CC BY
26УДК 621.396.946
АНАЛИЗ МЕТОДИК ПРОВЕДЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ СВЯЗНЫХ ПОЛЕЗНЫХ НАГРУЗОК В АО «ИСС»
Е. Б. Проценко, С. И. Иконников, А. А. Шаров, А. C. Кислица, И. С. Нестеренко
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
Е-mail: sharovaa@iss-reshetnev.ru
Проведен анализ существующих методик испытаний связных полезных нагрузок в АО «ИСС». По результатам анализа разработаны предложения по адаптации имеющегося набора измерений под потребности операторов спутниковых систем связи.
Ключевые слова: космические аппараты, связные полезные нагрузки, наземная экспериментальная отработка, интермодуляционные продукты, контрольно-проверочная аппаратура.
ANALYSIS OF GROUND TESTS METODOLOGY FOR COMMUNICATION PAYLOAD
E. B. Protsenko, S. I. Ikonnikov, A. A. Sharov, A. S. Kislitsa, I. S. Nesterenko
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: sharovaa@iss-reshetnev.ru
This article deals with existing testing methods of communication payloads in JSC "ISS". Based on the results of the analysis, proposals were made to adapt the existing set of measurements to the needs of operators of satellite communication systems.
Keywords: satellites, communication payloads, AIT, IMP, checkout equipment.
Спутниковая связь широко распространена в мире и используется для создания международных и национальных сетей связи и передачи данных. Основные системные параметры спутниковой системы связи, в значительной степени, зависят от космического сегмента и, в конечном итоге, определяются высокочастотными (радиотехническими) характеристиками полезной нагрузки (далее - ПН) [1].
Классическая связная ПН представляет собой многоствольное радиотехническое приемопередающее устройство с антенно-фидерной системой (далее -
АФС) и преобразованием частоты (чаще всего однократным). Подробно состав ПН описан в [1].
Блок-схема связной полезной нагрузки представлена на рис. 1.
Одной из важнейших стадий создания связных ПН является экспериментальное подтверждение заданных в техническом задании (далее - ТЗ) высокочастотных характеристик. Для этого в АО «ИСС» был разработан и успешно квалифицирован на ряде проектов комплексный план наземной экспериментальной отработки (далее - НЭО) ПН.
Рис. 1. Блок-схема связной ПН
Основными этапами НЭО являются:
а) автономные испытания ПН, в нормальных условиях по результатам которых выдаётся заключение об установке на космический аппарат (далее - КА);
б) испытания в составе КА (имитация участка выведения и штатных режимов работы КА), проверки высокочастотных характеристик ПН проходят на следующих подэтапах испытаний ПН в составе КА:
- электротермовакуумные испытания (далее -ЭТВИ);
- функциональные испытания ПН после механических воздействий и высокочастотные испытания (ВЧИ) в нормальных условиях.
Целью автономных испытаний является проверка высокочастотных характеристик всех стволов ПН, включая всевозможные резервы. Полученные в ходе данных проверок результаты сравниваются с расчетными, что позволяет проектировщику оценить правильность заложенных технических решений и убедиться в корректной сборке ПН. Кроме того, полученные результаты применяются в качестве опорных на последующих этапах наземной экспериментальной отработки в нормальных условиях.
На этапе ЭТВИ имитируется условия функционирования КА на орбите (начало срока активного существования (далее - САС), конец САС). Главной задачей данного вида испытаний является подтверждение способности ПН выполнять требования ТЗ в агрессивных условиях космического пространства (вакуум и широкий диапазон температур). Помимо этого, подтверждаются качество монтажа оборудования ПН на панелях КА и правильность заложенных конструкторских решений для компенсации температурных деформаций конструкции ПН.
Этапы функциональных испытаний после механических воздействий и ВЧИ характеризуются измерениями меньшего объема стволов и, главным образом, призваны подтвердить отсутствие деградации высокочастотных характеристик ПН в процессе имитации участка выведения и межцехового транспортирования КА соответственно. Дополнительно на этапе ВЧИ подтверждается выполнение требований по электромагнитной совместимости всех подсистем КА, в том числе автосовместимость ПН (подтверждается качество сборки и изготовления высокомощных трактов ПН посредствам измерения продуктов пассивной интермодуляции).
Для предъявления Заказчику используются результаты проверок радиотехнических характеристик, полученных на этапах приемо-сдаточных испытаний (ПСИ). Традиционно данный этап включает в себя ЭТВИ и ВЧИ. На ПСИ критерием успешно проведенных испытаний являются требования ТЗ, в то время как на остальных этапах НЭО за критерий успешности выбирается сходимость результатов измерений с этапами автономных испытаний и ЭТВИ.
Такое деление диктуется, по большей части, необходимостью учета особенностей измерений высокочастотных характеристик в различных внешних условиях. Так, например, измерения АЧХ, ГВЗ и частоты преобразования в нормальных условиях (этапы автономных испытаний, ВЧИ) не являются представи-
тельными для выполнения требований ТЗ. Это обуславливается вакуумным сдвигом частот в каналооб-разующем оборудовании из состава ПН и технической реализацией задающего генератора преобразователя частоты ПН.
Типовой перечень измерений радиотехнических характеристик на всех этапах НЭО, а также их ключевые особенности представлены в таблице.
Из данных таблицы видно, что большинство измерений проводится с использованием единичной смодулированной несущей ВАЦ.
На текущий момент современная контрольно-проверочная аппаратура (КПА) позволяет измерять радиотехнические характеристики ПН только последовательно для каждого ствола. Данное обстоятельство приводит к увеличению длительности процесса испытаний на величину временных интервалов измерений, определенных в [2]. Кроме того, согласно [3] требования по линейности амплитудной характеристики стволов ПН должны подтверждаться в режиме максимально приближенному к эксплуатационному.
Операторы спутниковых систем связи стараются эффективно использовать имеющиеся возможности связных полезных нагрузок и загружают стволы большим количеством несущих, с выбором соответствующей рабочей точки на передаточных характеристиках выходных усилителей мощности. Кроме того, существует тенденция к увеличению количества несущих и переходу к использованию модуляций высоких порядков [4]. Таким образом, операторам систем спутниковой связи необходимо знать характеристики ПН в многосигнальном режиме для прогнозирования функционирования сетей связи.
В виду всего вышесказанного, а также по результатам анализа данных таблице, можно сделать вывод, что результаты измерения радиотехнических характеристик не отражают в полной мере возможности ПН во время эксплуатации, так как при измерениях не учитывается одновременная работа стволов ПН с загрузкой большим количеством несущих. В частности требуют доработки методики измерения линейности амплитудной характеристики в части увеличения количества несущих и измерения НАЧХ в части учета одновременной работы стволов ПН.
С увеличением количества несущих возрастает количество гармонических составляющих, образующихся в результате нелинейных искажений в трактах, вследствие чего происходит перераспределение мощности между полезным сигналом и паразитными комбинационными составляющими как показано на рис. 2. Таким образом, целесообразно оценивать мощность сигнала в полосе канала, а также отношение сигнал/ шум при загрузке шумоподобным сигналом (ШПС).
Оценку отношения сигнал/ шум можно провести при помощи измерений NPR (noise power ratio - коэффициент мощности шума). NPR определяется уровнем интермодуляционных продуктов при загрузке тракта ШПС. При измерении NPR объект испытаний загружается большим количеством несущих (более 100) или ШПС, с отсутствующей несущей на центральной частоте канала, как показано на рис. 3.
Измеряемые радиотехнические характеристики ПН
Вид измерения СИ' Тип тестового сигнала Особенность измерения
АЧХ ВАЦ2 Единичная смодулированная несущая Необходимость учета вакуумного сдвига частот в нормальных условиях, измерение в полосе канала
НГВЗ ВАЦ
Коэффициент шума ВАЦ Результат вычисляется по выражению: Кш(дб) = (С/Ш)вх - (С/Ш)вых (С/Ш)вх - отношение сигнал/ шум на входе устройства; (С/Ш)вых - отношение сигнал/ шум на выходе устройства
Фазовые шумы АС3, генератор сигналов На больших отстройках от несущей уровень фазового шума становится ниже собственных шумов ретранслятора
АМ-АМ характеристика с измерением точки насыщения ВАЦ Проводится путем изменения входной мощности на фиксированной частоте с фиксацией выходной мощности
Линейность амплитудной характеристики (продукты интермодуляции третьего порядка) ВАЦ Две немодулированные несущие равного уровня с отстройкой в 1 МГц Проверка проводится на фиксированной частоте каждого канала
Режим работы режима АРУ ВАЦ Единичная немодули-рованная несущая Измерение проходит в два этапа: 1) поиск шага насыщения ару; 2) мониторинг выходной мощности при снижении входной
Частота преобразования АС, генератор сигналов Косвенное измерение, результат вычисляется как разность между частотой задающего генератора и частотой на выходе ПН
Дискретная паразитная модуляция АС, генератор сигналов Проводится на центральной частоте канала;
Характеристики маяка АС - В зависимости от объема заданных требований
Примечание: 'средства измерения; 2векторный анализатор цепей; 3анализатор сигналов.
и
я
80 70 во 50 1
¿. НС1И1ШС
40
эо го 10 0 того несущих ПТПС сигнал»
1 3 4 1 е { 9 10
Отстройка по выходной мощности от насышення (ОБО), дБ
Рис. 2. Отношение сигнал/шум при воздействии двумя несущими
Рис. 3. Измерение ЫРЯ
Отношение мощности несущих к уровню интермодуляционных продуктов (ИМП) на выходе тракта и есть КРЯ.
Отсутствие при измерениях НАЧХ сигналов смежных по частоте каналов приводит к исключению из результатов дополнительной неравномерности в полосе пропускания измеряемого ствола из-за конечного значения избирательности общего каналооб-разующего оборудования ПН [5].
В целях повышения качества изготовляемой продукции, снижения рисков, а также увеличения конкурентоспособности создаваемых АО «ИСС» ПН предлагается ввести в состав измеряемых высокочастотных характеристик на этапе НЭО следующие виды измерений:
- измерение мощности сигнала в полосе канала при загрузке шумоподобным сигналом;
- КРЯ;
- НАЧХ с одновременной загрузкой смежных по частоте каналов.
Данными измерениями предлагается заменить существующие измерения точки насыщения, коэффициента шума, интермодуляционных продуктов третьего порядка и НАЧХ, что не должно привести к дополнительным временным затратам.
Ведущие разработчики измерительного оборудования (Я&8, Keysight) имеют готовые технические решения для реализации вышеуказанных измерений, что позволит оперативно внедрить данные типы проверок в имеющийся план НЭО с учетом доукомплек-тации имеющейся на АО «ИСС» КПА.
Заключение. В ходе анализа методик измерений было выявлено, что большинство измерений высокочастотных характеристик ПН проводятся поствольно в режиме загрузки объекта испытаний единичной не-модулированной несущей, что не соответствует стандартному режиму эксплуатации. Вследствие чего предлагается адаптировать имеющийся набор измерений под режимы эксплуатации введением дополнительных измерений - НАЧХ с одновременной загрузкой смежных по частоте каналов, мощности сигнала в полосе канала при загрузке ШПС, а также КРЯ. Данные измерения не должны привести к общему увеличению длительности проверок и позволят потенциальному Заказчику получить информацию
о характеристиках эксплуатации ПН в многосигнальном режиме на этапе НЭО.
Библиографические ссылки
1. Полезные нагрузки современных спутников ФСС/РСС и тенденции их развития / Ю. Г. Выгонский [и др.] // Технологии и средства связи. Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание - 2015». 2014. Ч. 2. № 6. С. 44-53.
2. Проценко Е. Б., Квашнин А. А., Мочалов Д. А. Анализ методов проведения испытаний высокочастотных характеристик связных полезных нагрузок // Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем : сб. тезисов IV на-уч.-техн. конф. молодых специалистов / АО «ИСС». 2017. С. 19-21.
3. Teresa M. Braun. Satellite communications payload and system. New Jersey : John Wiley, 2012. 369 p.
4. Fazel K., Kaiser S. Multi-carrier and spread spectrum systems. Chichester : John Wiley, 2003. 281 p.
5. Communication payload performance analysis method / Alcatel Space, 2007. 71 p.
References
1. Payloads of modern FSS / BSS satellites and their development trends / Y. G. Vygonskiy [et al.] // Technology and communication tools. Special edition "Satellite communication and announcement - 2015". 2014. № 6, Part 2. P. 44-53.
2. Protsenko E. B., Kvashnin A. A., Mochalov D. A. Analyses of testing methods of radio-frequency characteristics of communication payloads // Developing, manufacturing, tests and exploitation of spacecrafts and systems. Theses collection of IV scientific and technical conference of young specialists / JSC "ISS". 2017. P. 19-21.
3. Teresa M. Braun. Satellite communications payload and system. New Jersey : John Wiley, 2012. 369 p.
4. Fazel K., Kaiser S. Multi-carrier and spread spectrum systems. Chichester: John Wiley, 2003. 281 p.
5. Communication payload performance analysis method/ Alcatel Space, 2007. 71 p.
© Проценко Е. Б., Иконников С. И., Шаров А. А., Кислица А. C., Нестеренко И. С., 2018
