Меры по ослаблению помех на уровне проектирования измерительного прибора космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 629.7.05

DOI 10.26732/^.2023.4.05

МЕРЫ ПО ОСЛАБЛЕНИЮ ПОМЕХ НА УРОВНЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

А. И. Горностаев®

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва», г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация

При разработке интерфейсных модулей контроля температур, используемых в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов, важно правильно обосновать комплекс мер по обеспечению их помехоустойчивости, принимаемых на уровнях проектирования измерительной системы, измерительного прибора и интерфейсного модуля контроля температур. Такое обоснование предполагает оценку эффективности возможных способов ослабления помех на каждом уровне проектирования. Статья посвящена рассмотрению мер по ослаблению помех на уровне проектирования измерительного прибора, которые следует принимать для обеспечения требуемой помехоустойчивости интерфейсного модуля контроля температур в комплексе с мерами, принимаемыми на других уровнях проектирования. Показано, что для обеспечения требуемой помехоустойчивости интерфейсных модулей контроля температур необходимо на уровне проектирования измерительного прибора предусмотреть меры по ослаблению помех в модуле питания, центральном приборном модуле и межмодульных интерфейсах, а также меры по исключению грубых ошибок измерений (промахов) при обработке цифровых данных в центральном приборном модуле. В модуле питания возможно ослабление помех введением дифференциального и синфазного фильтров на входе и коммутационных фильтров на выходе. В центральном приборном модуле и межмодульных интерфейсах возможно ослабление помех разделением общей шины питания на аналоговую и цифровые шины и объединением их в эквипотенциальной точке. В центральном приборном модуле возможно исключение промахов применением различных статистических методов обработки цифровых данных.

Ключевые слова: помехоустойчивость, ослабление помех, эквипотенциальная точка, металлизация, заземление, помехоподавляющий фильтр, вносимое затухание.

Введение

При разработке интерфейсных модулей контроля температур (ИМКТ) для измерительных приборов, реализуемых по магистрально-модульному принципу построения на базе центрального приборного модуля (ЦПМ) с последовательным периферийным интерфейсом (ППИ) и используемых в составе измерительных систем на космических аппаратах (КА) различного назначения, возникает необходимость решения задач обеспечения помехоустойчивой работы ИМКТ на уровнях проектирования измерительной системы, измерительного прибора и ИМКТ [1, 2].

Н galiv@iss-reshetnev.ru © Ассоциация «ТП «НИСС», 2023

Как показано в [2], при возникновении в измерительной системе под воздействием совокупности различных видов помех, определяющих электромагнитную обстановку (ЭМО) на КА, напряжений наведённых и генерируемых помех на электростатических экранах составных частей измерительной системы и на проводах кабеля питания и измерительных кабелей появляются во входных цепях модуля питания (МП) и ИМКТ измерительного прибора напряжения дифференциальных и синфазных составляющих помех. Все эти составляющие помех в измерительном приборе проникают различными путями в измерительный тракт ИМКТ и приводят к искажению результатов измерений.

Из проведенного в [2] анализа возможных мер по ослаблению дифференциальных и синфаз-

ных составляющих помех на входных цепях МП и ИМКТ измерительного прибора следует, что на уровне проектирования измерительной системы возможно частичное ослабление этих помех в кабеле питания скруткой проводов бортовых шин в виде витой пары, а в измерительных кабелях введением дополнительных внутренних электростатических экранов, соединённых с общей аналоговой шиной питания в ИМКТ, и скруткой проводов разнополярных линий связи в виде витых пар или звёздной четвёркой. Однако эти меры направлены прежде всего на ослабление дифференциальных составляющих помех и малоэффективны для ослабления синфазных составляющих помех. Поэтому проблему обеспечения помехоустойчивости ИМКТ в составе измерительного прибора необходимо также решать принятием дополнительных мер по ослаблению помех на уровнях проектирования измерительного прибора и ИМКТ.

Цель настоящей статьи - показать возможные меры по ослаблению проникающих в измерительный прибор помех, которые могут быть приняты для обеспечения помехоустойчивой работы ИМКТ на уровне проектирования измерительного прибора.

1. Общие меры по ослаблению действующих на измерительный прибор помех

При задании требований к измерительному прибору по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) с ЭМО на КА изначально учитывают, что на КА в рамках комплексной системы защиты для обеспечения стойкости бортовой аппаратуры к воздействию различных видов помех

уже предусмотрены общие меры по ослаблению помех, в соответствии с которыми конструкция измерительного прибора включает в себя общий электростатический экран (корпус прибора), соединённый с корпусом КА, с возможностью его расширения вне измерительного прибора [2].

Для выполнения требований по ЭМС измерительный прибор разрабатывают с учетом требований по металлизации, защите от статического электричества, факторов электризации, а также требований по заземлению на корпус КА в соответствии с ГОСТ 19005-81 [3]. При проектировании измерительного прибора производят оценку условий, способствующих возникновению электростатических полей, определяют требования и принимают меры по обеспечению надежной электростатической защиты высокочувствительных к электростатическим разрядам (ЭСР) функциональных устройств и компонентов измерительного прибора, разрабатывают проектную документацию на расположение мест металлизации и заземления.

Конструктивно рассматриваемый измерительный прибор может представлять собой моноблок (рис. 1), экранирующий корпус которого образуется при сборке в единое целое входящих в его состав нескольких модулей (МП, ЦПМ, ИМКТ и других модулей, выполняющих функции управления), двух кронштейнов и четырех крышек, закрывающих измерительный прибор с боковых и торцевых сторон.

Для образования в измерительном приборе непрерывной экранирующей оболочки все перечисленные элементы корпуса металлизируют, а все смежные части элементов корпуса плотно соединяют между собой с помощью винтов, обеспечивая надежный электрический контакт по всему

269

Рис. 1. Пример конструктивного

Том 7

периметру соединения. Модули в измерительном приборе конструктивно могут быть выполнены в виде одной или нескольких скрепленных при помощи стоек унифицированных двухсторонних рамок с приклеенными на каждой из сторон печатными платами под установку компонентов электронных устройств. Рамки в модулях по отношению к посадочной стороне измерительного прибора располагают вертикально. Для обеспечения надежного электрического контакта все модули соединяют между собой кронштейнами.

На рамках модулей со стороны противоположно ной посадочной размещают соединители, которые используются для связи измерительного прибора с помощью бортовых кабелей с внешним оборудованием, и технологические соединители, которые применяются для тестового контроля при проведении комплексных испытаний. При этом для выполнения требований по стойкости к ЭСР в части обеспечения непрерывного экранирования измерительного прибора и бортовых кабелей на такие соединители устанавливают экранирующие корпуса, с помощью которых обеспечивают надежный электрический контакт с корпусом рамки.

На рамках модулей с торцевых сторон размещают соединители, которые используются для кабельных связей внутри модулей и между модулями, и технологические соединители, которые применяют для тестового контроля при автономных испытаниях модулей. Однако на такие соединители обычно не устанавливают экранирующие корпуса, так как в собранном измерительном приборе эти соединители закрыты экранирующими крышками, прикрепленными винтами к кронштейнам. Неиспользуемые соединители, а также технологические соединители закрывают проводящими металлическими крышками.

Переходное сопротивление между любыми экранирующими деталями обеспечивают не более 1х10-3 Ом.

В составе КА корпус собранного измерительного прибора прикрепляют посадочной стороной элементами крепления к монтажной поверхности через имеющиеся в кронштейнах пазы и отверстия и подключают через провод заземления непосредственно к корпусу КА. Переходное сопротивление между корпусом измерительного прибора и наконечником провода заземления обеспечивают не более 0,2*10-3 Ом.

Такое конструктивное исполнение измерительного прибора за счет использования непрерывной экранирующей оболочки обеспечивает эффективное ослабление проникающих в измерительный прибор внешних электромагнитных помех в широком диапазоне частот. Однако при оценке опасности проникновения помех в измерительный прибор и определении необходимости принятия дополнительных мер по их ослаблению

учитывают, что с увеличением частоты помехи эффективность общего экранирования уменьшается, так как в области высоких частот часть энергии внешнего электромагнитного поля непосредственно проникает в измерительный прибор через зазоры между контактирующими поверхностями элементов корпуса, образующих экранирующую оболочку, а часть энергии проникает за счет образования на элементах корпуса вторичных электромагнитных полей, возникающих за счет электромагнитной индукции и растекания токов ЭСР.

Следует отметить, что наличие экранирующей оболочки не препятствует проникновению в измерительный прибор внешних кондуктивных помех, действующих во входных цепях МП и ИМКТ. Проникновение таких помех в измерительный прибор происходит различными путями и их прохождение в ИМКТ может быть опасным в широком диапазоне частот. В этом случае для оценки опасности прохождения помех в ИМКТ и определения необходимости принятия дополнительных мер по их ослаблению оценивают эффективность ослабления кондуктивных помех для каждого пути проникновения отдельно.

2. Аналитическая модель воздействия помех на измерительный прибор

Для оценки эффективности принимаемых мер по ослаблению внешних электромагнитных и кон-дуктивных помех и определения необходимости принятия дополнительных мер по их ослаблению на уровне проектирования измерительного прибора следует использовать аналитическую модель воздействия помех на измерительный прибор. Полная аналитическая модель должна учитывать различие конструктивных и электрических параметров всех модулей измерительного прибора (количество рамок, их габаритные размеры и пространственное расположение, переходные сопротивления контактируемых поверхностей рамок, импеданс корпуса каждой рамки в эквивалентных точках приложения помех, входные и выходные импедансы цепей прохождения помех в электронных устройствах для каждой рамки и др.), между которыми распределяется энергия воздействующего на измерительный прибор электромагнитного поля, и наличие входных и выходных электрических цепей всех модулей, через которые проникают кондуктивные помехи.

Однако в данной статье рассмотрим упрощенную аналитическую модель воздействия внешних электромагнитных и кондуктивных помех на измерительный прибор (без подробной детализации элементов конструкции прибора), приведенную на рис. 2, в которой анализу подвергаются только МП, ЦПМ, ИМКТ и их межмодульные интерфейсы.

Согласно приведенной на рис. 2 упрощенной аналитической модели энергия электромагнитного поля (Жпкип), прикладываемая к корпусу измерительного прибора от внешних источников помех (включая источники ЭСР), распределяется между рамками ПМ (W^), ЦПМ (W^), ИМКТ (Жп.имкт) и крышками (Жп кми), закрывающими межмодульные интерфейсы шин вторичного питания аналоговых (±A, AND) и цифровых (+D, GND) устройств и интерфейс ППИ, и приводит к образованию на этих элементах конструкции вторичных электромагнитных полей. Под воздействием вторичных электромагнитных полей вследствие электромагнитной индукции в цепях электронных устройств модулей и цепях межмодульных интерфейсов возникают напряжения и токи наведенных помех (на рис. 2 не показаны), часть из которых проникают в измерительный тракт ИМКТ, состоящий из многоканальной схемы измерения (МСИ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), устройства сбора цифровых данных (УСЦД) и контроллера интерфейса (КИ), через цепи межмодульных интерфейсов, а часть - непосредственно.

Кроме того, на измерительный прибор воздействуют напряжения внешних кондуктивных помех:

- во входных цепях МП напряжения дифференциальной помехи идп1 между бортовыми шинами +Б и -Б и синфазной помехи исп1 между бортовой шиной -Б и корпусом измерительного прибора;

- во входных цепях ИМКТ напряжения дифференциальных помех Цщ2 между сигнальными цепями и+ и и_ в каждом из N каналов МСИ, синфазной помехи исп2 между общей шиной 0V и корпусом измерительного прибора и синфазных помех исп3 в каждом из N каналов МСИ между 271 сигнальной цепью и_ и общей шиной 0У

Эти напряжения кондуктивных помех проникают в измерительный тракт ИМКТ аналогично через линии связи межмодульных интерфейсов и непосредственно.

Значения параметров внешних электромагнитных и кондуктивных помех, действующих на измерительный прибор, могут превышать допустимые нормы, при которых обеспечивается требуемая помехоустойчивость ИМКТ, поэто-

Рис. 2. Упрощенная аналитическая модель воздействия помех на измерительный прибор и дополнительные меры по их ослаблению, принимаемые на уровне проектирования измерительного прибора

му для оценки опасности проникновения помех в МП, ЦПМ, ИМКТ и межмодульные интерфейсы и определения необходимости принятия дополнительных мер по их ослаблению оценивают:

- в случае воздействия электромагнитных помех эффективность экранирования изначально принятого конструктивного исполнения всех модулей и межмодульных интерфейсов;

- в случае воздействия кондуктивных помех эффективность ослабления дифференциальных и синфазных составляющих помех в изначальном варианте схемотехнического построения элек-

272 тронных устройств всех модулей и межмодульных интерфейсов.

Как следует из [2], в измерительном приборе для оценки эффективности экранирования отдельных модулей и их межмодульных интерфейсов необходимо использовать затухание экранирования Аэ, характеризующее величину затухания, вносимого экраном, которое рассчитывается по формуле:

Аэ[дБ] = -5[дБ] = 201§(1/5),

где 5 - коэффициент экранирования, определяемый как отношение напряженностей электрической или магнитной составляющей поля после экрана и до него.

Для оценки же эффективности принимаемых мер по ослаблению дифференциальных и синфазных составляющих кондуктивных помех, действующих на измерительный прибор во входных цепях МП и ИМКТ, необходимо использовать коэффициент ослабления помехи (дифференциальной или синфазной) Коп, который рассчитывается по формуле [4]:

Коп[дБ] = 201^^),

где ип - действующее значение напряжения помехи (дифференциальной или синфазной); аип -среднеквадратическое значение абсолютной погрешности измерительного прибора, вызванной действием этой помехи.

Для всех случаев воздействия на измерительный прибор внешних электромагнитных и кондук-тивных помех проводят анализ результатов оценки опасности их прохождения в ИМКТ в заданных частотных и временных диапазонах. Если в измерительном приборе изначально предусмотренные меры по экранированию электронных устройств модулей и их межмодульных интерфейсов от воздействия электромагнитных помех, а также изначально принятые меры по ослаблению дифференциальных и синфазных составляющих кондуктив-ных помех окажутся недостаточно эффективными, то должны быть приняты дополнительные меры по ослаблению помех как на уровне проектирования измерительного прибора, так и на уровне проектирования ИМКТ.

Том 7

3. Дополнительные меры по ослаблению помех на уровне проектирования измерительного прибора

На уровне проектирования измерительного прибора проводят обоснование необходимости принятия дополнительных мер по ослаблению только тех электромагнитных и кондуктивных помех, которые проникают в ИМКТ через МП, ЦПМ и межмодульные интерфейсы. При этом учитывают особенности использования модулей и их интерфейсов в составе измерительного прибора (рис. 2), которые способствуют ослаблению помех:

- корпуса рамок МП, ЦПМ и ИМКТ в измерительном приборе находятся под общим потенциалом, так как все они гальванически связаны между собой с помощью кронштейнов, образующих корпус измерительного прибора;

- МП с ИМКТ и ЦПМ связан электрически через интерфейсы шин вторичного питания, отдельные для аналоговых (±A, AND) и цифровых (+D, GND) устройств;

- общие шины вторичного питания AND и GND аналоговых и цифровых устройств объединены с общей шиной 0V в ИМКТ в эквипотенциальной точке (ЭПТ).

В случае необходимости на уровне проектирования измерительного прибора в качестве дополнительных мер по ослаблению помех рассматривают как конструктивные решения, так и схемотехнические решения. Рассмотрим более подробно, какие могут быть приняты дополнительные меры по ослаблению помех отдельно для МП, межмодульных интерфейсов и ЦПМ.

3.1. Ослабление помех

в модуле питания

При конструктивном исполнении МП в виде металлизированной рамки проникновение внешних помех на шины вторичного питания аналоговых (±A, AND) и цифровых (+D, GND) устройств (рис. 2) происходит в результате воздействия:

- энергии электромагнитного поля (Жп.мп), прикладываемой к корпусу рамки ПМ (наведенные помехи);

- напряжений дифференциальной (идп1) и синфазной (исп1) составляющих помех, поступающих на входные цепи МП (кондуктивные помехи).

Основными функциональными устройствами в МП, через которые происходит проникновение внешних помех на шины вторичного питания, являются коммутатор первичного питания (КП) и источник вторичного электропитания (ИВЭП), имеющий гальваническую развязку шин вторичного питания от шин первичного питания. Однако следует учитывать, что КП и ИВЭП являются источниками внутренних помех, которые также про-

никают через элементы гальванической развязки на шины вторичного питания. При этом КП генерирует внутренние помехи в виде пускового тока Лвп1 при коммутации шин первичного питания, а ИВЭП - в виде перепадов напряжений Цгвп2 при переключении мощных транзисторов в импульсном режиме работы.

Совокупность внешних и внутренних помех, воздействующих на функциональные устройства МП, приводит к возникновению на шинах вторичного питания аналоговых и цифровых устройств помех в виде дифференциальных составляющих напряжений идп±А и Цда+0, а между общими шинами вторичного питания AND и GND и корпусом рамки МП помех в виде синфазных составляющих напряжений испА и исп(.

В качестве дополнительных мер по ослаблению внешних электромагнитных помех в МП используют корпус ИВЭП, который в изготавливаемых электронной промышленностью ИВЭП выполнен в виде непрерывного электростатического экрана [5]. В этом случае имеющийся корпусной вывод ИВЭП может быть подключен либо к корпусу рамки МП (общее экранирование), либо к какой-либо общей шине вторичного питания AND или GND (двойное экранирование). Однако обычно используют первый вариант подключения, так как при таком варианте конструктивное исполнение экранирования проще (отсутствует необходимость изоляции корпуса ИВЭП от корпуса рамки МП) и обеспечивается достаточная эффективность экранирования.

В качестве дополнительных мер по ослаблению внешних кондуктивных помех, воздействующих на входные цепи МП в виде дифференциальной и синфазной составляющих напряжений с уровнями идп1 и исп1, в структуру МП после КП на входе ИВЭП вводят помехоподавляющий фильтр (ПФ), содержащий дифференциальный и синфазный фильтры [6]. При определении параметров ПФ учитывают заданные ограничения по допустимым значениям напряжения первичного питания и тока нагрузки, а также частотный диапазон воздействия помех, в котором требуется обеспечить их ослабление. ПФ в МП может быть реализован в зависимости от заданных ограничений либо на дискретных компонентах, либо с использованием готовых модулей, выпускаемых электронной промышленностью [7]. Включение в МП такого ПФ позволяет обеспечить ослабление помех на шинах первичного питания ИВЭП +Бф и -Бф до уровней дифференциальной и синфазной составляющих напряжений иодп1 и иосп1 и, как следствие, уменьшить уровень помех на шинах вторичного питания ИВЭП, возникающих как в виде дифференциальных составляющих напряжений идп±А и ида+0, так и в виде синфазных составляющих напряжений ЦспА и исп(.

Для оценки эффективности ПФ используют вносимое затухание Аф, которое рассчитывается по формуле [8]:

Аф[дБ] = 201g(Ui/U2),

где U1 и U2 - напряжения помех (дифференциальных или синфазных) соответственно на входе ПФ (Цп1 или Ucni) и выходе ПФ (Цд^ или Ц,^).

Однако перечисленные меры по ослаблению внешних помех не обеспечивают необходимого снижения уровня напряжений дифференциальных и синфазных составляющих помех на шинах вторичного питания ИВЭП, так как на их уровень 273 оказывают существенное влияние внутренние помехи, определяемые уровнями пускового тока /гвп1 через КП и перепадами напряжений Цгвп2 в цепях переключения мощных транзисторов в ИВЭП. Пусковой ток /гвп1 приводит к переходным процессам напряжений на шинах вторичного питания ИВЭП, а перепады напряжений Цгвп2 приводят к возникновению коммутационных помех Цкп1 и Цкп2 в цепях гальванической развязки между соответствующими общими шинами вторичного питания AND и GND и шиной -Бф первичного питания ИВЭП. Кроме того, пусковой ток /гвп1 и перепады напряжений Цгвп2 приводят к эмиссии помех во внешние цепи первичных шин МП.

Для уменьшения амплитуды пускового тока /гвп1 после КП на входе ПФ дополнительно вводят ограничитель пускового тока (ОПТ) [9, 10]. При определении параметров ОПТ учитывают заданные в технических требованиях на измерительный прибор ограничения на параметры переходного процесса пускового тока.

Для уменьшения уровня напряжений коммутационных помех Цкп1 и Цкп2 между входом и выходами ИВЭП дополнительно вводят коммутационные фильтры в виде емкостей Скф, включенных между соответствующими шинами вторичного питания AND и GND и шиной первичного питания -Бф [11]. При определении номинала емкости Скф коммутационного фильтра учитывают частоту преобразования ИВЭП, на которой необходимо обеспечить ослабление коммутационных помех до уровней напряжений Цокп1 и Цокп2. Это позволяет снизить на шинах вторичного питания AND и GND уровень напряжений синфазных помех Ui.nA и Цсп(, воздействующих относительно корпуса измерительного прибора по цепям шин вторичного питания AND и GND межмодульных интерфейсов, объединенным в ЭПТ ИМКТ в общую шину 0V, на сигнальные цепи усилителя МСИ через паразитные ёмкости Сп.мси между корпусом измерительного прибора и сигнальными цепями.

Принятие перечисленных мер по ослаблению помех на шинах вторичного питания ИВЭП позволяет снизить уровень кондуктивных помех, распространяющихся по межмодульным интерфей-

сам, но не препятствует проникновению в межмодульные интерфейсы кондуктивных помех, возникающих на шинах питания ЦПМ в процессе его работы на частоте синхронизации, и наведенных помех в цепях межмодульных интерфейсов при воздействии вторичного электромагнитного поля, образующегося под экранирующей крышкой измерительного прибора. В обоих случаях может возникнуть необходимость принятия дополнительных мер по ослаблению помех в межмодульных интерфейсах и ЦПМ.

274 3.2. Ослабление помех

в межмодульных интерфейсах

и центральном приборном модуле

В измерительном приборе используются следующие межмодульные интерфейсы (рис. 2):

- интерфейс питания аналоговых устройств ИМКТ;

- интерфейс питания цифровых устройств ИМКТ и ЦПМ;

- интерфейс ППИ для информационного обмена ИМКТ с ЦПМ.

По цепям перечисленных интерфейсов распространяются:

- кондуктивные помехи, которые возникают на вторичных шинах питания ИВЭП в виде дифференциальных (идп±А и идп+с) и синфазных (испА и исп() напряжений и воздействуют непосредственно на шины питания аналоговых и цифровых устройств ИМКТ и ЦПМ;

- кондуктивные помехи, которые возникают на шинах питания ЦПМ в процессе его работы на частоте синхронизации в виде напряжения игвп3 генератора внутренних помех и воздействуют непосредственно на шины питания цифровых устройств ИМКТ и через интерфейс ППИ на входные цепи КИ в ИМКТ;

- наведенные помехи, которые образуются на импедансах цепей интерфейсов питания аналоговых и цифровых устройств и цепей интерфейса ППИ под воздействием вторичного электромагнитного поля в виде продольных напряжений (на рис. 2 не показано) и воздействуют непосредственно на шины питания аналоговых и цифровых устройств ИМКТ и ЦПМ и через интерфейс ППИ на входные цепи КИ в ИМКТ и ЦПМ.

Распространение этих помех происходит через три контура протекания токов нагрузки:

- первый контур - через интерфейс питания аналоговых устройств, по которому помехи проникают в измерительный тракт ИМКТ и приводят к возникновению помеховой составляющей напряжения ип.мси на выходе МСИ, воздействующей на вход АЦП;

- второй контур - через интерфейс питания цифровых устройств, по которому помехи проникают в цифровые устройства ИМКТ и приводят

Том 7

к нестабильности логических уровней сигналов во внутренних цепях АЦП, УСЦД и КИ;

- третий контур - через интерфейс ППИ, по которому помехи проникают во входные цепи КИ в ИМКТ и ЦПМ и приводят к нестабильности логических уровней сигналов на входах этих устройств.

Для ослабления помех, распространяющихся по трем контурам протекания тока нагрузки, могут быть приняты различные по эффективности и сложности реализации меры.

Частичное ослабление кондуктивных и наведенных помех в интерфейсах питания может быть обеспечено исключением в аналоговом и цифровом контурах общих участков протекания токов нагрузки, которые могут образоваться при неправильном объединении цепей шин вторичного питания AND и GND и привести к взаимопроникновению помех из одного контура в другой. Для этого цепи шин вторичного питания AND и GND объединяют в ЭПТ, которую организовывают в ИМКТ вблизи одноименных выводов питания микросхемы АЦП. В таком случае токи кондуктивных и наведенных помех будут протекать отдельно в аналоговом и отдельно в цифровом контурах через соответствующие импедансы ZAND и ZGND цепей шин вторичного питания AND и GND, что приведет из-за отсутствия общих участков протекания токов нагрузки к уменьшению уровней помех в каждом контуре.

Дополнительный эффект ослабления наведенных помех в цепях интерфейсов питания может быть получен путем уменьшения импеданса этих цепей (например, сокращением длины проводов) или путем уменьшения расстояния между цепями, образующими магнитные петли в контурах протекания тока нагрузки. Другие возможные способы ослабления наведенных помех в цепях интерфейсов питания (например, повив проводов или дополнительное экранирование) не применяют из-за невысоких требований по ЭМС к цепям интерфейсов питания при небольших длинах проводов.

К интерфейсу ППИ, напротив, предъявляют повышенные требования по ЭМС из-за высокой чувствительности цепей интерфейса к электромагнитным наводкам, поэтому в отдельных случаях для ослабления наведенных помех в цепях интерфейса ППИ может потребоваться дополнительное экранирование этих цепей токопро-водящей оплеткой, подключенной с двух сторон (со стороны ЦПМ и ИМКТ) к шине вторичного питания GND.

Возможен также еще один способ ослабления помех, распространяющихся через интерфейс питания цифровых устройств и через интерфейс ППИ, который предполагает разделение цифрового контура протекания тока нагрузки ИМКТ и ЦПМ на два независимых контура (рис. 2) путем разде-

ления шины питания цифровых устройств ИМКТ (+D) от шины питания цифровых устройств ЦПМ (+D*) и исключением общих участков протекания токов нагрузки в этих контурах, которые замыкаются через общую шину питания GND. Этот способ наиболее сложен, так как предполагает организацию питания для ЦПМ от отдельного ИВЭП, во входных цепях которого также необходимо использовать ОПТ, ПФ и коммутационный фильтр. Тем не менее этот способ дает наибольший эффект в ослаблении кондуктивных помех, так как его применение позволяет не только исключить взаимопроникновение кондуктивных помех из одного контура в другой, образующихся на шинах питания цифровых устройств ИМКТ (+D, GND) и ЦПМ (+D*, GND), но и снизить уровень кондуктивных помех в цепях интерфейса ППИ.

Принятие перечисленных мер по ослаблению помех в межмодульном интерфейсе питания аналоговых устройств позволяет снизить уровень помех, образующихся в аналоговом измерительном тракте ИМКТ в виде помеховой составляющей напряжения Un.a^ на входе АЦП, а в межмодульных интерфейсах питания цифровых устройств ИМКТ и ЦПМ и интерфейсе ППИ позволяет уменьшить нестабильность логических уровней сигналов в цепях интерфейса ППИ. Однако при этом в результате кратковременного повышения нестабильности логических уровней сигналов в условиях сложной ЭМО на КА (например, при воздействии помех ЭСР) не исключается возможность при обмене информацией по интерфейсу ППИ возникновения одиночных сбоев в цифровых устройствах ИМКТ и ЦПМ, приводящих к грубым ошибкам измерений (промахам). В таком случае может потребоваться не только принятие дополнительных мер по ослаблению помех в межмодульных интерфейсах, но и мер по устранению промахов в результатах измерений, основанных на применении статистических методов обработки цифровых данных и реализуемых программными средствами ЦПМ.

3.3. Устранение грубых ошибок измерений (промахов) программными средствами центрального приборного модуля В измерительном приборе измерения текущих значений входных напряжений в N каналах МСИ ИМКТ между сигнальными цепями U+ и U_ (рис. 2) производятся по инициативе ЦПМ в пределах заданного цикла измерений Гци, который обычно задают в технических требованиях к специальному программному обеспечению (СПО) не менее 4 секунд. ЦПМ в таком случае при обращении к ИМКТ считывает результаты измерений напряжений за предыдущий цикл измерений и инициирует в пределах текущего цикла измерений автоматический последовательный

опрос входных напряжений во всех каналах МСИ аппаратными средствами ИМКТ (выбор канала в МСИ и преобразование поступающего на вход АЦП напряжения в цифровой код осуществляются по управляющим сигналам из УСЦД). При этом для исключения систематических ошибок измерений, вызванных технологическим разбросом параметров используемых в ИМКТ элементов, дополнительно аппаратными средствами ИМКТ автоматически выполняются контрольные измерения напряжений на эталонных мерах Мн и Мв в двух (нижней и верхней) калибровочных точках измерительной характеристики ИМКТ, по которым 275 затем программными средствами ЦПМ во всех каналах измерения производится автокалибровка результатов измерений текущих значений входных напряжений и формирование температурных параметров [12]. В дальнейшем эти температурные параметры используются в алгоритмах работы системы терморегулирования.

При такой организации измерений контролируемых на входах каналов МСИ и на эталонных мерах Мн и Мв напряжений в случае возникновения одиночных сбоев в процессе чтения информации из ИМКТ могут возникнуть грубые ошибки измерений (промахи), которые приведут к формированию в ЦПМ недостоверных значений температурных параметров. Однако, учитывая медленный процесс изменения контролируемых температур на элементах КА, для устранения недостоверных значений температурных параметров такие ошибочные данные следует отбросить. Для этого в качестве дополнительной меры по устранению промахов в результатах измерений возможно применение в СПО ЦПМ различных статистических методов обработки цифровых данных, полученных за несколько циклов измерений [13-15].

Обнаружение грубых ошибок в результатах измерений возможно в ЦПМ при обработке цифровых данных путем их проверки по определенным критериям на недостоверность и формирования соответствующих признаков недостоверности параметров (НДП) [16, 17]. В качестве критериев для формирования признаков НДП может служить наличие в результатах измерений напряжений между сигнальными цепями U+ и U- на N входах каналов МСИ и на эталонных мерах Мн и Мв в ИМКТ значений кодов преобразования, вышедших за пределы установленных норм.

Возможно также в ЦПМ осуществлять сбор информации об ошибках в результатах измерений не только за несколько циклов измерений, в пределах которых формируются признаки НДП, но и дополнительно по признакам НДП фиксировать факты обнаружения ошибок на протяжении всего срока эксплуатации измерительного прибора. Это позволит в случае необходимости для анализа нештатных ситуаций производить по запросу

оператора формирование произвольного отчета об ошибках в результатах измерений за определенный промежуток времени.

Заключение

Проведенный анализ воздействующих на функциональные устройства измерительного прибора внешних и внутренних электромагнитных и кондуктивных помех, которые проникают в ИМКТ из МП и ЦПМ по межмодульным интерфейсам, показал, что для их ослабления на уровне 276 проектирования измерительного прибора кроме общих конструктивных мер, обеспечивающих образование непрерывной экранирующей оболочки, следует принимать дополнительные меры:

- в МП для ослабления помех на входе ИВЭП следует использовать ОПТ и ПФ дифференциальных и синфазных составляющих помех, а между входом и выходами ИВЭП следует использовать коммутационные фильтры;

- в межмодульных интерфейсах питания аналоговых и цифровых устройств ИМКТ для исключения взаимопроникновения помех из одного контура протекания тока нагрузки в другой шины вторичного питания AND и GND следует объединять с общей шиной 0V в ИМКТ в ЭПТ;

- в межмодульных интерфейсах питания цифровых устройств ИМКТ и ЦПМ для ослабления помех в этих устройствах следует разделить

Том 7

контуры протекания тока нагрузки путем организации питания ИМКТ и цПм от отдельных ИВЭП.

Также может быть получен дополнительный эффект ослабления помех в интерфейсах питания и интерфейсе ППИ путем уменьшения импеданса их цепей или путем уменьшения расстояния между цепями, образующими магнитные петли в контурах протекания тока нагрузки, а в интерфейсе ППИ еще путем экранирования его цепей токопроводящей оплеткой, подключенной к шине вторичного питания (N0.

Кроме того, для исключения грубых ошибок измерения, которые могут обнаружиться в случае возникновения одиночных сбоев при чтении информации из ИМКТ, в качестве дополнительной меры следует применять в СПО ЦПМ статистические методы обработки цифровых данных.

Однако все перечисленные дополнительные меры по ослаблению помех не исключают проникновение в ИМКТ дифференциальных и синфазных составляющих кондуктивных помех, воздействующих на его входные цепи, и электромагнитах помех вторичного электромагнитного поля, воздействующих на его внутренние цепи. Поэтому проблема обеспечения помехоустойчивости ИМКТ в составе измерительного прибора может быть решена в полном объеме принятием дополнительных мер по ослаблению помех на уровне проектирования ИМКТ.

Список литературы

[1] Горностаев А. И. Особенности обеспечения помехоустойчивости интерфейсных модулей контроля температур в измерительных приборах космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2021. Т. 5. № 2. С. 89-101. doi: 10.26732/j.st.2021.2.04.

[2] Горностаев А. И. Меры по ослаблению помех на уровне проектирования измерительной системы космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2022. Т. 6. № 4. С. 287-302. doi: 10.26732/j. st.2022.4.08.

[3] ГОСТ 19005-81. Средства обеспечения защиты изделий ракетной и ракетно-космической техники от статического электричества. Общие требования к металлизации и заземлению. М.: Издательство стандартов. 1993. Переиздание с изменениями.

[4] Измерительная информационная техника и метрология: лабораторный практикум. Ч. 3. Лабораторные работы № 2, 3 / Под редакцией проф. Г. Н. Солопченко. СПб.: Изд-во политехнического ун-та, 2014. 43 с.

[5] Корпуса для ИВЭП [Электронный ресурс]. URL: www.test-expert.ru/catalog/korpusa-dlya-poluprovodnikovyh-priborov/korpusa-dlya-ivep?ysclid=lhja413ydw771232223 (дата обращения: 11.05.2023).

[6] Жданов В. Подавление импульсных помех в бортовых сетях электропитания постоянного напряжения // Силовая электроника. 2016. № 4. С. 28-38.

[7] Твердов И., Миронов А., Затулов С. Модули фильтрации радиопомех и защиты от перенапряжений для питающих цепей постоянного и переменного тока // Силовая электроника. 2007. № 4. С. 56-59.

[8] ГОСТ 13661-92. Совместимость технических средств электромагнитная. Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. М.: ИПК Издательство стандартов. 2004. Переиздание.

[9] Феррел Д. Пусковой ток в DC/DC-преобразователях // Вестник электроники. 2012. № 3. С. 32-35.

[10] Робертс С. Причины и решение проблемы пускового тока: краткое руководство // Силовая электроника. 2021. № 2. С. 64-67.

[11] Робертс С. Решения проблемы пульсаций и помех DC/DC-преобразователей: входная и выходная фильтрация // Компоненты и технологии. 2015. № 8. С. 74-81.

[12] Горностаев А. И. Оптимизация структуры унифицированного многоканального интерфейсного модуля контроля температур для измерительных приборов космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2019. Т. 3. № 3. С. 171-183. doi: 10.26732/2618-7957-2019-3-171-183.

[13] ГОСТ Р 8.736-2011. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2019. Переиздание.

[14] Вадутов О. С. Математические основы обработки сигналов. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 212 с.

[15] Кравченко Н. С., Ревинская О. Г. Методы обработки результатов измерений и оценки погрешностей в учебном лабораторном практикуме. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2017. 121 с.

[16] Анализ и представление результатов эксперимента: Учебно-методическое пособие / Под общ. ред. Н. С. Вороновой. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. 120 с.

[17] Фаюстов А. А. Еще раз о критериях отсеивания грубых погрешностей // Законодательная и прикладная ме- 277 трология. 2016. № 5. С. 25-30.

MEASURES FOR ATTENUATION OF INTERFERENCE AT THE LEVEL OF DESIGN OF THE MEASURING DEVICE OF SPACECRAFT

A. I. Gornostaev

JSC «Academician M. F. Reshetnev» Information Satellite Systems», Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation

When developing temperature control interface modules used as part of spacecraft onboard equipment, it is important to correctly substantiate the set of measures to ensure their noise immunity, taken at the design levels of the measuring system, measuring device and temperature control interface module. Such a justification involves an assessment of the effectiveness of possible interference mitigation techniques at each design level. The article is devoted to the consideration of interference mitigation measures at the design level of the measuring device, which should be taken to ensure the required noise immunity of the temperature control interface module in combination with measures taken at other design levels. It is shown that in order to ensure the required noise immunity of temperature control interface modules, it is necessary at the design level of the measuring device to provide for measures to mitigate interference in the power supply module, the central instrument module and inter-module interfaces, as well as measures to eliminate gross measurement errors (misses) when processing digital data in the central instrument module. In the power supply module, it is possible to attenuate interference by introducing differential and common mode filters at the input and switching filters at the output. In the central instrument module and inter-module interfaces of the secondary power buses, noise mitigation is possible by dividing the common power bus into analog and digital buses and combining them at an equipotential point. In the central instrument module, it is possible to eliminate misses by using various statistical methods for processing digital data.

Keywords: noise immunity, attenuation of interference, equipotential point, metallization,

grounding, noise filter, insertion loss.

References

[1] Gornostaev A. I. Osobennosti obespecheniya pomekhoustoychivosti interfeysnykh moduley kontrolya temperatur v izmeritel'nykh priborakh kosmicheskikh apparatov [Features of ensuring noise immunity of interface modules for

Том 7

temperature control in measuring instruments of spacecraft] // Spacecraft & Technologies, 2021, vol. 5, no. 2, pp. 89-101. doi: 10.26732/j.st.2021.2.04. (In Russian)

[2] Gornostaev A. I. Mery po oslableniyu pomekh na urovne proyektirovaniya izmeritel'noy sistemy kosmicheskikh apparatov [Measures for attenuation of interference at the level of design of the measuring system of spacecraft] // Spacecraft & Technologies, 2022, vol. 6, no. 4, pp. 287-302. doi: 10.26732/j.st.2022.4.08. (In Russian)

[3] GOST19005-81. Sredstva obespecheniya zashchity izdeliy raketnoy i raketno-kosmicheskoy tekhniki ot staticheskogo elektrichestva. Obshchiye trebovaniya k metallizatsii i zazemleniyu [The means of the provision of the rocket and rocket-space technology items protection from the static electricity. General requirements for the metallization and earthing]. Moscow, Publishing house of standards, 1993. Reissue with changes. (In Russian)

[4] Izmeritel'naya informatsionnaya tekhnika i metrologiya: laboratornyy praktikum. CH. 3. Laboratornyye raboty № 2, 3 [Measuring information technology and metrology: laboratory workshop. Part 3. Laboratory work No. 2, 3] / Edited by prof. G. N. Solopchenko. St. Petersburg: Publishing House of the Polytechnic University, 2014, 43 p.

278 (In Russian)

[5] Korpusa dlya IVEP [Enclosures for IVEP]. Available at: www.test-expert.ru/catalog/korpusa-dlya-poluprovodnikovyh-priborov/korpusa-dlya-ivep?ysclid=lhja413ydw771232223 (accessed 11.05.2023). (In Russian)

[6] Zhdanov V. Podavleniye impul'snykh pomekh v bortovykh setyakh elektropitaniya postoyannogo napryazheniya [Suppression of impulse noise in onboard DC power supply networks] // Power electronics, 2016, no. 4, pp. 28-38. (In Russian)

[7] Tverdov I., Mironov A., Zatulov S. Moduli fil'tratsii radiopomekh izashchity otperenapryazheniy dlyapitayushchikh tsepeypostoyannogo ipere-mennogo toka [Radio interference filtering and overvoltage protection modules for direct and alternating current supply circuits] // Power electronics, 2007, no. 4, pp. 56-59.

[8] GOST 13661-92. Sovmestimost' tekhnicheskikh sredstv elektromagnitnaya. Passivnyye pomekhopodavlyayushchiye fil'try i elementy. Metody izmere-niya vnosimogo zatukhaniya [Electromagnetic compatibility of technical equipment. Passive filters and elements for interference suppression. Methods of inserted damping measuring]. Moscow, IPK Publishing house of standards, 2004. Reissue. (In Russian)

[9] Ferrel D. Puskovoy tokv DC/DC-preobrazovatelyakh [Starting current in DC/DC converters] // Bulletin of electronics, 2012, no. 3, pp. 32-35.

[10] Roberts S. Prichiny i resheniyeproblemypuskovogo toka: kratkoye ru-kovodstvo [Causes and solution of the problem of starting current: a brief guide] // Power electronics, 2021, no. 2, pp. 64-67.

[11] Roberts S. Resheniyaproblemy pul'satsiy ipomekh DC/DC-preobrazovateley: vkhodnaya i vykhodnaya fil'tratsiya [Solutions to the Problem of Ripple and Noise in DC/DC Converters: Input and Output Filtering] // Components and Technologies, 2015, no. 8, pp. 74-81.

[12] Gornostaev A. I. Optimizatsiya struktury unifitsirovannogo mnogokanal'nogo interfeysnogo modulya kontrolya temperatur dlya izmeritel'nykh priborov kosmicheskikh apparatov [Optimization of the structure of the unified multichannel interface temperature control module for measuring instruments of spacecraft] // Spacecraft & Technologies, 2019, vol. 3, no. 3, pp. 171-183. doi: 10.26732/2618-7957-2019-3-171-183. (In Russian)

[13] GOST Р 8.736-2011. Gosudarstvennaya sistema obespecheniya yedinstva izmereniy. Izmereniya pryamyye mnogokratnyye. Metody obrabotki rezul'tatov izmereniy. Osnovnyye polozheniya [State system for ensuring the uniformity of measurements. Multiple Direct measurements. Methods of measurement results processing. Main positions]. Moscow, Standartinform, 2019. Reissue. (In Russian)

[14] Vadutov O. S. Matematicheskiye osnovy obrabotki signalov [Mathematical foundations of signal processing]. -Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2011, 212 p. (In Russian)

[15] Kravchenko N. S., Revinskaya O. G. Metody obrabotki rezul'tatov izmere-niy i otsenki pogreshnostey v uchebnom laboratornompraktikume [Methods for processing the results of measurements and assessing errors in an educational laboratory workshop]. - Tomsk: Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2017, 121 p. (In Russian)

[16] Analiz i predstavleniye rezul'tatov eksperimenta: Uchebno-metodicheskoye posobiye [Analysis and presentation of the results of the experiment: Educational and methodical manual] / Ed. ed. N. S. Voronova. - M.: NRNU MEPhI, 2015, 120 p. (In Russian)

[17] Fayustov A. A. Yeshche raz o kriteriyakh otseivaniya grubykh pogreshnostey [Once again about the criteria for screening out gross errors] // Legislative and applied metrology, 2016, no. 5, pp. 25-30. (In Russian)

Сведения об авторе

Горностаев Алексей Иванович - кандидат технических наук, начальник сектора AO «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва». Окончил Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники в 1980 году. Область научных интересов: методы повышения надежности и принципы построения бортовой аппаратуры космических аппаратов, схемотехника аналоговых и цифровых электронных устройств, унификация функциональных узлов бортовой аппаратуры.