空間光學(xué)有效載荷電磁兼容故障診斷

宋健+賀庚賢+葛欣宏

摘 要： 針對空間光學(xué)有效載荷在測試中的電磁干擾問題，采用故障樹分析法對空間光學(xué)有效載荷實施故障診斷研究。對典型的空間相機組成進行介紹并對電磁干擾源進行分析，通過構(gòu)建故障樹的方法，構(gòu)建空間相機的電磁兼容故障樹，隨后對電磁兼容故障原因定性定量分析，并以某型號航天光學(xué)有效載荷為例進行驗證。分析結(jié)果表明，使用建立的電磁兼容故障樹，依照重要度值進行針對性測試，大幅減少了診斷時間，并可有效提高故障診斷效率。

關(guān)鍵詞： 故障診斷； 電磁兼容； 有效載荷； 電磁干擾； 故障定位； 故障樹； 重要度值

中圖分類號： TN712+.1?34； TP338.8 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）06?0074?05

Abstract： In allusion to the electromagnetic interference problem in the test of space optical payload， the fault tree analysis method is adopted to conduct the fault diagnosis research for space optical payload. The typical composition of space camera is introduced and the electromagnetic interference sources are analyzed. The electromagnetic compatibility fault tree of space cameral is built by using the fault tree construction method. The qualitative and quantitative analysis of electromagnetic compatibility fault causes is performed. A certain type of space optical payload is used as an example to verify this method. The analysis results show that using the constructed electromagnetic compatibility fault tree to conduct the targeted test according to the importance value can greatly reduce the diagnostic time， and effectively improve the efficiency of fault diagnosis.

Keywords： fault diagnosis； electromagnetic compatibility； payload； electromagnetic interference； fault positioning； fault tree； importance value

空間光學(xué)有效載荷（以下簡稱載荷）是集光學(xué)、光譜學(xué)、精密機械、電子技術(shù)及計算機技術(shù)于一體的綜合性光機儀器。其功能多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常需要與航空飛機和航天器上的其他電子設(shè)備集成于有限的空間內(nèi)[1?3]。這些電子設(shè)備既包括天線等有意發(fā)射電磁波的設(shè)備，也包括具有寬頻帶的電磁輻射的無意電磁發(fā)射設(shè)備，有限空間內(nèi)的電磁環(huán)境對載荷具有潛在的電磁輻射干擾[4]。為了使載荷能夠在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下可靠而精確協(xié)調(diào)的工作，必須保證其電磁兼容性。

本文以某型號航天光學(xué)有效載荷電磁兼容故障診斷為例，針對測試中遇到的電磁兼容故障，運用故障樹分析法，避免盲目的故障檢測，有效節(jié)約時間，提高診斷效率。

1 空間有效載荷電子學(xué)組成及結(jié)構(gòu)

某型號航天光學(xué)有效載荷電子學(xué)組成分為兩個層次如圖1所示。一個層次是依照相載荷的空間布局及結(jié)構(gòu)，由五部分組成，分別為TDICCD器件及驅(qū)動電路、調(diào)焦組件、信號處理電箱、控制電箱、熱控電箱；另一個層次是按各功能電路及單元劃分[5]。

TDICCD器件及驅(qū)動電路，具體包括：TDICCD焦平面處理電路板及多個CCD驅(qū)動電路板。TDICCD器件與調(diào)焦組件通過柔性電路板與插接式連接器連接；經(jīng)過連接器面板與信號處理電箱用一組電纜進行連接。

調(diào)焦組件是由調(diào)焦電機及編碼器組成，通過電纜與載荷控制電箱相連。

信號處理電箱由二次電源變換單元、數(shù)傳及接口單元、特種供電變換單元、圖像數(shù)據(jù)處理單元以及多路視頻處理單元組成。其與載荷控制器電箱用一組電纜進行連接。載荷控制電箱主要實現(xiàn)對工程參數(shù)的采集、載荷內(nèi)部各接口的控制、通信、載荷的整體控制及調(diào)焦等功能。具體是由二次電源變換單元、步進驅(qū)動單元、位置檢測單元、調(diào)焦處理控制單元、通信接口單元、時標單元、遙控接口單元、內(nèi)部通信與控制單元、主控制單元組成。

熱控電箱是由二次電源變換單元、溫度采集單元、加熱驅(qū)動單元、溫度狀態(tài)遙測單元及熱控處理控制單元組成，通過電纜與測溫電路及加熱器連接[6?7]。

2 空間有效載荷電磁兼容分析及故障樹建立

2.1 空間有效載荷的電磁兼容問題

某型號空間光學(xué)有效載荷在進行電磁兼容測試過程中，電磁輻射發(fā)射測試RE及電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試CE出現(xiàn)故障見圖2，未到達GJB?151B要求。在CS測試過程中，設(shè)備無法正常工作，判斷設(shè)備出現(xiàn)了電磁兼容故障。endprint

電磁兼容故障的發(fā)生必須具備三個要素：干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。分析及解決電磁兼容問題即從這三方面入手[8]。

2.2 載荷的干擾源、耦合途徑及敏感設(shè)備

載荷的干擾源可分為載荷內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的干擾源和載荷外部干擾源。載荷內(nèi)部產(chǎn)生的干擾主要包括以下幾方面：

1） 開關(guān)電源和變換器引發(fā)的干擾。載荷中由直流28 V電源線向各個功能模塊供電，經(jīng)二次電源變換將28 V轉(zhuǎn)換為5 V，12 V等。二次電源在直流變換的過程中一般先將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，再把高頻交流轉(zhuǎn)換為直流，由此容易引發(fā)各種噪聲干擾，導(dǎo)致嚴重的傳導(dǎo)噪聲及輻射噪聲。

2） 脈沖數(shù)字電路引發(fā)的干擾。脈沖發(fā)生器、振蕩器、數(shù)字邏輯電路是典型的電磁發(fā)射源。載荷中各電路板中均包含著數(shù)字電路，如TTL電路、各種門電路、觸發(fā)器等。這些強干擾源會對FPGA及DSP處理器件等敏感元件產(chǎn)生嚴重的干擾，載荷的高頻時鐘晶振也會引發(fā)一定的干擾。

3） 繼電器及觸點等引發(fā)的干擾。載荷中應(yīng)用大量的繼電器及觸點開關(guān)，在開關(guān)斷開與閉合時便會在電路中產(chǎn)生前沿陡峭的浪涌電壓，引發(fā)電磁脈沖干擾。

4） 步進電機引發(fā)的干擾。調(diào)焦組件中包含著調(diào)焦步進電機以及主備份編碼器，電機屬于感性負載，會產(chǎn)生大幅值的瞬變電壓對載荷產(chǎn)生嚴重影響。

5） 設(shè)備線纜間的相互耦合干擾。載荷共五個電箱安裝在一個狹小的空間內(nèi)，各種線纜如信號線、電源線、控制線等布置密集，且信號強度不同，易引發(fā)干擾。

載荷外部的干擾源通常是自然干擾，包括宇宙干擾和大氣干擾以及載荷搭載平臺上其他設(shè)備的干擾。而載荷的搭載平臺上其他設(shè)備的干擾，主要是衛(wèi)星上其他無線電發(fā)射設(shè)備造成的干擾。衛(wèi)星內(nèi)部無線設(shè)備種類和數(shù)量多，信號間強度有差別，產(chǎn)生的各種諧波會對載荷產(chǎn)生一定的干擾。

耦合途徑可以分為傳導(dǎo)耦合及輻射耦合兩類。傳導(dǎo)耦合的連接電路包括互聯(lián)導(dǎo)線、電源線、信號線、公共阻抗、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、電路元器件等。輻射耦合是能量以電磁場的形式從一個電路耦合到另一個電路，發(fā)生于電路板以及各電箱之間，干擾源通過孔縫結(jié)構(gòu)等耦合到其他電路板、電箱的電源線或信號線上，產(chǎn)生干擾。

敏感設(shè)備：載荷內(nèi)的敏感設(shè)備主要是控制器以及TDICCD電路。

2.3 載荷電磁兼容故障樹的建立

在分析載荷工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工診斷經(jīng)驗，構(gòu)建空間光學(xué)有效載荷的電磁兼容故障樹模型。在構(gòu)建故障樹過程中假設(shè)：各底事件相互獨立；傳導(dǎo)干擾與輻射干擾之間不發(fā)生串?dāng)_?？臻g光學(xué)有效載荷的電磁兼容故障樹，如圖3所示。

3 載荷電磁兼容故障診斷分析

針對出現(xiàn)的電磁兼容故障，通過對構(gòu)建的故障樹進行定性及定量分析，明確可能引發(fā)載荷電磁兼容故障的底事件及重要度，實現(xiàn)故障的快速診斷。

3.1 定性分析

找到導(dǎo)致故障發(fā)生的所有可能的原因及原因組合，即尋找故障樹的最小割集。此處，采用下行法求解載荷電磁兼容故障的最小割集。由故障樹邏輯關(guān)系按布爾表達式自頂向下展開可得：

[T=M1+M2] （1）

[ M1=M3*M4*X1=i=315X1X2Xi] （2）

[M2=M5*M6*X1=i=1619j=2030X1XiXj] （3）

將式（2）、式（3）代入式（1）得到：

[T=i=315X1X2Xi+i=1619j=2030X1XiXj] （4）

根據(jù)建立的電磁兼容故障樹以及上述表達式總共找到57項最小割集，這些最小割集代表著57種可能的故障模式。

3.2 定性分析

定量分析的目的在于，通過底事件故障概率計算出故障底事件的發(fā)生概率及每個割集發(fā)生的概率。進而對其進行重要度分析，找到最可能導(dǎo)致載荷電磁兼容故障的原因。由載荷特性及實驗室測試積累得到的電磁兼容測試工程數(shù)據(jù)，確定各底事件的概率如表1所示。

3.3 頂事件概率的計算

由表1中底事件概率值及故障樹邏輯結(jié)構(gòu)圖得到，故障樹中各種中間事件和頂事件的概率計算如下：

[PM7=1-1-PX31-PX41-PX51-PX6=0.315]

[PM11=1-1-PX71-PX81-PX9=0.106 1]

[PM12=1-1-PX101-PX11=0.078 5]

[PM13=1-1-PX121-PX13=0.225 6]

[PM14=1-1-PX141-PX15=0.19]

[PM8=1-1-PM111-PM121-PM131-PM14=0.483 3]

[PM9=1-1-PX201-PX21=0.019 9]

[PM15=1-1-PX221-PX23=0.088]

[PM16=1-1-PX241-PX25=0.097 5]

[PM17=PX26=0.3]

[PM18=1-1-PX271-PX281-PX291-PX30=0.228 4]

[PM10=1-1-PM151-PM161-PM171-PM18=0.555 4]

[PM6=1-1-PX161-PX171-PX181-PX19=0.449 2]

[PM5=1-1-PM91-PM10=0.564 2]

[PM2=PM5*PX1*PM6=0.050 7]

[PM3=1-1-PM71-PM8=0.646]

[PM4=PX2=0.5]endprint

[PM1=PM3*PX1*PM4=0.064 6]

頂事件發(fā)生的概率值為：

[PT=PM1+PM2=0.115 3]

3.4 故障樹最小割集重要度計算

一個最小割集代表設(shè)備的一種故障模式，最小割集重要度表示各個最小割集對設(shè)備故障（頂事件）的貢獻，定義為：

[ICi=P（Ci）PT] （5）

式中：[PT]為頂事件的發(fā)生概率；[P（Ci）]為最小割集[Ci]的發(fā)生概率。

通過計算列出最小割集的重要度，如表2所示。

載荷出現(xiàn)電磁兼容故障時，底事件X3（繼電器“通?斷”引發(fā)的傳導(dǎo)干擾）、X26（電機引發(fā)的輻射干擾）等相比于其他事件具有更高的重要度，對載荷故障的影響最大，其余一些事件也具有較高的重要度。依照重要度數(shù)值大小順序進行針對性故障檢測，排查得到結(jié)果，故障干擾源主要為開關(guān)電源所引發(fā)的干擾及電機引發(fā)的干擾。

4 結(jié) 語

本文將故障樹分析法運用于空間載荷的電磁兼容故障診斷研究。以某型號航天載荷為例，對于空間載荷的結(jié)構(gòu)進行詳細地介紹并對其主要的電磁干擾源進行分析，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建電磁兼容故障樹。通過這種方法可以對空間載荷電磁兼容故障進行快速的分析，為空間載荷的故障定位和問題排查提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

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