導航衛星高精度全調節多母線技術應用

習成獻，王學良，孔陳杰

（1.中國科學院微小衛星創新研究院，上海 201203；2.上海微小衛星工程中心，上海 201203）

0 引 言

電源系統作為衛星的重要組成部分，承擔著整星的供配電任務。電源系統的穩定可靠運行是衛星正常運行的重要保障，對提高衛星性能和增強衛星在軌運行壽命起著決定作用[1,2]。隨著衛星技術的發展，衛星對電源系統的壽命、比功率、動態特性以及穩態精度等性能提出了更高的要求[3,4]。

母線調節技術在衛星壽命周期內調節衛星太陽電池陣和蓄電池組的能量傳輸與功率平衡，確保為衛星提供穩定可靠的一次母線。在光照期，分流調節器調節太陽電池陣對星上負載供電，同時充電調節器給蓄電池組充電。在地影期，放電調節器調節蓄電池組對星上負載供電[5]。因此，母線電壓的穩定性和高效性直接影響衛星的安全運行、精度以及壽命等。導航衛星運行于中高軌道，整星大功率設備多和導航服務需要不間斷供電是其最大特點，對一次電源產生裝置、能源儲存設備以及能源的管理提出了較高的要求[6,7]。

針對導航衛星的特點，結合我國衛星電源系統的技術現狀，在充分借鑒國外主流衛星供電拓撲結構的基礎上，設計了一種三域控制的高精度全調節多母線電源結構，通過衛星地面測試和在軌應用驗證了此設計方案的正確性[3,8,9]。

1 研究內容

衛星能源系統包括電源控制器（Power Control Unit，PCU）、太陽電池陣、鋰離子蓄電池組、均衡器以及配電器（Power Distribution Unit，PDU）。其中，PCU作為能源系統的控制中心，采用BCDR、S3R三域控制全調節母線技術方案，主誤差放大器（Main Error Amplifier，MEA）為系統的控制核心。

針對導航衛星載荷復雜多樣，設計多母線方案，采用分布式驅動控制，以提高系統的集成度和效率。分布式布局方式在一定程度上減少了載荷單機與平臺單機之間的供電干擾，供電之間相互獨立，減少了敏感單機及大功率負載單機之間的串擾，可有效提高單機的性能穩定，確保衛星供電的高效和可靠。高精度全調節多母線結構圖如圖1所示。

2 詳細設計

2.1 高精度全調節母線技術

圖1 高精度全調節多母線結構框圖

高精度全調節母線技術主要解決全軌道周期、全溫度范圍母線電壓的穩態精度以及大功率瞬時負載切換時母線的響應問題。整個母線調節系統的控制框圖如圖2所示。

圖2 高精度全調節母線控制框圖

其中，K為母線電壓采樣倍數；Vref為基準電壓；A(s)為主誤差放大器增益；G(s)為各工作域傳遞函數；ILoad為負載電流；Cbus為母線濾波電容。

母線電壓變化主要取決于全溫度范圍內的穩態誤差。由于MEA主誤差放大器采用三域控制方式，統一控制BCR、BDR以及S3R穩定工作，因此主誤差放大器和基準電壓在全溫度范圍內的溫度漂移是造成母線電壓誤差的主要原因。MEA三域控制方式如圖3所示。

圖3 MEA三域控制圖

母線電壓的穩定性、可靠性以及動態特性與MEA的電路形式及控制參數密切相關。為了提高可靠性，主誤差放大器采用3路冗余并跟隨2/3表決電路的設計，每一路主誤差放大器均具有獨立的母線分壓信號和基準電壓。為了保證母線電壓精度，針對全溫度范圍內對基準和補償網絡進行優化設計及分析，確保高精度母線的控制。主誤差放大器校正補償網絡采用比例積分方式，使整個調節系統具有很高的低頻增益。MEA電路控制原理圖如圖4所示。

圖4 MEA電路控制原理圖

根據MEA原理圖，MEA傳遞函數如下：

式中，τ1=1/(R1+R2)C1為VMEA的零點角頻率；A=1+R2/R1為VMEA的通頻增益；G(s)為MEA傳遞函數；VBUS為母線電壓。經調試，選用的參數為R1=10 kΩ，R2=288 kΩ，C1=3 300 pF。將參數值代入并進行頻率特性仿真，MEA的零點頻率為161.9 Hz，低頻增益為29.8 dB，系統具有高的通頻帶增益。MEA幅頻和相頻特性如圖5所示。

2.2 多母線電源體制

太陽電池陣和蓄電池組通過母線電壓調節系統提供一條穩定的42 V主母線，作為整星單機的主功率電源。采用Superbuck結構轉換為一條高效穩定的28 V輔母線用作整星的指令母線，并用作姿控推進組件和載荷天線的功率電源。電路模塊主要包括功率轉換電路、過流保護電路、輔助電源以及遙控遙測接口等功能電路。輔母線模塊設計如圖6所示。蓄電池組提供一條33～37 V的電源母線，用作帆板展開火工品和大功率天線展開火工品的驅動控制[9,10]。此外，提供一條低功耗、高穩定的12 V電源用于衛星姿軌控單機。

圖5 MEA幅頻、相頻特性圖

圖6 輔母線模塊框圖

3 應用分析

3.1 地面試驗驗證

將某顆北斗導航衛星放進熱真空罐內進行熱真空試驗，模擬衛星在軌工作時功能和性能指標是否滿足要求。瞬時負載躍變和內外電切換會造成母線電壓的瞬時變化，瞬態特性是考量電源系統響應負載能力的一個重要指標。另外在地面方陣母線端加載示波器，監控瞬時負載躍變和內外電切換母線電壓波動情況。實測波形如圖7和圖8所示。

圖7 躍變測試波形圖

圖8 內外電切換母線電壓波動圖

由圖7的高速數據可知，負載在半載（20 A）和滿載（42.2 A）之間互相躍變時，母線電壓最大變化為1.2 V，躍變時間約為1.6 ms。圖8顯示分流狀態下，母線紋波小于300 mV，外電轉內電切換時，母線電壓偏差為793 mV，且恢復時間為0.77 ms。試驗結果表明，在瞬時大負載躍變情況下，主母線電壓響應速度快、電壓超調小且恢復時間短。

3.2 在軌應用分析

該顆衛星在軌運行已超過2.5年，以衛星最近半年的在軌遙測參數為研究對象。為了顯示母線電壓的短期波動特性，以天為單位，每天截取1 h遙測數據，母線電壓和母線電流的監測曲線如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 衛星在軌主母線電壓和負載電流曲線

圖9和圖10顯示，衛星在軌運行期間主母線電壓保持在42.25±0.1 V范圍內。當衛星負載出現大電流躍變時（40 A突變為15 A），母線電壓波動為0.1 V，外電切換為內電時，母線電壓輸出穩定，蓄電池組電壓輸出滿足要求。圖11顯示，提供的28 V輔母線采樣電壓為（4.35±0.012）V，12 V母線采樣電壓為（3.99±0.015）V。衛星在軌運行結果表明，高精度多母線電壓調節系統穩定性好且輸出母線電壓精度較高。

圖10 衛星在軌蓄電池組電壓曲線

圖11 28 V輔母線及12 V采樣電壓曲線

4 結 論

長期在軌服務型衛星的特點為高可靠性、高可用性以及長壽命，母線電壓的品質是整個衛星高效穩定運行的重要前提。針對北斗導航衛星，詳細分析并設計了一套高精度全調節多母線電壓調節系統，經衛星地面測試和在軌應用表明，系統母線電壓輸出品質好、輸出功率范圍寬且載荷適應能力強，可為后續其他型號電源系統的設計提供參考。