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技术文章
 
无人机技术将如何改变卫星天线测试
录入时间:2020/11/18 10:12:47

How Drone Technology Will Revolutionize Satellite Antenna Testing

Joakim Espeland and Andrian Buchi,QuadSAT, Denmark

 (本页是纯文字版,点此阅读完整版全文

对于卫星产业来说,这是一个激动人心、充满活力的时刻。在轨卫星和地面上的卫星天线数量迅速增加。新的星群、对地同步轨道(GEO)、低地球轨道(LEO)和中地球轨道(MEO)、新的频段和现有频段的多重利用(HTS或高吞吐量卫星)——都是卫星通信领域的前沿。因此,潜在的信号干扰对于卫星通信行业来说成为日益严峻的问题。

卫星运营商提出了天线性能要求规范部分解决了这个问题,比如卫星运营商的最低天线性能(SOMAP)要求。这就需要制造商和服务提供商进行大量的天线测试,以证明和保证其性能。天线测试可能很昂贵且有难度,因此该领域急需改变,否则将限制行业增长和创新。

利用先进的无人机技术,加上微波技术的进步,一种新的射频有效负载以及飞行前(pre-flight)、飞行后(post-flight)软件被开发出来,使卫星天线的测试能够随时随地、方便、高效的进行(图1)。为了验证这种创新的新方法,欧洲航天局与QuadSAT及其合作伙伴——全球VSAT论坛(GVF)和丹麦技术研究所签订了合同,对这一天线测试系统进行评估。

本文将探讨当前卫星天线测试面临的技术挑战以及无人机技术如何为新的低成本测试模型赋能。并将详细阐述该技术是如何工作的,包括无人机技术、测试程序,以及一些实例。

日益发展的卫星环境的影响

在轨卫星的数量近年来稳步增长。随着未来几年大规模的星群发射,卫星环境将变得更加拥挤。然而,由于COVID-19的流行,卫星产业经历了一定的减速和困难。Northern Sky Research (NSR)的一项调查[1]显示,44%的卫星公司受到了COVID-19的显著影响,48%的公司认为这将对2020-2021年的业务产生重大影响。长期前景看起来更乐观一些,40%的公司认为卫星产业复苏需要6-12个月。同时,调查1也显示,如果有少数几家公司获得成功,未来十年将有比1957年发射Sputnik 1号以来发射的所有卫星更多的卫星进入轨道。

由于在轨卫星数量较大,地面基础设施的部署也会增加。此外,大量的动中通信(COTM:comms-on-the-move)天线正在部署,特别是在海洋和航空市场。COTM天线拥有新的体系结构和跟踪软件,复杂度有所增加。新型天线设计与平板和电子操控天线等新兴天线技术有明显的区别。因此,卫星运营商需要更多的测试数据来计算链路预算。这些变化导致了对更多测试的需求。因此,2017年主流卫星运营商们共同制定并出台了SOMAP要求。SOMAP的目的是通过商定COTM产品最低测试规范,确保全行业天线认证的质量。

对于LEO,天线的工作方式与用于GEO的天线有很大不同,因为它们的需求不同。例如,由于低轨卫星移动速度快于GEO卫星,因此天线需要跟踪(机械控制或电控)上空飞过的卫星。为了无缝连接,LEO天线一般每隔5-15分钟切换一次卫星。

由于许多不同的原因,任何卫星网络都会出现错误。Satcoms Innovation Group(当时的Satellite Interference Reduction Group)几年前的研究表明,占比最高的干扰原因是人为误差,其次是设备故障。天线缺陷会导致卫星通信出现严重的错误,包括错误定向,它可能导致卫星干扰。

确定测试程序

在天线测试方面,政府或商业机构制定了多个测试标准。目前的测试系统是这些标准的核心,许多要求都是基于它们的技术能力和局限性而设定的。基于无人机的测量方法与传统方法有显著区别,提供了一套新的从未有过的优势。

基于无人机的测试系统的要素

过去一年中,企业们广泛研究、测试并评估了一个成功的、便携式高精度无人机天线测试系统所需的必要组件和步骤。基于无人机的替代方案必须为天线制造商、卫星运营商和服务提供商提供多种测试场景。

一个系统由四个要素组成:一个射频有效负载、一个接收机系统、一个无人机和一个基站,如图2所示。射频负载包括天线和信号源。信号源必须具有稳定的频率电平和功率输出。天线必须具有较高的交叉极化隔离度,最好具有一定的增益和定向性,以尽量减少来自环境干扰的影响。还需要能覆盖较宽的频率范围,以保证能够测试多种不同的天线。射频有效负载的用途是实现平面波照射被测天线。射频有效负载精确指向待测天线的能力至关重要。

一个与待测天线匹配的接收系统决定了待测天线能够接收多少功率。可采用频谱分析仪或功率计。接收系统还需要一个放大器,以保证信号在测量装置的底噪声之上的完整性。

无人机代替了标准天线测量中的定位器,在测量过程中准确地传输射频有效负载。需要先进的飞行计算机(flight computer)和飞行前路径规划软件,在系统之间建立空间联系,保证对飞行的精确控制。至关重要的是,应可以精确复制一条飞行路径来实现测量的可重现性。无人机上的飞行传感器对于提供必要信息以绘制结论性结果以及计算测量不确定度至关重要,不确定度随后可以被删除或量化并记录下来。

基站是必需的,用来实现实时检测飞行以及测试过程中关键的其他控制功能,如改变参数或利用位置导航和定时(PNT)系统进行误差修正。采用实时动态(RTK)PNT基站,可使无人机在待测天线的局部参考系中精确地飞行。QuadSAT使用的RTK PNT保证了水平方向2cm、垂直方向5cm的无人机定位精度。更形象地说,无人机将能够在30*30*30cm的空间内保持其位置(图3),即使是在风速高达54km/h的大风中。这意味着相对于天线的指向精度是优于0.01°的,这点可以与传统的高性能远场测试系统提供的精度相媲美。

实现

图4给出了该测试系统的装备,如果需要进行天线现场测试,单个技术员也很容易运输这些装备。

测试前设置:现场基站设置为系统提供参考位置,使无人机能够知道其精确位置,以实现精确的自动化飞行,并根据基站测量天线位置,确认天线位于所有测量路径的中心。待测天线(AUT)的准备遵循指定的分步协议,包括方位角(Az)和高度(El)的确定,以保证清晰的视线(图5)。

天线指向的对准与识别:找到天线的初始和近似Az和El指向后,无人机进行栅格扫描测量,以正确识别精确的Az和El角度,并进一步验证以保证最优精度。

执行测试:在飞行中被实时引导的无人机可以进行任何想要的测量,进行Az截面或栅格扫描、改变频率和信号幅度均可。第一个测试结果给出了天线的定向性和辐射方向图的形状。使用由最终期望的测量精度决定的不同测量方法得到实际天线增益的测量结果。如图5所示,在预先编程的实验路径中进行方向图截面扫描,无人机跟随飞行路径,在AUT(基于主波束的Az和El)与各数据采集点之间保持恒定距离。无人机和接收到的信号状态不断被监视,生成的结果可以图形化,进行视觉上的检查。或者可以以数据形式提供。

主要的天线测试包括:

l 方位主截面,跨度为±20°

l 高度主截面,跨度为±10°

l 聚焦于主波束附近的栅格扫描,方位和高度方向跨度均为±5°,给出一个主波束的高度可视化的三维表示。

图6给出了这种测量的一个例子,所有的测量都是在发射和接收中进行的,并且在三个不同频率(低、中、高频段)的共极化和交叉极化平面上进行。

如果天线需要和天线罩一起使用,无人机测试将可方便的提供天线性能评估。在这些情况下,天线罩的通断测量是必要的。在图7中,没有天线罩(绿线)的天线将满足SOMAP要求(蓝线)。有天线罩的天线(红线)将不符合SOMAP要求,这是由于天线罩能量位移较大导致的。

革命性的无人机测试系统

无人机测试为识别卫星天线的收发共极化和交叉极化离轴组件提供了可靠的方法。它的设计是为了满足测试地面天线的需要,具体涉及指向精度、辐射方向图以及天线罩性能如何影响辐射方向图。

QuadSAT系统是针对X波段和Ku波段设计的,并将扩展到Ka波段天线测试。它在分配功率电平、频率选择和极化调整等方面提供了灵活性。更多频段、调制格式和定制的产品将发布。

公司正与领先的卫星运营商和GVF密切合作,以确保达到行业标准。同时,考虑LEO和MEO星群的增长,公司正在寻找一种类似的评估和验证跟踪算法性能的方法。

根据AUT的可比较数据集进行任意位置的无人机定位,使得制造商可以将新天线模型的性能与在天线罩下工作一段时间的同一天线模型的性能进行比较。

卫星运营商时不时遇到网络中运行的天线性能不佳。天线制造商要应对后勤保障困难、耗时和昂贵的测试过程。服务提供商没有可行的手段来衡量天线性能随时间的变化。性能较差的终端可能引起干扰,即发射天线对相邻卫星造成干扰。

现有的测试方法采用定位系统旋转AUT来测量作为旋转角度的函数的辐射方向图。在新的无人机方案中,天线在进行测试时保持在其位置上。无人机配备了射频有效负载,并根据期望的测量平面按预先编程的测试路线飞行。无人机的位置被高精度地实时记录着,与接收机在天线末端执行的测量相匹配。

在严苛环境中工作的天线往往被天线罩保护着。这些天线罩必须精确保证天线的工作频带,因为天线罩制造过程中的微小误差都会影响其保护的天线的性能。一些环境变化,如阳光、海水、振动、气压或温度变化等,都能改变天线罩的性能。其后果可能是天线旁瓣简并、波束偏转或去极化,降低了天线罩及其保护的天线的性能。

天线罩的尺寸和形状在当前测试系统内测试是比较复杂的,因为往往不适合安装在天线的测试平台上。如果AUT位于飞机、船舶等大型移动平台上,或用于高铁中,这些限制可能会产生特定的影响。但这些限制并不影响绕天线(有天线罩或无天线罩)移动的无人机测试系统,使得天线罩对测试数据的影响得到改善,链路分析精度提高,能精确探测天线罩性能是否降低。

对于卫星运营商来说,无人机技术意味着在将其引入网络之前,能够方便地在各种测试场景中控制卫星天线的性能和质量。对于天线制造商来说,无人机技术意味着研发团队能够在公司内部进行天线测量。对于服务提供商而言,无人机技术意味着能够就地进行新的安装或维修后的测试,以确保其服务满足顾客期望。服务商也会看到COTM安装维护成本的大幅降低,因为可以不需要移动船舶、飞机等进行测试来验证安装。最终,基于无人机的天线性能测试将使测试更加经济、灵活,同时减少测量时间。

总结

随着更多的卫星发射到各种轨道上,地面上的天线数量将迅速增加。用户拥有更小、更轻的天线的愿望导致了个体系统的复杂化。这将使足够的天线性能测试变得更为重要,因为COTM在设计上存在很大差异,因此需要在测试方法上增加灵活性。

目前人们提出了一种由无人机、基站、射频有效负载和接收机系统组成的新型工业定制测试方法。随着无人机解决方案按照行业需求演化,将逐渐消除将天线运输到专用测试系统所在地的要求。没有了尺寸限制,将使COTM系统的天线测试可以在天线罩覆盖下进行,从而为其性能提供有价值的数据。这种新的无人机解决方案将使天线性能测量转变为一种灵活、简单、快速、性价比高的方法,具有增加卫星通信用天线终端整体质量的潜力,使这一行业的测试发生革命性变化。

参考文献

图1 QuadSAT无人机和测试装置

图2 基于无人机的测试系统框架图

图3 有效负载位置定位的可视化表征

图4 从左至右:无人机手动控制器(仅在起飞和着陆时使用);具有射频有效负载的无人机;基站

图5 方位和高度截面的框架图

图6 利用基于无人机的测量方法给出的栅格扫描图

图7 在海上工作几年的天线罩方向图截面分析


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