太阳方阵模拟器快速建立母线方法研究

（航天东方红卫星有限公司，北京100094）

在卫星地面测试中，太阳电池方阵模拟器（以下简称“模拟器”）是为整星测试提供能源保障的重要设备之一，它的主要任务是真实地遵循太阳电池方阵在各种空间条件下的实际输出特性曲线，在卫星发射前的各测试阶段替代真正的太阳电池方阵为星上各分系统供电。

由于模拟器是完全按照卫星太阳电池方阵的真实分阵数进行相应的配置，各分阵相互隔离，并且都拥有独立的调节单元，因此通过模拟器供电建立的卫星母线具备优良的负载端调整能力，能够解决稳压源供电情况下可能出现的电压上冲过大或浪涌冲击过大的问题，特别是当卫星供配电回路中存在短路等安全隐患时，模拟器供电还能够起到限流保护的作用，减少大电流对设备的冲击，提高了测试的安全性。所以，地面测试中多采用模拟器来为整星供电。

然而在实际应用中，我们也发现，模拟器供电启动时，部分星上设备有时会出现工作异常，设备内部二次电源发生振荡，严重影响了测试的安全性。

因此，为了更好地研究解决这种卫星研制测试过程中出现的供配电异常情况，我单位决定成立磐石QC 小组，由在小卫星供配电系统总体设计、智能化控制与管理、软件开发设计以及电源控制集成化设计等方面具有国内领先实力和水平的研究人员组成，依托专业优势，结合设备生产研制过程来开展研究，解决问题。

1 现状与原因分析以及成因确定

在某些卫星型号的地面测试中，模拟器供电建立母线时，星上部分设备出现了启动异常，表现为设备内部接口处的二次电源发生振荡，主备份自主切机等现象，见表1。虽然故障现象略有不同，但是通过故障树的分析，排除设备软硬件故障后，问题均定位在模拟器母线建立时间过长。经过调整，缩短了母线建立的时间，于是故障现象消失。图1是母线建立时间的长短对设备启动影响对比的柱状图，其中有斜纹的方柱表示发生故障时母线的建立时间，其他方柱则表示正常状态时母线的建立时间。

表1 母线建立时间与故障现象对照

由于测试时母线建立时间过长，与设备器件输入特性相冲突，造成设备启动异常。为了确保测试时的安全可靠性，需要将模拟器供电的母线建立时间控制在一定范围之内。

通过对故障的统计分析并结合整星测试需要，我们认为：小于300ms 的母线建立时间能够满足测试和负载用电的安全性要求。换句话说，只有当模拟器供电至母线电压建立的时间小于300ms，各负载设备启动才不会发生异常。所以设定小组活动目标为：整星测试模拟器快速建立母线时间小于300ms。

1.1 原因分析

为了充分展示问题全貌，在“头脑风暴”会议上，全体小组成员集思广益，分别从人、机、料、法、环等方面进行分析讨论，最终确定因果图，如图2所示，其中末端因素6 项。

1.2 确定主要原因

小组采用现场调查、现场测试和验证的方法，对影响模拟器母线建立时间的6 项末端因素逐条进行了确认，见表2。

表2 要因计划确认表

1.3 末端因素逐条确认

a）操作人员上岗前是否经过培训。复查了所有模拟器操作人员培训记录，均满足操作人员上岗培训40h 的要求，并现场抽查操作人员对工序的掌握程度，符合率为100%，则该因素不是导致问题发生的主要因素。

b）I-V 特性曲线输出是否正常。复查模拟器的自检记录和测试数据，其输出I-V 曲线设置格式为：工作电流/工作电压//开路电流/短路电压，所以现场在模拟器上设置I-V 曲线参数为1.5A/33V//1.65A/36V，其输出电压与设置数值一致，电流稳定在1.5A～1.65A，说明输出工作在恒流段，I-V 曲线输出正常，则该因素不是导致问题发生的主要因素。

c）设备接口设计是否满足要求。现场复查了平台中随母线建立的相关设备供电接口验收数据，均与技术要求一致，则该类因素也不是导致问题发生的主要因素。

d）上电分阵数量是否过多。测试现场设置模拟器单阵1.3A 曲线，8 个阵同时上电，然后减小上电分阵的数量，改为只有4 个分阵和3 个分阵同时上电，记录不同上电分阵数量下的母线建立时间，如图3所示。由实测结果可知，上电分阵数量过多能够造成母线建立时间过长，则该类因素是导致问题发生的主要因素。

图3 上电分阵数量不同时的母线建立时间

e）单阵电流设置是否过小。小组分别对模拟器设置单阵1A、1.5A、2A 和3A 的曲线，并且8 个分阵同时上电，然后记录不同曲线下的母线建立时间，如图4所示。由实测结果可知，母线建立时间随着单阵电流数值的增加而逐步减小，说明单阵电流设置过小能够造成母线建立时间过长，则该类因素是造成问题的主要因素。

图4 单阵设置不同电流时的母线建立时间

图5 测试电缆长度不同时的母线建立时间

f）测试电缆是否过长。由于不同的测试环境所采用的电缆长度也不尽相同，小组发现在其他条件都相同的情况下，不同的电缆长度所对应的母线建立时间也不一样，如图5所示。在满足测试要求的前提下，电缆长度越长，其母线建立时间越缓慢，因此测试电缆过长也是导致问题发生的主要因素。

小组通过现场测试、复查等手段，对上述6项末端因素逐条进行确认，最终确认：上电分阵数量过多、单阵电流设置过小以及测试电缆过长是导致模拟器母线建立时间过长的主要因素。

2 对策制定及实施

针对上述主要因素，制定了“5W1H”对策，见表3，并依据对策表进行对策实施。

表3 “5W1H”对策实施表

实施一：减少上电分阵数量。在满足测试要求的输出总电流的情况下，依据卫星不同平台对分阵数量的要求，分别改变上电分阵数量为2～6，记录验证不同上电分阵数量下的母线建立时间。

实施效果：验证结果如图6所示，证明在保证测试供电的前提下，模拟器上电分阵数量为2～6 时，其母线建立时间均小于300ms，满足目标要求。

图6 上电分阵数量不同时的母线建立时间

实施二：增加单阵设置电流数值。根据任务书以及测试技术要求，模拟器上电时其输出总电流不小于12A，结合实施一的验证结论，则在模拟器软件界面上设置单阵电流数值不小于2A、对策实施中设置单阵电流为2A，则母线建立时间为245ms，未发生设备启动异常。

实施效果：试验证明模拟器单阵电流的增加能够减小母线建立的时间，所以当模拟器单阵电流不小于2A 时，其母线建立时间均小于300ms，满足目标要求。

实施三：缩短测试电缆长度。电缆长度的影响归根结底是体现在电缆线损对母线建立时间的影响上，若其他条件（如电缆半径等）相同，电缆长度越长，其线损越大。但出于测试环境和成本的考虑，要想单纯地缩短电缆长度并不实际，对于母线建立时间不满足要求的电缆，将两根相同长度的电缆并联，其线损约为单根电缆的一半，也等同于电缆长度缩短一半。

实施效果：电缆经过并联处理以后，模拟器的母线建立时间有了明显的缩短，如图7所示。从而也证明了，在保证整星测试供电的前提下，通过并联一根相同长度的电缆，达到缩短电缆有效长度的目的，能够有效地缩短模拟器母线建立时间，使其小于300ms，满足目标要求。

图7 电缆长度缩短后母线建立时间对比

3 效果检查

对减少上电分阵数量、增加单阵设置电流数值和缩短测试电缆长度等3 项对策的实施结果表明：3 项对策均能有效解决母线建立时间过长的现象，满足设定的模拟器母线建立时间小于300ms 的目标要求。

通过小组活动，对模拟器快速建立母线的方法进行了改进，并在目标确认的基础上，整理出了一整套小卫星不同太阳分阵配置和不同电缆使用状态下的模拟器快速建立母线的方法，避免了因为母线建立时间过长造成的部分设备启动异常，节省了大量的人力、物力成本，为整星测试提供了有力的安全保障。同时，整个团队在质量意识、创新意识及个人能力、解决问题的信心和团队精神上都得到了提高，也认识到活动过程中收集数据的重要性，它对方案的制定和实施起到了非常重要的作用。

4 标准化

为了更好地规范测试流程并且防止在今后的测试中再次出现由于母线建立时间过长造成星上设备启动异常的现象，我们在大量综合试验数据和对部分电缆进行并联改造的基础上，对本课题《整星模拟器快速建立母线方法》的相关内容进行整理和归纳。

●对于功率在500W 以下和使用电缆在10m以内的卫星，采用分阵1 和分阵2 设置使用3.6A 曲线上电，当母线建立之后，再按照型号设计的真实分阵数进行设置。

●对于功率在500W 以上和使用电缆在10m以内的卫星，上电分阵数量不超过6 个分阵，并且应保证模拟器上电总电流不小于12A。

●对于使用10m～35m 电缆的卫星，模拟器上电单阵电流应在使用电缆10m 以内的卫星设置基础上增加10%。

●对于使用35m～100m 电缆的卫星，模拟器上电单阵电流应在使用电缆10m 以内的卫星设置基础上增加20%。

为了方便查阅和规范统一操作，我们按照不同电缆长度和太阳分阵配置进行划分，将上述整理确认的内容以表格的形式呈现，表4即为功率500W 以下且上电分阵为2 个阵的模拟器曲线设置的表格。所有表格化的内容都一并纳入公司的第三层次文件中，形成新版的DFH/C-DY-15《电源分系统对整星综合测试要求》，并且要求在各型号编写的“××卫星电源分系统对综合测试技术要求”中增加相关的内容，将测试时模拟器的操作流程统一规范，后续的整星测试按照改进后的模拟器母线建立方法执行。

表4 功率500W 以下型号地面测试模拟器曲线设置

经实践证明，标准化后的模拟器母线建立方法对后续整星测试具有重要的指导意义，在后续测试中，模拟器母线建立时间均小于300ms，整个测试过程工作运行正常，再未出现因为母线建立时间过长造成的设备启动异常现象。

通过QC 活动，我们对测试模拟器母线建立方法进行了改造，解决了由于模拟器母线建立时间过长造成部分设备启动异常的问题。在活动中，一方面加强了小组成员对业务知识的学习，提高了理论分析水平和动手试验的能力，充分发挥了小组的技术特长；另一方面增强了整个团队的协作精神，科学地研究、解决问题，为今后更好地开展工作奠定了良好的基础。下一步的打算：磐石小组将结合本专业，围绕供配电系统在研制、测试等工作中发生的相关问题进行研究，积极开展QC 活动。

[1]李国欣.航天器电源系统技术概论[M].北京：中国宇航出版社，2008.

[2]帕特尔（美）著，韩波等译.航天器电源系统[M].北京：中国宇航出版社，2010.