小衛星綜合測試中的接口安全控制

王建軍，陳逢田

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

0 引言

安全控制是綜合測試的重要任務，應該特別注意測試設備和被測試衛星的接地、動力供電的正確性、衛星電測接口的規范化、火工裝置的測試、指令的安全保護等[1]。衛星綜合測試過程中的安全控制內容包括測試設備及測試軟件的設計和驗收、測試系統集成、接口控制、測試操作管理等，其中接口安全控制尤為重要，涉及到地面設備與衛星、衛星本身內部接口邏輯，接口操作考慮不周有可能使測量數據偏差很大，甚至會危及衛星設備的安全，研究接口安全的控制具有很重要的意義。接口安全控制措施主要包括測試設備自檢、電纜導通絕緣檢查、高頻電纜插損標定、電纜入口對衛星電氣結構的交流和直流電壓檢查、上行電平功率控制、設備開啟順序控制、關鍵工序控制等，以下將詳細介紹小衛星綜合測試過程中的接口安全控制措施。

1 綜合測試中的接口

為了對衛星綜合測試中的安全進行有效控制，必須清楚衛星綜合測試的狀態，理清衛星與地面之間的接口關系。

1.1 地面綜合測試系統

圖1所示為綜合測試系統構成框圖，主要由總控設備（OCOE）和各分系統專用測試設備（SCOE）兩大部分組成。可以看出，測試設備多，接口關系復雜，實施難度大。

圖1 小衛星綜合測試系統組成示意圖Fig.1 Structure of overall checkout system

1.2 相關接口

測試設備分為通用測試設備和專用測試設備。通用測試設備需檢定合格并在有效期內使用；專用測試設備由具有生產資質的單位按相關要求生產，通過驗收和檢定并由質量部門認定和設計師系統批準方可使用[2]。衛星綜合測試系統中接口很多，要特別注意衛星與地面的接口，另外還需要在操作過程中注意衛星本身內部設備的接口，針對內部設備接口要求制訂關鍵工序進行安全控制。

1）衛星與地面測試設備之間的接口。包括各個分系統地面測試設備與衛星之間的接口，如姿控、供配電、星務、測控、數傳、載荷等分系統。接口形式有低頻脫落電連接器、低頻星表電連接器、總線、高頻上行功率輸入/高頻下行信號輸出的同軸電纜等。

2）衛星本身內部設備的邏輯接口。包括設備間的接口以及一些互為制約因素的接口。

針對這些接口及其安全危險因素，應采取合理的安全控制措施，設置安全控制的關鍵工序。

2 衛星與地面設備接口的安全控制

2.1 供電和接地接口

綜合測試中對供電和接地的要求和技術實現方式，是衛星綜合測試安全保證的關鍵環節之一，是衛星綜合測試順利進行的首要條件。

2.1.1 供電和接地安全檢查

測試前，組織技術安全小組對測試現場（工廠、環境試驗現場或發射場）進行技安檢查。供電和接地檢查是其中的重要內容，包括供電方式、容量、接口類型、電氣線路、電源開關、配電柜、插座、接地裝置，特別是地線的配置、各測試儀器設備的接地狀態、機殼帶電情況和電源接線板的極性和負荷等[3-4]。供電和接地的安全按其要求進行檢查，要求如下：

單相交流電源電壓為 220±22 V，頻率為50±1 Hz，采用單相三線制；三相交流電源電壓為380±38 V，頻率為50±1 Hz，采用三相五線制；動力電源供電能力應大于最大用電負荷能力的1.5倍；交流電源穩壓器的電壓輸出穩定度應優于±1%；應備有一定數量的不間斷電源（UPS），備用 UPS的不間斷供電能力不小于15 min；廠房內有良好的接地線，用三樁法測定接地電阻不大于1 Ω；禁止保護地線、信號地線與動力電源零線連接；防靜電設施（消靜電棒）接地良好。

配電盤使用的插座應符合 GB 2099.1—1996標準并滿足以下要求：單相交流電源插座為左零、右火、中（上）地；三相交流電源插座相序一致；明確標識各電源插座的相序，測試設備進行功率分配，做到用電三相均衡；特別要注意Agilent公司的太陽方陣模擬器，其供電方式為 3火 1零的三相四爪（380 V×25 A）方式，并要求機殼接保護地；各接地點牢固可靠，不存在虛接現象。

2.1.2 危險電壓

不正確的接地和供電會給衛星帶來干擾，甚至將引入危險電壓，致使設備燒毀。圖 2為高頻測量儀器設備內部電源變換原理示意圖。綜合測試中UPS將220 V交流電提供至測試場地墻體插座上，再輸入到高頻測量儀器上并經過內部的變壓器等1：1隔離變換濾波后作為一次電源用于測試設備的供電，其電平基準信號的GND與插座中的保護接地E相連接后并可靠接地；衛星電氣結構均要求可靠接地。如果衛星電氣結構的接地端子沒有可靠接地，則儀器設備的信號接地與衛星電氣結構接地端子之間會存在一個危險的交流電壓（通常為110 V），此電壓會對衛星的安全構成極大的危脅。

圖2 高頻測量儀器設備內部電源變換原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of power system for high-frequency instruments

2.1.3 供電和接地安全保證措施

在衛星以及各類測試儀器設備接地過程中，我們應遵循兩個基本原則[5]：1）安全第一；2）降低電氣噪聲，提高綜合測試系統的電磁兼容水平。

為了確保供電和接地的安全，須采取以下保證措施：

1）檢查衛星自身的各種接地

與衛星研制有關的各類標準均規定：在衛星總裝、綜合測試、各類大型地面試驗、貯存、轉運、加注、起吊時，要求衛星結構與其接地端子可靠連接，確保連接電阻小于1 Ω；在同一測試場地有多個衛星試驗時，要求各衛星的接地線彼此分開；衛星綜合測試場地還設置有消除靜電接地棒，確保接地棒與保護接地連接，用來消除人體靜電[2-3,6]。

2）檢查衛星與測試儀器設備接地，包括信號地、保護地以及衛星電氣結構接地

對于直接給衛星加電的設備，如太陽方陣模擬器、地面穩壓電源等低頻測試設備在設計時一般采取了嚴格的信號隔離（如電路與機殼之間的隔離，輸入電路與輸出電路之間的隔離）。它們在向衛星供電時，一般采取將供電輸出直接施加到衛星母線上，在設計上實現了設備輸出端的地線與衛星電氣結構接地共地。因此，低頻供電設備的保護接地（外殼）與衛星電氣結構接地隔離，并要求設備外殼接保護地。

大多數高頻測試儀器設備（如示波器等）的信號接地與其供電輸入的零線 N絕緣、與設備機殼及供電輸入保護地線相連。由于無線測試不直接連接，故不需要考慮相關問題。衛星在進行有線測試時采用電池供電，或者將該設備電源插頭插在帶有工藝接地的特制接線板（見圖3）上，斷開保護地，使信號接地不通過電源插座接入大地，而是讓設備與測試場地的工藝接地共地。在使用該類接線板時，一定要特別注意接地線的處理，將其 A端可靠接入工藝接地，不準虛接或空開不接。否則將存在危險電壓，危及設備安全。

3）檢查所有地面測試儀器設備的接地

測試儀器設備自身應與地線接好。在檢查接地情況時，應與衛星斷開，在開機狀態下，測量供電輸出及其設備外殼、測試探頭（針）對衛星電氣結構接地的交流和直流電壓，進行電纜入口對衛星電氣結構接地的交流和直流電壓檢查。

若以上條件有一個不滿足，就要仔細分析，加以排除，采取必要的措施來保證安全。

圖 3 特制接線板結構圖Fig.3 Structure of specially made socket

2.2 衛星與地面測試設備接口安全控制

采取的安全控制措施主要包含幾個方面：低頻電纜的導通絕緣檢查；高頻電纜的導通絕緣檢查、插損測量；測試儀器設備自檢；接地和供電安全檢查；高頻設備上行功率電平標定，在衛星加電前將地面衰減器調節至較大值，確保上行功率電平在安全許可范圍內；靜態阻抗測量，在衛星狀態變化后衛星加電之前，通過地面脫落電連接器測量衛星電源系統各太陽電池分陣的阻抗、整星供電母線的阻抗，在星表應急斷電保護插頭處測量整星供電母線的阻抗；測試火工品發火管電阻值時一定要確保測量電流小于火工品安全電流；在進行衛星電纜與設備連接、串入或取下轉接器、工藝件、測試電纜以及更換設備時，都應符合不帶電操作的原則；空閑不用的插頭或插座要及時蓋上保護蓋。衛星與地面測試設備接口安全控制方法如表1所示。

表1 衛星與地面測試設備接口安全控制表Table 1 Safety control of interfaces between the satellite and various ground testing instruments

3 真空熱試驗中的接口安全控制

衛星真空熱試驗時是放置于真空容器內，其與地面機械支持設備及電氣測試設備的連接情況如圖4所示[7]。

圖4 衛星真空熱試驗設備連接示意圖Fig.4 Connections in vacuum thermal test

對衛星進行測試的各種電纜穿過紅外加熱籠，通過真空容器上的法蘭盤引出到電測間測試設備上，實現罐內罐外的信號傳輸。高頻法蘭插座要求與罐體絕緣，即高頻信號接地與真空容器罐體絕緣；所使用的低頻穿艙插座等接插件的外殼與信號本身就是絕緣的，外殼本身不傳遞信號，因此低頻信號與真空容器罐體絕緣。衛星結構接地與支架車和罐體絕緣，并采用專用地線通過法蘭盤連接到罐外衛星接地的接地樁，要求接地電阻不大于1 Ω。

除此之外，還有一些環境試驗的大功率動力設備在運行，如真空抽氣系統、液氮制冷系統等設備，該些設備與建筑的保護接地系統連接。真空容器、試件支架車、熱沉、紅外籠等同樣要實現與保護接地的可靠連接[8]。

為了保證衛星安全，提高星體的電磁兼容性[9]，將強電設備和弱電設備的接地系統分開，在合罐之前要確保連接方式和電纜的正確性。

4 星上設備接口安全控制的關鍵工序

衛星綜合測試過程中，應保障衛星的供電安全以及參與測試的人員安全，針對測試內容識別危險源，需要考慮衛星自身內部的接口關系，尤其是有一些互為制約因素的接口，制定詳細的關鍵工序和控制措施，這些相互制約的接口有[1]：

1）順序制約。如對于 LVDS接口的設備，往往要求數據接收設備先加電，數據發送設備后加電。

2）執行時間制約。如行波管放大器加電，通常要求先低壓加電，等待4 min后，才能發送高壓加電命令。

3）蓄電池和推力器加熱回路的管理制約。考慮在軌環境和地面環境的差異，例如蓄電池不希望溫度過高，要嚴格控制其控溫回路加熱狀態；為防止推力器催化床溫度過高而氧化，地面應控制其加熱狀態。

4）設備配置準則制約。例如某些發射機要求其功率輸出通道開關設置正確，有些設備不允許主備份同時開機。

5）絕對禁止制約。例如在帆板或天線等機構壓緊之后，絕對不允許發送使其轉動的相關指令。

6）事件制約。例如銣鐘等設備對開機溫度有明確要求，一定要等待其溫度達到開機要求才能發送銣鐘加電指令。

7）定時制約。某些衛星為減少能源消耗保證設備安全，往往規定載荷設備的最大開機時間，系統設計中，加入定時自動關機功能。對這些定時事件，一定要根據衛星測試情況將其定時功能屏蔽或者重新開機。

衛星綜合測試過程中，必須對這些互為制約因素的接口和其危險源進行考慮及安全控制。

5 結束語

衛星綜合測試中，測試項目和測試狀態變化大，地面測試設備數量多，衛星與地面接口關系比較復雜多變。要充分識別危險源，嚴格控制設備供電和接地狀態，采取有效的接口安全控制措施，加強關鍵工序的制定和實施，確保人員、衛星和測試設備的安全，以保障衛星綜合測試順利進行。

（References）

[1]譚維熾, 胡金剛.航天器系統工程[M].北京： 中國科學技術出版社, 2009

[2]國防科學技術工業委員會.GJB 2997—97, 航天器電性能測試技術要求[S].北京： 國防科工委軍標出版社, 1997

[3]國防科學技術工業委員會.GJB 2204A—2005, 航天器總裝通用規范[S].北京： 國防科工委軍標出版社, 2005

[4]張翰英.衛星電測技術[M].北京： 中國宇航出版社, 1999

[5]王建軍, 陳逢田, 李培華.航天器綜合測試中的接地技術研究[J].計算機測量與控制, 2010, 18(2)： 267-271

[6]徐福祥.衛星工程概論(下)[M].北京： 中國宇航出版社, 2003

[7]王建軍, 章雷, 陳逢田.衛星及地面測試系統接地技術研究[C]//2009年中國宇航學會學術年會論文集

[8]柯受全.衛星環境工程和模擬試驗(上)[M].北京： 中國宇航出版社, 1993

[9]鄒澎, 周曉萍.電磁兼容原理、技術和應用[M].北京：清華大學出版社, 2007