齊春子，劉旭力

（北京控制工程研究所，北京100190）

紅外地球敏感器地面靜電放電模擬試驗方法研究

齊春子，劉旭力

（北京控制工程研究所，北京100190）

設(shè)計了紅外地球敏感器的地面模擬衛(wèi)星靜電放電試驗方法。對衛(wèi)星的空間環(huán)境以及結(jié)構(gòu)特點的分析結(jié)果表明，地球同步靜止軌道衛(wèi)星表面存在靜電放電的可能性。通過靜電放電試驗找到了紅外地球敏感器易受干擾的部位并提出了解決措施。

靜電放電；紅外地球敏感器；地面試驗

1 引 言

運行在地球同步靜止軌道上的自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，其紅外地球敏感器由地球探頭、太陽探頭和電子線路3部分組成。電子線路將紅外探測器給出的微弱信號（約200μV）放大約1萬倍，并通過濾波器抑制環(huán)境噪聲和無線電干擾等電壓快變化噪聲。

分析地球同步靜止軌道空間環(huán)境數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星在空間環(huán)境中可能引起充電與放電現(xiàn)象。工作在這種環(huán)境下的紅外地球敏感器是高靈敏度部件，為了進(jìn)一步研究它在靜電放電干擾環(huán)境下工作情況及其干擾途徑，本文設(shè)計了地面模擬衛(wèi)星靜電放電（ESD）的試驗方案。

2 靜電放電試驗

2.1 試驗設(shè)備

試驗前需確認(rèn)各設(shè)備均在有效使用期內(nèi)，測試設(shè)備的性能指標(biāo)均滿足GJB151A-97[1]的規(guī)定。試驗所使用的設(shè)備如下：

1）示波器：TDS3053B和TDS743A；

2）隔離電源：WYJ-3A；

3）信號發(fā)生器：AWG2021；

4）電壓脈沖發(fā)生器：CM-10/7；

5）FLUKE表：45/CH；

6）地球模擬器光源；

7）萬用表：FLUKE 111。

2.2 試驗環(huán)境

為了使環(huán)境參數(shù)對試驗結(jié)果的影響減少到最小，按照試驗要求對試驗的標(biāo)準(zhǔn)大氣和電磁環(huán)境進(jìn)行了檢查和確認(rèn)。

（1）標(biāo)準(zhǔn)大氣條件

進(jìn)行空氣放電試驗的大氣條件如下：

環(huán)境溫度：25℃；

相對濕度：54%；

大氣壓力：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

（2）電磁環(huán)境條件

試驗在電磁試驗室進(jìn)行。電磁試驗室分為放電室和觀察室，兩個室均為電磁屏蔽室，兩個屏蔽室之間通過一根波導(dǎo)管連接，保證相互間的電磁隔離。

紅外地球敏感器及其模擬器光源和放電設(shè)備放置在放電室，其他單機和供電、控制以及檢測設(shè)備均放在觀察室。為保證靜電放電脈沖不會干擾地球模擬器光源，用銅箔對放電室內(nèi)地球模擬器光源的控制電纜進(jìn)行屏蔽包敷處理。放電室設(shè)備連接如圖1所示，兩個屏蔽室之間的波導(dǎo)管填塞了吸波材料，以確保放電脈沖不影響觀察室的設(shè)備，如圖2所示。

圖1 靜電放電室設(shè)備

2.3 試驗方案

靜電放電試驗連接如圖3所示。對該試驗進(jìn)行多次重復(fù)，以保證試驗結(jié)果一致有效。

參與試驗的所有單機和設(shè)備均進(jìn)行了接地處理，接地導(dǎo)通電阻均小于100 mΩ。

圖2 屏蔽室間的電纜通道

圖3 試驗連線圖

根據(jù)國家空間中心對某自旋穩(wěn)定衛(wèi)星在軌高能電子充電的分析和計算，衛(wèi)星太陽電池蓋片上的高能電子積累到與蓋片下層的接地鋁蜂窩結(jié)構(gòu)之間的電壓差大于400V后，太陽電池蓋片與鋁蜂窩結(jié)構(gòu)之間就會發(fā)生靜電放電。

根據(jù)計算，某星太陽電池蓋片充電的電壓可以達(dá)到1000V以上，太陽電池蓋片到接地鋁蜂窩層的距離約1.2mm，相應(yīng)的放電場強為8.3×105V/m。而美國軍用標(biāo)準(zhǔn)1541A[2]規(guī)定的放電源指標(biāo)為：放電電壓10kV，兩個放電電極之間的距離1cm，相應(yīng)的放電場強1×106V/m。比較放電場強數(shù)據(jù)可知，用美國軍用標(biāo)準(zhǔn)1541A規(guī)定的放電源進(jìn)行地面靜電放電試驗，可以有效模擬有關(guān)衛(wèi)星在軌靜電情況。因此試驗中的放電條件參照美國軍用標(biāo)準(zhǔn)1541A的條件執(zhí)行是合適的，放電源參數(shù)選擇如下：

1）放電電壓：10kV；

2）放電極間距離：1cm；

3）放電距離：距目標(biāo)30cm；

4）放電頻率：1Hz；

5）放電時間：30s。

信號源設(shè)置如下：

1）地球模擬器光源：轉(zhuǎn)速100rad/min，周期600ms；

2）電信號源：負(fù)脈沖信號（幅值4.0V，周期600ms，占空比4%）。

2.4 試驗結(jié)果

對地球敏感器進(jìn)行了地面模擬靜電放電試驗，結(jié)果如下：

1）地球敏感器連接電纜插頭在原屏蔽（主/備份電纜插頭尾罩均未采取銅箔包敷措施）情況下，當(dāng)靜電放電時，地球敏感器輸出出現(xiàn)干擾脈沖（多出的前沿、后沿、偽后沿），導(dǎo)致“地中”脈沖信號相位異常（相移或丟失）；

2）與地球敏感器連接的電纜插頭尾罩根部用銅箔包敷屏蔽后，能有效抑制外部放電干擾，地球敏感器輸出正常；

3）地球敏感器經(jīng)過29次靜電放電試驗（累計放電次數(shù)870次），試驗后單機仍能正常工作。

3 靜止軌道衛(wèi)星的靜電放電問題研究

分析地球同步靜止軌道上某自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)特點以及有關(guān)空間環(huán)境數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星在空間環(huán)境中可能存在充電與放電現(xiàn)象，該現(xiàn)象會導(dǎo)致紅外地球敏感器輸出脈沖異常[3]。研究結(jié)論歸納如下：

1）分析衛(wèi)星紅外地球敏感器輸出脈沖異常出現(xiàn)的時間與地磁活動和衛(wèi)星所處環(huán)境下高能帶電粒子的通量變化可知：出現(xiàn)紅外地球敏感器輸出脈沖異?，F(xiàn)象的前1～5d（或衛(wèi)星處于進(jìn)出地球陰影期間），在某一段時間內(nèi)存在能量大于2MeV且電子通量大幅度增加（計數(shù)值由平時的1～2突然上升至數(shù)百）的事件或伴有較強烈的地磁擾動；

2）衛(wèi)星采用面積較大（總面積達(dá)到9.2m2）的體裝式太陽電池陣，使用的國產(chǎn)太陽電池蓋片表面無導(dǎo)電涂覆層，衛(wèi)星充電后易于形成衛(wèi)星表面不同部位的電位差。太陽電池陣上有0.3 m2光學(xué)鏡頭開口，該開口部位更容易造成靜電放電；

3）衛(wèi)星的太陽電池蓋片的單片尺寸為20 mm×40mm，容易產(chǎn)生較高的電位差，從而具備引發(fā)較高強度的靜電放電條件。

4 靜電放電干擾紅外地球敏感器的機理分析

4.1 紅外地球敏感器的基本結(jié)構(gòu)

紅外地球敏感器隨著衛(wèi)星自旋，實現(xiàn)地平穿越式掃描，獲取衛(wèi)星自旋軸與當(dāng)?shù)氐卮咕€夾角的信息。通過遙測，將獲取的信息送回地面，結(jié)合太陽敏感器遙測數(shù)據(jù)可計算出衛(wèi)星姿態(tài)。

自旋衛(wèi)星紅外地球敏感器的原理框圖見圖4。紅外地球敏感器由地球探頭、太陽探頭和電子線路3部分組成。電子線路包括偏置電源、前置放大器、處理電路、取中及月球鑒別電路。

地球敏感器前置放大器將紅外探測器給出的微弱信號放大后，由處理電路將前置放大器輸出的地球梯形波信號積分放大，然后微分放大，再經(jīng)過整形處理，給出地球敏感器光軸掃入和掃出地球時刻的前、后沿信號。該處理線路還具有太陽保護(hù)、紅外峰值遙測等功能。

4.2 地球敏感器受干擾后的信號異常分析

根據(jù)自旋衛(wèi)星紅外地球敏感器的工作原理，結(jié)合上述靜電干擾試驗，再根據(jù)干擾信號出現(xiàn)的時刻和幅度等，分析可能對地中和地出信號造成的影響。圖5為正常地檢、微分與地中和地出信號的時序關(guān)系。

（1）干擾信號出現(xiàn)相位在正常地球信號之外的情況

試驗發(fā)現(xiàn)干擾產(chǎn)生的虛假地檢、微分信號出現(xiàn)在正常地球波信號之后和下一周期正常地球波之前等現(xiàn)象。由于微分信號產(chǎn)生地球敏感器前沿、后沿和偽后沿（用于月球鑒別）比較器的輸入，因此虛假前沿、后沿和偽后沿產(chǎn)生與否及其對地中和地出信號的影響，與干擾產(chǎn)生的微分信號的幅度和時刻有關(guān)。

試驗結(jié)果的分析表明，即使干擾信號出現(xiàn)在正常地球信號以外，在不同的干擾幅度下，也能夠出現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)所顯示的3種地中、地出脈沖相位異常的情況。

（2）干擾信號出現(xiàn)相位在正常前、后沿之間的情況

如圖6所示，當(dāng)干擾信號出現(xiàn)在正常地球波前沿、后沿之間時，干擾產(chǎn)生虛假后沿，并且虛假后沿出現(xiàn)在前沿之后12ms以內(nèi)（正常地球弦寬為24ms左右），地中信號丟失。

如果干擾出現(xiàn)在正常前沿之后12ms以外，并且虛假微分負(fù)峰值超過兩倍的正常地球波微分負(fù)峰值，則當(dāng)前周期的地中信號正常，但無法輸出正常地出信號，從而產(chǎn)生先丟失地出信號，然后丟失地中信號這種異常時序現(xiàn)象。

圖4 紅外地球敏感器原理框圖

圖5 正常情況下各種信號的波形

圖6 干擾出現(xiàn)在正常地球波中間情況的波形

（3）干擾信號出現(xiàn)相位在正常后沿附近的情況

如圖7所示，在這種情況下出現(xiàn)雙地中現(xiàn)象。如果干擾出現(xiàn)時刻和干擾幅度造成微分負(fù)峰值超過兩倍的正常地球波微分負(fù)峰值，也會出現(xiàn)下一周期先丟失地出信號，然后丟失地中信號的異常時序現(xiàn)象。

圖7 干擾發(fā)生在地球波后沿附近的波形

（4）分析結(jié)果

地球敏感器受靜電干擾后，可能出現(xiàn)異常的情況與干擾信號的幅度和相位有關(guān)。干擾信號出現(xiàn)在正常地球信號之內(nèi)或之外時，根據(jù)取中和月球鑒別電路的時序關(guān)系，分析地球敏感器受靜電干擾的試驗結(jié)果，表明都可能造成地球敏感器地中、地出脈沖信號相位異常的情況。

5 結(jié) 論

通過分析地球同步靜止軌道空間環(huán)境數(shù)據(jù)，可以確認(rèn)完全存在因空間環(huán)境引發(fā)的衛(wèi)星靜電充放電脈沖干擾，造成紅外地球敏感器輸出脈沖信號異常的可能性。

通過地面模擬衛(wèi)星靜電放電試驗，找到了紅外地球敏感器易受干擾的部位。對地球敏感器信號輸出電纜和插頭尾罩之間需要仔細(xì)封閉屏蔽。在采取了針對性工藝處理措施后，將大大減少紅外地球敏感器受靜電干擾產(chǎn)生異常輸出信號的現(xiàn)象，表明對該問題的地面試驗研究工作和采取的措施是積極有成效的。

[1] GJB151A-97.軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，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

V448.2

A

1674-1579（2008）05-0008-04

2008-07-01

齊春子（1969-），女，河北人，高工，研究方向為氣象衛(wèi)星控制分系統(tǒng)的設(shè)計和測試（e-mail：qichuz@bice.org.cn）。