一種星用火工品遙測電路故障分析及思考

火工品控制電路負責衛星入軌后按既定要求（星上程控或地面遙控）起爆星上火工品，讓火工品約束的設備能夠正常解鎖、工作。星上火工品遙測電路作為火工品控制電路的重要組成，可以直接反映入軌初期星上各火工品起爆狀態。一旦發生故障將不利于入軌初期遙測數據的判讀與分析，特別是當火工品所屬設備在軌發生故障時（比如太陽帆板展開失?。?，由于火工品遙測數據的缺失或錯誤，將會給后續在軌故障分析造成非常被動的影響。

本文通過對星上一種火工品遙測電路故障的詳細分析，并對其設計進行針對性的改進，以此來說明星上設備電路設計中不同屬性、地線隔離和接地的重要性。

1 星上常用火工品遙測電路

當前，星上常用的火工品遙測電路主要有兩種：繼電器開關觸點遙測和起爆電流遙測。

繼電器開關觸點遙測通過將火工品控制電路中正端起爆控制開關（通常2 只電磁繼電器并聯）中2 付觸點串入分壓電路中，然后將分壓所得的4 ～ 5 V 遙測值輸入后端展寬電路，由展寬電路將遙測展寬到4 ～ 5 s，供星上綜電系統采集。

起爆電流遙測通過在火工品控制電路回線中增加霍爾電流傳感器，將其采集的火工品起爆電流遙測輸送到后端采樣保持電路，由采樣保持電路將其展寬到1.5 ～ 2 s，供綜電系統采集。

綜上，由于火工品起爆持續時間極短（一般幾毫秒），達不到星上綜電系統采集要求，所以上述兩種火工品遙測電路均有遙測展寬功能。不同點在于繼電器開關觸點遙測只能間接反映火工品起爆情況（起爆指令發出后正端起爆繼電器執行情況，但不能證明整個起爆電路均工作正常），而起爆電流遙測能夠真實反映火工品起爆瞬間回路中起爆電流的準確值，具有直觀性。

鑒于起爆電流遙測電路的優點，除繼承性型號外，當前衛星火工品控制電路中遙測電路一般采用起爆電流遙測。

2 星上火工品遙測故障分析

某型號衛星火工品控制電路正、負端均采用繼電器進行控制，其中正端點火控制采用電磁繼電器，負端地線接通繼電器采用磁保持繼電器（該繼電器接通指令通星箭分離信號進行鎖定，只有當星箭分離后負端繼電器才能接通），該火工品控制電路遙測采用了繼電器開關觸點遙測方式。

地面測試過程中發現，當發送模擬分離指令時（通過圖4 中模分繼電器實現），火工品遙測偶爾會出現誤遙測故障（未發送火工品起爆指令，卻存在火工品起爆遙測信號）。

經初步分析，火工品遙測電路產生誤遙測現象可能是由于設計時接地不當，將不同屬性地線直接連接造成的。

火工品地線接通指令鎖定電磁繼電器（通過星箭分離實現加斷電，詳見圖4 中K3、K4）線包負端和火工品遙測電路中遙測地直接連接，電磁繼電器斷電瞬間會產生反向電動勢，該反向電動勢在地線上產生的干擾信號通過內部線路（下圖4 中標紅線段）直接耦合到展寬電路中觸發器CC4013 Set 端，達到CC4013 芯片觸發條件（經地面實際測量CC4013 最低觸發電壓約2.4 V，脈寬35 ns），導致火工品控制電路出現誤遙測故障。

為驗證上述分析的正確性，通過示波器對原火工品遙測電路進行測試。經測量，電磁繼電器（K3、K4）斷電瞬間產生的反向電動勢約-1.4 V，該反向電動勢引起的地線抖動范圍-3.8 ～ 2.0 V，時間80 ns，為高頻干擾信號。

為獲取展開電路輸入端受干擾數據，測量了展開電路中觸發器CC4013 Set 端輸入波形。經測量，在該干擾作用下，Set 端出現2.5 V，160 ns 的干擾信號，Q端（火工品遙測輸出端）確實存在誤遙測輸出。

圖5 繼電器斷電瞬間的反向電動勢

圖6 反向電動勢引起的地線干擾

圖7 CC4013 Set端和Q輸出端波形

圖8 地線干擾和Q輸出端波形

綜上，如果觸發器CC4013 Set 輸入端遙測地和繼電器線包供電負端在單機內部直接連接，繼電器線包斷電瞬間產生的反電勢將對地線形成干擾，該干擾將耦合到觸發器CC4013 Set 端，會對其產生干擾，可能導致CC4013 Q 端誤觸發現象。

3 火工品遙測電路改進

針對上述故障，對火工品遙測電路設計進行了改進，主要措施如下：

1）改善接地方式。將火工品地線接通指令鎖定電磁繼電器（K3、K4）線包負線與展寬遙測地隔離設計，電磁繼電器K3、K4 負線直接連接到28 V 功率地（分流器功率輸出負線）上，2 個地線匯合點由配電器內部移至分流器中（分流器負端為整星基準地引出端），在整星基準地處匯合，減小電磁繼電器（K3、K4）斷電瞬間對地線的干擾。

2）原展寬電路中觸發器CC4013 Set 端增加1 組濾波電容，提高觸發器抗干擾能力。

為驗證上述更改的可行性，在初樣配電器中對火工品遙測展寬電路實施更改，并對更改后的火工品遙測電路進行測試。

更改后的火工品遙測電路中模分繼電器反復執行了50 次模擬分離指令，均未在觸發器CC4013 Q 端發現火工品遙測誤觸發現象，說明改進后的電路抗干擾能力更強，能夠滿足衛星使用要求。

地線隔離和增加濾波電路后的火工品遙測電路中觸發器CC4013 芯片測試波形如圖10 所示。

圖10 地線隔離后CC4013測試波形

4 問題的思考

接地是電路正常工作的基本要求之一，良好的接地可以抑制電磁噪聲；反之，不良的接地是電磁干擾傳播主要途徑，甚至接地本身也成為干擾源，導致電路不能正常工作。目前星上接地主要遵循如下原則：

1）供配電系統中一次母線負端在電源控制器（分流器）內匯合在一起形成衛星接地基準，再通過接地線就近連接到星上接地樁，作為整星基準地；

2）直接使用一次母線的設備，其供電都必須有專用的回線，回線不能通過星體結構返回，需通過星上電纜網回到供配電單元；

3）星體各艙體設置區域接地樁，各接地樁之間彼此連接，再通過其中一個接地樁和整星基準地相連；

4）除射頻單機二次地外，星上設備一、二次地需和單機機殼隔離，一、二次地之間也需隔離設計，功率地和遙測地在設備內部盡量不共地，通過電纜網將匯合點放到靠近基準地附近的單機中（比如電源控制器），減小功率地和遙測地之間串擾；

5）高壓母線體制，采取在基準地和高壓母線回線間串接一個隔離電阻。為減小母線共模噪聲，可以在隔離電阻兩端并接旁路電容來改善，還可以在隔離電阻兩端并接熔斷絲，這樣在衛星正常工作時處于硬接地狀態，降低共模噪聲；當發生母線正端和星體結構搭接時，熔斷絲斷路，衛星處于軟接地狀態。

理想情況下，如果星上設備一、二次嚴格和機殼隔離且地線未就近接結構地，整星地電流測試時，基準接地線上（電源控制器和結構上基準接地樁間的接地線）地電流近乎為0，但星上存在射頻等設備二次地和機殼連接、二次地就近接區域地情況，所以實際測得的地電流不是理想狀態。根據以往多個型號測試情況，SAST1000 平臺和SAST3000 平臺在整星最大功率情況下，基準接地線上存在約1.2 A、2.3 A 左右的地電流，而基準接地線上的電流大于基準接地樁上其他接地線上地電流之和，說明結構上存在地電流（地電流的大小取決于二次地機殼及二次地就近接地單機數量）。所以整星接地設計時，應盡量遵循上述5 條最基本原則，減小不同設備地線間串擾和結構上的地電流，提高整星接地安全性和可靠性。

5 結束語

近些年，我國航天事業迅速發展，為滿足各種任務需求，星載設備接地方式越來越復雜，如果接地不當將會引發許多問題。接地的合理性直接影響整星安全性和可靠性，已經成為衛星供配電系統設計的重要環節?；谏鲜霈F狀，本文以某型號衛星火工品遙測電路故障作為切入點，對其故障原因進行分析及驗證，進而對其設計進行改進，通過此來說明星上設備接地的重要性，以期引起航天工程師對這方面更多的關注。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年4月期）