復雜干擾環境下機載電源通信可靠性研究

葛 偉，李克鋒，楊志云，錢瑜明，劉 虹

（上海空間電源研究所，上海 200245）

1 研究背景

無人機電源通信的作用是將機上電源參數、狀態等信息傳輸到地面觀測站，供地面人員對電源的狀態進行讀取、判斷，是對機上電源監測的一種方式。電源為機上負載提供工作所需電能，其通信異常將對機上設備工作的安全性和可靠性構成隱患，因此需要采取相應的設計方式提高電源通信的可靠性。目前，提高電源通信可靠性的方式主要從硬件電路、軟件和空間物理隔離3個方面入手[1]。在電路中加入電氣隔離可以消除傳導干擾；通過軟件強壯性設計可以避免軟件執行過程中的失效模式，并增加系統自恢復能力；通過空間物理隔離如電纜包裹磷銅網，印制板組件置于屏蔽空間內，可以增加產品抗輻射干擾的能力。

2 異常現象

安裝于無人機艙內的電源組件采用RS485通信模式，在飛行過程中發生的通信異常現象分為兩種——沒有數據和數據跳變明顯。

3 原因分析

機載電源由電池組、印制板組件、內部連接導線以及外殼組成。其中，印制板組件具有電池組、電池單元相應保護和RS485通信功能。機載電源在無人機啟動后的整個工作過程中為機上設備供電，無人機在啟動過程中的用電由28 V地面電源提供。

根據無人機陣地上電狀態電源通信異常的現象，結合在機艙內電源安裝位置、與其他設備的連接方式以及外部電源輸入等方面內容對問題進行綜合分析，對電源通信異常的原因歸納為“電磁干擾”“噪聲干擾”“軟件強壯性不足”及“上位機通信異常”4個方面。其中，“噪聲干擾”分為“通信線路受28 V電源噪聲干擾”和“集成電路受28 V電源噪聲干擾”兩部分；電源通信異常的故障樹分析如圖1所示。

圖1 電源通信異常故障樹

電源通信異常原因分析過程的具體內容[2]，如表1所示。

4 問題定位

對整機進行上電復測，在過程中先后采取“包覆鋁箔”“改裝電纜”“更換地面電源”的防干擾措施。根據現場防干擾措施采取前、后的數據及現象比較結果看，采取的措施效果較為明顯。

采取防干擾措施后，對整機重復加、斷電，每次加電均有通信數據，且數據顯示的穩定性明顯提高。將上述3種措施綜合在一起的情況下，通信出現異常數據的現象雖存在但非常少，可以解釋為鋁箔包覆嚴密性不夠，電源內部印制板組件及外部插頭插座部位仍然遭受少量電磁干擾。從原理上來說，電磁干擾只能減弱而無法完全規避，所以從理論上解釋也說得通。

根據測試比較的結果，結合陣地上電狀態的異常現象，將電源通信異常的原因定位到“受飛控模塊電磁干擾影響”“電纜制作缺乏設計和工藝性”“受陣地上電狀態所用28 V地面電源噪聲影響”及“軟件強壯性不足”上。對于“地面觀測站上位機通信異常”，由于反復的測試沒有出現相應的異常現象作為判斷依據，暫時無法說明一定有問題，但可以作為地面觀測站設計改進的一個方向。

所以，電源通信異常現象最終確定為如下4個方面的原因綜合作用所致[3]：（1）受飛控模塊電磁輻射影響；（2）電纜制作缺乏設計性和工藝性；（3）受陣地上電狀態所用地面28 V電源噪聲影響；（4）軟件強壯性不足。

表1 電源通信異常原因分析表

5 排故過程

5.1 電源編號

對出現通信異常現象的6塊電源進行編號，具體如表2所示。

表2 電源編號列表

5.2 解決措施

根據原因定位，依次對電源、電纜以及地面電源采取相應的措施。

5.2.1 殼體隔離

措施內容：對通信異常的電源殼體外表面（包括插頭插座部位）整體包覆鋁箔。

實施效果：①～⑥電源分別安裝在整機上多次加、斷電測試，發現①～⑥電源通信功能明顯改善，每次上電后觀察5 min，每次出現異常數據的次數減少為5～8次，電源⑤、⑥始終沒有通信。

5.2.2 電纜更改

措施內容：在殼體隔離措施的基礎上更改電纜，RS485通信線雙絞，且僅在通信線外部包裹防波套，把28 V正負線置于防波套外軍綠套管內。

實施效果：①～⑥電源分別在整機上多次加、斷電測試，發現①～④電源通信功能進一步改善，電源⑤恢復通信，各電源每次上電后觀察5 min，每次出現異常數據的次數降為2次以內，電源⑥通信仍未恢復。

5.2.3 地面電源更改

措施內容：在電纜更改措施的基礎上更改地面電源，將28 V啟動電源由二次電源供電更換為蓄電池供電。

實施效果：①～⑥電源分別在整機上多次加、斷電測試，發現①～④電源通信功能基本正常，各電源每次上電后觀察15 min，出現異常數據的次數均明顯降低，其中電源③達到了只出現1次異常數據的效果。對于1次數據異常，完全可以理解為鋁箔包覆嚴密性不夠，電源內部印制板組件及外部插頭插座部位仍然遭受少量電磁干擾所致。

5.2.4 提高軟件強壯性

措施內容：對軟件進行升級，提高強壯性。

實施效果：①～⑤電源軟件升級后（電源⑥軟件更新未成功）依次裝機并重復加、斷電測試，通信功能始終正常，電壓參數跳變的幅度降為±2 V以內，不再出現誤差10 V以上的情況。

5.3 措施有效性判斷

根據每項改進措施實施后測試結果明顯改善的事實，確認上述4項措施有效，有效性的具體說明如表3所示。

①～⑤電源仍出現偶然的微幅跳變，原因是電連接器安裝部位鋁箔無法嚴密包覆，存在少量電磁輻射從電連接器安裝部位縫隙進入內部干擾印制板組件及電連接器所致。

⑥未恢復通信的電源，故障原因是28 V電源長期不穩定損傷電源內部印制板組件上MP2451電源芯片。

6 產品改進建議

依據上述過程分析，對后續類似、相關產品擬提出具體的設計、制造改進措施，以保證產品通信功能的可實現性、可靠性，具體建議如表4所示[4]。

表3 措施有效性說明

表4 產品改進建議表

7 結 論

機上電源產品通信的可靠性關系到工作時對電源產品遠程監測的可實現性，電源產品的工作狀態又關系到機上負載能否正常、安全工作，因此必須對復雜干擾環境下電源產品通信的可靠性加以重視，并采取相應措施落實到設計過程和制造過程中。對與本論文類似應用環境下的電源產品，可以依據表4的內容進行詳細設計，提升電源產品通信的防干擾性能和自身可靠性。