楊雙景 趙長(zhǎng)江

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

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一種大功率SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊雙景 趙長(zhǎng)江

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有大功率脈沖供電、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。文章分析和總結(jié)了國(guó)外SAR衛(wèi)星供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種具有并網(wǎng)供電功能的雙母線SAR衛(wèi)星供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過在平臺(tái)母線和SAR載荷母線之間的并網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)故障時(shí)SAR載荷母線對(duì)平臺(tái)負(fù)載并網(wǎng)供電，提高了供電可靠性。文章還給出了并網(wǎng)控制器在軌使用策略，地面和在軌測(cè)試驗(yàn)證了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，可為我國(guó)后續(xù)大功率SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

SAR衛(wèi)星；電源；雙母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 引言

1978年美國(guó)成功發(fā)射了合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星——海洋衛(wèi)星-A(SeaSat-A)之后，世界各國(guó)如加拿大、意大利、德國(guó)和印度等[1-4]相繼發(fā)射了多顆SAR成像衛(wèi)星。SAR衛(wèi)星全天時(shí)、全天候的高分辨率大范圍對(duì)地觀測(cè)能力使其在軍事偵察、防災(zāi)減災(zāi)、海洋陸地觀測(cè)、地形測(cè)繪等諸多領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，具有光學(xué)遙感衛(wèi)星無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

SAR衛(wèi)星載荷一般具有大功率、脈沖供電特點(diǎn)，其功率需求可以高達(dá)8～20 kW，遠(yuǎn)高于光學(xué)遙感衛(wèi)星3 kW的功率需求。大功率、脈沖特性嚴(yán)重影響了衛(wèi)星母線電壓的穩(wěn)定度和系統(tǒng)的可靠性，給電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。因此，如何提高SAR衛(wèi)星供電系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性，既滿足平臺(tái)負(fù)載的高穩(wěn)定供電需求，又滿足SAR載荷大功率脈沖供電需要，成為了此類衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

針對(duì)國(guó)內(nèi)某SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，結(jié)合我國(guó)星載電源系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，在充分借鑒國(guó)外主流SAR成像衛(wèi)星的供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種可以并網(wǎng)供電的雙母線SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)母線故障時(shí)，SAR載荷母線為平臺(tái)負(fù)載提供電能，進(jìn)一步提高整星供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過衛(wèi)星地面測(cè)試和在軌測(cè)試驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的正確性。

2 國(guó)外SAR成像衛(wèi)星供電系統(tǒng)特點(diǎn)

國(guó)外主流的SAR成像衛(wèi)星主要包括：ESA的地球云、氣溶膠與輻射探測(cè)者衛(wèi)星(EarthCare)和哨兵(Sentine-1)、意大利的地中海盆地觀測(cè)小衛(wèi)星星座(Cosmo-Skymed)、德國(guó)的陸地雷達(dá)-X頻段衛(wèi)星(Terra SAR-X)、印度的天眼一號(hào)(RISAT-1)、加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星-2(Radarsat-2)等。各衛(wèi)星母線配置及負(fù)載功率情況見表1[1-2,4-5]，供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2,4-5]。

表1 國(guó)外主要SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)基本情況

注：DC-DC為直流-直流變換器。

注：MPPT為最大功率跟蹤模塊，TC/TM為遙控/遙測(cè)模塊。圖1 國(guó)外SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)湓韴DFig.1 Power supply topology of the foreign SAR satellites

圖1中太陽電池陣輸出經(jīng)過最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模塊連接衛(wèi)星母線，蓄電池組通過放電開關(guān)接入衛(wèi)星母線，形成不調(diào)節(jié)母線為整星負(fù)載供電。部分衛(wèi)星(如Terra SAR-X和Sentine-1)在母線上通過DC-DC變換器形成調(diào)節(jié)母線為平臺(tái)負(fù)載供電。

通過對(duì)國(guó)外主流SAR衛(wèi)星供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率調(diào)節(jié)控制方法分析，總結(jié)其特點(diǎn)如下：

(1)采用單母線供電系統(tǒng)，通過一組蓄電池組、一個(gè)電源控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)整星功率調(diào)節(jié)與供電，電源系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量少，體積和質(zhì)量較小，成本相對(duì)較低。采用不調(diào)節(jié)母線供電體制，將蓄電池組與母線直接連接，母線具有很小的輸出阻抗，響應(yīng)速度快，最大限度地滿足了SAR載荷短期峰值負(fù)載和脈沖供電需求[1，5-6]。

(2)采用MPPT技術(shù)，充分利用太陽電池陣輸出功率，可減小太陽電池陣的面積和質(zhì)量，降低研制成本。部分衛(wèi)星(如Terra SAR-X、 Sentine-1等)在不調(diào)節(jié)母線上通過DC-DC變換器，為平臺(tái)穩(wěn)定負(fù)載提供高品質(zhì)的母線電壓，以適應(yīng)平臺(tái)負(fù)載的用電需求[7-9]。

(3)負(fù)載功率和蓄電池組充電功率統(tǒng)一從母線獲取，將太陽翼的供電陣和充電陣統(tǒng)一布陣，提高太陽電池陣的使用效率。

(4)平臺(tái)穩(wěn)定負(fù)載與SAR載荷脈沖負(fù)載使用同一母線，并且SAR載荷處于大功率脈沖供電狀態(tài)，母線上脈沖噪聲干擾嚴(yán)重，母線電壓波動(dòng)范圍較大，對(duì)平臺(tái)單機(jī)輸入電壓范圍提出了較高的要求。同時(shí)也對(duì)連接母線單機(jī)的電源前置濾波器帶來很大的挑戰(zhàn)，整星電磁干擾嚴(yán)重。一旦SAR載荷出現(xiàn)問題影響母線，將導(dǎo)致衛(wèi)星平臺(tái)單機(jī)工作異常，若影響控制、測(cè)控、數(shù)管等關(guān)鍵分系統(tǒng)，將會(huì)危及衛(wèi)星安全，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星失效。

3 并網(wǎng)供電SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SAR衛(wèi)星一般由平臺(tái)和SAR載荷兩部分組成，由于衛(wèi)星在軌控制和定軌精度要求較高，因此平臺(tái)單機(jī)對(duì)母線電壓穩(wěn)定度要求較高，負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定。SAR載荷部分負(fù)載功率較大(高達(dá)幾千瓦至上萬瓦)，并呈現(xiàn)脈沖供電狀態(tài)，脈沖重復(fù)頻率(PRF)與成像工作模式有關(guān)，一般在1～5000 Hz之間。因此，SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要同時(shí)兼顧平臺(tái)負(fù)載對(duì)母線高穩(wěn)定度需求和SAR負(fù)載對(duì)母線快速響應(yīng)的需要。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，航天器電源母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可以分為全調(diào)節(jié)母線、半調(diào)節(jié)母線和不調(diào)節(jié)母線。為同時(shí)兼顧平臺(tái)負(fù)載和SAR載荷用電需求，可以采用兩種方案：

(1)整星設(shè)置兩條獨(dú)立母線，平臺(tái)母線采用全調(diào)節(jié)母線，為平臺(tái)負(fù)載提供穩(wěn)定母線電壓；SAR載荷母線采用不調(diào)節(jié)母線，其具有輸出阻抗低，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，最大限度地滿足了短期峰值負(fù)載和脈沖負(fù)載用電需求。

(2)整星設(shè)置一條不調(diào)節(jié)母線，通過串聯(lián)在母線上的DC-DC變換器為平臺(tái)負(fù)載提供穩(wěn)定電壓，SAR載荷負(fù)載直接連接母線。

如前文第2節(jié)所述，方案2中若SAR載荷出現(xiàn)故障，將直接影響母線安全，以致影響整星供電的安全性和可靠性。同時(shí)鑒于國(guó)內(nèi)大功率濾波器尚未在航天器電源系統(tǒng)中使用，因此本文采用方案1雙母線供電體制。

為提高衛(wèi)星在軌可靠性和安全性，充分利用SAR載荷母線能源，在SAR載荷母線輸出端串聯(lián)并網(wǎng)控制器，作為平臺(tái)母線的備份。在衛(wèi)星應(yīng)急狀態(tài)下，通過并網(wǎng)控制器將載荷高壓母線轉(zhuǎn)換為平臺(tái)低壓母線為平臺(tái)負(fù)載供電。電源分系統(tǒng)主要指標(biāo)及要求見表2，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。衛(wèi)星采用雙母線供電體制，平臺(tái)母線由太陽電池陣、鎘鎳蓄電池組和電源控制器組成，采用開關(guān)順序充電分流調(diào)節(jié)器(S4R)兩域控制全調(diào)節(jié)母線拓?fù)錇槠脚_(tái)負(fù)載提供28.6 V±0.3 V的穩(wěn)定電壓和大于1050 W的功率。SAR載荷母線由太陽電池陣、鋰離子蓄電池組和載荷電源控制器組成，采用不調(diào)節(jié)母線，母線電壓范圍為45～67.5 V，母線功率大于8000 W。

表2 電源分系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

此SAR衛(wèi)星供電系統(tǒng)拓?fù)渚哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：

(1)平臺(tái)母線采用全調(diào)節(jié)母線，電壓穩(wěn)定度高，減小了圖1中后端平臺(tái)單機(jī)DC-DC設(shè)備輸入二次電源的質(zhì)量和體積。

(2)SAR載荷母線采用不調(diào)節(jié)母線，最大限度地滿足了SAR載荷負(fù)載大功率、脈沖用電及響應(yīng)速度快的要求。

(3)采用雙母線供電系統(tǒng)，平臺(tái)母線和SAR載荷母線相對(duì)獨(dú)立、互不干擾，避免了SAR載荷負(fù)載故障影響平臺(tái)單機(jī)設(shè)備正常工作的風(fēng)險(xiǎn)，提高了整星供電的安全性。同時(shí)，采用雙母線供電系統(tǒng)，最大限度地降低了母線噪聲干擾，提高了整星電磁兼容性。

(4)平臺(tái)母線供電出現(xiàn)異常時(shí)，通過并網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)SAR載荷母線向平臺(tái)負(fù)載供電，作為平臺(tái)母線的備份，提高了衛(wèi)星供電可靠性和安全性。

圖2 帶有并網(wǎng)控制功能的SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)Fig.2 Power supply topology with parallel bus for SAR satellites

3.2 并網(wǎng)控制器使用策略

正常情況和平臺(tái)母線發(fā)生單一故障情況下，平臺(tái)母線均能滿足負(fù)載用電需求，不需要并網(wǎng)控制器接入母線，所以并網(wǎng)控制器默認(rèn)工作狀態(tài)為冷備待機(jī)。待平臺(tái)母線由于自身或其他原因?qū)е螺敵龉β氏陆?、母線電壓降低，不能滿足平臺(tái)負(fù)載用電需求時(shí)，接通并網(wǎng)控制器，以滿足平臺(tái)負(fù)載用電需求。

導(dǎo)致平臺(tái)母線輸出功率不足，母線電壓降低的原因主要有太陽電池陣輸出功率下降、蓄電池組輸出能力下降、放電調(diào)節(jié)器輸出能力下降和負(fù)載端短路等故障。電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已考慮壽命末期(EOL)太陽電池陣和蓄電池組輸出功率應(yīng)該滿足負(fù)載要求。因此，太陽電池陣輸出功率下降主要由于衛(wèi)星姿態(tài)失控、太陽電池陣不能對(duì)日定向或發(fā)生開路故障所致。蓄電池組輸出能力下降主要由蓄電池組發(fā)生單體失效、短路或開路故障。每路放電調(diào)節(jié)器采用3個(gè)模塊熱備份設(shè)計(jì)，允許1個(gè)模塊失效，失效的模塊自動(dòng)退出供電網(wǎng)絡(luò)，不影響其它模塊正常工作。當(dāng)每路放電調(diào)節(jié)器出現(xiàn)2個(gè)模塊失效時(shí)，將導(dǎo)致放電調(diào)節(jié)器進(jìn)入過流保護(hù)，平臺(tái)母線電壓下降。衛(wèi)星負(fù)載設(shè)備輸入端均設(shè)有熔斷絲，當(dāng)出現(xiàn)短路時(shí)熔斷絲熔斷，負(fù)載與母線隔離，短路故障可以恢復(fù)。

通過數(shù)管分系統(tǒng)自主健康管理軟件監(jiān)視平臺(tái)母線和鎘鎳蓄電池組電壓，當(dāng)電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)將并網(wǎng)控制器接入平臺(tái)母線(接通圖2中K1和K2)，并網(wǎng)控制器輸出作為平臺(tái)母線的備份，以確保平臺(tái)母線電壓保持穩(wěn)定。當(dāng)平臺(tái)母線故障排除后，輸出功率滿足負(fù)載需求，或當(dāng)SAR載荷母線鋰離子電池組電壓低于極限放電電壓時(shí)，斷開并網(wǎng)控制器(斷開K2和K1)，防止鋰離子蓄電池組不可逆的永久失效。

3.3 并網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)

以某衛(wèi)星為例，并網(wǎng)控制器輸出功率應(yīng)能滿足整星應(yīng)急模式下的負(fù)載功率要求，并留有一定的余量。整星應(yīng)急模式下最大負(fù)載功率約為550 W，考慮一定的余量，并網(wǎng)控制器輸出功率按照600 W設(shè)計(jì)，內(nèi)部由4個(gè)(3備1)200 W的DC-DC模塊并聯(lián)組成，如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Block diagram of parallel operation unit

并網(wǎng)控制器在軌長(zhǎng)期處于冷備待機(jī)狀態(tài)，因此其穩(wěn)態(tài)輸出最高電壓不能高于母線最低電壓，否則并網(wǎng)控制器將抑制平臺(tái)母線輸出，平臺(tái)負(fù)載直接從并網(wǎng)控制器用電。平臺(tái)母線電壓最低值為28.3 V，并網(wǎng)控制器母線電壓穩(wěn)定度為±0.3 V，考慮一定的設(shè)計(jì)余量，并網(wǎng)控制器輸出穩(wěn)態(tài)電壓選擇27.7 V，則并網(wǎng)控制器最高輸出電壓為28.0 V。僅在平臺(tái)母線不能滿足負(fù)載設(shè)備需求，且其輸出電壓下降至27.7 V時(shí)，并網(wǎng)控制器才參與平臺(tái)母線供電。

同時(shí)，為確保并網(wǎng)控制器加電瞬間輸出電壓過沖超過平臺(tái)母線最低電壓，造成母線在平臺(tái)電源控制器輸出和并網(wǎng)控制器輸出間交替切換，母線電壓不穩(wěn)，因此需要控制并網(wǎng)控制器輸出電壓過沖。通過在并網(wǎng)控制器的誤差放大器輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)緩啟電路，使得誤差放大器電壓緩慢建立，從而達(dá)到控制輸出電壓過沖的目的。緩啟動(dòng)電路如圖4所示，芯片參考電壓Vref經(jīng)過阻容網(wǎng)絡(luò)對(duì)電容C3進(jìn)行充電，電容C3電壓緩慢上升，誤差放大器輸出電壓VEA也緩慢上升，因此并網(wǎng)控制器輸出電壓緩慢上升，避免了電路啟動(dòng)時(shí)瞬態(tài)過充。通過調(diào)節(jié)R4和R5阻值，使得最終VC3>VEA，控制芯片正常工作。通過調(diào)節(jié)電容C3的電容量來控制輸出電壓的啟動(dòng)速度，降低輸出電壓過沖。理論上，電容C3足夠大時(shí)可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制器輸出零過沖，同時(shí)帶來的弊端是延長(zhǎng)了輸出電壓的啟動(dòng)時(shí)間。因此，需要選擇合適的阻容參數(shù)，同時(shí)滿足系統(tǒng)的過沖和啟動(dòng)時(shí)間要求，圖5給出了輸出電壓?jiǎn)?dòng)實(shí)測(cè)波形，從波形中可以看出其輸出電壓滿足低啟動(dòng)過充要求。

圖4 緩啟電路Fig.4 Soft start circuit

圖5 輸出電壓?jiǎn)?dòng)波形Fig.5 Start waveform of output voltage

此外，在并網(wǎng)控制器輸出端設(shè)置開關(guān)K2。在數(shù)管自主健康管理軟件發(fā)指令接通開關(guān)K1后，延遲一段時(shí)間(大于并網(wǎng)控制器啟動(dòng)時(shí)間20 ms)再接通K2，保證平臺(tái)負(fù)載由平臺(tái)電源控制器供電轉(zhuǎn)并網(wǎng)控制器供電，避免在兩者之間切換。

當(dāng)平臺(tái)母線故障排除后，其電壓范圍恢復(fù)為28.6 V±0.3 V，大于并網(wǎng)控制器輸出最高電壓，并網(wǎng)控制器輸出端二極管反向截止。此時(shí)斷開并網(wǎng)控制器輸出開關(guān)K2對(duì)平臺(tái)母線無影響。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某衛(wèi)星地面測(cè)試為例，衛(wèi)星正常加電建立平臺(tái)和SAR載荷母線。接通并網(wǎng)控制器輸入開關(guān)K1，其輸出電壓為28.0 V，低于平臺(tái)電源控制器母線電壓28.7 V；接通輸出開關(guān)K2，并網(wǎng)控制器不對(duì)外輸出。地面發(fā)送指令斷開蓄電池組放電開關(guān)和地面太陽電池陣模擬器輸出，平臺(tái)母線電壓下降，并網(wǎng)控制器輸出供電，母線電壓穩(wěn)定在27.8 V，滿足設(shè)計(jì)要求，電壓波形如圖6所示。

衛(wèi)星發(fā)射入軌后，太陽翼建立在軌正常工作狀態(tài)，平臺(tái)母線電壓穩(wěn)定在28.7 V，太陽電池陣輸出功率約為1378 W；SAR載荷母線穩(wěn)定在64.4 V，太陽電池陣輸出功率3992 W。圖7給出了2017年3月15日8:00-18:00衛(wèi)星平臺(tái)母線和SAR載荷母線工作電壓和電流曲線，平臺(tái)母線電壓穩(wěn)定在28.7 V，SAR載荷母線電壓穩(wěn)定在63.5～65.0 V，兩母線工作正常。衛(wèi)星在軌各個(gè)工作模式下，電源分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)正常，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具體如表3所示。

圖6 輸出電壓波形Fig.6 Waveform of output voltage

衛(wèi)星在軌測(cè)試期間，地面發(fā)送指令接通并網(wǎng)控制器輸入和輸出開關(guān)，圖3中并網(wǎng)控制模塊1～4加電，其輸出電壓為28.0 V低于平臺(tái)母線電壓28.7 V，處于待機(jī)狀態(tài)不輸出功率，與地面測(cè)試結(jié)果一致。

圖7 母線電壓電流曲線Fig.7 Curve of bus voltage and current

表3 電源系統(tǒng)在軌遙測(cè)參數(shù)比對(duì)表

5 結(jié)束語

本文分析了國(guó)外SAR衛(wèi)星供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)我國(guó)航天器電源發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)某SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，提出了一種雙母線供電體制可以并網(wǎng)供電的SAR衛(wèi)星電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地解決了SAR衛(wèi)星母線噪聲干擾嚴(yán)重、電壓波動(dòng)范圍大的問題。通過并網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)SAR載荷母線作為平臺(tái)母線的備份，提高了整星供電的可靠性和安全性。

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(編輯：李多)

Design of Power Supply System for High Power SAR Satellite

YANG Shuangjing ZHAO Changjiang

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

SAR satellites have the characteristics of high power pulse and quick response. The power supply topologies of the foreign SAR satellites are analyzed and summarized. A novel power supply topology with parallel busbar function for SAR satellite is proposed. The two busbars can be paralleled with the parallel operation unit applied between the platform busbar and the payload busbar to improve power supply reliability in the failure mode. The work mode of the parallel operation unit on orbit is introduced. The ground and on orbit test verifies the correctness of the scheme. The scheme proposed in this paper can provide reference for the other SAR satellite power supply system design.

SAR satellite；power supply；double busbar structure

2017-02-14；

2017-05-05

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

楊雙景，男，碩士，從事航天器供配電、電源設(shè)計(jì)工作。Email：ysjtravis@126.com。

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.009