引言航天器系统级接地方案设计作为航天器总体电磁兼容（EMC）设计工作内容之一，其主要目的是减小各设备和/或分系统之间的电磁干扰（EMI）。在航天器总体方案设计伊始就必须确定航天器的系统级接地方案，通常包括电源、射频接口和火工品等的接地，接地方案的具体选取和实施必须结合所针对航天器的特点。1接地系统的类型接地是指在两点之间建立导电的通路，把系统中的电气或电子设备同时与某个称作“地”的参考点连接起来。接地是一个电路的概念，而搭接是指在两个金属表面间建立低阻抗的通路，是接地的物理实现。理想的“地”是一个零电位、零阻抗的物理实体，它可以作为各功能电路中所有信号电平的参考点，并且任何无用电流通过它，都不会产生电压降。一个接地系统的接地效果，取决于系统中两点之间可能存在的电位差及通过该系统的电流的大小。一个良好的“地”，其电位应该是：与任何功能电路的电位比较，都可以忽略不计。航天器两种重要的接地系统类型就是单点接地和多点接地。单点接地是指所有电路的公共地通过与航天器结构上的唯一点连接实现接地。由于单点接地结构的所有接地线均从唯一的接地点引出，较长的接地线具有较高的电感，接地效果会在信号频率较高时受到影响。多点接地是指每一个设备的公共地都直接与航天器结构相连，这种接地方式只对射频设备适用，对视频信号或其它低频（约小于1MHz）信号不适用。多、单点接地是一种更好的接地系统，航天器上的每一个部件，以及每一台设备的机壳都有且只有一个与航天器结构相连的路径，航天器结构上不存在有意电流，所有的分系统都有一个公共的直流参考电压。最好的接地方式是多、单点接地，但对于实际工程而言，并不会都采用这种接地方式。接地方式的具体选择，还需根据航天器的尺寸、复杂程度，以及一些特殊设备的特殊要求等。2航天器接地方式的选取在决定航天器应该采取何种接地方式时，必须依据航天器的具体特点和其对接地控制程度的要求进行。首先根据航天器的直径、质量、设计寿命、功率、EMC要求和可靠性级别将其分为大型、中型和小型。航天器的各个关键分系统和信号接口，需按照航天器规模的大小，分别采取对应的接地方式。比如对于直径小于1m、质量小于200kg、设计寿命小于18个月、功率小于200W、敏感度门限较高、任务验证级别的航天器，通常将其定义为小型航天器。这类航天器的一次电源通常需为负载提供多路电压，航天器结构允许通过有意电流，电源与负载隔离（使用DC/DC模块），允许使用直接、非隔离的信号接口，射频设备多点接地。3关键分系统和接口的接地设计3.1一次电源分配方式大型航天器通常使用单电压供电系统，各用电设备或分系统都需内置DC/DC模块，一次电源和二次电源之间要保持隔离。对于小型航天器，多电压分配系统使用起来就更为方便，如对于所有分系统都通过电路板集成到一个机箱内的情况，不过此时二次电源和信号接口彼此不能隔离，但由于各分系统之间距离很短且安装紧凑，不太可能引起电磁干扰问题。3.2一次电源母线的接地故障隔离一次电源母线通常接地，即一次电源的回线与航天器结构连接在一起，这样可以减少用电设备供电端口的共模噪声，也可以减少电源线的电磁辐射发射。然而一次电源母线回线接地有可能引起电源正线到航天器结构之间发生单点失效，从而引起航天器任务失败。因此，电源回线和接地点之间必须引入一个合适的阻抗，它必须足够大，以限制由故障引起的电流，同时也要足够小，以便能提供一个稳定的参考电位（比如对于28V的电源系统，2kΩ的阻抗可以将结构电流限制在mA级）。如果一次电源与航天器结构隔离，则使用此电源供电的其它设备也必须与航天器结构隔离。不过此时电源母线上会存在较大的共模噪声，用电设备必须具有较高的共模噪声抗扰度。还有一种更为复杂的解决办法，就是通过一个保险丝或断路器与限流电阻并联，并连接到航天器结构上，这样可以减少共模噪声，防止电源正线与航天器结构短路时发生完全失效，同时在发生失效时仍能提供一个相对于航天器结构的参考电位。此时还要求一次电源的所有负载必须与航天器结构隔离。3.3电源航天器的太阳翼、蓄电池和其它形式的电源都是在生产的时候就与航天器结构进行了隔离，为了形成这样一个单点接地系统，将它们进行隔离是很简单的办法，即使对于一个多点接地的航天器，也没有必要特意对电源接地。太空中存在的等离子体是我们必须考虑的因素，太阳翼可以通过这种导电介质将能量泄漏出去，太阳翼的电压越高，发生泄漏的可能性越大，通常表现为弧光放电。如果太阳翼在低轨道到地球同步轨道上使用，则最好将其浮地。3.4用电设备与电源分配系统隔离如果用电设备供电端的电源回线未进行隔离，则有可能在航天器结构上产生接地电流。电源线的直流隔离通常使用1MΩ的电阻。有时还需对交流进行隔离，比如使用0.1μF的电容，可以用来控制高频电流回路。隔离是否有效，必须通过实际测量验证。3.6射频接口射频信号具有很高的频率，通常选择多点接地。在一个射频系统中，如果必须进行直流隔离，则可以使用多个电容来实现射频接地。射频分系统中的非射频电路必须像一般的接口信号电路那样进行隔离，这样有助于保证一个隔离的接地系统。所以，射频分系统内的模拟和数字系统应尽可能的和射频电路进行物理和电的隔离。3.7火工品电路的接地火工品在引爆时可能会在航天器结构上产生一个高达20A的电流，该电流是由于正极和航天器结构之间短路引起的，而这个短路是由于爆炸形成的粉末上所带的电荷形成了导电的等离子体。为了避免火工品的地电流，火工品电路必须与航天器结构进行隔离。一种方法是使用电源变换器将火工品电路与直流电源和航天器结构进行隔离，另一种方法是使用两套电池，与一次电源母线的高电位和回线都进行阻抗隔离的电容放电系统，或使用一个隔离继电器。如果航天器上所有的关键接口电路对电噪声敏感度较低，或电路通过软件方式降低其对瞬态信号的敏感度，而电源能量的损耗也是可以接受的，则火工品电路的隔离就不是十分必须了。4结论虽然接地方案的设计有原则可循，但对于建造规模、复杂程度不同的航天器，其电源、射频和火工品等的接地方式是不同的，在设计时必须认真分析和选择。同时也有必要结合航天器的具体特点，为不同类型的分系统分别定制接地要求，确保接地方式的合理性和有效性。