卫星电源系统功能特征及逻辑架构设计的模型化研究

王乐乐，刘元默，刘朋雨，孟翔翼

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

电源系统是卫星平台中非常重要的分系统，为整星全生命周期提供稳定、安全的电力供应[1]。但越来越复杂的卫星载荷功能需求也给电源分系统的设计带来了很多挑战。比如设计中大量分散的信息不断迭代相互关联，贯穿了从卫星工程总体对电源的研制需求到电源系统产品在轨运行的全过程。而现有的基于文档作为载体进行设计信息的传递方式存在很大风险，这些设计信息分布在多个文档中，其完整性和一致性与需求和工程实现之间的相互关系难以评估，存在设计规范不强、功能分析不到位、系统逻辑关系匹配困难、验证评估不及时等问题[2]。将系统设计模型化，能够全面提高卫星电源系统的设计质量，在规范设计、功能需求分析与验证中要求更为严格，能够减少设计错误，缩短研制周期，也为利益相关各方提供了一个统一的、无二义性的设计信息交流工具。

(1)全面提升电源系统的设计能力

目前大部分电源系统的设计均依赖于文档运行，这种方法难以开展大量设计信息的跟踪与变更影响分析，会造成设计效率低下，设计风险增加。而利用MagicDraw 工具对电源系统进行建模，能够清晰表达整星需求，快速支持设计迭代中系统功能和系统属性的评估，同时还能强化知识传递，提高不同设计师之间的共同效率，全面提升设计能力。

(2)在设计初期确保关键技术的准确性和创新点

电源系统设备作为具有高可靠性的设备，其产品设计或设备制造创新难度大，目前主要依赖于设计师的经验，存在经验传递缺失、信息交互不全导致的设计问题。同时各类设计信息被分散管理和维护，使得大量卫星设计信息、设计经验和设计软件无法被充分利用。而电源系统颠覆性设计的创新点往往出现在功能分析或需求分析阶段，而且这个阶段因为未涉及产品制造，所以创新成本低。因此利用建模的方法，加强需求获取、分析和传递模式的研究，探索新的性能特性分析或需求分析模式[3]，有利于整个电源系统及整个型号研制的创新模式发展，实现降本增效的目的。

(3)形成可追溯、规范化的系统设计架构

传统的电源系统设计信息在传递过程中有时会出现信息缺失或误解，特别是涉及到一些创新性的设计需要我们正确、完善地进行论证，找到设计的重点和要点，有针对性地进行系统架构的设计。除此之外，电源系统的指标要求还需要分解传递给更下层级，如单机层级，通过将系统设计过程模型化并且构建模型之间的关系，实现传递过程受控和可追溯。通过规范化的设计信息追踪和关联性分析，完成对电源系统构架和技术状态的全面分析和控制。

1 应用现状

将系统设计模型化是通过模型开展对系统总体需求的分析、系统功能分解及验证活动，它贯穿了设计研制的全生命周期。在国外，基于模型的系统工程已经发展了几十年的时间，国外一些大型的国际航天知名企业和实验室，已经成功地将系统模型化设计应用于实际型号项目中，并取得了很好的成绩，其中的典型代表包括NASA、Boeing 公司、Lockheed Martin 公司等[4-5]。除此之外。国外的研究学者还对标准化的系统建模语言进行了深入的研究，通过规范建模符号和语义，实现对建模工具的支持，用于提高产品质量和沟通效率，实现更多的设计重用[6]。

而在国内，一些大中型企业也已经开始以提升专业能力为出发点，从项目任务分析与方案论证、需求分解与追踪、试验验证等典型环节开展了基于模型的深入研究与实践，并取得了一定成果。但是对于卫星上的重要分系统，如电源系统等，其建模研究还在探索研究阶段，在信息的可追溯性方面依然是传统的文档记录方式，缺乏系统性的追溯。因此需要开展卫星电源系统设计模型化的研究。通过整星对电源系统级的任务剖面和功能需求分析，对任务特点进行功能分配，建立模块逻辑模型，并支持系统能量平衡仿真，全面提升设计能力。

2 功能特性分析

卫星电源系统的设计目的是为卫星在轨提供足够且稳定的能源，因此电源系统的功能特性分析实际上就是对其性能在预期场景中的行为分析。按照自上而下的正向设计原则，对电源系统在轨运行的工作内容进行分析研究，把不同轨道阶段上整星总体对电能的需求分解给电源系统，建立利益相关方对电能需求与系统功能指标参数之间的数字化模型关联。

2.1 运行场景分析

电源系统在轨运行期间实现的主要功能就是为整星提供稳定且足够的电能。但是在具体建模过程中，还需要将主要功能的运行场景进行精化，考虑各种不同的预期场景，用来描述在不同环境和操作模式下的工作情况，如地影期、光照区等。按照自上而下的设计原则，通过对运行使用场景的描述对电源系统功能特性进行分析，并且关联相同工作场景下的其他利益相关方，如其他分系统用电需求、轨道条件、空间环境等。

电源分系统在轨运行场景描述如下：(1)在不同轨道阶段，如阳照区和地影区，为整星全生命周期提供稳定、安全的电力供应；(2)实施对电能的管理，包括对电能的传输、分配、调节、控制和存储等。

在对电源系统的功能进行分析时，需要使用用例图对其工作环境以及其他相关利益者之间的交互关系(如时序交互顺序、约束及内容等)进行分析。用例图用于捕获用户目标的系统功能，实现卫星对电能需求的功能描述，还可以作为整星需求表达的重要组织形式，建立完整的功能用例和运行场景，对能源系统的功能特性分析有着非常重要的意义。

通过对电源系统在不同工作环境和模式下的功能分析，得到以下7 项主要功能：电能的产生、储存、管理、调节、分配、传输、供电等。图1 为电源系统的功能需求用例图。

图1 电源系统功能需求用例图

2.2 状态分析

卫星在轨运行，由于轨道条件、用电需求等利益相关方的变化，会从外部触发电源系统工作状态发生变化，通过识别状态转换条件，对电源分系统的功能进行分配。这种从源状态到目标状态的转换变化在建模中使用状态机图来进行描述。图2 为电源系统在轨实现供电功能时的状态机图。在光照区时，系统通过判断负载电流与方阵电流之间的关系，来进行供电状态的切换。当负载电流小于等于方阵电流时，为太阳电池阵供电状态，而当负载电流大于方阵电流时，电源系统切换为太阳电池阵供电状态。在阴影区，则只存在蓄电池供电这一种供电状态。电源系统在轨运行期间有不同的工作状态运行，从地影期到光照期之间实现转换，在状态转变的过程中，内部时间增加，模型中随时间改变的参数值也随之发生变化。

图2 电源系统在轨实现供电功能时的状态机图

实际上，采用状态机图来描述系统的功能模型，通过运行不同工作状态对电源系统功能运转的预期效果进行验证是一种非常实际且有效的方法，它能够确保设计早期发现问题，减少后期的反复迭代。

2.3 功能分解

针对每一个顶层的系统功能，根据建模的颗粒度要求，对系统的功能进行分解。在MagicDraw 工具中，将系统功能进行分解一般采用活动图的形式，分解到哪一层结束，取决于建模目的和模型粒度。当某一层的逻辑结构能够实现或者承载这个系统功能行为后，就不需要继续往下分解了。根据电源系统功能需求的分析，模型颗粒度为单机层面，即功能分解到能源系统的单机功能技术指标。图3 为电源系统在轨功能分解活动图，通过判断逻辑和约束条件，将电源系统的功能具体分解为蓄电池的充电和放电功能，通过单机来承载系统的供电和电能存储功能。

图3 电源系统在轨功能分解活动图

电源系统作为卫星一个非常重要的分系统，通过对其功能特性的分析能够解析电源系统在轨的主要工作内容和工作机理，分析结果可以作为系统初步设计方案的一项重要依据，在开展系统功能分析的同时必须发掘能够真实反映整星任务目标的需求，并在详细定义卫星能源系统时主动将其纳入分析的过程，这样能够帮助设计师做出更加实际的分析和设计决策。

3 逻辑架构建模

电源系统逻辑设计的重点在于将电源系统在轨运行的功能需求落实到实际的内部逻辑架构关系中，设计中的每种运行逻辑都以模型元素或模型元素之间的关系加以捕获，最后以数字模型逻辑架构的形式清晰地输出系统设计结果。逻辑架构设计是针对用例，然后进行增量迭代，将前期完成的黑盒视图转化为白盒视图的过程。

逻辑架构设计的依据是对系统的功能分析结果，先确定顶层的逻辑模块，以上层逻辑模块为输入，分解出下层逻辑模块，再以该下层逻辑组件为输入，层层分解，获得整个系统的逻辑架构，一般以块定义图(block definition diagram，BDD)的形式记录。而逻辑组件的分解原则为子系统/单机中的元素紧耦合，同时子系统/单机间的元素松耦合，通过良好定义的接口进行交互。随着功能架构一层一层地展开，需考虑功能架构中的功能节点由哪个逻辑构件承载。因此，按照电源系统运行场景及功能分析，电源系统架构应为3 个逻辑单机：电能存储模块、发电模块、功率分配和调节控制模块，对应的单机分别为蓄电池包、太阳电池阵和电源调控器，在BDD 图中将电源系统的功能操作分配给内部单机。系统逻辑架构如图4 所示。

图4 电源系统逻辑架构

由于在功能需求分析的基础上进行逻辑架构建模，设计过程中必须知道电源系统中各逻辑单机之间相互交换的数据以及信息流，所以在建模中采用内部接口交互图能够清晰地显示电源系统内部信息以及电源系统作为一个整体与其他外部对象之间的交互关系，这样有助于进一步分析系统功能。图5 为电源系统内部信息交换接口关系图。

图5 电源系统内部信息交换接口关系图

基于状态的行为能够很好地反映出系统的行为，以及系统的整个运行过程中所具备的功能，所以通过模型元素的接口交互关系来判断系统逻辑架构的正确性和准确性是一种非常有效的方法。通过对模型的执行能够清晰地看出系统中能源流和信息流的不同交互状态，从而验证系统的功能逻辑组成。在功能分析的基础上，有针对性地进行系统架构设计，将电源系统的功能需求分类进行传递，通过这些关系实现追踪性和关联性分析，能够完成对电源系统构架和技术状态的全面分析和控制。

4 能量平衡分析

电源系统作为卫星一个重要的组成部分，能否提供足够的能源满足卫星在轨寿命周期内的正常运行，是衡量整个电源系统设计的重要指标，因此需要对电源系统进行能量平衡状况的分析评估。能量平衡分析是验证电源系统功能和逻辑架构设计必不可少的重要手段，其目的是在给定的输入条件下，结合负载工作模式，以一个轨道周期或几个轨道周期作为时间单位,用以验证系统功能和逻辑架构设计的正确性。

当能量平衡分析同时满足如下两个条件时，则表明能量平衡，满足功率裕度要求，具体条件如下：(1)充电时，太阳电池富裕能量PS＞0，PS=PSA-CH－PBAT-CH，其中PSA-CH为太阳电池阵可用于充电的能量，PBAT-CH为蓄电池组充电所需能量；(2)蓄电池组放电深度满足卫星寿命的要求。

能量平衡分析是作为验证系统设计成果的一种手段被提出的，所有的系统功能特性分析和逻辑架构设计结果都将被带入到能量平衡分析中进行验证。如果设计结果不能满足能量平衡的需求，则需要重新调整设计参数以满足平衡要求；如果设计结果能够满足能量平衡的要求，则可以通过输出曲线，关注不同工况不同场景下蓄电池组放电功率和能量随时间变化的情况，这将有助于能源系统的设计权衡，防止过设计。

以某太阳同步轨道的遥感卫星为例，该卫星在轨运行轨道周期约为90 min，其中地影区30 min，某工况下载荷峰值功率为(150±10)W，在地影区持续工作时间5～10 min，对该卫星电源系统进行功能特性分析和逻辑架构设计，并将结果代入到能量平衡分析中进行验证分析。不同载荷工作时长下蓄电池放电深度及平衡状态如表1 所示，不同载荷工作时长蓄电池放电功率曲线如图6 所示。

表1 不同载荷工作时长蓄电池放电深度结果及功率裕度

图6 不同载荷工作时长蓄电池放电功率曲线

从表1 和图6 中可以看出，蓄电池组放电功率曲线随着载荷工作时段发生变化，实现了动态跟踪，图中阴影部分面积是与时间相关的单圈蓄电池放电能量，在同等蓄电池电压等级下，阴影面积越大，放电深度越大。虚线所围面积为光照区可用于充电的能量。当虚线框面积大于阴影部分面积时，则表明太阳电池阵输出功率富裕，完全能够补偿蓄电池组的充电需求。以最小功率富裕346 W 可充电约60 min 进行计算，可用于充电的能量大于单圈蓄电池的放电能量，说明能量存在富裕；同时计算得到在同样工况载荷工作10 min的情况下，蓄电池组最大放电深度为14.44%，满足在轨寿命指标放电深度小于20%的要求，因此设计结果均满足能量平衡的全部要求，验证成功。但是如果在轨载荷功耗增加或者工作时间延长，导致蓄电池最大放电深度不满足小于25%的指标要求，则说明能量不平衡，需要在减小载荷功耗、缩短工作时间以及重新调整蓄电池的容量设计参数之间做出权衡，直到最终设计结果满足能量平衡需求。

5 结束语

本文采用模型的方式进行整个能源系统功能特性及逻辑的设计，将会带来工作模式、设计流程的巨大变化，实现高效的信息表达、数据管理和数据传递，也为电源系统研制流程的上下贯通提供根本的保障，通过建立多级关联设计的关系，实现当上游需求发生变化时，下游设计可以自动更新，将上层功能逐级分解成下级各个层级的功能，其运行逻辑都以模型元素或模型元素之间的关系加以捕获，层层分解，获得整个能源系统的逻辑架构。同时能量平衡分析还能够实现对设计结果的验证，从而加快设计迭代周期，提高设计效率，避免欠设计或过设计发生。