发明方法首先测试电推进系统发出的辐射干扰，然后在EMC暗室 内模拟这种辐射干扰给卫星，测试卫星是否受扰的流程，避免了将卫星运输到 电推进系统实验室，降低了试验复杂性和成本；

(4)本发明方法采用离子推力器模拟负载装星进行测试，避免了离子推力 器安装于卫星上的困难，操作简便、易于实现。

附图说明

图1为本发明连接离子推力器的电推进系统辐射干扰测试示意图；

图2为本发明连接离子推力器模拟负载的电推进系统辐射干扰测试示意 图；

图3为本发明卫星辐射敏感度测试示意图。

具体实施方式

本发明方法主要包括三步：连接离子推力器的电推进系统辐射干扰测试， 连接离子推力器模拟负载的电推进系统辐射干扰测试，卫星辐射敏感度测试。

连接离子推力器的电推进系统辐射干扰测试示意图如图1所示，整个系统 由电推进系统(离子电源模块、推进剂贮供单元、数字接口与控制模块、离子 推力器)、TS-6真空系统(主真空罐、抽气系统)、透波副舱、控制计算机、EMC 测试接收机、EMC测试天线、吸波材料板等组成。

电推进系统由一套(含推力器支架)氙离子推力器、一套离子电源、一套 推进剂贮供单元、一套数字接口与控制模块组成。四个组成单元之间的相互关 系为：推进剂贮供单元受数字接口与控制模块的控制以维持气路状态和向推力 器供应推进剂；电源处理单元向数字接口与控制模块提供工作电源，并受控制 单元控制分别向推力器、推进剂贮供单元供应工作电源；数字接口与控制模块 分别控制电源处理单元的供电状态和推进剂贮供单元的供流状态，并获取和贮 存系统工作参数和状态参数；推力器在供电和供流条件下电离推进剂原子、引 出高能离子束流并对束流进行中和，由此产生反作用推力。

TS-6真空系统由主真空罐和抽气系统组成。主真空罐为不锈钢材料，长 9.8m，直径2.4m，泵的氙气抽速为165000L/s。离子推力器的束流喷到主真 空室的靶上。靶是由一系列0.6m高的铝锥体组成的，表面覆盖了一层柔性石 墨，石墨的作用就是减少高能离子的溅射和推力器产生的频率高于80MHz的 电磁辐射通过主真空罐金属壁面的反射。主真空罐真空度为：空载时：≤1.0 ×10^-4Pa；推力器工作时：≤8.0×10^-3Pa。

透波副舱为圆柱形玻璃钢材料，透波副舱长1.8m、直径0.9m，一端与主 真空罐相连。推力器出口到副舱出口的距离为1100m。试验得到20cm氙离子 电推力器的束流发散角小于30°。

透波真空室副舱主要指标如下：

a)频率在1kHz～18GHz范围的电磁波透过率：≥80％

b)工作温度：≥120℃

c)承受外压：≥2大气压

透波副舱的功能是与主真空罐共同形成真空环境，同时使羽流产生的电磁 波透出主真空罐。

EMC测试接收机和EMC测试天线选用罗德施瓦茨公司的产品。控制计算 机功能是监测和控制电推进系统的四个模块：推力器、离子电源模块、推进剂 贮供单元、数字接口与控制模块。对各个模块进行开关机、工况转换等。

吸波材料板选用德国法兰克尼亚公司的产品，置于主真空罐与透波副舱连 接处，吸收电磁辐射，避免主真空罐壁产生的反射的影响。

连接离子推力器的电推进系统辐射干扰测试的测试流程如下：

a将离子推力器安装于透波副舱内，安装位置靠近透波副舱末端中心位置， 确保在透波副舱内有1米长的羽流，同时确保羽流不会喷射到主真空罐与透波 副舱的连接部位的罐壁上，造成羽流溅射。

b将透波副舱与主真空罐固定连接，离子推力器电缆在透波副舱和主真空 罐内走线到主真空罐的电缆孔穿出，与离子电源模块和推进剂贮供单元连接。 确保电缆走线不在羽流束角内。

c在主真空罐和透波副舱连接部位的两侧安装两块吸波材料板，尖劈状吸 波材料在透波副舱一侧，以便遮挡金属材料的主真空罐，避免电磁反射对测试 的影响。

d连接电推进系统各模块和控制计算机，加电。

e连接EMC测试接收机和EMC测试天线。

f使用抽气系统对主真空罐抽真空，使之满足真空度要求(6.5～ 9.8×10-3Pa)

g电推进系统不加电，其他必需的地面辅助设备加电，由EMC测试接收 机和EMC测试天线测试电磁背景。

h电推进系统加电，处于正常工作状态，由EMC测试接收机和EMC测试 天线测试电推进系统的辐射干扰。

连接离子推力器模拟负载的电推进系统辐射干扰测试示意图如图2所示， 整个系统由电推进系统(离子电源模块、推进剂贮供单元、数字接口与控制模 块)、控制计算机、EMC测试接收机、EMC测试天线、离子推力器模拟负载、 吸波材料板等组成。

离子推力器模拟负载为电阻性负载。由于离子推力器无法在非真空条件下 工作，模拟负载是代替真实的离子推力器，安装在卫星上，作为电推进系统的 负载，以便电推进系统能够装星进行电磁兼容性测试和一般综合测试。离子推 力器为纯电阻性负载，本身不产生任何电磁辐射和传导发射，仅仅作为吸收离 子电源模块输出功率的损耗部件。

连接离子推力器模拟负载的电推进系统辐射干扰测试的测试流程如下：

a电推进系统(离子电源模块、推进剂贮供单元、数字接口与控制模块)、 控制计算机、EMC测试接收机、EMC测试天线保持连接状态不变。之前的其 他地面辅助设备保持加电状态不变。

b断开离子电源模块、推进剂贮供单元和罐内离子推力器的电缆连接，连 接到离子推力器模拟负载。

c电推进系统加电，处于正常工作状态，由EMC测试接收机和EMC测试 天线测试电推进系统的辐射干扰。

d比较连接离子推力器模拟负载的电推进系统辐射干扰测试的结果和连接 离子推力器的电推进系统辐射干扰测试的结果，通过调整离子推力器模拟负载 的阻抗确保前者小于后者。

卫星辐射敏感度测试示意图如图3所示，整个系统由电推进系统(离子电 源模块、推进剂贮供单元、数字接口与控制模块)、EMC干扰发射机、EMC测 试天线、离子推力器模拟负载等组成。

卫星辐射敏感度测试的测试流程如下：

a电推进系统(离子电源模块、推进剂贮供单元、数字接口与控制模块)、 离子推力器模拟负载装星，连接正确。卫星其他所有分系统和设备装星，连接 正确。

b卫星进入暗室中间，距离暗室四个面的吸波材料2米以上，在安装离子 推力器的星表位置附近，放置一个场强探头，在此卫星表面附近放置EMC测 试天线，调整天线与卫星的距离，确保整个卫星都在EMC测试天线波束范围 内，调整信号源的输出信号强度，确保在场强探头处产生的场强可以达到连接 离子推力器的电推进系统产生的辐射干扰强度。这里的暗室为标准半电波暗室。

c连接EMC测试天线与暗室外的EMC干扰发射机。

d卫星地面设备布置完毕。

e卫星加电，各分系统按加电流程加电，进入正常工作模式。

f电推进系统加电，EMC干扰发射机加电，输出干扰，干扰频段和强度与 连接真实的离子推力器的电推进系统产生的辐射干扰强度相同。

g卫星各分系统进行测试，考察是否出现受扰现象。特别是监测红外和 GPS工作是否正常。红外工作正常与否的判断标准为红外波形是否为标准的方 波，如果方波出现变形，则认为受到了干扰，否则认为工作正常。GPS工作正 常与否的判断标准为监测如下遥测向：信噪比：14～22dB，可用导航星数：≥ 4，定位标志：定位，绝对寻址精度：＜15米。如果这些遥测参数均在要求范围 内，则认为工作正常，未受干扰，否则认为工作不正常。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。