衛(wèi)星配電系統(tǒng)的量化評價方法

周耀華 張新星 鮑恩竹 梁翠娜

摘要：衛(wèi)星配電系統(tǒng)是整星的重要組成部分，配電系統(tǒng)的質量在整星質量中占比也較高。對于中小型衛(wèi)星，其輕量化實現(xiàn)的評價對于指導配電方案選擇、實現(xiàn)衛(wèi)星的輕量化設計具有重要的意義。提出的衛(wèi)星配電系統(tǒng)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(tǒng)的輕量化設計狀況，具有良好的工程應用價值。結合衛(wèi)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(wèi)星配電系統(tǒng)的輕量化方案評價提供參考。

關鍵詞：衛(wèi)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(tǒng)具有多目標、多關聯(lián)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(tǒng)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(wèi)星效能評估，建立衛(wèi)星效能評估的指標體系，解決了系統(tǒng)中非線性、高耦合的難題。文獻[3]將層次分析法應用于衛(wèi)星平臺結構方案評價，實現(xiàn)了平臺結構方案的量化優(yōu)選。

配電系統(tǒng)作為衛(wèi)星的重要組成部分，包括配電器（或模塊）與電纜網，實現(xiàn)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(tǒng)。配電系統(tǒng)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(tǒng)方案的輕量化實現(xiàn)做出客觀評價將對整星方案設計的優(yōu)劣產生重要影響，因此配電系統(tǒng)方案評價工作十分重要。但目前關于配電系統(tǒng)評價的研究較少，文獻[5]通過對國內外衛(wèi)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(tǒng)方案，定性地分析了各方案的優(yōu)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(wèi)星配電系統(tǒng)方案評價，以某型號配電系統(tǒng)方案為例對其方案的輕量化實現(xiàn)進行了綜合評價，得到了影響配電系統(tǒng)輕量化各因素的權重分布情況，選出輕量化實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)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(jù)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(tǒng)方案

配電系統(tǒng)與衛(wèi)星總體構型、布局等總體設計密切相關。為實現(xiàn)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(jù)衛(wèi)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(wèi)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(xiàn)影響不同。如不同的衛(wèi)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(xiàn)的質量不同，實現(xiàn)的配電系統(tǒng)的質量不同。

以衛(wèi)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(wèi)星構型如圖1所示。衛(wèi)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(shù)據(jù)統(tǒng)計，配電系統(tǒng)設計不低于 100 kg。為實現(xiàn)整星的任務配置需要，配電系統(tǒng)的輕量化實現(xiàn)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(fā)展，供配電分系統(tǒng)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(jié)，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(jié)，配電功能通過平臺艙和載荷艙的綜合電子設備綜合業(yè)務單元（配電模塊集成在綜合業(yè)務單元中）進行配置，然后通過綜合業(yè)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(jié)，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(yè)務單元進行配置，實現(xiàn)一次母線供電。

從配電系統(tǒng)輕量化實現(xiàn)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(wèi)星構型下，跨艙轉接電纜、支架多；在一體化衛(wèi)星構型中，沒有跨艙轉接電纜，可以實現(xiàn)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(wèi)星構型下，電纜的跨艙轉接只有從電源控制器到綜合業(yè)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(wèi)星構型下，沒有跨艙轉接電纜，可以實現(xiàn)從電源控制及分配器到綜合業(yè)務單元，然后再到用電設備。在該方案中，通過綜合業(yè)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(yè)務單元中配電模塊的配電通路，實現(xiàn)小型化，能進一步緩解綜合業(yè)務單元端的電纜壓力，但設備最多；在分艙式衛(wèi)星構型下，電纜的跨艙轉接只有從電源控制器到綜合業(yè)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(wèi)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(shù)量是一致的，綜合業(yè)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(yè)務單元設備的多少影響配電系統(tǒng)的質量，但主要的影響是對設備數(shù)量引起的電纜長度以及電纜到設備的轉接數(shù)量變化。因此，配電系統(tǒng)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(yōu)劣。

3輕量化配電系統(tǒng)方案評價

3.1輕量化配電系統(tǒng)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(fā)，通過衛(wèi)星構型、布局、優(yōu)化電纜走向、縮短電纜長度，實現(xiàn)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(yōu)化的前提下，導線的質量通過電纜長度體現(xiàn)，通過優(yōu)化接插件、固定支架及扎帶的使用數(shù)量實現(xiàn)配電的輕量化，其中接插件的類型與數(shù)量與綜合業(yè)務單元的數(shù)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(shù)量與電纜長度有關。綜合業(yè)務單元設置的數(shù)量多，電纜至設備端的接插件數(shù)量增加，但電纜長度減少，固定支架及扎帶的使用數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)質量的環(huán)節(jié)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(tǒng)目標層，最下層為方案層，中間為準則層。衛(wèi)星構型（艙段數(shù)量影響電纜的轉接）、設備布局、綜合業(yè)務單元數(shù)量、電纜走向、導線、接插件類型和接插件數(shù)量等諸多要素狀況直接對系統(tǒng)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(shù)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(shù)分析，結合3種配電方案，將各因素與對應的權重系數(shù)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(wèi)星構型、設備布局、電纜走向、導線以及綜合業(yè)務單元數(shù)量，接插件類型、數(shù)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(wèi)星構型下，混合式配電在設備布局、電纜走向、綜合業(yè)務單元數(shù)量等方面更有優(yōu)勢；在一體化衛(wèi)星構型下，分級式配電在設備布局、電纜走向和綜合業(yè)務單元數(shù)量等方面更有優(yōu)勢。

4結束語

在層次分析法研究的基礎上，以衛(wèi)星方案階段配電系統(tǒng)方案為例建立了輕量化實現(xiàn)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(wèi)星方案設計階段需要根據(jù)任務要求、技術先進性、經濟可行性等多要素開展衛(wèi)星總體方案、各分系統(tǒng)方案的多方案比較。將層次分析法應用于衛(wèi)星配電系統(tǒng)輕量化實現(xiàn)方案的優(yōu)選，為衛(wèi)星總體方案及其他分系統(tǒng)系統(tǒng)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(tǒng)設計方案評價方法綜述[J].系統(tǒng)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(wèi)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(wèi)星平臺結構設計與性能評價[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2018，50（1）：11-17.

[4]馬世俊.衛(wèi)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.