遙控指令鎖定電路的安全裕度分析

司圣平，王 玨，劉 偉，朱 維

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

在衛(wèi)星測控系統(tǒng)設(shè)計過程中，特別需要考慮的是遙控指令的安全性，對于某些關(guān)系到衛(wèi)星發(fā)射成敗的關(guān)鍵指令，應(yīng)做到即使存在誤發(fā)指令也不會對衛(wèi)星造成損害。這就需要指令鎖定電路對這些指令進(jìn)行邏輯控制，例如“太陽陣火工品解鎖”指令受到“星箭分離信號”的控制：星箭分離前誤發(fā)該指令，指令無效；星箭分離后發(fā)送該指令，才能正常響應(yīng)。這些指令鎖定電路在設(shè)計過程中需要充分考慮其穩(wěn)定性。然而電路中元器件的實(shí)際參數(shù)往往與標(biāo)準(zhǔn)值存在一定的偏差，其在軌工作還受到環(huán)境變化及工作時間的影響，而使整個電路的輸出產(chǎn)生較大的波動，甚至失效。因此，在進(jìn)行測控系統(tǒng)設(shè)計時，針對遙控指令鎖定電路等關(guān)鍵電路，必須要考慮整個電路的容差設(shè)計，提高電路的可靠性，確保整個電路在設(shè)定條件下的輸出具有足夠的裕度，從而保證遙控指令在衛(wèi)星測試及在軌飛行過程中的正確有效。

1 電路特性影響因素分析

衛(wèi)星遙控指令鎖定電路其實(shí)是一種條件約束電路，考慮其可靠性與安全性，在設(shè)計上，電路的邏輯不宜復(fù)雜。一般來說，電路的輸入僅包括指令控制信號和指令脈沖信號：當(dāng)指令控制信號無效時，無論指令脈沖信號是否有效，整個電路無輸出響應(yīng)； 只有在指令控制信號有效的情況下，發(fā)送指令脈沖信號，電路才會響應(yīng)，對外輸出有效。高可靠性的遙控指令鎖定電路對于整星安全來說至關(guān)重要。

影響電路穩(wěn)定性的主要因素包括3 個方面：

1）空間環(huán)境因素。衛(wèi)星指令鎖定電路必須符合空間環(huán)境使用要求[1]，在嚴(yán)苛的外部環(huán)境中能夠正常工作。空間環(huán)境包括高/低溫循環(huán)、真空、振動等。例如：某衛(wèi)星要求指令鎖定電路在-40～45 ℃的溫度范圍內(nèi)、溫變速率不低于10 ℃/min 的條件下，必須連續(xù)正常工作10 個以上溫度循環(huán)[2]。惡劣的環(huán)境因素是衛(wèi)星指令鎖定電路進(jìn)行可靠性與安全性設(shè)計所要考慮的首要影響因素。

2）元器件參數(shù)偏差。任何電路元器件的標(biāo)稱值相比實(shí)際值都不可避免地存在公差，即使是在高精度元器件的電路中，若存在諸如放大器、階躍管等元器件，電路的設(shè)計輸出與實(shí)際輸出也會有較大 的差異，甚至?xí)斐呻娐返氖АＲ虼?，元器件的參?shù)偏差是衛(wèi)星指令鎖定電路設(shè)計中必須考慮的影響因素。

3）元器件老化。器件的指標(biāo)參數(shù)會隨著元器件的老化而發(fā)生變化，當(dāng)指標(biāo)下降到一定的閾值時，電路的整體功能將會失效。通常在已知電路中各元器件性能指標(biāo)統(tǒng)計分布的情況下，可以利用概率統(tǒng)計的分析方法進(jìn)行電路可靠度的計算[3]，對電路的可靠性進(jìn)行預(yù)計和校驗(yàn)，且這種預(yù)計和校驗(yàn)是以衛(wèi)星壽命期為基礎(chǔ)的。

在實(shí)際的電路設(shè)計中，需要考慮的元器件參數(shù)變化的影響因素[1]如表1所示，各因素對不同元器件產(chǎn)生不同的影響。對于衛(wèi)星工程來說，不同的影響因素需要通過相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行考核，例如：通過溫度循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行溫度考核，通過應(yīng)力等效法進(jìn)行老化壽命考核，通過輻射等效試驗(yàn)進(jìn)行輻射考核等，而濕度是地面測試過程中需要考慮的條件。

表1 元器件參數(shù)變化的影響因素 Table1 Influence environmental factors for different components

2 關(guān)鍵電路的可靠性設(shè)計與分析流程

衛(wèi)星產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)設(shè)計和容差分析是其“健壯”設(shè)計的核心，每一項(xiàng)設(shè)計都有各自的適用特點(diǎn)[1,4]。本文針對衛(wèi)星產(chǎn)品的研制特點(diǎn)及生產(chǎn)流程，提出了一種關(guān)鍵電路的健壯分析方法，即在確定關(guān)鍵電路參數(shù)的情況下，利用采用最壞情況法[5-6]進(jìn)行設(shè)計，并采用最壞情況試驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。圖1所示為遙控指令鎖定電路的可靠性設(shè)計與分析流程。

第一步，完成電路的初步設(shè)計后，基于各個功能模塊，確定整個電路中的關(guān)鍵部分，即確定不同電路形式對電路功能的影響，定性明確電路功能；

第二步，在明確電路功能的基礎(chǔ)上，明確電路在其工作環(huán)境下的性能參數(shù)，包括關(guān)鍵電路的輸入 輸出指標(biāo)、關(guān)鍵電路中的元器件參數(shù)及其容差；

第三步，明確在不同條件下電路參數(shù)的偏移，利用最壞情況分析法計算出電路的最大輸出量和最小輸出量，確保這兩個量在指標(biāo)要求范圍內(nèi)；

第四步，利用真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行測試，確定實(shí)際最大輸出量和實(shí)際最小輸出量，以防止因?yàn)槟硞€元器件的個體差異導(dǎo)致整個電路的功能或性能不滿足要求；

最后，對于實(shí)際最大輸出量和實(shí)際最小輸出量提請總體確定是否讓步接收，若實(shí)測結(jié)果相對于指標(biāo)和性能的偏差不是很大，考慮到進(jìn)度、成本等因素，允許讓步接收，但必須明確電路的使用條件；若不能讓步接收，則須明確偏差原因，改進(jìn)電路，返回第三步重新完成流程。

圖1 關(guān)鍵電路可靠性設(shè)計與分析流程 Fig.1 Procedure of the reliability design and analysis of critical circuit

3 應(yīng)用案例

3.1 問題描述

某型號衛(wèi)星為低軌衛(wèi)星，軌道高度836 km，設(shè)計壽命5年，對于艙內(nèi)元器件的抗輻射指標(biāo)要求為不小于30 krad(Si)，其使用的指令鎖定電路如圖2所示。該電路中火工品解鎖指令受到指令鎖定信號（星箭分離信號）的控制，即：在星箭分離前，星箭分離信號（UF）為高電平，火工品解鎖指令無效；當(dāng)星箭分離后，UF為低電平，火工品解鎖指令有效。要求在壽命期間，環(huán)境溫度為-10～45 ℃的變化范圍內(nèi)電路能夠正常工作。

圖2 某型號衛(wèi)星的遙控指令鎖定電路 Fig.2 The telecommand lock circuit of a certain satellite

圖2中Q1、Q2 均為開關(guān)管，Q3 為驅(qū)動管，驅(qū)動管后的繼電器位于指令用戶端，因此可以確定該指令鎖定電路的關(guān)鍵部分為圖中的虛線框部分；電路設(shè)計的基線是在-10～45 ℃的溫度范圍內(nèi)能夠正常工作。

而實(shí)際情況是該指令鎖定電路在-5 ℃的真空低溫保持試驗(yàn)中失效，即UF為高電平時，火工品解鎖指令仍然有效，未能鎖定指令。因此起鎖定開關(guān)作用的Q2 管成為可靠性設(shè)計的重點(diǎn)，下面對失效影響因素和該電路可靠性進(jìn)行分析。

3.2 主要影響因素分析

對表1中給出的影響因素逐個進(jìn)行分析，首先，電路中使用的三極管（Q1、Q2、Q3）為宇航級，滿足30 krad(Si)的抗輻射指標(biāo)，因此可以排除輻射對電路的影響；再者，對元器件的使用有效期進(jìn)行了檢查與確認(rèn)，均在有效期范圍內(nèi)，說明元器件老化不能作為電路失效的原因；而電路在溫度循環(huán)試驗(yàn)中出現(xiàn)不穩(wěn)定，因此，最終可以確定環(huán)境溫度的變化是造成該指令鎖定電路失效的主要因素。

3.3 關(guān)鍵元器件的參數(shù)及其裕度分析

1）不同溫度條件對關(guān)鍵元器件參數(shù)的要求

由指令鎖定電路的電路圖分析，可以得到：

式中：UD為二極管兩端電壓；UF為星箭分離信號；UBE2為Q2 管的射極與射極兩端電壓；UCE2為Q2管的集電極與基極兩端電壓；R3、R5、R6分別為電阻R3、R5、R6 的阻值。

為了確保Q2 管起到鎖定開關(guān)作用，該管必須工作在飽和狀態(tài)，因此要求βⅠB2＞ⅠC2，β為Q2 管的放大倍數(shù)。采用區(qū)間分析法[7-8]得到在溫度為-10～25 ℃范圍內(nèi)對β的要求（見表2）。

表2 不同溫度條件下對Q2 管β 的要求（ⅠC2=7.72 mA） Table2 Requirements of β for Q2 transistor at different temperatures(ⅠC2=7.72 mA)

從器件手冊查得Q2 管（3DK101B）的β范圍為55～80。因此當(dāng)Q2 管的實(shí)際放大倍數(shù)小于不同 溫度條件下的相應(yīng)要求時，就會造成該鎖定電路失效，無法完成設(shè)計功能，電路的魯棒性較差，這也正是元器件參數(shù)個體差異導(dǎo)致電路失效的原因。

2）不同阻值條件對關(guān)鍵元器件參數(shù)的要求

根據(jù)以上試驗(yàn)情況和分析，發(fā)現(xiàn)指令鎖定電路失效的關(guān)鍵原因是Q2 管工作在低溫時為非飽和狀態(tài)，無法起到開關(guān)的作用，因此應(yīng)提高Q2 管的基極電流。經(jīng)過計算，電路中采用不同阻值的R5 對Q2 管β的要求如圖3所示。

圖3 不同阻值R5 在變溫條件下對Q2 管β 的要求 Fig.3 Requirements of β for Q2 transistor for different R5 at variable temperature

由圖3可以看出：對于同一個電阻R5，溫度越低對Q2 管β的要求越大；對于不同阻值的R5，其阻值越大對Q2 管β的要求越大。這說明溫度越低、R5 阻值越大越趨近于電路的最差工作狀態(tài)，而電路中各項(xiàng)參數(shù)的安全裕度在最差工作狀態(tài)下越大，則電路越穩(wěn)定。對于一個具體確定的Q2 管，它在電路中的安全裕度范圍為

式中：ηL為Q2 管β的最低裕度；ηH為Q2 管β的最高裕度；βwc為保證電路在最壞情況下正常工作的最低β值[9]。

3）最壞情況下關(guān)鍵元器件的參數(shù)裕度分析

通過上述分析，-10 ℃是電路工作的最壞情況，表3為最壞情況下針對R5 不同阻值進(jìn)行的Q2 管β的裕度分析，在表中所列的4 種情況中，第1 種明顯會導(dǎo)致電路失效，電路的裕度甚至?xí)∮?，電路不可靠；后面3 種情況，電路是穩(wěn)定可靠的，且從Q2 管β的裕度方面來看，電路的穩(wěn)定性是依次升高的，最后2 種情況下更是保留有高達(dá)67%以上的裕度。

表3 最壞情況條件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 關(guān)鍵元器件參數(shù)對指令鎖定信號大小的要求

當(dāng)一個具體確定的三極管Q2 作為元器件安裝在電路中，即該三極管的放大系數(shù)β已經(jīng)確定為55～80 中的某一值時，不同的β值對星箭分離信號UF大小的要求不同：

三極管Q2 作為開關(guān)管工作時須處于飽和狀態(tài)，因此根據(jù)上述方程，可以求解出在正常工作時Q2 所需要的UF大?。ㄒ姳?）。

表4 三極管Q2 對星箭分離信號UF 的需求 Table4 Demands of the satellite-rocket separation signal for Q2 transistor

對于某一確定的三極管，為保證靜態(tài)工作點(diǎn)，星箭分離信號UF必須保證三極管Q2 發(fā)射結(jié)正偏。從表4中可以看出，雖然電路的可靠性隨著R5 阻值的下降而提高（參數(shù)裕度提高），但UF的大小卻在下降，在最后一種情況中甚至小于常規(guī)高電平定義（3.5 V），這也是不符合實(shí)際應(yīng)用條件的。

因此，為了確保電路中的星箭分離信號UF和三極管Q2 的放大系數(shù)β兩個關(guān)鍵參數(shù)的裕度，選擇R5 的阻值為8.2 k?，此時電路不但有較高的裕度，而且UF的大小也符合高電平規(guī)定。

3.5 環(huán)境測試與驗(yàn)證

在實(shí)際最壞情況試驗(yàn)法的檢驗(yàn)中，在指令鎖定電路工作的-10～45 ℃范圍內(nèi)，從-10 ℃開始，每間隔5 ℃進(jìn)行升溫，在每一個溫度點(diǎn)達(dá)到溫度平衡并 穩(wěn)定0.5 h 后，進(jìn)行性能測試。測試結(jié)果表明，在星箭分離信號UF為3.7 V（正常為6.3 V）時，指令鎖定電路仍能正常工作，電路的輸出值在設(shè)計裕度范圍之內(nèi)。

4 結(jié)束語

根據(jù)衛(wèi)星產(chǎn)品的研制流程，結(jié)合確定電路邊緣狀態(tài)的最壞情況分析法，提出了一種適用于遙控指令鎖定電路的可靠性設(shè)計與分析流程，并利用該方法定量給出了某型號衛(wèi)星遙控指令鎖定電路的關(guān)鍵元器件參數(shù)裕度指標(biāo)，可設(shè)計確保遙控指令鎖定電路的可靠性與安全性。該方法還可推廣應(yīng)用在星上其他類似鎖定、互鎖裝置的遙控電路模塊的降額設(shè)計中，從而確定電路及其元器件的具體降額范圍，提供使用者明確的約束條件。

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