小衛(wèi)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(wèi)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(wù)，應(yīng)該特別注意測試設(shè)備和被測試衛(wèi)星的接地、動力供電的正確性、衛(wèi)星電測接口的規(guī)范化、火工裝置的測試、指令的安全保護(hù)等[1]。衛(wèi)星綜合測試過程中的安全控制內(nèi)容包括測試設(shè)備及測試軟件的設(shè)計和驗收、測試系統(tǒng)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(shè)備與衛(wèi)星、衛(wèi)星本身內(nèi)部接口邏輯，接口操作考慮不周有可能使測量數(shù)據(jù)偏差很大，甚至?xí)＜靶l(wèi)星設(shè)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(shè)備自檢、電纜導(dǎo)通絕緣檢查、高頻電纜插損標(biāo)定、電纜入口對衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)的交流和直流電壓檢查、上行電平功率控制、設(shè)備開啟順序控制、關(guān)鍵工序控制等，以下將詳細(xì)介紹小衛(wèi)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(wèi)星綜合測試中的安全進(jìn)行有效控制，必須清楚衛(wèi)星綜合測試的狀態(tài)，理清衛(wèi)星與地面之間的接口關(guān)系。

1.1 地面綜合測試系統(tǒng)

圖1所示為綜合測試系統(tǒng)構(gòu)成框圖，主要由總控設(shè)備（OCOE）和各分系統(tǒng)專用測試設(shè)備（SCOE）兩大部分組成。可以看出，測試設(shè)備多，接口關(guān)系復(fù)雜，實施難度大。

圖1 小衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Structure of overall checkout system

1.2 相關(guān)接口

測試設(shè)備分為通用測試設(shè)備和專用測試設(shè)備。通用測試設(shè)備需檢定合格并在有效期內(nèi)使用；專用測試設(shè)備由具有生產(chǎn)資質(zhì)的單位按相關(guān)要求生產(chǎn)，通過驗收和檢定并由質(zhì)量部門認(rèn)定和設(shè)計師系統(tǒng)批準(zhǔn)方可使用[2]。衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)中接口很多，要特別注意衛(wèi)星與地面的接口，另外還需要在操作過程中注意衛(wèi)星本身內(nèi)部設(shè)備的接口，針對內(nèi)部設(shè)備接口要求制訂關(guān)鍵工序進(jìn)行安全控制。

1）衛(wèi)星與地面測試設(shè)備之間的接口。包括各個分系統(tǒng)地面測試設(shè)備與衛(wèi)星之間的接口，如姿控、供配電、星務(wù)、測控、數(shù)傳、載荷等分系統(tǒng)。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(wèi)星本身內(nèi)部設(shè)備的邏輯接口。包括設(shè)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(yīng)采取合理的安全控制措施，設(shè)置安全控制的關(guān)鍵工序。

2 衛(wèi)星與地面設(shè)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(shù)實現(xiàn)方式，是衛(wèi)星綜合測試安全保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是衛(wèi)星綜合測試順利進(jìn)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(shù)安全小組對測試現(xiàn)場（工廠、環(huán)境試驗現(xiàn)場或發(fā)射場）進(jìn)行技安檢查。供電和接地檢查是其中的重要內(nèi)容，包括供電方式、容量、接口類型、電氣線路、電源開關(guān)、配電柜、插座、接地裝置，特別是地線的配置、各測試儀器設(shè)備的接地狀態(tài)、機(jī)殼帶電情況和電源接線板的極性和負(fù)荷等[3-4]。供電和接地的安全按其要求進(jìn)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(yīng)大于最大用電負(fù)荷能力的1.5倍；交流電源穩(wěn)壓器的電壓輸出穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于±1%；應(yīng)備有一定數(shù)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(nèi)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(hù)地線、信號地線與動力電源零線連接；防靜電設(shè)施（消靜電棒）接地良好。

配電盤使用的插座應(yīng)符合 GB 2099.1—1996標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)識各電源插座的相序，測試設(shè)備進(jìn)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(jī)殼接保護(hù)地；各接地點(diǎn)牢固可靠，不存在虛接現(xiàn)象。

2.1.2 危險電壓

不正確的接地和供電會給衛(wèi)星帶來干擾，甚至將引入危險電壓，致使設(shè)備燒毀。圖 2為高頻測量儀器設(shè)備內(nèi)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(jīng)過內(nèi)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(shè)備的供電，其電平基準(zhǔn)信號的GND與插座中的保護(hù)接地E相連接后并可靠接地；衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)均要求可靠接地。如果衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)的接地端子沒有可靠接地，則儀器設(shè)備的信號接地與衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)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(wèi)星的安全構(gòu)成極大的危脅。

圖2 高頻測量儀器設(shè)備內(nèi)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(wèi)星以及各類測試儀器設(shè)備接地過程中，我們應(yīng)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(tǒng)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(wèi)星自身的各種接地

與衛(wèi)星研制有關(guān)的各類標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定：在衛(wèi)星總裝、綜合測試、各類大型地面試驗、貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)、加注、起吊時，要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)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(wèi)星試驗時，要求各衛(wèi)星的接地線彼此分開；衛(wèi)星綜合測試場地還設(shè)置有消除靜電接地棒，確保接地棒與保護(hù)接地連接，用來消除人體靜電[2-3,6]。

2）檢查衛(wèi)星與測試儀器設(shè)備接地，包括信號地、保護(hù)地以及衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)接地

對于直接給衛(wèi)星加電的設(shè)備，如太陽方陣模擬器、地面穩(wěn)壓電源等低頻測試設(shè)備在設(shè)計時一般采取了嚴(yán)格的信號隔離（如電路與機(jī)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(wèi)星供電時，一般采取將供電輸出直接施加到衛(wèi)星母線上，在設(shè)計上實現(xiàn)了設(shè)備輸出端的地線與衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)接地共地。因此，低頻供電設(shè)備的保護(hù)接地（外殼）與衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)接地隔離，并要求設(shè)備外殼接保護(hù)地。

大多數(shù)高頻測試儀器設(shè)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(shè)備機(jī)殼及供電輸入保護(hù)地線相連。由于無線測試不直接連接，故不需要考慮相關(guān)問題。衛(wèi)星在進(jìn)行有線測試時采用電池供電，或者將該設(shè)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(hù)地，使信號接地不通過電源插座接入大地，而是讓設(shè)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(zhǔn)虛接或空開不接。否則將存在危險電壓，危及設(shè)備安全。

3）檢查所有地面測試儀器設(shè)備的接地

測試儀器設(shè)備自身應(yīng)與地線接好。在檢查接地情況時，應(yīng)與衛(wèi)星斷開，在開機(jī)狀態(tài)下，測量供電輸出及其設(shè)備外殼、測試探頭（針）對衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)接地的交流和直流電壓，進(jìn)行電纜入口對衛(wèi)星電氣結(jié)構(gòu)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(xì)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(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of specially made socket

2.2 衛(wèi)星與地面測試設(shè)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(dǎo)通絕緣檢查；高頻電纜的導(dǎo)通絕緣檢查、插損測量；測試儀器設(shè)備自檢；接地和供電安全檢查；高頻設(shè)備上行功率電平標(biāo)定，在衛(wèi)星加電前將地面衰減器調(diào)節(jié)至較大值，確保上行功率電平在安全許可范圍內(nèi)；靜態(tài)阻抗測量，在衛(wèi)星狀態(tài)變化后衛(wèi)星加電之前，通過地面脫落電連接器測量衛(wèi)星電源系統(tǒng)各太陽電池分陣的阻抗、整星供電母線的阻抗，在星表應(yīng)急斷電保護(hù)插頭處測量整星供電母線的阻抗；測試火工品發(fā)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(jìn)行衛(wèi)星電纜與設(shè)備連接、串入或取下轉(zhuǎn)接器、工藝件、測試電纜以及更換設(shè)備時，都應(yīng)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(hù)蓋。衛(wèi)星與地面測試設(shè)備接口安全控制方法如表1所示。

表1 衛(wèi)星與地面測試設(shè)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(wèi)星真空熱試驗時是放置于真空容器內(nèi)，其與地面機(jī)械支持設(shè)備及電氣測試設(shè)備的連接情況如圖4所示[7]。

圖4 衛(wèi)星真空熱試驗設(shè)備連接示意圖Fig.4 Connections in vacuum thermal test

對衛(wèi)星進(jìn)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(shè)備上，實現(xiàn)罐內(nèi)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(wèi)星結(jié)構(gòu)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(wèi)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(huán)境試驗的大功率動力設(shè)備在運(yùn)行，如真空抽氣系統(tǒng)、液氮制冷系統(tǒng)等設(shè)備，該些設(shè)備與建筑的保護(hù)接地系統(tǒng)連接。真空容器、試件支架車、熱沉、紅外籠等同樣要實現(xiàn)與保護(hù)接地的可靠連接[8]。

為了保證衛(wèi)星安全，提高星體的電磁兼容性[9]，將強(qiáng)電設(shè)備和弱電設(shè)備的接地系統(tǒng)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(shè)備接口安全控制的關(guān)鍵工序

衛(wèi)星綜合測試過程中，應(yīng)保障衛(wèi)星的供電安全以及參與測試的人員安全，針對測試內(nèi)容識別危險源，需要考慮衛(wèi)星自身內(nèi)部的接口關(guān)系，尤其是有一些互為制約因素的接口，制定詳細(xì)的關(guān)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(shè)備，往往要求數(shù)據(jù)接收設(shè)備先加電，數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備后加電。

2）執(zhí)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(fā)送高壓加電命令。

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

4）設(shè)備配置準(zhǔn)則制約。例如某些發(fā)射機(jī)要求其功率輸出通道開關(guān)設(shè)置正確，有些設(shè)備不允許主備份同時開機(jī)。

5）絕對禁止制約。例如在帆板或天線等機(jī)構(gòu)壓緊之后，絕對不允許發(fā)送使其轉(zhuǎn)動的相關(guān)指令。

6）事件制約。例如銣鐘等設(shè)備對開機(jī)溫度有明確要求，一定要等待其溫度達(dá)到開機(jī)要求才能發(fā)送銣鐘加電指令。

7）定時制約。某些衛(wèi)星為減少能源消耗保證設(shè)備安全，往往規(guī)定載荷設(shè)備的最大開機(jī)時間，系統(tǒng)設(shè)計中，加入定時自動關(guān)機(jī)功能。對這些定時事件，一定要根據(jù)衛(wèi)星測試情況將其定時功能屏蔽或者重新開機(jī)。

衛(wèi)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(jìn)行考慮及安全控制。

5 結(jié)束語

衛(wèi)星綜合測試中，測試項目和測試狀態(tài)變化大，地面測試設(shè)備數(shù)量多，衛(wèi)星與地面接口關(guān)系比較復(fù)雜多變。要充分識別危險源，嚴(yán)格控制設(shè)備供電和接地狀態(tài)，采取有效的接口安全控制措施，加強(qiáng)關(guān)鍵工序的制定和實施，確保人員、衛(wèi)星和測試設(shè)備的安全，以保障衛(wèi)星綜合測試順利進(jìn)行。

（References）

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[7]王建軍, 章雷, 陳逢田.衛(wèi)星及地面測試系統(tǒng)接地技術(shù)研究[C]//2009年中國宇航學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集

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[9]鄒澎, 周曉萍.電磁兼容原理、技術(shù)和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2007