衛星配電系統的量化評價方法

周耀華 張新星 鮑恩竹 梁翠娜

摘要：衛星配電系統是整星的重要組成部分，配電系統的質量在整星質量中占比也較高。對于中小型衛星，其輕量化實現的評價對于指導配電方案選擇、實現衛星的輕量化設計具有重要的意義。提出的衛星配電系統的輕量化評價模型選擇相對全面的關鍵特征參量，采用層次分析法的分層結構體系，能夠很好地反映配電系統的輕量化設計狀況，具有良好的工程應用價值。結合衛星實例分析驗證了該評價模型的可行性和有效性，能夠為衛星配電系統的輕量化方案評價提供參考。

關鍵詞：衛星；配電；層次分析；評價

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

0引言

復雜系統具有多目標、多關聯等特點，進行方案的量化評價是一個復雜而又困難的問題，僅靠定性評價的方法已遠不能滿足要求。文獻[1]歸納了各種評價法在工程領域中的應用情況，其中，層次分析法是進行定性、定量因素相結合的復雜的多準則、多目標系統評價的一種較為實用的方法。文獻[2]將層次分析法應用于衛星效能評估，建立衛星效能評估的指標體系，解決了系統中非線性、高耦合的難題。文獻[3]將層次分析法應用于衛星平臺結構方案評價，實現了平臺結構方案的量化優選。

配電系統作為衛星的重要組成部分，包括配電器（或模塊）與電纜網，實現電源輸出的電力分配、各用電設備的供電和信號的傳輸[4]，是一個復雜的工程系統。配電系統的方案與質量密切相關，在方案設計階段，能否對這些配電系統方案的輕量化實現做出客觀評價將對整星方案設計的優劣產生重要影響，因此配電系統方案評價工作十分重要。但目前關于配電系統評價的研究較少，文獻[5]通過對國內外衛星配電體制方案的調研，采用對比法比較不同整星負載功率下配電系統方案，定性地分析了各方案的優缺點。

本文在研究層次分析法理論的基礎上將該理論應用于衛星配電系統方案評價，以某型號配電系統方案為例對其方案的輕量化實現進行了綜合評價，得到了影響配電系統輕量化各因素的權重分布情況，選出輕量化實現較佳的配電方案。

1層次分析法

層次分析法是美國運籌學家Saaty教授[6]提出的一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法。把復雜的問題分解為各個組成因素，將這些因素按隸屬關系分為若干層次，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，然后利用數學方法綜合專家意見給出各層次、各要素的相對重要性權值，作為綜合分析的基礎[7]，是進行定性、定量因素相結合的復雜的多準則、多目標系統決策評價的一種較為實用的方法。

應用層次分析法主要有以下步驟：①建立層次結構模型；②根據模型構造判斷矩陣，對各層次的評價指標進行權重分配；③進行層次單排序和一致性檢驗，確定各因素相對評價指標的評價值；④層次總排序及其一致性檢驗，形成相對于總目標的指標權重分配及方案的綜合評價與排序。

2配電系統方案

配電系統與衛星總體構型、布局等總體設計密切相關。為實現就近供電，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合的配電體制[8]，通常根據衛星的功率需求、構型、布局及總裝設計等選擇不同的配電體制。雖然整星功率和質量目前沒有嚴格的對應關系，但一般情況下功率大、質量也大。在整星功率一定的情況下，不同的衛星構型、布局及總裝設計等對配電器（或模塊）和電纜網的輕量化實現影響不同。如不同的衛星構型，配電器（或模塊）設置、電纜長度、艙段之間電纜轉接、電纜固定等實現的質量不同，實現的配電系統的質量不同。

以衛星設計為例，起飛質量1 000 kg左右，整星構型設計采取分艙式或一體化2種方案，衛星構型如圖1所示。衛星縱向最大尺寸2 400 cm，功率需求不低于6 000 W，載荷需求不低于400 kg，按照經驗設計數據統計，配電系統設計不低于 100 kg。為實現整星的任務配置需要，配電系統的輕量化實現尤為重要。

在滿足整星用電需求的情況下，結合電子技術的發展，供配電分系統針對2種構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節，直接向星上所有平臺艙和載荷艙設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節，配電功能通過平臺艙和載荷艙的綜合電子設備綜合業務單元（配電模塊集成在綜合業務單元中）進行配置，然后通過綜合業務單元向平臺艙和載荷艙設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節，直接向平臺艙上設備提供一次母線供電，載荷艙設備通過綜合電子設備綜合業務單元進行配置，實現一次母線供電。

從配電系統輕量化實現的角度定性分析可知：

①集中式配電的配電設備少，在分艙式衛星構型下，跨艙轉接電纜、支架多；在一體化衛星構型中，沒有跨艙轉接電纜，可以實現從電源控制及分配器直接到用電設備。在該方案中，電纜從配電設備直接到用電設備，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備多，在分艙式衛星構型下，電纜的跨艙轉接只有從電源控制器到綜合業務單元的電纜轉接，比集中式配電使用的轉接少；在一體化衛星構型下，沒有跨艙轉接電纜，可以實現從電源控制及分配器到綜合業務單元，然后再到用電設備。在該方案中，通過綜合業務單元的配置減輕電源控制器端的電纜壓力，但增加了配電設備，且配電設備端電纜集中。

③混合式配電中，通過減少綜合業務單元中配電模塊的配電通路，實現小型化，能進一步緩解綜合業務單元端的電纜壓力，但設備最多；在分艙式衛星構型下，電纜的跨艙轉接只有從電源控制器到綜合業務單元的電纜轉接，與分級式配電相當，但減少了配電設備；在一體化衛星構型下，沒有跨艙轉接電纜，且緩解了分級式配電中配電設備端的電纜集中情況，但增加了電纜到配電設備的轉接。

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

3輕量化配電系統方案評價

3.1輕量化配電系統指標

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個指標進行輕量化配電方案的篩選。走向是從整星設備布局和電纜網走向的角度出發，通過衛星構型、布局、優化電纜走向、縮短電纜長度，實現配電輕量化，由電纜網的導線、接插件、固定支架及扎帶4個方面組成。在走向優化的前提下，導線的質量通過電纜長度體現，通過優化接插件、固定支架及扎帶的使用數量實現配電的輕量化，其中接插件的類型與數量與綜合業務單元的數量、整星艙段（在分艙的情況下，電纜需要轉接，增加接插件）有關，固定支架及扎帶的使用數量與電纜長度有關。綜合業務單元設置的數量多，電纜至設備端的接插件數量增加，但電纜長度減少，固定支架及扎帶的使用數量減少。

在上述決定電纜網質量的指標中，不僅它們的量綱不同，彼此之間也存在耦合，在進行性能指標綜合時難以直接對比。因此需要對評價指標采用統一的度量方式。

3.2層次分析法分析過程

（1）建立輕量化配電系統方案的層次結構模型

對于整星輕量化配電的指標評估體系，分析影響整星配電系統質量的環節及因素，建立層次結構模型，整星輕量化配電層次結構如圖3所示。最上層整星輕量化配電是系統目標層，最下層為方案層，中間為準則層。衛星構型（艙段數量影響電纜的轉接）、設備布局、綜合業務單元數量、電纜走向、導線、接插件類型和接插件數量等諸多要素狀況直接對系統輕量化配電能效有較大影響，將其作為準則層。

（2）構造判斷矩陣

對準則層影響配電質量因素的影響程度進行兩兩比較，構造正互反矩陣，影響程度采用Saaty等人提出的1～9數字標度法，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

按照步驟可完成各因素對整星輕量化配電的權重系數分析，結合3種配電方案，將各因素與對應的權重系數進行加權，得到輕量化配電方案的量化分析結果。

分析結果表明，對輕量化配電影響較大的因素為衛星構型、設備布局、電纜走向、導線以及綜合業務單元數量，接插件類型、數量、固定支架和尼龍扎帶等也影響整星配電質量，但不是主要因素。

在分艙式衛星構型下，混合式配電在設備布局、電纜走向、綜合業務單元數量等方面更有優勢；在一體化衛星構型下，分級式配電在設備布局、電纜走向和綜合業務單元數量等方面更有優勢。

4結束語

在層次分析法研究的基礎上，以衛星方案階段配電系統方案為例建立了輕量化實現的評價模型，通過構造判斷矩陣、判斷矩陣的一致性檢驗、層次總排序及一致性檢驗等步驟在衛星方案設計階段需要根據任務要求、技術先進性、經濟可行性等多要素開展衛星總體方案、各分系統方案的多方案比較。將層次分析法應用于衛星配電系統輕量化實現方案的優選，為衛星總體方案及其他分系統系統多方案比較提供了參考。

參考文獻

[1]劉占偉，鄧四二，滕弘飛.復雜工程系統設計方案評價方法綜述[J].系統工程與電子技術，2003（12）：1488-1491.

[2]項磊，楊新，張揚，等.基于層次分析法與模糊理論的衛星效能評估[J].計算機仿真，2013，30（2）：55-61.

[3]趙沖，郭宏偉，鄧宗全，等.變構型桁架式衛星平臺結構設計與性能評價[J].哈爾濱工業大學學報，2018，50（1）：11-17.

[4]馬世俊.衛星電源技術[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]//中國電工技術學會電力電子學會第十四屆學術年會論文集.福州：中國電工技術學會電力電子學會，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：天津大學出版社，1988.

[8]陳琦等.航天器電源技術[M].北京：人民郵電出版社，2018.