复杂飞行器电气系统抗干扰设计技术研究

， ， ，，

(中国运载火箭技术研究院 研究发展中心，北京 100076)

复杂飞行器电气系统抗干扰设计技术研究

欧连军，赵岩，张翔，王健康，荣刚

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076)

结合现代飞行器因其功能复杂，设备种类和数量众多，电气系统规模庞大，设备间连接关系复杂，接口信号类型多的特点，针对其较高的抗干扰性能和可靠性要求，系统分析了复杂飞行器电气系统辐射、电源串扰、浪涌串扰等干扰源类型、特性及影响;针对影响电路的传导、辐射、差模、共模干扰4种干扰模式，提出了可以从源头抑制提高复杂飞行器电气系统抗干扰性能的4个方面的设计方法和注意事项，分别是接地设计、屏蔽设计、隔离设计和滤波设计;最后，结合典型案例，分析了某飞行器电气系统因设计缺陷存在地信号干扰问题，通过增加隔离措施解决了该干扰问题，并通过了试验验证。

抗干扰；电磁兼容；接地设计

0 引言

在国内外各类飞行器电气系统匹配、总装甚至发射飞行过程中，都曾经发生因干扰问题引起的信号采集误差过大、信号传输异常、控制信号误发、继电器误动作、设备部分功能异常，甚至火工品误爆等故障。随着现代飞行器功能越来越复杂，飞行器上装备了各种各样的计算机、机电、火工、载荷、通信、雷达等电子设备，飞行器有多种供电母线体制，电气负载种类多，工作频率宽、功率大，电缆网复杂、密度大，飞行器电气系统供电电路、信号采集电路、信号传输电路、控制电路、驱动电路可能成为干扰源或被干扰源。因此，抗干扰设计已经成为复杂飞行器电气系统单机设备和系统设计中一个不容忽视的重要因素。

本文分析了复杂飞行器电气系统干扰源及干扰的影响模式，并针对干扰模式，分析了在设计过程中应该考虑的设计因素，并针对某飞行器高压和低压配电设计中的干扰问题，提出了抗干扰设计解决措施。

1 复杂飞行器电气系统干扰源分析

飞行器电气系统一般包括供电、配电、控制、测控通信、伺服机电等系统，各系统连接关系复杂，要做到互相之间没有干扰，需要付出极大的代价，一般都是通过设计尽可能的减少干扰带来的影响，复杂电气系统的干扰细分可包括以下几个方面：

1)射频信号辐射干扰。

复杂飞行器为确保飞行数据的可靠获取，测控通信系统一般都有天地基测控、数传遥测遥控发射机，另外，GNC系统还有无线雷达高度表，激光武器、电磁炮等有效载荷，这些设备为了实现数据无线传输、高度测量、电磁毁伤，都要调制、传输和辐射一定功率的不同频段和带宽的电磁波，为了达到目的，有的设备功率较大。但是，现在的技术不能保证所有的辐射都定向传输出去，因此会对电气系统线路及设备产生干扰[1]。

2)配电系统电源变换串扰。

配电系统需要将飞行器总电源转化成不同特性负载需求的母线供电，而这些转换一般都通过DC/DC、PWM调制等方式实现，一方面，电源变换都是通过线圈感应、整流、滤波、脉宽调制等手段实现，本身就有很大可能将这些变化的电压、电流串入后端信号测量、控制回路；另一方面，电源变换需求一般按负载特性分类规划母线，母线之间也可能互相产生串扰。这两种干扰，与电源变换设计、接地设计、母线隔离设计的品质和有效性等密切相关。

3)伺服机电系统工作时，电流变化引起的串扰和辐射干扰。

一般情况下，飞行器舵机等伺服机电设备功率需求大，而且功率随负载的变化不断变化，有时峰值功率甚至是最平均功率的10倍，一方面变化的功率会改变母线的供电品质，可能通过母线、地线串扰到控制、采集电路，另一方面变化的功率会通过线路寄生电感产生的电磁辐射，产生辐射干扰。

4)火工品、负载加断电等瞬时功率设备，加电时浪涌引起的串扰和辐射干扰。

飞行器电气负载设备加断电瞬间、火工品起爆瞬间，母线及供电线路电流瞬间从0 A变为负载电流大小，一方面这种电流的瞬变也会对电气系统产生串扰，通过寄生电感产生电磁辐射干扰电气系统；另一方面，因为负载及负载线路除了电阻特性外，还有电感和电容特性，电流瞬变化产生浪涌电流，浪涌也会对电气系统产生串扰。

5)飞行器以外的辐射干扰。

飞行器在测试发射和飞行过程中，还要经历各种各样的地面和低空各种工业电磁辐射环境、静电放电环境、甚至雷电环境，这些电磁辐射，也可能会对飞行器电气系统产生干扰[1]。

2 复杂飞行器电气系统干扰的影响模式

飞行器电气系统由于其电子设备种类繁多，负载特性、电源种类、母线种类各一，每一个电子负载和设备线路连接都可能成为干扰源或被干扰源。但是，根据干扰对电气系统的影响模式，干扰按照感应模式可分为传导干扰和辐射干扰，按照影响模式可分为共模干扰、差模干扰。

2.1 传导干扰

传导干扰主要是指电路将干扰信号以电压或电流的形式通过公共电源线和公共接地电路相互传播，并干扰改变其他电路电压、电流的大小[1]。

如图1所示I1、I2、I3三个回路任一个回路的电流发生变化，都会通过公共电路部分如C1、Q、C3，改变其他两个回路的电流和电压特性，从而造成干扰。

图1 干扰电路示意图

2.2辐射干扰

辐射干扰主要是指电气系统电信号网络或电气设备电路网络通过空间耦合感应电磁干扰信号，从而使得自身电路的电压幅度、电流大小、频率、相位等电信号特性发生非预期的变化，从而对电路供电品质、信号采集、控制输出等产生影响。飞行器上电气系统设备电缆连接信号回路和设备内部信号回路设计不合理，存在电磁感应回路、信号回路屏蔽不完善等情况，会对外部交变电磁场比较敏感，从而易受辐射干扰[2-3]。

如图1所示，I1、I2为回路感应磁场变化产生的差模干扰，I3为回路感应磁场变化产生的差模干扰。如果系统电路网络或单机电路中存在电路回路，就有可能感应外部变化的电磁场并产生干扰电流，按照电磁感应原理，闭合回路面积越大，通过的外部磁场强度越大，回路产生的电磁感应电流也越大。实际上电路总是闭合的，被干扰难以避免，电路设计中一般都通过设计使得闭合回路的面积最小或将电路尽可能的用金属屏蔽起来的方式来减少或隔离干扰，如使用双绞线或同轴电缆，将电路集成到芯片中等方式。

2.3 差模干扰

差模干扰是指干扰信号电流在信号线和信号地线回路中流动，导致在信号线和信号地线上产生干扰电压。差模干扰信号线和信号地线称为干扰信号的往返传输路线[4]。差模干扰信号与信号流向完全相同，直接对信号产生干扰，如图2所示。

图2 差模干扰示意图

2.4共模干扰

共模干扰是指干扰信号电流在信号线与参考地形成的干扰回路、信号地线与参考地形成的干扰回路中流动，相对参考地在信号线和信号地线上形成幅度相同的干扰电压信号。共模干扰信号线和地线作为干扰信号的去路，经其它路经(如参考地)返回。共模信号主要通过信号电路或电路的不匹配性转化差模信号后产生干扰[5]。

如图3所示，如果图中差分器件A、B输入端具有完全相同的阻抗特性，则共模电压产生的干扰电流Ig在器件中抵消，不会产生干扰。如果差分器件A、B输入端阻抗特性不相同，则在差分器件A、B端产生不同的干扰电流，其差值会得到差分器件放大并产生干扰。

图3 典型共模干扰电路

3 复杂飞行器电气系统抗干扰设计

3.1 接地设计

接地是提高电气设备抗干扰性的有效手段之一，正确的接地既可以抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰。复杂飞行器电气系统需要根据系统的组成、负载设备的特性统一设计供电架构，而接地设计是供电设计非常重要的一部分，通过合理的接地设计可以有效的提高系统的电磁兼容性和抗干扰能力。图4是某飞行器接地体制设计原理图，采用配电端单端接地和高频设备多点接地原则，一次配电、二次配电、机电配电等都根据负载设备的特性设计并且互相隔离。接地电阻应尽可能的小，一般为优化电磁兼容设计的接地体制中的接地电阻应为5～10 mΩ级。

图4 复杂飞行器电气系统接地示意图

配电端单端接地原则，对于所有未隔离的负载设备，都应在配电端就近将地线连接到一个参考电位点上。复杂飞行器电气系统低频电路采用配电端单端接地技术，可以保证不同负载设备所有互通的电源负线和信号地线对参考地的电位一致性，有效避免电源(信号)正(负)与参考地形成回路，产生(接受)干扰或互相干扰。

高频设备多点接地原则，高频设备中各单元电路分别就近连接到地线上，通过短的接地路径，可以显著减少可能出现的高频逐波现象[6]。

复杂飞行器电气系统中，对于采集和控制信号精度要求高的子系统，如控制系统，也可采用对独立配电(隔离后)及负载采用浮地的方式，即该部分配电及负载电源(信号)负线与参考地隔离，但是设备壳体与参考地良好接触。浮地方式有效的阻断了参考地与电路之间的传导路径，抑制了干扰，但是也阻断了电路的放电路径，降低了电路的抗静电能力。对于既有低频设备又有高频设备供电又不能做到互相隔离的情况，采用单端和多点混合接地的方式，但是要注意地线回路的形成和数量的增多可能会引起干扰。

3.2 屏蔽设计

屏蔽设计经常应用在电气设备单板设计、模块设计、整机设计和系统电缆设计中，是抑制电磁干扰的重要手段之一。电气设备一般采用金属材料壳体，并通过搭接接地方式与机体结构连接，来隔离电磁场。电气系统负责电能和信号传输的电缆，一般将易受干扰的传输线缆设计成单层或多层屏蔽方式，并将屏蔽层与机体连接，来阻断电磁干扰的感应、辐射和传输[6]。

3.3 隔离设计

电路隔离设计可以有效避免不同电路之间相互干扰，常见的隔离设计有变压器隔离(DC/DC)、光耦隔离、磁耦隔离、继电器隔离和运放隔离等。复杂飞行器电气系统隔离设计常根据其接地体制而确定，对于可能改变接地体制或易受干扰的电路进行隔离，即对不同类型负载的供电进行DC/DC隔离，模拟地应与数字地进行隔离，机电供电及信号与一般的仪器供电及信号进行隔离，重要的单机设备之间的信号交互进行隔离等。

3.4 滤波设计

合理的滤波设计能有效地减小电气系统中传输的供电和信号的干扰，让电源母线纹波和信号上的干扰降低到可接受范围之内。滤波器根据要传输和衰减的信号特性，可以设计为低通、高通、带通和带阻4种形式，来减少供电和正常信号以外的干扰源对系统的影响。

4 案例分析

图5为某项目供电系统母线电压采集电路原理图，该供电系统采用舵机母线(160 V)、仪器母线(28 V)和火工品母线(28 V)三母线独立供电，三母线分别在各自的配电单元单点接地，电压采集是通过电阻分压统一输入给28 V配电单元中的多路选通开关使用快速轮询方式进行模拟量参数采集，电压采集结果如图6、图7所示。

图5 某项目供电电压采集原理图

图6 受干扰采集电压曲线

分析原因，主要是采集电路对舵机母线、仪器母线和火工品母线三条母线负端进行高速切换，三条负母线独立单点接地，切换速率过快导致参数采集时选通开关出现不确定状态，例如切换指令接收后开关未能完全断开，此时会引入上一次采集时原负母线的电位基准，造成参数采集电压值出现异常，从而发生采集异常波动现象。

该案例是因系统设计未考虑供电隔离的一个典型案例，分析出现问题的原因，可采用两种解决措施，一是更改多路选通开关切换时间，保证切换空闲间隔足够长；二是在通过光耦隔离电路对采集信号进行隔离后送采集电路进行采样，图7为在选通开关前端增加隔离电路后信号采集电压曲线。

图7 采取措施后的采集电压曲线

5 结束语

本文针对复杂飞行器电气系统的特点，介绍了抗干扰设计方法和措施。针对干扰源对电气系统传导、辐射、差模、共模4种干扰模式，分别介绍了电气系统设计过程中接地、屏蔽、隔离、滤波4种常用抗干扰措施的使用方法。结合实际案例，分析了某项目供电系统电压采集干扰原因及解决措施。

[1]叶厚良，何德军，栾孝丰.导弹武器电磁兼容性设计[J].海军航空工程学院学报，2009,24(2)：149-152.

[2]米小莉，汪 非，赵永刚.战术飞行器电气系统电磁兼容性设计[J].四川兵工学报，2012,33(4)：18-19.

[3]宋飞飞.无人机数据链信道编码方法研究[J]计算机测量与控制, 2012, 20(6):1602-1605.

[4]邵云峰，王 臻.弹上电气系统电磁兼容性设计[J].现代防御技术,2007,35(2):34-37.

[5]张金祥，张佳莺，王庆成.小卫星总体电路电磁兼容性设计.2003,35(2):227-229.

[6]尚开明.电磁兼容(EMC)设计与测试[M].北京：电子工业出版社，2013.

ResearchonAnti-intelogrferenceDesignTechnologyofComplexElectricalSystemofAircraft

Ou Lianjun , Zhao Yan , Zhang Xiang , Wang Jiankang , Rong Gang

(China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center,Beijing 100076,China)

Combined with the characteristics of modern aircraft , which has Complex functions, many kinds of equipment, large number of equipment, large scale of electrical system, complicated interdevice connection and many interface signal types , For high anti-interference performance and reliability requirements , the types, characteristics and influence of interference sources, such as radiation, power supply crosstalk, surge and crosstalk are analyzed systematically . In view of the influence of circuit conduction, radiation, differential mode and common mode interference four interference pattern, the design method was put forward in four aspects from the source to improve the suppression of complex aircraft electrical system anti-jamming performance and precautions , which is grounding design, shielding design, isolation design and filter design. Finally, combined with typical cases, the problem of signal interference in the electrical system of an aircraft is analyzed, which is solved by adding isolation measures and verified by experiments.

anti-interference; electromagnetic compatibility; grounding design

2017-07-24；

2017-08-22。

欧连军(1980- )，男，甘肃人，硕士，高级工程师，主要从事航天器航电综合系统控制总体设计方向的研究。

1671-4598(2017)11-0208-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.053

E926.3

A