CN113193446A - 卫星平台单机电气互联系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星平台单机电气互联系统，包括：一个或多个柔性印制板电缆组件，被配置为将卫星平台上的各个单机之间进行低频电气互联；其中：卫星平台上单机之间的低频电气互联包括：各个单机之间的CAN总线信号、RS422信号、模拟量信号、数字量信号、LVDS信号、TLK2711信号及功率信号传输。

Description

卫星平台单机电气互联系统

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种卫星平台单机电气互联系统。

背景技术

根据国家对低轨互联网卫星星座战略需求，目前卫星研制项目由以往的单卫星研制向多卫星并行研制、单卫星执行任务向星座联合执行任务方向发展。对于低轨互联网卫星星座，利用运行在200km-2000km轨道高度的卫星群向地面提供宽带互联网接入服务，通过多颗卫星组网实现全球覆盖。卫星星座模式的发展和卫星功能的不断扩大，使得卫星研制面临时间紧、任务重等诸多挑战，对卫星研制过程、装星等工作提出了更高的要求。

卫星星座相对以前的平台卫星而言，最主要特点是需要满足体积小、重量轻、成本低、可实现批量化生产等特殊需要，其中针对卫星各单机之间电气互联的常规导线电缆解决方案已经无法适应新的需求。此外，微小卫星电缆布局空间有限，常规导线电缆无法满足微小卫星狭窄的布局空间。在此背景下，急需一种新的用于批产卫星平台单机间、微小卫星平台单机间低频电气互联的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星平台单机电气互联系统，以解决现有的常规导线电缆无法满足微小卫星狭窄的布局空间的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星平台单机电气互联系统，包括：

一个或多个柔性印制板电缆组件，被配置为将卫星平台上的各个单机之间进行低频电气互联；其中：

卫星平台上单机之间的低频电气互联包括：各个单机之间的CAN总线信号、RS422信号、模拟量信号、数字量信号、LVDS信号、TLK2711信号及功率信号传输。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，

所述柔性印制板电缆组件以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成，以在可弯曲的轻薄塑料片上嵌入电路和精密元件，形成可弯曲的挠性电路；

所述柔性印制板电缆组件通过敷铜传输信号及电流，柔性印制板电缆组件的两端具有端接接插件，其采用印制板式连接器；

设计柔性印制板电缆组件时，在柔性印制板电缆组件厚度0.4mm基础上，根据弯曲半径不小于柔性印制板电缆组件厚度的10倍，弯曲半径设置为4mm。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆组件还具备以下要求：

柔性印制板电缆组件的最高耐受电压为1000V直流电压，

柔性印制板电缆组件两端的端接接插件耐高压标准为250V、600V或1500V。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆还具备以下要求：

耐空间电子辐照剂量为≥5MGy(5╳10⁸rad)；

柔性印制板电缆组件作为星体内单机互联的组件，进行抗辐照加固处理；

承受特定时间内空间环境的真空原子氧辐照能力，真空耐原子氧辐照剂量：在能量5eV的原子氧辐照下，其剥蚀率Ey≤5╳10^-29m³。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆还具备以下要求：

真空逸气性：绝缘材料总质量损失TML≤1％，可凝结性挥发物CVCM≤0.1％，以在真空环境下，非金属材料及胶粘剂保持稳定，防止低分子材料逸出，保证真空逸气性。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆还具备以下要求：

柔性印制板电缆具有屏蔽抗干扰性，具有EMI、EMC抗电磁干扰能力，以在卫星发生静电放电时，减少干扰信号进入卫星内部；

柔性印制板电缆组件用于信号传输时，其传输信号除常规普通信号外，还包括LVDS等高速低压差分信号；

在设计其屏蔽性能时，同时设计其可弯曲特性及抗裂强度，防止因外张力而发生撕裂和裂纹。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，卫星平台上采用柔性印制板电缆进行布局布线包括：

在卫星三维模型中布局走线，确认柔性印制板电缆走线及长度信息；

在进行柔性印制板电缆组件布局时需遵循以下几点：

在同一路径下，电源线与信号线分开走线，尽可能保持整星柔性印制板电缆设计为整星各单机提供电缆通路，保证功率及信号的可靠传输；保证整星的可靠接地，以最优化设计柔性印制板电缆的走线；

电缆布线遇到需要弯曲的时候，符合电缆的弯曲半径的要求，以最优化设计柔性印制板电缆的走线；

单机之间连线尽量短，并使整星电流不构成大回路，以最优化设计柔性印制板电缆的走线。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，卫星平台上采用柔性印制板电缆进行布局布线包括：

确定柔性印制板电缆的信号种类、信号连接关系，设计单机间连接关系的接口数据单；

确定卫星上单机之间的柔性印制板电缆走线路径后，确定柔性印制板电缆长度；

根据信号种类及信号连接关系，设计单机间连接关系的接口数据单。

可选的，在所述的卫星平台单机电气互联系统中，卫星平台上采用柔性印制板电缆进行布局布线包括：

根据单机间连接关系的接口数据单，设计柔性印制板电缆组件加工图，并投产；

根据单机间连接关系的接口数据单，利用软件设计柔性印制板电缆组件加工图样，并审核无误后，进行投产；

设计柔性印制板电缆组件前参考目前生产厂家所能达到的工艺水平，包括：

最小线距为4mil、最小线宽为4mil、最小焊盘尺寸为8mil、覆盖膜开窗最小尺寸长度≥5mm、最小孔径为0.2mm、孔径公差为±1mil、孔位公差为±0.1mm，以保证柔性印制板电缆组件的可制造性。

在本发明提供的卫星平台单机电气互联系统中，使用具有自由弯曲、卷绕、折叠特性的柔性印制板电缆组件，实现卫星平台单机之间的电气互联，包括低速信号传输、高速信号传输以及功率信号传输。柔性印制板电缆组件可依照空间布局要求任意安排，并在三维空间任意移动和伸缩，从而达到元器件装配和导线连接的一体化，兼具柔软、屏蔽抗干扰性能。该技术可有效地缩小所需的体积，解决了卫星内部有限三维空间电缆的布局、装配问题。应用柔性印制板电缆组件技术可有效的缩小航天器所需的体积和重量，这点对于航天器型号的载荷控制有着重要意义。

附图说明

图1是现有的常规导线电缆无法满足微小卫星布局空间示意图；

图2是现有的常规导线电缆示意图；

图3是本发明一实施例卫星平台单机电气互联电缆组件示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的卫星平台单机电气互联系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的目的在于提供一种卫星平台单机电气互联系统，以解决现有的常规电缆无法满足微小卫星狭窄的布局空间的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种卫星平台单机电气互联系统，包括：一个或多个柔性印制板电缆组件，被配置为将卫星平台上的各个单机之间进行低频电气互联；其中：卫星平台上单机之间的低频电气互联包括：各个单机之间的CAN总线信号、RS422信号、模拟量信号、数字量信号、LVDS信号、TLK2711信号及功率信号传输。

卫星内单机安装后，各分系统单机之间的电气互联通常采用铺设电缆实现。常用的低频电缆线为镀银铜芯交联乙烯-四氟乙烯共聚物绝缘导线，详见表1，表1中导线均具有良好的耐高低温、抗辐照性能。

表1常用的22#/26#低频电缆线主要技术指标

目前国内外传统的电缆铺设是在卫星内部，如图1所示。从图1中可以明显看到：

(1)常规导线电缆束经过捆扎后线束比较粗，直径通常达到10mm～30mm左右，而且由于每根导线都有外包覆的绝缘层，甚至屏蔽层，单位长度质量很大，从而难以减小整星重量。

(2)常规导线电缆的总重量占整星重量的约3％～5％，由于整星总重量受制于运载火箭的能力，电缆重量的增加不仅会提高运载火箭的发射成本，同时会降低卫星有效载荷的重量。

(3)较粗的电缆束在卫星内部的三维空间铺设存在各种不利的限制，尤其是对于微小卫星星体内电缆布局空间有限。

(4)较粗的电缆束在星体内安装固定时存在各种局限性，不利于卫星的快速和批量化装配，增加了研发和生产的周期，无法大规模地降低卫星成本，对于后续和国外项目争夺国际市场也是十分不利的。

本发明设计了一种卫星平台单机之间电气互联的技术，即采用柔性印制板电缆组件，特别是设计一种柔性印制板电缆组件在卫星平台上的应用。

本发明提出的解决方案解决了现有技术的如下问题：

(1)针对常规导线电缆束经过捆扎后线束比较粗，单位长度质量大的问题，柔性印制板电缆组件导体截面薄而扁平，减少了导线尺寸，使整机系统结构更加紧凑、合理，减小了装连体积。在相同载流量下，其重量可减轻，从而减轻了分系统单机之间电气传输介质的重量；

(2)针对常规导线电缆束在卫星内部的三维空间铺设存在局限性，如图1所示，尤其是对于微小卫星星体内单机众多，可供电缆走线的位置有限，柔性印制板电缆组件可实现电路的自由弯曲、卷绕、折叠，可依照空间布局要求任意安排，并在三维空间任意移动和伸缩，从而达到元器件装配和导线连接的一体化，该技术可有效地缩小所需的体积和重量；

(3)针对常规导线电缆束在星体内安装固定时存在各种局限性，例如，星体内可布线位置有限、局部空间狭小导致较粗的电缆束弯曲半径不足等问题，不利于卫星的快速和批量化装配，增加了研发和生产的周期，无法大规模地降低卫星成本。同使用导线电缆相比，柔性印制板电缆截面薄而扁平，使单机系统结构更加紧凑合理，减小了装连体积。且柔性印制板电缆组件只要加工图样经过校对通过后，所有之后生产出来的绕性电路都是相同的，消除了电缆导线装连时经常发生的错误和返工，从而节约了研制周期和研制成本。

本发明提出的柔性印制板电缆组件用于卫星平台上各分系统单机之间的低频电气互联。批产卫星以及微纳卫星平台单机之间的低频电气互联主要实现单机之间的低速信号传输(含CAN总线信号、RS422信号、模拟量信号、数字量信号等)、高速信号传输(含LVDS信号、TLK2711信号等)以及功率信号传输(供配电)。柔性印制板电缆是以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳曲挠性的印刷电路，通过在可弯曲的轻薄塑料片上，嵌入电路设计，使在窄小和有限空间中嵌入大量精密元件，从而形成可弯曲的挠性电路。端接接插件采用的是印制板式连接器，可选择货架产品，或根据型号具体需求进行更改定制。

柔性印制板电缆通过敷铜传输信号及电流，敷铜的宽度与厚度决定了能够承载的电流。柔性印制板电缆具有良好的散热性、可焊性以及易于装连、综合成本较低等优点，软硬结合的设计也在一定程度上弥补了柔性基材在元件承载能力上的略微不足。目前柔性印制板电缆在移动通讯、手提电脑、计算机外设、PDA、数字相机等领域或产品上得到了广泛的应用。

柔性印制板电缆在设计时，不允许出现直角、锐角等突变型的特征变化，从而防止出现内应力在弯曲时出现断裂、撕裂等现象。柔性印制板电缆能够承受的弯曲半径与敷铜的厚度层数相关，弯曲半径是一个重要的考核特性指标，尤其当多层电缆弯曲时，若弯曲半径较小，则会造成弯曲的外径处出现拉应力，而内径处出现压应力；若安装空间狭小，弯曲角度大，则多层电缆会出现板内应力过大而容易断裂。因此为减小弯曲处的应力，在柔性印制板电缆设计厚度0.4mm基础上，按照弯曲半径不小于电缆厚度的10倍，取弯曲半径为4mm。

针对宇航使用的苛刻环境要求，除了弯曲半径小的要求以外，柔性印制板电缆组件还具备以下要求：

耐高压：按照GJB7548-2012，印制板的耐高压为1000V直流电压，柔性印制板电缆组件还需考虑连接器的耐高压指标，例如杭州825厂的J29系列印制板式连接器的耐高压标准为1500V(正常大气条件下)，J30J系列印制板式微矩形连接器的耐高压标准为600V(正常大气条件下)，J63系列印制板式超微矩形连接器耐高压标准为250V(正常大气条件下)。

耐空间电子辐照剂量：≥5MGy(5╳10⁸rad)。柔性印制板电缆组件作为星体内单机互联的组件，需优先选用抗辐照能力强的器件，对抗辐照能力差的器件在必要时进行抗辐照加固处理。

真空逸气性：绝缘材料总质量损失(TML)≤1％，可凝结性挥发物(CVCM)≤0.1％。在真空环境下应用，其中非金属材料特别是胶粘剂应保持稳定，不会有低分子材料逸出，保证真空逸气性。

承受特定时间内空间环境的真空原子氧辐照能力，真空耐原子氧辐照剂量：在能量5eV的原子氧辐照下，其剥蚀率Ey≤5╳10^-29m³。

屏蔽抗干扰性：具有良好的EMI、EMC抗电磁干扰能力。良好的屏蔽可以在卫星发生静电放电时，减少干扰信号进入卫星内部。柔性印制板电缆组件用于信号传输时，其传输信号除常规普通信号外，还包括LVDS等高速低压差分信号。在考虑其屏蔽性能时，还需考虑其可弯曲特性，以及抗裂强度，防止因外张力而发生撕裂和裂纹。

卫星平台上采用柔性印制板电缆组件进行布局布线主要分为以下三步：

(1)在卫星三维模型中布局走线，确认柔性印制板电缆走线及长度信息。

卫星上柔性印制板电缆布线是否合理关系到整星的重量及装配的可操作性等，所以合理可行的走线方案是柔性印制板电缆组件设计的关键之处。为了最优化设计柔性印制板电缆的走线，在进行柔性印制板电缆组件布局时需遵循以下几点：

a)在同一路径下，电源线应与信号线分开走线，在可能的情况下保持整星柔性印制板电缆设计主要为整星各单机提供电缆通路，保证功率及信号的可靠传输；保证整星的可靠接地；

b)电缆布线遇到转弯等需要弯曲的时候，需充分考虑电缆的弯曲半径；

c)单机之间连线尽量短，并使整星电流不构成大回路。

(2)确定信号种类、信号连接关系，设计单机间连接关系的接口数据单。

在确定了卫星上单机之间的柔性印制板电缆走线路径后，电缆长度可确定，之后可以根据信号的种类及信号的连接关系，设计单机间连接关系的接口数据单。如表2所示。

表2部分单机间信号传输定义表

其中，Y03-X72、W01-X04、W01-X74、F03-X05、F03-X03、F06-X02中，Y03、W01、F03、F06为不同单机代号，X72、X04、X74、X05、X03、X02为单机上连接器代号。柔性印制板电缆组件采用的连接器是印制板式的，可选择货架产品，或根据具体需求进行更改定制。

(3)根据单机间连接关系的接口数据单，设计柔性印制板电缆组件加工图，并投产。

根据单机间连接关系的接口数据单，利用软件设计柔性印制板电缆组件加工图样，并审核无误后，进行投产。设计柔性印制板电缆组件要考虑到目前生产厂家所能达到的工艺水平，如最小线距(4mil)、最小线宽(4mil)、最小焊盘尺寸(8mil)、覆盖膜开窗最小尺寸(长度≥5mm)、最小孔径(0.2mm)、孔径公差(±1mil)、孔位公差(±0.1mm)等，不能盲目追求薄、小、轻等优点而忽视柔性印制板电缆组件的可制造性。

本发明提出的方案的创新点和拟保护点在于，使用具有自由弯曲、卷绕、折叠特性的柔性印制板电缆组件，实现卫星平台单机之间的电气互联，包括低速信号传输、高速信号传输以及功率信号传输。柔性印制板电缆组件可依照空间布局要求任意安排，并在三维空间任意移动和伸缩，从而达到元器件装配和导线连接的一体化，兼具柔软、屏蔽抗干扰性能。该技术可有效地缩小所需的体积，解决了卫星内部有限三维空间电缆的布局、装配问题。应用柔性印制板电缆组件技术可有效的缩小航天器所需的体积和重量，这点对于航天器型号的载荷控制有着重要意义。

综上，上述实施例对卫星平台单机电气互联系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，包括：

一个或多个柔性印制板电缆组件，被配置为将卫星平台上的各个单机之间进行低频电气互联；其中：

卫星平台上单机之间的低频电气互联包括：各个单机之间的CAN总线信号、RS422信号、模拟量信号、数字量信号、LVDS信号、TLK2711信号及功率信号传输。

2.如权利要求1所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，

所述柔性印制板电缆组件以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成，以在可弯曲的轻薄塑料片上嵌入电路和精密元件，形成可弯曲的挠性电路；

所述柔性印制板电缆组件通过敷铜传输信号及电流，柔性印制板电缆组件的两端具有端接接插件，其采用印制板式连接器；

设计柔性印制板电缆组件时，在柔性印制板电缆组件厚度0.4mm基础上，根据弯曲半径不小于柔性印制板电缆组件厚度的10倍，弯曲半径设置为4mm。

3.如权利要求2所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆组件还具备以下要求：

柔性印制板电缆组件的最高耐受电压为1000V直流电压，

柔性印制板电缆组件两端的端接接插件耐高压标准为250V、600V或1500V。

4.如权利要求1所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆还具备以下要求：

耐空间电子辐照剂量为≥5MGy(5╳10⁸rad)；

柔性印制板电缆组件作为星体内单机互联的组件，进行抗辐照加固处理；

承受特定时间内空间环境的真空原子氧辐照能力，真空耐原子氧辐照剂量：在能量5eV的原子氧辐照下，其剥蚀率Ey≤5╳10^-29m³。

5.如权利要求1所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆还具备以下要求：

真空逸气性：绝缘材料总质量损失TML≤1％，可凝结性挥发物CVCM≤0.1％，以在真空环境下，非金属材料及胶粘剂保持稳定，防止低分子材料逸出，保证真空逸气性。

6.如权利要求1所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，根据宇航使用的苛刻环境要求，柔性印制板电缆还具备以下要求：

柔性印制板电缆具有屏蔽抗干扰性，具有EMI、EMC抗电磁干扰能力，以在卫星发生静电放电时，减少干扰信号进入卫星内部；

柔性印制板电缆组件用于信号传输时，其传输信号除常规普通信号外，还包括LVDS等高速低压差分信号；

在设计其屏蔽性能时，同时设计其可弯曲特性及抗裂强度，防止因外张力而发生撕裂和裂纹。

7.如权利要求1所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，卫星平台上采用柔性印制板电缆进行布局布线包括：

在卫星三维模型中布局走线，确认柔性印制板电缆走线及长度信息；

在进行柔性印制板电缆组件布局时需遵循以下几点：

在同一路径下，电源线与信号线分开走线，尽可能保持整星柔性印制板电缆设计为整星各单机提供电缆通路，保证功率及信号的可靠传输；保证整星的可靠接地，以最优化设计柔性印制板电缆的走线；

电缆布线遇到需要弯曲的时候，符合电缆的弯曲半径的要求，以最优化设计柔性印制板电缆的走线；

单机之间连线尽量短，并使整星电流不构成大回路，以最优化设计柔性印制板电缆的走线。

8.如权利要求1所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，卫星平台上采用柔性印制板电缆进行布局布线包括：

确定柔性印制板电缆的信号种类、信号连接关系，设计单机间连接关系的接口数据单；

确定卫星上单机之间的柔性印制板电缆走线路径后，确定柔性印制板电缆长度；

根据信号种类及信号连接关系，设计单机间连接关系的接口数据单。

9.如权利要求1所述的卫星平台单机电气互联系统，其特征在于，卫星平台上采用柔性印制板电缆进行布局布线包括：

根据单机间连接关系的接口数据单，设计柔性印制板电缆组件加工图，并投产；

根据单机间连接关系的接口数据单，利用软件设计柔性印制板电缆组件加工图样，并审核无误后，进行投产；

设计柔性印制板电缆组件前参考目前生产厂家所能达到的工艺水平，包括：

最小线距为4mil、最小线宽为4mil、最小焊盘尺寸为8mil、覆盖膜开窗最小尺寸长度≥5mm、最小孔径为0.2mm、孔径公差为±1mil、孔位公差为±0.1mm，以保证柔性印制板电缆组件的可制造性。

Images