SAR衛星電源系統設計與仿真研究

喬明 朱立穎 李小飛 杜青

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

SAR衛星電源系統設計與仿真研究

喬明 朱立穎 李小飛 杜青

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

根據SAR衛星有效載荷的脈沖、大功率工作等典型特點及對電源母線穩定度的較高要求，設計了單母線、不調節電源系統方案，建立了電源系統的仿真模型。針對不同負載情況，分別對SAR衛星處于光照區和地影區時，其脈沖大功率電源系統在恒功率負載、負載突減和負載突加的情況進行了仿真分析。仿真結果表明此電源系統穩定，能夠滿足SAR衛星有效載荷的供電要求。

SAR衛星；高穩定度；母線

1 引言

主動微波遙感技術——合成孔徑雷達（SAR）自1978年美國成功發射載有SAR的海洋衛星-A（SeaSat-A）之后，世界各發達國家相繼發射了SAR衛星［1］，這標志著SAR衛星已成功進入從太空對地面進行觀測的時代。目前，SAR衛星進入了飛速發展的新世紀，各航天國家都在發展自己的SAR衛星［］。

電源系統作為衛星重要的組成部分［3］，為衛星平臺及載荷電子設備提供能源，是衛星生存及可靠工作的基本保障。然而，SAR衛星在供電方面具有功耗大和脈沖功率的特點，功率需求可達8～20 k W，遠高于光學遙感衛星3 k W的功率需求。大功耗及脈沖功率對母線的穩定度均具有較大影響，SAR衛星對母線穩定度又有較高的要求，這給電源系統的設計帶來了較高的難度。

為了滿足上述需求，國內目前已發射和在研的SAR衛星電源系統均采用了雙獨立母線系統設計，即平臺負載采用全調節母線，SAR載荷單獨使用不調節母線。但雙母線電源系統設計復雜，設備數量多，體積、質量大，技術方案不夠優化。隨著國內空間二次電源技術的發展，可適應輸入電壓16～120 V范圍變化，這為單母線電源系統的應用提供了條件。國外大多數SAR載荷衛星電源系統采用了不調節單母線系統，如意大利空間局研制的“地中海盆地觀測小衛星星座”（COSMO-Sky Med）雷達衛星，加拿大2006年發射的雷達衛星-2（RADARSAT-2），歐洲航天局的哨兵-1（Sentinel-1）和哨兵-3（Sentinel-3）SAR衛星等。

本文針對國內SAR載荷衛星電源需求，首先分析了SAR衛星電源系統特點，從母線體制、調節方式兩方面進行了方案比較，然后設計了與現有SAR衛星電源系統相比，具有質量體積小、母線穩定性高等優點的不調節單母線電源系統，并采用Matlab仿真工具，對SAR衛星電源系統及其負載進行建模，針對不同負載工作模式對母線穩定性進行了驗證。

2 SAR衛星電源系統特點分析

2.1 母線體制

1）單母線供電體制

單母線供電體制為一次電源單母線輸出，穩定負載和脈沖負載共用一條供電母線，優點是電源系統的設備數量較少，體積和質量較小，能夠充分合理利用能源，成本相對較低。國外大多數SAR衛星采用單母線供電體制。

2）雙母線供電體制

雙母線供電體制為一次電源雙獨立母線輸出，兩條母線在衛星接地點單點共地，一條供給穩定負載，一條供給脈沖負載，優點是能夠有效避免脈沖負載對穩定負載帶來的干擾，缺點是電源系統的設備數量較多，體積和質量相對較大，由于每條母線電源獨立且均要留有一定的安全余量，導致母線能源利用率降低。

2.2 調節方式

1）全調節母線

全調節母線系統供電母線電壓在軌期間始終穩定在規定范圍內，光照期調節太陽電池陣輸出電壓，完成對母線的供電和對蓄電池組的充電，聯合供電或地影期調節蓄電池組輸出，穩定母線電壓［4］。全調節母線優點是供電母線電壓始終穩定在規定范圍內，穩壓精度高；缺點是電源控制器的體積、質量和熱耗較大，電源系統的輸出阻抗較大，在短期負載加載、卸載和脈沖負載工作時，母線電壓的波動和干擾較大。因此，全調節母線適用于對母線電壓要求較高，且用電負載相對穩定的衛星電源系統。

2）半調節母線

半調節母線是在全調節母線的基礎上去掉蓄電池組的放電調節，半調節母線系統電源控制器只調節太陽電池陣的輸出電壓，在地影期或聯合供電時母線電壓被蓄電池組電壓鉗位，隨蓄電池組電壓變化而變化。半調節母線系統適用于用電設備多數為長期穩定負載，光照期太陽電池陣的輸出功率能夠滿足負載需求的場合。但對于SAR載荷衛星，由于光照期需要頻繁聯合供電，因此并不適用。

3）不調節母線

不調節母線系統是指不對供電母線電壓進行調節，母線電壓始終隨電池組電壓變化而變化，光照期，太陽電池陣輸出功率首先滿足負載需求，然后滿足充電需求，在滿足供電和充電需求后對地分流。電源控制器只對太陽電池陣輸出功率進行充電調節。不調節母線系統的優點是母線具有極小的輸出阻抗，極快的響應速度，最大限度地滿足了短期峰值負載和脈沖負載的供電需要，非常適合SAR衛星電源的使用要求，此外還具有電源系統控制簡單，電源控制器體積重量和熱耗小，可靠性高等優點。

3 SAR衛星電源系統設計

通過上述分析，電源系統設計采用不調節、單母線方案。不調節母線工作原理為，電源控制器（PCU）采集電池組的電壓和充電電流值，控制分流開關的開通與關斷，當蓄電池組需要充電時，PCU控制分流開關關斷，太陽電池陣輸出功率首先滿足負載需要，剩余功率為蓄電池組充電，如果太陽電池陣的輸出功率不能滿足負載需要，蓄電池組參與放電，聯合供電。當蓄電池組充滿電后，太陽電池陣輸出功率只滿足負載需要，多余功率由PCU控制對地分流［5-7］。以負載功率峰值8000 W的SAR衛星為例，電源系統配置16 m2三結砷化鎵太陽電池陣、2組鋰離子蓄電池組、1臺電源控制器，電源系統設計指標如下:

（1）母線電壓:45～67.5 V；

（2）太陽電池陣:三結砷化鎵，輸出功率3100 W；

（3）蓄電池組:鋰離子蓄電池，容量240 Ah；

（4）電源控制器:10路分流；

（5）負載功率:峰值8000 W。

不調節母線的太陽電池陣輸出電壓始終被蓄電池組鉗位，太陽電池陣的最大工作點電壓要滿足蓄電池組最高充電電壓需要。不調節母線系統結構見圖1。

圖1 電源系統結構原理圖Fig.1 Schematic of power system

不調節母線輸出特性直接取決于蓄電池組，為增加濾波效果，在母線上還并聯了電容陣。電源母線輸出分兩路，分別到平臺配電器和SAR配電器，經濾波器濾波、二次電源變換后給平臺負載及SAR供電。

4 SAR衛星電源系統仿真模型

采用Matlab軟件對不調節母線電源系統進行了仿真模型，并進行相應的仿真結果研究。不調節母線電源系統建模，包括太陽電池陣模型、鋰離子蓄電池組模型及電源控制器各模塊模型。仿真輸入參數見表1。

表1 仿真輸入參數Table 1 Input parameters of simulation

4.1 太陽電池陣模型

太陽電池陣輸出電壓與電流具有非線性特性，其輸出與負載、電池工作溫度及太陽入射光強有關。在溫度及光強不變的條件下，其輸出負載重載，則太陽電池陣列的輸出具有恒流特性；其輸出負載輕載，則太陽電池陣輸出具有恒壓特性。太陽電池陣模型如式（1）、（2）、（3）所示。

式中:I為太陽電池陣輸出電流，V為太陽電池陣電壓，ISC為短路電流，VOC為開路電壓。

式中:Imp為最佳工作點電流，Vmp為最佳工作點電壓。

4.2 鋰離子蓄電池組模型

鋰離子蓄電池組電壓與荷電狀態之間存在關聯，根據參考文獻［8］，可以得到蓄電池組模型如式（4）和式（5）所示。其中式（4）為放電模型，式（5）為充電模型。

式中:Ed為放電電壓，E0為初始電壓；K為蓄電池內阻，取0.012；A為指數點電壓，取3.6；B為容量在指數點電壓，取96；id為放電電流；Q為蓄電池最大容量，取120；Qdis為放電容量。

式中:Ec為充電電壓，ic為充電電流，Qch為充電容量。

4.3 控制器模型

控制器模型主要包括分流仿真模塊和恒壓恒流充電驅動仿真模塊。圖2給出了不調節母線的分流仿真模塊，圖3給出了不調節的恒壓恒流充電驅動仿真實現模塊。

圖2 不調節的分流仿真模塊Fig.2 Unregulated shunt simulation model

圖3 不調節的恒壓恒流充電驅動仿真實現模塊Fig.3 Unregulated charging simulation model

5 不同負載下仿真結果及分析

本文分別對光照區和地影區時，SAR衛星高穩定度不調節母線的恒功率負載、負載突減和負載突加、負載脈動模式的情況進行了仿真分析，以下對仿真結果進行說明。

由圖4可知，光照區的電壓鉗位在蓄電池組的充電電壓點。母線的電壓紋波小于250 m V，該紋波的產生主要的因素是蓄電池組充電的采樣電阻造成，如果采樣電阻選取5 mΩ，充電電流為10 A時，則由于采樣電阻帶來的紋波低至50 m V。圖5給出了光照區SAR負載130 A突變為30 A時的動態測試結果。圖6給出了該動態測試的時基檔1 ms時的測量結果。圖7給出了光照區SAR負載30 A突加至130 A時的動態測試結果，母線瞬時跳變小于0.4 V。

圖4 光照區時SAR不調節母線恒功率負載仿真Fig.4 Simulation of constant load during sunlight

圖5 光照區時SAR不調節母線負載突減仿真結果Fig.5 Simulation of decreasing load during sunlight

圖8給出了SAR衛星在恒功率情況下的地影區高穩定度不調節母線的仿真情況。通過分析得出，不調節的母線電壓在地影區時隨著蓄電池組的放電，母線電壓也隨之下降。圖9給出了地影區時SAR衛星突減時的仿真結果，母線電壓的跳變為0.5 V。

圖6 光照區時SAR不調節母線負載突減（基檔1 ms）Fig.6 Simulation of decreasing load during sunlight（time interval 1ms）

圖7 光照區時SAR不調節母線負載突加仿真結果Fig.7 Simulation of increasing load during sunlight

蓄電池組放電時母線電壓一直被蓄電池組電壓調節，由于蓄電池組處于放電狀態，所以蓄電池組不能達到充電時的電壓值。圖10給出了SAR負載處在脈動模式時的母線電壓仿真分析。圖11給出了地影區時，SAR衛星母線的負載突加時的母線仿真分析。

圖8 地影區時SAR不調節母線恒功率負載仿真結果Fig.8 Simulation of constant load during eclipse

圖9 地影區時SAR不調節母線負載突減仿真結果Fig.9 Simulation of decreasing load during eclipse

從仿真結果可知，在光照區和地影區，SAR載荷工作時，母線穩態紋波小于250 m V，母線的瞬態跳變在0.5 V以內。對于衛星平臺負載，一般能夠承受的母線紋波大于600 m V，瞬態跳變大于2 V。因此，單母線不調節電源系統能夠滿足平臺負載及SAR載荷對母線的需求。

圖10 地影區時SAR不調節母線脈動模式仿真結果Fig.10 Simulation of pulse load during eclipse

圖11 地影區時SAR不調節母線負載突加仿真結果Fig.11 Simulation of increasing load during eclipse

6 結束語

針對SAR衛星供電需求特點，本文設計了基于三結砷化鎵太陽電池陣、鋰離子蓄電池組的單母線、不調節電源系統，在減輕了分系統體積、質量的同時，也提高了母線穩定度，相比傳統的雙母線、全調節衛星電源系統，在SAR衛星應用上更具優勢。同時通過建模和仿真分析，對設計結果進行了驗證，無論在光照期還是地影期，在SAR載荷各種加、減載及脈動工作模式下，電源系統的瞬態跳變均小于0.5 V，母線紋波均小于250 m V，仿真結果表明不調節單母線電源系統具有較高的穩定度，可為未來SAR載荷衛星電源系統設計提供參考。

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（編輯：李多）

Design and Simulation on Power Supply System of SAR Satellite

QIAO Ming ZHU Liying LI Xiaofei DU Qing
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

According to pulse and high power characteristic of SAR satellite which requires high stability power busbar，single bus and unregulated power system is designed and a simulation model of power system is established in the paper.The SAR satellite pulse and high power system is simulated under different load conditions，including the condition of constant power load，sudden load decrease and sudden load increase，respectively.The simulation results display that the power system is stable which can fully meet the requirements of the SAR satellite.

SAR satellite；high stability；busbar

V442

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.008

2014-10-11；

2015-03-02

喬明，男，工程師，從事航天器供配電總體設計工作。Email：qiaoming5@163.com。