衛星矩陣式電纜機電聯合優化設計

宗可 王志富 徐珩衍 吳瑞蘭 王依一 成艷

(中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

衛星矩陣式電纜機電聯合優化設計

宗可 王志富 徐珩衍 吳瑞蘭 王依一 成艷

(中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

針對目前矩陣式電纜設計周期長、質量相對較大、長度難以估算的問題，文章提出了機電聯合的設計方法。該方法包含模型建立、長度評估和優化算法3部分。首先，通過接口電路建模和輕量化三維路徑建模，將圖形化設計與參數化設計相結合；其次，通過梳理各分支點之間的數學邏輯關系，實現了電纜長度即時估算；最后，針對接點分配設計環節，提出一種自動迭代優化設計算法，進一步提高了設計效率和品質，并對影響算法復雜度的因素進行了分析。以某衛星為例，對優化設計方法進行了驗證。結果表明：此方法可以有效縮短設計周期，并且電纜長度較優化前減少約8%。

衛星矩陣式電纜；機電一體化；接點設計；走向設計；長度預估

1 引言

矩陣式遙測和矩陣式指令是星載綜合電子的一項核心技術[1]，主要優點是節省了所需元器件與電纜的數量，可以顯著減小衛星平臺質量，其廣泛應用于我國各類通信衛星。普通遙控指令輸出電路采用一根正線和一根回線對應一個指令負載的連接方式，而矩陣指令驅動電路可通過m根行控制線和n根列控制線控制m×n個指令負載，當某條指令需要對某一設備進行控制時，需要同時接通該指令所對應的行開關和列開關，此時矩陣式指令驅動電路為對應的負載設備建立了由電源到地的供電回路，從而驅動負載動作。在驅動設備與負載設備的電纜連接關系上形似一個矩陣網絡，故矩陣式指令驅動電路與負載間的連接電纜或狀態采集電路與負載間的連接電纜統稱為矩陣式電纜，矩陣式電纜屬于衛星低頻電纜網的一部分。由于在連接關系上存在一對多、多對一等復雜情況，同時設備布局、接點分配、過渡設計、走向設計等因素互相耦合導致電纜的設計復雜程度高，設計周期長，調整代價大。因此，研究并采用優化方法和高效工具完成矩陣式電纜設計對衛星復雜電纜網研制具有重要意義。

電纜設計主要涉及機械設計和電氣設計兩個學科領域。對于矩陣式電纜，需要采用機電聯合的設計方法，即通過在機械和電氣設計間進行反復迭代，使得設計結果滿足布局、走向以及接口電路特性等邊界條件[2]，在此基礎上，對設計耗時和電纜質量做進一步優化。目前，針對電纜數字化布局設計，國外機構開發了如Co-Star系統[3]、基于Pro/E[4]軟件或CATIA平臺的電纜設計模塊等，針對電纜網數字化設計開發了CHS平臺[5]，這些已在國外航空、航天、汽車等領域的線纜線束設計中廣泛應用[6]，如法國THALES公司將衛星電纜研制外包給空中客車公司，并采用達索公司的數字化解決方案。國內的相關領域專家也提出了數字化電纜網設計的新流程和新思路[7]。然而，針對矩陣式電纜的機電聯合設計，至今為止國內外尚未見公開發表文獻?，F有電纜設計方法和工具大多側重于機械或電氣設計，業務流程基本保持串行，對于矩式陣電纜，如果套用一般電纜設計方法，在路徑定義、接點分配等關鍵環節則較為依賴人工經驗，可能導致設計周期長達數周，并且難以在減重方面獲得更優的設計結果。在機電耦合條件下，對聯合設計方法研究不足，缺少基于數字化模型的快速迭代設計方案。

為了提高設計效率，減小電纜質量，本文對電纜走向和接點設計緊耦合條件下的設計原則、建模方法進行了研究，提出了基于模型的機電聯合設計方法，并在衛星中進行了實際應用和驗證。

2 矩陣式電纜接點與走向設計原理

2.1矩陣式電纜接點設計原理

矩陣式指令通過行(高電平端)控制線和列(低電平端)控制線來控制負載的工作。當某條指令需要對某一設備進行控制時，需要同時接通該指令所對應的行和列，此時矩陣式驅動電路為對應的負載設備建立了由電源到地的供電回路，從而驅動負載動作(見圖1)。

類似地，矩陣式遙測采集電路也是通過行和列控制線來完成負載的遙測輪流采集。

對于指令負載端設備，如果帶有多個負載，則接口通常也采用矩陣式電路，如圖2所示，為2個負載組成的接口電路，對應兩個不同負載的指令1、2從行接點1、2分別接入，以接點3作為回線，因此兩個負載共用一個指令回線接點。

對于矩陣式指令電纜接點分配工作來說，是將驅動端設備接點與負載端設備接點建立映射關系，通過電纜進行物理相連，形成指令脈沖控制回路，來達到通過驅動端設備控制各星上負載設備執行相應動作的目的。

在分配的過程中要遵循以下基本原則：

(1)驅動端與負載端的行列關系應一致，行線對應行線，列線對應列線；

(2)負載端非共用行/列線時，應分配不同的驅動端行/列與之相連；

(3)禁止不同負載的行和列同時與驅動端的相同行和列相連，否則將造成同一指令同時驅動多個負載的情況。

同理，遙測采集端和負載端也遵循以上連接原則。

實際上，衛星上設備矩陣式接口類型多樣，行列線數量、對應接點編號、共行或共列接點情況都要通過對接口電路圖進行詳細分析才能確定，人工完成接點設計工作極為繁瑣、復雜。

2.2矩陣式電纜走向設計原理

矩陣式電纜走向設計分為預設計和正式設計兩個階段。在預設計中，需要根據矩陣式設備(即采用矩陣式接口電路的設備)的布局位置，完成電纜路徑的定義，包括主路徑和分支路徑，主路徑從具有矩陣式指令發送或遙測采集功能的設備出發，對大部分矩陣式設備所在艙板進行遍歷后返回起始點。分支點一般選擇主路徑上離目標矩陣式設備最近的位置。

主路徑定義是否合理對電纜長度起決定作用。在布局設計中盡量考慮將矩陣式電纜兩端設備靠近，減少主束長度。主路徑適當靠近占用行列線數較多的區域，減少分支長度。

同時，主路徑和分支路徑上鋪設的電纜束中信號線的根數與接點設計密切相關。由于矩陣接口電路的特殊性，通過對連接負載所用行列信號線進行合理的復用，可以減少分支甚至主束電纜中線纜的根數。

綜上，以減少電纜總長度為目標，電纜走向設計與接點設計具有較強的耦合性。

3 機電聯合設計及優化技術

現有設計方法采用布局、預走向、接點、過渡插頭、接點表到三維模型設計的串行工作模式，當三維模型設計完畢后，才能夠完成詳細評估，這樣使得迭代周期長。本文所提出的聯合設計方法，采用風險評價前移策略，在接點設計完成后對長度進行快速評估，降低由于最終設計重量超差導致返工的風險，通過基于模型的全數字化設計，各環節間實現了無縫連接，縮短了信息傳遞轉換的時間，優化了設計效果。

3.1電纜路徑及分支關系建模及長度評估

為了使走向預設計結果能夠直接應用于接點分配設計，需要構建從三維路徑模型到二維分支長度的數據交互中間件。再由軟件根據中間件計算提取分支關系和長度信息。圖3中綠色線為三維設計軟件定義的電纜路徑。

由于衛星上大量采用矩陣式接口設備，導致電纜分支可達百余個，為了最小化迭代設計中的人工干預工作量，經過多種方案比較，確定將路徑上所有接插件之間長度作為數據交互中間件。根據接插件兩兩之間的長度，經過長度加減計算可得到路徑上各分支點的位置即相對起點的長度，同時可以獲得路徑上所有矩陣式電纜接插件的分支關系，完成對電纜的無向圖表達，如圖4所示。在完成接點設計后，可以獲得每段路徑上的電纜根數，長度累加后即可快速預估總長度。通過上述輕量化建模方法，可以簡化電纜長度預估，并用于后續接點分配設計迭代計算。

3.2矩陣式接口電路建模

由于星上設備矩陣式接口類型多樣，接點數量、負載關系、電路特性等不盡相同，因此，需要對矩陣式接口電路進行數字化建模，以便于計算機按照接口模型對接點進行自動分配?？刹捎脠D形化的表達方法進行建模，方法如下：

假設一臺指令負載端設備具有9個矩陣式指令，分別由3條行控制線和3條列控制線完成指令控制。則其接口等效拓撲模型如圖5所示。

圖5中，9個指令代號分別為M到U，接口電連接器上的接點名稱分別為R1，R2，R3，C1，C2，C3，對應的接點編號為1～6點，R為行控制點，C為列控制點。

已知，通過接口電路可以判斷指令驅動端設備與該負載設備的R1(1點)和C1(4點)相連后可以形成控制回路完成指令M的驅動，同理如R1，C2為驅動指令N的相關接點。

同理，對于指令驅動端設備而言，也可以建立一個類似的等效模型。

根據接點分配原理，可以通過拓撲模型將建立接點物理映射關系的工作轉化為模型之間的虛擬映射，如圖6所示，右側3×3小矩陣應按照相互之間的關系，“鑲嵌”到指令發送端矩陣塊中，如，指令M與指令b建立對應關系，N與c建立對應關系；又如，圖6(b)中M、P、S為共列(共用C1’列)，則“鑲嵌”到圖6(a)發送模塊中時對應的位置也必須為共列。

遙測電路與指令電路建模原理相同。通過接口建模，并經過圖形化處理，可以將物理邊界條件轉化為圖形與圖形間的邊界條件，在設計過程中只需關注圖形間的相對關系，可以簡化設計規則，并顯著降低設計難度，提高設計效率。進一步將模型轉化為計算機可以識別的公式語言，以便于數字化設計。

3.3矩陣接點優化分配算法

從3.2節所述等效模型的角度考慮，接點分配就是確定“鑲嵌”的位置，位置的不同決定了哪些設備將復用相同的行線電纜和列線電纜，分配的基本約束條件為模型與模型的位置在二維平面內不重疊，優化目標為電纜總長度最短，即Min(∑Ln)，電纜每個分支點之間的長度Ln可以通過3.1節所述“中間件”獲得。實際上，現有人工分配方法的基本思路是按照矩陣式設備遍歷順序依次進行分配，同一設備盡量集中分配，后面排的設備本著盡量復用行列減少電纜長度的原則，盡可能使用較少的正線(行線)和回線(列線)。

然而，對于電纜總長度的計算，電纜主束和分支的路徑與線纜的復用即接點設計結果存在耦合，只有在合理的分支關系和路徑下，通過合理的復用行、列線纜，才可以達到電纜總長度的最優設計。

不同于超大規模集成電路布線問題[8]和二維裝箱問題[9]，矩陣間的連接關系是隨行列選擇設計而變化；不同于多旅行商問題[10]，不僅存在容量限制，且旅行商間存在約束關系；本問題是一個二維帶沖突和容量約束的車輛路徑問題[11]，屬于一類多項式復雜程度的非確定性問題。對于此問題的處理，為了實現計算時間可控的設計優化，權衡復雜度和優化效果，首先利用經驗設計有限個路徑方案，確定分配區域，簡化迭代，再根據算法分別完成模型的位置選擇，可以快速獲取較優解。

1)路徑選擇

由于衛星結構布局限制，實際可供選擇的路徑有限，可以采用“魚骨”型或者“Z”字型走線方式，確定若干個路徑分支方案，再分別進行接點優化設計，最后根據長度計算結果選擇最優方案。

2)分區處理

矩陣式遙測和矩陣式遙控是兩個不同的模塊，需要分開處理。為了減少電纜穿艙和跨板，所有矩陣式設備按布局分為有限個區域。

3)選排算法

實現了一種啟發式的構造算法。在每次選定待排矩陣后，在有限個待排位置上進行嘗試，并計算電纜總長度增量，選取增量最小的排布方式；依次選擇待排矩陣直到所有矩陣排列完畢。矩陣可分配接點的總數是預先規定的，每選排一個矩陣之后，要檢查是否有剩余空位，如果沒有空位直接終止程序并報告，如果有空位則繼續選排下一矩陣。算法見圖7。

如圖7中所示，首先獲取全部矩陣模型，按照3.1節方法獲取路徑上所有矩陣式電纜接插件的分支關系建立樹形結構，對全部矩陣按照占用行或列數由大到小進行排序，如果數量相同則行列數之和大的排序靠前，選擇未排矩陣中排序靠前的進行排布位置嘗試。選定矩陣后，將該矩陣排到增量最小的位置，增量相同的情況下，如果已用行數小于已用列數，則優先占用行，反之占用列，隨機位置作為以上步驟仍無法區分優先級的補充方法。接下來，按照排序選擇同一設備上的其他矩陣，按照行列數之和最小的排列形式與已排矩陣進行組合排布。重復上述步驟直到同一設備所有矩陣排放完畢后，按照樹形結構順序先后選擇上一個排完的設備所在電纜分支上的其他設備，直至排完該分支上所有設備。排完同一分支上所有設備后，選擇主束上后續分支上的設備重復上述步驟，直至全部矩陣排放完畢。最后檢查是否可以通過挪動矩陣填補空格來減少使用的行列數。

4 實例分析

根據本文所述建模和計算方法，用C語言編寫了輔助設計軟件，基于CATIA軟件進行了接口二次開發，用于獲取儀器布局和路徑模型，可以完成設備電接口信息收集、確定分區、接點分配和路徑選擇，輸出矩陣接點分配表。流程如圖8所示，實線框中為軟件執行部分。通過數字化工具手段，確定分區、路徑建模、接點分配以及接點表輸出等環節的設計用時，可從之前的數天縮短為數小時。

以某實際設計完成的通信衛星為例進行了驗證，并與原設計結果進行了比較。整星矩陣式遙測大于400條，矩陣式指令大于700條，涉及矩陣式設備超過70臺，全部安裝在通信艙。南、北板各配置一個指令發送模塊和一個遙測采集模塊。根據有限種路徑方案并行設計和計算，最終可確認原 “魚骨”型走向方案最優，證明采用人工經驗確定路徑簡化算法的優化方案可行，本文不再對布局和走向輸入條件進行羅列,僅進行接點分配調整。以某矩陣式指令模塊為例，圖9為原人工分配結果，每個格子代表一條指令，同一設備的指令按照等效模型排放在一起，相鄰不同設備顏色不同，基本采用依照設備遍歷順序結合經驗進行設計。圖10為采用本文提出的優化分配算法的設計結果。根據布局將待分配區縱向劃分為兩個區域，結合電纜路徑信息，由計算機根據選排原則自動進行分配。

根據上述接點設計結果，經過長度計算，分別可以得到優化設計前后的矩陣式電纜總長度(按單根信號線計算)，見表1。

表1 電纜總長度預算結果比對

由于設備布局未變，電纜路徑在優化前后實際未做調整，因此在本例中僅通過接點分配調整即可優化減少電纜共124 700 mm，約等于124 m，占矩陣式電纜總長度約8.7%。按照矩陣式電纜使用的實際型號換算，單根信號線密度為2.6 g/m，減少電纜長度1 305 230-1 180 530=124 700 mm，減小質量為124 700 mm×2.6 g/m=324.22 g。

5 結束語

本文提出了針對矩陣式電纜設計的機電聯合優化設計方法，采用衛星實際飛行數據進行了驗證，經與原設計方法比較，優化后的電纜長度較之前減少8%，通過數字化工具手段，矩陣式電纜設計流程中確定分區、路徑建模、接點分配以及接點表輸出等環節的設計用時縮短為數小時，證明了優化設計方法及軟件算法的合理性和有效性，達到了優化矩陣式電纜設計及縮短研制周期的預期結果。

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Optimal Mechatronic Design Research for Matrix Cables Used on Satellite

ZONG Ke WANG Zhifu XU Hangyan WU Ruilan WANG Yiyi CHENG Yan

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

A mechatronics design method is presented in this paper aim to shorten overlong design cycle, lighten cable weight and reduce the difficulty of estimating length. This method is consisted of three parts including building models, length estimate and optimal algorithm. First, graphic design and parametric design are combined by interface circuit modeling and lightweight 3D route modeling. Then, real-time cable length estimate is achieved by calculating mathematical logic between junctions. At last, an automotive interactive optimized method is raised to enhance working efficient and quality. Factors which effect algorithm complexity are analyzed. Real project data is used to prove the effectiveness of the proposed method. The result shows that this method can shorten design cycle with 8% cable length reduced after optimization.

matrix cable used on satellite; mechatronics; junction allocation; route design; length estimate

TN702.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.003

2017-04-28；

2017-06-06

國家重大航天工程

宗可，男，工程師，從事衛星信息總體設計工作。Email：375026955@qq.com。

(編輯：李多)