小衛(wèi)星綜合測試供電安全性探索與實踐

馬文偉，趙淑莉，鄢婉娟, 王樂樂，孟翔翼

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

0 引言

由于衛(wèi)星的業(yè)務(wù)范圍不斷擴展，覆蓋海洋觀測、對地遙感、立體測繪和空間科學(xué)試驗等諸多領(lǐng)域，因此星上單機種類眾多，用電特性差異較大，整星測試環(huán)境與單機單獨測試環(huán)境又略有不同，導(dǎo)致衛(wèi)星在地面測試中出現(xiàn)之前未曾遇到過的現(xiàn)象甚至是引發(fā)故障。通過深入分析，導(dǎo)致這些現(xiàn)象或故障的產(chǎn)生涉及因素很多，主要有星上設(shè)備與地面設(shè)備間的接口不匹配[1]、星上設(shè)備正常加電測試流程不規(guī)范[2]、整星條件下的地線干擾等[3-4]。因此有必要在衛(wèi)星綜合測試供電安全性方面開展相關(guān)的研究，需要在綜合測試和總裝操作中建立統(tǒng)一的規(guī)范，甚至要求供配電單機在設(shè)計階段需要具備防短路設(shè)計和檢測功能，滿足小衛(wèi)星在將來大批量投產(chǎn)、研制周期短、生產(chǎn)效率高的趨勢。

本文是以衛(wèi)星在工程研制過程中實際出現(xiàn)的問題為導(dǎo)向，總結(jié)了近些年來小衛(wèi)星在綜合測試供電安全方面的改進(jìn)措施和實踐成果。首先介紹了常規(guī)的測試關(guān)鍵工序，歸納分析了不同的單機在特定的測試階段對測試流程的制約條件；其次從母線電壓建立方式的更改和建立時間的優(yōu)化方面描述了與內(nèi)電啟動相比外電加電對衛(wèi)星供電安全的影響，通過合理控制母線電壓建立時間有效避免了單機在加電啟動時的異常現(xiàn)象發(fā)生；然后從蓄電池包設(shè)計和配電器短路故障自檢功能設(shè)計論述了衛(wèi)星在防蓄電池功率電纜誤插及檢測功率通路短路故障方面取得的最新成果，通過與傳統(tǒng)方式的比較和實際應(yīng)用效果，說明該兩種設(shè)計具有很大的工程應(yīng)用價值，提升了衛(wèi)星的供電安全能力，為本行業(yè)技術(shù)人員提供參考。

1 關(guān)鍵工序控制

衛(wèi)星綜合測試過程中，為確保星上設(shè)備的供電安全，尤其是星上單機眾多且性能差異較大，必然會有一些互為制約因素，因此需要測試人員對測試流程提前謀劃，制定詳細(xì)的關(guān)鍵工序和控制措施[2,5-6]。常見的相互制約的因素主要有：

1)加電順序制約。如某些大功率設(shè)備，為防止浪涌電流對供電開關(guān)繼電器造成損傷，在單機加電前必須先接通浪涌電流抑制電路，間隔幾秒后，再接通設(shè)備供電開關(guān)，斷開浪涌電流抑制電路；

2)設(shè)備配置制約。例如固態(tài)存儲器不允許主備份同時開機，否則后級的數(shù)據(jù)交叉處理接口會出現(xiàn)異常；很多下位機一旦主備份同時工作，都會應(yīng)答整星CAN總線上的通訊，對CAN總線上的遙測數(shù)據(jù)和遙控指令形成干擾；

3)絕對禁止制約。例如電源控制器中的分流管斷開指令是為了防止在軌分流管發(fā)生短路失效損失某一級太陽分陣電流而設(shè)置的，地面測試時必須在內(nèi)電下發(fā)送，絕對禁止在外電下進(jìn)行測試，否則會造成母線電壓升高、星上設(shè)備損壞；

4)開機溫度制約。例如紅外相機對開機溫度有明確要求，一般都會配有制冷機對其進(jìn)行制冷，一般要等待其溫度為80開氏度時信噪比最小，成像效果最佳；

5)測試環(huán)境制約。考慮在軌環(huán)境和地面環(huán)境的差異，比如推力器催化床溫度過高會發(fā)生氧化，應(yīng)使用地面設(shè)備對其所在區(qū)域進(jìn)行降溫；再比如帆板驅(qū)動機構(gòu)在地面測試時要求方陣模擬器半功率輸出，防止功率環(huán)發(fā)生氧化；

6)使用壽命制約。有些設(shè)備的使用次數(shù)受限，比如脫插插頭、大功率繼電器均有使用壽命。因此需要記錄脫插插接的使用次數(shù)以及大功率繼電器應(yīng)避免頻繁接通/斷開。

7)運行時間限制。例如姿態(tài)控制設(shè)備二浮陀螺，加電約10 min后油溫會保持在50 ℃，此時才能輸出穩(wěn)定的角速度，否則影響姿態(tài)控制效果。

在衛(wèi)星綜合測試過程中，必須對這些互為制約因素的接口進(jìn)行充分考慮及安全控制，并且將這些限定條件落實到不同階段的測試細(xì)則中。一旦操作不當(dāng)，就會影響測試工作的順利進(jìn)行，甚至誘發(fā)設(shè)備故障。

2 母線電壓的建立方式

常見的整星供電狀態(tài)分為內(nèi)電、外電和聯(lián)合供電3種狀態(tài)，具體定義如下。

1)系統(tǒng)供電：由蓄電池和太陽方陣(或方陣模擬器，solar array simulator，SAS)組成系統(tǒng)為整星供電；

2)內(nèi)電：由蓄電池單獨輸出為整星供電；

3)外電：由太陽方陣(或方陣模擬器)單獨輸出為整星供電；

4)聯(lián)合供電：由蓄電池和太陽方陣(或方陣模擬器)同時輸出為整星供電。

小衛(wèi)星在初始測試時，一般多在內(nèi)電下啟動，衛(wèi)星的供電原理見圖1所示。具體操作步驟為通過地面設(shè)備發(fā)送指令，將蓄電池放電開關(guān)接通，再合上空氣開關(guān)。這樣操作的好處是，蓄電池放電開關(guān)繼電器在無電流通過的條件下接通，避免了浪涌電流對放電開關(guān)繼電器功率觸點的損傷，而供電瞬間浪涌電流由空氣開關(guān)來承受。衛(wèi)星由蓄電池內(nèi)電啟動建立母線電壓的波形見圖2所示。

圖1 衛(wèi)星的供電原理框圖

圖2 內(nèi)電啟動波形

然而，一旦衛(wèi)星負(fù)載端或供電電纜出現(xiàn)短路等安全隱患時，空氣開關(guān)過電容量選擇不當(dāng)就起不到保護作用，蓄電池會大電流放電，燒毀用電設(shè)備，幾乎沒有時間進(jìn)行處置；同時，若空氣開關(guān)發(fā)生誤動作，在內(nèi)電狀態(tài)下會導(dǎo)致衛(wèi)星斷電，某型號在做熱真空試驗時，曾經(jīng)發(fā)生過因為空氣開關(guān)誤動作而導(dǎo)致衛(wèi)星斷電的事故。因此將母線電壓建立方式由蓄電池內(nèi)電建立改為方陣模擬器外電建立，同時蓄電池供電輸出去掉空氣開關(guān)。

衛(wèi)星使用外電即方陣模擬器加電的優(yōu)點為：

1)從蓄電池供電回路狀態(tài)上看，調(diào)整后技術(shù)狀態(tài)簡化，供電回路減少了一個環(huán)節(jié)，排除由于串聯(lián)空氣開關(guān)引發(fā)的供電安全事故發(fā)生的可能。同時由于衛(wèi)星功率不斷增大，空氣開關(guān)起不到保險作用，只能起到承受蓄電池接入瞬間浪涌電流的作用；

2)受限于升壓調(diào)節(jié)器對輸入電壓的要求，蓄電池的電壓必須在21 V以上，才可以承受整星內(nèi)電啟動的功率需求。使用外電加電，不需要蓄電池耗電，因此蓄電池的荷電狀態(tài)不影響整星加電，可以減少測試前為蓄電池單獨充電的環(huán)節(jié)，簡化整星測試流程；

3)利用方陣模擬器的輸出電流特性能夠起到限流保護作用。若星上設(shè)備或輸電電纜存在短路，方陣模擬器本身具備限流功能，會按照設(shè)置的短路電流輸出，使得故障不會擴散，避免其他設(shè)備受到二次損害。

文獻(xiàn)[7-9]對衛(wèi)星地面供配電測試系統(tǒng)的組成和通用化設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的描述。使用方陣模擬器為衛(wèi)星加電時，先設(shè)置方陣模擬器的供電曲線，設(shè)置的參數(shù)包括工作點電壓、工作點電流、開路電壓、短路電流。一般將方陣模擬器設(shè)置以小電流如每個分陣1 A輸出，當(dāng)星上設(shè)備加電工作正常后，再根據(jù)整星負(fù)載的大小調(diào)整方陣模擬器輸出。因此整星在方陣模擬器升電后，應(yīng)重點關(guān)注地面有線測量參數(shù)和遙測參數(shù)狀態(tài)，確認(rèn)無誤后，再接通蓄電池放電開關(guān)，調(diào)整方陣模擬器的供電曲線。衛(wèi)星由方陣模擬器器外電啟動建立母線電壓的波形見圖3所示。

圖3 外電啟動波形

比較圖2和圖3可以看出，內(nèi)電啟動時母線電壓會產(chǎn)生正向超調(diào)，母線電壓建立時間約30 ms。外電啟動時母線電壓的超調(diào)較小，但是母線電壓建立時間約為150 ms。外電啟動時母線電壓的建立時間與方陣模擬器的輸出曲線選擇、供電電纜的長短等因素有關(guān)，因此對于不同的母線電壓等級的衛(wèi)星或衛(wèi)星在不同的測試環(huán)境時，外電啟動時的母線電壓建立時間會存在差異。

3 母線電壓的建立時間

衛(wèi)星在地面測試時需要經(jīng)歷工廠測試、EMC試驗、熱試驗、磁試驗等大型試驗，在不同的試驗場地所用的方陣模擬器的供電電纜長度不同，若使用相同的SAS供電曲線必然導(dǎo)致衛(wèi)星母線電壓的建立時間也不同[10]。

文獻(xiàn)[11]對航天器地面方陣模擬器供電和發(fā)射時的長線供電、負(fù)載匹配和電源響應(yīng)等問題進(jìn)了詳細(xì)論述，必須考慮長線供電電纜的阻抗、衰減、延時等特性，否則將造成SAS的遠(yuǎn)端電壓采樣信號失真和變形，影響SAS的控制和SAS的瞬態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[12]對上電時間問題引發(fā)的故障進(jìn)行了歸納說明，由于母線建立時間較長，會引起1)短期功率供給不足致使有的單機工作在欠壓狀態(tài)引起異常；2)由于各電路開機時序與設(shè)計不符造成單機工作異常。二者說明母線電壓的建立時間對衛(wèi)星設(shè)備的影響應(yīng)當(dāng)予以重視。

在某些小衛(wèi)星型號的地面整星測試中，母線電壓從0→30 V建立的時間約為400 ms，如圖4所示。由于一次母線建立緩慢造成星上部分用電設(shè)備啟動異常的現(xiàn)象偶有發(fā)生，如表1所示。

圖4 母線電壓啟動時間約400 ms

表1 母線建立過緩對設(shè)備啟動影響統(tǒng)計表

通過分析，排除了設(shè)備自身的軟硬件故障，由于整星測試時一次母線建立時間過緩，與設(shè)備供電輸入特性相沖突，設(shè)備內(nèi)部的二次電源發(fā)生振蕩，造成設(shè)備啟動異常。測試時需要提高方陣模擬器的輸出電流，將母線電壓建立時間控制在300 ms內(nèi)，如圖5所示(藍(lán)色線為母線電壓)，方陣模擬器上電后母線電壓建立的時間小于300 ms，各負(fù)載設(shè)備均可正常工作。

圖5 母線電壓啟動時間約300 ms

以衛(wèi)星母線電壓為30±1 V為例，針對不同長度的供電電纜，依據(jù)實際測試結(jié)果，初始加電的方陣模擬器設(shè)置見下，可以保證方陣模擬器輸出至母線電壓建立的時間小于300 ms。

1)單根10 m延長電纜，1.5 A曲線(1.5 A/33 V||1.65 A/36 V)升電；

2)單根70 m延長電纜，2.0 A曲線(2.0 A/37 V||2.20 A/40 V)升電；

3)兩根70 m延長電纜并聯(lián)，1.7 A曲線(1.7 A/35.5 V||1.9 A/38.5 V)升電；

目前多顆衛(wèi)星在地面測試時，通過調(diào)整方陣模擬器的輸出均能保證母線電壓建立時間在300 ms以內(nèi)，杜絕表1所述的用電設(shè)備異常的現(xiàn)象發(fā)生。

4 蓄電池包設(shè)計

隨著對衛(wèi)星長壽命、高可靠性的需求越來越高，現(xiàn)有衛(wèi)星均使用鋰離子蓄電池作為儲能部件。在衛(wèi)星總裝實施過程中，不可避免地存在對蓄電池進(jìn)行帶電操作，包括蓄電池功率電纜插拔、電池運輸及存儲等。近年來，多個在研型號發(fā)生過因蓄電池功率電纜帶電插拔或誤插導(dǎo)致星上產(chǎn)品損壞的情況。為徹底解決鋰離子蓄電池帶電操作存在的一系列不安全隱患，必須從設(shè)計源頭出發(fā)，提出“蓄電池包”的設(shè)計方案[13]。

圖6和圖7分別為采用傳統(tǒng)蓄電池和蓄電池包的電源分系統(tǒng)示意圖，從圖6和圖7比對中可以看出，鋰離子蓄電池管理單元包括蓄電池單體電壓及整組電壓采樣電路、均衡執(zhí)行電路、管理單元下位機電路、二次電源電路、放電開關(guān)輸出開關(guān)、火工品母線輸出開關(guān)及控制電路等。蓄電池包的組成和功能示意圖如圖8所示，將管理單元和原儲能單元進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，提高了產(chǎn)品本質(zhì)安全性。每次測試結(jié)束后通過正確控制放電開關(guān)、火工品母線開關(guān)的通斷狀態(tài)，確保后續(xù)型號使用的鋰離子蓄電池的對外電接口在電纜插拔、運輸、存儲等使用環(huán)節(jié)均不帶電輸出，確保設(shè)備和人員的安全。

圖6 采用傳統(tǒng)蓄電池的電源分系統(tǒng)示意圖

圖7 采用蓄電池包的電源分系統(tǒng)示意圖

圖8 蓄電池包的組成和功能示意圖

在蓄電池包管理單元內(nèi)配置工業(yè)級芯片80C51F040對蓄電池進(jìn)行管理，主要功能為完成蓄電池單體遙測參數(shù)的采集、蓄電池均衡控制功能；作為整星CAN總線接點，完成與星務(wù)計算機的通信，接收CAN總線相關(guān)的遙控指令并執(zhí)行。電池包下位機電路使用+5 V和+3.3 V兩種電壓，每路電壓均通過具有限流保護的線性穩(wěn)壓器MAX882進(jìn)行隔離保護。+12 V經(jīng)過穩(wěn)壓器LM117調(diào)節(jié)輸出5.5 V，再經(jīng)過MAX882輸出+3.3 V，分別見圖9和圖10所示。

圖9 +12 V轉(zhuǎn)5.5 V供電電路

圖10 +5.5 V轉(zhuǎn)+3.3 V供電電路

電池包下位機的遙測電路包含模擬量和狀態(tài)量遙測信號。模擬量遙測由CPU芯片內(nèi)部的多路模擬開關(guān)和AD轉(zhuǎn)換器組成。C8051F040內(nèi)部有模擬量采集子系統(tǒng)ADC0。ADC0 子系統(tǒng)包括一個9通道的可編程模擬多路選擇器(AMUX0)，一個可編程增益放大器(PGA0)和一個100 ksps、12 位分辨率ADC，集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。ADC0中的模擬多路選擇器、可編程增益放大器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式都可用軟件通過特殊功能寄存器來控制。模擬量和狀態(tài)量采集電路分別如圖11所示。

圖11 CPU內(nèi)部模擬量采集電路ADC0

單體電壓采樣電路將電壓信號分別送給電池包下位機和電源控制器的模擬量輸入通道，軟件依據(jù)均衡程序?qū)π铍姵貑误w進(jìn)行均衡控制，因此需在硬件上進(jìn)行隔離、軟件上進(jìn)行主備份設(shè)置。電壓采樣電路使用TI公司的運放集成電路AD620進(jìn)行控制變換，芯片輸入電流小于1 μA，主要用于蓄電池電壓采樣和單體電壓采樣[14]。輸入至電源控制器的采樣電路和輸入至管理單元的采樣電路在硬件上進(jìn)行隔離，確保了電路的穩(wěn)定與可靠。采樣電路原理如圖12所示。

單體采樣電路經(jīng)過采集電路將整組和單體電池電壓變換至0～5 V，對外沒有危害。在衛(wèi)星每次測試結(jié)束后，通過發(fā)送指令將蓄電池放電開關(guān)、火工品母線開關(guān)設(shè)置為斷開狀態(tài)，確保在總裝操作時接插件對外沒有電能輸出，徹底解決了蓄電池帶電插拔或誤插打火的安全問題。

目前，蓄電池包已在多個在研型號上推廣使用，杜絕了蓄電池打火燒毀設(shè)備的現(xiàn)象發(fā)生，也保證了操作人員的人身安全。同時在衛(wèi)星狀態(tài)確認(rèn)過程中，節(jié)省了設(shè)計師和總裝操作人員的時間和精力，極大地提高了工作效率。

5 配電器短路故障自檢功能

鑒于供配電系統(tǒng)對衛(wèi)星能否在軌安全可靠運行的重要性，供配電故障診斷技術(shù)也越來越受到關(guān)注，但都是通過供配電系統(tǒng)在不同的工作模式下的參數(shù)進(jìn)行綜合判斷[15-16]。文獻(xiàn)[17]提出基于定性模型的電源系統(tǒng)故障診斷技術(shù)，通過分析供電分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和構(gòu)建原理，明確每個模型中組件的輸入輸出關(guān)系、組件間的約束關(guān)系和故障模式的種類等，人為構(gòu)造組件功能異常來驗證模型的正確性。文獻(xiàn)[18]建立了電源分系統(tǒng)中各個部件在正常狀態(tài)下的Simulink仿真模型，并給出了各個輸出量的特征值，通過閾值特征和關(guān)聯(lián)關(guān)系特征，并以太陽電池陣展開故障和蓄電池性能衰退故障為例，實現(xiàn)了基于這兩個特征的故障診斷。以上所述的診斷方法均是在供配電系統(tǒng)正常工作以后通過假想故障進(jìn)行故障診斷，且需要借助地面軟件進(jìn)行識別，并未對常見的短路故障進(jìn)行提前預(yù)判。

圖12 單體電壓采樣電路原理圖

衛(wèi)星常規(guī)的供電鏈路短路檢測方法主要有以下兩種。方法1：利用星表插頭檢測[19]。將衛(wèi)星各供電分區(qū)的正線和負(fù)線引出至星表檢測插頭。衛(wèi)星加電前，使用萬用表測量各供電分區(qū)的阻抗，判斷各分區(qū)是否存在短路故障。方法2：利用轉(zhuǎn)接盒檢測。在星上設(shè)備首次加電前，利用轉(zhuǎn)接盒對設(shè)備的供電電纜進(jìn)行接口檢測，判斷是否存在短路問題。

目前東方紅公司研制的小衛(wèi)星采用了一種供電開關(guān)接通前可檢測短路故障的電路設(shè)計，可有效防止衛(wèi)星用電設(shè)備端及其供電電纜引起的母線短路故障發(fā)生[20]。配電器短路故障自檢功能控制電路見圖13所示。具體實現(xiàn)方式是，在配電器上電后，下位機自動發(fā)送指令 “自檢電路接通”，接通繼電器B1，這樣在繼電器的常閉觸點B2施加小電壓1.7 V，下位機采集用電設(shè)備端是否有電壓；如果該電壓值大于告警閾值，說明用電設(shè)備和電纜均無短路故障，對應(yīng)的遙測供電分區(qū)短路狀態(tài)遙測參數(shù)置“0-正常”，下位機自動發(fā)送指令 “自檢電路斷開”， 斷開1.7 V分區(qū)自檢電源，供電分區(qū)自檢結(jié)束。否則說明供電分區(qū)或電纜存在短路點，將相應(yīng)供電分區(qū)短路狀態(tài)遙測參數(shù)置“1-異常”，此時衛(wèi)星斷電盡快排查短路故障。待解決問題后，再重新加電測試。針對不同的供電分區(qū)，自檢電壓1.7 V可以共用，每一個供電分區(qū)有各自獨立的短路狀態(tài)遙測參數(shù)送給配電器下位機便于故障排查。

圖13 加電自檢功能控制電路

3種供電短路檢測方法比較見表2所示，可以看出不同的檢測方法各有優(yōu)勢，衛(wèi)星在設(shè)計初期可根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)選。然而配電器短路檢測能夠覆蓋衛(wèi)星研制的各個階段。衛(wèi)星加電后通過遙測即可判斷供電分區(qū)是否存在短路，若存在則斷電處理問題，若不存在短路繼續(xù)進(jìn)行測試，極大地提高了測試效率。

表2 3種供電短路檢測方法比較

6 結(jié)束語

由于小衛(wèi)星具有單機功能密度高、研制周期短和批量化生產(chǎn)研制等特點，在地面綜合測試階段由供電安全引起的問題屢見不鮮。本文總結(jié)了近年來小衛(wèi)星在地面綜合測試供電安全方面的改進(jìn)措施和取得的成果，分別從測試關(guān)鍵工序、母線電壓建立方式和建立時間、蓄電池包的優(yōu)化設(shè)計和配電器短路故障自檢功能5個方面詳細(xì)論述了這些改進(jìn)措施的由來，通過實際應(yīng)用驗證了最終效果，有效降低了衛(wèi)星在總裝和測試階段的安全隱患，提高了綜合測試的供電安全性，具有很大的工程應(yīng)用價值，本行業(yè)技術(shù)人員可根據(jù)自身實際進(jìn)行借鑒。