小卫星综合测试中的接口安全控制

王建军，陈逢田

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

0 引言

安全控制是综合测试的重要任务，应该特别注意测试设备和被测试卫星的接地、动力供电的正确性、卫星电测接口的规范化、火工装置的测试、指令的安全保护等[1]。卫星综合测试过程中的安全控制内容包括测试设备及测试软件的设计和验收、测试系统集成、接口控制、测试操作管理等，其中接口安全控制尤为重要，涉及到地面设备与卫星、卫星本身内部接口逻辑，接口操作考虑不周有可能使测量数据偏差很大，甚至会危及卫星设备的安全，研究接口安全的控制具有很重要的意义。接口安全控制措施主要包括测试设备自检、电缆导通绝缘检查、高频电缆插损标定、电缆入口对卫星电气结构的交流和直流电压检查、上行电平功率控制、设备开启顺序控制、关键工序控制等，以下将详细介绍小卫星综合测试过程中的接口安全控制措施。

1 综合测试中的接口

为了对卫星综合测试中的安全进行有效控制，必须清楚卫星综合测试的状态，理清卫星与地面之间的接口关系。

1.1 地面综合测试系统

图1所示为综合测试系统构成框图，主要由总控设备（OCOE）和各分系统专用测试设备（SCOE）两大部分组成。可以看出，测试设备多，接口关系复杂，实施难度大。

图1 小卫星综合测试系统组成示意图Fig.1 Structure of overall checkout system

1.2 相关接口

测试设备分为通用测试设备和专用测试设备。通用测试设备需检定合格并在有效期内使用；专用测试设备由具有生产资质的单位按相关要求生产，通过验收和检定并由质量部门认定和设计师系统批准方可使用[2]。卫星综合测试系统中接口很多，要特别注意卫星与地面的接口，另外还需要在操作过程中注意卫星本身内部设备的接口，针对内部设备接口要求制订关键工序进行安全控制。

1）卫星与地面测试设备之间的接口。包括各个分系统地面测试设备与卫星之间的接口，如姿控、供配电、星务、测控、数传、载荷等分系统。接口形式有低频脱落电连接器、低频星表电连接器、总线、高频上行功率输入/高频下行信号输出的同轴电缆等。

2）卫星本身内部设备的逻辑接口。包括设备间的接口以及一些互为制约因素的接口。

针对这些接口及其安全危险因素，应采取合理的安全控制措施，设置安全控制的关键工序。

2 卫星与地面设备接口的安全控制

2.1 供电和接地接口

综合测试中对供电和接地的要求和技术实现方式，是卫星综合测试安全保证的关键环节之一，是卫星综合测试顺利进行的首要条件。

2.1.1 供电和接地安全检查

测试前，组织技术安全小组对测试现场（工厂、环境试验现场或发射场）进行技安检查。供电和接地检查是其中的重要内容，包括供电方式、容量、接口类型、电气线路、电源开关、配电柜、插座、接地装置，特别是地线的配置、各测试仪器设备的接地状态、机壳带电情况和电源接线板的极性和负荷等[3-4]。供电和接地的安全按其要求进行检查，要求如下：

单相交流电源电压为 220±22 V，频率为50±1 Hz，采用单相三线制；三相交流电源电压为380±38 V，频率为50±1 Hz，采用三相五线制；动力电源供电能力应大于最大用电负荷能力的1.5倍；交流电源稳压器的电压输出稳定度应优于±1%；应备有一定数量的不间断电源（UPS），备用 UPS的不间断供电能力不小于15 min；厂房内有良好的接地线，用三桩法测定接地电阻不大于1 Ω；禁止保护地线、信号地线与动力电源零线连接；防静电设施（消静电棒）接地良好。

配电盘使用的插座应符合 GB 2099.1—1996标准并满足以下要求：单相交流电源插座为左零、右火、中（上）地；三相交流电源插座相序一致；明确标识各电源插座的相序，测试设备进行功率分配，做到用电三相均衡；特别要注意Agilent公司的太阳方阵模拟器，其供电方式为 3火 1零的三相四爪（380 V×25 A）方式，并要求机壳接保护地；各接地点牢固可靠，不存在虚接现象。

2.1.2 危险电压

不正确的接地和供电会给卫星带来干扰，甚至将引入危险电压，致使设备烧毁。图 2为高频测量仪器设备内部电源变换原理示意图。综合测试中UPS将220 V交流电提供至测试场地墙体插座上，再输入到高频测量仪器上并经过内部的变压器等1：1隔离变换滤波后作为一次电源用于测试设备的供电，其电平基准信号的GND与插座中的保护接地E相连接后并可靠接地；卫星电气结构均要求可靠接地。如果卫星电气结构的接地端子没有可靠接地，则仪器设备的信号接地与卫星电气结构接地端子之间会存在一个危险的交流电压（通常为110 V），此电压会对卫星的安全构成极大的危胁。

图2 高频测量仪器设备内部电源变换原理示意图Fig.2 Schematic diagram of power system for high-frequency instruments

2.1.3 供电和接地安全保证措施

在卫星以及各类测试仪器设备接地过程中，我们应遵循两个基本原则[5]：1）安全第一；2）降低电气噪声，提高综合测试系统的电磁兼容水平。

为了确保供电和接地的安全，须采取以下保证措施：

1）检查卫星自身的各种接地

与卫星研制有关的各类标准均规定：在卫星总装、综合测试、各类大型地面试验、贮存、转运、加注、起吊时，要求卫星结构与其接地端子可靠连接，确保连接电阻小于1 Ω；在同一测试场地有多个卫星试验时，要求各卫星的接地线彼此分开；卫星综合测试场地还设置有消除静电接地棒，确保接地棒与保护接地连接，用来消除人体静电[2-3,6]。

2）检查卫星与测试仪器设备接地，包括信号地、保护地以及卫星电气结构接地

对于直接给卫星加电的设备，如太阳方阵模拟器、地面稳压电源等低频测试设备在设计时一般采取了严格的信号隔离（如电路与机壳之间的隔离，输入电路与输出电路之间的隔离）。它们在向卫星供电时，一般采取将供电输出直接施加到卫星母线上，在设计上实现了设备输出端的地线与卫星电气结构接地共地。因此，低频供电设备的保护接地（外壳）与卫星电气结构接地隔离，并要求设备外壳接保护地。

大多数高频测试仪器设备（如示波器等）的信号接地与其供电输入的零线 N绝缘、与设备机壳及供电输入保护地线相连。由于无线测试不直接连接，故不需要考虑相关问题。卫星在进行有线测试时采用电池供电，或者将该设备电源插头插在带有工艺接地的特制接线板（见图3）上，断开保护地，使信号接地不通过电源插座接入大地，而是让设备与测试场地的工艺接地共地。在使用该类接线板时，一定要特别注意接地线的处理，将其 A端可靠接入工艺接地，不准虚接或空开不接。否则将存在危险电压，危及设备安全。

3）检查所有地面测试仪器设备的接地

测试仪器设备自身应与地线接好。在检查接地情况时，应与卫星断开，在开机状态下，测量供电输出及其设备外壳、测试探头（针）对卫星电气结构接地的交流和直流电压，进行电缆入口对卫星电气结构接地的交流和直流电压检查。

若以上条件有一个不满足，就要仔细分析，加以排除，采取必要的措施来保证安全。

图 3 特制接线板结构图Fig.3 Structure of specially made socket

2.2 卫星与地面测试设备接口安全控制

采取的安全控制措施主要包含几个方面：低频电缆的导通绝缘检查；高频电缆的导通绝缘检查、插损测量；测试仪器设备自检；接地和供电安全检查；高频设备上行功率电平标定，在卫星加电前将地面衰减器调节至较大值，确保上行功率电平在安全许可范围内；静态阻抗测量，在卫星状态变化后卫星加电之前，通过地面脱落电连接器测量卫星电源系统各太阳电池分阵的阻抗、整星供电母线的阻抗，在星表应急断电保护插头处测量整星供电母线的阻抗；测试火工品发火管电阻值时一定要确保测量电流小于火工品安全电流；在进行卫星电缆与设备连接、串入或取下转接器、工艺件、测试电缆以及更换设备时，都应符合不带电操作的原则；空闲不用的插头或插座要及时盖上保护盖。卫星与地面测试设备接口安全控制方法如表1所示。

表1 卫星与地面测试设备接口安全控制表Table 1 Safety control of interfaces between the satellite and various ground testing instruments

3 真空热试验中的接口安全控制

卫星真空热试验时是放置于真空容器内，其与地面机械支持设备及电气测试设备的连接情况如图4所示[7]。

图4 卫星真空热试验设备连接示意图Fig.4 Connections in vacuum thermal test

对卫星进行测试的各种电缆穿过红外加热笼，通过真空容器上的法兰盘引出到电测间测试设备上，实现罐内罐外的信号传输。高频法兰插座要求与罐体绝缘，即高频信号接地与真空容器罐体绝缘；所使用的低频穿舱插座等接插件的外壳与信号本身就是绝缘的，外壳本身不传递信号，因此低频信号与真空容器罐体绝缘。卫星结构接地与支架车和罐体绝缘，并采用专用地线通过法兰盘连接到罐外卫星接地的接地桩，要求接地电阻不大于1 Ω。

除此之外，还有一些环境试验的大功率动力设备在运行，如真空抽气系统、液氮制冷系统等设备，该些设备与建筑的保护接地系统连接。真空容器、试件支架车、热沉、红外笼等同样要实现与保护接地的可靠连接[8]。

为了保证卫星安全，提高星体的电磁兼容性[9]，将强电设备和弱电设备的接地系统分开，在合罐之前要确保连接方式和电缆的正确性。

4 星上设备接口安全控制的关键工序

卫星综合测试过程中，应保障卫星的供电安全以及参与测试的人员安全，针对测试内容识别危险源，需要考虑卫星自身内部的接口关系，尤其是有一些互为制约因素的接口，制定详细的关键工序和控制措施，这些相互制约的接口有[1]：

1）顺序制约。如对于 LVDS接口的设备，往往要求数据接收设备先加电，数据发送设备后加电。

2）执行时间制约。如行波管放大器加电，通常要求先低压加电，等待4 min后，才能发送高压加电命令。

3）蓄电池和推力器加热回路的管理制约。考虑在轨环境和地面环境的差异，例如蓄电池不希望温度过高，要严格控制其控温回路加热状态；为防止推力器催化床温度过高而氧化，地面应控制其加热状态。

4）设备配置准则制约。例如某些发射机要求其功率输出通道开关设置正确，有些设备不允许主备份同时开机。

5）绝对禁止制约。例如在帆板或天线等机构压紧之后，绝对不允许发送使其转动的相关指令。

6）事件制约。例如铷钟等设备对开机温度有明确要求，一定要等待其温度达到开机要求才能发送铷钟加电指令。

7）定时制约。某些卫星为减少能源消耗保证设备安全，往往规定载荷设备的最大开机时间，系统设计中，加入定时自动关机功能。对这些定时事件，一定要根据卫星测试情况将其定时功能屏蔽或者重新开机。

卫星综合测试过程中，必须对这些互为制约因素的接口和其危险源进行考虑及安全控制。

5 结束语

卫星综合测试中，测试项目和测试状态变化大，地面测试设备数量多，卫星与地面接口关系比较复杂多变。要充分识别危险源，严格控制设备供电和接地状态，采取有效的接口安全控制措施，加强关键工序的制定和实施，确保人员、卫星和测试设备的安全，以保障卫星综合测试顺利进行。

（References）

[1]谭维炽, 胡金刚.航天器系统工程[M].北京： 中国科学技术出版社, 2009

[2]国防科学技术工业委员会.GJB 2997—97, 航天器电性能测试技术要求[S].北京： 国防科工委军标出版社, 1997

[3]国防科学技术工业委员会.GJB 2204A—2005, 航天器总装通用规范[S].北京： 国防科工委军标出版社, 2005

[4]张翰英.卫星电测技术[M].北京： 中国宇航出版社, 1999

[5]王建军, 陈逢田, 李培华.航天器综合测试中的接地技术研究[J].计算机测量与控制, 2010, 18(2)： 267-271

[6]徐福祥.卫星工程概论(下)[M].北京： 中国宇航出版社, 2003

[7]王建军, 章雷, 陈逢田.卫星及地面测试系统接地技术研究[C]//2009年中国宇航学会学术年会论文集

[8]柯受全.卫星环境工程和模拟试验(上)[M].北京： 中国宇航出版社, 1993

[9]邹澎, 周晓萍.电磁兼容原理、技术和应用[M].北京：清华大学出版社, 2007