一種小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷英俊 馬亮 李海津

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像衛(wèi)星可以提供全天時(shí)、全天候環(huán)境下的高空間分辨率全球觀測(cè)能力，1978年，全球第一顆 SAR衛(wèi)星——美國(guó)的海洋衛(wèi)星(SEASAT)發(fā)射升空，為空間微波遙感掀開了嶄新的一頁(yè)。隨著加拿大雷達(dá)衛(wèi)星-1(Radarsat-1)等商用衛(wèi)星的成功，對(duì)SAR圖像的需求越來越旺盛，SAR衛(wèi)星的發(fā)展突飛猛進(jìn)。隨著星載SAR技術(shù)的發(fā)展，分辨率等指標(biāo)逐漸提高，系統(tǒng)功能逐漸增強(qiáng)，但衛(wèi)星質(zhì)量也在增加，其研制和發(fā)射成本也隨之增加。在低成本、高效費(fèi)比要求和星載SAR載荷技術(shù)跨越式發(fā)展的雙重推動(dòng)下，輕小型星載SAR將迎來加速發(fā)展的階段[1]。通常將質(zhì)量在100 kg～500 kg的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星，與大衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星具有快速反應(yīng)能力強(qiáng)、研制周期短、投資風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)。從已有的小衛(wèi)星SAR所發(fā)揮作用來看，效費(fèi)比明顯提高，研制費(fèi)用大幅降低，在軍事和經(jīng)濟(jì)上的應(yīng)用越來越重要[2]。

已發(fā)射的小型SAR衛(wèi)星主要包括以色列技術(shù)合成孔徑雷達(dá)(TecSAR)，衛(wèi)星SAR天線采用拋物面天線，相對(duì)降低了對(duì)整器功率的需求，TecSAR系統(tǒng)功率為1.6 kW[3]。相對(duì)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?qū)崿F(xiàn)多種工作模式，但相控陣SAR天線質(zhì)量大、功耗大，對(duì)小型SAR衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)，要求電源系統(tǒng)質(zhì)量更輕，提供更大的峰值功率。英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司(STLL)研制的新型低成本合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星系統(tǒng)(NovaSAR)是典型的輕小型SAR系統(tǒng)，系統(tǒng)功耗上升到2.2 kW。國(guó)內(nèi)大型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研究工作發(fā)展迅速，已成功發(fā)射包括高分三號(hào)在內(nèi)的多顆大型SAR衛(wèi)星[4]，但國(guó)內(nèi)對(duì)小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研究還處于起步階段。

本文提出一種適合小型SAR衛(wèi)星的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用復(fù)合母線體制，在低壓不調(diào)節(jié)母線基礎(chǔ)上生成一條全調(diào)節(jié)母線和一條高壓不調(diào)節(jié)母線，利用全調(diào)節(jié)母線為平臺(tái)負(fù)載設(shè)備供電，滿足平臺(tái)負(fù)載的高穩(wěn)定供電需求，利用高壓不調(diào)節(jié)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(tǒng)為平臺(tái)、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(wèi)星負(fù)載的不同用電需求。

1 小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 SAR載荷用電需求特點(diǎn)

通過小型SAR衛(wèi)星任務(wù)的分析，小型SAR衛(wèi)星對(duì)電源系統(tǒng)的用電需求特點(diǎn)如下。

1)SAR載荷與平臺(tái)所需功率差異懸殊，SAR載荷峰值功率大

受制于體積和質(zhì)量，小型SAR衛(wèi)星平臺(tái)長(zhǎng)期功耗一般不大于300 W，但SAR載荷峰值功率高達(dá)5 kW，其載荷與平臺(tái)功率相差十分懸殊，電源系統(tǒng)須統(tǒng)籌考慮平臺(tái)設(shè)備供電需求與載荷設(shè)備供電需求。載荷與平臺(tái)所需功率差異懸殊，這與大型SAR衛(wèi)星類似，但是在絕對(duì)功率等級(jí)上有所減小。

2)SAR載荷短時(shí)工作

與通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星不同，SAR衛(wèi)星要求電源系統(tǒng)能夠適應(yīng)其頻繁的大功率加減載需求，具體而言，電源系統(tǒng)首先要滿足衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備的供電需求，為平臺(tái)設(shè)備提供高品質(zhì)的供電母線；其次要求電源系統(tǒng)輸出阻抗極低，具備瞬時(shí)大功率輸出能力以快速響應(yīng)載荷需求，并在加減載過程中保持電源系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，可靠地提供短期載荷峰值功率與平臺(tái)負(fù)載長(zhǎng)期功率的供給。以地中海盆地觀測(cè)星座(Cosmo-Skymed)為例[5]，掃描模式每次最大持續(xù)時(shí)間為10 min，不同于大型SAR衛(wèi)星，小型SAR衛(wèi)星多是以星座組網(wǎng)模式運(yùn)行，單次任務(wù)工作時(shí)間不長(zhǎng)，一般不超過1 min。

1.2 設(shè)計(jì)約束

小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)約束如下。

1)質(zhì)量約束苛刻

大型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)質(zhì)量都比較大，例如Cosmo-Skymed衛(wèi)星電源系統(tǒng)質(zhì)量為320 kg，我國(guó)高分三號(hào)衛(wèi)星電源系統(tǒng)質(zhì)量為365 kg。小型SAR衛(wèi)星受質(zhì)量約束，尤其是對(duì)于采用相控陣體制的小型SAR衛(wèi)星，電源系統(tǒng)質(zhì)量要求更加苛刻，對(duì)于1顆整星質(zhì)量為300 kg的小型SAR衛(wèi)星，電源系統(tǒng)質(zhì)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(wèi)星電源系統(tǒng)產(chǎn)品成本盡可能低，盡可能采用商用成熟化產(chǎn)品。

1.3 小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為同時(shí)兼顧平臺(tái)負(fù)載和SAR載荷用電需求，小型SAR衛(wèi)星電源分系統(tǒng)主要指標(biāo)及要求見表1，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Electrical power supply system block diagram

此小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)溆幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

(1)采用復(fù)合母線體制，電源控制器對(duì)太陽(yáng)電池陣和平臺(tái)蓄電池組進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，輸出一條全調(diào)節(jié)母線和一條高壓不調(diào)節(jié)母線，高壓不調(diào)節(jié)母線與載荷蓄電池組直接連接。

(2)SAR載荷使用高壓不調(diào)節(jié)母線，高壓不調(diào)節(jié)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(fù)載和脈沖負(fù)載的供電需要，非常適合SAR衛(wèi)星電源的使用要求，載荷充電器使用隔離拓?fù)?，降低了SAR載荷母線噪聲對(duì)平臺(tái)設(shè)備的影響。

(3)平臺(tái)采用全調(diào)節(jié)母線，平臺(tái)設(shè)備多為穩(wěn)定的負(fù)載，需要高品質(zhì)的母線以實(shí)現(xiàn)高效率和精確的衛(wèi)星控制，若平臺(tái)設(shè)備直接使用不調(diào)節(jié)母線，不調(diào)節(jié)母線電壓變化范圍較大，對(duì)輸入電壓要求較高的用電設(shè)備需經(jīng)過二次變換，增加了電源變換的復(fù)雜性。

(4)平臺(tái)和載荷獨(dú)立配置蓄電組，平臺(tái)蓄電池組采用能量型鋰離子蓄電池單體，滿足平臺(tái)設(shè)備的長(zhǎng)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(shí)大功率脈沖供電需求，可以分別對(duì)平臺(tái)和載荷鋰離子蓄電池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(5)對(duì)太陽(yáng)電池陣調(diào)節(jié)采用MPPT方式，充分利用太陽(yáng)電池陣輸出功率[7]，可減小太陽(yáng)電陣的面積和質(zhì)量，降低研制成本。蓄電池充電時(shí)間更短，可有效響應(yīng)突發(fā)的任務(wù)規(guī)劃，降低電源系統(tǒng)對(duì)任務(wù)規(guī)劃的約束。

1.4 蓄電組設(shè)計(jì)

平臺(tái)和載荷蓄電池組外形如圖2和圖3所示，平臺(tái)蓄電池組和載荷蓄電池組結(jié)構(gòu)采用套筒式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足抗力學(xué)和熱傳導(dǎo)的同時(shí)，減小了結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。為滿足低成本要求，平臺(tái)鋰離子蓄電池組采用高比能量型18650單體，每個(gè)單體2.8 Ah，采用6并7串設(shè)計(jì)，初期容量不低于16.5 Ah，蓄電池組比能量160 Wh/kg。

圖2 平臺(tái)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(shè)計(jì)，最大放電倍率20 C，初期容量不低于5.5 Ah。在地面進(jìn)行載荷蓄電池組20 C放電時(shí)的溫升試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試，載荷蓄電池以20 C放電30 s時(shí)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(huán)境溫度的前提下，電池組不會(huì)對(duì)周邊設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，也無需對(duì)載荷蓄電池組采取特殊的散熱措施。

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

2 仿真分析

對(duì)小型SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。對(duì)壽命末期整星功率平衡情況進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)設(shè)置仿真主要參數(shù)如下：①230 W長(zhǎng)期平臺(tái)負(fù)載；②全調(diào)節(jié)母線輸出電壓30 V；③5000 W不調(diào)節(jié)母線短時(shí)負(fù)載，單次工作60 s；④單圈最長(zhǎng)地影時(shí)間22 min；⑤蓄電池單體平均電壓達(dá)到4.10 V時(shí)控制恒壓充電；⑥太陽(yáng)電池陣壽命末期直射情況下輸出功率495 W，在軌期間太陽(yáng)電池陣入射角最大為30°；⑦平臺(tái)蓄電池組15 Ah，載荷蓄電池組5 Ah；⑧載荷線路損耗5%；全調(diào)節(jié)母線變換模塊效率92%。

經(jīng)仿真計(jì)算，在單圈最長(zhǎng)陰影條件下，平臺(tái)蓄電池最低放電電壓為25.8 V，平臺(tái)蓄電池最大放電深度為22.1%，滿足平臺(tái)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(jié)果表明，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)小型SAR衛(wèi)星用電需求和設(shè)計(jì)約束，提出了一種復(fù)合母線體制電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在低壓不調(diào)節(jié)母線基礎(chǔ)上生成一條全調(diào)節(jié)母線和一條高壓不調(diào)節(jié)母線，采用平臺(tái)、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(jīng)過仿真分析，設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求，有效地解決了小型SAR衛(wèi)星載荷與平臺(tái)所需功率差異懸殊、SAR載荷峰值功率大的難題，本設(shè)計(jì)可以為我國(guó)后續(xù)小型SAR衛(wèi)星的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。