周耀華 張新星 鮑恩竹 梁翠娜

摘要：衛(wèi)星配電系統(tǒng)是整星的重要組成部分，配電系統(tǒng)的質(zhì)量在整星質(zhì)量中占比也較高。對于中小型衛(wèi)星，其輕量化實(shí)現(xiàn)的評價(jià)對于指導(dǎo)配電方案選擇、實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的輕量化設(shè)計(jì)具有重要的意義。提出的衛(wèi)星配電系統(tǒng)的輕量化評價(jià)模型選擇相對全面的關(guān)鍵特征參量，采用層次分析法的分層結(jié)構(gòu)體系，能夠很好地反映配電系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)狀況，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。結(jié)合衛(wèi)星實(shí)例分析驗(yàn)證了該評價(jià)模型的可行性和有效性，能夠?yàn)樾l(wèi)星配電系統(tǒng)的輕量化方案評價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；配電；層次分析；評價(jià)

中圖分類號：V423.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2022）14-54-4

0引言

復(fù)雜系統(tǒng)具有多目標(biāo)、多關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，進(jìn)行方案的量化評價(jià)是一個(gè)復(fù)雜而又困難的問題，僅靠定性評價(jià)的方法已遠(yuǎn)不能滿足要求。文獻(xiàn)[1]歸納了各種評價(jià)法在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用情況，其中，層次分析法是進(jìn)行定性、定量因素相結(jié)合的復(fù)雜的多準(zhǔn)則、多目標(biāo)系統(tǒng)評價(jià)的一種較為實(shí)用的方法。文獻(xiàn)[2]將層次分析法應(yīng)用于衛(wèi)星效能評估，建立衛(wèi)星效能評估的指標(biāo)體系，解決了系統(tǒng)中非線性、高耦合的難題。文獻(xiàn)[3]將層次分析法應(yīng)用于衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案評價(jià)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)結(jié)構(gòu)方案的量化優(yōu)選。

配電系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要組成部分，包括配電器（或模塊）與電纜網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電源輸出的電力分配、各用電設(shè)備的供電和信號的傳輸[4]，是一個(gè)復(fù)雜的工程系統(tǒng)。配電系統(tǒng)的方案與質(zhì)量密切相關(guān)，在方案設(shè)計(jì)階段，能否對這些配電系統(tǒng)方案的輕量化實(shí)現(xiàn)做出客觀評價(jià)將對整星方案設(shè)計(jì)的優(yōu)劣產(chǎn)生重要影響，因此配電系統(tǒng)方案評價(jià)工作十分重要。但目前關(guān)于配電系統(tǒng)評價(jià)的研究較少，文獻(xiàn)[5]通過對國內(nèi)外衛(wèi)星配電體制方案的調(diào)研，采用對比法比較不同整星負(fù)載功率下配電系統(tǒng)方案，定性地分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文在研究層次分析法理論的基礎(chǔ)上將該理論應(yīng)用于衛(wèi)星配電系統(tǒng)方案評價(jià)，以某型號配電系統(tǒng)方案為例對其方案的輕量化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了綜合評價(jià)，得到了影響配電系統(tǒng)輕量化各因素的權(quán)重分布情況，選出輕量化實(shí)現(xiàn)較佳的配電方案。

1層次分析法

層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授[6]提出的一種簡便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法。把復(fù)雜的問題分解為各個(gè)組成因素，將這些因素按隸屬關(guān)系分為若干層次，通過兩兩比較的方式對各層次、各要素的相對重要性給出定量指標(biāo)，然后利用數(shù)學(xué)方法綜合專家意見給出各層次、各要素的相對重要性權(quán)值，作為綜合分析的基礎(chǔ)[7]，是進(jìn)行定性、定量因素相結(jié)合的復(fù)雜的多準(zhǔn)則、多目標(biāo)系統(tǒng)決策評價(jià)的一種較為實(shí)用的方法。

應(yīng)用層次分析法主要有以下步驟：①建立層次結(jié)構(gòu)模型；②根據(jù)模型構(gòu)造判斷矩陣，對各層次的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配；③進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗(yàn)，確定各因素相對評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)值；④層次總排序及其一致性檢驗(yàn)，形成相對于總目標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重分配及方案的綜合評價(jià)與排序。

2配電系統(tǒng)方案

配電系統(tǒng)與衛(wèi)星總體構(gòu)型、布局等總體設(shè)計(jì)密切相關(guān)。為實(shí)現(xiàn)就近供電，減小線路損耗和電磁干擾，配電分為集中配電、分級配電或者二者相結(jié)合的配電體制[8]，通常根據(jù)衛(wèi)星的功率需求、構(gòu)型、布局及總裝設(shè)計(jì)等選擇不同的配電體制。雖然整星功率和質(zhì)量目前沒有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，但一般情況下功率大、質(zhì)量也大。在整星功率一定的情況下，不同的衛(wèi)星構(gòu)型、布局及總裝設(shè)計(jì)等對配電器（或模塊）和電纜網(wǎng)的輕量化實(shí)現(xiàn)影響不同。如不同的衛(wèi)星構(gòu)型，配電器（或模塊）設(shè)置、電纜長度、艙段之間電纜轉(zhuǎn)接、電纜固定等實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量不同，實(shí)現(xiàn)的配電系統(tǒng)的質(zhì)量不同。

以衛(wèi)星設(shè)計(jì)為例，起飛質(zhì)量1 000 kg左右，整星構(gòu)型設(shè)計(jì)采取分艙式或一體化2種方案，衛(wèi)星構(gòu)型如圖1所示。衛(wèi)星縱向最大尺寸2 400 cm，功率需求不低于6 000 W，載荷需求不低于400 kg，按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不低于 100 kg。為實(shí)現(xiàn)整星的任務(wù)配置需要，配電系統(tǒng)的輕量化實(shí)現(xiàn)尤為重要。

在滿足整星用電需求的情況下，結(jié)合電子技術(shù)的發(fā)展，供配電分系統(tǒng)針對2種構(gòu)型提出了集中式配電、分級式配電和混合式配電3種方案，配電方案如圖2所示。

在集中式配電中，電源控制及分配器完成一次母線的調(diào)節(jié)，直接向星上所有平臺(tái)艙和載荷艙設(shè)備提供一次母線供電。在分級式配電方案中，電源控制器完成一次母線的調(diào)節(jié)，配電功能通過平臺(tái)艙和載荷艙的綜合電子設(shè)備綜合業(yè)務(wù)單元（配電模塊集成在綜合業(yè)務(wù)單元中）進(jìn)行配置，然后通過綜合業(yè)務(wù)單元向平臺(tái)艙和載荷艙設(shè)備提供一次母線供電。在混合式配電方案中，電源控制及分配器完成一次母線的調(diào)節(jié)，直接向平臺(tái)艙上設(shè)備提供一次母線供電，載荷艙設(shè)備通過綜合電子設(shè)備綜合業(yè)務(wù)單元進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)一次母線供電。

從配電系統(tǒng)輕量化實(shí)現(xiàn)的角度定性分析可知：

①集中式配電的配電設(shè)備少，在分艙式衛(wèi)星構(gòu)型下，跨艙轉(zhuǎn)接電纜、支架多；在一體化衛(wèi)星構(gòu)型中，沒有跨艙轉(zhuǎn)接電纜，可以實(shí)現(xiàn)從電源控制及分配器直接到用電設(shè)備。在該方案中，電纜從配電設(shè)備直接到用電設(shè)備，電源控制及分配器端電纜高度集中。

②分級式配電的配電設(shè)備多，在分艙式衛(wèi)星構(gòu)型下，電纜的跨艙轉(zhuǎn)接只有從電源控制器到綜合業(yè)務(wù)單元的電纜轉(zhuǎn)接，比集中式配電使用的轉(zhuǎn)接少；在一體化衛(wèi)星構(gòu)型下，沒有跨艙轉(zhuǎn)接電纜，可以實(shí)現(xiàn)從電源控制及分配器到綜合業(yè)務(wù)單元，然后再到用電設(shè)備。在該方案中，通過綜合業(yè)務(wù)單元的配置減輕電源控制器端的電纜壓力，但增加了配電設(shè)備，且配電設(shè)備端電纜集中。

③混合式配電中，通過減少綜合業(yè)務(wù)單元中配電模塊的配電通路，實(shí)現(xiàn)小型化，能進(jìn)一步緩解綜合業(yè)務(wù)單元端的電纜壓力，但設(shè)備最多；在分艙式衛(wèi)星構(gòu)型下，電纜的跨艙轉(zhuǎn)接只有從電源控制器到綜合業(yè)務(wù)單元的電纜轉(zhuǎn)接，與分級式配電相當(dāng)，但減少了配電設(shè)備；在一體化衛(wèi)星構(gòu)型下，沒有跨艙轉(zhuǎn)接電纜，且緩解了分級式配電中配電設(shè)備端的電纜集中情況，但增加了電纜到配電設(shè)備的轉(zhuǎn)接。

在整星總的用電需求下，3種方案需要的配電模塊的數(shù)量是一致的，綜合業(yè)務(wù)單元設(shè)備的多少僅表明配電模塊集成的程度不同。在此情況下，雖然綜合業(yè)務(wù)單元設(shè)備的多少影響配電系統(tǒng)的質(zhì)量，但主要的影響是對設(shè)備數(shù)量引起的電纜長度以及電纜到設(shè)備的轉(zhuǎn)接數(shù)量變化。因此，配電系統(tǒng)的質(zhì)量由電纜長度、配電設(shè)備以及電纜到設(shè)備的轉(zhuǎn)接、固定支架等的質(zhì)量決定，但在整星方案設(shè)計(jì)階段，難以通過上述因素的定量計(jì)算評估3種配電方案輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

3輕量化配電系統(tǒng)方案評價(jià)

3.1輕量化配電系統(tǒng)指標(biāo)

為了使方案選擇的可比較性保持一致，主要從走向和組成2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行輕量化配電方案的篩選。走向是從整星設(shè)備布局和電纜網(wǎng)走向的角度出發(fā)，通過衛(wèi)星構(gòu)型、布局、優(yōu)化電纜走向、縮短電纜長度，實(shí)現(xiàn)配電輕量化，由電纜網(wǎng)的導(dǎo)線、接插件、固定支架及扎帶4個(gè)方面組成。在走向優(yōu)化的前提下，導(dǎo)線的質(zhì)量通過電纜長度體現(xiàn)，通過優(yōu)化接插件、固定支架及扎帶的使用數(shù)量實(shí)現(xiàn)配電的輕量化，其中接插件的類型與數(shù)量與綜合業(yè)務(wù)單元的數(shù)量、整星艙段（在分艙的情況下，電纜需要轉(zhuǎn)接，增加接插件）有關(guān)，固定支架及扎帶的使用數(shù)量與電纜長度有關(guān)。綜合業(yè)務(wù)單元設(shè)置的數(shù)量多，電纜至設(shè)備端的接插件數(shù)量增加，但電纜長度減少，固定支架及扎帶的使用數(shù)量減少。

在上述決定電纜網(wǎng)質(zhì)量的指標(biāo)中，不僅它們的量綱不同，彼此之間也存在耦合，在進(jìn)行性能指標(biāo)綜合時(shí)難以直接對比。因此需要對評價(jià)指標(biāo)采用統(tǒng)一的度量方式。

3.2層次分析法分析過程

（1）建立輕量化配電系統(tǒng)方案的層次結(jié)構(gòu)模型

對于整星輕量化配電的指標(biāo)評估體系，分析影響整星配電系統(tǒng)質(zhì)量的環(huán)節(jié)及因素，建立層次結(jié)構(gòu)模型，整星輕量化配電層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。最上層整星輕量化配電是系統(tǒng)目標(biāo)層，最下層為方案層，中間為準(zhǔn)則層。衛(wèi)星構(gòu)型（艙段數(shù)量影響電纜的轉(zhuǎn)接）、設(shè)備布局、綜合業(yè)務(wù)單元數(shù)量、電纜走向、導(dǎo)線、接插件類型和接插件數(shù)量等諸多要素狀況直接對系統(tǒng)輕量化配電能效有較大影響，將其作為準(zhǔn)則層。

（2）構(gòu)造判斷矩陣

對準(zhǔn)則層影響配電質(zhì)量因素的影響程度進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造正互反矩陣，影響程度采用Saaty等人提出的1～9數(shù)字標(biāo)度法，代表因素相比于因素對輕量化配電影響程度。

（4）層次總排序及其一致性檢驗(yàn)

按照步驟可完成各因素對整星輕量化配電的權(quán)重系數(shù)分析，結(jié)合3種配電方案，將各因素與對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行加權(quán)，得到輕量化配電方案的量化分析結(jié)果。

分析結(jié)果表明，對輕量化配電影響較大的因素為衛(wèi)星構(gòu)型、設(shè)備布局、電纜走向、導(dǎo)線以及綜合業(yè)務(wù)單元數(shù)量，接插件類型、數(shù)量、固定支架和尼龍?jiān)鷰У纫灿绊懻桥潆娰|(zhì)量，但不是主要因素。

在分艙式衛(wèi)星構(gòu)型下，混合式配電在設(shè)備布局、電纜走向、綜合業(yè)務(wù)單元數(shù)量等方面更有優(yōu)勢；在一體化衛(wèi)星構(gòu)型下，分級式配電在設(shè)備布局、電纜走向和綜合業(yè)務(wù)單元數(shù)量等方面更有優(yōu)勢。

4結(jié)束語

在層次分析法研究的基礎(chǔ)上，以衛(wèi)星方案階段配電系統(tǒng)方案為例建立了輕量化實(shí)現(xiàn)的評價(jià)模型，通過構(gòu)造判斷矩陣、判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)等步驟在衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段需要根據(jù)任務(wù)要求、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)可行性等多要素開展衛(wèi)星總體方案、各分系統(tǒng)方案的多方案比較。將層次分析法應(yīng)用于衛(wèi)星配電系統(tǒng)輕量化實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)選，為衛(wèi)星總體方案及其他分系統(tǒng)系統(tǒng)多方案比較提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉占偉，鄧四二，滕弘飛.復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案評價(jià)方法綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003（12）：1488-1491.

[2]項(xiàng)磊，楊新，張揚(yáng)，等.基于層次分析法與模糊理論的衛(wèi)星效能評估[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013，30（2）：55-61.

[3]趙沖，郭宏偉，鄧宗全，等.變構(gòu)型桁架式衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，50（1）：11-17.

[4]馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，2005.

[5]劉奕宏，張明，鮑恩竹.綜合電子體系下的航天器配電體制研究[C]//中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.福州：中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)，2015：174-179.

[6] SAATY T L.The Analytic Hierarchy Process[M].New York： McGraw-Hill Company，1980.

[7]許樹柏.層次分析法原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，1988.

[8]陳琦等.航天器電源技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2018.