红外地球敏感器地面静电放电模拟试验方法研究

2008-12-12齐春子刘旭力

空间控制技术与应用 2008年5期

关键词：太阳电池微分干扰信号

齐春子，刘旭力

（北京控制工程研究所，北京100190）

红外地球敏感器地面静电放电模拟试验方法研究

齐春子，刘旭力

（北京控制工程研究所，北京100190）

设计了红外地球敏感器的地面模拟卫星静电放电试验方法。对卫星的空间环境以及结构特点的分析结果表明，地球同步静止轨道卫星表面存在静电放电的可能性。通过静电放电试验找到了红外地球敏感器易受干扰的部位并提出了解决措施。

静电放电；红外地球敏感器；地面试验

1 引言

运行在地球同步静止轨道上的自旋稳定卫星，其红外地球敏感器由地球探头、太阳探头和电子线路3部分组成。电子线路将红外探测器给出的微弱信号（约200μV）放大约1万倍，并通过滤波器抑制环境噪声和无线电干扰等电压快变化噪声。

分析地球同步静止轨道空间环境数据表明，卫星在空间环境中可能引起充电与放电现象。工作在这种环境下的红外地球敏感器是高灵敏度部件，为了进一步研究它在静电放电干扰环境下工作情况及其干扰途径，本文设计了地面模拟卫星静电放电（ESD）的试验方案。

2 静电放电试验

2.1 试验设备

试验前需确认各设备均在有效使用期内，测试设备的性能指标均满足GJB151A-97[1]的规定。试验所使用的设备如下：

1）示波器：TDS3053B和TDS743A；

2）隔离电源：WYJ-3A；

3）信号发生器：AWG2021；

4）电压脉冲发生器：CM-10/7；

5）FLUKE表：45/CH；

6）地球模拟器光源；

7）万用表：FLUKE 111。

2.2 试验环境

为了使环境参数对试验结果的影响减少到最小，按照试验要求对试验的标准大气和电磁环境进行了检查和确认。

（1）标准大气条件

进行空气放电试验的大气条件如下：

环境温度：25℃；

相对湿度：54%；

大气压力：标准大气压。

（2）电磁环境条件

试验在电磁试验室进行。电磁试验室分为放电室和观察室，两个室均为电磁屏蔽室，两个屏蔽室之间通过一根波导管连接，保证相互间的电磁隔离。

红外地球敏感器及其模拟器光源和放电设备放置在放电室，其他单机和供电、控制以及检测设备均放在观察室。为保证静电放电脉冲不会干扰地球模拟器光源，用铜箔对放电室内地球模拟器光源的控制电缆进行屏蔽包敷处理。放电室设备连接如图1所示，两个屏蔽室之间的波导管填塞了吸波材料，以确保放电脉冲不影响观察室的设备，如图2所示。

图1 静电放电室设备

2.3 试验方案

静电放电试验连接如图3所示。对该试验进行多次重复，以保证试验结果一致有效。

参与试验的所有单机和设备均进行了接地处理，接地导通电阻均小于100 mΩ。

图2 屏蔽室间的电缆通道

图3 试验连线图

根据国家空间中心对某自旋稳定卫星在轨高能电子充电的分析和计算，卫星太阳电池盖片上的高能电子积累到与盖片下层的接地铝蜂窝结构之间的电压差大于400V后，太阳电池盖片与铝蜂窝结构之间就会发生静电放电。

根据计算，某星太阳电池盖片充电的电压可以达到1000V以上，太阳电池盖片到接地铝蜂窝层的距离约1.2mm，相应的放电场强为8.3×105V/m。而美国军用标准1541A[2]规定的放电源指标为：放电电压10kV，两个放电电极之间的距离1cm，相应的放电场强1×106V/m。比较放电场强数据可知，用美国军用标准1541A规定的放电源进行地面静电放电试验，可以有效模拟有关卫星在轨静电情况。因此试验中的放电条件参照美国军用标准1541A的条件执行是合适的，放电源参数选择如下：

1）放电电压：10kV；

2）放电极间距离：1cm；

3）放电距离：距目标30cm；

4）放电频率：1Hz；

5）放电时间：30s。

信号源设置如下：

1）地球模拟器光源：转速100rad/min，周期600ms；

2）电信号源：负脉冲信号（幅值4.0V，周期600ms，占空比4%）。

2.4 试验结果

对地球敏感器进行了地面模拟静电放电试验，结果如下：

1）地球敏感器连接电缆插头在原屏蔽（主/备份电缆插头尾罩均未采取铜箔包敷措施）情况下，当静电放电时，地球敏感器输出出现干扰脉冲（多出的前沿、后沿、伪后沿），导致“地中”脉冲信号相位异常（相移或丢失）；

2）与地球敏感器连接的电缆插头尾罩根部用铜箔包敷屏蔽后，能有效抑制外部放电干扰，地球敏感器输出正常；

3）地球敏感器经过29次静电放电试验（累计放电次数870次），试验后单机仍能正常工作。

3 静止轨道卫星的静电放电问题研究

分析地球同步静止轨道上某自旋稳定卫星的结构特点以及有关空间环境数据，发现卫星在空间环境中可能存在充电与放电现象，该现象会导致红外地球敏感器输出脉冲异常[3]。研究结论归纳如下：

1）分析卫星红外地球敏感器输出脉冲异常出现的时间与地磁活动和卫星所处环境下高能带电粒子的通量变化可知：出现红外地球敏感器输出脉冲异常现象的前1～5d（或卫星处于进出地球阴影期间），在某一段时间内存在能量大于2MeV且电子通量大幅度增加（计数值由平时的1～2突然上升至数百）的事件或伴有较强烈的地磁扰动；

2）卫星采用面积较大（总面积达到9.2m2）的体装式太阳电池阵，使用的国产太阳电池盖片表面无导电涂覆层，卫星充电后易于形成卫星表面不同部位的电位差。太阳电池阵上有0.3 m2光学镜头开口，该开口部位更容易造成静电放电；

3）卫星的太阳电池盖片的单片尺寸为20 mm×40mm，容易产生较高的电位差，从而具备引发较高强度的静电放电条件。

4 静电放电干扰红外地球敏感器的机理分析

4.1 红外地球敏感器的基本结构

红外地球敏感器随着卫星自旋，实现地平穿越式扫描，获取卫星自旋轴与当地地垂线夹角的信息。通过遥测，将获取的信息送回地面，结合太阳敏感器遥测数据可计算出卫星姿态。

自旋卫星红外地球敏感器的原理框图见图4。红外地球敏感器由地球探头、太阳探头和电子线路3部分组成。电子线路包括偏置电源、前置放大器、处理电路、取中及月球鉴别电路。

地球敏感器前置放大器将红外探测器给出的微弱信号放大后，由处理电路将前置放大器输出的地球梯形波信号积分放大，然后微分放大，再经过整形处理，给出地球敏感器光轴扫入和扫出地球时刻的前、后沿信号。该处理线路还具有太阳保护、红外峰值遥测等功能。

4.2 地球敏感器受干扰后的信号异常分析

根据自旋卫星红外地球敏感器的工作原理，结合上述静电干扰试验，再根据干扰信号出现的时刻和幅度等，分析可能对地中和地出信号造成的影响。图5为正常地检、微分与地中和地出信号的时序关系。

（1）干扰信号出现相位在正常地球信号之外的情况

试验发现干扰产生的虚假地检、微分信号出现在正常地球波信号之后和下一周期正常地球波之前等现象。由于微分信号产生地球敏感器前沿、后沿和伪后沿（用于月球鉴别）比较器的输入，因此虚假前沿、后沿和伪后沿产生与否及其对地中和地出信号的影响，与干扰产生的微分信号的幅度和时刻有关。

试验结果的分析表明，即使干扰信号出现在正常地球信号以外，在不同的干扰幅度下，也能够出现遥测数据所显示的3种地中、地出脉冲相位异常的情况。

（2）干扰信号出现相位在正常前、后沿之间的情况

如图6所示，当干扰信号出现在正常地球波前沿、后沿之间时，干扰产生虚假后沿，并且虚假后沿出现在前沿之后12ms以内（正常地球弦宽为24ms左右），地中信号丢失。

如果干扰出现在正常前沿之后12ms以外，并且虚假微分负峰值超过两倍的正常地球波微分负峰值，则当前周期的地中信号正常，但无法输出正常地出信号，从而产生先丢失地出信号，然后丢失地中信号这种异常时序现象。

图4 红外地球敏感器原理框图

图5 正常情况下各种信号的波形

图6 干扰出现在正常地球波中间情况的波形

（3）干扰信号出现相位在正常后沿附近的情况

如图7所示，在这种情况下出现双地中现象。如果干扰出现时刻和干扰幅度造成微分负峰值超过两倍的正常地球波微分负峰值，也会出现下一周期先丢失地出信号，然后丢失地中信号的异常时序现象。

图7 干扰发生在地球波后沿附近的波形

（4）分析结果

地球敏感器受静电干扰后，可能出现异常的情况与干扰信号的幅度和相位有关。干扰信号出现在正常地球信号之内或之外时，根据取中和月球鉴别电路的时序关系，分析地球敏感器受静电干扰的试验结果，表明都可能造成地球敏感器地中、地出脉冲信号相位异常的情况。

5 结论

通过分析地球同步静止轨道空间环境数据，可以确认完全存在因空间环境引发的卫星静电充放电脉冲干扰，造成红外地球敏感器输出脉冲信号异常的可能性。

通过地面模拟卫星静电放电试验，找到了红外地球敏感器易受干扰的部位。对地球敏感器信号输出电缆和插头尾罩之间需要仔细封闭屏蔽。在采取了针对性工艺处理措施后，将大大减少红外地球敏感器受静电干扰产生异常输出信号的现象，表明对该问题的地面试验研究工作和采取的措施是积极有成效的。

[1] GJB151A-97.军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].国防科学技术工业委员会，1997

[2] MIL-STD-1541A.Electromagnetic compatibility requirements for space systems[S].Department of the Air Force，USA，1987

[3] NASA-HDBK-4002.Avoiding problems caused by spacecraft on-orbit internal charging effects[S].NASA，1999

A G round Test M ethod of Electrostatic Discharge for In frared Earth Sensor

QIChunzi，LIU Xuli
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

The paper presents a detail test method of electrostatic discharge（ESD）for infrared earth sensor.By analyzing the space environment and the structure characteristics of the satellite in GEO，the surfaces of the satellite exists the possible conditions of ESD.By the ESD experiment，the paper finds the sensitive location of infrared earth sensor easy to be disturbed，and also provides its corresponding measures.

electrostatic discharge；infrared earth sensor；ground test