航天器配電系統(tǒng)的直流載波通信架構(gòu)設計與分析

馬少坤 張龍龍

(山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670)

航天器的質(zhì)量受限于火箭的運載能力，質(zhì)量的增加直接導致燃料的增多，影響火箭整體功能結(jié)構(gòu)，進而可能導致一些不可控的技術(shù)風險，增加研制難度。因此，無論從節(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，直流載波通信的應用領域也在逐步擴大。傳統(tǒng)直流載波通信中，無論是電容耦合方式，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，充分發(fā)揮直流載波通信的優(yōu)勢，本文設計了一種無需變壓器，低功耗的直流載波調(diào)制電路，并進一步設計了一種適用于航天器供電系統(tǒng)的直流載波通信架構(gòu)，通過仿真驗證該架構(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

由于集中式設計在大功率衛(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)量過大；集中式的設計導致發(fā)熱量過于集中等問題，分布式供電系統(tǒng)便是解決未來大型航天器對供電能力需求增長帶來的問題一種方式，而分布式供電系統(tǒng)的可靠運行同樣離不開通信網(wǎng)絡的協(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現(xiàn)功率和數(shù)據(jù)的互聯(lián)，其中配電網(wǎng)絡已將各模塊與星載計算機之間聯(lián)系起來，完全可以利用電力線載波通信技術(shù)通過該網(wǎng)絡進行信息傳輸。

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10萬元/kg的發(fā)射成本計算，也要近200萬元的成本。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世紀初，現(xiàn)今該技術(shù)在某些交流電力系統(tǒng)已有相對成熟的應用，例如，家庭抄表系統(tǒng)，在通信系統(tǒng)對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。對于直流載波通信來說，由于直流微電網(wǎng)系統(tǒng)尚未大規(guī)模應用，該領域研究開始時間較晚，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，需要阻抗器對高頻載波信號加以控制，但由于基本原理相同，近年來直流載波通信技術(shù)在交流載波通信的基礎上有所發(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耦合到電力線系統(tǒng)中，或?qū)㈦娏€系統(tǒng)中的信號提取出來?；谕瑯拥脑恚梢詫⑵鋺玫街绷鞴╇娤到y(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的同時又能隔絕直流量，減弱低頻雜波信號，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[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)，直接將載波信號通過變壓器耦合到電力線上，同樣電力線上的高頻信號也能通過變壓器被接收機接收。與電容耦合電路相比，電感耦合電路更加簡單，通常用于電源附近的低阻抗處。

圖3 電感耦合

通過電感或電容將已經(jīng)調(diào)制完成的高頻載波信號耦合到直流供電系統(tǒng)的直流載波通信技術(shù)，雖然原理簡單，但實現(xiàn)方式比較復雜，因為通信系統(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，可以通過控制其頻率，相位，振幅等特征傳輸信息，在電源端和負載端，均可以使用功率變換器進行信號的發(fā)送，無需附加信號發(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域具有天然優(yōu)勢，文獻[7]便利用功率變換器的不同開關頻率，實現(xiàn)了共母線功率變換器之間的通信，文獻[8]則在雙有源功率變換器上采用紋波通信，并擴展了過零點電壓轉(zhuǎn)換范圍，提高了轉(zhuǎn)換效率。文獻[9]重點研究了負載側(cè)功率變換器通信問題，其通過檢測開關轉(zhuǎn)換時引起的噪聲來確定開關頻率，從而實現(xiàn)負載側(cè)功率與信號的復合調(diào)制和解調(diào)。

文獻[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)來實現(xiàn)對功率的控制，功率變換器的門極控制信號為一串幅值恒定的矩形波序列，通過控制其占空比來實現(xiàn)對功率的調(diào)控。而除占空比，該矩形波序列還有頻率和相位2個獨立的控制自由度，通信信號可以通過控制這兩個自由度實現(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)制是通過對三角波頻率的調(diào)制，實現(xiàn)對紋波頻率的調(diào)制，原理圖如圖4所示，當數(shù)字信號為0或未通信狀態(tài)時，雙向開關選擇輸出頻率為f0的三角波發(fā)生器，當數(shù)字信號為1，雙向開關選擇輸出頻率為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

對于相位調(diào)制，文獻[11]在文獻[2]的基礎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，針對門極信號頻率或者相位改變造成的電容電壓擾動進行了分析。其中，當頻率在電感電流位于平均值時切換，電容電壓波動不大。而當相位切換時波動較大，為抑制這一電壓擾動，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間來進行相位差的補償。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，在通信時與非通時分別采用不同的開關頻率，且兩開關頻率在解調(diào)窗口內(nèi)正交。由于通信時開關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紋波對通信信號的干擾。同時，在通信過程中采用多進制DPSK調(diào)制，提高了帶寬利用率，可以實現(xiàn)高通信速率。其過渡期間波形圖如圖5所示，過渡時間為T，過渡期間頻率為f0，過渡前后相位分別為φ1，φ2，頻率均為f1。

圖5 FH-DPSK過渡波形圖

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，通信和功率對同一載波進行調(diào)制，雖然通信速率較高，但無法調(diào)節(jié)信號強度，限制較大，功率/數(shù)據(jù)雙載波調(diào)制技術(shù)彌補了這方面的不足，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)過頻率調(diào)制后作為擾動加載到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，且載波信號不直接用作門極控制信號，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)在比較成熟先進的正交頻分復用(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)點進行信息的調(diào)制，大大限制了應用范圍；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頻率，一般在100 kHz量級，對于更高的頻率將無能為力。

3 航天器配電系統(tǒng)載波通信設計及仿真

3.1 配電系統(tǒng)載波通信架構(gòu)設計

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)絡并非專門為通信鋪設的鏈路，所以設計載波通信時要充分考慮信道條件，針對特定的問題，需要提出具體的措施加以解決。

首先對于特定的配電網(wǎng)絡，需要了解其運行產(chǎn)生的高次諧波頻率，設計通信頻率時需要避開該頻段，以免被干擾。例如，開關電源從幾十到幾百千赫茲不等，需要合理分配各開關電源和耦合信號波的頻段，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)絡中有著穩(wěn)定電壓、過濾高次諧波等積極作用，但對于通信載波來說，卻是一個嚴峻的問題，需要設計特定的阻波電路，在不破壞配電網(wǎng)絡正常功能的情況下，防止高頻載波被當作無用雜波過濾掉，同時阻波器也能阻止非期望頻段的波動進入通信信道中，一定程度上拓展了可用頻段。

其次，配電網(wǎng)絡中由于存在DC/DC功率變換器、繼電器等配電單元，會阻礙破壞網(wǎng)絡的連續(xù)性，造成通信失敗，根據(jù)配電網(wǎng)絡的通信需求，遙測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)點設置在配電器母線側(cè)即可，對于少數(shù)跨配電單元的情況，再考慮中繼節(jié)點的問題。

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的開關頻率生成需要的波形，其中頻率f1，f2分別對應數(shù)字信號0和1，根據(jù)需要發(fā)送的數(shù)字信號選擇相對應的頻率。兩個MOSFET同時打開時，電流通過MOSFET管M1和M2，電感L從母線正級流向負極，同時關閉時，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)制信號耦合到電力線中，整個過程中只有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，對于高頻的載波信號而言，相當于短路狀態(tài)，會極大的損耗調(diào)制信號的能量，另外Buck變換器本身的紋波有一定的導通需求，所以需要根據(jù)調(diào)制頻率在濾波電容側(cè)設置阻波器。阻波器主要應用并聯(lián)諧振的原理，在通信頻率附近呈現(xiàn)高阻抗特性，防止高頻載波信號流入非期望的線路，當通信頻率足夠高時，單獨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 仿真分析驗證

采用Psim軟件對單通道航天器配電系統(tǒng)載波通信進行仿真，首先搭建航天器配電系統(tǒng)，其中，太陽能功率調(diào)節(jié)單元采用順序開關分流調(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模塊生成隨機的二進制數(shù)據(jù)作為調(diào)制電路的通信輸入，通過與解調(diào)輸出數(shù)據(jù)對比驗證該系統(tǒng)的通信功能是否正常，通過觀察母線電壓與變換器輸出電壓分析通信對于航天器供電品質(zhì)的影響。

通過改變調(diào)制模塊中的電感L值，能夠調(diào)節(jié)調(diào)制信號功率大小，當L值過小時調(diào)制信號易被噪聲淹沒，導致誤碼率增加，過大時將導致母線電壓波動過大；調(diào)制信號頻率的選擇受到MOSFET管開關速度和信道噪聲的限制，由于電感的感抗與頻率成正比，當頻率較小時，單獨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)制電路的隨機二進制數(shù)，V2為解調(diào)電路輸出2進制數(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。通過對比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不超過0.05 V，由V6可知，通信模塊對于配電器負載端幾乎沒有影響，完全可以滿足航天對于配電系統(tǒng)電氣環(huán)境的要求。

圖10 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

由本文的分析設計及仿真結(jié)果可知：直流電力線載波通信可以應用于航天器配電系統(tǒng)中，文中設計的電路能實現(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的電磁環(huán)境比單純的通信線路更加復雜，電力網(wǎng)絡的穩(wěn)定性也會受到一定的干擾，但這依然不能掩蓋其所帶來的各種優(yōu)勢，電力線載波通信具備廣闊發(fā)展空間。