航天器配電系統的直流載波通信架構設計與分析

馬少坤 張龍龍

(山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670)

航天器的質量受限于火箭的運載能力，質量的增加直接導致燃料的增多，影響火箭整體功能結構，進而可能導致一些不可控的技術風險，增加研制難度。因此，無論從節約成本的角度出發，還是為了保證航天器發射的安全可靠，在保證航天器正常功能情況下，不斷降低航天器質量是其發展必然的方向。采用電力線載波通信技術可以大幅降低航天器內部的諸多通信電纜的質量，從而降低航天器總質量。

電力線載波通信技術最早出現于20世紀20年代初期[1]，是一種電力與通信相融合的技術，根據電力線傳輸的電力類型，可分為交流載波通信和直流載波通信技術，交流載波通信發展較快，現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展，直流載波通信的應用領域也在逐步擴大。傳統直流載波通信中，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，電力電子信息調控技術雖然實現了功率/數據雙調節[2]，但使用限制較大。

為了解決以上兩種技術本身的缺點，充分發揮直流載波通信的優勢，本文設計了一種無需變壓器，低功耗的直流載波調制電路，并進一步設計了一種適用于航天器供電系統的直流載波通信架構，通過仿真驗證該架構的通信效果與供電品質，成功將直流載波通信技術應用于航天器配電系統。

1 航天器配電與通信

由于集中式設計在大功率衛星電源系統中的局限性，例如集中式的電源控制器、蓄電池組體積質量過大；集中式的設計導致發熱量過于集中等問題，分布式供電系統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，而分布式供電系統的可靠運行同樣離不開通信網絡的協助[3]。分布式航天器供電系統如圖1所示，航天器以低壓直流供電為主，各功能單元分散配置，功能與配重相結合，功率母線和通信總線分別實現功率和數據的互聯，其中配電網絡已將各模塊與星載計算機之間聯系起來，完全可以利用電力線載波通信技術通過該網絡進行信息傳輸。

圖1 航天器配電與通信系統框圖

電纜的質量在航天器總體質量中占據較大比例，例如1553B總線SEFF46-75-1-51質量為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量近20 kg，即使以10萬元/kg的發射成本計算，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

電力線載波通信技術最早出現于20世紀初，現今該技術在某些交流電力系統已有相對成熟的應用，例如，家庭抄表系統，在通信系統對于信道因素變化的敏感性，載波調制方式，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，由于直流微電網系統尚未大規模應用，該領域研究開始時間較晚，技術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在交流載波通信的基礎上有所發展。

2.1 傳統直流電力線通信技術

在交流電力線載波通信系統中，利用電感和電容將載波信號耦合到電力線系統中，或將電力線系統中的信號提取出來。基于同樣的原理，可以將其應用到直流供電系統中[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，將電容耦合技術和光隔離特性相結合，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，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調制完成的高頻載波信號耦合到直流供電系統的直流載波通信技術，雖然原理簡單，但實現方式比較復雜，因為通信系統與供電系統的融合程度較低，除了共用線路外，其余模塊仍是各自的原始實現方式。隨著電力電子等技術的發展，一種電力電子信息調控技術實現了電力與通信的更深度的融合。

2.2 電力電子信息調控技術

DC-DC轉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送，無需附加信號發生電路，大大降低了硬件成本，這使得此技術在電力線載波通信領域具有天然優勢，文獻[7]便利用功率變換器的不同開關頻率，實現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換范圍，提高了轉換效率。文獻[9]重點研究了負載側功率變換器通信問題，其通過檢測開關轉換時引起的噪聲來確定開關頻率，從而實現負載側功率與信號的復合調制和解調。

文獻[2]具體分析了功率變換器的性質，定義兩種調制方式：功率/數據單載波調制技術和功率/數據雙載波調制技術。

2.2.1 功率/數據單載波調制技術

在電力電子功率變換器中，通常采用脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技術來實現對功率的控制，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對功率的調控。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數據的傳輸，所以單載波調制技術又可分為頻率調制和相位調制[10]。

1)頻率調制

頻率調制是通過對三角波頻率的調制，實現對紋波頻率的調制，原理圖如圖4所示，當數字信號為0或未通信狀態時，雙向開關選擇輸出頻率為f0的三角波發生器，當數字信號為1，雙向開關選擇輸出頻率為f1的三角波發生器。

圖4 單載波調制框圖

2)相位調制

對于相位調制，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，FH-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變為兩次頻率切換，用兩次頻率切換的間隔時間來進行相位差的補償。此方法結合頻移鍵控(FSK)調制和差分相移鍵控(DPSK)調制的特點，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窗口內正交。由于通信時開關頻率與非通信頻率在解調窗口內正交，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調制，提高了帶寬利用率，可以實現高通信速率。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/數據雙載波調制技術

在單載波調制技術中，通信和功率對同一載波進行調制，雖然通信速率較高，但無法調節信號強度，限制較大，功率/數據雙載波調制技術彌補了這方面的不足，如圖6雙載波原理框圖所示，它先將數據調制到低頻數據載波上，然后經過頻率調制后作為擾動加載到PWM的參考值上。由于功率調制與數據調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，數據載波可以采取多種方式，因此，數據調制方法的選擇更加靈活。數據調制可以使用現在比較成熟先進的正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)調制技術，它將串行數據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

電力電子信息調控技術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點進行信息的調制，大大限制了應用范圍；其次，電力電子信息調控技術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 航天器配電系統載波通信設計及仿真

3.1 配電系統載波通信架構設計

航天器配電系統載波通信技術充分利用已有的配電網絡作為通信渠道，有效地減少了航天器質量，節約了發射成本，但由于配電網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絡，需要了解其運行產生的高次諧波頻率，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，航天器直流系統存在諸多電容，例如太陽能功率調節單元里的一次母線穩壓電容，功率變換器并聯的濾波電容等，這在直流配電網絡中有著穩定電壓、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，會阻礙破壞網絡的連續性，造成通信失敗，根據配電網絡的通信需求，遙測信息的采集與遙控信息的執行絕大部分在配電單元，所以通信節點設置在配電器母線側即可，對于少數跨配電單元的情況，再考慮中繼節點的問題。

圖7是航天器配電系統載波通信整體架構，在原本供電系統中主要增加了調制解調模塊與阻波電路。

圖7 航天器配電系統載波通信

調制電路如圖8所示，采取2FSK調制方法，利用MOSFET的開關頻率生成需要的波形，其中頻率f1，f2分別對應數字信號0和1，根據需要發送的數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電流續流經二極管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節，電容C1的作用是防止短路，C2的作用將調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 調制電路

解調采用包絡檢波法，其流程如圖9所示，根據頻率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節頻寬。

圖9 包絡檢波法

由于航天器系統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，會極大的損耗調制信號的能量，另外Buck變換器本身的紋波有一定的導通需求，所以需要根據調制頻率在濾波電容側設置阻波器。阻波器主要應用并聯諧振的原理，在通信頻率附近呈現高阻抗特性，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載波通信進行仿真，首先搭建航天器配電系統，其中，太陽能功率調節單元采用順序開關分流調節(Sequential Switching Shunt Regulator,S3R)技術，使用Buck電路作為配電器進行電壓變換，由前者向后者發送信息，利用軟件中c模塊生成隨機的二進制數據作為調制電路的通信輸入，通過與解調輸出數據對比驗證該系統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的影響。

通過改變調制模塊中的電感L值，能夠調節調制信號功率大小，當L值過小時調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，仿真結果如圖10所示，其中，V1為輸入調制電路的隨機二進制數，V2為解調電路輸出2進制數，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電氣環境的要求。

圖10 仿真結果

4 結束語

由本文的分析設計及仿真結果可知：直流電力線載波通信可以應用于航天器配電系統中，文中設計的電路能實現航天器供電系統載波通信的基本功能。雖然電力線載波通信面對的電磁環境比單純的通信線路更加復雜，電力網絡的穩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勢，電力線載波通信具備廣闊發展空間。