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，對于某些關系到衛(wèi)星發(fā)射成敗的關鍵指令，應做到即使存在誤發(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。這些指令鎖定電路在設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際參數往往與標準值存在一定的偏差，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生較大的波動，甚至失效。因此，在進行測控系統(tǒng)設計時，針對遙控指令鎖定電路等關鍵電路，必須要考慮整個電路的容差設計，提高電路的可靠性，確保整個電路在設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是一種條件約束電路，考慮其可靠性與安全性，在設計上，電路的邏輯不宜復雜。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； 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，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、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)星指令鎖定電路進行可靠性與安全性設計所要考慮的首要影響因素。

2）元器件參數偏差。任何電路元器件的標稱值相比實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，電路的設計輸出與實際輸出也會有較大 的差異，甚至會造成電路的失效。因此，元器件的參數偏差是衛(wèi)星指令鎖定電路設計中必須考慮的影響因素。

3）元器件老化。器件的指標參數會隨著元器件的老化而發(fā)生變化，當指標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統(tǒng)計分布的情況下，可以利用概率統(tǒng)計的分析方法進行電路可靠度的計算[3]，對電路的可靠性進行預計和校驗，且這種預計和校驗是以衛(wèi)星壽命期為基礎的。

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

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

2 關鍵電路的可靠性設計與分析流程

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

第一步，完成電路的初步設計后，基于各個功能模塊，確定整個電路中的關鍵部分，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上，明確電路在其工作環(huán)境下的性能參數，包括關鍵電路的輸入 輸出指標、關鍵電路中的元器件參數及其容差；

第三步，明確在不同條件下電路參數的偏移，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要求范圍內；

第四步，利用真實的環(huán)境進行測試，確定實際最大輸出量和實際最小輸出量，以防止因為某個元器件的個體差異導致整個電路的功能或性能不滿足要求；

最后，對于實際最大輸出量和實際最小輸出量提請總體確定是否讓步接收，若實測結果相對于指標和性能的偏差不是很大，考慮到進度、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，改進電路，返回第三步重新完成流程。

圖1 關鍵電路可靠性設計與分析流程 Fig.1 Procedure of the reliability design and analysis of critical circuit

3 應用案例

3.1 問題描述

某型號衛(wèi)星為低軌衛(wèi)星，軌道高度836 km，設計壽命5年，對于艙內元器件的抗輻射指標要求為不小于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 均為開關管，Q3 為驅動管，驅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鍵部分為圖中的虛線框部分；電路設計的基線是在-10～45 ℃的溫度范圍內能夠正常工作。

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

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，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行了檢查與確認，均在有效期范圍內，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 關鍵元器件的參數及其裕度分析

1）不同溫度條件對關鍵元器件參數的要求

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。采用區(qū)間分析法[7-8]得到在溫度為-10～25 ℃范圍內對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Q2 管的實際放大倍數小于不同 溫度條件下的相應要求時，就會造成該鎖定電路失效，無法完成設計功能，電路的魯棒性較差，這也正是元器件參數個體差異導致電路失效的原因。

2）不同阻值條件對關鍵元器件參數的要求

根據以上試驗情況和分析，發(fā)現(xiàn)指令鎖定電路失效的關鍵原因是Q2 管工作在低溫時為非飽和狀態(tài)，無法起到開關的作用，因此應提高Q2 管的基極電流。經過計算，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)，而電路中各項參數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）最壞情況下關鍵元器件的參數裕度分析

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 種明顯會導致電路失效，電路的裕度甚至會小于0，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 關鍵元器件參數對指令鎖定信號大小的要求

當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β已經確定為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 作為開關管工作時須處于飽和狀態(tài)，因此根據上述方程，可以求解出在正常工作時Q2 所需要的UF大小（見表4）。

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，星箭分離信號UF必須保證三極管Q2 發(fā)射結正偏。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），這也是不符合實際應用條件的。

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β兩個關鍵參數的裕度，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)境測試與驗證

在實際最壞情況試驗法的檢驗中，在指令鎖定電路工作的-10～45 ℃范圍內，從-10 ℃開始，每間隔5 ℃進行升溫，在每一個溫度點達到溫度平衡并 穩(wěn)定0.5 h 后，進行性能測試。測試結果表明，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，電路的輸出值在設計裕度范圍之內。

4 結束語

根據衛(wèi)星產品的研制流程，結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鍵元器件參數裕度指標，可設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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