Volume 22, No.1, 2017, pp. 51-60 DOI 10.6574/JPRS.2017.22(1).6
1 國家實驗研究院國家太空中心 副研究員 收到日期：民國 104 年 12 月 15 日
2 國家實驗研究院國家太空中心 助理技術師 修改日期：民國 105 年 05 月 04 日
3 國家實驗研究院國家太空中心 佐理研究員 接受日期：民國 105 年 05 月 18 日
4 國家實驗研究院國家太空中心 正工程師
* 通訊作者, 電話: (03) 5784208 轉 9553, E-mail: [email protected]
福衛五號電磁自我相容測試
陳秀莉
1*陳永盛
2余思嫻
3李清宏
4摘要
福爾摩沙衛星五號(以下簡稱福衛五號)是我國第一顆完全自主發展的高解析度遙測衛星，福衛五號搭 載之主要酬載為遙測影像儀(Remote Sensing Instrument, RSI)。本篇所討論的 EMI / EMC 測試主要驗證福 衛五號衛星本體在任何一種任務操作模式下，當微波通訊系統運作時，如 X 頻段發射器(X-band transmitter) 以及 S 頻段微波通訊設備(Radio Frequency Equipment Assembly, RFEA)，上傳指令與下載衛星資料與影像 資料時，衛星系統都不會發生性能下降或者任何功能故障的情況，確保衛星上的酬載系統與微波通訊系 統在衛星上的電磁相容性。
關鍵字：電磁相容、自我相容、微波通訊
1. 前言
福爾摩沙衛星五號(以下簡稱福衛五號)電磁 相容(EMI/EMC)測試主要分成三個部分，分別為衛 星元件層級(spacecraft component level)、酬載設備 層級(Payload instrument level)以及衛星系統層級 (Satellite system level)測試。電磁相容測試目的在 於建立對應相關的測試技術與方法以實現各層級 在 EMC 的性能要求，並建立衛星系統層級的分析、
設計與測試方法，滿足 6dB 的 EMC 安全裕度，以 確保在任務軌道上、發射場以及運載火箭的環境都 能使功能正常運作 (Lee, 2013) 。
大部分的太空機構如我國國家太空計畫室 (NSPO)、美國國家航空暨太空總署(NASA)，歐洲 太空總署(ESA)，加拿大太空總署(CSA)……等均 採 用 美 軍 標 準 規 範 係 依 據 美 軍 標 準 規 範 MIL-STD-461 (MIL-STD-461C, 1986) / MIL-STD-462 (MIL-STD-462, 1970)。MIL-STD-461 主要設定陸海空三軍軍事儀器及設備之電磁干擾 暨相容測試需求及測試極限範圍，而 MIL-STD-462 則規範測試方法。1999 年 8 月，此兩份美軍標準
MIL-STD-461D/462D 合 併 成 一 份 標 準 MIL-STD-461E (MIL-STD-461E, 1999)。福衛五號 所使用的元件、儀器以及次系統之電磁干擾暨相容 測試需求及方法，係依據標準作為電磁相容設計與 測試的需求。
一般衛星系統的電磁相容測試分為三大項測 試程序：1.電磁傳導干擾測試(Conducted EMC)、
2.電磁輻射干擾測試(Radiated EMC)、3.電磁干擾 自我相容測試(Self-Compatibility)。本文係針對電 磁干擾自我相容測試及結果進行介紹說明。
2. 自我相容測試
2.1 測試目的及測試時程
衛星電磁干擾自我相容的測試目的是要驗證 衛星在運轉軌道上、發射場和發射載具的電磁環境 等地方，對於在衛星本體上 RF 的發射與接收系統，
在自由空間鏈路及到地面站進行通信時，其功能都 能正常運作。在測試過程中，進行酬載(Payload) 影像資料的下傳(Downlink)，衛星本體所有的次系 統功能操作應能正常，沒有因為遭受干擾而產生異
常或影響影像資料的正確性。福衛五號衛星系統層 級的自我相容測試工作，於民國 104 年 10 月 15 日至 10 月 20 日，在國家太空中心整測廠房挑高區 電磁相容電波暗示室中執行完成。
2.2 測試方法
本文之電磁自我相容測試是依據福衛五號各 次系統的設計、本體型態以及任務操作需求而制定 的測試方法 (Lee, 2015)。此電磁自我相容測試是 以自由空間無線電波傳播方式進行量測，模擬任務 操作，並驗證酬載影像資料經由微波傳送的正確 性。
衛星發射無線電波藉由微波天線與地面接收 站通訊，將衛星健康狀態資訊以及科學酬載資料藉 由 S-頻段天線傳回地面站，而光學遙測酬載的研 究數據資料，也是藉由調變後的電波信號，則經由 X 頻段的天線傳遞至地面接收站，因此不同 RF 系 統之間必須要有好的抗干擾能力，才能確保衛星正 確的軌道運作。
2.2.1 輻射近場
一般而言，天線的電磁輻射特性可經由遠場 (far-field)量測方式得到驗證，遠場條件下，電場、
磁場各隨距離一次方衰減，符合能量不滅原則，是 為輻射的電磁能量(Kraus and Fleisch, 1999)，這也 是 EMC 法規想要測的場強。但在衛星量測觀點上，
以定義遠場的條件下，需要相當大且建構於室內操 控廠房的電波無反射暗室，此需求往往需耗費較多 資源費用與時間。因此，一個可替代的量測近似方 式 ， 利 用 輻 射 近 場 量 測 法 (Radiative near-field measurement)，輻射近場又稱作菲涅爾帶(Fresnel zone)，是依據頻率與天線的特性不同而有所差異，
該距離為 (Balanis, 2005)
R ≧ 2D /λ ... (1)
D 為輻射體的最大尺寸，λ為波長。電磁波能 量在此區域幾乎都能傳遞，而不同於感應近場 (Reactive near field)的電磁能量儲存，雖然與實際
遠場所傳遞的平面波仍有差別，但若是要測試通訊 鏈路的性能仍可利用此特性來測試驗證衛星訊號 藉由天線傳播至地面站的性能。對於福衛五號的電 磁自我相容測試，我們設計一套適合 NSPO 廠房中 EMC 電波暗室的量測方式，將福衛五號衛星本體 設置於輻射近場的條件下進行測試，利用公式(1) 計算出測試距離，D 為參考衛星本體面板的的最大 尺寸，波長則採 S 頻段與 X 頻段的波長分別計算 出 S 頻段與 X 頻段的輻射近場距離為 2 米與 3 米。
2.2.2 路徑損失與極化損失估算
為了計算整個衛星通訊鏈路的功率餘裕(Link / Power Budget)，除了衛星測試距離的定義，也針 對此近場輻射的距離估算出自由空間路徑損失 (Free Space Path Loss, FSPL)以及圓極化波的極化 損失(Polarization Loss)。在自由空間傳播模型中，
最常用的是弗林斯自由空間模型(Friis Free Space Model) (Sklar, 2005)，在一給定傳送端和接收端的 距離時，此模型提供了接收端的平均接收功率。由 弗林斯自由空間方程式(Friis Free Space Equation)，
可以得到自由空間傳播損失的計算公式如下：
= ... (2)
FSPL(dB) = 10log (( ) ) ... (3)
此公式以分貝(dB)單位表示。f 為測試頻率，d 為接收天線距離發射天線之距離，C 為光速 3×108 m/s。因此根據公式(3)計算，S 頻段與 X 頻段的路 徑損失分別為 45.4 dB 以及 60.3 dB。
對於極化損失的評估，一般在遠場條件下，發 射端使用圓極化天線而接收端利用線性極化接收，
若不考慮 pointing loss，理論值會有 3 dB 功率損耗，
但福衛五號衛星規劃將以輻射近場的條件來進行 測試，電波的極化分布形態較為複雜，且會與個別 天線之圓極化特性相關，因此希望整體損失的部分 能夠低於 5 dB，以維持足夠的鏈路餘裕。
2.2 測試架構
2.3.1 衛星本體配置
衛星本體安裝在整合移動平台固定裝置上，以 銅金屬搭接帶接地。科學酬載系統皆安裝在衛星本 體上，其直流接合電阻值小於 2.5 mΩ。相關之衛 星及酬載儀器之電機地面支援設備(EGSE 及 IGSE) 透過測試電纜線連接在衛星上，並於移動平台周邊
覆蓋微波吸收體。衛星用電池，須於測試前完成充 電，以確保測試期間提供足夠電力給衛星，不會發 生電力不足而有充放電情形。衛星本體以及測試天 線採直線視角對準方式架設，以量測最大的信號功 率。詳細之測試配置示意圖見圖 1，衛星在電波暗 室之實體型態進行系統層次電磁自我相容測試照 片見圖 2。
圖 1 衛星測試配置圖
(a) (b) (c) 圖 2 電波暗室內電磁自我相容測試
2.3.2 測試儀器配置
相關之衛星及酬載儀器之電機地面支援設備(EGSE 及 IGSE)透過測試電纜線連接在衛星上。電磁相 容測試儀器必須儘量接近衛星，須注入衛星訊號之測試儀器均串聯接上 6.25 安培緩慢燒斷之保險絲，以 確保避免過度測試產生傷害到衛星。執行電磁自我相容測試時，所有地面電機支援設備為全部開機“ON”
狀態下進行量測。
表 1 背景雜訊測試之儀器設備
Nomenclature/Title Supplier Model SerialNumber Cal. Req. Date Measurement receiver R&S ESU26 100410 2016/5/11 Antenna EMCO 3115 4792 2016/7/15
表 2 電磁自我相容測試之儀器設備
Nomenclature/Title Supplier Model Serial Number Cal. Req. Date S-Band antenna EMCO 3115 00052314 NA X-Band antenna FSA S17010/43-1-4 2514-4 NA GPS antenna Antcom 3G1215P-XS-1-5 410102 NA GPS Simulator Spirent GSS6700 01201140 NA
2.3.3 衛星操作模式
執行測試時，衛星本體處於開機“ON”狀態，並切換所有衛星上的次系統操作構型於“Primary side”
其測試流程圖如圖 3 所示。
圖 3 衛星測試流程圖
2.3.4 電磁相容通過/失敗認定標準
在電磁自我相容測試項目之測試通過/失敗標 準認定如下：
1. GPS 接收機信號接收機，測試期間需固定保 持在“Locked”狀態。
2. 光學遙測酬載 RSI 的 dark current 資料，必須 經由衛星上的 X 頻段發射天線成功下傳至測
試用 X 頻段接收設備，並且資料正確。
3. AIP 測試資料必須經由 S 頻段天線正確下傳至 地面測試接收設備，並且資料正確。
4. 測試期間，持續觀察確認衛星所下傳的健康 狀態 Telemetry 資料，不能有任何異常狀態發 生。
2.4 電磁量測環境與校正
2.4.1 背景雜訊測試驗證
在執行電磁自我相容測試前，須完成電波暗室
之背景雜訊的測試驗證，此測試驗證與衛星無關，
目的為確保電波暗室內的架設並無其他外部干擾 源信號洩漏至電波暗室中，而影響測試結果。測試 架構如圖 1 所示，衛星狀態為“OFF”狀態，而標 準測試用號角天線置放衛星前方，架設天線極化方 向分別為水平與垂直極化，量測 1 GHz 到 10 GHz/
1565 MHz 到 1585 MHz/ 2039 MHz 到 2041 MHz 頻段內之背景雜訊，測試環境之周遭電磁場強度需 為測試規範以下 6 dB，方可執行電磁自我相容測 試。背景測試流程如圖 4 說明。
圖 4 背景雜訊測試流程說明
測試的背景雜訊量測結果，如圖 5~圖 10 所示。
圖 5 量測 1 GHz~ 10 GHz 水平極化背景雜訊
圖 6 量測 1 GHz~ 10 GHz 垂直極化背景雜訊
圖 7 量測 1565 MHz~ 1585 MHz 水平極化背景雜訊
圖 8 量測 1565 MHz~ 1585 MHz 垂直極化背景雜訊
圖 9 量測 2039 MHz ~2041 MHz 水平極化背景雜訊
圖 10 量測 2039 MHz~ 2041 MHz 垂直極化背景雜訊
由測試結果可得，量測到的背景雜訊強度皆低 於標準規範值的 6dB 以下，故電波暗室環境符合 測試標準，故可進行後續的量測項目。
2.4.2 路徑損失量測驗證
為計算測試時所需要的通訊鏈路功率餘裕，故 須驗證架設環境的路徑損失，以確保測試進行時，
通訊系統有足夠的傳輸功率，能達成資料下傳與指 令上傳的動作，若有功率不足之處能在測試前並加 以補償。考量實際 EMC chamber 場地大小與衛星 架設的限制，將以 Near-field/ Fresnel region 為參考 來作為量測的接收距離 (TT&C:2m, XDs:3m)。
GPS 因該系統考量 sensitivity 以及系統測試設定，
故以 53cm 為接收距離。利用兩組已校正過的 standard gain horn 作為發射與接收天線，此標準天 線為寬頻線性極化天線，分別相距 1m, 2m 與 3m 的距離來量測，驗證路徑損失的計算值與量測值誤 差，電波暗室內的架設說明請參考圖 11。
(a)
(b)
圖 11 電波暗室內的路徑損失量測
根據公式(1)計算所得的輻射近場距離，架設 接收天線以及相關測試設備電纜線，設定在輻射近 場範圍內所量測的路徑損耗，如下表 3 所示：
表 3 路徑損失量測結果 Frequency
Band
Distance (m)
Calculated Path Loss
(dB)
Measured Path Loss(B) S-BandTx
(2215MHz) 2 49.87 49.7 S-Band Rx
(2039.645833 MHz)
2 48.65 48.9 X-Band 3 58.35 58.2
由量測結果驗證公式(1)所計算的路徑損失值 大小，不論是 S-band 或 X-band，若能越接近 Near-field/ Fresnel region 條件，量測值與計算值幾 乎是 0.2 dB 以下的誤差。此測試驗證所有的測試 設備架設與接線的損耗估算正確性，提供給系統較 準確的鏈路餘裕計算之用。
2.4.3 極化損失量測驗證
利用標準的寬頻線性極化號角天線作為衛星 通訊信號之接收天線，由於衛星上的天線皆為右旋 圓極化天線，故實際上在輻射近場條件，需確認極 化損失的數值為何，此驗證目的除了計算實際損耗 數值，更重要可藉由測試結果與理論值相互比較，
可確認接收天線與衛星之間的架設精準度。此驗證 測試利用兩組已知特性的發射接收天線進行測試，
分別為發射與接收標準號角天線以及發射為已知 特性圓極化平板天線，接收為標準號角天線，如圖 12 說明，比較在輻射近場的條件下，同極化與不 同極化天線之間的接收功率差異來估算極化損失 大小。
(a)
(b)
(c)
圖 12 極化損失量測 (a) 線性極化天線發射與接 收 (b) 右旋極化天線發射與線性極化接收 (c) 電波暗室內測試說明
在輻射近場範圍內所量測的極化損耗，如下表 4 與表 5 所示：
表 4 極化損失量測結果(Tx:CP ant, Rx: LP ant)
Frequency Band Distance (m) Expected Pol. Loss (dB) Measured Pol. Loss(B) S-BandTx (2215MHz) 2 < 5 4.48
S-Band Rx (2039.645833MHz) 2 < 5 5.52
表 5 極化損失量測結果(Tx:CP ant, Rx: CP ant)
Frequency Band Distance (m) Calculated Pol. Loss (dB) Measured Pol. Loss(B)
S-BandTx (2215MHz) 2 0 0.06
S-Band Rx (2039.645833MHz) 2 0 0.22
由測試驗證結果可得，在輻射近場 2m 的距離條件下，利用標準線性極化喇叭天線發射且圓形極化平 板天線接收，實際的量測結果，極化損失約可控制在 5dB 以下，若用改圓形極化平板天線發射接收，實 測結果極化損失約可控制在 0.3dB 以下，此結果除了部分架設時造成的誤差，也驗證用相同的極化的天 線作接收發射，可以達到最小的極化損耗，若是用了不同極化的天線接收發射，理論值至少會有 3dB 極 化損失，場地的條件使得 S-band 的測試距離需限制在 2m (稍小於近場條件)，此測試用平板天線在圓極化 特性上也有頻率響應，非完美理想的圓極化天線，故造成量測上 S-Band Rx 約 4-6dB 極化損失比理論值 稍高，故僅參考此 2m 距離量測到的較大損耗作為 EMC 量測架設調整時的參考數值，後續則改採用衛星 上的圓極化天線以及標準線性極化喇叭天線進行 EMC 量測。總結在 S 頻段與 X 頻段下，路徑損失加上 天線極化損失，大約分別為-53.7dB 以及-61dB，當發射信號分別加上此兩頻段的總損耗，其功率大小位 準仍能滿足 S 頻段與 X 頻段測試設備的接收靈敏度，此計算分析可以避免測試中因信號過小導致測試結 果失敗的發生。
2.5 測試結果
下表 6 為實際量測由衛星端 S-Band Tx 與 X-Band Tx 所傳送之信號，且在地面測試設備接收端所接 收到的功率大小：
表 6 實際量測接收功率 S-Band Tx X-Band
TxA/ANT2
X-Band TxB/ANT2
X-Band TxA/ANT1
X-Band TxB/ANT1 頻率 (GHz) 2.215 8.19 8.19 8.19 8.19
距離 (m) 2 1.96 1.96 3 3
預期接收功率 (dBm) -36.19 -6.05 -6.05 -9.75 -9.75 實際接收功率 (dBm) -34.80 -6.27 -6.17 -9.44 -9.52
由量測結果確認，實際測試鏈路上的信號功率 值，在 X-band 功率位準誤差低於 0.5 dB，S-band 的誤差低於 1.5 dB，屬於地面接收系統可接受的範 圍，確保了測試時的衛星與地面設備通訊成功。
在電磁自我相容測試項目之測試結果如下：
1. GPS 接收機信號接收機，測試期間皆固定保持 在“Locked＂狀態。
2. 光學遙測酬載 RSI 的 dark current 資料，成功 經由衛星上的 X 頻段發射天線下傳至測試用
X 頻段接收設備及儲存，並且資料正確。
3. AIP 測試資料成功經由 S 頻段天線下傳至地面 測試接收設備及儲存，並且資料正確。
4. 測試期間，持續觀察衛星所下傳的健康狀態 Telemetry 資料的測試頁面狀態，無任何異常 狀態發生。
3. 結論
福衛五號電磁自我相容測試，期間經過多次的
討論與事前的治具準備及測試方法的探討，EMC 團隊在國家太空中心測試廠房電波暗室建立起一 套衛星系統電磁自我相容(Self-Compatibility) 測 試的模式，測試前的準備從理論基礎的數值計算，
並且從設計的測試架構得到驗證，最後成功地驗證 福衛五號無互相干擾的情形發生，可以正常運作在 軌道上。
致謝
本測試順利完成要感謝 NSPO 參與福衛五號 整合測試之電機相關同仁林志隆、葉嘉靖、林信嘉、
黃哲政；飛控組相關同仁葉明宇、魏瑋廷；設備操 作相關同仁黃文輝、曾建凱、陳麗美、李思源；機 械相關同仁張展鵬、陳宗耀以及品保同仁徐玉華，
全力協助支援 EMC 電磁自我相容測試之前置準備 與測試驗證工作，以及科學酬載的中央大學團隊，
還有影像組長劉小菁對影像資料的比對與確認。期 間得到測試協調官陳維均以及蔡東宏協助幫忙安 排設備與人員調度，使得測試得以順利進行，以及 電機組徐銘煌組長與飛控組林辰宗組長提供技術 上的諮詢，最後也謝謝福衛五號計畫室以及整測工 作團隊之幕後同仁及長官們。
參考文獻
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Kraus, J.D., and Fleisch, D.A., 1999.
Electromagnetics, 5th Ed., McGraw-Hill.
Lee, C.H., 2013. FORMOSAT-5 satellite EMC test plan, National Space Organization, Hsinchu.
Lee, C.H., 2015. FORMOSAT-5 self-compatibility test procedure, National Space Organization, Hsinchu.
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MIL-STD-461E, 1999. Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment, August.
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May.
Sklar, B., 2005. Digital Communications:
Fundamentals and Applications, Second Edition, Prentice Hall, N. J. December.
1Associate Researcher Fellow, National Applied Research Laboratories, Received Date: Dec. 15, 2015 National Space Organization. Revised Date: May. 04, 2016
2 Assistant Technologist, National Applied Research Laboratories, Accepted Date: May. 18, 2016 National Space Organization.
3 Research Assistant, National Applied Research Laboratories, National Space Organization.
4 Principal Engineer, National Applied Research Laboratories, National Space Organization.
* Corresponding Author, Tel: 886-3-5784208 ext. 9553, E-mail: [email protected]
Formosat-5 Self-Compatibility Test
Shiou-Li Chen 1 Yung-Sheng Chen 2 Szu-Hsien Yu 3 Ching-Horng Lee 4
Abstract
The purpose of the self-compatibility is to verify that the satellite, configured in operational modes, do not occur any malfunction or degradation of performances when operated in nominal TM/TC and X-band downlink system by radio frequency interface.
Keywords: EMC, Self-compatibility, Radio Frequency
