指令母线在航天器接地系统中的应用探讨

中国运载火箭技术研究院研究发展中心 李海伟 潘江江 姜 爽 张 翔 赵 岩



指令母线在航天器接地系统中的应用探讨

中国运载火箭技术研究院研究发展中心 李海伟 潘江江 姜 爽 张 翔 赵 岩

【摘要】航天器长期在轨飞行，经历各种复杂环境，为了避免雷电、高能粒子辐照造成的电子设备故障，提高全航天器的电磁兼容性，需要考虑系统接地设计。通过指令母线技术解决系统设计过程中一次地和二次地隔离代价高的问题，将整个航天器设计成一个等势体，为各个系统中电子设备内电路工作提供统一的参考电位，从而减小仪器设备之间的共模干扰，为全飞行仪器设备可靠稳定工作提供有力保障。

【关键词】航天器；接地；干扰；隔离

0　引言

航天器系统接地设计属于顶层设计，需要总体考虑、系统思维，全局策划。本文论述了顶层设计过程中遇到的一次地和二次地隔离代价高的问题，并提出了设置专用指令母线的解决技术，该技术在航天器上得到验证，并起到了良好效果。

1　接地分类

接地是指在两点之间建立导电的通路，把系统中的电子元件相互连接起来，或把它们同时与某个称作“地”的参考点连接起来。

航天器接地按照目的和作用的不同，分为参考接地和安全接地。

参考接地是指信号或功率传输电流流通的参考电位基准点或基准面，是将直流电源的输出端通过地网接在一起，使其成为稳定的零电位。由于微机中各种TTL电路的逻辑“0”和逻辑“1”，仅相差2V多，直流地上出现波动，可能会导致出现逻辑错误。参考接地包括信号接地、电源接地、屏蔽接地等。

安全接地是指为保护人身安全及元器件安全所进行的接地，包括保护接地和防雷接地。保护接地是指电子设备的金属机壳、底盘等与大地通过低阻抗通道相连，可以防止事故状态时设备外壳上出现过高的对地电压而危及操作人员的安全。防雷接地是把可能受到雷击的物体和大地接通，以便提供泄放大电流的通路。

2　电位基准

电位基准有两种类型，即大地和航天器系统基准地。将大地（或全航天器）作为电位基准的理由，主要从两个方面出发，防止危及人体，防止对小信号的干扰感应。

将大地作为电位的基准并认为其电位为零伏，好比以海平面作为高度的基准并取其高度为零米，因此可以用海拔若干米表示高度，也可用电势若干伏表示电位［1］。类似在月亮引力和风力的影响下海平面基准高度会发生变化，大地的基准电位在空间外界磁场的影响下也会发生浮动。由于大地的电导率较小，大地上不同的两点具有电位差且短时间内难以消失，相对零电位的大地必然存在电势差，这样就造成了该局部点向大地流入电流的现象［1］。

航天器受空间带电粒子辐照，单位时间内电荷变化量形成电流，类似与大地直接流入电流的现象。同时，由于航天器不同位置分布电容不同，也会造成电位的微小变化，理论表示为公式（1）。

从对小信号干扰的角度考虑，微小电位变化相对电磁干扰而言，很多情况下会产生重要的作用。为了防止上述现象的发生，需要单点接地，利用大地（或全航天器）作为唯一的电位基准，避免电流通过［2］。

3　接地必要性

接地设计主要是为了减小干扰，包括外界环境对航天器的干扰以及不同仪器设备之间的互相干扰。接地和隔离是减小干扰的首选有效措施。应当接地的地方必须良好接地，接地不良有时比不接地后果更严重（产生更大干扰）；同样，不应当接地的地方必须电隔离，以保证设备机壳、底板及器体结构均不能作为直流电源或低频信号的回流通路［3］。

历史上曾经出现某航天器仪器设备没有考虑接地设计，某次阴雨天飞行，云层静电使计算机5V电源模块击穿，导致飞行任务失败的案例。

4　接地设计

4.1接地设计原则

空间航天器接地也要形成等电位，为全航天器各个系统中电子设备电路提供统一的“参考地”。

航天器金属结构主体电容量较大，可为各电气系统提供参考零电位，因此是航天器结构接地系统的主要组成部分。应当靠近一次电源地线端，在航天器主结构上选择一个易于外部操作的单点接地点（Single Point Grounding，SPG）。该点在地面测试时引出地线单点接大地。一次电源地线端应以最短距离和最低阻抗搭接到器体参考点。一、二次电源间应有变压器等隔离，其直流电阻应大于1MΩ。

4.2一次地与二次地难以隔离的问题

航天器系统接地设计过程中，遇到不同仪器设备之间的一次地和二次地隔离代价较高的难题。

如图1所示，设备2对设备1发出控制指令，通过控制设备1中的磁保持继电器线圈实现设备加断电控制功能。磁保持继电器线圈正端在设备1中接28V一次母线正端，磁保持继电器线圈负端在设备2中与二次地连接在一起，违背了“全航天器一、二次电源间应有变压器等隔离，其隔离直流电阻应大于1MΩ”的设计原则，破坏了一次电源单点接地的架构。

另外设备2输出的控制信号地、采集信号地和总线地均为二次地，在与其它设备连接的过程中也存在与一次地连一起，违背“全航天器一、二次电源间应有变压器等隔离，其隔离直流电阻应大于1MΩ”接地设计原则的情况。

各类单机所有的输入输出接口均需要隔离设计，如图2所示，为了符合接地“全航天器一、二次电源间应有变压器等隔离，其隔离直流电阻应大于1MΩ”的设计原则，需要增加大量的隔离电路，而且增加串联环节，可靠性降低，导致单机体积、重量大幅增加。

图1　一次地和二次地不隔离示意图

图2　一次地和二次地隔离示意图

图3　指令母线技术

4.3指令母线技术解决思路

通过设置专用的指令母线，如图3所示，设备2中的指令母线地与设备1中的二次地连接在一起，由总体顶层设计保证指令母线地与一次电源地之间隔离，这样符合“全航天器一、二次电源间应有变压器等隔离，其隔离直流电阻应大于1MΩ”的设计原则。

指令母线方案与各类单机隔离方案设计对比情况见表1。

通过表1可以看出，当单机设备数量超过4个以上时，指令母线方案在质量、体积、功耗等各个对比项目中均占优势。由此可以得出结论，指令母线方案适用于单机数量较多，接口关系复杂的航天器。

指令母线与一次电源通过总体顶层隔离设计，为各类单机统一提供指令模块用电，有效地解决了隔离代价较大的问题，同时规范了系统接地设计，为航天器提供了较好的电磁环境。

4.4验证效果

仪器设备众多的某航天器成功应用指令母线技术，整器通过电磁环境试验以及各项大型地面试验，验证了通过指令母线技术解决不同仪器设备之间一次地和二次地隔离代价大问题的有效性。

5　结论

通过采用系统设计指令母线，解决了全航天器一、二次电源间隔离代价高的问题。该技术可以在仪器设备超过4个以上的航天器设计中予以借鉴，具有重量轻、体积小、功耗低等优势。指令母线技术为航天器系统顶层接地系统设计应用提供了有力指导。

参考文献

［1］吕俊霞.电气系统的接地方法和要求［J］.电子质量，2008（2）：73-74.

［2］何宇，王林涛，张大鹏.一种载人航天器高压供电系统接地方法［J］.航天器工程，2009（5）：54-60.

［3］洪展.电子设备的接地技术分析［J］.广西气象，2006（S1）：134-136.

表1　设计对比表

更 正

本刊2016年6月（下）刘赟《二次称重技术在快速装车站智能化改造中的应用》一文署名单位“北京天地科技股份有限公司”应为“天地科技股份有限公司”，特此更正！