中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094

伴隨衛(wèi)星相對(duì)主航天器距離近且實(shí)時(shí)跟隨，可以作為載人航天器的安全輔助工具，對(duì)載人航天器進(jìn)行工作狀態(tài)檢測(cè)，為航天員出艙活動(dòng)以及空間飛行器交會(huì)對(duì)接等提供直接的技術(shù)支持。同時(shí)，伴隨衛(wèi)星搭載多個(gè)試驗(yàn)載荷，在軌任務(wù)期間需要開展伴飛、飛越觀測(cè)以及多平臺(tái)空間協(xié)同等試驗(yàn)，為載人航天器的技術(shù)試驗(yàn)提供支持，并進(jìn)行多項(xiàng)新技術(shù)試驗(yàn)，拓展空間技術(shù)應(yīng)用。

釋放與伴飛過程中可能出現(xiàn)伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線主瓣進(jìn)入載人航天器接收天線主瓣的情況，導(dǎo)致航天器間的電磁兼容問題，影響航天器無線通信設(shè)備正常工作，嚴(yán)重時(shí)妨礙飛行任務(wù)的順利進(jìn)行。常規(guī)的航天器電磁兼容性分析主要針對(duì)航天器自兼容、內(nèi)部射頻系統(tǒng)、電子設(shè)備電磁兼容性與線纜串?dāng)_[1-5]等方面進(jìn)行研究，伴飛任務(wù)航天器間的電磁兼容問題則很少涉及[6]。

本文根據(jù)伴隨衛(wèi)星的飛行任務(wù)工況和射頻系統(tǒng)發(fā)射功率、天線增益、帶外抑制、接收靈敏度等信息，分析了伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線與載人航天器接收天線間的電磁干擾問題，針對(duì)分析識(shí)別的電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)得到了載人航天器與伴隨衛(wèi)星能夠兼容工作的最小相對(duì)距離，從而確保了航天器間在軌兼容工作。

1 航天器間電磁兼容分析模型

根據(jù)國(guó)際電聯(lián)頻率設(shè)計(jì)要求和航天器的設(shè)計(jì)方案，伴隨衛(wèi)星發(fā)射設(shè)備工作在S頻段，載人航天器接收設(shè)備分別工作在L、S、Ku、Ka頻段。因此，重點(diǎn)考慮頻帶間隔近的S頻段射頻收發(fā)系統(tǒng)間的電磁兼容性，保證伴隨衛(wèi)星發(fā)射機(jī)帶外雜散信號(hào)在載人航天器平臺(tái)接收機(jī)頻帶內(nèi)不會(huì)抬高接收機(jī)的噪聲功率進(jìn)而影響接收通道的信噪比，從而確保載人航天器在軌能夠電磁兼容。

航天器間射頻系統(tǒng)的潛在電磁干擾程度，可以用系統(tǒng)間電磁干擾安全裕度IM來表示，IM能夠直接反映接收機(jī)帶內(nèi)干擾信號(hào)(發(fā)射機(jī)帶外雜散信號(hào))對(duì)接收機(jī)的影響[7]。

按照下式確定航天器間干擾設(shè)備和敏感設(shè)備之間的電磁兼容性分析模型：

IM=S-E

(1)

式中：S為敏感設(shè)備敏感度閾值；E為干擾設(shè)備等效干擾信號(hào)強(qiáng)度。

根據(jù)載人航天器各設(shè)備在飛行任務(wù)中的關(guān)鍵等級(jí)，將敏感設(shè)備的安全裕度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類[8]：

Ⅰ類設(shè)備：由于工作性能降低或受到破壞，會(huì)直接危及系統(tǒng)成功飛行和人身安全的設(shè)備，其安全裕度一般不小于12 dB。

Ⅱ類設(shè)備：由于工作性能降低或受到破壞，會(huì)使系統(tǒng)不能完成某些功能任務(wù)，但不至于影響系統(tǒng)和人身安全的設(shè)備，其安全裕度一般不小于6 dB。

Ⅲ類設(shè)備：由于工作性能降低或受到破壞，使人有輕度不適感，使系統(tǒng)性能下降，但不影響系統(tǒng)效能，其安全裕度一般不小于0 dB。

以Ⅱ類設(shè)備為例，分析結(jié)果中，如果IM>6，表示干擾設(shè)備和敏感設(shè)備之間滿足電磁兼容性要求；如果0

2 電磁干擾安全裕度分析方法

對(duì)載人航天器與伴隨衛(wèi)星間的電磁兼容性進(jìn)行分析，需考慮的影響因素包括各航天器使用的無線發(fā)射和接收設(shè)備的頻點(diǎn)、天線布局、天線方向圖、發(fā)射功率、發(fā)射機(jī)帶外抑制、發(fā)射天線最大增益、接收天線最大增益和接收機(jī)靈敏度等[9]，以及釋放與伴飛過程中伴隨衛(wèi)星與航天器的相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)距離等數(shù)據(jù)。

以伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線、載人航天器接收天線為例，航天器間電磁干擾安全裕度分析模型如圖1所示。

圖1 電磁干擾安全裕度分析模型Fig.1 Safty margin analysis model of electromagnetic interference

將系統(tǒng)間電磁干擾安全裕度的主要影響因素轉(zhuǎn)化為衰減因子，代入式(1)得到：

IM(f)=Pr(fr)-Pt(ft)+Lt1(f)+

Lt2(f)+Atr+Lr1(f)+Lr2(f)

(2)

式中：

1)Pr(fr)為接收機(jī)在接收頻率fr時(shí)的靈敏度，根據(jù)接收機(jī)的實(shí)測(cè)值確定；

2)Pt(ft)為發(fā)射機(jī)在發(fā)射頻率ft時(shí)的發(fā)射功率，根據(jù)發(fā)射機(jī)的實(shí)測(cè)值確定；

3)Lt1為發(fā)射譜相對(duì)主譜的衰減值，根據(jù)發(fā)射機(jī)在接收頻率上的帶外抑制實(shí)測(cè)值確定；

4)Lt2為發(fā)射系統(tǒng)饋線損耗，包括非設(shè)計(jì)頻率的失配損耗，根據(jù)在發(fā)射機(jī)到發(fā)射天線鏈路損耗的實(shí)測(cè)值確定；

5)Atr為收發(fā)系統(tǒng)天線間的隔離度，這一項(xiàng)衰減因子與伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線和載人航天器接收天線的相對(duì)姿態(tài)、距離有關(guān)，對(duì)于安全裕度的結(jié)果及最終的干擾判斷都具有很重要的作用；

6)Lr1為接收機(jī)天線到接收機(jī)輸入端口的饋線損耗，包括非設(shè)計(jì)頻率的失配損耗，根據(jù)接收機(jī)到接收天線鏈路損耗的實(shí)測(cè)值確定；

7)Lr2為所計(jì)算的接收頻率相對(duì)于正常信號(hào)通帶的衰減值，根據(jù)接收機(jī)的實(shí)際工作頻段確定。對(duì)于接收機(jī)工作頻段內(nèi)的電磁干擾問題進(jìn)行分析時(shí)，此項(xiàng)取0 dB。

對(duì)電磁干擾安全裕度進(jìn)行分析時(shí)，上述衰減因子一般在實(shí)測(cè)值的基礎(chǔ)上選取軌最惡劣工況。其中，Atr根據(jù)航天器間的相對(duì)姿態(tài)、距離進(jìn)一步分析計(jì)算。

3 天線間隔離度分析方法

航天器間發(fā)射天線對(duì)接收天線的干擾主要是考察天線之間的耦合情況，也就是計(jì)算它們之間隔離度[10-12]。天線的隔離度定義為接收機(jī)天線吸收功率與發(fā)射機(jī)發(fā)射功率比值的10倍對(duì)數(shù)值[13]：

(3)

假設(shè)發(fā)射天線是各向同性的，則在接收天線處的功率密度為：

假設(shè)接收天線無損耗、已匹配，其有效接收面積Ae為：

則得到接收天線收到的功率為：

(4)

式中：Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；λ為發(fā)射天線的波長(zhǎng)；r為發(fā)射天線與接收天線的距離。

式(4)代入式(3)，得到天線隔離度公式：

(5)

將航天器間運(yùn)動(dòng)過程的相對(duì)距離r代入式(5)可得到發(fā)射天線與接收天線的隔離度。

由于伴隨衛(wèi)星釋放到伴飛過程，將根據(jù)軌道設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，相對(duì)姿態(tài)不確定且距離為變量，因此存在發(fā)射天線主瓣可能進(jìn)入主航天器接收天線主瓣的可能，按照電磁兼容最惡劣條件分析的原則，式(5)中r取最小距離，Gt、Gr在取天線增益最大值進(jìn)行分析。

4 分析結(jié)果

某載人航天器與伴隨衛(wèi)星執(zhí)行伴飛任務(wù)，首先根據(jù)總體方案梳理載人航天器與伴隨衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，伴隨衛(wèi)星釋放口位于載人航天器對(duì)地面，與載人航天器分離完成后，通過載人航天器下方繞至飛行方向前方進(jìn)行伴隨飛行。伴隨衛(wèi)星釋放過程中不進(jìn)行主動(dòng)軌道控制，依靠相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性遠(yuǎn)離載人航天器。當(dāng)伴隨衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)至一定距離后實(shí)施第一次軌道機(jī)動(dòng)，之后通過主動(dòng)軌道控制遠(yuǎn)離載人航天器。其次，根據(jù)載人航天器與伴隨衛(wèi)星的射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，載人航天器安裝了4副接收天線，1副位于對(duì)天面，2副位于對(duì)地面，1副位于前錐段；伴隨衛(wèi)星安裝了1副發(fā)射天線。經(jīng)綜合分析飛行工況和天線布局，伴隨衛(wèi)星釋放初期及繞飛過程中，可能存在伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線主瓣進(jìn)入載人航天器的2副對(duì)地面和1副前錐段接收天線主瓣的工況。因此，將伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線1與載人航天器的3副接收天線確定為分析對(duì)象，建立航天器間電磁兼容性分析模型。

本文給定發(fā)射天線和接收天線的發(fā)射功率、帶外抑制、天線增益、接收頻率等指標(biāo)，如表1、表2所示。表1中，發(fā)射功率為伴隨衛(wèi)星發(fā)射機(jī)的最大功率，帶外抑制為發(fā)射機(jī)在載人航天器接收頻率的帶外抑制值，發(fā)射天線增益為最大增益。表2中，接收天線增益為載人航天器接收天線的最大增益。

表1 伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線參數(shù)Table 1 Transmitting antenna parameters for adjoint satellite

表2 載人航天器接收天線參數(shù)Table 2 Receiving antenna parameters for human spacecraft

初始設(shè)計(jì)時(shí)伴星從釋放時(shí)就開始通信，因此伴隨衛(wèi)星和航天器間最小距離可以認(rèn)為是從1 m起，由以上載人航天器與伴隨衛(wèi)星天線參數(shù)代入式(2)，假設(shè)載人航天器接收天線為II類設(shè)備，安全裕度要求為6 dB，對(duì)于饋線損耗均以0 dB計(jì)算，此時(shí)計(jì)算結(jié)果不滿足6 dB安全裕度要求。進(jìn)一步通過分析得到載人航天器與伴隨衛(wèi)星兼容工作的最小相對(duì)安全距離，如表3所示。

表3 載人航天器與伴隨衛(wèi)星兼容工作安全距離Table 3 Safe distance between human spacecraft and adjoint satellite

經(jīng)分析，當(dāng)伴隨衛(wèi)星釋放后，發(fā)射天線1在距離航天器大于48 m后工作，則與航天器的接收天線1、接收天線2的安全裕度大于6 dB；在距離航天器大于739 m后工作，則與航天器的接收天線3的安全裕度大于6 dB。

對(duì)天宮二號(hào)與伴隨衛(wèi)星采用上述方法進(jìn)行了分析，根據(jù)分析識(shí)別的電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，提出了伴隨衛(wèi)星射頻設(shè)備工作時(shí)序優(yōu)化的系統(tǒng)解決方案，經(jīng)天宮二號(hào)與伴隨衛(wèi)星在軌飛行驗(yàn)證，未出現(xiàn)電磁干擾。

5 結(jié)束語

本文提出了一種載人航天器與伴隨衛(wèi)星間射頻設(shè)備的電磁兼容性分析方法，通過建立伴飛運(yùn)動(dòng)過程航天器間的電磁干擾安全裕度分析模型，對(duì)伴隨衛(wèi)星發(fā)射天線與載人航天器接收天線的等效干擾信號(hào)進(jìn)行了分析，得出了工程應(yīng)用上重要參數(shù)的計(jì)算方法。本文提出的方法能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)載人航天器與伴隨衛(wèi)星間的電磁干擾問題進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，有效地識(shí)別航天器間潛在的電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)，可為空間伴隨飛行、編隊(duì)飛行等近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)航天器間的電磁兼容性分析與飛行方案設(shè)計(jì)提供參考。