衛星電纜網自動化布局布線技術研究

習成獻，孔陳杰，張 強，劉恩權

（中科院微小衛星創新研究院，上海 201203）

0 引 言

隨著航天技術的高速發展，衛星產品向小型化、模塊化與一體化方向發展。電纜網是衛星電氣和信息傳輸的必要載體。衛星電纜網設計與布局布線的合理性，對整星的電磁兼容性至關重要[1-2]。此外，近幾年衛星產業發展迅速，設計和生產任務日益繁重。因此，在保證電纜網設計質量的前提下，提高電纜網設計效率和電纜網研制的自動化程度成為電纜網設計的關鍵因素[3]。因此，本文提出了一種自動化布局布線技術，以降低復雜電纜網設計和布局布線難度，提高效率和可靠性。

1 設計方案

方案基于Pro/E的二次開發，以Cabling模塊為基礎，按照“功能鏈”設計理念，采用自頂向下的設計模式，對常規的電連接器建模，使用已建好的模型庫，依據各單機接口數據單，自動設計電纜網的節點表和整星電纜網[4]。通過衛星的結構和單機布局自動設計分析每套電纜的走向、長度及重量，為整星電纜網的布局布線設計提供參考。此外，應用仿真軟件仿真分析整星電纜網布局布線的安全性和合理性。當單機的對外接口內容變動時，可以借助軟件調整線束，不僅可以縮短研發周期，降低生產次數，還能夠彌補測試工作（因人力和物力條件限制等），提高產品效率和可靠性。衛星電纜網自動化設計，如圖1所示。

圖1 衛星電纜網自動化設計框圖

2 設計實現

2.1 設計原則

電纜網的可靠設計、合理布局是衛星信號可靠、安全傳輸的重要保障。考慮衛星電磁兼容性，電纜網設計和布局布線時，按照電纜所載的電壓、電流以及頻率等信號分別布線，防止電纜彼此耦合和串擾[5]。此外，需考慮產品的可維修性和布局布線的美觀性。

電纜網設計應遵循的原則如下：

（1）供電電纜和信號電纜應分開走線，不設計在同一線束內；

（2）高頻電纜和低頻電纜分開布局；

（3）將敏感信號同易產生串擾信號電纜分開布線。

2.2 自動化設計方法

2.2.1 接口系統

接口系統設計輸入為標準的Excel和CAD模型，主要用于電纜網布線設計的快速識別。Excel首頁面為線規信息，其余頁面定義電纜網的節點信息；CAD模型為Pro/E軟件識別類型。電纜線規信息定義如表1所示。

表1 電纜線規定義

2.2.2 模型識別定義和支架快速布置

主要是定義和管理系統中需要布線的元器件基準特性。建模時保存的基準特性將作為布線的基準，為后續演繹電纜網布線和生成電纜網等提供依據。

2.2.3 柔性化設計

依據自動生成的布線骨架模型，將參考面、各種坐標系、點、軸線、曲線和曲面等勾勒出的產品結構形狀作為設計參考[6]，讀取總體設計模型中與電纜相關的設計參數，在布線參考骨架模型中同步建立相應的設計參數作為三維線纜布局布線的設計基礎，如圖2所示。

圖2 衛星電纜網柔性化設計示意圖

2.2.4 網絡路徑定義

對電纜網的布局布線路徑規劃進行空間約束。網絡路徑就是電纜的布局布線，由多個線段組成，定義了電纜網的“起點—支架—卡箍—終點”，根據相關的電連接器、支架的信息來擬合出路徑。

2.2.5 快速布線

依據輸入的Excel信息，可以創建包含電纜網所用導線明細表、加工技術要求等信息的二維電纜加工圖和人機交互的三維布局布線圖。二維電纜加工圖中包含詳細的節點關系數據，從布線數據庫中提取、重構后的電纜分支信息生成電纜分支圖輔助模型，自動生成二維電纜加工圖，如圖3所示。人機交互的三維電纜布局布線圖使用簡化的節點關系數據，即將相同元器件之間的多條導線（針到針）進行合并處理，以優化減少三維模型的數據量，電纜分支和線規信息經解析與信息合并、抽取后進行三維電纜布局布線規劃[7]，其軟件流程如圖4所示。

3 設計實例與驗證

應用本文設計的衛星電纜網自動化布局布線技術，生成整星二維電纜加工圖和三維電纜布局布線模型圖，分別如圖5、圖6和圖7所示。在該模型圖上，設計師可以根據電纜布局布線要求手動調整電纜分支走向，獲取電纜分支長度、重量等信息。該技術已成功應用在北斗導航衛星上。裝星結果表明，電纜長度、分支信息、節點對應關系均符合要求，電纜網重量顯著減輕，能夠實現結構和電纜同步設計，縮短開發周期，大幅提高設計效率、設計精度和可靠性。

圖3 二維電纜加工圖的流程圖

圖4 三維電纜路徑規劃流程圖

4 結 論

針對目前衛星電纜數量大、分支繁多、布局復雜的情況，應用虛擬仿真技術和模型二次開發的手段，提出了一種自動化布局布線技術。目前，該技術已在北斗導航衛星的電纜網設計中成功應用，能顯著減輕電纜重量，提高電纜網設計的自動化和快速響應程度，為復雜電纜網的研制和批量化、商業化的衛星開發提供了一種有效方法和手段。

圖5 衛星電纜二維加工圖

圖6 衛星電纜三維布局布線圖

圖7 衛星電纜三維布局布線圖（局部）