國外SAR衛星電源系統分析與啟示

張曉峰 張文佳 郭偉峰 林文立 劉治鋼

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

國外SAR衛星電源系統分析與啟示

張曉峰 張文佳 郭偉峰 林文立 劉治鋼

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

介紹了國外合成孔徑雷達（SAR）衛星電源系統的特點，從SAR衛星成像模式多、峰值功率大、較大的載荷平臺功率比以及脈沖功率工作等方面分析了其對電源系統設計的需求；介紹了歐洲和加拿大研制的Cosmo-Skymed衛星、TerraSAR-X衛星、Radarsat-2衛星、Sentinel-1衛星、Earth CARE衛星等的電源系統設計概況，對其電源系統拓撲、母線體制、太陽電池陣功率調節方式、鋰離子蓄電池組配置等技術方案的特點進行了歸納總結，在此基礎上提出了我國SAR衛星電源系統技術發展的建議。

SAR衛星；電源系統；設計方案

1 引言

合成孔徑雷達（SAR）成像衛星可以提供全天時和全天候環境下的高空間分辨率全球觀測能力，其具有成像模式多、峰值功率大以及脈沖工作等特點，對衛星電源系統的設計提出了新的需求和挑戰。

國內大功率SAR衛星電源系統的研究工作起步較晚，以歐洲和美國為代表的國外航天機構在大功率SAR衛星電源系統研制方面有許多成功的經驗。本文就SAR成像衛星對電源系統的需求特點進行詳細的分析，對歐洲研制并成功在軌運行的具有代表性的幾顆SAR衛星的電源系統設計方案進行介紹與分析，以借鑒其成功設計經驗，結合我國的SAR衛星電源設計現狀，提出我國后續SAR衛星電源系統技術發展的建議。

2 國外SAR衛星電源系統設計分析

2.1 地中海盆地觀測小衛星星座電源系統設計

地中海盆地觀測小衛星星座（Cosmo-Skymed）包括4顆低軌衛星，每顆衛星搭載一套X頻段合成孔徑雷達。Cosmo-Skymed系統由意大利航天局主導，意大利航天局與意大利國防部共同出資研制［1］。

Cosmo-Skymed衛星載荷功率遠大于平臺功率，衛星成像任務要求電源具備高峰值功率，且載荷均為短時工作，整星功率需求如下：

（1）聚束模式：約19 k W，最長10 s；

（2）條帶模式：約11 k W，最長10 min；

（3）衛星平臺功率不大于1 k W。

壽命末期（EOL）任務成像能力要求見表1。

表1 壽命末期成像能力需求Table 1 Imaging capability requirements at EOL

Cosmo-Skymed電源系統基于不調節系統，提供23～37.8 V范圍內蓄電池組電壓作為母線電壓。其原理見圖1。設計方案主要特點有［1-2］：

（1）Cosmo-Skymed配置兩個太陽翼，每翼由4塊太陽電池板組成，每塊太陽電池板包括4個分陣，其中2個分陣為7個支路并聯，2個分陣為6個支路并聯，每個支路為24個電池單體串聯組成，太陽電池陣最終設計功率為壽命初期大于4500 W，壽命末期大于3800 W。

（2）太陽電池陣使用太陽電池陣驅動機構完成對日定向。

（3）鋰離子蓄電池組額定容量336 Ah，9串224并的配置，包括2016個單體，由8個模塊組成，每個模塊由Sony US18650HC單體串并聯網絡組成，地影期放電深度為21.5%，光照期放電深度為13.4%，在壽命末期最長地影、最大載荷工作條件下放電深度為35%，最大充電電流為60 A，蓄電池放電電壓最小值為26 V（壽命末期最大倍率放電），放電電壓平均值為35 V，在軌充電電壓最大設置值為37.8 V，蓄電池組在軌放電峰值電流可達775 A。

（4）電源控制器（Power Conditioning Unit，PCU）配置了10個直流-直流變換器（DC/DC）單元完成太陽電池陣的功率調節，使用最大功率點跟蹤（MPPT）調節技術，壽命末期輸出功率3510 W（母線電壓28 V），PCU控制蓄電池組的充電，為整星加熱器提供能源，并且驅動衛星火工裝置。

（5）蓄電池電流感應器（Current Unit Sensor，CUS）測量蓄電池組充放電電流，確定蓄電池組充電階段并為PCU提供蓄電池電流控制環的反饋信號。

（6）保護與配電單元（Power Protection&Distribution Unit，PPDU）為平臺設備和SAR載荷電子設備提供受保護的配電線路，平臺配電路數67（最大容量80路），載荷配電路數80，使用保險絲完成線路保護，線路之間相互冗余。

圖1 Cosmo-Skymed電源系統結構圖Eig.1 Cosmo-Skymed electrical power supply system block diagram

（7）SAR天線電源（SAR Antenna Power Supply，SAPS）由80個升壓變換器組成，提供SAR天線所需的能源，另外，為了抑制天線脈沖負載產生的傳導紋波，保證母線品質，SAPS包括了必需的差模和共模濾波器。

（8）電源系統質量：320 kg。

值得注意的是，Cosmo-Skymed衛星使用的是基于商用小容量Sony US18650 HC單體串-并聯結構蓄電池組，截至2013年，已經有超過100個航天器采用了這種小單體鋰離子電池組［3-4］。Cosmo-Skymed衛星鋰離子蓄電池組外形見圖2。其主要特點有：

（1）免維護，無需復雜的鋰離子電池均衡管理、旁路故障隔離管理以及耗費較多遙測資源的單體狀態監測。

（2）易于模塊化，且任何單體失效不易影響周圍單元，可靠性高（Cosmo-Skymed衛星蓄電池組可靠性0.999 5）。

（3）基于商用單體，研制周期短，成本低廉。

（4）內阻非常低，適合瞬時大功率負載使用。

蓄電池在軌放電特性見圖3和圖4。

圖2 Cosmo-Skymed鋰離子蓄電池組示意圖Eig.2 Lithiumion battery for Cosmo-Skymed

圖3 聚束模式下電池組放電電流和電壓Eig.3 Battery discharge current and voltage during a spot product

圖4 條帶模式下蓄電池組放電電流與電壓Eig.4 Battery discharge current and voltage during a strip product

2.2 陸地雷達-X頻段衛星電源系統設計

陸地雷達-X頻段衛星（TerraSAR-X）是一顆用于科學研究和商業運行的高分辨率SAR衛星，由德國教育科技部、德國航天局及阿斯特里姆（Astrium）公司合作研制［5］。

TerraSAR-X衛星載荷設置了多種成像模式，功率需求較大，短時峰值功率需求為5000 W；衛星平臺功率需求在1000 W左右。

電源系統采用不調節母線體制，原理見圖5，設計方案主要特點有：

（1）電源系統采用不調節功率母線，電壓范圍35～50 V，峰值輸出功率5000 W；不調節母線通過6路大功率固態限流開關（Latching Current Limiter，LCL）配電通路為SAR載荷供電，每路具備1200 W的配電能力，其中2路LCL為熱備份；此外不調節母線還為64路加熱器負載供電。

（2）太陽電池陣使用最大功率跟蹤（MPPT）調節方式，額定功率1800 W；包括6個MPPT模塊，每個額定功率450 W，其中2個熱備份；MPPT模塊輸入電壓范圍：55～110 V，輸出電壓范圍35～51 V。

（3）為平臺設備配置了全調節功率母線，母線電壓28 V，輸出功率1500 W；由4個降壓DC/DC變換器對35～51 V的不調節母線進行電壓控制，輸出28 V穩定電壓，每個DC/DC變換器額定功率500 W，其中1個DC/DC變換器熱備份，并通過48路LCL配電通路為平臺設備供電。

（4）鋰離子蓄電池組為108 Ah，12串72并。

（5）系統配置6路大功率LCL支路；48路小功率LCL支路；4路火工品控制輸出；2×2二次電源模塊。

圖5 TerraSAR-X衛星供配電原理框圖Eig.5 TerraSAR-X electrical power supply system block diagram

2.3 “哨兵”系列衛星電源系統設計

“哨兵”（Sentine-l）系列衛星是歐洲哥白尼計劃空間部分的重要組成部分，Sentinel-1衛星是全天時、全天候雷達成像衛星，用于陸地和海洋觀測，首顆Sentinel-1A衛星已于2014年4月3日發射。

Sentinel-1A衛星為C頻段SAR對地觀測衛星，運行在太陽同步軌道上，軌道周期99 min，重復周期12 d，設計壽命7.25 a。衛星采用意大利泰雷茲-阿萊尼亞空間公司的“意大利多用途可重構衛星平臺”（PRIMA），姿控系統采用三軸穩定方式，定軌采用GPS，定軌精度每軸10 m。

Sentinel-1A衛星設置了多種成像模式，工作時間分別為10 min、20 min不等，載荷峰值功率需求為6000 W；衛星平臺功率需求為1000 W左右。

Sentinel-1A衛星電源系統采用不調節母線體制，原理見圖6，設計方案主要特點有［6］：

（1）電源系統采用不調節母線體制，不調節母線電壓變化范圍49～65 V。

（2）太陽電池陣使用MPPT功率調節方式，最大限度地利用太陽電池陣輸出能量，MPPT功率調節器輸出與蓄電池組直接相連，形成不調節母線輸出。

（3）系統平臺設備使用28 V全調節調節母線，由DC/DC變換器從不調節母線降壓變換后輸出。

（4）電源分系統采用2個太陽電池翼，每個太陽電池翼由5塊太陽電池板組成，壽命末期平均功率為4.8 k W，采用三結砷化鎵電池。鋰離子電池使用ABSL公司的小容量Sony US18650 HC商用單體通過串-并聯結構組合，額定容量為324 Ah。

（5）系統不調節母線配置了62路LCL保護配電線路，54路熱控供電與調節配電線路。

（6）系統全調節母線配置了32路LCL保護配電線路。

（7）系統使用1553B總線實現與星務計算機的通信。

圖6 Sentinel-1A衛星電源系統結構框圖Eig.6 Sentinel-1A electrical power supply system block diagram

2.4 地球云、氣溶膠與輻射探測者衛星電源系統設計

地球云、氣溶膠與輻射探測者（EarthCARE）衛星為歐洲-日本合作項目，衛星配置有大氣激光雷達、地球云雷達以及多光譜相機等，用于探測地球云、氣溶膠與輻射間的相互作用關系以及其對地球氣候的影響，是一顆運行在400 km高的極軌道地球觀測衛星。

EarthCARE衛星載荷峰值功率需求3000 W左右，工作時間接近50 min，其中大氣激光雷達的脈沖重復頻率（PRE）為51 Hz，占空比約為80%；衛星平臺功率需求為1500 W左右。

EarthCARE衛星電源系統采用不調節母線體制，設計方案主要特點有［7］：

（1）衛星電源系統使用28 V不調節母線，母線電壓在25～34 V之間，極端情況下不低于20 V。

（2）太陽電池陣使用最大功率跟蹤調節技術，最大限度利用太陽電池陣能量，配置了5個MPPT模塊，向母線的輸出能力為4500 W。

（3）衛星使用單側太陽翼結構，共5塊太陽電池板，安裝在+Y側，有效面積21.5 m2，太陽電池陣使用三結砷化鎵電池，通過SADA實現對日定向。

（4）鋰離子電池使用ABSL公司的小容量Sony US18650HC商用單體通過串-并聯結構組合，容量為324 Ah，蓄電池組為3個8串72并模塊，電壓范圍20～33.6 V，質量96 kg，比能量97.5 Wh/kg。

（5）配置了80路LCL保護的配電線路，144路加熱器配電線路與32路火工品配電線路，容量在1～60 A。

（6）對平臺必需的電子設備配置了6路可折返限流配電線路。

（7）使用1553總線實現與星務計算的通信。

2.5 雷達衛星-2電源系統設計

雷達衛星-2（Radarsat-2）是一顆搭載C頻段傳感器的高分辨率商用雷達衛星，運行于太陽同步軌道，軌道周期100 min，壽命7.25 a，由加拿大航天局與MDA公司合作，于2007年12月14日在哈薩克斯坦拜努爾基地發射升空。

雷達衛星-2載荷為短期工作，峰值功率需求為3000 W，平臺功率需求不超過1000 W。

衛星電源系統采用不調節母線體制，原理見圖7，設計方案主要特點有［8］：

（1）雷達衛星-2電源系統采用不調節母線的電源拓撲方式，并最大化降低PCU元器件質量，能產生21～35 V范圍內的不調節一次母線，給負載用電設備供電。

（2）太陽電池陣功率調節使用基于MPPT的功率控制技術，PCU通過模塊化的降壓DC-DC變換器將功率變換至一次母線，優化太陽電池發電效能、降低飛行產品成本。此外，在生命周期內，這種拓撲結構及控制方式能夠滿足SAR高峰值功率載荷的短時峰值供電需求，該功率數值遠遠大于太陽電池陣所能提供的發電容量。

（3）衛星使用氫鎳蓄電池組儲能，蓄電池組直接掛在不調節一次母線上。

（4）蓄電池組由23個單體單元組成，額定容量97 Ah，提供陰影期所有載荷的供電需求，同時在光照期內與太陽電池電路聯合供電，以滿足SAR載荷峰值功率供電需求。

圖7 雷達衛星-2的電源系統結構框圖Eig.7 Radarsat-2 electrical power supply system block diagram

（5）衛星配置雙太陽翼，每翼3塊太陽電池板，太陽電池陣使用單結砷化鎵太陽電池，壽命初期發電容量3400 W，壽命末期發電容量2400 W。

（6）負載配電單元（Payload Distribution Unit，PLDU），為載荷提供配電及保護功能。

3 電源系統需求特點分析與設計方案總結

3.1 需求特點分析

國外SAR衛星電源系統的特點由衛星的供電需求決定，從上述典型的SAR衛星任務來看，衛星對電源系統的需求主要有以下幾個方面的特點：

（1）載荷的成像模式多，峰值功率大。其基本成像模式有聚束模式、條帶模式和掃描模式，每種成像模式的針對性、工作時間和功率需求各不相同。以Cosmo-Skymed為例，其聚束成像模式每次最大持續時間為10 s，功率需求為19 k W，條帶或掃描模式每次最大持續時間為10 min，功率需求為11 k W，電源系統需能滿足較大的峰值功率需求。

（2）衛星有較大的載荷平臺功率比。Cosmo-Skymed的載荷峰值功率為19 k W，而平臺功率不大于1 k W，其載荷與平臺功率相差十分懸殊，電源系統須統籌考慮平臺設備供電需求與載荷設備供電需求，以系統優化的設計方法對衛星電源系統的拓撲結構與母線體制進行全面的論證比較。

（3）衛星載荷為短時工作。與通信衛星和導航衛星不同，SAR衛星要求電源系統能夠適應其頻繁的大功率加減載需求，具體而言，電源系統首先要滿足衛星平臺設備的高品質供電需求，為平臺設備提供高品質的供電母線；其次要求電源系統輸出阻抗極低，具備瞬時大功率輸出能力以快速響應載荷需求，并在加減載過程中保持電源系統的穩定工作，可靠地提供短期載荷峰值功率與平臺負載長期功率的供給。

（4）衛星載荷為脈沖功率工作。對SAR衛星載荷而言，無論是發射接收組件還是固放，均以不同的脈沖重復頻率（PRE）脈沖工作，其PRE一般為1～5000 Hz，大功率SAR載荷的脈沖工作會給系統帶來非常大的電磁干擾［9］，使供電母線紋波增加，系統穩定性降低，這就要求電源系統具備較強的紋波吸收能力與功率濾波能力，確保平臺設備與載荷設備的供電安全。

3.2 設計方案特點總結

以上對歐洲和加拿大典型SAR衛星電源系統的方案進行了介紹，分析了電源系統的拓撲構成、系統配置、性能指標和功率調節控制方法，通過對以上內容的總結分析，可以看到其電源系統設計方案有以下特點：

1）電源系統均采用不調節母線體制

不調節母線具有極低的輸出阻抗，最大限度的滿足了短期峰值負載和脈沖負載的供電需要，非常適合SAR衛星電源的使用要求，因此歐洲SAR衛星電源系統普遍采用不調節電壓母線系統（如Cosmo-Skymed，TerraSar-X，Sentine-1，Radarsat-2等），但另一方面也應看到，不調節母線電壓變化范圍較大，對輸入電壓要求較高的用電設備需經過二次變換，增加了后級電源變換的復雜性［10-11］。

2）為平臺設備配置了高品質全調節母線

相對于SAR載荷的脈動型峰值功率，平臺設備多為穩定的負載，且需要高品質的母線以實現高效率、精確的衛星控制，因此上述SAR衛星電源系統為平臺設備配置了高品質的全調節母線，以滿足高質量的供電需求；值得注意的是，這種拓撲結構的全調節母線不同于雙獨立母線的配置，全調節母線由主母線經DC/DC變換后輸出，而無需配置兩套太陽電池陣與蓄電池組，實現了太陽電池陣和蓄電池組的高效利用。

3）太陽電池陣均使用MPPT功率調節方式

根據對太陽電池陣所發出的電能進行調節的方式，有分流（如S3R/S4R）調節和MPPT控制兩種。目前，國外多傾向于采用MPPT的電源調節方式（如Cosmo-Skymed，TerraSar-X，Sentinel-1，Radarsat-2等），MPPT輸出端與蓄電池組直接連接，形成不調節母線，對于太陽電池陣光照條件與工作溫度多變的軌道使用MPPT調節方式可以有效減小太陽電池陣面積，進而降低研制成本；另外使用MPPT調節方式可有效利用太陽電池陣，蓄電池充電時間更短，可有效響應突發的任務規劃，降低能源系統對任務規劃的約束。

4）廣泛使用基于商用小容量單體的S-P結構鋰離子蓄電池組

歐洲航天局（ESA）有相當一部分衛星使用了基于商用小容量鋰離子單體的串-并聯結構蓄電池組（如Cosmo-Skymed，Sentinel-1，Earth CARE），這種結構的蓄電池組利用商用單體集成，小單體一致性好，易于模塊化，通過先串后并的方式可以實現蓄電池組的高可靠性與超低內阻，且蓄電池組不需要均衡管理與旁路隔離管理以及單體監測，可免于復雜的維護操作，并有效提高系統可靠性、降低系統成本。截至2013年，已經有超過100個航天器采用了這種小單體鋰離子蓄電池組。

4 啟示

通過以上對歐洲和加拿大的SAR衛星電源系統需求特點以及解決方案的分析與總結，為我國SAR衛星電源系統的發展帶來如下啟示：

1）加強復合母線體制的研究與應用

由本文的內容可以看出，歐洲和加拿大SAR衛星電源系統多配置了復合母線體制，即主母線為不調節母線，全調節母線由主母線經DC/DC變換輸出，此種結構不同于傳統不調節母線，又區別于雙獨立母線的配置，復合母線可以在高效利用太陽電池陣和蓄電池組的同時實現雙母線輸出，滿足平臺設備和載荷設備不同的供電需求；高效的功率濾波技術是復合母線體制的關鍵技術之一，我國應開展復合母線體制的研究，尤其是大功率濾波技術的研究，為復合母線體制的工程應用奠定基礎。

2）深入開展MPPT功率調節方式的研究，及早開展在軌應用

MPPT功率調節技術的應用可以有效提高電源系統的效能，尤其對峰值功率、脈沖工作的SAR載荷而言，在任務規劃方面具有獨特的優勢；國外低軌衛星及深空探測器已經廣泛應用了MPPT功率調節技術，大量的在軌飛行經歷也驗證了MPPT技術的可靠性；而我國的MPPT技術尚處于研發階段，未有在軌飛行經歷，應及早開展MPPT功率調節技術研發成果的在軌飛行驗證，為MPPT技術的大規模在軌應用奠定技術基礎。

3）重視基于商用單體的低成本高可靠蓄電池組研究

基于商用小容量鋰離子單體的串-并聯結構蓄電池組具有低成本、高可靠、免維護、低內阻等諸多優點，尤其適用于SAR載荷衛星；商用小單體蓄電池組在歐洲、美國、韓國等國家研制的航天器上得到了廣泛的應用，而我國尚未對此開展深入的研究，建議在宇航級大單體鋰離子蓄電池組成功應用的經驗上，開展基于商用單體的低成本高可靠蓄電池組研究，以有效提高電源系統的性價比，提升整星的競爭力。

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［11］李國欣.航天器電源系統技術概論［M］.北京：中國宇航出版社，2008：1233-1240 Li Guoxin.An introduction to spacecraft power system technology［M］.Beijing：China Astronautics Press，2008：1226-1233（in Chinese）

（編輯：李多）

Analysis and Enlightenment of Electrical Power System for SAR Satellite

ZHANG Xiaofeng ZHANG Wenjia GUO Weifeng LIN Wenli LIU Zhigang
（Beijing Institued of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The electrical power systems of European and Canadian synthetic aperture radar（SAR）satellites are introduced.The characteristics of SAR satellite electrical power system were presented in details，particular emphasis is put into such aspects as various imaging modes，peak loads demand，high power ratio of payload to platform，as well as.All those requirements bring challenges to the design of electrical power system；the in orbit electrical power system schemes of European and Canadian SAR satellite are presented and analyzed，including Cosmo-Skymed，TerraSAR-X，Radarsat-2，Sentinel-1 and EarthCARE，and the system topology characteristic，bus architecture characteristic，regulation mode for output solar array power and Li-ion battery configuration were analyzed and summarized.At the end of the paper，development suggestions for SAR satellite electrical power system are given.

SAR satellite；electrical power system；design scheme

V422

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.017

2015-02-06；

2015-03-26

國家重大科技專項工程

張曉峰，男，工程師，從事航天器電源系統總體設計工作。Email：zhangxiaofengcast@163.com。