高軌衛(wèi)星接地設(shè)計

孔陳杰+習(xí)成獻+袁明++張強

摘要：

良好的接地設(shè)計是衛(wèi)星系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠的重要保障。簡要介紹了幾種衛(wèi)星上常用的接地方式，分析了國內(nèi)外衛(wèi)星接地現(xiàn)狀及其原因。針對高軌衛(wèi)星在軌運行環(huán)境中存在的嚴重的充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)，詳細分析并設(shè)計了一種高軌衛(wèi)星接地方案。經(jīng)北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星地面試驗及在軌飛行驗證，星上各單機工作穩(wěn)定正常，該接地設(shè)計可靠有效。

關(guān)鍵詞：

接地設(shè)計； 衛(wèi)星； 高軌； 北斗二代導(dǎo)航

中圖分類號： U 666.1文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.008

Abstract：

A good grounding design is very important to perform reliability and safety for a satellite system. Several usual grounding architectures of satellite are introduced in this paper. The domestic and overseas grounding status and reasons are analysed. Furthermore for serious charging and discharging effects and internal dielectric charging effect existing in the highorbit satellite onorbit running environment a new grounding architecture of highorbit satellite is analysed and designed carefully.The ground test and onorbit flight for beidou 2nd generation navigation satellite show that the standalone devices work fine and the new grounding design is effective and reliable.

Keywords：

grounding design； satellite； highorbit； beidou 2nd generation navigation

引言

接地是電路系統(tǒng)正常工作的基本要求之一，也是決定電路系統(tǒng)EMC性能高低的關(guān)鍵因素。衛(wèi)星運行在高軌道空間環(huán)境中，地球外輻射帶（3～7倍Re，Re為地球半徑）中俘獲了大量的電子。其中，能量位于0.1～10 MeV范圍內(nèi)的高能電子具有很強的穿透能力，它們可以穿透衛(wèi)星表面敷層進入衛(wèi)星構(gòu)件的介質(zhì)材料中，從而產(chǎn)生充電效應(yīng)。當(dāng)介質(zhì)深層充電產(chǎn)生的電場超過介質(zhì)材料的擊穿閾值時，就會發(fā)生放電。因此，衛(wèi)星表面和內(nèi)部存在嚴重的充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)，所產(chǎn)生的電磁脈沖會干擾甚至破壞衛(wèi)星上電子系統(tǒng)的正常運行。介質(zhì)深層充電產(chǎn)生的電場除了與電子能譜、介質(zhì)厚度及屏蔽層厚度有關(guān)外，還有一個重要的因素，就是介質(zhì)構(gòu)件所采用的接地方式。因此，良好的接地設(shè)計是衛(wèi)星系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠的重要保障[1]。

本文介紹了幾種衛(wèi)星上常用的接地方式，分析了國內(nèi)外衛(wèi)星接地現(xiàn)狀，針對高軌衛(wèi)星在軌運行環(huán)境，詳細分析并設(shè)計了一種高軌衛(wèi)星接地方案。

1接地的目的和接地方式

1.1接地目的

接地設(shè)計是衛(wèi)星設(shè)計的必要環(huán)節(jié)。衛(wèi)星接地就是把星上各設(shè)備外殼、框架或底座與星體結(jié)構(gòu)或運載搭接起來。

衛(wèi)星接地設(shè)計目的有以下幾點：

（1）為星上所有電子設(shè)備和結(jié)構(gòu)件建立一個基準(zhǔn)的公共參考電位；

（2）為故障電流提供漏電流通路，使保護電路真正起到保護作用；

（3）通過正確的接地設(shè)計，使系統(tǒng)內(nèi)的電磁干擾得到有效的控制；

（4）建立靜電堆積電荷的泄放通路，確保單機不會受靜電影響。

1.2接地方式

目前衛(wèi)星上設(shè)備主要有如下幾種接地方式：

（1）單點接地

單點接地指衛(wèi)星上所有設(shè)備的地線均通過導(dǎo)線連接到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的一點上，即衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地與星上各設(shè)備之間只存在唯一的接地路徑。單點接地主要分為圖1所示的串聯(lián)單點接地和圖2所示的并聯(lián)單點接地[2]。從噪聲觀點看，串聯(lián)單點接地容易引入干擾，因任何導(dǎo)線都有電阻，流經(jīng)導(dǎo)線的電流都會在導(dǎo)線上產(chǎn)生壓降，造成相互間共模干擾，故低頻設(shè)備最好采用并聯(lián)單點接地方式。單點接地的最大缺點是，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率很高，以致波長小到與系統(tǒng)接地線長度可以比擬時（如達到λ/4時，λ為波長），接地線就好像一根天線，通過它向外輻射電磁波，影響周圍設(shè)備和電路的工作，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)考慮采用多點接地[34]。

（2）多點接地

多點接地指衛(wèi)星上每臺設(shè)備的公共地就近接到星體結(jié)構(gòu)上，如圖3所示。衛(wèi)星上高頻單機和部件均采用多點接地的方式。每點接地時應(yīng)采取電路就近接地，并且接地導(dǎo)線的長度要小于工作信號波長的1/20。

（3）混合接地

由于多點接地系統(tǒng)中存在著各種地線回路，它們對于設(shè)備內(nèi)較低電平的信號可能產(chǎn)生不良影響，為此需要采取混合接地。根據(jù)不同的工作頻率采用相應(yīng)的接地方式：頻率高于1 MHz或接地線的長度大于工作信號波長的1/20時采用多點接地；頻率低于1 MHz或接地線的長度小于工作信號波長的1/20時采用單點接地。

2接地現(xiàn)狀分析

NASA航天器接地設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中典型的接地方式如圖2和圖3所示。國內(nèi)不同型號衛(wèi)星接地方式大同小異，主要原則如下[56]：

（1）直接使用一次母線電源供電，其供電都必須有專用的回線，回線不能通過星體結(jié)構(gòu)返回，而需通過電纜連接回到供配電單元，整星一次母線回線在電源分系統(tǒng)中某臺單機（如電源控制器）中匯合在一起，再通過此臺單機上某個專用的低頻電連接器引出導(dǎo)線搭接到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主接地螺母（即衛(wèi)星基準(zhǔn)地）上。

（2）低頻單機二次電源各電壓回線與機殼之間隔離（絕緣電阻>1 MΩ），各電路的信號地均單獨接至單機內(nèi)二次電源的相應(yīng)地上，單機內(nèi)模擬電路和數(shù)字電路地分別連接到二次電源地，然后在單機內(nèi)部某一電路板共地引出。高頻單機和部件采用多點接地方式，所有電路均就近接地，同時具有高、低頻電路的單機采用混合接地方式，即二次電源回線、低頻信號回線采取單點接地方式，高頻信號采取多點接地方式，但最終低頻信號回線、二次電源回線、高頻信號地、機殼地在單機電氣上是相通的。

（3）電纜屏蔽體接地：在同一電纜束內(nèi)各低頻電纜的屏蔽體應(yīng)相互絕緣，以便減少各電纜間信號串?dāng)_。

（4）結(jié)構(gòu)件與熱控多層接地：衛(wèi)星的所有金屬構(gòu)件、儀器安裝板和星載儀器的外殼都和衛(wèi)星基準(zhǔn)地等電位，熱控多層按規(guī)定的工藝就近與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)搭接，接地搭接線盡量短。

（5）星體各艙體設(shè)置區(qū)域接地樁，各接地樁之間彼此連接，再通過其中一接地樁和整星基準(zhǔn)接地樁相連。

國內(nèi)衛(wèi)星接地設(shè)計與NASA航天器接地設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異。NASA航天器接地設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為嚴格的并聯(lián)單點接地，國內(nèi)衛(wèi)星上單機并未做到嚴格的單點接地，而是由電源分系統(tǒng)的某個單機實現(xiàn)統(tǒng)一接衛(wèi)星基準(zhǔn)地，這種接地方式即為串聯(lián)單點接地（圖1）的形式。此接法可能會造成相互間的共模阻抗，進而影響公共參考點電壓，但由于一次回路阻抗很小（小于10 mΩ），不會對衛(wèi)星上一次供電單機正常工作造成影響。例如，一次母線電壓輸出范圍為42±1V，一次回路阻抗最大不超過0.01 Ω，按整星輸出電流峰值40 A計算，回路壓降最大不超過0.4 V，不會對各單機正常工作造成影響。

但對于衛(wèi)星上單機內(nèi)部使用二次電源而言，這種影響不容忽視，需要將單機內(nèi)部DC/DC模塊的輸入級和輸出級回線嚴格隔離（即單機內(nèi)部一次地和二次地隔離），防止一次地上共模干擾耦合到二次地上。

此外，如果衛(wèi)星上單機通過安裝面就近直接接衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地，考慮到星上各設(shè)備之間沒有做到供電回線的嚴格隔離，設(shè)備之間接口電路上仍然存在公共供電回線，將形成如圖4所示的“地環(huán)路”，地環(huán)路既能發(fā)射電磁波干擾附近正常工作的電路又極易受到外界電磁波的干擾。另外，由于設(shè)備安裝面到結(jié)構(gòu)地的搭接電阻往往小于衛(wèi)星上設(shè)備供電電纜回線的阻值（衛(wèi)星建造規(guī)范中規(guī)定此搭接電阻需小于10 mΩ），將導(dǎo)致星上設(shè)備的工作電流主要通過安裝面經(jīng)結(jié)構(gòu)地返回到供電單元，而衛(wèi)星上為設(shè)備專門設(shè)計的供電回線中電流將下降，當(dāng)星上多個用電設(shè)備同時工作時，結(jié)構(gòu)中通過的地電流累積起來效果往往很明顯。因此，星上設(shè)備電路接地設(shè)計中應(yīng)盡量避免地環(huán)路的存在或盡可能減小其面積。

3高軌衛(wèi)星接地設(shè)計

針對高軌衛(wèi)星運行空間環(huán)境，接地設(shè)計的目的是防止衛(wèi)星在軌運行時產(chǎn)生靜電累積和靜電放電，減少因各種形式的感應(yīng)耦合產(chǎn)生的電磁干擾。因此，高軌衛(wèi)星需要更為合理的接地設(shè)計，接地應(yīng)嚴格按照單點接地、減小接地回路面積的原則進行設(shè)計。

高軌衛(wèi)星接地設(shè)計主要包含衛(wèi)星一次母線和輔母線接地設(shè)計、單機二次電源接地設(shè)計、各單機結(jié)構(gòu)接地設(shè)計、熱控多層接地設(shè)計、孤立導(dǎo)體接地設(shè)計以及電纜屏蔽層接地設(shè)計等內(nèi)容。

為了實現(xiàn)整星設(shè)備機殼的等電位，每一塊儀器安裝板上均設(shè)有接地樁，作為衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)地，最后通過搭接實現(xiàn)整星設(shè)備的等電位，衛(wèi)星的金屬構(gòu)件和各模塊殼不作為載流體。所有接地樁之間的搭接電阻應(yīng)小于10 mΩ。

（1）一次母線和輔母線接地設(shè)計

一次母線電源是太陽電池陣或測試時地面太陽模擬器經(jīng)分流器調(diào)節(jié)后輸出以及鋰離子蓄電池組經(jīng)升壓調(diào)節(jié)器輸出的整星供電電源。

一次母線電源的單點接地在電源控制器回線端實現(xiàn)。衛(wèi)星一次電源接地統(tǒng)一從電源控制器進行接地，其他所有單機所用一次電源均由電源控制器經(jīng)主配電器、輔配電器提供，無須再作接地，并與其他電路地隔離。電源控制器中的接地點經(jīng)電連接器搭接到衛(wèi)星的接地樁，搭接電阻小于10 mΩ。這個接地樁就是衛(wèi)星的基準(zhǔn)地，接地樁設(shè)計在電源控制器旁，以便接地導(dǎo)線盡可能短。

衛(wèi)星輔母線由主配電器轉(zhuǎn)換生成，主要為衛(wèi)星指令和推進組件供電，輔母線接地設(shè)計集中在主配電器中，各單機無須作接地設(shè)計。主配電器中一次母線回線、輔母線回線和二次電源地相連。

一次電源、輔母線供電線和回流線成對配置，地面向衛(wèi)星供電時，地面電源的負端應(yīng)接到電源控制器內(nèi)的單接地點上。

（2）二次電源接地設(shè)計

二次電源為一次母線電源經(jīng)DC/DC變換后輸出的直流電源。衛(wèi)星上低頻設(shè)備嚴格遵循單點接地原則，單機內(nèi)部只有一個接地參考點。二次電源地與一次電源地隔離，隔離電阻不小于1 MΩ。各個單機的二次電源地通過電纜網(wǎng)引出就近接地，接地電阻小于10 mΩ，并且盡最大可能以圖2所示接地方式為標(biāo)準(zhǔn)。不同單機的不同二次電源應(yīng)分別接地，確保與衛(wèi)星基準(zhǔn)地等電位；同一單機中二次電源的各檔地線互不連接，在機內(nèi)采用單點接地。二次電源需輸送到負載時，全部采用絞線成對供電，以保證各檔電源的供電電流和回線電流相等。遙測和遙控信號采用一個單機一根地線，同一單機的遙測線和地線、遙控線和地線必須安排在同一電纜束內(nèi)。

高頻單機和部件均采用多點接地方式，單機內(nèi)部采取二次地和機殼連接（起到一定屏蔽作用）。對于同時具有高、低頻電路的單機采用混合接地方式，即二次電源回線、低頻信號回線采取單點接地方式、高頻信號采取多點接地方式，但最終低頻信號回線、二次電源回線、高頻信號地、機殼地在單機電氣上是相通的。

（3）單機結(jié)構(gòu)接地設(shè)計

為了保證衛(wèi)星的所有金屬構(gòu)件、儀器安裝板和星載儀器的外殼都和衛(wèi)星基準(zhǔn)地等電位，因此星上各單機機殼及結(jié)構(gòu)件都須良好接地。

根據(jù)單機安裝位置，星上各單機結(jié)構(gòu)可按以下方式接地：單機與衛(wèi)星的安裝面接觸實現(xiàn)同衛(wèi)星的接地，如磁力矩器；單機采用接地樁方式實現(xiàn)與衛(wèi)星接地，接地樁采用M4的螺釘安裝，如配電器；為了保證單機的可靠接地，除了單機接地樁外，單機內(nèi)部將機殼與電連接器的節(jié)點相連，再以低頻電纜網(wǎng)的方式引出搭接實現(xiàn)與衛(wèi)星接地，衛(wèi)星的絕大部分單機可采取這種方式；星外單機就近通過結(jié)構(gòu)板固定螺釘與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)搭接。

以上搭接具體要求：各單機電連接器與機殼搭接電阻小于10 mΩ；各單機機殼與儀器板之間的搭接電阻小于10 mΩ；結(jié)構(gòu)件之間具有良好的搭接，搭接電阻小于10 mΩ。

此外，太陽電池陣的基板與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地高阻（如68 kΩ）連接，連接架、鉸鏈等可通過板間電纜及電連接器直接與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地連接，捆線樁通過導(dǎo)電膠粘接于基板，保證接地電阻小于1 k蓄電池電路和結(jié)構(gòu)絕緣，蓄電池結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星艙板絕緣安裝，結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地高阻連接。

（4）熱控多層接地設(shè)計

電磁兼容性設(shè)計要求星上全部熱控多層按規(guī)定的工藝就近與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)搭接。衛(wèi)星內(nèi)部和表面的多層包扎材料，層與層之間搭接，其搭接參考點與衛(wèi)星之間的電阻小于1 Ω。搭接參考點到金屬膜表面上任一點間的直流電阻小于50 Ω。

星上多層隔熱組件中每層雙面鍍鋁聚酯薄膜，兩側(cè)面都要采取接地措施，星外多層最外層采用導(dǎo)電型F46薄膜鍍銀二次表面鏡，鍍銀層和導(dǎo)電鍍鋁層均采取接地措施。熱控多層隔熱組件根據(jù)面積大小，設(shè)置多個接地點，接地引線長度小于300 mm。

衛(wèi)星散熱面采用OSR熱控涂層。在OSR粘貼工藝中，通過導(dǎo)電膠將OSR片與結(jié)構(gòu)進行電導(dǎo)通接地，防止表面靜電積累。

星上熱敏電阻測溫引線采用雙絞線形式，星內(nèi)布線盡量避開星上負載電纜走線；星上熱控主動加熱器引線采用雙絞線形式，星內(nèi)布線避開星上信號線。

（5）孤立導(dǎo)體接地設(shè)計

衛(wèi)星運行于高軌環(huán)境中，空間電荷很容易在孤立導(dǎo)體表面累積，存在嚴重的表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)，進而使衛(wèi)星受到電磁干擾影響。因此，衛(wèi)星上所有孤立導(dǎo)體都需良好接地。

電路板上的集成電路芯片表面覆銅為孤立導(dǎo)體，若覆銅和管腳間無電氣連接，需進行接地處理。若芯片覆銅封帽在電路封裝上有布線引出，則可直接用導(dǎo)線在引出布線上焊接，并用硅橡膠（如GD414）對焊接位置及走線加固后高阻接機殼；若芯片覆銅封帽沒有引出線，則先將導(dǎo)線一端焊接至一小金屬片上，將該金屬片用導(dǎo)電膠與覆銅粘接，再點膠固定金屬片，導(dǎo)線分段點膠后將導(dǎo)線另一端高阻接機殼。

電連接器中的“空針”可能會充電而放電，因此，星上所有電連接器的“空針”都應(yīng)高阻接機殼。對靜電敏感的MOS管，管殼高阻接機殼。星上繼電器電路在供電端處單點接地，繼電器供電線和回流線盡可能靠近，以減小回路面積，帶有金屬屏蔽殼的繼電器，屏蔽殼高阻接機殼。

（6）電纜屏蔽層接地設(shè)計

電纜束內(nèi)的低頻電纜屏蔽體相互絕緣，以便減少串?dāng)_。低頻電纜屏蔽體不允許作為電源或信號的回流線，屏蔽體在源端同電連接器的外殼連接，電連接器外殼同機殼搭接電阻小于10 mΩ。

4結(jié)論

本文分析了國內(nèi)外衛(wèi)星的接地現(xiàn)狀，并針對高軌衛(wèi)星在軌運行環(huán)境，分析并設(shè)計了一種高軌衛(wèi)星接地方案。經(jīng)北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星地面試驗及在軌飛行驗證，衛(wèi)星上各單機工作穩(wěn)定正常，此接地設(shè)計可靠有效。本文所設(shè)計的高軌衛(wèi)星接地方案可為同類衛(wèi)星接地設(shè)計提供參考，具有重要的工程實踐意義。

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（編輯：張磊）