復雜飛行器電氣系統抗干擾設計技術研究

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(中國運載火箭技術研究院 研究發展中心，北京 100076)

復雜飛行器電氣系統抗干擾設計技術研究

歐連軍，趙巖，張翔，王健康，榮剛

(中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076)

結合現代飛行器因其功能復雜，設備種類和數量眾多，電氣系統規模龐大，設備間連接關系復雜，接口信號類型多的特點，針對其較高的抗干擾性能和可靠性要求，系統分析了復雜飛行器電氣系統輻射、電源串擾、浪涌串擾等干擾源類型、特性及影響;針對影響電路的傳導、輻射、差模、共模干擾4種干擾模式，提出了可以從源頭抑制提高復雜飛行器電氣系統抗干擾性能的4個方面的設計方法和注意事項，分別是接地設計、屏蔽設計、隔離設計和濾波設計;最后，結合典型案例，分析了某飛行器電氣系統因設計缺陷存在地信號干擾問題，通過增加隔離措施解決了該干擾問題，并通過了試驗驗證。

抗干擾；電磁兼容；接地設計

0 引言

在國內外各類飛行器電氣系統匹配、總裝甚至發射飛行過程中，都曾經發生因干擾問題引起的信號采集誤差過大、信號傳輸異常、控制信號誤發、繼電器誤動作、設備部分功能異常，甚至火工品誤爆等故障。隨著現代飛行器功能越來越復雜，飛行器上裝備了各種各樣的計算機、機電、火工、載荷、通信、雷達等電子設備，飛行器有多種供電母線體制，電氣負載種類多，工作頻率寬、功率大，電纜網復雜、密度大，飛行器電氣系統供電電路、信號采集電路、信號傳輸電路、控制電路、驅動電路可能成為干擾源或被干擾源。因此，抗干擾設計已經成為復雜飛行器電氣系統單機設備和系統設計中一個不容忽視的重要因素。

本文分析了復雜飛行器電氣系統干擾源及干擾的影響模式，并針對干擾模式，分析了在設計過程中應該考慮的設計因素，并針對某飛行器高壓和低壓配電設計中的干擾問題，提出了抗干擾設計解決措施。

1 復雜飛行器電氣系統干擾源分析

飛行器電氣系統一般包括供電、配電、控制、測控通信、伺服機電等系統，各系統連接關系復雜，要做到互相之間沒有干擾，需要付出極大的代價，一般都是通過設計盡可能的減少干擾帶來的影響，復雜電氣系統的干擾細分可包括以下幾個方面：

1)射頻信號輻射干擾。

復雜飛行器為確保飛行數據的可靠獲取，測控通信系統一般都有天地基測控、數傳遙測遙控發射機，另外，GNC系統還有無線雷達高度表，激光武器、電磁炮等有效載荷，這些設備為了實現數據無線傳輸、高度測量、電磁毀傷，都要調制、傳輸和輻射一定功率的不同頻段和帶寬的電磁波，為了達到目的，有的設備功率較大。但是，現在的技術不能保證所有的輻射都定向傳輸出去，因此會對電氣系統線路及設備產生干擾[1]。

2)配電系統電源變換串擾。

配電系統需要將飛行器總電源轉化成不同特性負載需求的母線供電，而這些轉換一般都通過DC/DC、PWM調制等方式實現，一方面，電源變換都是通過線圈感應、整流、濾波、脈寬調制等手段實現，本身就有很大可能將這些變化的電壓、電流串入后端信號測量、控制回路；另一方面，電源變換需求一般按負載特性分類規劃母線，母線之間也可能互相產生串擾。這兩種干擾，與電源變換設計、接地設計、母線隔離設計的品質和有效性等密切相關。

3)伺服機電系統工作時，電流變化引起的串擾和輻射干擾。

一般情況下，飛行器舵機等伺服機電設備功率需求大，而且功率隨負載的變化不斷變化，有時峰值功率甚至是最平均功率的10倍，一方面變化的功率會改變母線的供電品質，可能通過母線、地線串擾到控制、采集電路，另一方面變化的功率會通過線路寄生電感產生的電磁輻射，產生輻射干擾。

4)火工品、負載加斷電等瞬時功率設備，加電時浪涌引起的串擾和輻射干擾。

飛行器電氣負載設備加斷電瞬間、火工品起爆瞬間，母線及供電線路電流瞬間從0 A變為負載電流大小，一方面這種電流的瞬變也會對電氣系統產生串擾，通過寄生電感產生電磁輻射干擾電氣系統；另一方面，因為負載及負載線路除了電阻特性外，還有電感和電容特性，電流瞬變化產生浪涌電流，浪涌也會對電氣系統產生串擾。

5)飛行器以外的輻射干擾。

飛行器在測試發射和飛行過程中，還要經歷各種各樣的地面和低空各種工業電磁輻射環境、靜電放電環境、甚至雷電環境，這些電磁輻射，也可能會對飛行器電氣系統產生干擾[1]。

2 復雜飛行器電氣系統干擾的影響模式

飛行器電氣系統由于其電子設備種類繁多，負載特性、電源種類、母線種類各一，每一個電子負載和設備線路連接都可能成為干擾源或被干擾源。但是，根據干擾對電氣系統的影響模式，干擾按照感應模式可分為傳導干擾和輻射干擾，按照影響模式可分為共模干擾、差模干擾。

2.1 傳導干擾

傳導干擾主要是指電路將干擾信號以電壓或電流的形式通過公共電源線和公共接地電路相互傳播，并干擾改變其他電路電壓、電流的大小[1]。

如圖1所示I1、I2、I3三個回路任一個回路的電流發生變化，都會通過公共電路部分如C1、Q、C3，改變其他兩個回路的電流和電壓特性，從而造成干擾。

圖1 干擾電路示意圖

2.2輻射干擾

輻射干擾主要是指電氣系統電信號網絡或電氣設備電路網絡通過空間耦合感應電磁干擾信號，從而使得自身電路的電壓幅度、電流大小、頻率、相位等電信號特性發生非預期的變化，從而對電路供電品質、信號采集、控制輸出等產生影響。飛行器上電氣系統設備電纜連接信號回路和設備內部信號回路設計不合理，存在電磁感應回路、信號回路屏蔽不完善等情況，會對外部交變電磁場比較敏感，從而易受輻射干擾[2-3]。

如圖1所示，I1、I2為回路感應磁場變化產生的差模干擾，I3為回路感應磁場變化產生的差模干擾。如果系統電路網絡或單機電路中存在電路回路，就有可能感應外部變化的電磁場并產生干擾電流，按照電磁感應原理，閉合回路面積越大，通過的外部磁場強度越大，回路產生的電磁感應電流也越大。實際上電路總是閉合的，被干擾難以避免，電路設計中一般都通過設計使得閉合回路的面積最小或將電路盡可能的用金屬屏蔽起來的方式來減少或隔離干擾，如使用雙絞線或同軸電纜，將電路集成到芯片中等方式。

2.3 差模干擾

差模干擾是指干擾信號電流在信號線和信號地線回路中流動，導致在信號線和信號地線上產生干擾電壓。差模干擾信號線和信號地線稱為干擾信號的往返傳輸路線[4]。差模干擾信號與信號流向完全相同，直接對信號產生干擾，如圖2所示。

圖2 差模干擾示意圖

2.4共模干擾

共模干擾是指干擾信號電流在信號線與參考地形成的干擾回路、信號地線與參考地形成的干擾回路中流動，相對參考地在信號線和信號地線上形成幅度相同的干擾電壓信號。共模干擾信號線和地線作為干擾信號的去路，經其它路經(如參考地)返回。共模信號主要通過信號電路或電路的不匹配性轉化差模信號后產生干擾[5]。

如圖3所示，如果圖中差分器件A、B輸入端具有完全相同的阻抗特性，則共模電壓產生的干擾電流Ig在器件中抵消，不會產生干擾。如果差分器件A、B輸入端阻抗特性不相同，則在差分器件A、B端產生不同的干擾電流，其差值會得到差分器件放大并產生干擾。

圖3 典型共模干擾電路

3 復雜飛行器電氣系統抗干擾設計

3.1 接地設計

接地是提高電氣設備抗干擾性的有效手段之一，正確的接地既可以抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾。復雜飛行器電氣系統需要根據系統的組成、負載設備的特性統一設計供電架構，而接地設計是供電設計非常重要的一部分，通過合理的接地設計可以有效的提高系統的電磁兼容性和抗干擾能力。圖4是某飛行器接地體制設計原理圖，采用配電端單端接地和高頻設備多點接地原則，一次配電、二次配電、機電配電等都根據負載設備的特性設計并且互相隔離。接地電阻應盡可能的小，一般為優化電磁兼容設計的接地體制中的接地電阻應為5～10 mΩ級。

圖4 復雜飛行器電氣系統接地示意圖

配電端單端接地原則，對于所有未隔離的負載設備，都應在配電端就近將地線連接到一個參考電位點上。復雜飛行器電氣系統低頻電路采用配電端單端接地技術，可以保證不同負載設備所有互通的電源負線和信號地線對參考地的電位一致性，有效避免電源(信號)正(負)與參考地形成回路，產生(接受)干擾或互相干擾。

高頻設備多點接地原則，高頻設備中各單元電路分別就近連接到地線上，通過短的接地路徑，可以顯著減少可能出現的高頻逐波現象[6]。

復雜飛行器電氣系統中，對于采集和控制信號精度要求高的子系統，如控制系統，也可采用對獨立配電(隔離后)及負載采用浮地的方式，即該部分配電及負載電源(信號)負線與參考地隔離，但是設備殼體與參考地良好接觸。浮地方式有效的阻斷了參考地與電路之間的傳導路徑，抑制了干擾，但是也阻斷了電路的放電路徑，降低了電路的抗靜電能力。對于既有低頻設備又有高頻設備供電又不能做到互相隔離的情況，采用單端和多點混合接地的方式，但是要注意地線回路的形成和數量的增多可能會引起干擾。

3.2 屏蔽設計

屏蔽設計經常應用在電氣設備單板設計、模塊設計、整機設計和系統電纜設計中，是抑制電磁干擾的重要手段之一。電氣設備一般采用金屬材料殼體，并通過搭接接地方式與機體結構連接，來隔離電磁場。電氣系統負責電能和信號傳輸的電纜，一般將易受干擾的傳輸線纜設計成單層或多層屏蔽方式，并將屏蔽層與機體連接，來阻斷電磁干擾的感應、輻射和傳輸[6]。

3.3 隔離設計

電路隔離設計可以有效避免不同電路之間相互干擾，常見的隔離設計有變壓器隔離(DC/DC)、光耦隔離、磁耦隔離、繼電器隔離和運放隔離等。復雜飛行器電氣系統隔離設計常根據其接地體制而確定，對于可能改變接地體制或易受干擾的電路進行隔離，即對不同類型負載的供電進行DC/DC隔離，模擬地應與數字地進行隔離，機電供電及信號與一般的儀器供電及信號進行隔離，重要的單機設備之間的信號交互進行隔離等。

3.4 濾波設計

合理的濾波設計能有效地減小電氣系統中傳輸的供電和信號的干擾，讓電源母線紋波和信號上的干擾降低到可接受范圍之內。濾波器根據要傳輸和衰減的信號特性，可以設計為低通、高通、帶通和帶阻4種形式，來減少供電和正常信號以外的干擾源對系統的影響。

4 案例分析

圖5為某項目供電系統母線電壓采集電路原理圖，該供電系統采用舵機母線(160 V)、儀器母線(28 V)和火工品母線(28 V)三母線獨立供電，三母線分別在各自的配電單元單點接地，電壓采集是通過電阻分壓統一輸入給28 V配電單元中的多路選通開關使用快速輪詢方式進行模擬量參數采集，電壓采集結果如圖6、圖7所示。

圖5 某項目供電電壓采集原理圖

圖6 受干擾采集電壓曲線

分析原因，主要是采集電路對舵機母線、儀器母線和火工品母線三條母線負端進行高速切換，三條負母線獨立單點接地，切換速率過快導致參數采集時選通開關出現不確定狀態，例如切換指令接收后開關未能完全斷開，此時會引入上一次采集時原負母線的電位基準，造成參數采集電壓值出現異常，從而發生采集異常波動現象。

該案例是因系統設計未考慮供電隔離的一個典型案例，分析出現問題的原因，可采用兩種解決措施，一是更改多路選通開關切換時間，保證切換空閑間隔足夠長；二是在通過光耦隔離電路對采集信號進行隔離后送采集電路進行采樣，圖7為在選通開關前端增加隔離電路后信號采集電壓曲線。

圖7 采取措施后的采集電壓曲線

5 結束語

本文針對復雜飛行器電氣系統的特點，介紹了抗干擾設計方法和措施。針對干擾源對電氣系統傳導、輻射、差模、共模4種干擾模式，分別介紹了電氣系統設計過程中接地、屏蔽、隔離、濾波4種常用抗干擾措施的使用方法。結合實際案例，分析了某項目供電系統電壓采集干擾原因及解決措施。

[1]葉厚良，何德軍，欒孝豐.導彈武器電磁兼容性設計[J].海軍航空工程學院學報，2009,24(2)：149-152.

[2]米小莉，汪 非，趙永剛.戰術飛行器電氣系統電磁兼容性設計[J].四川兵工學報，2012,33(4)：18-19.

[3]宋飛飛.無人機數據鏈信道編碼方法研究[J]計算機測量與控制, 2012, 20(6):1602-1605.

[4]邵云峰，王 臻.彈上電氣系統電磁兼容性設計[J].現代防御技術,2007,35(2):34-37.

[5]張金祥，張佳鶯，王慶成.小衛星總體電路電磁兼容性設計.2003,35(2):227-229.

[6]尚開明.電磁兼容(EMC)設計與測試[M].北京：電子工業出版社，2013.

ResearchonAnti-intelogrferenceDesignTechnologyofComplexElectricalSystemofAircraft

Ou Lianjun , Zhao Yan , Zhang Xiang , Wang Jiankang , Rong Gang

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

Combined with the characteristics of modern aircraft , which has Complex functions, many kinds of equipment, large number of equipment, large scale of electrical system, complicated interdevice connection and many interface signal types , For high anti-interference performance and reliability requirements , the types, characteristics and influence of interference sources, such as radiation, power supply crosstalk, surge and crosstalk are analyzed systematically . In view of the influence of circuit conduction, radiation, differential mode and common mode interference four interference pattern, the design method was put forward in four aspects from the source to improve the suppression of complex aircraft electrical system anti-jamming performance and precautions , which is grounding design, shielding design, isolation design and filter design. Finally, combined with typical cases, the problem of signal interference in the electrical system of an aircraft is analyzed, which is solved by adding isolation measures and verified by experiments.

anti-interference; electromagnetic compatibility; grounding design

2017-07-24；

2017-08-22。

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)11-0208-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.053

E926.3

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