遥控指令锁定电路的安全裕度分析

司圣平，王 珏，刘 伟，朱 维

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

在卫星测控系统设计过程中，特别需要考虑的是遥控指令的安全性，对于某些关系到卫星发射成败的关键指令，应做到即使存在误发指令也不会对卫星造成损害。这就需要指令锁定电路对这些指令进行逻辑控制，例如“太阳阵火工品解锁”指令受到“星箭分离信号”的控制：星箭分离前误发该指令，指令无效；星箭分离后发送该指令，才能正常响应。这些指令锁定电路在设计过程中需要充分考虑其稳定性。然而电路中元器件的实际参数往往与标准值存在一定的偏差，其在轨工作还受到环境变化及工作时间的影响，而使整个电路的输出产生较大的波动，甚至失效。因此，在进行测控系统设计时，针对遥控指令锁定电路等关键电路，必须要考虑整个电路的容差设计，提高电路的可靠性，确保整个电路在设定条件下的输出具有足够的裕度，从而保证遥控指令在卫星测试及在轨飞行过程中的正确有效。

1 电路特性影响因素分析

卫星遥控指令锁定电路其实是一种条件约束电路，考虑其可靠性与安全性，在设计上，电路的逻辑不宜复杂。一般来说，电路的输入仅包括指令控制信号和指令脉冲信号：当指令控制信号无效时，无论指令脉冲信号是否有效，整个电路无输出响应； 只有在指令控制信号有效的情况下，发送指令脉冲信号，电路才会响应，对外输出有效。高可靠性的遥控指令锁定电路对于整星安全来说至关重要。

影响电路稳定性的主要因素包括3 个方面：

1）空间环境因素。卫星指令锁定电路必须符合空间环境使用要求[1]，在严苛的外部环境中能够正常工作。空间环境包括高/低温循环、真空、振动等。例如：某卫星要求指令锁定电路在-40～45 ℃的温度范围内、温变速率不低于10 ℃/min 的条件下，必须连续正常工作10 个以上温度循环[2]。恶劣的环境因素是卫星指令锁定电路进行可靠性与安全性设计所要考虑的首要影响因素。

2）元器件参数偏差。任何电路元器件的标称值相比实际值都不可避免地存在公差，即使是在高精度元器件的电路中，若存在诸如放大器、阶跃管等元器件，电路的设计输出与实际输出也会有较大 的差异，甚至会造成电路的失效。因此，元器件的参数偏差是卫星指令锁定电路设计中必须考虑的影响因素。

3）元器件老化。器件的指标参数会随着元器件的老化而发生变化，当指标下降到一定的阈值时，电路的整体功能将会失效。通常在已知电路中各元器件性能指标统计分布的情况下，可以利用概率统计的分析方法进行电路可靠度的计算[3]，对电路的可靠性进行预计和校验，且这种预计和校验是以卫星寿命期为基础的。

在实际的电路设计中，需要考虑的元器件参数变化的影响因素[1]如表1所示，各因素对不同元器件产生不同的影响。对于卫星工程来说，不同的影响因素需要通过相应的试验进行考核，例如：通过温度循环试验进行温度考核，通过应力等效法进行老化寿命考核，通过辐射等效试验进行辐射考核等，而湿度是地面测试过程中需要考虑的条件。

表1 元器件参数变化的影响因素 Table1 Influence environmental factors for different components

2 关键电路的可靠性设计与分析流程

卫星产品的系统设计、参数设计和容差分析是其“健壮”设计的核心，每一项设计都有各自的适用特点[1,4]。本文针对卫星产品的研制特点及生产流程，提出了一种关键电路的健壮分析方法，即在确定关键电路参数的情况下，利用采用最坏情况法[5-6]进行设计，并采用最坏情况试验法进行检验。图1所示为遥控指令锁定电路的可靠性设计与分析流程。

第一步，完成电路的初步设计后，基于各个功能模块，确定整个电路中的关键部分，即确定不同电路形式对电路功能的影响，定性明确电路功能；

第二步，在明确电路功能的基础上，明确电路在其工作环境下的性能参数，包括关键电路的输入 输出指标、关键电路中的元器件参数及其容差；

第三步，明确在不同条件下电路参数的偏移，利用最坏情况分析法计算出电路的最大输出量和最小输出量，确保这两个量在指标要求范围内；

第四步，利用真实的环境进行测试，确定实际最大输出量和实际最小输出量，以防止因为某个元器件的个体差异导致整个电路的功能或性能不满足要求；

最后，对于实际最大输出量和实际最小输出量提请总体确定是否让步接收，若实测结果相对于指标和性能的偏差不是很大，考虑到进度、成本等因素，允许让步接收，但必须明确电路的使用条件；若不能让步接收，则须明确偏差原因，改进电路，返回第三步重新完成流程。

图1 关键电路可靠性设计与分析流程 Fig.1 Procedure of the reliability design and analysis of critical circuit

3 应用案例

3.1 问题描述

某型号卫星为低轨卫星，轨道高度836 km，设计寿命5年，对于舱内元器件的抗辐射指标要求为不小于30 krad(Si)，其使用的指令锁定电路如图2所示。该电路中火工品解锁指令受到指令锁定信号（星箭分离信号）的控制，即：在星箭分离前，星箭分离信号（UF）为高电平，火工品解锁指令无效；当星箭分离后，UF为低电平，火工品解锁指令有效。要求在寿命期间，环境温度为-10～45 ℃的变化范围内电路能够正常工作。

图2 某型号卫星的遥控指令锁定电路 Fig.2 The telecommand lock circuit of a certain satellite

图2中Q1、Q2 均为开关管，Q3 为驱动管，驱动管后的继电器位于指令用户端，因此可以确定该指令锁定电路的关键部分为图中的虚线框部分；电路设计的基线是在-10～45 ℃的温度范围内能够正常工作。

而实际情况是该指令锁定电路在-5 ℃的真空低温保持试验中失效，即UF为高电平时，火工品解锁指令仍然有效，未能锁定指令。因此起锁定开关作用的Q2 管成为可靠性设计的重点，下面对失效影响因素和该电路可靠性进行分析。

3.2 主要影响因素分析

对表1中给出的影响因素逐个进行分析，首先，电路中使用的三极管（Q1、Q2、Q3）为宇航级，满足30 krad(Si)的抗辐射指标，因此可以排除辐射对电路的影响；再者，对元器件的使用有效期进行了检查与确认，均在有效期范围内，说明元器件老化不能作为电路失效的原因；而电路在温度循环试验中出现不稳定，因此，最终可以确定环境温度的变化是造成该指令锁定电路失效的主要因素。

3.3 关键元器件的参数及其裕度分析

1）不同温度条件对关键元器件参数的要求

由指令锁定电路的电路图分析，可以得到：

式中：UD为二极管两端电压；UF为星箭分离信号；UBE2为Q2 管的射极与射极两端电压；UCE2为Q2管的集电极与基极两端电压；R3、R5、R6分别为电阻R3、R5、R6 的阻值。

为了确保Q2 管起到锁定开关作用，该管必须工作在饱和状态，因此要求βⅠB2＞ⅠC2，β为Q2 管的放大倍数。采用区间分析法[7-8]得到在温度为-10～25 ℃范围内对β的要求（见表2）。

表2 不同温度条件下对Q2 管β 的要求（ⅠC2=7.72 mA） Table2 Requirements of β for Q2 transistor at different temperatures(ⅠC2=7.72 mA)

从器件手册查得Q2 管（3DK101B）的β范围为55～80。因此当Q2 管的实际放大倍数小于不同 温度条件下的相应要求时，就会造成该锁定电路失效，无法完成设计功能，电路的鲁棒性较差，这也正是元器件参数个体差异导致电路失效的原因。

2）不同阻值条件对关键元器件参数的要求

根据以上试验情况和分析，发现指令锁定电路失效的关键原因是Q2 管工作在低温时为非饱和状态，无法起到开关的作用，因此应提高Q2 管的基极电流。经过计算，电路中采用不同阻值的R5 对Q2 管β的要求如图3所示。

图3 不同阻值R5 在变温条件下对Q2 管β 的要求 Fig.3 Requirements of β for Q2 transistor for different R5 at variable temperature

由图3可以看出：对于同一个电阻R5，温度越低对Q2 管β的要求越大；对于不同阻值的R5，其阻值越大对Q2 管β的要求越大。这说明温度越低、R5 阻值越大越趋近于电路的最差工作状态，而电路中各项参数的安全裕度在最差工作状态下越大，则电路越稳定。对于一个具体确定的Q2 管，它在电路中的安全裕度范围为

式中：ηL为Q2 管β的最低裕度；ηH为Q2 管β的最高裕度；βwc为保证电路在最坏情况下正常工作的最低β值[9]。

3）最坏情况下关键元器件的参数裕度分析

通过上述分析，-10 ℃是电路工作的最坏情况，表3为最坏情况下针对R5 不同阻值进行的Q2 管β的裕度分析，在表中所列的4 种情况中，第1 种明显会导致电路失效，电路的裕度甚至会小于0，电路不可靠；后面3 种情况，电路是稳定可靠的，且从Q2 管β的裕度方面来看，电路的稳定性是依次升高的，最后2 种情况下更是保留有高达67%以上的裕度。

表3 最坏情况条件Q2 管β 的裕度分析（T=-10 ℃） Table3 Worst case conditions for margin analysis of β of Q2 transistor(T=-10 ℃)

3.4 关键元器件参数对指令锁定信号大小的要求

当一个具体确定的三极管Q2 作为元器件安装在电路中，即该三极管的放大系数β已经确定为55～80 中的某一值时，不同的β值对星箭分离信号UF大小的要求不同：

三极管Q2 作为开关管工作时须处于饱和状态，因此根据上述方程，可以求解出在正常工作时Q2 所需要的UF大小（见表4）。

表4 三极管Q2 对星箭分离信号UF 的需求 Table4 Demands of the satellite-rocket separation signal for Q2 transistor

对于某一确定的三极管，为保证静态工作点，星箭分离信号UF必须保证三极管Q2 发射结正偏。从表4中可以看出，虽然电路的可靠性随着R5 阻值的下降而提高（参数裕度提高），但UF的大小却在下降，在最后一种情况中甚至小于常规高电平定义（3.5 V），这也是不符合实际应用条件的。

因此，为了确保电路中的星箭分离信号UF和三极管Q2 的放大系数β两个关键参数的裕度，选择R5 的阻值为8.2 kΩ，此时电路不但有较高的裕度，而且UF的大小也符合高电平规定。

3.5 环境测试与验证

在实际最坏情况试验法的检验中，在指令锁定电路工作的-10～45 ℃范围内，从-10 ℃开始，每间隔5 ℃进行升温，在每一个温度点达到温度平衡并 稳定0.5 h 后，进行性能测试。测试结果表明，在星箭分离信号UF为3.7 V（正常为6.3 V）时，指令锁定电路仍能正常工作，电路的输出值在设计裕度范围之内。

4 结束语

根据卫星产品的研制流程，结合确定电路边缘状态的最坏情况分析法，提出了一种适用于遥控指令锁定电路的可靠性设计与分析流程，并利用该方法定量给出了某型号卫星遥控指令锁定电路的关键元器件参数裕度指标，可设计确保遥控指令锁定电路的可靠性与安全性。该方法还可推广应用在星上其他类似锁定、互锁装置的遥控电路模块的降额设计中，从而确定电路及其元器件的具体降额范围，提供使用者明确的约束条件。

（References）

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