衛(wèi)星電源系統(tǒng)功能特征及邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)的模型化研究

王樂樂，劉元默，劉朋雨，孟翔翼

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

電源系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺(tái)中非常重要的分系統(tǒng)，為整星全生命周期提供穩(wěn)定、安全的電力供應(yīng)[1]。但越來越復(fù)雜的衛(wèi)星載荷功能需求也給電源分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很多挑戰(zhàn)。比如設(shè)計(jì)中大量分散的信息不斷迭代相互關(guān)聯(lián)，貫穿了從衛(wèi)星工程總體對(duì)電源的研制需求到電源系統(tǒng)產(chǎn)品在軌運(yùn)行的全過程。而現(xiàn)有的基于文檔作為載體進(jìn)行設(shè)計(jì)信息的傳遞方式存在很大風(fēng)險(xiǎn)，這些設(shè)計(jì)信息分布在多個(gè)文檔中，其完整性和一致性與需求和工程實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系難以評(píng)估，存在設(shè)計(jì)規(guī)范不強(qiáng)、功能分析不到位、系統(tǒng)邏輯關(guān)系匹配困難、驗(yàn)證評(píng)估不及時(shí)等問題[2]。將系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型化，能夠全面提高衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，在規(guī)范設(shè)計(jì)、功能需求分析與驗(yàn)證中要求更為嚴(yán)格，能夠減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短研制周期，也為利益相關(guān)各方提供了一個(gè)統(tǒng)一的、無二義性的設(shè)計(jì)信息交流工具。

(1)全面提升電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力

目前大部分電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均依賴于文檔運(yùn)行，這種方法難以開展大量設(shè)計(jì)信息的跟蹤與變更影響分析，會(huì)造成設(shè)計(jì)效率低下，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)增加。而利用MagicDraw 工具對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行建模，能夠清晰表達(dá)整星需求，快速支持設(shè)計(jì)迭代中系統(tǒng)功能和系統(tǒng)屬性的評(píng)估，同時(shí)還能強(qiáng)化知識(shí)傳遞，提高不同設(shè)計(jì)師之間的共同效率，全面提升設(shè)計(jì)能力。

(2)在設(shè)計(jì)初期確保關(guān)鍵技術(shù)的準(zhǔn)確性和創(chuàng)新點(diǎn)

電源系統(tǒng)設(shè)備作為具有高可靠性的設(shè)備，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)或設(shè)備制造創(chuàng)新難度大，目前主要依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，存在經(jīng)驗(yàn)傳遞缺失、信息交互不全導(dǎo)致的設(shè)計(jì)問題。同時(shí)各類設(shè)計(jì)信息被分散管理和維護(hù)，使得大量衛(wèi)星設(shè)計(jì)信息、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)軟件無法被充分利用。而電源系統(tǒng)顛覆性設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)往往出現(xiàn)在功能分析或需求分析階段，而且這個(gè)階段因?yàn)槲瓷婕爱a(chǎn)品制造，所以創(chuàng)新成本低。因此利用建模的方法，加強(qiáng)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(gè)電源系統(tǒng)及整個(gè)型號(hào)研制的創(chuàng)新模式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。

(3)形成可追溯、規(guī)范化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息在傳遞過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)信息缺失或誤解，特別是涉及到一些創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)需要我們正確、完善地進(jìn)行論證，找到設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和要點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。除此之外，電源系統(tǒng)的指標(biāo)要求還需要分解傳遞給更下層級(jí)，如單機(jī)層級(jí)，通過將系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程模型化并且構(gòu)建模型之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)傳遞過程受控和可追溯。通過規(guī)范化的設(shè)計(jì)信息追蹤和關(guān)聯(lián)性分析，完成對(duì)電源系統(tǒng)構(gòu)架和技術(shù)狀態(tài)的全面分析和控制。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

將系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型化是通過模型開展對(duì)系統(tǒng)總體需求的分析、系統(tǒng)功能分解及驗(yàn)證活動(dòng)，它貫穿了設(shè)計(jì)研制的全生命周期。在國(guó)外，基于模型的系統(tǒng)工程已經(jīng)發(fā)展了幾十年的時(shí)間，國(guó)外一些大型的國(guó)際航天知名企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)成功地將系統(tǒng)模型化設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際型號(hào)項(xiàng)目中，并取得了很好的成績(jī)，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(guó)外的研究學(xué)者還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)建模語言進(jìn)行了深入的研究，通過規(guī)范建模符號(hào)和語義，實(shí)現(xiàn)對(duì)建模工具的支持，用于提高產(chǎn)品質(zhì)量和溝通效率，實(shí)現(xiàn)更多的設(shè)計(jì)重用[6]。

而在國(guó)內(nèi)，一些大中型企業(yè)也已經(jīng)開始以提升專業(yè)能力為出發(fā)點(diǎn)，從項(xiàng)目任務(wù)分析與方案論證、需求分解與追蹤、試驗(yàn)驗(yàn)證等典型環(huán)節(jié)開展了基于模型的深入研究與實(shí)踐，并取得了一定成果。但是對(duì)于衛(wèi)星上的重要分系統(tǒng)，如電源系統(tǒng)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(tǒng)的文檔記錄方式，缺乏系統(tǒng)性的追溯。因此需要開展衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型化的研究。通過整星對(duì)電源系統(tǒng)級(jí)的任務(wù)剖面和功能需求分析，對(duì)任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行功能分配，建立模塊邏輯模型，并支持系統(tǒng)能量平衡仿真，全面提升設(shè)計(jì)能力。

2 功能特性分析

衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為衛(wèi)星在軌提供足夠且穩(wěn)定的能源，因此電源系統(tǒng)的功能特性分析實(shí)際上就是對(duì)其性能在預(yù)期場(chǎng)景中的行為分析。按照自上而下的正向設(shè)計(jì)原則，對(duì)電源系統(tǒng)在軌運(yùn)行的工作內(nèi)容進(jìn)行分析研究，把不同軌道階段上整星總體對(duì)電能的需求分解給電源系統(tǒng)，建立利益相關(guān)方對(duì)電能需求與系統(tǒng)功能指標(biāo)參數(shù)之間的數(shù)字化模型關(guān)聯(lián)。

2.1 運(yùn)行場(chǎng)景分析

電源系統(tǒng)在軌運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)的主要功能就是為整星提供穩(wěn)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(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行精化，考慮各種不同的預(yù)期場(chǎng)景，用來描述在不同環(huán)境和操作模式下的工作情況，如地影期、光照區(qū)等。按照自上而下的設(shè)計(jì)原則，通過對(duì)運(yùn)行使用場(chǎng)景的描述對(duì)電源系統(tǒng)功能特性進(jìn)行分析，并且關(guān)聯(lián)相同工作場(chǎng)景下的其他利益相關(guān)方，如其他分系統(tǒng)用電需求、軌道條件、空間環(huán)境等。

電源分系統(tǒng)在軌運(yùn)行場(chǎng)景描述如下：(1)在不同軌道階段，如陽照區(qū)和地影區(qū)，為整星全生命周期提供穩(wěn)定、安全的電力供應(yīng)；(2)實(shí)施對(duì)電能的管理，包括對(duì)電能的傳輸、分配、調(diào)節(jié)、控制和存儲(chǔ)等。

在對(duì)電源系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析時(shí)，需要使用用例圖對(duì)其工作環(huán)境以及其他相關(guān)利益者之間的交互關(guān)系(如時(shí)序交互順序、約束及內(nèi)容等)進(jìn)行分析。用例圖用于捕獲用戶目標(biāo)的系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)電能需求的功能描述，還可以作為整星需求表達(dá)的重要組織形式，建立完整的功能用例和運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)能源系統(tǒng)的功能特性分析有著非常重要的意義。

通過對(duì)電源系統(tǒng)在不同工作環(huán)境和模式下的功能分析，得到以下7 項(xiàng)主要功能：電能的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、管理、調(diào)節(jié)、分配、傳輸、供電等。圖1 為電源系統(tǒng)的功能需求用例圖。

圖1 電源系統(tǒng)功能需求用例圖

2.2 狀態(tài)分析

衛(wèi)星在軌運(yùn)行，由于軌道條件、用電需求等利益相關(guān)方的變化，會(huì)從外部觸發(fā)電源系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化，通過識(shí)別狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，對(duì)電源分系統(tǒng)的功能進(jìn)行分配。這種從源狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換變化在建模中使用狀態(tài)機(jī)圖來進(jìn)行描述。圖2 為電源系統(tǒng)在軌實(shí)現(xiàn)供電功能時(shí)的狀態(tài)機(jī)圖。在光照區(qū)時(shí)，系統(tǒng)通過判斷負(fù)載電流與方陣電流之間的關(guān)系，來進(jìn)行供電狀態(tài)的切換。當(dāng)負(fù)載電流小于等于方陣電流時(shí)，為太陽電池陣供電狀態(tài)，而當(dāng)負(fù)載電流大于方陣電流時(shí)，電源系統(tǒng)切換為太陽電池陣供電狀態(tài)。在陰影區(qū)，則只存在蓄電池供電這一種供電狀態(tài)。電源系統(tǒng)在軌運(yùn)行期間有不同的工作狀態(tài)運(yùn)行，從地影期到光照期之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，在狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中，內(nèi)部時(shí)間增加，模型中隨時(shí)間改變的參數(shù)值也隨之發(fā)生變化。

圖2 電源系統(tǒng)在軌實(shí)現(xiàn)供電功能時(shí)的狀態(tài)機(jī)圖

實(shí)際上，采用狀態(tài)機(jī)圖來描述系統(tǒng)的功能模型，通過運(yùn)行不同工作狀態(tài)對(duì)電源系統(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)的預(yù)期效果進(jìn)行驗(yàn)證是一種非常實(shí)際且有效的方法，它能夠確保設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)問題，減少后期的反復(fù)迭代。

2.3 功能分解

針對(duì)每一個(gè)頂層的系統(tǒng)功能，根據(jù)建模的顆粒度要求，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行分解。在MagicDraw 工具中，將系統(tǒng)功能進(jìn)行分解一般采用活動(dòng)圖的形式，分解到哪一層結(jié)束，取決于建模目的和模型粒度。當(dāng)某一層的邏輯結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)或者承載這個(gè)系統(tǒng)功能行為后，就不需要繼續(xù)往下分解了。根據(jù)電源系統(tǒng)功能需求的分析，模型顆粒度為單機(jī)層面，即功能分解到能源系統(tǒng)的單機(jī)功能技術(shù)指標(biāo)。圖3 為電源系統(tǒng)在軌功能分解活動(dòng)圖，通過判斷邏輯和約束條件，將電源系統(tǒng)的功能具體分解為蓄電池的充電和放電功能，通過單機(jī)來承載系統(tǒng)的供電和電能存儲(chǔ)功能。

圖3 電源系統(tǒng)在軌功能分解活動(dòng)圖

電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星一個(gè)非常重要的分系統(tǒng)，通過對(duì)其功能特性的分析能夠解析電源系統(tǒng)在軌的主要工作內(nèi)容和工作機(jī)理，分析結(jié)果可以作為系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案的一項(xiàng)重要依據(jù)，在開展系統(tǒng)功能分析的同時(shí)必須發(fā)掘能夠真實(shí)反映整星任務(wù)目標(biāo)的需求，并在詳細(xì)定義衛(wèi)星能源系統(tǒng)時(shí)主動(dòng)將其納入分析的過程，這樣能夠幫助設(shè)計(jì)師做出更加實(shí)際的分析和設(shè)計(jì)決策。

3 邏輯架構(gòu)建模

電源系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于將電源系統(tǒng)在軌運(yùn)行的功能需求落實(shí)到實(shí)際的內(nèi)部邏輯架構(gòu)關(guān)系中，設(shè)計(jì)中的每種運(yùn)行邏輯都以模型元素或模型元素之間的關(guān)系加以捕獲，最后以數(shù)字模型邏輯架構(gòu)的形式清晰地輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果。邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)是針對(duì)用例，然后進(jìn)行增量迭代，將前期完成的黑盒視圖轉(zhuǎn)化為白盒視圖的過程。

邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)是對(duì)系統(tǒng)的功能分析結(jié)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(gè)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)，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(tǒng)/單機(jī)中的元素緊耦合，同時(shí)子系統(tǒng)/單機(jī)間的元素松耦合，通過良好定義的接口進(jìn)行交互。隨著功能架構(gòu)一層一層地展開，需考慮功能架構(gòu)中的功能節(jié)點(diǎn)由哪個(gè)邏輯構(gòu)件承載。因此，按照電源系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景及功能分析，電源系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)為3 個(gè)邏輯單機(jī)：電能存儲(chǔ)模塊、發(fā)電模塊、功率分配和調(diào)節(jié)控制模塊，對(duì)應(yīng)的單機(jī)分別為蓄電池包、太陽電池陣和電源調(diào)控器，在BDD 圖中將電源系統(tǒng)的功能操作分配給內(nèi)部單機(jī)。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 電源系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

由于在功能需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯架構(gòu)建模，設(shè)計(jì)過程中必須知道電源系統(tǒng)中各邏輯單機(jī)之間相互交換的數(shù)據(jù)以及信息流，所以在建模中采用內(nèi)部接口交互圖能夠清晰地顯示電源系統(tǒng)內(nèi)部信息以及電源系統(tǒng)作為一個(gè)整體與其他外部對(duì)象之間的交互關(guān)系，這樣有助于進(jìn)一步分析系統(tǒng)功能。圖5 為電源系統(tǒng)內(nèi)部信息交換接口關(guān)系圖。

圖5 電源系統(tǒng)內(nèi)部信息交換接口關(guān)系圖

基于狀態(tài)的行為能夠很好地反映出系統(tǒng)的行為，以及系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程中所具備的功能，所以通過模型元素的接口交互關(guān)系來判斷系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的正確性和準(zhǔn)確性是一種非常有效的方法。通過對(duì)模型的執(zhí)行能夠清晰地看出系統(tǒng)中能源流和信息流的不同交互狀態(tài)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的功能邏輯組成。在功能分析的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將電源系統(tǒng)的功能需求分類進(jìn)行傳遞，通過這些關(guān)系實(shí)現(xiàn)追蹤性和關(guān)聯(lián)性分析，能夠完成對(duì)電源系統(tǒng)構(gòu)架和技術(shù)狀態(tài)的全面分析和控制。

4 能量平衡分析

電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星一個(gè)重要的組成部分，能否提供足夠的能源滿足衛(wèi)星在軌壽命周期內(nèi)的正常運(yùn)行，是衡量整個(gè)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，因此需要對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行能量平衡狀況的分析評(píng)估。能量平衡分析是驗(yàn)證電源系統(tǒng)功能和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的重要手段，其目的是在給定的輸入條件下，結(jié)合負(fù)載工作模式，以一個(gè)軌道周期或幾個(gè)軌道周期作為時(shí)間單位,用以驗(yàn)證系統(tǒng)功能和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

當(dāng)能量平衡分析同時(shí)滿足如下兩個(gè)條件時(shí)，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(shí)，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(wèi)星壽命的要求。

能量平衡分析是作為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果的一種手段被提出的，所有的系統(tǒng)功能特性分析和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果都將被帶入到能量平衡分析中進(jìn)行驗(yàn)證。如果設(shè)計(jì)結(jié)果不能滿足能量平衡的需求，則需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足平衡要求；如果設(shè)計(jì)結(jié)果能夠滿足能量平衡的要求，則可以通過輸出曲線，關(guān)注不同工況不同場(chǎng)景下蓄電池組放電功率和能量隨時(shí)間變化的情況，這將有助于能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)權(quán)衡，防止過設(shè)計(jì)。

以某太陽同步軌道的遙感衛(wèi)星為例，該衛(wèi)星在軌運(yùn)行軌道周期約為90 min，其中地影區(qū)30 min，某工況下載荷峰值功率為(150±10)W，在地影區(qū)持續(xù)工作時(shí)間5～10 min，對(duì)該衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行功能特性分析和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)，并將結(jié)果代入到能量平衡分析中進(jìn)行驗(yàn)證分析。不同載荷工作時(shí)長(zhǎng)下蓄電池放電深度及平衡狀態(tài)如表1 所示，不同載荷工作時(shí)長(zhǎng)蓄電池放電功率曲線如圖6 所示。

表1 不同載荷工作時(shí)長(zhǎng)蓄電池放電深度結(jié)果及功率裕度

圖6 不同載荷工作時(shí)長(zhǎng)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(shí)段發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤，圖中陰影部分面積是與時(shí)間相關(guān)的單圈蓄電池放電能量，在同等蓄電池電壓等級(jí)下，陰影面積越大，放電深度越大。虛線所圍面積為光照區(qū)可用于充電的能量。當(dāng)虛線框面積大于陰影部分面積時(shí)，則表明太陽電池陣輸出功率富裕，完全能夠補(bǔ)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(jìn)行計(jì)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(shí)計(jì)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(biāo)放電深度小于20%的要求，因此設(shè)計(jì)結(jié)果均滿足能量平衡的全部要求，驗(yàn)證成功。但是如果在軌載荷功耗增加或者工作時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致蓄電池最大放電深度不滿足小于25%的指標(biāo)要求，則說明能量不平衡，需要在減小載荷功耗、縮短工作時(shí)間以及重新調(diào)整蓄電池的容量設(shè)計(jì)參數(shù)之間做出權(quán)衡，直到最終設(shè)計(jì)結(jié)果滿足能量平衡需求。

5 結(jié)束語

本文采用模型的方式進(jìn)行整個(gè)能源系統(tǒng)功能特性及邏輯的設(shè)計(jì)，將會(huì)帶來工作模式、設(shè)計(jì)流程的巨大變化，實(shí)現(xiàn)高效的信息表達(dá)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)傳遞，也為電源系統(tǒng)研制流程的上下貫通提供根本的保障，通過建立多級(jí)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)當(dāng)上游需求發(fā)生變化時(shí)，下游設(shè)計(jì)可以自動(dòng)更新，將上層功能逐級(jí)分解成下級(jí)各個(gè)層級(jí)的功能，其運(yùn)行邏輯都以模型元素或模型元素之間的關(guān)系加以捕獲，層層分解，獲得整個(gè)能源系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)。同時(shí)能量平衡分析還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證，從而加快設(shè)計(jì)迭代周期，提高設(shè)計(jì)效率，避免欠設(shè)計(jì)或過設(shè)計(jì)發(fā)生。