一種小型SAR衛星電源系統設計

雷英俊 馬亮 李海津

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

合成孔徑雷達(SAR)成像衛星可以提供全天時、全天候環境下的高空間分辨率全球觀測能力，1978年，全球第一顆 SAR衛星——美國的海洋衛星(SEASAT)發射升空，為空間微波遙感掀開了嶄新的一頁。隨著加拿大雷達衛星-1(Radarsat-1)等商用衛星的成功，對SAR圖像的需求越來越旺盛，SAR衛星的發展突飛猛進。隨著星載SAR技術的發展，分辨率等指標逐漸提高，系統功能逐漸增強，但衛星質量也在增加，其研制和發射成本也隨之增加。在低成本、高效費比要求和星載SAR載荷技術跨越式發展的雙重推動下，輕小型星載SAR將迎來加速發展的階段[1]。通常將質量在100 kg～500 kg的衛星稱為小衛星，與大衛星相比，小衛星具有快速反應能力強、研制周期短、投資風險小等優點。從已有的小衛星SAR所發揮作用來看，效費比明顯提高，研制費用大幅降低，在軍事和經濟上的應用越來越重要[2]。

已發射的小型SAR衛星主要包括以色列技術合成孔徑雷達(TecSAR)，衛星SAR天線采用拋物面天線，相對降低了對整器功率的需求，TecSAR系統功率為1.6 kW[3]。相對于反射面，SAR天線采用有源相控陣體制，波束控制更加靈活，能夠實現多種工作模式，但相控陣SAR天線質量大、功耗大，對小型SAR衛星的設計提出了更高的挑戰，要求電源系統質量更輕，提供更大的峰值功率。英國薩瑞衛星技術公司(STLL)研制的新型低成本合成孔徑雷達衛星系統(NovaSAR)是典型的輕小型SAR系統，系統功耗上升到2.2 kW。國內大型SAR衛星電源系統的研究工作發展迅速，已成功發射包括高分三號在內的多顆大型SAR衛星[4]，但國內對小型SAR衛星電源系統的研究還處于起步階段。

本文提出一種適合小型SAR衛星的電源系統設計方案。小型SAR衛星電源系統采用復合母線體制，在低壓不調節母線基礎上生成一條全調節母線和一條高壓不調節母線，利用全調節母線為平臺負載設備供電，滿足平臺負載的高穩定供電需求，利用高壓不調節母線為SAR載荷供電，滿足SAR載荷大功率脈沖供電需求。電源系統為平臺、SAR載荷分別配置能量型鋰離子蓄電池組和功率型鋰離子蓄電池組，有效保證衛星負載的不同用電需求。

1 小型SAR衛星電源系統設計

1.1 SAR載荷用電需求特點

通過小型SAR衛星任務的分析，小型SAR衛星對電源系統的用電需求特點如下。

1)SAR載荷與平臺所需功率差異懸殊，SAR載荷峰值功率大

受制于體積和質量，小型SAR衛星平臺長期功耗一般不大于300 W，但SAR載荷峰值功率高達5 kW，其載荷與平臺功率相差十分懸殊，電源系統須統籌考慮平臺設備供電需求與載荷設備供電需求。載荷與平臺所需功率差異懸殊，這與大型SAR衛星類似，但是在絕對功率等級上有所減小。

2)SAR載荷短時工作

與通信衛星和導航衛星不同，SAR衛星要求電源系統能夠適應其頻繁的大功率加減載需求，具體而言，電源系統首先要滿足衛星平臺設備的供電需求，為平臺設備提供高品質的供電母線；其次要求電源系統輸出阻抗極低，具備瞬時大功率輸出能力以快速響應載荷需求，并在加減載過程中保持電源系統的穩定工作，可靠地提供短期載荷峰值功率與平臺負載長期功率的供給。以地中海盆地觀測星座(Cosmo-Skymed)為例[5]，掃描模式每次最大持續時間為10 min，不同于大型SAR衛星，小型SAR衛星多是以星座組網模式運行，單次任務工作時間不長，一般不超過1 min。

1.2 設計約束

小型SAR衛星電源系統主要設計約束如下。

1)質量約束苛刻

大型SAR衛星電源系統質量都比較大，例如Cosmo-Skymed衛星電源系統質量為320 kg，我國高分三號衛星電源系統質量為365 kg。小型SAR衛星受質量約束，尤其是對于采用相控陣體制的小型SAR衛星，電源系統質量要求更加苛刻，對于1顆整星質量為300 kg的小型SAR衛星，電源系統質量要求不超過30 kg。

2)低成本

受成本限制，因此要求小型SAR衛星電源系統產品成本盡可能低，盡可能采用商用成熟化產品。

1.3 小型SAR衛星電源系統設計

為同時兼顧平臺負載和SAR載荷用電需求，小型SAR衛星電源分系統主要指標及要求見表1，拓撲結構如圖1所示。

圖1 電源系統結構圖Fig.1 Electrical power supply system block diagram

此小型SAR衛星電源系統拓撲有以下優點：

(1)采用復合母線體制，電源控制器對太陽電池陣和平臺蓄電池組進行功率調節，輸出一條全調節母線和一條高壓不調節母線，高壓不調節母線與載荷蓄電池組直接連接。

(2)SAR載荷使用高壓不調節母線，高壓不調節母線具有極低的輸出阻抗[6]，最大限度地滿足了SAR載荷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，載荷充電器使用隔離拓撲，降低了SAR載荷母線噪聲對平臺設備的影響。

(3)平臺采用全調節母線，平臺設備多為穩定的負載，需要高品質的母線以實現高效率和精確的衛星控制，若平臺設備直接使用不調節母線，不調節母線電壓變化范圍較大，對輸入電壓要求較高的用電設備需經過二次變換，增加了電源變換的復雜性。

(4)平臺和載荷獨立配置蓄電組，平臺蓄電池組采用能量型鋰離子蓄電池單體，滿足平臺設備的長期供電能量需求，載荷蓄電池組采用功率型鋰離子蓄電池單體，滿足SAR載荷的短時大功率脈沖供電需求，可以分別對平臺和載荷鋰離子蓄電池進行優化設計。

(5)對太陽電池陣調節采用MPPT方式，充分利用太陽電池陣輸出功率[7]，可減小太陽電陣的面積和質量，降低研制成本。蓄電池充電時間更短，可有效響應突發的任務規劃，降低電源系統對任務規劃的約束。

1.4 蓄電組設計

平臺和載荷蓄電池組外形如圖2和圖3所示，平臺蓄電池組和載荷蓄電池組結構采用套筒式結構，這種結構設計在滿足抗力學和熱傳導的同時，減小了結構件的質量。為滿足低成本要求，平臺鋰離子蓄電池組采用高比能量型18650單體，每個單體2.8 Ah，采用6并7串設計，初期容量不低于16.5 Ah，蓄電池組比能量160 Wh/kg。

圖2 平臺鋰離子蓄電池組外形圖Fig.2 Energy-type lithium-ion batteries block diagram

圖3 載荷鋰離子蓄電池組外形圖Fig.3 Power-type lithium-ion batteries block diagram

載荷鋰離子蓄電池組采用超高功率型單體，采用20串設計，最大放電倍率20 C，初期容量不低于5.5 Ah。在地面進行載荷蓄電池組20 C放電時的溫升試驗，經測試，載荷蓄電池以20 C放電30 s時溫升不超過4 ℃。單體間連接銅排溫升最高不超過3.5 ℃，可見載荷蓄電池組在工作中溫升很低。因此在保證電池工作的環境溫度的前提下，電池組不會對周邊設備產生嚴重影響，也無需對載荷蓄電池組采取特殊的散熱措施。

由于衛星在軌壽命為5年，且為太陽同步軌道，平臺蓄電池放電次數不超過10 000次，平臺蓄電池單體采用具有很高技術成熟度的18650單體，平臺蓄電池放電深度不超過50%。載荷蓄電池在軌放電次數不超過5000次，放電深度不超過30%。在綜合考慮技術成熟度和成本的情況下，平臺和載荷蓄電池采用均衡管理器，均不采用旁路開關(Bypass)。

2 仿真分析

對小型SAR衛星電源系統進行仿真分析。對壽命末期整星功率平衡情況進行仿真分析，系統設置仿真主要參數如下：①230 W長期平臺負載；②全調節母線輸出電壓30 V；③5000 W不調節母線短時負載，單次工作60 s；④單圈最長地影時間22 min；⑤蓄電池單體平均電壓達到4.10 V時控制恒壓充電；⑥太陽電池陣壽命末期直射情況下輸出功率495 W，在軌期間太陽電池陣入射角最大為30°；⑦平臺蓄電池組15 Ah，載荷蓄電池組5 Ah；⑧載荷線路損耗5%；全調節母線變換模塊效率92%。

經仿真計算，在單圈最長陰影條件下，平臺蓄電池最低放電電壓為25.8 V，平臺蓄電池最大放電深度為22.1%，滿足平臺蓄電池組放電深度不大于50%的要求。載荷蓄電池最低放電電壓為69.8 V，載荷蓄電池最大放電深度為24.2%，滿足載荷蓄電池組放電深度不大于30%的要求，仿真結果表明，電源系統設計滿足要求。

3 結束語

本文針對小型SAR衛星用電需求和設計約束，提出了一種復合母線體制電源系統設計，在低壓不調節母線基礎上生成一條全調節母線和一條高壓不調節母線，采用平臺、載荷分別配置能量型、功率型鋰離子蓄電池組的蓄電池方案，經過仿真分析，設計滿足指標要求，有效地解決了小型SAR衛星載荷與平臺所需功率差異懸殊、SAR載荷峰值功率大的難題，本設計可以為我國后續小型SAR衛星的電源系統設計提供參考。