航天器配電系統(tǒng)的直流載波通信架構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

馬少坤 張龍龍

(山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670)

航天器的質(zhì)量受限于火箭的運(yùn)載能力，質(zhì)量的增加直接導(dǎo)致燃料的增多，影響火箭整體功能結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可能導(dǎo)致一些不可控的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，增加研制難度。因此，無(wú)論從節(jié)約成本的角度出發(fā)，還是為了保證航天器發(fā)射的安全可靠，在保證航天器正常功能情況下，不斷降低航天器質(zhì)量是其發(fā)展必然的方向。采用電力線載波通信技術(shù)可以大幅降低航天器內(nèi)部的諸多通信電纜的質(zhì)量，從而降低航天器總質(zhì)量。

電力線載波通信技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代初期[1]，是一種電力與通信相融合的技術(shù)，根據(jù)電力線傳輸?shù)碾娏︻愋停煞譃榻涣鬏d波通信和直流載波通信技術(shù)，交流載波通信發(fā)展較快，現(xiàn)今已有多種成熟應(yīng)用，而隨著新能源及分布式供電方式的發(fā)展，直流載波通信的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步擴(kuò)大。傳統(tǒng)直流載波通信中，無(wú)論是電容耦合方式，還是電感耦合方式，都要使用體積較大的變壓器，通信和電力融合程度較低，電力電子信息調(diào)控技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了功率/數(shù)據(jù)雙調(diào)節(jié)[2]，但使用限制較大。

為了解決以上兩種技術(shù)本身的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮直流載波通信的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)需變壓器，低功耗的直流載波調(diào)制電路，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種適用于航天器供電系統(tǒng)的直流載波通信架構(gòu)，通過(guò)仿真驗(yàn)證該架構(gòu)的通信效果與供電品質(zhì)，成功將直流載波通信技術(shù)應(yīng)用于航天器配電系統(tǒng)。

1 航天器配電與通信

由于集中式設(shè)計(jì)在大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)中的局限性，例如集中式的電源控制器、蓄電池組體積質(zhì)量過(guò)大；集中式的設(shè)計(jì)導(dǎo)致發(fā)熱量過(guò)于集中等問(wèn)題，分布式供電系統(tǒng)便是解決未來(lái)大型航天器對(duì)供電能力需求增長(zhǎng)帶來(lái)的問(wèn)題一種方式，而分布式供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行同樣離不開通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助[3]。分布式航天器供電系統(tǒng)如圖1所示，航天器以低壓直流供電為主，各功能單元分散配置，功能與配重相結(jié)合，功率母線和通信總線分別實(shí)現(xiàn)功率和數(shù)據(jù)的互聯(lián)，其中配電網(wǎng)絡(luò)已將各模塊與星載計(jì)算機(jī)之間聯(lián)系起來(lái)，完全可以利用電力線載波通信技術(shù)通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸。

圖1 航天器配電與通信系統(tǒng)框圖

電纜的質(zhì)量在航天器總體質(zhì)量中占據(jù)較大比例，例如1553B總線SEFF46-75-1-51質(zhì)量為27 g/m，較高的FFKF40-2×2×24A達(dá)70 g/m，每條通信回路加上冗余至少需要4 m，整顆星上百條回路的質(zhì)量近20 kg，即使以10萬(wàn)元/kg的發(fā)射成本計(jì)算，也要近200萬(wàn)元的成本。如果使用電力線載波通信技術(shù)將電力線與通信線合二為一，去掉通信專用纜線，對(duì)于減輕航天器配重，降低發(fā)射成本，提高可靠性等方面有重要意義[4]。

2 直流載波通信技術(shù)

電力線載波通信技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初，現(xiàn)今該技術(shù)在某些交流電力系統(tǒng)已有相對(duì)成熟的應(yīng)用，例如，家庭抄表系統(tǒng)，在通信系統(tǒng)對(duì)于信道因素變化的敏感性，載波調(diào)制方式，頻率選擇衰減等方面都有著很深入的研究。對(duì)于直流載波通信來(lái)說(shuō)，由于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)尚未大規(guī)模應(yīng)用，該領(lǐng)域研究開始時(shí)間較晚，技術(shù)不如交流載波通信成熟，且由于可能存在的濾波電容，需要阻抗器對(duì)高頻載波信號(hào)加以控制，但由于基本原理相同，近年來(lái)直流載波通信技術(shù)在交流載波通信的基礎(chǔ)上有所發(fā)展。

2.1 傳統(tǒng)直流電力線通信技術(shù)

在交流電力線載波通信系統(tǒng)中，利用電感和電容將載波信號(hào)耦合到電力線系統(tǒng)中，或?qū)㈦娏€系統(tǒng)中的信號(hào)提取出來(lái)。基于同樣的原理，可以將其應(yīng)用到直流供電系統(tǒng)中[5]。

電容耦合電路圖如圖2所示，其中，T為變壓器，C為電容，DC為直流電壓源，R為電路負(fù)載，耦合電路主要由電容和變壓器組成。電容有濾波功能，在傳遞高頻載波信號(hào)的同時(shí)又能隔絕直流量，減弱低頻雜波信號(hào)，防止短路并減少雜波干擾。變壓器除了有著電氣隔離的功能外，還能提供一定的阻抗變換能力。文獻(xiàn)[6]提出了一種光耦合技術(shù)，將電容耦合技術(shù)和光隔離特性相結(jié)合，用以取代變壓器在電氣隔離和保護(hù)方面的作用。

圖2 電容耦合

電感耦合電路圖如圖3所示，變壓器與直流源串聯(lián)，直接將載波信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到電力線上，同樣電力線上的高頻信號(hào)也能通過(guò)變壓器被接收機(jī)接收。與電容耦合電路相比，電感耦合電路更加簡(jiǎn)單，通常用于電源附近的低阻抗處。

圖3 電感耦合

通過(guò)電感或電容將已經(jīng)調(diào)制完成的高頻載波信號(hào)耦合到直流供電系統(tǒng)的直流載波通信技術(shù)，雖然原理簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)方式比較復(fù)雜，因?yàn)橥ㄐ畔到y(tǒng)與供電系統(tǒng)的融合程度較低，除了共用線路外，其余模塊仍是各自的原始實(shí)現(xiàn)方式。隨著電力電子等技術(shù)的發(fā)展，一種電力電子信息調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力與通信的更深度的融合。

2.2 電力電子信息調(diào)控技術(shù)

DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出紋波可以作為信息傳輸載體，可以通過(guò)控制其頻率，相位，振幅等特征傳輸信息，在電源端和負(fù)載端，均可以使用功率變換器進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送，無(wú)需附加信號(hào)發(fā)生電路，大大降低了硬件成本，這使得此技術(shù)在電力線載波通信領(lǐng)域具有天然優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[7]便利用功率變換器的不同開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了共母線功率變換器之間的通信，文獻(xiàn)[8]則在雙有源功率變換器上采用紋波通信，并擴(kuò)展了過(guò)零點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換范圍，提高了轉(zhuǎn)換效率。文獻(xiàn)[9]重點(diǎn)研究了負(fù)載側(cè)功率變換器通信問(wèn)題，其通過(guò)檢測(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)引起的噪聲來(lái)確定開關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)功率與信號(hào)的復(fù)合調(diào)制和解調(diào)。

文獻(xiàn)[2]具體分析了功率變換器的性質(zhì)，定義兩種調(diào)制方式：功率/數(shù)據(jù)單載波調(diào)制技術(shù)和功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制技術(shù)。

2.2.1 功率/數(shù)據(jù)單載波調(diào)制技術(shù)

在電力電子功率變換器中，通常采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制，功率變換器的門極控制信號(hào)為一串幅值恒定的矩形波序列，通過(guò)控制其占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的調(diào)控。而除占空比，該矩形波序列還有頻率和相位2個(gè)獨(dú)立的控制自由度，通信信號(hào)可以通過(guò)控制這兩個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，所以單載波調(diào)制技術(shù)又可分為頻率調(diào)制和相位調(diào)制[10]。

1)頻率調(diào)制

頻率調(diào)制是通過(guò)對(duì)三角波頻率的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)紋波頻率的調(diào)制，原理圖如圖4所示，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為0或未通信狀態(tài)時(shí)，雙向開關(guān)選擇輸出頻率為f0的三角波發(fā)生器，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為1，雙向開關(guān)選擇輸出頻率為f1的三角波發(fā)生器。

圖4 單載波調(diào)制框圖

2)相位調(diào)制

對(duì)于相位調(diào)制，文獻(xiàn)[11]在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上分析了跳頻相移鍵控(Frequency Hopping-Differential Phase Shift Keying，F(xiàn)H-DPSK)的基本原理，針對(duì)門極信號(hào)頻率或者相位改變?cè)斐傻碾娙蓦妷簲_動(dòng)進(jìn)行了分析。其中，當(dāng)頻率在電感電流位于平均值時(shí)切換，電容電壓波動(dòng)不大。而當(dāng)相位切換時(shí)波動(dòng)較大，為抑制這一電壓擾動(dòng)，可以將一次相位切換轉(zhuǎn)變?yōu)閮纱晤l率切換，用兩次頻率切換的間隔時(shí)間來(lái)進(jìn)行相位差的補(bǔ)償。此方法結(jié)合頻移鍵控(FSK)調(diào)制和差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制的特點(diǎn)，在通信時(shí)與非通時(shí)分別采用不同的開關(guān)頻率，且兩開關(guān)頻率在解調(diào)窗口內(nèi)正交。由于通信時(shí)開關(guān)頻率與非通信頻率在解調(diào)窗口內(nèi)正交，因此有效抑制了非通信頻率開關(guān)紋波對(duì)通信信號(hào)的干擾。同時(shí)，在通信過(guò)程中采用多進(jìn)制DPSK調(diào)制，提高了帶寬利用率，可以實(shí)現(xiàn)高通信速率。其過(guò)渡期間波形圖如圖5所示，過(guò)渡時(shí)間為T，過(guò)渡期間頻率為f0，過(guò)渡前后相位分別為φ1，φ2，頻率均為f1。

圖5 FH-DPSK過(guò)渡波形圖

2.2.2 功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制技術(shù)

在單載波調(diào)制技術(shù)中，通信和功率對(duì)同一載波進(jìn)行調(diào)制，雖然通信速率較高，但無(wú)法調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，限制較大，功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制技術(shù)彌補(bǔ)了這方面的不足，如圖6雙載波原理框圖所示，它先將數(shù)據(jù)調(diào)制到低頻數(shù)據(jù)載波上，然后經(jīng)過(guò)頻率調(diào)制后作為擾動(dòng)加載到PWM的參考值上。由于功率調(diào)制與數(shù)據(jù)調(diào)制分別采用不同的載波，且載波信號(hào)不直接用作門極控制信號(hào)，數(shù)據(jù)載波可以采取多種方式，因此，數(shù)據(jù)調(diào)制方法的選擇更加靈活。數(shù)據(jù)調(diào)制可以使用現(xiàn)在比較成熟先進(jìn)的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)調(diào)制技術(shù)，它將串行數(shù)據(jù)分配到并行的子載波上，極大提高了頻譜利用率, 不但提高了通信速率,而且能有效對(duì)抗頻率選擇性衰落。

圖6 雙載波原理框圖

電力電子信息調(diào)控技術(shù)雖然大大加深了電力與通信的融合程度，但也有著不小的局限性，首先其依托于功率變換器，只能在存在功率變換器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的調(diào)制，大大限制了應(yīng)用范圍；其次，電力電子信息調(diào)控技術(shù)的通信速率受制于功率變換器開關(guān)頻率，一般在100 kHz量級(jí)，對(duì)于更高的頻率將無(wú)能為力。

3 航天器配電系統(tǒng)載波通信設(shè)計(jì)及仿真

3.1 配電系統(tǒng)載波通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

航天器配電系統(tǒng)載波通信技術(shù)充分利用已有的配電網(wǎng)絡(luò)作為通信渠道，有效地減少了航天器質(zhì)量，節(jié)約了發(fā)射成本，但由于配電網(wǎng)絡(luò)并非專門為通信鋪設(shè)的鏈路，所以設(shè)計(jì)載波通信時(shí)要充分考慮信道條件，針對(duì)特定的問(wèn)題，需要提出具體的措施加以解決。

首先對(duì)于特定的配電網(wǎng)絡(luò)，需要了解其運(yùn)行產(chǎn)生的高次諧波頻率，設(shè)計(jì)通信頻率時(shí)需要避開該頻段，以免被干擾。例如，開關(guān)電源從幾十到幾百千赫茲不等，需要合理分配各開關(guān)電源和耦合信號(hào)波的頻段，再如，CPU頻率一般在3 GHz左右，需要避開該頻段。另外相比于交流系統(tǒng)，航天器直流系統(tǒng)存在諸多電容，例如太陽(yáng)能功率調(diào)節(jié)單元里的一次母線穩(wěn)壓電容，功率變換器并聯(lián)的濾波電容等，這在直流配電網(wǎng)絡(luò)中有著穩(wěn)定電壓、過(guò)濾高次諧波等積極作用，但對(duì)于通信載波來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)特定的阻波電路，在不破壞配電網(wǎng)絡(luò)正常功能的情況下，防止高頻載波被當(dāng)作無(wú)用雜波過(guò)濾掉，同時(shí)阻波器也能阻止非期望頻段的波動(dòng)進(jìn)入通信信道中，一定程度上拓展了可用頻段。

其次，配電網(wǎng)絡(luò)中由于存在DC/DC功率變換器、繼電器等配電單元，會(huì)阻礙破壞網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，造成通信失敗，根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的通信需求，遙測(cè)信息的采集與遙控信息的執(zhí)行絕大部分在配電單元，所以通信節(jié)點(diǎn)設(shè)置在配電器母線側(cè)即可，對(duì)于少數(shù)跨配電單元的情況，再考慮中繼節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。

圖7是航天器配電系統(tǒng)載波通信整體架構(gòu)，在原本供電系統(tǒng)中主要增加了調(diào)制解調(diào)模塊與阻波電路。

圖7 航天器配電系統(tǒng)載波通信

調(diào)制電路如圖8所示，采取2FSK調(diào)制方法，利用MOSFET的開關(guān)頻率生成需要的波形，其中頻率f1，f2分別對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)0和1，根據(jù)需要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)選擇相對(duì)應(yīng)的頻率。兩個(gè)MOSFET同時(shí)打開時(shí)，電流通過(guò)MOSFET管M1和M2，電感L從母線正級(jí)流向負(fù)極，同時(shí)關(guān)閉時(shí)，電感L電流續(xù)流經(jīng)二極管D1和D2反向輸入到母線之中，形成特定頻率的鋸齒波，可以其幅值可通過(guò)改變電感值調(diào)節(jié)，電容C1的作用是防止短路，C2的作用將調(diào)制信號(hào)耦合到電力線中，整個(gè)過(guò)程中只有MOSFET和二極管存在損耗。

圖8 調(diào)制電路

解調(diào)采用包絡(luò)檢波法，其流程如圖9所示，根據(jù)頻率f1、f2，分別選擇合適的帶通濾波與低通濾波帶寬，將兩路輸出比較后，確定二進(jìn)制數(shù)字。其中帶通濾波器可采用壓控電壓源二階帶通濾波器，在不改變中心頻率的前提下調(diào)節(jié)頻寬。

圖9 包絡(luò)檢波法

由于航天器系統(tǒng)中存在諸多濾波電容，其值較大，對(duì)于高頻的載波信號(hào)而言，相當(dāng)于短路狀態(tài)，會(huì)極大的損耗調(diào)制信號(hào)的能量，另外Buck變換器本身的紋波有一定的導(dǎo)通需求，所以需要根據(jù)調(diào)制頻率在濾波電容側(cè)設(shè)置阻波器。阻波器主要應(yīng)用并聯(lián)諧振的原理，在通信頻率附近呈現(xiàn)高阻抗特性，防止高頻載波信號(hào)流入非期望的線路，當(dāng)通信頻率足夠高時(shí)，單獨(dú)使用電感擁有較高感抗，可以起到相同的高頻阻波效果。

3.2 仿真分析驗(yàn)證

采用Psim軟件對(duì)單通道航天器配電系統(tǒng)載波通信進(jìn)行仿真，首先搭建航天器配電系統(tǒng)，其中，太陽(yáng)能功率調(diào)節(jié)單元采用順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)(Sequential Switching Shunt Regulator,S3R)技術(shù)，使用Buck電路作為配電器進(jìn)行電壓變換，由前者向后者發(fā)送信息，利用軟件中c模塊生成隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)作為調(diào)制電路的通信輸入，通過(guò)與解調(diào)輸出數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證該系統(tǒng)的通信功能是否正常，通過(guò)觀察母線電壓與變換器輸出電壓分析通信對(duì)于航天器供電品質(zhì)的影響。

通過(guò)改變調(diào)制模塊中的電感L值，能夠調(diào)節(jié)調(diào)制信號(hào)功率大小，當(dāng)L值過(guò)小時(shí)調(diào)制信號(hào)易被噪聲淹沒(méi)，導(dǎo)致誤碼率增加，過(guò)大時(shí)將導(dǎo)致母線電壓波動(dòng)過(guò)大；調(diào)制信號(hào)頻率的選擇受到MOSFET管開關(guān)速度和信道噪聲的限制，由于電感的感抗與頻率成正比，當(dāng)頻率較小時(shí)，單獨(dú)使用電感阻波效果較差，可以使用阻抗器。

本次仿真中，選擇頻率f1為5 MHz，f2為7 MHz，單獨(dú)使用電感作為高頻阻波器，通信速率為1 Mbit/s，仿真結(jié)果如圖10所示，其中，V1為輸入調(diào)制電路的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)，V2為解調(diào)電路輸出2進(jìn)制數(shù)，V3為中心頻率為5 MHz的帶通濾波電壓，V4為中心頻率為7 MHz的帶通濾波電壓，V5為母線電壓，V6為28轉(zhuǎn)12 V Buck電路輸出電壓。通過(guò)對(duì)比V1/V2和V3/V4，可以看出通信功能正常，由V5可知，通信模塊造成的母線波動(dòng)不超過(guò)0.05 V，由V6可知，通信模塊對(duì)于配電器負(fù)載端幾乎沒(méi)有影響，完全可以滿足航天對(duì)于配電系統(tǒng)電氣環(huán)境的要求。

圖10 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

由本文的分析設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果可知：直流電力線載波通信可以應(yīng)用于航天器配電系統(tǒng)中，文中設(shè)計(jì)的電路能實(shí)現(xiàn)航天器供電系統(tǒng)載波通信的基本功能。雖然電力線載波通信面對(duì)的電磁環(huán)境比單純的通信線路更加復(fù)雜，電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也會(huì)受到一定的干擾，但這依然不能掩蓋其所帶來(lái)的各種優(yōu)勢(shì)，電力線載波通信具備廣闊發(fā)展空間。