使用校准降低卫星设计和测试成本

传统上，卫星项目一直是高风险的企业，对风险的容忍度非常低。这是地球同步（geo）卫星性质的直接后果。它们很大（通常为1，000至10，000公斤），生产成本高，并且难以运输到太空。一旦进入轨道，典型的寿命为8到10年，受机载功率的限制。在轨道上更改或修复设计通常是不可行的，因为到达那里然后在真空中进行工作的双重困难。对足够彻底和准确的飞行前测试的需求使计划时间表和预算紧张。

地理卫星已被用于通信、广播和天气监测。然而，近年来，随着更新成像技术的出现、通信技术的进步以及大众互联网连接的推动，机会越来越多。为了实现这些机会，工程师正在使用低地球和中地球轨道卫星。由于可重复使用火箭的进步和总体成本的降低，这些小型轨道飞行器的寿命可能更短。

追求这些NewSpace机会的企业家愿意在更大的风险与更低的开发成本和更短的上市时间之间取得平衡。然而，由于NewSpace仍在将复杂的设备发射到太空并依靠其正常运行，因此以最小的风险降低成本和时间仍将非常有益。

通过仪器校准降低成本

测试是任何卫星计划的重要组成部分。提高总程序成本的一种方法是降低测试成本。取消测试似乎很诱人，但设备故障的风险会显着增加。保持仪器和系统的准确性可降低测试成本，并以多种方式缩短程序进度。例如，卫星有效载荷系统的可接受裕度由其每个组件的允许裕度定义。如果测试系统不确定性发生偏差，则每个组件必须具有更严格的可接受裕量，此举会在组件开发过程中产生额外的时间和成本。

使用可追溯的标准和校准来保持系统性能，可最大限度地减少在设计和测试生命周期的每个阶段验证测试结果和排除仪器不一致所花费的时间。

事实上，可追溯性是确保仪器准确性的主要方法。在校准过程中，仪器精度和性能使用可追溯的标准进行验证，这些标准是具有已知测量不确定度的仪器，可以直接追溯到国际单位制（通过国家计量机构）。校准通常按制造商建议的定期进行。保持这些间隔对于确保仪器以可追溯的准确性运行至关重要。

使用原始设备制造商 （OEM） 校准仪器的一个优点是手头可用的程序，例如自动更换磨损更快的内部组件。此外，如果仪器未通过其规格或保护带内的验证测试，OEM 可以进行专有调整，使性能恢复到测试限制范围内。

检查校准的好处

例如，考虑通过卫星转发器中的高功率放大器测量增益、幅度和相位线性度。矢量网络分析仪（VNA）通常用于表征这些放大器的非线性行为。这种测量的精度对于放大器和取决于其性能的在线组件的设计至关重要。（注意：使用 VNA 测量管理高功率信号时，请考虑使用外部衰减器、耦合器或前置放大器来更好地控制信号功率电平。

可能有必要考虑修改将引入的额外噪声、漂移和复杂性。在增益和线性度测量的原位归一化过程中，通过估计和数学消除一些系统测量误差（包括VNA接收器的线性度或“动态精度”）来提高精度。

用于标准化到被测设备的可追溯标准是机械套件或电子校准模块（ECal）。通常，假定这些模块随着时间的推移是稳定的。为了调查这是否属实，是德科技领导了一个案例研究，重点测试 2，000 个 ECal 模块的性能，包括来自测试高性能组件的客户的性能。结果：三年未校准的ECal模块超出公差的可能性是每年校准模块的三倍。

图1显示了一个示例测试结果，其中史密斯控制图显示了复数阻抗。蓝线是新制造的ECal模块，代表用于归一化程序的阻抗;橙色线是超出公差模块的实际结果。使用后一个模块进行任何归一化都会给测量增加重大误差，最终通过系统故障、返工和重新测试影响测试成本。

图1：史密斯图显示 Ecal 模块在公差范围内和超出公差范围内。

遵守建议的校准间隔

考虑另一个例子：卫星有效载荷系统的无源互调（PIM）测量。PIM是一个问题，因为它限制了有效载荷接收器的灵敏度，并在下行链路附近的信道中产生干扰信号。在无源元件（例如电缆、连接器或滤波器）之间的结处非线性混合两个高功率信号会产生互调失真（IMD）。该IMD很难去除，因为信号通常是在有效载荷接收器链中的信号调理元件之后产生的。

PIM 测试使用两个信号发生器进行：一个无 PIM 的功率组合器，用于在上行链路接收器通道中产生 PIM 电位;以及信号分析仪，用于监控下行链路中产生的 PIM。改变信号发生器的频率和音调间距使信号分析仪能够检测PIM。信号分析仪的灵敏度和非线性性能不得抑制查看PIM结果的能力。

三阶截距（TOI）是分析仪线性度的衡量标准，必须通过定期仪器校准进行监测，以确保分析仪内部产生的失真不会掩盖生成的PIM。定期校准将最大限度地减少分析仪灵敏度对测量结果的影响，特别是如果服务提供商在所有有效载荷下行链路频率下验证分析仪的本底噪声。

为了最大限度地降低这些规格超出公差的风险，建议对高性能信号分析仪进行一年的校准周期。此外，由于卫星转发器上的PIM测量需要高性能信号分析仪，因此使用两个信号发生器来验证TOI至关重要。原因是：产生双音信号的单个信号发生器引入了比高性能信号分析仪的内部失真大得多的IMD产品。（注意：如果校准报告仅列出用于TOI验证测试的单个信号发生器，则TOI未验证或验证不正确。

图2显示了信号分析仪TOI验证测试的正确设置。信号发生器和功率传感器/功率计应在其校准周期内，并具有可追溯的测量不确定度。这确保了一致的结果，尤其是在多个测试站中使用多个信号分析仪时。

图2：用于大于 3.6 GHz 的载波频率的 TOI 失真验证测试设置。

降低成本、风险

要跟上新的卫星应用的步伐，就需要对用于设计和发射卫星的流程进行现代化改造。降低测试成本可以显著提高卫星项目的总成本范围，使这些新应用中有利可图的企业成为可能。如前例所示，通过保持关键参数的定期校准来确保准确性，有助于降低NewSpace企业的风险。

审核编辑：郭婷