衛星導航專用暗室測試環境建設研究

何 健,譚志強,任伯峰,周海俊

（1.中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471003；2.北京市懷柔區裝備學院,北京101416）

0 引言

微波暗室又稱無回波室，是一個能吸收高頻電磁能，而反射、散射及投射都極小的材料覆蓋在房間內的各個面上所構成的空間。微波暗室試驗環境具有可控性和可重復性好，不受外界環境和多徑效應影響等方面的優勢，能夠有效的排除環境雜波的干擾。因此，在電子信息、航天、航空等高技術領域得到廣泛應用。由于它有效地模擬了自由空間無電磁回波的條件，因而可以用來進行各種類型的微波測量，更重要的是能大大提高測試精度和工作效率。

隨著衛星導航的快速發展和導航系統的建成，越來越多的導航終端設備將應用到各行各業，因此針對導航終端設備的性能需要專用的測試場地和測試環境，針對大批量多型號的終端測試，最高效的測試方式就是采用暗室環境測試，配合有導航信號模擬器。因此針對導航終端試驗，測試單位應該建設專用的導航暗室[2]。

本文主要對導航終端類設備進行測試的暗室環境進行了一定的分析，論述了導航終端設備對暗室規模和靜區等方面的最低要求，同時還針對較大規模的導航專用暗室進行研究論證，提出了一些建設構想。

1 微波暗室分類

微波暗室按形狀分主要分為矩形、錐形、喇叭形三種形狀。尤其是使用頻率向高、低兩端的擴展，促進了矩形、錐形暗室的發展，并得到了廣泛應用。

1.1 喇叭形微波暗室

喇叭形微波暗室的長處是,墻壁的表面積比同類矩形微波暗室小，使用吸波材料也少等。但缺點是，使用時需準確調整發射天線的位置，使用空間小被測物只能在一個固定地方進行測量在某種程度上喇叭形微波暗室固有的有效散射面比矩形微波暗室大等,因此其應用范圍與發展受到限制。

1.2 錐形微波暗室

在低頻時,由于錐形暗室發散的幾何形狀,避免了來自側墻、地板和天花板大角度鏡面反射,因而低頻特性比矩形暗室好。另外由于室內的表面積小,吸波材料用量少,因而造價相對矩形暗室低，但錐形暗室使用的條件受到限制，第一，由于空間傳輸損耗與自由空間不一樣，因而只能用比較法測量天線增益。第二，只能作單端測量，對于像北斗一代測試時的用戶機收發雙向無線測試不能適用。

1.3 矩形微波暗室

矩形與錐形微波暗室在主要的電波傳播方向特性、靜區的性能等方面是相同的。矩形微波暗室能避免錐形微波暗室的缺點,它的通用性較好,微波暗室的兩端均好使用，在遠場試驗時矩形暗室的通用性要好于其它暗室。錐形對于多源、動源測試等是不適用的，也不能提供絕對場強的測試。同時有些用戶機用戶機測試時需要用戶機收發雙向信號，所以錐型暗室無法滿足要求，固只能選取矩形暗室。

綜合考慮，衛星導航用暗室主要工作頻段為1GHz-3GHz，且測試中要求考慮雙向測試要求，即被測設備存在收發特性。錐形和喇叭形暗室可擴展性和暗室利用率較低，因此暗室形狀首選矩形。

2 暗室設計中需考慮的因素

2.1 規模設計

規模設計是暗室設計的前提，規模設計中要充分分析測試規模、建造周期、經費等因素，在此基礎上依據相關經驗公式計算暗室的長、寬、高的尺寸。

在暗室設計中，首先要明確測試規模，比如滿足多套用戶機并行測試還是單套用戶機測試，當然這與建造周期、經費有必然的聯系。根據用途的不同，暗室的設計規模有所不同。本文主要按照滿足單套用戶機性能測試要求的規模進行設計。

2.2 暗室性能

暗室設計中核心的指標是暗室的性能，主要包括靜區的大小、靜區的性能、幅度均勻性等指標。導航終端設備測試中依據被測設備天線尺寸可確定暗室靜區大小，同時跟據相關測試精度要求可反向推算靜區的性能。幅度均勻性可依據測試要求進行推算。

2.3 屏蔽性要求

屏蔽性要求，主要依據暗室建造地點、周邊電磁環境進行設計，同時選取相應的吸波材料，建造的金屬外殼屏蔽體。同時還要綜合考慮建設成本以及國內現有工藝水平。如建設地點周邊電磁環境較為復雜可參照相關標準進行設計。

2.4 輔助設施要求

輔助設施如供電、照明、接地、通風、火災告警等對于暗室的性能以及使用都是比較重要的內容，因此在設計中要求充分考慮。

3 衛星導航暗室設計

3.1 暗室規模設計

為了能夠滿足測試的需要，可建設滿足單套衛星導航用戶設備輻射式測試條件的小型暗室。該暗室主要用于衛星導航用戶設備的整機接收指標測試。為了保證測試精度，應該在滿足天線遠場條件下進行測試。如圖1所示。

圖1 暗室尺寸示意圖

對于目前主流導航系統的工作頻點分析，由下述公式可計算出測試距離R：

根據圖中所示，假定暗室長為L，寬為W，遠場距離為R，發射天線距離前墻體R1，靜區長度為R2，接收天線距后墻體為R3。

3.1.1 測試天線與轉臺的距離應滿足遠場條件。

遠場條件應滿足下式：

D1、D2 為收發天線的最大尺寸，分別為40cm、25cm；

λ為工作頻率的最小波長,取12cm（對應于最高工作頻率2.5GHz）；

通過計算，R≥3.7m，該數據是理論上的最小值，這里取測試距離按3.8m來考慮。

3.1.2 暗室寬度及高度

暗室的工作頻率為1GHz-3GHz，吸收率按40dB計，主反射區吸波材料的高度應不小于750mm。寬度應保證電波入射角不超過60°。入射角大于60°，吸波性能明顯下降。一般從電性能和經濟觀點考慮，暗室寬度和長度之比應在1/2～1/3之間。

取吸波材料的入射角θ為45°，則暗室的內部凈寬度W應不小于4m，加上吸波材料的長度，暗室寬度的最小寬度應為5.5m，考慮適當的余量，暗室寬度定為6.2m。暗室高度設計一般與寬度相當。

3.1.3 暗室長度

根據上述計算，暗室收發天線附近墻壁吸波材料厚度d1、d2分別按0.6m、0.9m考慮，靜區長度R2按0.6m設計，一般情況R1按0.5m-0.7m考慮，R3約為測試距離的1/3左右，暗室凈長度L按以下公式計算：

考慮留有一定余量，暗室長度按7.2m設計。綜上分析因此暗室凈尺寸為7.2m（長）×4m（寬）×4m（高）。再考慮吸波材料厚度以及屏蔽體厚度，外推建設暗室所需空間最小尺寸約為9m（長）×6.2m（寬）×6.2m（高）。

3.2 暗室性能設計

3.2.1 靜區性能[3]

根據被試衛星導航用戶設備情況，天線直徑一般在0.4m以內，暗室的靜區應大于該數值，因此取0.6m×0.6m×0.6m即可滿足測試要求。根據衛星導航用戶設備測試要求，其功率測量精度為0.3dB，按測試精度0.2dB計算，靜區性能的計算公式：

靜區性能為R(反射系數)

代入數據得R=0.0115，轉換成dB數值得到R＝－38.7dB。故暗室的靜區性能應優于-40dB設計。

3.2.2 幅度均勻性分析

在衛星導航用戶設備測試中，由于用戶設備在測試臺上要保持天線相位中心不變，因此測試靜區指標中的軸向幅度均勻性對測試結果無影響，可不對該指標進行要求。而橫向均勻性與用戶設備性能測試關系密切，按暗室靜區設計要求，取值一般為±0.25dB。

3.3 屏蔽性設計

由于衛星導航終端性能測試中，測試信號環境幅度較小主要處于-160dBm以下，因此暗室的屏蔽性設計主要考慮周邊電磁環境對其測試的影響，在對周邊電磁環境監測的基礎上提出屏蔽性能要求。以目前一般戶外環境為例，非工作期間背景信號幅度約-50dBm，工作期間信號幅度約-30dBm，若暗室屏蔽性能按100dB設計（國軍標C級或與之相當的保密標C級）[4]，結合吸波材料對信號的吸收性（約30dB）環境信號可降低至-160dBm左右，滿足衛星導航用戶設備測試條件。

4 關于大型導航專用暗室的構想

根據未來衛星導航模擬系統和抗干擾技術的發展，例如多星多路輸出的模擬器，采用自適應調零天線的導航終端設備，配合多角度多方向的干擾信號源，其對暗室建設的要求將進一步提高，需要專用的大型微波暗室才能滿足要求。

在裝有自適應調零天線的終端性能測試方面，可采用多路輸出的GSS7790導航信號模擬器，該模擬器為思博倫公司產品。能夠獨立輸出最多12路的衛星模擬信號。

導航信號模擬系統的發射天線可以考慮部分安裝在暗室頂部，部分布設于四周墻壁。模擬器根據仿真場景模擬出實際天空中的衛星分布情況，因此在暗室頂部和四周墻壁發射天線空間位置分布需要和模擬的仿真場景匹配，為此每一個天線的位置都需經過嚴格的計算得出。為保證個通道的時延一致性，每一個天線到轉臺中心的距離都必須嚴格測定，導航信號模擬器的射頻口到發射天線之間的射頻電纜的長度也必須嚴格測定，以保證各路信號在整個發射鏈路中時延是已知并可控。因此其鏈路的設計與標定需要專業的技術人員。

考慮暗室大小，天線到轉臺中心的距離不得少于4m，以保證天線發出的射頻信號在到達轉臺中心的終端時的傳輸波形可以近似于平面，滿足暗室測試的遠場條件。并且暗室墻壁上安裝的吸波材料本身有1m左右的長度，再加上暗室中心測試臺至少2m左右的高度，因此暗室的高度應不小于8m。如果在暗室四周墻壁上再布設相關導航天線或測試天線，暗室的長度和寬度也必須也滿足遠場條件。

由于暗室頂部和四周墻壁的空間和空域只能模擬部分衛星空中信號來波方向，因此模擬導航系統的仿真運行時間受到嚴格的限制。同時對于暗室中心的測試臺也有更高的要求，應至少具備方位360°無限制轉動和俯仰±100°的能力。

在大暗室的設計中，天線的安裝位置至關重要。具體天線的安裝位置上，可以通過對實際導航衛星星座進行場景模擬，可以針對一個或是多個時刻的場景進行仿真模擬。時刻的模擬可以分別選取不同的PDOP值作為依據，也可選根據特定需求選取，具體方案可根據不同需求進一步明確。

圖2 星座仿真三位效果圖

圖3 俯視效果圖

圖2為隨機選定的三個時刻的GPS、北斗星座仿真在暗室頂部和墻壁周圍的投影效果圖。根據星座仿真結果將導航信號發射天線投射到暗室的天頂和四周墻壁，不同的仿真時刻，仿真結果不同，可根據要求自行選定，同時為節約天線數量，降低建造成本，也可以將仿真結果中緊鄰的幾個天線和為一個天線，可以相應的控制成本。

圖3、圖4、圖5分別為長、寬、高不同方向的側視效果圖。

5 結束語

圖4 寬度方向側視效果圖

圖5 長度方向側視效果圖

小型衛星導航專用暗室在設計中考慮諸如照明、通風、用電等方面的技術要求，可根據測試系統工作要求進行具體設計。本文主要針對簡單測試條件，對暗室的整體結構和關鍵指標進行了初步地研究和分析。同時針對仿真程度更高的大型專用暗室也進行了建設研究，提出了一些建設思路，具體建設中還需要進一步分析論證。隨著衛星導航技術在民用和軍事中的作用不斷加強，導航設備與導航技術已經融入到生活工作的方方面面，越來越多的導航應用設備走進千家萬戶，因此需要功能性能更加完備的專用暗室為導航終端設備提供測試環境。

[1]鄭生全,黃松高.電波暗室靜區性能及設計要點[J].電波暗室專刊,2005.

[2]秦毅,藍朝良.暗室工程概念設計[J].電子信息對抗技術,2009.

[3]劉汝兵,劉海濤.小型微波暗室的靜區分析[J].機電技術,2011.

[4]王向陽,鄭興,何洪濤,高向東.微波暗室有限測試距離對天線遠場測量的影響[J].電訊技術,2010.

[5]師建龍,全厚德,甘連倉,洪軍.微波暗室靜區反射電平計算方法研究[J].艦船電子工程,2010.

[6]鄭星,汪連棟.縮比模型試驗技術在射頻仿真暗室設計中的應用[J].電視技術,2008.