高軌衛(wèi)星接地設(shè)計(jì)

孔陳杰+習(xí)成獻(xiàn)+袁明++張強(qiáng)

摘要：

良好的接地設(shè)計(jì)是衛(wèi)星系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠的重要保障。簡(jiǎn)要介紹了幾種衛(wèi)星上常用的接地方式，分析了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星接地現(xiàn)狀及其原因。針對(duì)高軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行環(huán)境中存在的嚴(yán)重的充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)，詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)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(yàn)及在軌飛行驗(yàn)證，星上各單機(jī)工作穩(wěn)定正常，該接地設(shè)計(jì)可靠有效。

關(guān)鍵詞：

接地設(shè)計(jì)； 衛(wèi)星； 高軌； 北斗二代導(dǎo)航

中圖分類(lèi)號(hào)： U 666.1文獻(xiàn)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(yùn)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(qiáng)的穿透能力，它們可以穿透衛(wèi)星表面敷層進(jìn)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(chǎng)超過(guò)介質(zhì)材料的擊穿閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電。因此，衛(wèi)星表面和內(nèi)部存在嚴(yán)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(huì)干擾甚至破壞衛(wèi)星上電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行。介質(zhì)深層充電產(chǎn)生的電場(chǎng)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(gè)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(jì)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(guó)內(nèi)外衛(wèi)星接地現(xiàn)狀，針對(duì)高軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行環(huán)境，詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)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(jì)是衛(wèi)星設(shè)計(jì)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(yùn)載搭接起來(lái)。

衛(wèi)星接地設(shè)計(jì)目的有以下幾點(diǎn)：

（1）為星上所有電子設(shè)備和結(jié)構(gòu)件建立一個(gè)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(hù)電路真正起到保護(hù)作用；

（3）通過(guò)正確的接地設(shè)計(jì)，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(jī)不會(huì)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(diǎn)接地

單點(diǎn)接地指衛(wèi)星上所有設(shè)備的地線(xiàn)均通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)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(diǎn)接地主要分為圖1所示的串聯(lián)單點(diǎn)接地和圖2所示的并聯(lián)單點(diǎn)接地[2]。從噪聲觀點(diǎn)看，串聯(lián)單點(diǎn)接地容易引入干擾，因任何導(dǎo)線(xiàn)都有電阻，流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)的電流都會(huì)在導(dǎo)線(xiàn)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(diǎn)接地方式。單點(diǎn)接地的最大缺點(diǎn)是，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率很高，以致波長(zhǎng)小到與系統(tǒng)接地線(xiàn)長(zhǎng)度可以比擬時(shí)（如達(dá)到λ/4時(shí)，λ為波長(zhǎng)），接地線(xiàn)就好像一根天線(xiàn)，通過(guò)它向外輻射電磁波，影響周?chē)O(shè)備和電路的工作，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)考慮采用多點(diǎn)接地[34]。

（2）多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地指衛(wèi)星上每臺(tái)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(jī)和部件均采用多點(diǎn)接地的方式。每點(diǎn)接地時(shí)應(yīng)采取電路就近接地，并且接地導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度要小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20。

（3）混合接地

由于多點(diǎn)接地系統(tǒng)中存在著各種地線(xiàn)回路，它們對(duì)于設(shè)備內(nèi)較低電平的信號(hào)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(xiàn)的長(zhǎng)度大于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)采用多點(diǎn)接地；頻率低于1 MHz或接地線(xiàn)的長(zhǎng)度小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)采用單點(diǎn)接地。

2接地現(xiàn)狀分析

NASA航天器接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中典型的接地方式如圖2和圖3所示。國(guó)內(nèi)不同型號(hào)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(xiàn)電源供電，其供電都必須有專(zhuān)用的回線(xiàn)，回線(xiàn)不能通過(guò)星體結(jié)構(gòu)返回，而需通過(guò)電纜連接回到供配電單元，整星一次母線(xiàn)回線(xiàn)在電源分系統(tǒng)中某臺(tái)單機(jī)（如電源控制器）中匯合在一起，再通過(guò)此臺(tái)單機(jī)上某個(gè)專(zhuān)用的低頻電連接器引出導(dǎo)線(xiàn)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(jī)二次電源各電壓回線(xiàn)與機(jī)殼之間隔離（絕緣電阻>1 MΩ），各電路的信號(hào)地均單獨(dú)接至單機(jī)內(nèi)二次電源的相應(yīng)地上，單機(jī)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(jī)內(nèi)部某一電路板共地引出。高頻單機(jī)和部件采用多點(diǎn)接地方式，所有電路均就近接地，同時(shí)具有高、低頻電路的單機(jī)采用混合接地方式，即二次電源回線(xiàn)、低頻信號(hào)回線(xiàn)采取單點(diǎn)接地方式，高頻信號(hào)采取多點(diǎn)接地方式，但最終低頻信號(hào)回線(xiàn)、二次電源回線(xiàn)、高頻信號(hào)地、機(jī)殼地在單機(jī)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(hào)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(xiàn)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(guò)其中一接地樁和整星基準(zhǔn)接地樁相連。

國(guó)內(nèi)衛(wèi)星接地設(shè)計(jì)與NASA航天器接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異。NASA航天器接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為嚴(yán)格的并聯(lián)單點(diǎn)接地，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星上單機(jī)并未做到嚴(yán)格的單點(diǎn)接地，而是由電源分系統(tǒng)的某個(gè)單機(jī)實(shí)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(diǎn)接地（圖1）的形式。此接法可能會(huì)造成相互間的共模阻抗，進(jìn)而影響公共參考點(diǎn)電壓，但由于一次回路阻抗很?。ㄐ∮?0 mΩ），不會(huì)對(duì)衛(wèi)星上一次供電單機(jī)正常工作造成影響。例如，一次母線(xiàn)電壓輸出范圍為42±1V，一次回路阻抗最大不超過(guò)0.01 Ω，按整星輸出電流峰值40 A計(jì)算，回路壓降最大不超過(guò)0.4 V，不會(huì)對(duì)各單機(jī)正常工作造成影響。

但對(duì)于衛(wèi)星上單機(jī)內(nèi)部使用二次電源而言，這種影響不容忽視，需要將單機(jī)內(nèi)部DC/DC模塊的輸入級(jí)和輸出級(jí)回線(xiàn)嚴(yán)格隔離（即單機(jī)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(jī)通過(guò)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(méi)有做到供電回線(xiàn)的嚴(yán)格隔離，設(shè)備之間接口電路上仍然存在公共供電回線(xiàn)，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(xiàn)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(guò)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的供電回線(xiàn)中電流將下降，當(dāng)星上多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)工作時(shí)，結(jié)構(gòu)中通過(guò)的地電流累積起來(lái)效果往往很明顯。因此，星上設(shè)備電路接地設(shè)計(jì)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(jì)

針對(duì)高軌衛(wèi)星運(yùn)行空間環(huán)境，接地設(shè)計(jì)的目的是防止衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)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(jì)，接地應(yīng)嚴(yán)格按照單點(diǎn)接地、減小接地回路面積的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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

為了實(shí)現(xiàn)整星設(shè)備機(jī)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(guò)搭接實(shí)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(xiàn)和輔母線(xiàn)接地設(shè)計(jì)

一次母線(xiàn)電源是太陽(yáng)電池陣或測(cè)試時(shí)地面太陽(yáng)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(xiàn)電源的單點(diǎn)接地在電源控制器回線(xiàn)端實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星一次電源接地統(tǒng)一從電源控制器進(jìn)行接地，其他所有單機(jī)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(wú)須再作接地，并與其他電路地隔離。電源控制器中的接地點(diǎn)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(gè)接地樁就是衛(wèi)星的基準(zhǔn)地，接地樁設(shè)計(jì)在電源控制器旁，以便接地導(dǎo)線(xiàn)盡可能短。

衛(wèi)星輔母線(xiàn)由主配電器轉(zhuǎn)換生成，主要為衛(wèi)星指令和推進(jìn)組件供電，輔母線(xiàn)接地設(shè)計(jì)集中在主配電器中，各單機(jī)無(wú)須作接地設(shè)計(jì)。主配電器中一次母線(xiàn)回線(xiàn)、輔母線(xiàn)回線(xiàn)和二次電源地相連。

一次電源、輔母線(xiàn)供電線(xiàn)和回流線(xiàn)成對(duì)配置，地面向衛(wèi)星供電時(shí)，地面電源的負(fù)端應(yīng)接到電源控制器內(nèi)的單接地點(diǎn)上。

（2）二次電源接地設(shè)計(jì)

二次電源為一次母線(xiàn)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(yán)格遵循單點(diǎn)接地原則，單機(jī)內(nèi)部只有一個(gè)接地參考點(diǎn)。二次電源地與一次電源地隔離，隔離電阻不小于1 MΩ。各個(gè)單機(jī)的二次電源地通過(guò)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(jī)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(jī)中二次電源的各檔地線(xiàn)互不連接，在機(jī)內(nèi)采用單點(diǎn)接地。二次電源需輸送到負(fù)載時(shí)，全部采用絞線(xiàn)成對(duì)供電，以保證各檔電源的供電電流和回線(xiàn)電流相等。遙測(cè)和遙控信號(hào)采用一個(gè)單機(jī)一根地線(xiàn)，同一單機(jī)的遙測(cè)線(xiàn)和地線(xiàn)、遙控線(xiàn)和地線(xiàn)必須安排在同一電纜束內(nèi)。

高頻單機(jī)和部件均采用多點(diǎn)接地方式，單機(jī)內(nèi)部采取二次地和機(jī)殼連接（起到一定屏蔽作用）。對(duì)于同時(shí)具有高、低頻電路的單機(jī)采用混合接地方式，即二次電源回線(xiàn)、低頻信號(hào)回線(xiàn)采取單點(diǎn)接地方式、高頻信號(hào)采取多點(diǎn)接地方式，但最終低頻信號(hào)回線(xiàn)、二次電源回線(xiàn)、高頻信號(hào)地、機(jī)殼地在單機(jī)電氣上是相通的。

（3）單機(jī)結(jié)構(gòu)接地設(shè)計(jì)

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(jī)機(jī)殼及結(jié)構(gòu)件都須良好接地。

根據(jù)單機(jī)安裝位置，星上各單機(jī)結(jié)構(gòu)可按以下方式接地：?jiǎn)螜C(jī)與衛(wèi)星的安裝面接觸實(shí)現(xiàn)同衛(wèi)星的接地，如磁力矩器；單機(jī)采用接地樁方式實(shí)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(jī)的可靠接地，除了單機(jī)接地樁外，單機(jī)內(nèi)部將機(jī)殼與電連接器的節(jié)點(diǎn)相連，再以低頻電纜網(wǎng)的方式引出搭接實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星接地，衛(wèi)星的絕大部分單機(jī)可采取這種方式；星外單機(jī)就近通過(guò)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(jī)電連接器與機(jī)殼搭接電阻小于10 mΩ；各單機(jī)機(jī)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(yáng)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(guò)板間電纜及電連接器直接與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地連接，捆線(xiàn)樁通過(guò)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(jì)

電磁兼容性設(shè)計(jì)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(diǎn)與衛(wèi)星之間的電阻小于1 Ω。搭接參考點(diǎn)到金屬膜表面上任一點(diǎn)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(gè)接地點(diǎn)，接地引線(xiàn)長(zhǎng)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(guò)導(dǎo)電膠將OSR片與結(jié)構(gòu)進(jìn)行電導(dǎo)通接地，防止表面靜電積累。

星上熱敏電阻測(cè)溫引線(xiàn)采用雙絞線(xiàn)形式，星內(nèi)布線(xiàn)盡量避開(kāi)星上負(fù)載電纜走線(xiàn)；星上熱控主動(dòng)加熱器引線(xiàn)采用雙絞線(xiàn)形式，星內(nèi)布線(xiàn)避開(kāi)星上信號(hào)線(xiàn)。

（5）孤立導(dǎo)體接地設(shè)計(jì)

衛(wèi)星運(yùn)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(yán)重的表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)，進(jìn)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(wú)電氣連接，需進(jìn)行接地處理。若芯片覆銅封帽在電路封裝上有布線(xiàn)引出，則可直接用導(dǎo)線(xiàn)在引出布線(xiàn)上焊接，并用硅橡膠（如GD414）對(duì)焊接位置及走線(xiàn)加固后高阻接機(jī)殼；若芯片覆銅封帽沒(méi)有引出線(xiàn)，則先將導(dǎo)線(xiàn)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(diǎn)膠固定金屬片，導(dǎo)線(xiàn)分段點(diǎn)膠后將導(dǎo)線(xiàn)另一端高阻接機(jī)殼。

電連接器中的“空針”可能會(huì)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(jī)殼。對(duì)靜電敏感的MOS管，管殼高阻接機(jī)殼。星上繼電器電路在供電端處單點(diǎn)接地，繼電器供電線(xiàn)和回流線(xiàn)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(jī)殼。

（6）電纜屏蔽層接地設(shè)計(jì)

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(hào)的回流線(xiàn)，屏蔽體在源端同電連接器的外殼連接，電連接器外殼同機(jī)殼搭接電阻小于10 mΩ。

4結(jié)論

本文分析了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星的接地現(xiàn)狀，并針對(duì)高軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行環(huán)境，分析并設(shè)計(jì)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(yàn)及在軌飛行驗(yàn)證，衛(wèi)星上各單機(jī)工作穩(wěn)定正常，此接地設(shè)計(jì)可靠有效。本文所設(shè)計(jì)的高軌衛(wèi)星接地方案可為同類(lèi)衛(wèi)星接地設(shè)計(jì)提供參考，具有重要的工程實(shí)踐意義。

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（編輯：張磊）