摘要：接地是卫星正常工作的基本要求之一，有必要对其进行正确的认识。介绍了接地系统的原理, 论述了卫星的整星接地设计的目的和原则，详细描述了卫星上常用的几种接地方式设计，并对整星接地设计中的典型问题提出了解决方案，可供航天科技工作者作为设计参考。
关键词：卫星；接地技术；干扰信号
1前言
随着卫星技术的发展，星上的电子设备越来越多，星上的电缆网越来越复杂。星上设备之间通过接地线、电缆网、卫星结构板相互串扰不同程度影响了星上设备的性能。影响了整星的电磁兼容性。
卫星整星接地设计是卫星整星电磁兼容设计的重要内容，整星接地设计的好坏直接影响着卫星的性能。本文结合工程实践，对卫星整星接地设计技术进行了总结。
2接地设计的原理
2.1接地目的
根据接地作用的不同，接地通常可以分四种接地：信号地或信号参考地、电源地、屏蔽地和结构地。不同接地有不同的目的，总的来说接地设计是为了：
1）提供专门的良好的导电面、零电位、作为电压的比较基准，但实际上不存在理想的地，地平面和地线上都有一定的电位分布，不存在理想的等位面；
2）提供信号电路的返回电流通道，也作为电源回路的一部分；
3）配合屏蔽功能，容纳各种频率的干扰电流的通道。
2.2接地方式
目前，接地通常有三种方式：浮地、单点接地、多点接地。
浮地：使信号地与其它导体相隔离，包括系统的结构地。采用变压器隔离、光隔离和继电器隔离等方式。可以避免干扰信号进入信号电路，但容易产生静电荷堆积。
单点接地：只有单点与地相接，可以消除信号地系统中的干扰电流闭合回路，使干扰电流的磁影响最小，但容易产生天线接受或发射效应。单点串联接地：最简单，但具有最大的干扰电平，低频时用（1M以下）；单点并联接地：接地导线长，难以保证接地的低阻抗，会产生明显的接地导线间的电磁耦合
多点接地：可以消除地线上的高频驻波现象，但容易产生接地回路增加电磁耦合。多点接地容易形成接地回路，接地回路面积大而引入很大的电感耦合型的干扰。
2.3接地原则
接地应该遵守的原则接地导线以及公共母线的阻抗应该是最小的。具体到接地设计，低频时接地线长度最短；高频时接地线环路面积最小，但接地线长度L一定不能是0.25λ的整倍数。
同时还要注意接地产生的电磁干扰，因为接地难以孤立完成，要有连接导线和导电平面，接地有回路，在外电磁波作用下会产生感应干扰电动势。
3卫星整星接地设计的目的和原则
3.1整星接地设计目的
和一般接地的目的一样，卫星整星接地设计目的是：
1）把整星星上设备的外壳、框架或底座以及星上设备、电缆的屏蔽层通过接地线（等阻抗）与卫星基准地星形连接起来，以保证它们具有同样的电位，接地是在星上设备和卫星基准地之间建立的低阻抗电传导通路；
2）把整星卫星表面（含内、外表面）材料都地高阻或低阻接到卫星基准地，在静电放电情况下泄放空间带电电流，建立静电堆积电荷的放电通路。
3）整星上各设备的一次电源供电都使用专用的回流线：提供专用的一次电源回流通路。
3.2卫星整星接地设计的原则
卫星整星接地设计的原则基本上可以简单用“星形连接”“地线隔离”“避免地环路”来概括。具体是：
1）各单机的机壳屏蔽地都通过接地线（等阻抗）与卫星基准地星形连接；
2）各单机的二次地与机壳屏蔽地隔离：
3）一次电源供电使用专用的回流线；
4）难免有部分星上设备之间二次地相互连接；尽量避免地线形成环路。
5）接地线以及公共母线的阻抗应该是最小的，低频时接地线长度最短；高频时接地线环路面积最小，但接地线长度L一定不能是0.25λ的整倍数。
4卫星整星接地设计现状
目前卫星整星接地设计现状是：“一个基准地”、“三个地分开”、“三个接地网”、“一个浮地网” “、存在地环路”来概括。
“一个基准地”：卫星总的接地参考点（结构地）；
“三个地分开”：一次地、二次地和机壳屏蔽地分开，其中二次地为浮地；
“三个接地网”：机壳屏蔽地接地网、一次电源供电回流线接地网和静电放电泄放接地网。
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“一个浮地网”：各单机的二次地通过接地线（等阻抗）与卫星模拟遥测遥控单机地线星形连接，再与卫星基准地连接；
“存在地环路” ：难免有部分星上设备二次地相互连接，并有二次地地线形成环路情况。
在卫星整星的实际电缆网中，在机壳屏蔽地接地网、二次地浮地网、一次电源供电回流线接地网与卫星基准地星形连接前，存在以上三网之间相互连接的情况。
5卫星整星接地设计
根据卫星整星接地设计目的、原则和整星接地设计基本框图，，卫星整星接地设计主要有以下几个方面。
5.1 整星基准地、区域地设计
1）接地柱引起的电磁干扰
在接地柱的布局设计时，接地柱要远离敏感单机。同时还可以考虑接地柱及地线的屏蔽设计。
2）整星基准地
卫星基准地是卫星总的接地参考点（结构地）。为所有星上设备和结构件建立一个基准的公共参考电位。
理想的基准地必须是一个零电位、零阻抗的理想导体，其上各点之间不应存在电位差。在卫星金属结构上选择一个靠近配电单元的地方，一般是电源分系统分流器的28V地线作为整星基准地，供单机机壳屏蔽地接地网、一次电源回流线接地网、静电放电的泄放接地网接地使用，该基准地要求电大尺寸、导电好，远离敏感单机。
3）区域地
在卫星每层一起安装板上靠近边缘金属结构上选择几个地方作为区域地，供单机机壳屏蔽地接地使用，该区域地要求导电好，远离敏感单机。
4）整星基准地和区域地的连接
区域地通过接地线（等阻抗）与卫星基准地星形连接起来，即所谓的并联单点接地，避免串联单点接地。接地阻抗小于10mΩ。
5.2电缆屏蔽层接地的设计
在整星的电缆网中，对易受干扰的敏感信号电缆和易产生干扰的大信号电缆进行了屏蔽设计，电缆屏蔽层必须进行接地设计，否则起不到屏蔽作用。目前卫星电缆网中使用的屏蔽电缆有同轴电缆、屏蔽双绞线和屏蔽直线。
在电缆传输低频信号（低于1MHz）时，电缆屏蔽层应采用单端单点接地；最佳接地点应在所屏蔽电路、信号的末端。卫星电缆网中传输低频信号使用的屏蔽电缆有屏蔽双绞线、屏蔽直线。
在电缆传输高频信号、数字信号（高于1MHz）时，电缆屏蔽层应采用两点接地；当电缆长度接近或大于波长时，应每隔0.05～0.15λ的间隔接地一次的多点接地方案，这样可防止电缆屏蔽层出现高电平干扰电压通过分布电容耦合到电缆内芯。
5.3二次地之间的串扰问题和设计
在目前整星的模拟信号采样设计中，模拟信号采样单机通过各星上设备中的模拟量采样电路传输遥测信息。有一个严重的问题是，模拟信号采样电路将星上设备二次地汇集在模拟信号采样单机处并连接在一起，通过二次地干扰信号在各单机之间形成串扰。
卫星接地设计时都不同程度考虑了解决二次地之间的串扰问题的模拟遥测采样地线设计，主要有以下几种设计：
1）遥测地线隔离
在某卫星上对整星各设备模拟信号的采集采用了地线隔离的设计思想，这是通过两组多路门实现的，即信号线分组多路门和地线分组多路门。在数管中央控制单元（CTU）输出的采样信号线地址和分组地线地址的控制下完成对各单机遥测信号线地址和分组地线的切换选择。
采用两组多路门的优点是，遥测部分在对整星各设备进行遥测信号采集时，保证只有在信号采集时刻，该台单机与模拟信号部分的地线是相连接的，而不在信号采集时刻，该台单机与模拟信号部分的地线却是断开的；同时也保证了需模拟信号部分进行信号采集的不同单机之间地线是隔离的。
2）遥测光电隔离
对卫星上特别容易受干扰的敏感单机的遥测信号的采集采用了光电隔离的设计思想。
3）电阻隔离
在卫星上，对某些特别容易受干扰的敏感单机和易产生干扰单机的的遥测信号的采集采用了电阻隔离的设计思想，隔离电阻的大小要经过试验验证，判断是否影响遥测信号。
4）数字遥测
随着卫星技术的发展，总线在卫星上的应用会越来越普遍。载荷数据总线、遥测总线、电源总线都会慢慢得到应用。其中遥测总线要求各单机的遥测信号数字采集，再通过总线接口送测控系统的遥测单机。
数字遥测采集避开了地线干扰问题，可以彻底解决二次地之间的串扰问题，是将来的发展方向。
5.4一次地对二次地的串扰问题和设计
在目前整星的模拟遥测采样设计中，有一类重要的遥测就是整星一次电源电流、状态的模拟遥测采样，该模拟遥测采样电路将整星一次地通过模拟遥测采样单机与其他单机的二次地连接在一起。一次地上的干扰信号通过二次地对各单机电路串扰。
解决一次地对二次地的串扰问题的设计：可以在一次电源电流、状态的模拟遥测采样电路的地线上串接隔离电阻，隔离电阻的大小要经过试验验证，判断是否影响遥测信号。
5.5静电放电的泄放问题和改进设计
由于卫星自身及使用环境的特点，长期暴漏在空间等离子环境中，卫星表面容易形成静电荷积累，因此在卫星设计时要求所有外表面的热控包扎多层与整星基准地良好连接，避免非导电性物体露在卫星外表面产生静电放电。
具体设计时，热控包扎多层与整星基准地或区域地（最好是基准地）多点接地，接地阻抗小于10mΩ。
6结束语
卫星整星接地设计是一个是涉及卫星总体技术、卫星电缆网技术和卫星单机技术的综合性技术工作。随着我国航天事业的不断发展，星上各设备供电线路千丝万缕的联系将使得卫星接地复杂性上升到一个新的层次。
本文正是基于这样一个现状，结合工程实践，从理论角度介绍星上接地现状，并且通过具体案例来说明接地设计要点，可作为相关工程领域人员设计参考。
参考文献
[1]SIEMENS EMC Workshop EMC-电磁兼容[Z].SIEMENS，2009．
[2]王建军，陈逢田，李培华.航天器综合测试中的接地技术研究[J].计算机测量与控制，2010，18( 2) : 246-248.
论文作者:刘斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/19
标签：信号论文; 地线论文; 屏蔽论文; 基准论文; 单机论文; 接地线论文; 电缆论文; 《电力设备》2017年第15期论文;