一种星用火工品遥测电路故障分析及思考

火工品控制电路负责卫星入轨后按既定要求（星上程控或地面遥控）起爆星上火工品，让火工品约束的设备能够正常解锁、工作。星上火工品遥测电路作为火工品控制电路的重要组成，可以直接反映入轨初期星上各火工品起爆状态。一旦发生故障将不利于入轨初期遥测数据的判读与分析，特别是当火工品所属设备在轨发生故障时（比如太阳帆板展开失败），由于火工品遥测数据的缺失或错误，将会给后续在轨故障分析造成非常被动的影响。

本文通过对星上一种火工品遥测电路故障的详细分析，并对其设计进行针对性的改进，以此来说明星上设备电路设计中不同属性、地线隔离和接地的重要性。

1 星上常用火工品遥测电路

当前，星上常用的火工品遥测电路主要有两种：继电器开关触点遥测和起爆电流遥测。

继电器开关触点遥测通过将火工品控制电路中正端起爆控制开关（通常2 只电磁继电器并联）中2 付触点串入分压电路中，然后将分压所得的4 ～ 5 V 遥测值输入后端展宽电路，由展宽电路将遥测展宽到4 ～ 5 s，供星上综电系统采集。

起爆电流遥测通过在火工品控制电路回线中增加霍尔电流传感器，将其采集的火工品起爆电流遥测输送到后端采样保持电路，由采样保持电路将其展宽到1.5 ～ 2 s，供综电系统采集。

综上，由于火工品起爆持续时间极短（一般几毫秒），达不到星上综电系统采集要求，所以上述两种火工品遥测电路均有遥测展宽功能。不同点在于继电器开关触点遥测只能间接反映火工品起爆情况（起爆指令发出后正端起爆继电器执行情况，但不能证明整个起爆电路均工作正常），而起爆电流遥测能够真实反映火工品起爆瞬间回路中起爆电流的准确值，具有直观性。

鉴于起爆电流遥测电路的优点，除继承性型号外，当前卫星火工品控制电路中遥测电路一般采用起爆电流遥测。

2 星上火工品遥测故障分析

某型号卫星火工品控制电路正、负端均采用继电器进行控制，其中正端点火控制采用电磁继电器，负端地线接通继电器采用磁保持继电器（该继电器接通指令通星箭分离信号进行锁定，只有当星箭分离后负端继电器才能接通），该火工品控制电路遥测采用了继电器开关触点遥测方式。

地面测试过程中发现，当发送模拟分离指令时（通过图4 中模分继电器实现），火工品遥测偶尔会出现误遥测故障（未发送火工品起爆指令，却存在火工品起爆遥测信号）。

经初步分析，火工品遥测电路产生误遥测现象可能是由于设计时接地不当，将不同属性地线直接连接造成的。

火工品地线接通指令锁定电磁继电器（通过星箭分离实现加断电，详见图4 中K3、K4）线包负端和火工品遥测电路中遥测地直接连接，电磁继电器断电瞬间会产生反向电动势，该反向电动势在地线上产生的干扰信号通过内部线路（下图4 中标红线段）直接耦合到展宽电路中触发器CC4013 Set 端，达到CC4013 芯片触发条件（经地面实际测量CC4013 最低触发电压约2.4 V，脉宽35 ns），导致火工品控制电路出现误遥测故障。

为验证上述分析的正确性，通过示波器对原火工品遥测电路进行测试。经测量，电磁继电器（K3、K4）断电瞬间产生的反向电动势约-1.4 V，该反向电动势引起的地线抖动范围-3.8 ～ 2.0 V，时间80 ns，为高频干扰信号。

为获取展开电路输入端受干扰数据，测量了展开电路中触发器CC4013 Set 端输入波形。经测量，在该干扰作用下，Set 端出现2.5 V，160 ns 的干扰信号，Q端（火工品遥测输出端）确实存在误遥测输出。

图5 继电器断电瞬间的反向电动势

图6 反向电动势引起的地线干扰

图7 CC4013 Set端和Q输出端波形

图8 地线干扰和Q输出端波形

综上，如果触发器CC4013 Set 输入端遥测地和继电器线包供电负端在单机内部直接连接，继电器线包断电瞬间产生的反电势将对地线形成干扰，该干扰将耦合到触发器CC4013 Set 端，会对其产生干扰，可能导致CC4013 Q 端误触发现象。

3 火工品遥测电路改进

针对上述故障，对火工品遥测电路设计进行了改进，主要措施如下：

1）改善接地方式。将火工品地线接通指令锁定电磁继电器（K3、K4）线包负线与展宽遥测地隔离设计，电磁继电器K3、K4 负线直接连接到28 V 功率地（分流器功率输出负线）上，2 个地线汇合点由配电器内部移至分流器中（分流器负端为整星基准地引出端），在整星基准地处汇合，减小电磁继电器（K3、K4）断电瞬间对地线的干扰。

2）原展宽电路中触发器CC4013 Set 端增加1 组滤波电容，提高触发器抗干扰能力。

为验证上述更改的可行性，在初样配电器中对火工品遥测展宽电路实施更改，并对更改后的火工品遥测电路进行测试。

更改后的火工品遥测电路中模分继电器反复执行了50 次模拟分离指令，均未在触发器CC4013 Q 端发现火工品遥测误触发现象，说明改进后的电路抗干扰能力更强，能够满足卫星使用要求。

地线隔离和增加滤波电路后的火工品遥测电路中触发器CC4013 芯片测试波形如图10 所示。

图10 地线隔离后CC4013测试波形

4 问题的思考

接地是电路正常工作的基本要求之一，良好的接地可以抑制电磁噪声；反之，不良的接地是电磁干扰传播主要途径，甚至接地本身也成为干扰源，导致电路不能正常工作。目前星上接地主要遵循如下原则：

1）供配电系统中一次母线负端在电源控制器（分流器）内汇合在一起形成卫星接地基准，再通过接地线就近连接到星上接地桩，作为整星基准地；

2）直接使用一次母线的设备，其供电都必须有专用的回线，回线不能通过星体结构返回，需通过星上电缆网回到供配电单元；

3）星体各舱体设置区域接地桩，各接地桩之间彼此连接，再通过其中一个接地桩和整星基准地相连；

4）除射频单机二次地外，星上设备一、二次地需和单机机壳隔离，一、二次地之间也需隔离设计，功率地和遥测地在设备内部尽量不共地，通过电缆网将汇合点放到靠近基准地附近的单机中（比如电源控制器），减小功率地和遥测地之间串扰；

5）高压母线体制，采取在基准地和高压母线回线间串接一个隔离电阻。为减小母线共模噪声，可以在隔离电阻两端并接旁路电容来改善，还可以在隔离电阻两端并接熔断丝，这样在卫星正常工作时处于硬接地状态，降低共模噪声；当发生母线正端和星体结构搭接时，熔断丝断路，卫星处于软接地状态。

理想情况下，如果星上设备一、二次严格和机壳隔离且地线未就近接结构地，整星地电流测试时，基准接地线上（电源控制器和结构上基准接地桩间的接地线）地电流近乎为0，但星上存在射频等设备二次地和机壳连接、二次地就近接区域地情况，所以实际测得的地电流不是理想状态。根据以往多个型号测试情况，SAST1000 平台和SAST3000 平台在整星最大功率情况下，基准接地线上存在约1.2 A、2.3 A 左右的地电流，而基准接地线上的电流大于基准接地桩上其他接地线上地电流之和，说明结构上存在地电流（地电流的大小取决于二次地机壳及二次地就近接地单机数量）。所以整星接地设计时，应尽量遵循上述5 条最基本原则，减小不同设备地线间串扰和结构上的地电流，提高整星接地安全性和可靠性。

5 结束语

近些年，我国航天事业迅速发展，为满足各种任务需求，星载设备接地方式越来越复杂，如果接地不当将会引发许多问题。接地的合理性直接影响整星安全性和可靠性，已经成为卫星供配电系统设计的重要环节。基于上述现状，本文以某型号卫星火工品遥测电路故障作为切入点，对其故障原因进行分析及验证，进而对其设计进行改进，通过此来说明星上设备接地的重要性，以期引起航天工程师对这方面更多的关注。

参考文献：

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年4月期）