2.4 航天器接地

2.4.1 航天器接地概述

接地设计是航天器系统级设计的重要环节，良好的接地系统有助于减少电磁干扰 (EMI)和各类航天器电子设备的受扰情况，确保在故障状态下航天员的安全和设备的正常运转，从而实现系统的电磁兼容性。

航天器有很多并行的供配电和信号通路，这些通路可能会成为接地环路和共阻抗源的干扰耦合途径。接地环路会感应并传播不同频率的电平，这些变化且不受控制的电平会对电子设备性能构成干扰。接地是通过设计手段控制这类干扰效应的重要方法。

航天器系统接地设计是将舱体、分系统、设备、金属部件和电子电气部件等导体结构组成接地参考，并预防有意的电流在接地参考中流动。航天器电设计要注意电磁环境对接地的影响不因配置而变化。每个单独工作的电源应单点接地到结构。电子电气设备的接地应与外部电源和信号回线隔离。

航天器系统的接地设计应根据航天器的任务和规模选择相应的接地类型，并确保所有的硬件产品都遵守系统接地设计规范。注意接地设计要求应尽量在分系统产品研制方案确定前明确，否则会增加初步设计评审 (PDR)阶段更改和落实的难度。

航天器的导电部件和结构应低阻搭接在一起，以提供公共的电压参考点且不应有意承载电流。搭接和接地有一定区别，但两者经常在相同的环境中使用。良好的搭接应在所有频段为电子设备回路提供接近0 V的参考基准，具体参见2.3节搭接的相关内容。接地参考系统不仅是直流电压的参考，也是高频信号和干扰的零电位参考。

图2-3所示为一个航天器电源母线接地的示例，有些分系统或设备的规模较大，接地布局应参考系统要求单独进行分析设计。

图2-4所示为设备接地的示意图，在图中给出了电路公共地、机壳地的电路符号。

地之间的隔离是一个重要的概念。隔离是指在电路接口处抑制外部的信号和干扰电流 (最佳的隔离是没有干扰电流)。如果两个部件间有直流信号地并且各自还有相互隔离的到机壳的接地线，则它们的信号接口就不是相互隔离的。

图2-5所示为分系统与外部直流隔离而内部不隔离的示例 (允许有地回路)。信号回流可以通过回线和机壳地连接。部件间的直流隔离接口一般使用变压器传输功率，因此部件间没有直流通路。

连接分系统到机壳的导线实际上构成了一组串联电阻和串联电感，并与邻近物体构成各类电容，所有这些都会影响接地设计的性能。如果干扰电压或电流具有较高的交流频率 (通常高于1 MHz)，电感和电容可能会对接地品质有重大影响。高频段应尽量缩短接地线的长度，建议不超过工作波长的1/20，以提供良好的接地。

2.4.2 接地系统的类型

航天器的接地分为单点接地 (SPG)、多点接地 (MPG)和混合接地等多种应用方式。

单点接地是指电源回路仅在一点接地，所有接地引线都直接与同一接地点相连，然后再与结构连接。单点接地不易形成接地电流环路，可使辐射电磁干扰最小化。单点接地又细分为串联单点接地和并联单点接地。串联单点接地方式会带来一定程度公共回线的共模干扰，如果这类接地方式后期被集成到接地系统中，可能会出现无法预估的问题；并联单点 (星形)接地方式由于各设备地线相互隔离，故能更有效地消除电磁干扰的影响。其示意图如图2-6所示。

多点接地是指每个设备的接地引线都就近连接到接地导体。多点接地可以使设备间的接地阻抗最小，以降低较高频率的电磁干扰。多点接地电路结构简单，接地线上出现的高频谐、杂现象明显减少。但多点接地可能会导致设备内部形成许多的接地回路，从而降低设备的抗干扰能力，所以在多点接地情况下，要注意图2-7中的接地回路问题。

混合接地结合了单点和多点接地的优点，对于直流或低频信号来说，该电路为单点接地；对于高频信号来说，为多点接地。随着航天器电子设备的复杂化，信号频率越来越高，信号之间的互扰等电磁兼容性问题日益突出，单一的接地方式已无法满足航天器的设备需求，故航天器推荐采用混合接地方式。其示意图如图2-8所示。

通常系统以某种方式接地，有时从实际需求出发，即便将系统或分系统设计成与结构隔离，但还是需要设置静电泄放电阻。注意浮地后电路易受干扰，而且这种隔离方式会与部分电气安全规程要求相矛盾。浮地系统示意图如图2-9所示。

电路浮地应尽量避免，但有些设备因为不匹配或某种原因在一定时段内处于浮地状态，如在开关断开时导线可能处于浮地状态等。为预防浮地状态，建议在设备电路与结构间设置一个静态泄放电阻 (例如5 MΩ)。

2.4.3 接地测试验证的方法

为验证电路的接地效果，可使用欧姆表对电连接器的相应芯点 (可使用转接盒或过渡插头)进行测量，以验证接地要求的符合性。电路与结构底板间的电容可用电容计进行测量。注意：电压测量也很重要，便于确认是否满足相关接地要求。

为了实现在外部对设备内部隔离或对接地通路进行验证，可将设备内的信号地基准用导线连接到一个接插件的接点上，设备结构底板用导线连接到同一接插件的另一个接点上，用跨接线连通接插件的对应点，就可进行接地测试。缺点是需要通过专用电连接器实现接地，增加了电缆设计的复杂性。另一种替代的测试方案也很复杂，是将信号地引出并绝缘安装到机箱侧面的一个接地柱上，然后再从外部的另一个接地柱接地，从而测量接地通路的特性。

2.4.4 航天器规模与接地方式的选择

总体设计人员应了解接地设计的基本原则。

航天器的规模是接地方案选取的依据之一。从技术上而言，小型航天器设备间的距离短，相应的干扰电压和压差也小，如果所有接口都采用电气隔离措施，设计时间、部件体积和重量等资源的需求较大，小型航天项目很难承受。建议优选混合接地方法，具体可根据航天器的规模和复杂性，参考表2-3和表2-4确定接地方法。

2.4.5 航天器接地设计

2.4.5.1 单电压或多电压供配电分系统的接地

航天器接地设计首先要考虑的问题是电源分系统输出采用有助于单点接地系统构建和维护的单电压方案，还是满足各类负载需求的多电压方案。大型航天器普遍采用单电压 (如28 V或100 V等)供电方案。

航天器推荐首选单电压母线供电，每个设备负载内部配置DC/DC变换器，可同时实现一次电源母线和分系统二次电源母线的隔离。

小型航天器的电源分系统可采用多电压方案。有时所有电子设备都集中在一个机箱内，内部的二次信号地和电源地不需要相互隔离，因为距离近、空间紧凑，故可能不会引起对外的电磁干扰问题。但为隔离可能的故障，一般将直流地与结构底板相隔离。

2.4.5.2 电源母线与地的故障隔离

是否要将电源分系统的回线直接搭接到结构底板，是需要认真分析决策的问题。这样的接地方案通常是在电源调节器或配电器处直接将电源回线就近接到结构底板上 (使用短线或接地带)，这样接地有利于降低接口上的共模干扰和电源线辐射干扰的幅度，且有利于进行场强或带电粒子测量的高灵敏度试验任务中航天器的性能保证。

但是，在电源正线与结构间出现短路，而且故障点还没有熔断的情况下，电源回线直接接地到结构的方法会使故障加重并扩大，已经有一些航天器因为这类故障导致在轨失效。为此，强烈建议设置合适的阻抗将电源回线与结构底板隔离。通常阻抗值应足够高，以限制故障状态的电流，同时又应足够低，以提供稳定的参考电位。

如果电源分系统与结构底板隔离，则电源母线的所有相关部分也应与结构底板隔离。另外，这种“软”接地方式可能使电源母线的共模干扰相对较大，需要在负载端加强对共模干扰的抑制，也可以在隔离电阻旁并联旁路电容。综合考虑对系统供电安全的影响，这些额外设计还是可以接受的。

如果电源分系统必须接地到结构底板，就要通过双隔离设计等方案，确保当电源母线与结构短路且故障点没有熔断时不会出现失效模式。

电源回线与结构间的隔离需要合适的电阻，对于28 V供电系统而言，2 kΩ的隔离电阻可以将结构电流限制在mA级，这样既可以使电源回线接近结构底板的电位，又可以防止出现故障失效模式。

另一种方法是在限流电阻旁并联熔断器或断路器，从而实现与结构底板间的直接接地。这种接地方法在减少共模干扰的同时，又能避免在电源正端对结构短路时出现的失效模式，并且能在短路故障后提供一个相对结构的“软”基准。为保证航天器能在这种情况下正常工作，电源母线与结构底板间应按隔离进行设计。

图2-10所示为电源母线与地的故障隔离示意图。

2.4.5.3 电源分系统的接地

航天器的单点接地系统一般要求太阳电池阵、蓄电池和其他电源设备在研制时与底板隔离，具体要求如下：

(1)母线电源：航天器的一次电源应单点接地。用电设备应与母线电源直流隔离，接地配置应不受系统、分系统和设备的影响。一次电源应与机壳直流隔离，且与结构、设备电源回路/参考和信号回路的隔离电阻不小于1 MΩ。

(2)二次电源：二次电源应单点接地，并应与机壳、结构、设备电源回路/参考和信号电路直流隔离，隔离电阻不小于1 MΩ。

(3)电源控制总线回路：直流电源控制总线应与一次电源隔离且在系统参考点单点接地。

(4)设备内部电源的隔离：设备内部电源应与机壳和结构直流隔离并单点接地，设备的设计师可以选择单点接地或就近与结构连接或通过终端接到机壳。两种方法可以同时使用。

(5)设备间的电源隔离：在设备的电源需要隔离时，外部通道间和外部信号间均需要隔离，且每个二次电源需要按上节要求处理。

(6)电源负载与供配电系统的隔离：如果电源母线在负载端没有采取隔离措施，则结构底板上会有地电流。通常电源线直流隔离的要求是1 MΩ，以28 V电源母线为例，意味着允许有28 μA的电流通过结构底板。在航天器设计中，建议选用具有隔离功能的DC/DC变换器，确保负载与电源母线隔离。隔离设计应通过对所有负载的测量进行验证。

另外设计中要留意一些特殊情况：

(1)放射性同位素热发电器 (RTG)的核辐射可能使发电器内部的绝缘材料性能退化，严重时会导致内部短路或泄漏。因此，RTG设计中要考虑导线的隔离 (电源回线不接地到结构)和RTG壳体与航天器结构的隔离。

(2)太阳电池阵在空间等离子环境中由于离子和电子的作用，会因为空间的导电性而造成能量泄漏；一般太阳电池阵的电压越高，泄漏的可能性就越大，在较高电压时甚至可能会产生电弧。因此，高电压航天器的太阳电池阵需要做浮地处理 (高压太阳电池阵的任何一端不能与结构直接接地)。

2.4.5.4 一般信号接口电路 (指令、信号和数据等)的接地

如果要求对航天器的所有接口进行隔离，则所有信号接口电路 (指令、信号和数据等)也要隔离，实施时仅需对接口发送或接收的一端进行隔离即可。

信号接口隔离的要求一般是1 MΩ和400 pF，即任一条信号线和回线到结构底板的隔离电阻应大于1 MΩ，电容不大于400 pF。如果多个信号共用1条回线，则应根据相应电路的构成调整隔离要求，如2个电路共用1条回线，则回线对结构的隔离电阻应大于0.5 MΩ，电容不大于800 pF。

标准差分信号接口驱动收发对 (如单向RS-422或双向数据总线)的结构电流很小，一般可以满足接口隔离的要求。但当电路未加电时，驱动或接收芯片上会存在潜在路径，且有地电流流动，这时不满足隔离的要求。另外，与变压器等相比，这类电路抗共模干扰的能力较弱，有时可以使用远置单元接收信号并提供附加的直流隔离。

(1)信号电路的回线接地：本要求的目的是确保设备的地不会因其他航天器设备工作而受到影响。如果某台设备依赖于其他设备的信号回线接地，应确保该设备不会在飞行中同时工作，除非采用独立的设备接地；信号电路的导体应与机壳、结构和设备的电源回线/参考直流隔离，隔离电阻不小于1 MΩ。这一要求仅在单点接地断开时可以测试验证。

(2)每个微分模拟电路应使用单独的回线。

(3)低电平离散信号应使用单独的回线。

(4)所有数字和脉冲电路都应使用单独的回线 (适用光纤时除外)。

(5)信号低于4 MHz的回线。

本要求的目的是降低低频地电流，减少信号电路因地电流的干扰。设计不要求低频电路是平衡电路，仅是针对平衡电路允许有额外的1 MΩ隔离要求。“平衡电路”包括信号电路阻抗高/低、加/减平衡，以及信号与配套电路在源端和接收端的接地等。本要求可以理解为针对源阻抗极低的平衡接收机电路可适当放宽要求。驱动和接收线缆可对绞。总之，满足“平衡电路”定义的电路应在接收端与机壳有不低于6 kΩ的隔离电阻。非平衡电路仍应满足1 MΩ的隔离要求。

设备外信号电路的频率在4 MHz以下的应保持稳定并与机壳、结构和电源回线/参考隔离，电阻不小于6 kΩ (需要单独测量每个连接器的芯点)，外部信号可通过光隔离器或变压器隔离。电路工作频率在4 MHz以下的所有参考应单点接地到导体结构。屏蔽连接能使连接器尾罩到连接器插脚接地并良好配合。

(6)等于和高于4 MHz的信号。

当信号电路的器件频率等于或高于4 MHz时，应使用控制阻抗传输和接收的线缆，如72 Ω屏蔽双绞线、双同轴电缆、三同轴电缆或同轴电缆等。采用“双同轴”的电路应是平衡电路且对一次结构的参考是单点接地。“三同轴”电缆采用中心和内屏蔽导体进行非平衡传输，参考相对一次结构应单点接地且外屏蔽多点接地构成“完整屏蔽”。直流隔离，通过同轴电缆传输的单端电路应在每个端口360°屏蔽，可用器件最低为4 MHz或以上频率的信号。

(7)电桥测量导线执行设备的接地。

为防止相反的电磁效应，点火电路的电桥测量导线执行装置，包括电起爆装置的点火电路应与其他电路隔离，隔离电阻至少为1 MΩ。每个执行或点火电路应按屏蔽双绞线布设。每个点火电路应返回到点火电源端并与地有20 kΩ左右的隔离。点火电源也应隔离，以防止电流在BWAD点火时通过电离传导通路流过机壳或结构。为实施静电防护，点火电路应是平衡的且与导体结构地的电阻为20 kΩ~1 MΩ。考虑安全需求，BWAD线应短接在一起。

指令、信号和数据接口的接地如图2-11所示。

2.4.5.5 姿态控制分系统设备的接地

姿态控制分系统通常由多个远置测量单元 (如地球敏感器、星敏感器等)、调姿设备 (如动量轮、磁力矩器等)和中心控制设备 (如姿控计算机等)组成，要构建理想的接地会比较困难。建议设计一个外部的隔离接口单元或在中央控制单元中设计隔离的接口，否则就要接受在结构底板存在电流的情况，并需进行量化的电磁影响评估。

姿态控制分系统的接地示意如图2-12所示。

2.4.5.6 射频接口的接地

射频信号的工作频率很高，如果按波长的1/20进行接地设计，则单点接地路径的长度应在数厘米或更短。因此，射频信号采用多点接地方式就近接地，如果有直流隔离的要求，则可以通过使用接地电容来实现。

注意：为确保接地布局，射频设备内部的一般信号接口 (如模拟和数字电路等)与射频部分应有物理和电气隔离措施。

射频接口的接地示意如图2-13所示。

2.4.5.7 火工品点火单元的接地

因为火工品单元的特殊性，需要采取最稳妥的防护设计。

在火工品点火工作期间可能产生20 A左右的结构电流，在等离子体的导电作用下，可能会使电源正端与底板间短路引起结构故障电流，并且会像焊机电弧那样持续作用，这种故障发生的概率约为25%。在没有使用开关进行隔离的能量传输系统 (火工品一般用蓄电池组供电)中，如果使用蓄电池点火，故障电流会一直持续。故障电流不但会产生磁场干扰影响临近的敏感电路，还可能会耗尽蓄电池组的电量。

为防止火工品对结构地的故障电流，火工品点火单元必须与结构隔离。一种方法是配置具有隔离作用的电源变换器。这个变换器不仅要使火工品控制单元与电源母线隔离，还要与底板隔离，如图2-14所示。另外，也可采用专用的火工品电源，利用放电电容或隔离继电器的电阻使母线正线和回线与结构隔离。