衛(wèi)星電纜網(wǎng)自動化布局布線技術(shù)研究

習(xí)成獻，孔陳杰，張 強，劉恩權(quán)

（中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203）

0 引 言

隨著航天技術(shù)的高速發(fā)展，衛(wèi)星產(chǎn)品向小型化、模塊化與一體化方向發(fā)展。電纜網(wǎng)是衛(wèi)星電氣和信息傳輸?shù)谋匾d體。衛(wèi)星電纜網(wǎng)設(shè)計與布局布線的合理性，對整星的電磁兼容性至關(guān)重要[1-2]。此外，近幾年衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，設(shè)計和生產(chǎn)任務(wù)日益繁重。因此，在保證電纜網(wǎng)設(shè)計質(zhì)量的前提下，提高電纜網(wǎng)設(shè)計效率和電纜網(wǎng)研制的自動化程度成為電纜網(wǎng)設(shè)計的關(guān)鍵因素[3]。因此，本文提出了一種自動化布局布線技術(shù)，以降低復(fù)雜電纜網(wǎng)設(shè)計和布局布線難度，提高效率和可靠性。

1 設(shè)計方案

方案基于Pro/E的二次開發(fā)，以Cabling模塊為基礎(chǔ)，按照“功能鏈”設(shè)計理念，采用自頂向下的設(shè)計模式，對常規(guī)的電連接器建模，使用已建好的模型庫，依據(jù)各單機接口數(shù)據(jù)單，自動設(shè)計電纜網(wǎng)的節(jié)點表和整星電纜網(wǎng)[4]。通過衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)和單機布局自動設(shè)計分析每套電纜的走向、長度及重量，為整星電纜網(wǎng)的布局布線設(shè)計提供參考。此外，應(yīng)用仿真軟件仿真分析整星電纜網(wǎng)布局布線的安全性和合理性。當(dāng)單機的對外接口內(nèi)容變動時，可以借助軟件調(diào)整線束，不僅可以縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)次數(shù)，還能夠彌補測試工作（因人力和物力條件限制等），提高產(chǎn)品效率和可靠性。衛(wèi)星電纜網(wǎng)自動化設(shè)計，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星電纜網(wǎng)自動化設(shè)計框圖

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 設(shè)計原則

電纜網(wǎng)的可靠設(shè)計、合理布局是衛(wèi)星信號可靠、安全傳輸?shù)闹匾Ｕ稀？紤]衛(wèi)星電磁兼容性，電纜網(wǎng)設(shè)計和布局布線時，按照電纜所載的電壓、電流以及頻率等信號分別布線，防止電纜彼此耦合和串?dāng)_[5]。此外，需考慮產(chǎn)品的可維修性和布局布線的美觀性。

電纜網(wǎng)設(shè)計應(yīng)遵循的原則如下：

（1）供電電纜和信號電纜應(yīng)分開走線，不設(shè)計在同一線束內(nèi)；

（2）高頻電纜和低頻電纜分開布局；

（3）將敏感信號同易產(chǎn)生串?dāng)_信號電纜分開布線。

2.2 自動化設(shè)計方法

2.2.1 接口系統(tǒng)

接口系統(tǒng)設(shè)計輸入為標(biāo)準(zhǔn)的Excel和CAD模型，主要用于電纜網(wǎng)布線設(shè)計的快速識別。Excel首頁面為線規(guī)信息，其余頁面定義電纜網(wǎng)的節(jié)點信息；CAD模型為Pro/E軟件識別類型。電纜線規(guī)信息定義如表1所示。

表1 電纜線規(guī)定義

2.2.2 模型識別定義和支架快速布置

主要是定義和管理系統(tǒng)中需要布線的元器件基準(zhǔn)特性。建模時保存的基準(zhǔn)特性將作為布線的基準(zhǔn)，為后續(xù)演繹電纜網(wǎng)布線和生成電纜網(wǎng)等提供依據(jù)。

2.2.3 柔性化設(shè)計

依據(jù)自動生成的布線骨架模型，將參考面、各種坐標(biāo)系、點、軸線、曲線和曲面等勾勒出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀作為設(shè)計參考[6]，讀取總體設(shè)計模型中與電纜相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，在布線參考骨架模型中同步建立相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)作為三維線纜布局布線的設(shè)計基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星電纜網(wǎng)柔性化設(shè)計示意圖

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)路徑定義

對電纜網(wǎng)的布局布線路徑規(guī)劃進行空間約束。網(wǎng)絡(luò)路徑就是電纜的布局布線，由多個線段組成，定義了電纜網(wǎng)的“起點—支架—卡箍—終點”，根據(jù)相關(guān)的電連接器、支架的信息來擬合出路徑。

2.2.5 快速布線

依據(jù)輸入的Excel信息，可以創(chuàng)建包含電纜網(wǎng)所用導(dǎo)線明細(xì)表、加工技術(shù)要求等信息的二維電纜加工圖和人機交互的三維布局布線圖。二維電纜加工圖中包含詳細(xì)的節(jié)點關(guān)系數(shù)據(jù)，從布線數(shù)據(jù)庫中提取、重構(gòu)后的電纜分支信息生成電纜分支圖輔助模型，自動生成二維電纜加工圖，如圖3所示。人機交互的三維電纜布局布線圖使用簡化的節(jié)點關(guān)系數(shù)據(jù)，即將相同元器件之間的多條導(dǎo)線（針到針）進行合并處理，以優(yōu)化減少三維模型的數(shù)據(jù)量，電纜分支和線規(guī)信息經(jīng)解析與信息合并、抽取后進行三維電纜布局布線規(guī)劃[7]，其軟件流程如圖4所示。

3 設(shè)計實例與驗證

應(yīng)用本文設(shè)計的衛(wèi)星電纜網(wǎng)自動化布局布線技術(shù)，生成整星二維電纜加工圖和三維電纜布局布線模型圖，分別如圖5、圖6和圖7所示。在該模型圖上，設(shè)計師可以根據(jù)電纜布局布線要求手動調(diào)整電纜分支走向，獲取電纜分支長度、重量等信息。該技術(shù)已成功應(yīng)用在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上。裝星結(jié)果表明，電纜長度、分支信息、節(jié)點對應(yīng)關(guān)系均符合要求，電纜網(wǎng)重量顯著減輕，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)和電纜同步設(shè)計，縮短開發(fā)周期，大幅提高設(shè)計效率、設(shè)計精度和可靠性。

圖3 二維電纜加工圖的流程圖

圖4 三維電纜路徑規(guī)劃流程圖

4 結(jié) 論

針對目前衛(wèi)星電纜數(shù)量大、分支繁多、布局復(fù)雜的情況，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)和模型二次開發(fā)的手段，提出了一種自動化布局布線技術(shù)。目前，該技術(shù)已在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的電纜網(wǎng)設(shè)計中成功應(yīng)用，能顯著減輕電纜重量，提高電纜網(wǎng)設(shè)計的自動化和快速響應(yīng)程度，為復(fù)雜電纜網(wǎng)的研制和批量化、商業(yè)化的衛(wèi)星開發(fā)提供了一種有效方法和手段。

圖5 衛(wèi)星電纜二維加工圖

圖6 衛(wèi)星電纜三維布局布線圖

圖7 衛(wèi)星電纜三維布局布線圖（局部）