衛星電源系統功能特征及邏輯架構設計的模型化研究

王樂樂，劉元默，劉朋雨，孟翔翼

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

電源系統是衛星平臺中非常重要的分系統，為整星全生命周期提供穩定、安全的電力供應[1]。但越來越復雜的衛星載荷功能需求也給電源分系統的設計帶來了很多挑戰。比如設計中大量分散的信息不斷迭代相互關聯，貫穿了從衛星工程總體對電源的研制需求到電源系統產品在軌運行的全過程。而現有的基于文檔作為載體進行設計信息的傳遞方式存在很大風險，這些設計信息分布在多個文檔中，其完整性和一致性與需求和工程實現之間的相互關系難以評估，存在設計規范不強、功能分析不到位、系統邏輯關系匹配困難、驗證評估不及時等問題[2]。將系統設計模型化，能夠全面提高衛星電源系統的設計質量，在規范設計、功能需求分析與驗證中要求更為嚴格，能夠減少設計錯誤，縮短研制周期，也為利益相關各方提供了一個統一的、無二義性的設計信息交流工具。

(1)全面提升電源系統的設計能力

目前大部分電源系統的設計均依賴于文檔運行，這種方法難以開展大量設計信息的跟蹤與變更影響分析，會造成設計效率低下，設計風險增加。而利用MagicDraw 工具對電源系統進行建模，能夠清晰表達整星需求，快速支持設計迭代中系統功能和系統屬性的評估，同時還能強化知識傳遞，提高不同設計師之間的共同效率，全面提升設計能力。

(2)在設計初期確保關鍵技術的準確性和創新點

電源系統設備作為具有高可靠性的設備，其產品設計或設備制造創新難度大，目前主要依賴于設計師的經驗，存在經驗傳遞缺失、信息交互不全導致的設計問題。同時各類設計信息被分散管理和維護，使得大量衛星設計信息、設計經驗和設計軟件無法被充分利用。而電源系統顛覆性設計的創新點往往出現在功能分析或需求分析階段，而且這個階段因為未涉及產品制造，所以創新成本低。因此利用建模的方法，加強需求獲取、分析和傳遞模式的研究，探索新的性能特性分析或需求分析模式[3]，有利于整個電源系統及整個型號研制的創新模式發展，實現降本增效的目的。

(3)形成可追溯、規范化的系統設計架構

傳統的電源系統設計信息在傳遞過程中有時會出現信息缺失或誤解，特別是涉及到一些創新性的設計需要我們正確、完善地進行論證，找到設計的重點和要點，有針對性地進行系統架構的設計。除此之外，電源系統的指標要求還需要分解傳遞給更下層級，如單機層級，通過將系統設計過程模型化并且構建模型之間的關系，實現傳遞過程受控和可追溯。通過規范化的設計信息追蹤和關聯性分析，完成對電源系統構架和技術狀態的全面分析和控制。

1 應用現狀

將系統設計模型化是通過模型開展對系統總體需求的分析、系統功能分解及驗證活動，它貫穿了設計研制的全生命周期。在國外，基于模型的系統工程已經發展了幾十年的時間，國外一些大型的國際航天知名企業和實驗室，已經成功地將系統模型化設計應用于實際型號項目中，并取得了很好的成績，其中的典型代表包括NASA、Boeing 公司、Lockheed Martin 公司等[4-5]。除此之外。國外的研究學者還對標準化的系統建模語言進行了深入的研究，通過規范建模符號和語義，實現對建模工具的支持，用于提高產品質量和溝通效率，實現更多的設計重用[6]。

而在國內，一些大中型企業也已經開始以提升專業能力為出發點，從項目任務分析與方案論證、需求分解與追蹤、試驗驗證等典型環節開展了基于模型的深入研究與實踐，并取得了一定成果。但是對于衛星上的重要分系統，如電源系統等，其建模研究還在探索研究階段，在信息的可追溯性方面依然是傳統的文檔記錄方式，缺乏系統性的追溯。因此需要開展衛星電源系統設計模型化的研究。通過整星對電源系統級的任務剖面和功能需求分析，對任務特點進行功能分配，建立模塊邏輯模型，并支持系統能量平衡仿真，全面提升設計能力。

2 功能特性分析

衛星電源系統的設計目的是為衛星在軌提供足夠且穩定的能源，因此電源系統的功能特性分析實際上就是對其性能在預期場景中的行為分析。按照自上而下的正向設計原則，對電源系統在軌運行的工作內容進行分析研究，把不同軌道階段上整星總體對電能的需求分解給電源系統，建立利益相關方對電能需求與系統功能指標參數之間的數字化模型關聯。

2.1 運行場景分析

電源系統在軌運行期間實現的主要功能就是為整星提供穩定且足夠的電能。但是在具體建模過程中，還需要將主要功能的運行場景進行精化，考慮各種不同的預期場景，用來描述在不同環境和操作模式下的工作情況，如地影期、光照區等。按照自上而下的設計原則，通過對運行使用場景的描述對電源系統功能特性進行分析，并且關聯相同工作場景下的其他利益相關方，如其他分系統用電需求、軌道條件、空間環境等。

電源分系統在軌運行場景描述如下：(1)在不同軌道階段，如陽照區和地影區，為整星全生命周期提供穩定、安全的電力供應；(2)實施對電能的管理，包括對電能的傳輸、分配、調節、控制和存儲等。

在對電源系統的功能進行分析時，需要使用用例圖對其工作環境以及其他相關利益者之間的交互關系(如時序交互順序、約束及內容等)進行分析。用例圖用于捕獲用戶目標的系統功能，實現衛星對電能需求的功能描述，還可以作為整星需求表達的重要組織形式，建立完整的功能用例和運行場景，對能源系統的功能特性分析有著非常重要的意義。

通過對電源系統在不同工作環境和模式下的功能分析，得到以下7 項主要功能：電能的產生、儲存、管理、調節、分配、傳輸、供電等。圖1 為電源系統的功能需求用例圖。

圖1 電源系統功能需求用例圖

2.2 狀態分析

衛星在軌運行，由于軌道條件、用電需求等利益相關方的變化，會從外部觸發電源系統工作狀態發生變化，通過識別狀態轉換條件，對電源分系統的功能進行分配。這種從源狀態到目標狀態的轉換變化在建模中使用狀態機圖來進行描述。圖2 為電源系統在軌實現供電功能時的狀態機圖。在光照區時，系統通過判斷負載電流與方陣電流之間的關系，來進行供電狀態的切換。當負載電流小于等于方陣電流時，為太陽電池陣供電狀態，而當負載電流大于方陣電流時，電源系統切換為太陽電池陣供電狀態。在陰影區，則只存在蓄電池供電這一種供電狀態。電源系統在軌運行期間有不同的工作狀態運行，從地影期到光照期之間實現轉換，在狀態轉變的過程中，內部時間增加，模型中隨時間改變的參數值也隨之發生變化。

圖2 電源系統在軌實現供電功能時的狀態機圖

實際上，采用狀態機圖來描述系統的功能模型，通過運行不同工作狀態對電源系統功能運轉的預期效果進行驗證是一種非常實際且有效的方法，它能夠確保設計早期發現問題，減少后期的反復迭代。

2.3 功能分解

針對每一個頂層的系統功能，根據建模的顆粒度要求，對系統的功能進行分解。在MagicDraw 工具中，將系統功能進行分解一般采用活動圖的形式，分解到哪一層結束，取決于建模目的和模型粒度。當某一層的邏輯結構能夠實現或者承載這個系統功能行為后，就不需要繼續往下分解了。根據電源系統功能需求的分析，模型顆粒度為單機層面，即功能分解到能源系統的單機功能技術指標。圖3 為電源系統在軌功能分解活動圖，通過判斷邏輯和約束條件，將電源系統的功能具體分解為蓄電池的充電和放電功能，通過單機來承載系統的供電和電能存儲功能。

圖3 電源系統在軌功能分解活動圖

電源系統作為衛星一個非常重要的分系統，通過對其功能特性的分析能夠解析電源系統在軌的主要工作內容和工作機理，分析結果可以作為系統初步設計方案的一項重要依據，在開展系統功能分析的同時必須發掘能夠真實反映整星任務目標的需求，并在詳細定義衛星能源系統時主動將其納入分析的過程，這樣能夠幫助設計師做出更加實際的分析和設計決策。

3 邏輯架構建模

電源系統邏輯設計的重點在于將電源系統在軌運行的功能需求落實到實際的內部邏輯架構關系中，設計中的每種運行邏輯都以模型元素或模型元素之間的關系加以捕獲，最后以數字模型邏輯架構的形式清晰地輸出系統設計結果。邏輯架構設計是針對用例，然后進行增量迭代，將前期完成的黑盒視圖轉化為白盒視圖的過程。

邏輯架構設計的依據是對系統的功能分析結果，先確定頂層的邏輯模塊，以上層邏輯模塊為輸入，分解出下層邏輯模塊，再以該下層邏輯組件為輸入，層層分解，獲得整個系統的邏輯架構，一般以塊定義圖(block definition diagram，BDD)的形式記錄。而邏輯組件的分解原則為子系統/單機中的元素緊耦合，同時子系統/單機間的元素松耦合，通過良好定義的接口進行交互。隨著功能架構一層一層地展開，需考慮功能架構中的功能節點由哪個邏輯構件承載。因此，按照電源系統運行場景及功能分析，電源系統架構應為3 個邏輯單機：電能存儲模塊、發電模塊、功率分配和調節控制模塊，對應的單機分別為蓄電池包、太陽電池陣和電源調控器，在BDD 圖中將電源系統的功能操作分配給內部單機。系統邏輯架構如圖4 所示。

圖4 電源系統邏輯架構

由于在功能需求分析的基礎上進行邏輯架構建模，設計過程中必須知道電源系統中各邏輯單機之間相互交換的數據以及信息流，所以在建模中采用內部接口交互圖能夠清晰地顯示電源系統內部信息以及電源系統作為一個整體與其他外部對象之間的交互關系，這樣有助于進一步分析系統功能。圖5 為電源系統內部信息交換接口關系圖。

圖5 電源系統內部信息交換接口關系圖

基于狀態的行為能夠很好地反映出系統的行為，以及系統的整個運行過程中所具備的功能，所以通過模型元素的接口交互關系來判斷系統邏輯架構的正確性和準確性是一種非常有效的方法。通過對模型的執行能夠清晰地看出系統中能源流和信息流的不同交互狀態，從而驗證系統的功能邏輯組成。在功能分析的基礎上，有針對性地進行系統架構設計，將電源系統的功能需求分類進行傳遞，通過這些關系實現追蹤性和關聯性分析，能夠完成對電源系統構架和技術狀態的全面分析和控制。

4 能量平衡分析

電源系統作為衛星一個重要的組成部分，能否提供足夠的能源滿足衛星在軌壽命周期內的正常運行，是衡量整個電源系統設計的重要指標，因此需要對電源系統進行能量平衡狀況的分析評估。能量平衡分析是驗證電源系統功能和邏輯架構設計必不可少的重要手段，其目的是在給定的輸入條件下，結合負載工作模式，以一個軌道周期或幾個軌道周期作為時間單位,用以驗證系統功能和邏輯架構設計的正確性。

當能量平衡分析同時滿足如下兩個條件時，則表明能量平衡，滿足功率裕度要求，具體條件如下：(1)充電時，太陽電池富裕能量PS＞0，PS=PSA-CH－PBAT-CH，其中PSA-CH為太陽電池陣可用于充電的能量，PBAT-CH為蓄電池組充電所需能量；(2)蓄電池組放電深度滿足衛星壽命的要求。

能量平衡分析是作為驗證系統設計成果的一種手段被提出的，所有的系統功能特性分析和邏輯架構設計結果都將被帶入到能量平衡分析中進行驗證。如果設計結果不能滿足能量平衡的需求，則需要重新調整設計參數以滿足平衡要求；如果設計結果能夠滿足能量平衡的要求，則可以通過輸出曲線，關注不同工況不同場景下蓄電池組放電功率和能量隨時間變化的情況，這將有助于能源系統的設計權衡，防止過設計。

以某太陽同步軌道的遙感衛星為例，該衛星在軌運行軌道周期約為90 min，其中地影區30 min，某工況下載荷峰值功率為(150±10)W，在地影區持續工作時間5～10 min，對該衛星電源系統進行功能特性分析和邏輯架構設計，并將結果代入到能量平衡分析中進行驗證分析。不同載荷工作時長下蓄電池放電深度及平衡狀態如表1 所示，不同載荷工作時長蓄電池放電功率曲線如圖6 所示。

表1 不同載荷工作時長蓄電池放電深度結果及功率裕度

圖6 不同載荷工作時長蓄電池放電功率曲線

從表1 和圖6 中可以看出，蓄電池組放電功率曲線隨著載荷工作時段發生變化，實現了動態跟蹤，圖中陰影部分面積是與時間相關的單圈蓄電池放電能量，在同等蓄電池電壓等級下，陰影面積越大，放電深度越大。虛線所圍面積為光照區可用于充電的能量。當虛線框面積大于陰影部分面積時，則表明太陽電池陣輸出功率富裕，完全能夠補償蓄電池組的充電需求。以最小功率富裕346 W 可充電約60 min 進行計算，可用于充電的能量大于單圈蓄電池的放電能量，說明能量存在富裕；同時計算得到在同樣工況載荷工作10 min的情況下，蓄電池組最大放電深度為14.44%，滿足在軌壽命指標放電深度小于20%的要求，因此設計結果均滿足能量平衡的全部要求，驗證成功。但是如果在軌載荷功耗增加或者工作時間延長，導致蓄電池最大放電深度不滿足小于25%的指標要求，則說明能量不平衡，需要在減小載荷功耗、縮短工作時間以及重新調整蓄電池的容量設計參數之間做出權衡，直到最終設計結果滿足能量平衡需求。

5 結束語

本文采用模型的方式進行整個能源系統功能特性及邏輯的設計，將會帶來工作模式、設計流程的巨大變化，實現高效的信息表達、數據管理和數據傳遞，也為電源系統研制流程的上下貫通提供根本的保障，通過建立多級關聯設計的關系，實現當上游需求發生變化時，下游設計可以自動更新，將上層功能逐級分解成下級各個層級的功能，其運行邏輯都以模型元素或模型元素之間的關系加以捕獲，層層分解，獲得整個能源系統的邏輯架構。同時能量平衡分析還能夠實現對設計結果的驗證，從而加快設計迭代周期，提高設計效率，避免欠設計或過設計發生。