使用校準(zhǔn)降低衛(wèi)星設(shè)計(jì)和測試成本

傳統(tǒng)上，衛(wèi)星項(xiàng)目一直是高風(fēng)險的企業(yè)，對風(fēng)險的容忍度非常低。這是地球同步（geo）衛(wèi)星性質(zhì)的直接后果。它們很大（通常為1，000至10，000公斤），生產(chǎn)成本高，并且難以運(yùn)輸?shù)教?。一旦進(jìn)入軌道，典型的壽命為8到10年，受機(jī)載功率的限制。在軌道上更改或修復(fù)設(shè)計(jì)通常是不可行的，因?yàn)榈竭_(dá)那里然后在真空中進(jìn)行工作的雙重困難。對足夠徹底和準(zhǔn)確的飛行前測試的需求使計(jì)劃時間表和預(yù)算緊張。

地理衛(wèi)星已被用于通信、廣播和天氣監(jiān)測。然而，近年來，隨著更新成像技術(shù)的出現(xiàn)、通信技術(shù)的進(jìn)步以及大眾互聯(lián)網(wǎng)連接的推動，機(jī)會越來越多。為了實(shí)現(xiàn)這些機(jī)會，工程師正在使用低地球和中地球軌道衛(wèi)星。由于可重復(fù)使用火箭的進(jìn)步和總體成本的降低，這些小型軌道飛行器的壽命可能更短。

追求這些NewSpace機(jī)會的企業(yè)家愿意在更大的風(fēng)險與更低的開發(fā)成本和更短的上市時間之間取得平衡。然而，由于NewSpace仍在將復(fù)雜的設(shè)備發(fā)射到太空并依靠其正常運(yùn)行，因此以最小的風(fēng)險降低成本和時間仍將非常有益。

通過儀器校準(zhǔn)降低成本

測試是任何衛(wèi)星計(jì)劃的重要組成部分。提高總程序成本的一種方法是降低測試成本。取消測試似乎很誘人，但設(shè)備故障的風(fēng)險會顯著增加。保持儀器和系統(tǒng)的準(zhǔn)確性可降低測試成本，并以多種方式縮短程序進(jìn)度。例如，衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)的可接受裕度由其每個組件的允許裕度定義。如果測試系統(tǒng)不確定性發(fā)生偏差，則每個組件必須具有更嚴(yán)格的可接受裕量，此舉會在組件開發(fā)過程中產(chǎn)生額外的時間和成本。

使用可追溯的標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)來保持系統(tǒng)性能，可最大限度地減少在設(shè)計(jì)和測試生命周期的每個階段驗(yàn)證測試結(jié)果和排除儀器不一致所花費(fèi)的時間。

事實(shí)上，可追溯性是確保儀器準(zhǔn)確性的主要方法。在校準(zhǔn)過程中，儀器精度和性能使用可追溯的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證，這些標(biāo)準(zhǔn)是具有已知測量不確定度的儀器，可以直接追溯到國際單位制（通過國家計(jì)量機(jī)構(gòu)）。校準(zhǔn)通常按制造商建議的定期進(jìn)行。保持這些間隔對于確保儀器以可追溯的準(zhǔn)確性運(yùn)行至關(guān)重要。

使用原始設(shè)備制造商 （OEM） 校準(zhǔn)儀器的一個優(yōu)點(diǎn)是手頭可用的程序，例如自動更換磨損更快的內(nèi)部組件。此外，如果儀器未通過其規(guī)格或保護(hù)帶內(nèi)的驗(yàn)證測試，OEM 可以進(jìn)行專有調(diào)整，使性能恢復(fù)到測試限制范圍內(nèi)。

檢查校準(zhǔn)的好處

例如，考慮通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中的高功率放大器測量增益、幅度和相位線性度。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）通常用于表征這些放大器的非線性行為。這種測量的精度對于放大器和取決于其性能的在線組件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。（注意：使用 VNA 測量管理高功率信號時，請考慮使用外部衰減器、耦合器或前置放大器來更好地控制信號功率電平。

可能有必要考慮修改將引入的額外噪聲、漂移和復(fù)雜性。在增益和線性度測量的原位歸一化過程中，通過估計(jì)和數(shù)學(xué)消除一些系統(tǒng)測量誤差（包括VNA接收器的線性度或“動態(tài)精度”）來提高精度。

用于標(biāo)準(zhǔn)化到被測設(shè)備的可追溯標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)械套件或電子校準(zhǔn)模塊（ECal）。通常，假定這些模塊隨著時間的推移是穩(wěn)定的。為了調(diào)查這是否屬實(shí)，是德科技領(lǐng)導(dǎo)了一個案例研究，重點(diǎn)測試 2，000 個 ECal 模塊的性能，包括來自測試高性能組件的客戶的性能。結(jié)果：三年未校準(zhǔn)的ECal模塊超出公差的可能性是每年校準(zhǔn)模塊的三倍。

圖1顯示了一個示例測試結(jié)果，其中史密斯控制圖顯示了復(fù)數(shù)阻抗。藍(lán)線是新制造的ECal模塊，代表用于歸一化程序的阻抗;橙色線是超出公差模塊的實(shí)際結(jié)果。使用后一個模塊進(jìn)行任何歸一化都會給測量增加重大誤差，最終通過系統(tǒng)故障、返工和重新測試影響測試成本。

圖1：史密斯圖顯示 Ecal 模塊在公差范圍內(nèi)和超出公差范圍內(nèi)。

遵守建議的校準(zhǔn)間隔

考慮另一個例子：衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)的無源互調(diào)（PIM）測量。PIM是一個問題，因?yàn)樗拗屏擞行лd荷接收器的靈敏度，并在下行鏈路附近的信道中產(chǎn)生干擾信號。在無源元件（例如電纜、連接器或濾波器）之間的結(jié)處非線性混合兩個高功率信號會產(chǎn)生互調(diào)失真（IMD）。該IMD很難去除，因?yàn)樾盘柾ǔＪ窃谟行лd荷接收器鏈中的信號調(diào)理元件之后產(chǎn)生的。

PIM 測試使用兩個信號發(fā)生器進(jìn)行：一個無 PIM 的功率組合器，用于在上行鏈路接收器通道中產(chǎn)生 PIM 電位;以及信號分析儀，用于監(jiān)控下行鏈路中產(chǎn)生的 PIM。改變信號發(fā)生器的頻率和音調(diào)間距使信號分析儀能夠檢測PIM。信號分析儀的靈敏度和非線性性能不得抑制查看PIM結(jié)果的能力。

三階截距（TOI）是分析儀線性度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，必須通過定期儀器校準(zhǔn)進(jìn)行監(jiān)測，以確保分析儀內(nèi)部產(chǎn)生的失真不會掩蓋生成的PIM。定期校準(zhǔn)將最大限度地減少分析儀靈敏度對測量結(jié)果的影響，特別是如果服務(wù)提供商在所有有效載荷下行鏈路頻率下驗(yàn)證分析儀的本底噪聲。

為了最大限度地降低這些規(guī)格超出公差的風(fēng)險，建議對高性能信號分析儀進(jìn)行一年的校準(zhǔn)周期。此外，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上的PIM測量需要高性能信號分析儀，因此使用兩個信號發(fā)生器來驗(yàn)證TOI至關(guān)重要。原因是：產(chǎn)生雙音信號的單個信號發(fā)生器引入了比高性能信號分析儀的內(nèi)部失真大得多的IMD產(chǎn)品。（注意：如果校準(zhǔn)報告僅列出用于TOI驗(yàn)證測試的單個信號發(fā)生器，則TOI未驗(yàn)證或驗(yàn)證不正確。

圖2顯示了信號分析儀TOI驗(yàn)證測試的正確設(shè)置。信號發(fā)生器和功率傳感器/功率計(jì)應(yīng)在其校準(zhǔn)周期內(nèi)，并具有可追溯的測量不確定度。這確保了一致的結(jié)果，尤其是在多個測試站中使用多個信號分析儀時。

圖2：用于大于 3.6 GHz 的載波頻率的 TOI 失真驗(yàn)證測試設(shè)置。

降低成本、風(fēng)險

要跟上新的衛(wèi)星應(yīng)用的步伐，就需要對用于設(shè)計(jì)和發(fā)射衛(wèi)星的流程進(jìn)行現(xiàn)代化改造。降低測試成本可以顯著提高衛(wèi)星項(xiàng)目的總成本范圍，使這些新應(yīng)用中有利可圖的企業(yè)成為可能。如前例所示，通過保持關(guān)鍵參數(shù)的定期校準(zhǔn)來確保準(zhǔn)確性，有助于降低NewSpace企業(yè)的風(fēng)險。

審核編輯：郭婷