復雜航天器電氣系統潛通路分析技術研究

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(中國運載火箭技術研究院 研究發展中心，北京 100076)

復雜航天器電氣系統潛通路分析技術研究

歐連軍，姜爽，趙巖，劉文文，楊友超

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076)

針對復雜航天器電氣系統功能接口復雜、信號類型眾多的特點，系統分析了導致潛通路存在的接口冗余、時序邏輯復雜、接地類型多等客觀原因;明確了復雜航天器電氣系統潛通路分析工作流程，并簡要論述了潛通路分析的準備工作中的單機電氣接口數據收集、電路原理圖設計與簡化的方法和要點，結合潛通路仿真建模分析及優化方法，總結了復雜航天器電氣系統潛通路故障定位的潛在路徑搜索與分析、識別與驗證的步驟;提出了復雜航天器電氣系統預防潛通路的電氣接口信號類型簡單化、電氣接口隔離、信號流向單一化、接地設計提前規劃四項設計原則，并針對某航天器匹配測試階段發現的潛通路問題的原因及改進措施進行了分析。

電氣系統；潛通路；故障

0 引言

潛在電路是指因系統或設備中存在異常電路通路，當受到特定的激勵后產生的響應，其直接后果是觸發了電路中非預期的存在的功能和意外的抑制了正常需要的功能，這種觸發功能的信號傳遞通道是一種沒有被識別的固有信號通道[1]。隨著航天器的發展，電氣系統需要完成的功能越來越多，電氣系統間接口越來越復雜，這些都是電氣系統潛通路可能存在的因素。而潛通路的存在，對飛行器可靠、安全的完成任務將產生不同程度的影響。本文從電氣系統綜合設計的角度，探討了復雜航天器電氣系統潛通路分析方法，提出了能夠提前預防潛通路的復雜航天器電氣系統的設計方法。軟件和管路潛通路分析與預防技術不在本文論述范圍之內。

1 電氣系統潛通路分析技術的發展

20世紀60年代，美國發射的紅石火箭因為一條關機線圈的潛通路存在，造成火箭剛起飛后誤關機，引起業內對潛通路的高度關注，并開始研究。1967～1989年，波音公司、洛馬公司等結合航天器研制和發射過程中重大的故障和事故案例進行研究，首先建立了潛在電路分析理論和方法，隨后又提出了模擬電路、混合電路和集成電路潛在電路分析技術和方法，同時也開發了一套基于理論的潛在電路分析計算機輔助工具，并在研制中加以推廣應用，取得了良好的使用效果。1990年后，SoHaR公司先后成功研發了一個與電路輸入工具OrCAD結合、利用專家系統支持線索表檢查的輔助分析系統SCAT，和具有Windows圖形界面的分析工具CapFast/SCA，輔助普通設計人員進行潛在電路分析。歐洲在20世紀80年代開始研究潛通路技術，1997年正式頒布了根據ESA-SCA方法改編的潛在分析標準ECSS-Q-40-04A:Part1-Part2，標志著歐洲在該領域的研究和應用已趨于規范化。[1]

國內于20世紀80年代末90年代初真正認識和開始研究潛在通路。1988年，國內航空611所、航天12所、708所、北京航空航天大學、西北工業大學、電子科技大學等一些研究所和高校相繼開展潛通路理論和分析工具的研究開發工作，航天12所得到軍事裝備可靠性標準化委員會的支持，針對運載火箭和戰略導彈控制系統潛通路問題，進行了分析技術的研究，并形成了一套適合電氣系統潛通路分析的軟件，取得了一定的成果，但非常大的工作量和對分析人員的高要求，限制了該技術的推廣使用[2]。21世紀，隨著各行業對可靠性的要求的提高，潛通路分析技術的發展已成為必然。經查有多篇文獻先后提出了基于虛擬試驗的潛通路分析、基于網絡流仿真的潛通路分析、基于圖論的潛通路分析、基于關鍵節點的潛通路分析、基于定理推理的潛通路分析等技術和方法[3-5]，特別是有些文獻通過對5種基本潛通路拓撲結構研究分析，并結合工程經驗和典型電路案例，提出了電路、定時、電磁感應損傷潛在通路的8種設計規則[6]，可有效規避潛通路，提高系統設計可靠性。

2 復雜航天器電氣系統潛通路的特點

復雜航天器電氣系統因其要配合航天器完成飛行任務，需要有導航、控制、測控通信、熱控管理、配電管理、時序控制管理、火工品控制管理等功能，系統集成度和功能密集度高，系統和分系統組成復雜，設備電信號連接關系復雜，特別是在目前航天項目研制周期進一步壓縮、產品化正在推廣的高速發展階段，復雜航天器潛通路出現的特點不同于通常的單個電子儀器設備，往往出現在分系統間、單機電氣接口之間。

1)復雜航天器因要實現飛行過程中的各種功能，一般分系統組成和功能復雜，實現分系統功能的各單機冗余度和對外接口均較多，如果對于分系統和單機電氣設計統籌考慮不夠系統，則容易在兩個或多個分系統之間、測試系統與航天器上電氣系統之間、單機之間出現潛通路，通常接口功能越多、實現電路越復雜，引起潛通路的可能性越大。

2)復雜航天器因要完成既定的飛行任務，一般都有較復雜的時序邏輯控制，通常由多個邏輯控制電路配合完成。如果設計不合理存在潛通路，在某種特定的條件下才會激發，這種特定條件可能是與工作時序相關的邏輯狀態、多個工作時序狀態的不兼容、顯性正常特定工況環境異常的故障模式。

3)復雜航天器潛通路的出現，通常和電氣系統的接地設計、隔離設計相關，不同系統、不同單機的接地類型越多，又因接口連接關系復雜，接地設計和隔離設計規則容易被破壞，極易出現潛通路和電磁兼容問題。

3 復雜航天器電氣系統潛通路分析方法

3.1 復雜航天器電氣系統潛通路分析準備

復雜航天器電氣系統潛通路分析都是以各系統單機電氣接口數據為基礎，形成完整、正確的電氣系統電路原理圖，并以此為基礎對電路原理圖進行簡化處理。在此基礎上可以進行兩個方面的潛通路分析工作，一是進行電氣原理圖建模，并使用專門的電路分析軟件或潛通路分析軟件進行仿真分析及優化；二是直接按照潛通路分析的方法或規則，對電路圖進行潛在路徑的分析與搜索，并進行潛在的路徑識別，通過搭建試驗電路進行驗證和改進。圖1為復雜航天器電氣系統潛通路分析工作流程。

圖1 復雜航天器電氣系統潛通路分析工作流程

3.1.1 單機電氣接口數據收集

單機是電氣系統的基本組成單位，單機電氣接口數據的正確性和完整性，決定了整個電氣系統電路圖的完整性和正確性，進而決定了潛通路分析的有效性。單機電氣接口數據一般情況通過單機電路圖或單機接口數據單提供總體，對于與接口密切相關的數據必須詳細而準確，一是對外供電模塊電路、隔離電路、內外地的定義及連接方式，二是對外數字信號隔離電路，對外數字信號與內部電源地、數字地、模擬地的連接關系，三是對外模擬信號隔離電路，對外模擬信號與內部電源地、數字地、模擬地的連接關系。單機接口電路隔離、接地設計是容易出現潛通路的重要環節，對于潛通路分析尤為重要。

3.1.2 電路原理圖繪制

復雜航天器電氣原理圖一般包括各組成系統單機簡單的內部功能電路、準確的接口電路和連接關系，是開展電氣系統設計的重要工具，也是做系統功能實現分析、故障模式分析、潛通路分析的基礎。復雜航天器電氣原理圖要對接口電路芯片詳細化，對上拉、消反峰、濾波、接地、保護等電路一定不能忽略或省略，要對元器件參數進性明確，如10 Ω的電阻和100 Ω的電阻就可能造成兩種不同的結果。

3.1.3 電路原理圖簡化

復雜航天器電氣系統因其功能復雜、電氣設備構成眾多、連接關系復雜，電路原理圖通常非常復雜、特別巨大，用此圖進行潛通路建模或進行潛通路分析搜索，工作量非常大，消耗的資源和時間非常多，也不十分方便。通常按照電氣特性或模塊進行分解，再分層次進行潛通路分析，如常用的簡化出接地原理圖、數字信號原理圖、模擬信號原理圖，先分析各簡化原理圖中的潛通路，再分析各圖之間的潛通路。圖2為復雜航天器電氣系統接地簡圖。

圖2 復雜航天器電氣系統接地簡圖

3.2 復雜航天器電氣系統潛通路仿真分析

潛通路分析軟件或電路仿真分析軟件經常在設計階段使用，有效的潛通路仿真分析一般是基于精準的建模和對模型的深刻理解，對于復雜航天器電氣系統因其組成及連接關系復雜，直接用潛通路分析軟件進行仿真，需要輸入的參數、變量及模式多，工作量巨大，建議對電原理圖簡化，按功能分塊并分別進行建模或仿真，這里主要討論如何使用Multisim等電路仿真軟件進行潛通路分析。

3.2.1 電氣原理圖建模

復雜航天器電氣系統潛通路分析仿真電路建模，需要按照電路功能、電路類型等分別進行建模和分析，在建模時按照系統、功能模塊和元器件三級開展[7]，將電路中的主要連接關系進行抽象，保留電路中的主要和關鍵器件，對于串聯或并聯相似電路，大到相同的電路模塊或芯片，小到電阻或二極管等器件，根據電路的參數特性進一步簡化。還需要注意在進行建模時要特別關注電路接口部分，對于外圍電路的負載特性，為了提高效率，可以用電阻、電容或電感進行等效。

3.2.2 仿真分析及優化

仿真分析只有在關鍵電路建模和參數特性準確、等效電路及特性盡可能的正確的基礎之上才有效，通常通過在關鍵電路節點設置電壓、電流、示波器等虛擬儀表，動態記錄并觀察電路參數的變化情況，并與設計值進行比較，如果出現異常既有可能存在建模不準確、電路設計有問題、存在潛通路3種問題。對于建模不準確和電路設計問題，根據實際情況分析，并對問題電路重新進行建模和設計優化，對于潛通路問題，可結合下面的潛通路預防設計原則，采取增加隔離等措施阻斷潛通路。

3.3 復雜航天器電氣系統潛通路故障定位分析

復雜航天器電氣系統工程師經常需要對整個電氣系統潛通路故障進行分析和定位，對于有經驗的電氣工程師，并不常用潛通路分析軟件或電路仿真分析軟件進行故障的分析、定位和排除，而是經常使用電路圖進行潛通在路徑的搜索、分析和識別。

3.3.1 潛在路徑搜索與分析

潛在路徑搜索與分析也是以準確的電路模型和參數特性為基礎，在分析時特別要把握關鍵路徑上消反峰電路、防反擊電路、不同設備之間的地線路徑，這些電路經常會在不經意間提供電路的潛在路徑，對于Y型、X型、H型拓撲結構[8]的電路當然是分析的重點。

3.3.2 潛在路徑識別與驗證

通過電路原理圖搜索和分析，可基本識別潛在路徑，但實際上由于各單機芯片電路不盡完整、電氣元件參數不盡準確，還需要通過轉接盒對實際產品搭建的電氣系統特征點的電壓進行測量，并與理論分析進行印證驗證潛通路。

4 復雜航天器電氣系統預防潛通路設計原則

潛通路的特點決定它是電氣系統故障的一種表現形式，通常在設計階段很難發現，但是如果設計師遵守一些常規的設計原則，能夠起到規避和預防的效果，總結主要有以下原則：

4.1 設備間電氣接口信號簡單化

傳統的航天器電氣系統接口設計，無論是電控信號、狀態采集信號，還是測量參數采集信號，經常使用設備間模擬量直采、IO、OC指令直傳直控，此種方式與數字量傳輸、各單機本地采集本地控制相比，減少了設備輸入輸出端數字通信模塊處理環節，理論上提高了可靠性，隨之帶來的問題是，各單機之間數字地、模擬地、電源地、各種電平地之間的混聯隔離問題，處理的不好會通各種地的連接帶來潛通路問題。隨著數字電路越來越成熟，復雜航天器電氣系統設計應以接口信號簡單化為原則，減少模擬量直采、IO、OC指令直傳直控，通過使用總線傳輸本地采集信號和控制指令，減少信號類型，簡化接口連接。

4.2 設備間電氣接口隔離

電氣系統接口無論是模擬量、數字量、總線，還是供電信號，都應盡可能的進行隔離設計，從根源上避免單機間、系統間由于電氣信號直接連接，引入潛通路的可能。

4.3 設備間信號流向單一化

電氣系統Y型、X型、H型電路拓撲結構[8]，是引入潛通路的多發環節，其根本問題是這些電路存在信號流向不單一的可能，這種可能就是造成潛通路的潛在因素。將電路盡可能的設計成I型電路，或者在以上電路拓撲結構中加入二極管，使得信號流向單一化，可從根本上規避潛通路的存在。圖3是H型電路拓撲結構存在潛通路的典型案例，可通過增加二極管消除。

圖3 飛機起落架及艙門控制電路[9]

4.4 電氣系統接地提前設計

復雜飛行器電氣系統設計雖然應盡可能的采用本地采集、控制，通過總線傳輸信號和指令，但是，因其功能的復雜性和有些功能的特殊性和重要性，設備間狀態模擬直采和直控難以避免，在接口信號比較多又獨立的情況，全都進行隔離也會增加整個系統的成本和重量，因此，整個電氣系統接口處不可避免的會存在各種電源和信號的模擬類的、數字類的、各種電平的地。此時，應在電氣系統設計之初，就應提出各系統、各單機不同類型地信號設計和隔離原則，可以避免很多不必要的潛通路和電磁兼容問題。

5 復雜航天器電氣系統潛通路分析

圖4是某飛行器電氣系統匹配測試期間的發現的潛通路問題原理圖，存在A、B兩條潛通路通，導致復位開關按下時，“開始”通道繼電器接通，“復位”通道繼電器反而被旁路，不能夠執行復位指令。這個電路是一個典型的發生在控制、配電和地面3個系統之間的潛通路問題，單獨看單機、器上和器地設計都沒問題，在單機測試、系統測試、兩個系統測試時都不能發現；該潛通路也是典型地雙控電路，通過保護電路(二極管)形成，采用了大量的模擬通道并且沒有進行有效的隔離，對地也沒有進行很好的規劃。解決該問題的臨時措施是在潛通路的必經環節位置增加二極管。

圖4 某航天器電氣系統潛通路問題原理圖

6 結束語

本文針對復雜航天器電氣系統潛通路問題，分析了潛通路問題存在的原因，介紹了潛通路問題仿真分析和故障定位分析方法和流程，并提出了復雜航天器電氣系統預防潛通路的設計四大原則。結合某航天器電氣系統潛通路典型案例，分析了該案例中潛通路問題存在的設計不合理因素以及改進措施。

[1] 張 翔，趙 巖，楊友超，等.潛通路分析在飛行器電氣系統設計中的應用[J].宇航計測技術，2016，36(4):64-67.

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ResearchonPotentialPathAnalysisTechnologyofSpacecraftComplexElectricalSystem

Ou Lianjun, Jiang Shuang, Zhao Yan,Liu Wenwen, Yang Youchao

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center,Beijing 100076,China)

For the characteristics of complex spacecraft electrical system, that is complex functional interface and many types of signals, the objective reasons such as redundancy of interface, complexity of temporal logic and multiple grounding types are analyzed systematically. The working procedure of sneak path analysis for complex spacecraft electrical system is defined , the single channel electrical interface data collection, circuit schematic design and simplification methods and key points in the preparation of sneak path analysis are briefly discussed , combined with the simulation analysis and optimization method of sneak path, the potential path search, analysis, identification and verification of potential path fault location of complex spacecraft electrical system are summarized. Four design principles for the prevention of sneak path in complex spacecraft electrical system are presented , that is simplified electrical interface, signal type, isolated electrical interface, single signal flow and planned ground design , the reasons for the hidden path problems in the matching test of the spacecraft and the improvement measures are analyzed.

electrical system; potential pathway; fault

2017-07-25；

2017-08-21。

歐連軍(1980-)，男，甘肅人，碩士，高級工程師，主要從事航天器航電綜合系統控制總體設計方向的研究。

1671-4598(2017)10-0186-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.047

V42

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