引言

接地是电路系统正常工作的基本要求之一, 也是决定电路系统EMC性能高低的关键因素。卫星运行在高轨道空间环境中, 地球外辐射带(3~7倍Re, Re为地球半径)中俘获了大量的电子。其中, 能量位于0.1~10 MeV范围内的高能电子具有很强的穿透能力, 它们可以穿透卫星表面敷层进入卫星构件的介质材料中, 从而产生充电效应。当介质深层充电产生的电场超过介质材料的击穿阈值时, 就会发生放电。因此, 卫星表面和内部存在严重的充放电效应和内带电效应, 所产生的电磁脉冲会干扰甚至破坏卫星上电子系统的正常运行。介质深层充电产生的电场除了与电子能谱、介质厚度及屏蔽层厚度有关外, 还有一个重要的因素, 就是介质构件所采用的接地方式。因此, 良好的接地设计是卫星系统性能稳定、安全可靠的重要保障^[1]。

本文介绍了几种卫星上常用的接地方式, 分析了国内外卫星接地现状, 针对高轨卫星在轨运行环境, 详细分析并设计了一种高轨卫星接地方案。

1 接地的目的和接地方式 1.1 接地目的

接地设计是卫星设计的必要环节。卫星接地就是把星上各设备外壳、框架或底座与星体结构或运载搭接起来。

卫星接地设计目的有以下几点:

(1) 为星上所有电子设备和结构件建立一个基准的公共参考电位;

(2) 为故障电流提供漏电流通路, 使保护电路真正起到保护作用;

(3) 通过正确的接地设计, 使系统内的电磁干扰得到有效的控制;

(4) 建立静电堆积电荷的泄放通路, 确保单机不会受静电影响。

1.2 接地方式

目前卫星上设备主要有如下几种接地方式:

(1) 单点接地

单点接地指卫星上所有设备的地线均通过导线连接到卫星结构的一点上, 即卫星结构地与星上各设备之间只存在唯一的接地路径。单点接地主要分为图 1所示的串联单点接地和图 2所示的并联单点接地^[2]。从噪声观点看, 串联单点接地容易引入干扰, 因任何导线都有电阻, 流经导线的电流都会在导线上产生压降, 造成相互间共模干扰, 故低频设备最好采用并联单点接地方式。单点接地的最大缺点是, 当系统工作频率很高, 以致波长小到与系统接地线长度可以比拟时(如达到λ/4时, λ为波长), 接地线就好像一根天线, 通过它向外辐射电磁波, 影响周围设备和电路的工作, 在这种情况下, 应当考虑采用多点接地^[3-4]。

(2)多点接地

多点接地指卫星上每台设备的公共地就近接到星体结构上, 如图 3所示。卫星上高频单机和部件均采用多点接地的方式。每点接地时应采取电路就近接地, 并且接地导线的长度要小于工作信号波长的1/20。

(3) 混合接地

由于多点接地系统中存在着各种地线回路, 它们对于设备内较低电平的信号可能产生不良影响, 为此需要采取混合接地。根据不同的工作频率采用相应的接地方式:频率高于1 MHz或接地线的长度大于工作信号波长的1/20时采用多点接地; 频率低于1 MHz或接地线的长度小于工作信号波长的1/20时采用单点接地。

2 接地现状分析

NASA航天器接地设计标准中典型的接地方式如图 2和图 3所示。国内不同型号卫星接地方式大同小异, 主要原则如下^[5-6]:

(1) 直接使用一次母线电源供电, 其供电都必须有专用的回线, 回线不能通过星体结构返回, 而需通过电缆连接回到供配电单元, 整星一次母线回线在电源分系统中某台单机(如电源控制器)中汇合在一起, 再通过此台单机上某个专用的低频电连接器引出导线搭接到卫星结构主接地螺母(即卫星基准地)上。

(2) 低频单机二次电源各电压回线与机壳之间隔离(绝缘电阻＞1 MΩ), 各电路的信号地均单独接至单机内二次电源的相应地上, 单机内模拟电路和数字电路地分别连接到二次电源地, 然后在单机内部某一电路板共地引出。高频单机和部件采用多点接地方式, 所有电路均就近接地，同时具有高、低频电路的单机采用混合接地方式, 即二次电源回线、低频信号回线采取单点接地方式, 高频信号采取多点接地方式, 但最终低频信号回线、二次电源回线、高频信号地、机壳地在单机电气上是相通的。

(3) 电缆屏蔽体接地:在同一电缆束内各低频电缆的屏蔽体应相互绝缘, 以便减少各电缆间信号串扰。

(4) 结构件与热控多层接地:卫星的所有金属构件、仪器安装板和星载仪器的外壳都和卫星基准地等电位, 热控多层按规定的工艺就近与卫星结构搭接, 接地搭接线尽量短。

(5) 星体各舱体设置区域接地桩, 各接地桩之间彼此连接, 再通过其中一接地桩和整星基准接地桩相连。

国内卫星接地设计与NASA航天器接地设计标准存在一定的差异。NASA航天器接地设计标准为严格的并联单点接地, 国内卫星上单机并未做到严格的单点接地, 而是由电源分系统的某个单机实现统一接卫星基准地, 这种接地方式即为串联单点接地(图 1)的形式。此接法可能会造成相互间的共模阻抗, 进而影响公共参考点电压, 但由于一次回路阻抗很小(小于10 mΩ), 不会对卫星上一次供电单机正常工作造成影响。例如, 一次母线电压输出范围为42±1V, 一次回路阻抗最大不超过0.01 Ω, 按整星输出电流峰值40 A计算, 回路压降最大不超过0.4 V, 不会对各单机正常工作造成影响。

但对于卫星上单机内部使用二次电源而言, 这种影响不容忽视, 需要将单机内部DC/DC模块的输入级和输出级回线严格隔离(即单机内部一次地和二次地隔离), 防止一次地上共模干扰耦合到二次地上。

此外, 如果卫星上单机通过安装面就近直接接卫星结构地, 考虑到星上各设备之间没有做到供电回线的严格隔离, 设备之间接口电路上仍然存在公共供电回线, 将形成如图 4所示的“地环路”, 地环路既能发射电磁波干扰附近正常工作的电路又极易受到外界电磁波的干扰。另外, 由于设备安装面到结构地的搭接电阻往往小于卫星上设备供电电缆回线的阻值(卫星建造规范中规定此搭接电阻需小于10 mΩ), 将导致星上设备的工作电流主要通过安装面经结构地返回到供电单元, 而卫星上为设备专门设计的供电回线中电流将下降, 当星上多个用电设备同时工作时, 结构中通过的地电流累积起来效果往往很明显。因此, 星上设备电路接地设计中应尽量避免地环路的存在或尽可能减小其面积。

3 高轨卫星接地设计

针对高轨卫星运行空间环境, 接地设计的目的是防止卫星在轨运行时产生静电累积和静电放电, 减少因各种形式的感应耦合产生的电磁干扰。因此, 高轨卫星需要更为合理的接地设计, 接地应严格按照单点接地、减小接地回路面积的原则进行设计。

高轨卫星接地设计主要包含卫星一次母线和辅母线接地设计、单机二次电源接地设计、各单机结构接地设计、热控多层接地设计、孤立导体接地设计以及电缆屏蔽层接地设计等内容。

为了实现整星设备机壳的等电位, 每一块仪器安装板上均设有接地桩, 作为卫星的结构地, 最后通过搭接实现整星设备的等电位, 卫星的金属构件和各模块壳不作为载流体。所有接地桩之间的搭接电阻应小于10 mΩ。

(1) 一次母线和辅母线接地设计

一次母线电源是太阳电池阵或测试时地面太阳模拟器经分流器调节后输出以及锂离子蓄电池组经升压调节器输出的整星供电电源。

一次母线电源的单点接地在电源控制器回线端实现。卫星一次电源接地统一从电源控制器进行接地, 其他所有单机所用一次电源均由电源控制器经主配电器、辅配电器提供, 无须再作接地, 并与其他电路地隔离。电源控制器中的接地点经电连接器搭接到卫星的接地桩, 搭接电阻小于10 mΩ。这个接地桩就是卫星的基准地, 接地桩设计在电源控制器旁, 以便接地导线尽可能短。

卫星辅母线由主配电器转换生成, 主要为卫星指令和推进组件供电, 辅母线接地设计集中在主配电器中, 各单机无须作接地设计。主配电器中一次母线回线、辅母线回线和二次电源地相连。

一次电源、辅母线供电线和回流线成对配置, 地面向卫星供电时, 地面电源的负端应接到电源控制器内的单接地点上。

(2) 二次电源接地设计

二次电源为一次母线电源经DC/DC变换后输出的直流电源。卫星上低频设备严格遵循单点接地原则, 单机内部只有一个接地参考点。二次电源地与一次电源地隔离, 隔离电阻不小于1 MΩ。各个单机的二次电源地通过电缆网引出就近接地, 接地电阻小于10 mΩ, 并且尽最大可能以图 2所示接地方式为标准。不同单机的不同二次电源应分别接地, 确保与卫星基准地等电位; 同一单机中二次电源的各档地线互不连接, 在机内采用单点接地。二次电源需输送到负载时, 全部采用绞线成对供电, 以保证各档电源的供电电流和回线电流相等。遥测和遥控信号采用一个单机一根地线, 同一单机的遥测线和地线、遥控线和地线必须安排在同一电缆束内。

高频单机和部件均采用多点接地方式, 单机内部采取二次地和机壳连接(起到一定屏蔽作用)。对于同时具有高、低频电路的单机采用混合接地方式, 即二次电源回线、低频信号回线采取单点接地方式、高频信号采取多点接地方式, 但最终低频信号回线、二次电源回线、高频信号地、机壳地在单机电气上是相通的。

(3) 单机结构接地设计

为了保证卫星的所有金属构件、仪器安装板和星载仪器的外壳都和卫星基准地等电位, 因此星上各单机机壳及结构件都须良好接地。

根据单机安装位置, 星上各单机结构可按以下方式接地:单机与卫星的安装面接触实现同卫星的接地, 如磁力矩器; 单机采用接地桩方式实现与卫星接地, 接地桩采用M4的螺钉安装, 如配电器; 为了保证单机的可靠接地, 除了单机接地桩外, 单机内部将机壳与电连接器的节点相连, 再以低频电缆网的方式引出搭接实现与卫星接地, 卫星的绝大部分单机可采取这种方式; 星外单机就近通过结构板固定螺钉与卫星结构搭接。

以上搭接具体要求:各单机电连接器与机壳搭接电阻小于10 mΩ; 各单机机壳与仪器板之间的搭接电阻小于10 mΩ; 结构件之间具有良好的搭接, 搭接电阻小于10 mΩ。

此外, 太阳电池阵的基板与卫星结构地高阻(如68 kΩ)连接, 连接架、铰链等可通过板间电缆及电连接器直接与卫星结构地连接, 捆线桩通过导电胶粘接于基板, 保证接地电阻小于1 kΩ。蓄电池电路和结构绝缘, 蓄电池结构和卫星舱板绝缘安装, 结构与卫星结构地高阻连接。

(4) 热控多层接地设计

电磁兼容性设计要求星上全部热控多层按规定的工艺就近与卫星结构搭接。卫星内部和表面的多层包扎材料, 层与层之间搭接, 其搭接参考点与卫星之间的电阻小于1 Ω。搭接参考点到金属膜表面上任一点间的直流电阻小于50 Ω。

星上多层隔热组件中每层双面镀铝聚酯薄膜, 两侧面都要采取接地措施, 星外多层最外层采用导电型F46薄膜镀银二次表面镜, 镀银层和导电镀铝层均采取接地措施。热控多层隔热组件根据面积大小, 设置多个接地点, 接地引线长度小于300 mm。

卫星散热面采用OSR热控涂层。在OSR粘贴工艺中, 通过导电胶将OSR片与结构进行电导通接地, 防止表面静电积累。

星上热敏电阻测温引线采用双绞线形式, 星内布线尽量避开星上负载电缆走线; 星上热控主动加热器引线采用双绞线形式, 星内布线避开星上信号线。

(5) 孤立导体接地设计

卫星运行于高轨环境中, 空间电荷很容易在孤立导体表面累积, 存在严重的表面充放电效应和内带电效应, 进而使卫星受到电磁干扰影响。因此, 卫星上所有孤立导体都需良好接地。

电路板上的集成电路芯片表面覆铜为孤立导体, 若覆铜和管脚间无电气连接, 需进行接地处理。若芯片覆铜封帽在电路封装上有布线引出, 则可直接用导线在引出布线上焊接, 并用硅橡胶(如GD414)对焊接位置及走线加固后高阻接机壳; 若芯片覆铜封帽没有引出线, 则先将导线一端焊接至一小金属片上, 将该金属片用导电胶与覆铜粘接, 再点胶固定金属片, 导线分段点胶后将导线另一端高阻接机壳。

电连接器中的“空针”可能会充电而放电, 因此, 星上所有电连接器的“空针”都应高阻接机壳。对静电敏感的MOS管, 管壳高阻接机壳。星上继电器电路在供电端处单点接地，继电器供电线和回流线尽可能靠近, 以减小回路面积，带有金属屏蔽壳的继电器, 屏蔽壳高阻接机壳。

(6) 电缆屏蔽层接地设计

电缆束内的低频电缆屏蔽体相互绝缘, 以便减少串扰。低频电缆屏蔽体不允许作为电源或信号的回流线, 屏蔽体在源端同电连接器的外壳连接, 电连接器外壳同机壳搭接电阻小于10 mΩ。

4 结论

本文分析了国内外卫星的接地现状, 并针对高轨卫星在轨运行环境, 分析并设计了一种高轨卫星接地方案。经北斗二代导航卫星地面试验及在轨飞行验证, 卫星上各单机工作稳定正常, 此接地设计可靠有效。本文所设计的高轨卫星接地方案可为同类卫星接地设计提供参考, 具有重要的工程实践意义。