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飞行器GNSS接收机静电放电干扰效应分析

范宇清 程二威 魏明 张庆龙 陈亚洲

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飞行器GNSS接收机静电放电干扰效应分析

    作者简介: 范宇清(1995—),男,硕士研究生,研究方向为电磁环境模拟与电磁防护;120705947@qq.com.
  • 基金项目: 国家自然科学基金面上项目(51677191)
  • 中图分类号: TN96

Analysis on the interference effect of electrostatic discharge of GNSS receiver on aircraft

  • CLC number: TN96

  • 摘要: 针对飞行器全球卫星导航系统接收机易受静电放电干扰的问题,研究了机体表面电晕放电与机务维修火花放电对接收机的干扰效应。分析了静电放电的时频域特征,使用针球电极与高压源组成的模拟器开展了电晕放电对接收机的前门耦合实验,证明了电晕脉冲产生的辐射场对接收机无明显干扰效应。基于人体金属ESD模型开展了火花放电对接收机的干扰效应实验,发现浪涌电流易导致接收机串口转换芯片电位波动,读写程序主循环卡死,应针对串口端进行静电阻抗器防护。
  • 图 1  电晕脉冲电流时域特征

    Fig. 1  Time domain characteristics of the current of the corona pulse

    图 2  电晕脉冲电流频域特征

    Fig. 2  Frequency domain characteristics of the current of the corona pulse

    图 3  ESD人体金属模型电流时域特征

    Fig. 3  Time domain characteristics of current in ESD HBM

    图 4  ESD人体金属模型频域特征

    Fig. 4  Frequency domain characteristics of current in ESD HBM

    图 5  充电电压为正时,电晕放电时域波形及频谱

    Fig. 5  Time domain waveform and spectrum of corona discharge when the charging voltage is positive

    图 6  充电电压为负时,电晕放电时域波形及频谱

    Fig. 6  Time domain waveform and spectrum of corona discharge when the charging voltage is negative

    图 7  充电电压为正时,火花放电时域波形及频谱

    Fig. 7  Time domain waveform and spectrum of spark discharge when the charging voltage is positive

    图 8  充电电压为负时,火花放电时域波形及频谱

    Fig. 8  Time domain waveform and spectrum of spark discharge when the charging voltage is negative

    图 9  电晕放电模拟器

    Fig. 9  Corona discharge simulator

    图 10  电晕放电干扰效应实验框图

    Fig. 10  Block diagram of experimental study of effects of corona discharge

    图 11  接收机放电位置图

    Fig. 11  Location of the receiver discharge

    表 1  ABCD四个面干扰电压临界值

    Table 1  Thresholds of four face-interference-voltages of the receiver

    discharge positionair discharge
    voltage (horizontal coupling plate)/kV
    air discharge
    voltage (vertical coupling plate)/kV
    direct contact discharge voltage/kV
    side A26286
    side B1976
    side C15 22 5
    side D102126
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    表 2  接收机各部位干扰电压临界值

    Table 2  Intercept voltage threshold for each part of the receiver

    discharge position as shown in fig. 11(b)direct contact discharge voltage/kV
    1no effect
    219
    38
    44
    511
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-19
  • 录用日期:  2019-10-19
  • 网络出版日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

飞行器GNSS接收机静电放电干扰效应分析

    作者简介: 范宇清(1995—),男,硕士研究生,研究方向为电磁环境模拟与电磁防护;120705947@qq.com
  • 陆军工程大学 石家庄校区 强电磁场环境模拟与防护技术国防科技重点实验室,石家庄 050005

摘要: 针对飞行器全球卫星导航系统接收机易受静电放电干扰的问题,研究了机体表面电晕放电与机务维修火花放电对接收机的干扰效应。分析了静电放电的时频域特征,使用针球电极与高压源组成的模拟器开展了电晕放电对接收机的前门耦合实验,证明了电晕脉冲产生的辐射场对接收机无明显干扰效应。基于人体金属ESD模型开展了火花放电对接收机的干扰效应实验,发现浪涌电流易导致接收机串口转换芯片电位波动,读写程序主循环卡死,应针对串口端进行静电阻抗器防护。

English Abstract

  • 随着全球卫星导航系统(GNSS)的应用与发展,卫星导航系统已经成为重要的、不可或缺的空间基础设施。导航终端作为用户与卫星系统间的传输节点,其稳定性、可靠性以及抗干扰能力决定了能否为用户提供良好的使用体验[1]。随着电子器件集成度大幅提高,设备电磁敏感度也相应增加,对半导体器件来说,瞬态的高电压、大电流以及电磁干扰源辐射的强电磁脉冲均会造成其性能降级甚至损坏。

    静电阻抗器(ESD)对于电子设备是一种常见的近场干扰源。静电放电过程形成的高电压、强电场、以及上升沿小于1 ns的瞬态大电流,伴随宽频带的近场强电磁辐射,对电火工品,电子装备存在巨大威胁[2]。静电放电曾造成卫星失控偏离轨道,火箭、导弹发射失败等严重事故[3]

    本文针对静电放电对飞行器GNSS接收机的危害,分析了ESD干扰信号的时频域特性,推导了电晕放电辐射场的构成。通过对接收机天线、机壳等进行ESD干扰效应实验,得到了接收机受干扰的原因与机理,可为导航接收机开展ESD针对性防护提供参考。

    • 考虑发生静电放电时带电体形态及放电条件的不同,可将放电类型分为电晕放电、静电火花放电、刷形放电、雷状放电等。其中,对机载导航接收机产生威胁的主要为电晕放电与火花放电,下面具体讨论两种放电方式的拟合表达式与时频域特性。

    • 电晕放电是在不均匀场中空气局部自持放电的一种常见放电形式。由于卫星播发的导航信号较弱,信号到达地面强度低(约−130 dBm)。GNSS接收机装备于飞机、导弹等飞行器时,天线通常安装在机舱外,飞行器表面不断与大气中空间粒子发生撞击,粒子与飞机接触带电的同时在飞机上产生等量异种电荷。对于运动速度较高的飞行器(喷气式飞机、巡航导弹)此现象更为明显。即使装备了静电消除器的飞机,机体表面残存静电电量仍然很大:喷气式飞机的带电量可达10−3 C,巡航导弹带电量可达10−6 C,对地电位高达10~300 kV[4-6]。静电累积到一定程度后主要通过电晕放电的形式释放电荷,产生的宽带电磁辐射会对机载天线、敏感电子设备等造成干扰。

      电晕放电是在不均匀场中空气局部自持放电的一种常见放电形式。研究其辐射场的时频特性是分析干扰机理的基础。电晕放电辐射场可用拟合的电流表达式作为模型。印度Nayak教授团队拟合了电晕电流的双指数函数表达式,被广泛用于电晕辐射场的计算中[7],如式(1)所示。

      $i(t) = K{I_{\max }}[{\exp ( - mt)} - {\exp( - nt)}]$

      (1)

      式中:$k$$m$$n$为规范取值的常数,$m$$n$决定脉冲电流上升、下降时间,$I_{\max}$(mA)为脉冲电流峰值。该拟合表达式得到的正负电晕时频域特征分别如图12所示。由图可知,正电晕脉冲电流的波头时间、脉冲上升、下降沿及视在放电持续时间均比负电晕脉冲电流大20%~30%。频域特性显示电晕放电能量主要集中在0~200 MHz内,在0~50 MHz内幅值衰减较快。

      图  1  电晕脉冲电流时域特征

      Figure 1.  Time domain characteristics of the current of the corona pulse

      图  2  电晕脉冲电流频域特征

      Figure 2.  Frequency domain characteristics of the current of the corona pulse

    • 因火花放电受静电源、气候、环境等多种因素影响,不利于实验重复性,建立不同的ESD模型可有效解决这一问题。人体金属模型主要用来模拟人手持螺丝刀,镊子等金属工具与导体间发生火花放电时对电子设备产生的危害[8]

      本文使用该模型主要模拟机务维修人员对机载GNSS接收机进行检修过程中可能产生的ESD现象。接收机射频前端电路电磁敏感度高,人体-金属模型放电速度快,能量高,持续时间短,在ESD保护装置还未作用之前可能对接收机造成干扰甚至损伤[9]

      IEC61000-4-2对人体金属ESD模型电流波形与特征参数作出了规范, 用于ESD抗扰度实验的放电模拟器应符合该标准。Berghe、盛松林等学者基于此标准在4 kV放电电压下对此波形进行拟合,见式(2)~(3)[10-11],IEC61000-4-2在4 kV电压的拟合表达式,见式(4)。

      $i\left( t \right) = 13{\exp \left[{ - {{\left( {\frac{{t - 5.0}}{{1.414}}} \right)}^2}}\right]} + 0.4t \; {\exp \left[{ - {{\left( {\frac{{t - 1.0}}{{35.35}}} \right)}^2}}\right]}$

      (2)

      $i\left( t \right) = 106.5{\left( {1 - {{\rm{e}}^{ - \frac{t}{{0.62}}}}} \right)^8} {{\rm{e}}^{ - \frac{t}{{1.1}}}} + 60.5\left( {1 - {{\rm{e}}^{ - \frac{t}{{55}}}}} \right) {{\rm{e}}^{ - \frac{t}{{26}}}}$

      (3)

      $ \begin{split} & \;\\ & i\left( t \right) = 16.6 {{\rm{e}}^{0.55 \times {{\left( {3.6/1.1} \right)}^{0.556}}}} \frac{{{{\left( {\frac{t}{{1.1}}} \right)}^{1.8}} {{\rm{e}}^{\left( { - \frac{t}{2}} \right)}}}}{{1 + {{\left( {\frac{t}{{1.1}}} \right)}^{1.8}}}} + 9.3 {{\rm{e}}^{\frac{{12}}{{37}}{{\left( {\frac{{37}}{{12}} \times 1.8} \right)}^{0.556}}}} \frac{{{{\left( {\frac{t}{{12}}} \right)}^{1.8}} {{\rm{e}}^{\frac{t}{{37}}}}}}{{1 + {{\left( {\frac{t}{{12}}} \right)}^{1.8}}}} \end{split} $

      (4)

      上述三式时频域特征如图34所示。由图3知该模型具有一个上升、下降快,峰值高的初始尖脉冲,在放电电压为4 kV时,峰值电流可达15 A。初始尖脉冲产生的原因为放电人体的手、小臂及手持金属体对自由空间存在3~10 pF的无感电容[12-13]。这一电容容值小且无感,能产生上升快,幅值大的放电脉冲。后续放电的第二个电流峰值为人体的体电容放电,该电容值较大且放电回路电阻和电感大,因此上升时间长,峰值小。由频域特性可知,ESD人体金属模型放电能量主要集中在低频段,随着频率的升高,其幅值衰减很快。

      图  3  ESD人体金属模型电流时域特征

      Figure 3.  Time domain characteristics of current in ESD HBM

      图  4  ESD人体金属模型频域特征

      Figure 4.  Frequency domain characteristics of current in ESD HBM

    • 为研究电晕放电和火花放电辐射场的原始信号特征,搭建了实验室环境下放电信号宽带测试平台,测试平台主要包括测试系统与放电发生器。测试系统包括高灵敏度宽带测试天线(工作频率为0~1 GHz)及其接收机、Agilent DSO-X 3034A示波器。放电发生器包括放电针、高压静电源和高压塔。为最大限度地保证所探测的信号为未发生畸变的原始信号,测试平台未施加滤波措施。

      因放电辐射信号,尤其是强度较大的火花放电辐射信号可能对高灵敏接收机造成损伤,为避免该情况发生,将放电发生器置于屏蔽室外,宽带天线接收机和示波器置于屏蔽室内。宽带天线通过屏蔽室上的同轴线接口,置于屏蔽室外,距离放电发生器12 m,实验温度为26 ℃,湿度为43%。

      分别采用正、负高压源进行了电晕、火花放电试验,充电电压为±40 kV。图56分别为正、负电晕放电辐射信号时域及频域波形图。图78分别为充电电压为正和为负时火花放电辐射信号时域及频域波形图。

      图  5  充电电压为正时,电晕放电时域波形及频谱

      Figure 5.  Time domain waveform and spectrum of corona discharge when the charging voltage is positive

      图  6  充电电压为负时,电晕放电时域波形及频谱

      Figure 6.  Time domain waveform and spectrum of corona discharge when the charging voltage is negative

      图  7  充电电压为正时,火花放电时域波形及频谱

      Figure 7.  Time domain waveform and spectrum of spark discharge when the charging voltage is positive

      图  8  充电电压为负时,火花放电时域波形及频谱

      Figure 8.  Time domain waveform and spectrum of spark discharge when the charging voltage is negative

      由上述四个波形时域图可知,电晕放电与火花放电的信号时域特征类似,均为衰减振荡的脉冲。由图56可知,电晕放电辐射信号时域波形峰值约为15 mV,持续时间约为100 ns。其频谱分布较广,可达1 GHz,主要能量集中在200 MHz以下,在100 MHz附近达到峰值。负电晕放电频谱成分比正电晕放电频谱成分复杂。

      图78可知,火花放电辐射信号时域波形峰值约为170 mV,持续时间约为800 ns,较电晕放电辐射信号大很多。频谱成分相对于电晕放电较少,与电晕放电辐射信号频谱有明显的区别,主要能量集中在50 MHz以下,在140 MHz以上几乎衰减为零。充电电压的正负对其频谱分布没有影响。

    • 使用电晕放电模拟装置产生电晕辐射场,对天线进行辐照法实验。如图9所示,该装置由金属球、绝缘环和放电针组成,放电针固定安装在绝缘环上,连接高压电源,金属球接地使用。装置能够满足多种情形中的静电放电模拟,同时可以直观、方便地观察实验中的放电现象[14]

      图  9  电晕放电模拟器

      Figure 9.  Corona discharge simulator

    • 实验配置主要由电晕放电模拟装置,某型GNSS接收机、圆极化贴片天线及监测计算机组成。电晕放电模拟器位于接收机圆极化贴片天线旁,距离天线距离可调。天线接收卫星实时播发的导航信号,实验框如图10所示。为避免电晕放电干扰接收机及监测计算机,将二者均置于屏蔽室内。实验中通过高压直流源在针上加直流高压,使得针对板发生电晕放电,放电极性正负可调。实验温度26.2 °C,相对湿度43%。

      图  10  电晕放电干扰效应实验框图

      Figure 10.  Block diagram of experimental study of effects of corona discharge

    • 实验中正负电晕放电发生时能听到“咝咝”声,闻到臭氧味。实验过程中接收机正常定位、跟踪,解算数据不受影响,分析原因一是电晕放电能量主要集中在0~200 MHz内,其幅值在0~50 MHz内衰减很快,而导航接收机工作频率为1.5 GHz左右,电晕放电产生的电磁干扰无法通过前门耦合进入接收机内,封闭性较好的接收机机身也没有太多孔缝,后门耦合的能量无法在电路上形成干扰;二是电晕放电产生的干扰需要经空气传播,传播一定距离时干扰信号本身衰减较大,无法达到干扰阈值。

    • 放电方式采用直接接触式放电与空气式放电(非接触式),实验方法参考IEC6100-4-2(EMC)Part4与GB/T 17626.2-2006中规定的静电放电抗扰度试验有关要求与程序实施[15-17]。实验设备包括SANKI-NS61000-2A型ESD模拟器、标准配置实验台,水平耦合板与垂直耦合板等,因第二章对火花放电的测试结果显示:幅值一定时充电电压的正负对其频谱分布没有影响,所以实验中放电极性选择正极即可,放电参数C=500 pF,R=500 $\Omega $

      直接接触式放电实验中导航接收机通过RS232串口通信线与计算机相连接,接收天线置于室外空旷处。实验温度26.6 ℃,相对湿度45%,使用静电放电枪对导航接收机的4个面中心位置与天线罩(1)、天线输出端口(2)、接收机电源端口(3),串口连接处(4)及天线输入端口(5)进行单次直接放电,见图11(a)(b),试验电压由+0 kV按步长1 kV逐渐增加,每个电压单次放电10次。若接收机出现可观测的干扰效应,如失去定位信息、输出数据卡死等,此时记录该观测电压值。

      图  11  接收机放电位置图

      Figure 11.  Location of the receiver discharge

      空气式放电(非接触式)耦合方式为水平耦合板与垂直耦合板,实验温度26.6 ℃,相对湿度45%。水平耦合板放电位置位于板侧边中心点,接收机4个受试面中心点分别距中心点0.1 m,板侧边中心点与受试面中心点连线垂直于水平耦合板侧边。对垂直耦合板放电位置位于板侧边中心处,接收机4个受试面分别与垂直耦合板平行,距离耦合板0.1 m。试验放电方法及干扰效应判据同直接放电。

    • 直接接触式放电与空气式放电实验均在放电电压达到某一临界值时导致接收机监测软件停止更新导航数据,但开关串口后恢复正常。两种放电方式下接收机各部位的干扰电压临界值见表12

      表 1  ABCD四个面干扰电压临界值

      Table 1.  Thresholds of four face-interference-voltages of the receiver

      discharge positionair discharge
      voltage (horizontal coupling plate)/kV
      air discharge
      voltage (vertical coupling plate)/kV
      direct contact discharge voltage/kV
      side A26286
      side B1976
      side C15 22 5
      side D102126

      表 2  接收机各部位干扰电压临界值

      Table 2.  Intercept voltage threshold for each part of the receiver

      discharge position as shown in fig. 11(b)direct contact discharge voltage/kV
      1no effect
      219
      38
      44
      511

      初步分析接收机监测软件停止更新数据原因可能为RS232转USB的串口芯片受ESD放电产生的初始尖脉冲干扰,造成电位波动导致的读写程序卡死[18]。直接接触式放电时放电枪在机壳、天线壳及连接端口处产生干扰电流,D面由于距离串口端最远,干扰电压临界值最高,电源线端口由于距串口较近,干扰电压临界值相对较低。而天线壳由于屏蔽性能较好,在干扰电压最大时仍无效应,与分析相一致。

      空气式放电为耦合板产生的感应场在垂直和水平方向对接收机形成干扰。由实验结果知,水平耦合板较垂直耦合板更容易引起串口卡死,原因在于放电电流的分布情况。水平耦合板置于接收机下方,上面均分布有电流。而在垂直耦合板的情况下,板位于接收机一侧,放电电流相对于天线的影响弱于水平耦合板的影响。接收机四个侧面抗静电干扰能力基本服从A面>C面>D面,对水平耦合板,串口芯片离放电点最远的D面却最容易受到干扰,其原因可解释如下:当放电枪在水平耦合板放电时,会在板上产生沿板边缘传播的边缘波和沿板上下表面传播的表面波。其中,沿上表面和下表面传播的表面波幅值相等,这种波以平面波的形式沿表面传播至边缘产生反射,而反射的表面波与入射的边缘波相互叠加造成场强的增大,D面串口处刚好靠近板边缘,因此易受干扰。

      进一步分析串口卡死原因,一般程序停止更新数据应为STM32作为主控时受到干扰导致的主循环卡死。具体现象为:串口程序USART2正常接收并处理串口数据(波特率115 200),程序USART1及TIM2的中断响应函数运行正常。根据具体原因进行相应排查,可能的原因可分为四种:(1)程序USART2接收中断标志受干扰未清除;(2)堆栈数据受干扰溢出,导致程序异常;(3)程序USART2中断函数被异常响应;(4)USART2中断函数错误。对应的排查结果为(1)调取USART2中断响应函数发现与中断标志RXNE无关;(2)使用不同栈空间时,错误仍存在;(3)通过标志法确定中断响应函数没有重入;(4)关闭USART2中断函数时,主循环恢复正常,启动USART2中断函数,主循环卡死。经查阅产品手册发现错误原因为干扰引起的瞬态电位紊乱使寄存器读取发生错误,RXNE参量未清零,下一帧数据进入时出现溢出错误,引起主循环卡死。

    • (1)电晕放电频谱分布较广,可达1 GHz,主要能量集中在200 MHz以下,负电晕放电频谱成分比正电晕放电频谱成分复杂。火花放电辐射信号较电晕放电大,频谱成分比电晕放电少,其能量主要集中在50 MHz以下,频谱分布与充电电压的正负无关。在偶极子模型下,电晕辐射场表达式与偶极子间时变电流及其积分、微分项有关。

      (2)飞行器与空气中粒子摩擦表面易带电并发生电晕放电,其主要能量所在频段与机载GNSS接收机工作频段不重合,实验证明电晕脉冲产生的辐射场经前门耦合对接收机无明显干扰效应。

      (3)火花放电主要导致导航接收机死机。使用人体金属ESD模型进行实验时,水平耦合板和垂直耦合板上的电流分布不同导致接收机死机时各面的放电电压也不同。火花放电对接收机干扰机理为浪涌电流导致接收机串口转换芯片电位波动,读写程序主循环卡死。干扰引起的瞬态电位紊乱对串口TTL-232电平芯片影响值得重视,下一步应优化接收机设计或针对串口进行ESD防护。

参考文献 (18)

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