CN106787115B - 极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法，其包括以下步骤：根据相控阵上万瓦功率需求和极轨特点，确定采用不调节高压双母线电源；进行太阳电池阵设计，根据极轨特点，确定太阳电池阵工作电压70V左右，开路电压超过80V，并采取防静电措施等，解决了极轨卫星大功率相控阵天线所需的高压大电流产生、控制以及相控阵天线严格的加电顺序控制难题，消除了天线单母线供电设计存在的单点失效隐患，降低了天线母线配电控制单元电路开关元器件的选型难度等，大大提高了卫星相控阵雷达天线供配电系统工作的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天供配电系统方法，具体地，涉及一种极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法。
背景技术
合成孔径雷达卫星是一种工作在微波段的主动式遥感器。它不受日照和天气条件等因素影响，可全天时、全天候对地观测成像，在灾害监测、环境和海洋监测、资源勘察、农作物估产、测绘和军事等方面具有独特的应用优势，具有其它遥感器不可替代的作用。为确保星载合成孔径雷达系统对地可视观测带宽度和成像性能，一般星载合成孔径雷达天线会选用大型平面相控阵天线。平面相控阵天线具有发射峰值功率高、天线增益大、天线波束可赋形，以及波束可扫描等优点，但系统构成复杂，有源单机数量众多，电源功率要求大，系统集成工艺过程复杂，研制周期长。地面测试时，天线系统若发生供配电安全事故，会波及卫星诸多系统和产品，影响面极大，且产品维修和更换的工艺过程复杂，周期长，将会严重制约整个卫星型号的研制进度；若在轨发生供配电安全事故，将可能导致整个雷达载荷功能失效。因此，如何设计出一种既安全又可靠的大功率供配电方案，一直是困扰相控阵雷达天线系统设计的一个难题。以前极轨雷达卫星通常采用低压(太阳阵不超过50V)单母线对天线全阵进行供配电的设计方案，采用大功率继电器直接控制母线加断电，工作寿命受大功率继电器在大电流条件下动作次数有限的制约。该方案适用雷达功率偏低(不超过4000W)，可靠性相对较低。一旦母线某个环节出现故障，将会导致相控阵雷达天线部分，甚至全部功能模块无法正常工作，最终导致整个雷达卫星功能失效。随着相控阵天线成像性能的提高，功率需求增加到上万瓦。由于卫星资源的限制，必须设计新的供配电系统满足载荷的要求。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法，解决了极轨卫星大功率相控阵天线所需的高压大电流产生、控制以及相控阵天线严格的加电顺序控制难题，消除了天线单母线供电设计存在的单点失效隐患，降低了天线母线配电控制单元电路开关元器件的选型难度，大大提高了卫星相控阵雷达天线供配电系统工作的可靠性和安全性。
根据本发明的一个方面，提供一种极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据相控阵天线阵面有源单机数量多及单机总功耗高达上万瓦情况，确定采用不调节高压双母线电源给天线供电；该供配电系统包括太阳电池阵、锂离子蓄电池组、锂电池控制管理单元、天线配电控制单元、阵面二次电源和负载设备；确定蓄电池组工作电压50V-70V，据此确定太阳电池阵设计和阵面二次电源技术指标；
步骤二：根据工作电压50V-70V要求进行太阳电池阵设计，开路电压超过80V，工作电压70V，由于极轨特点需采取防静电措施；
步骤三：根据工作电压50V-70V和输出大功率要求进行锂离子蓄电池组设计，确定高放电倍率单体，采取多串多并方式组成蓄电池组，两组蓄电池输出功率可超过1万瓦；
步骤四：进行锂电池控制管理系统设计，对锂离子蓄电池组进行充电控制，对锂离子单体进行均衡控制；
步骤五：沿天线阵面距离向和方位向将天线阵面有源单机划分成为若干个有源模块，每个有源模块包含的有源单机种类和数量基本相同；每个有源模块用一台阵面二次电源单机供电；天线阵面方位向将天线阵面有源模块分为上下两部分；第一锂离子蓄电池组给天线上半阵面有源模块供电，第二锂离子蓄电池组给天线下半阵面有源模块供电；
步骤六：天线配电控制单元内两条母线分别设计放电开关电路和消浪涌电路，两条母线之间设计合路开关电路；这些开关仅作为总开关主要用于地面测试，卫星在轨一般不动作，只有在一条母线出现异常需要单母线供电时进行切换；
步骤七：进行阵面二次电源输出开关控制电路设计；考虑到相控阵天线的大容性负载特性，为减小加电产生的浪涌电流，沿天线阵面方位向，一条指令控制天线阵面距离向一行有源模块加电或断电；采用小型高可靠继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为二次电源工作开关，确保第一二次电源、第二二次电源首先输出，然后第三二次电源才能输出；采用小型高可靠继电器通过控制光耦通断进行第三二次电源使能控制；
步骤八：进行阵面二次电源设计，根据负载设备要求输出多路二次电源，其中第一二次电源、第二二次电源可一起开机，但需首先开机；第三二次电源必须在第一二次电源、第二二次电源开机后才能开机。
优选地，所述在所述步骤七中，还包括如下步骤：
步骤七十一：考虑到相控阵天线的大容性负载特性，为减小加电产生的浪涌电流，沿天线阵面方位向，一条指令控制天线阵面距离向一行有源模块加电或断电；
步骤七十二：采用小型继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为电源工作开关，确保第一二次电V1、第二二次电源首先输出，然后第三二次电源才能输出；
步骤七十三：采用小型继电器通过控制光耦通断进行第三二次电源使能控制。
优选地，所述步骤七十二还采用小型继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为电源工作开关或采取控制正母线的消浪涌MOS管通断作为电源工作开关。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：解决了极轨卫星大功率相控阵天线所需的高压大电流产生、控制以及相控阵天线严格的加电顺序控制难题，消除了天线单母线供电设计存在的单点失效隐患，降低了天线母线配电控制单元电路开关元器件的选型难度，采用50V-70V不调节双天线母线供电设计，正常模式下采用双天线母线同时供电，两条天线母线分别对相控阵雷达天线上、下各半个阵面供电；单母线故障模式下采用单天线母线供电，通过对放电开关和合路开关的正确设置，可实现单条天线母线对雷达天线全阵面供电；利用二次电源内负母线消浪涌MOS管作为总开关，使用小型继电器控制高压母线工作，确保了二次电源加电顺序。该设计方法有效避免了单天线母线供电引入的整星单点失效隐患，同时降低了相控阵天线开关机控制器件的选型难度，大大提高了卫星相控阵雷达天线供配电系统工作的可靠性和安全性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法的流程图。
图2为极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法中双母线工作时的指令时序图。
图3为极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法中仅单母线(以A母线为例)工作时的指令时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明的核心思想在于：采用50V-70V不调节双天线母线供电设计，正常模式下采用双天线母线同时供电，两条天线母线分别对相控阵雷达天线上、下各半个阵面供电；单母线故障模式下采用单天线母线供电，通过对放电开关和合路开关的正确设置，可实现单条天线母线对雷达天线全阵面供电；利用二次电源内负母线消浪涌MOS管作为总开关，使用小型继电器控制高压母线工作，确保了二次电源加电顺序。该设计方法有效避免了单天线母线供电引入的整星单点失效隐患，同时降低了相控阵天线开关机控制器件的选型难度，从电路和系统两个方面大幅提高了相控阵雷达天线供配电的可靠性和安全性。
如图1所示，本发明极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法包括以下步骤：
S1：根据相控阵上万瓦功率需求和极轨特点，确定采用不调节高压双母线电源(含太阳电池阵、锂离子蓄电池组和锂电池控制管理系统)；
S2：进行太阳电池阵设计，根据极轨特点，确定太阳电池阵工作电压70V左右，开路电压超过80V，并采取防静电措施；
S3：进行锂离子蓄电池组设计，根据雷达功率大的要求确定高放电倍率的单体，采取多串多并方式组成蓄电池组，工作电压50V-70V，两组蓄电池输出功率可超过1万瓦；
S4：进行锂电池控制管理系统设计，对锂离子蓄电池组进行充电控制，对锂离子单体进行均衡控制；
S5：沿天线阵面距离向和方位向将天线阵面有源单机划分成为若干个有源模块，每个有源模块包含的有源单机种类和数量基本相同。每个有源模块用一台阵面二次电源单机供电。天线阵面方位向将天线阵面有源模块分为上下两部分；第一锂离子蓄电池组A给天线上半阵面有源模块供电，第二锂离子蓄电池组B给天线下半阵面有源模块供电；
S6：两条母线分别设计放电开关电路和消浪涌电路，两条母线之间设计合路开关电路；
S7：进行阵面二次电源输出开关控制电路；
S8：进行阵面二次电源设计(可控多路输出)。
步骤S7结合步骤S8具体包括以下步骤：
S701：考虑到相控阵天线的大容性负载特性，为减小加电产生的浪涌电流，沿天线阵面方位向，一条指令控制天线阵面距离向一行有源模块加电或断电；
S702：采用小型高可靠继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为二次电源工作开关，确保第一二次电源V1、第二二次电源V2首先输出，然后第三二次电源V3才能输出；
S703：采用小型高可靠继电器通过控制光耦通断进行第三二次电源V3使能控制。
如图1到图3所示，本发明极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法包括如下的步骤：
步骤一：根据相控阵天线阵面有源单机数量多及单机总功耗高达上万瓦情况，确定采用不调节高压双母线电源(含太阳电池阵、锂离子蓄电池组和锂电池控制管理系统)给天线供电。该供配电系统包括太阳电池阵、锂离子蓄电池组、锂电池控制管理单元、天线配电控制单元、阵面二次电源和负载设备。确定蓄电池组工作电压50V-70V，据此确定太阳电池阵设计和阵面二次电源技术指标；
步骤二：根据工作电压50V-70V要求进行太阳电池阵设计，开路电压超过80V，工作电压70V左右，由于极轨特点需采取防静电措施；
步骤三：根据工作电压50V-70V和输出大功率要求进行锂离子蓄电池组设计，确定高放电倍率单体，采取多串多并方式组成蓄电池组，两组蓄电池输出功率可超过1万瓦。
步骤四：进行锂电池控制管理系统设计，对锂离子蓄电池组进行充电控制，对锂离子单体进行均衡控制；
步骤五：沿天线阵面距离向和方位向将天线阵面有源单机划分成为若干个有源模块，每个有源模块包含的有源单机种类和数量基本相同。每个有源模块用一台阵面二次电源单机供电。天线阵面方位向将天线阵面有源模块分为上下两部分；第一锂离子蓄电池组A给天线上半阵面有源模块供电，第二锂离子蓄电池组B给天线下半阵面有源模块供电；
步骤六：天线配电控制单元内两条母线分别设计放电开关电路和消浪涌电路，两条母线之间设计合路开关电路。这些开关仅作为总开关主要用于地面测试，卫星在轨一般不动作，只有在一条母线出现异常需要单母线供电时进行切换；
步骤七：进行阵面二次电源输出开关控制电路设计。考虑到相控阵天线的大容性负载特性，为减小加电产生的浪涌电流，沿天线阵面方位向，一条指令控制天线阵面距离向一行有源模块加电或断电。采用小型高可靠继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为二次电源工作开关，确保第一二次电源V1、第二二次电源V2首先输出，然后第三二次电源V3才能输出；采用小型高可靠继电器通过控制光耦通断进行二次电源第三二次电源V3使能控制；
步骤八：进行阵面二次电源设计，根据负载设备要求输出多路二次电源，其中第一二次电源V1、第二二次电源V2可一起开机，但需首先开机；第三二次电源V3必须在第一二次电源V1、第二二次电源V2开机后才能开机。
在所述步骤七中，还包括如下步骤：
步骤七十一：考虑到相控阵天线的大容性负载特性，为减小加电产生的浪涌电流，沿天线阵面方位向，一条指令控制天线阵面距离向一行有源模块加电或断电；
步骤七十二：采用小型继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为电源工作开关，确保第一二次电源V1、第二二次电源V2首先输出，然后第三二次电源V3才能输出；
步骤七十三：采用小型继电器通过控制光耦通断进行二次电源第三二次电源V3使能控制。
步骤七十二中，还包括采用小型继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为电源工作开关，也可以采取控制正母线的消浪涌MOS管通断作为电源工作开关。
双天线母线供电时的天线母线指令设置流程图如图2所示，单天线母线供电(以A母线工作，B母线不工作为例)时的天线母线指令设置流程图如图3所示。
综上所述，本发明极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法，解决了极轨卫星大功率相控阵天线所需的高压大电流产生、控制以及相控阵天线严格的加电顺序控制难题，消除了天线单母线供电设计存在的单点失效隐患，降低了天线母线配电控制单元电路开关元器件的选型难度，采用50V-70V不调节双天线母线供电设计，正常模式下采用双天线母线同时供电，两条天线母线分别对相控阵雷达天线上、下各半个阵面供电；单母线故障模式下采用单天线母线供电，通过对放电开关和合路开关的正确设置，可实现单条天线母线对雷达天线全阵面供电；利用二次电源内负母线消浪涌MOS管作为总开关，使用小型继电器控制高压母线工作，确保了二次电源加电顺序。该设计方法有效避免了单天线母线供电引入的整星单点失效隐患，同时降低了相控阵天线开关机控制器件的选型难度，大大提高了卫星相控阵雷达天线供配电系统工作的可靠性和安全性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (1)
1.一种极轨卫星大功率相控阵天线供配电系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据相控阵天线阵面有源单机数量多及单机总功耗高达上万瓦情况，确定采用不调节高压双母线电源给天线供电；该供配电系统包括太阳电池阵、锂离子蓄电池组、锂电池控制管理单元、天线配电控制单元、阵面二次电源和负载设备；确定蓄电池组工作电压50V-70V，据此确定太阳电池阵设计和阵面二次电源技术指标；
步骤二：根据工作电压50V-70V要求进行太阳电池阵设计，开路电压超过80V，工作电压70V，由于极轨特点需采取防静电措施；
步骤三：根据工作电压50V-70V和输出大功率要求进行锂离子蓄电池组设计，确定高放电倍率单体，采取多串多并方式组成蓄电池组，两组蓄电池输出功率超过1万瓦；
步骤四：进行锂电池控制管理单元设计，对锂离子蓄电池组进行充电控制，对锂离子单体进行均衡控制；
步骤五：沿天线阵面距离向和方位向将天线阵面有源单机划分成为若干个有源模块，每个有源模块包含的有源单机种类和数量基本相同；每个有源模块用一台阵面二次电源单机供电；天线阵面方位向将天线阵面有源模块分为上下两部分；第一锂离子蓄电池组给天线上半阵面有源模块供电，第二锂离子蓄电池组给天线下半阵面有源模块供电；
步骤六：天线配电控制单元内两条母线分别设计放电开关电路和消浪涌电路，两条母线之间设计合路开关电路；这些开关仅作为总开关主要用于地面测试，卫星在轨一般不动作，只有在一条母线出现异常需要单母线供电时进行切换；
步骤七：进行阵面二次电源输出开关控制电路设计；考虑到相控阵天线的大容性负载特性，为减小加电产生的浪涌电流，沿天线阵面方位向，一条指令控制天线阵面距离向一行有源模块加电或断电；采用小型高可靠继电器控制负母线的消浪涌MOS管通断作为二次电源工作开关，确保第一二次电源、第二二次电源首先输出，然后第三二次电源才能输出；采用小型高可靠继电器通过控制光耦通断进行第三二次电源使能控制；
步骤八：进行阵面二次电源设计，根据负载设备要求输出多路二次电源，其中第一二次电源、第二二次电源一起开机，但需首先开机；第三二次电源必须在第一二次电源、第二二次电源开机后才能开机。
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