卫星矩阵式电缆机电联合优化设计

宗可 王志富 徐珩衍 吴瑞兰 王依一 成艳

(中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094)

卫星矩阵式电缆机电联合优化设计

宗可 王志富 徐珩衍 吴瑞兰 王依一 成艳

(中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094)

针对目前矩阵式电缆设计周期长、质量相对较大、长度难以估算的问题，文章提出了机电联合的设计方法。该方法包含模型建立、长度评估和优化算法3部分。首先，通过接口电路建模和轻量化三维路径建模，将图形化设计与参数化设计相结合；其次，通过梳理各分支点之间的数学逻辑关系，实现了电缆长度即时估算；最后，针对接点分配设计环节，提出一种自动迭代优化设计算法，进一步提高了设计效率和品质，并对影响算法复杂度的因素进行了分析。以某卫星为例，对优化设计方法进行了验证。结果表明：此方法可以有效缩短设计周期，并且电缆长度较优化前减少约8%。

卫星矩阵式电缆；机电一体化；接点设计；走向设计；长度预估

1 引言

矩阵式遥测和矩阵式指令是星载综合电子的一项核心技术[1]，主要优点是节省了所需元器件与电缆的数量，可以显著减小卫星平台质量，其广泛应用于我国各类通信卫星。普通遥控指令输出电路采用一根正线和一根回线对应一个指令负载的连接方式，而矩阵指令驱动电路可通过m根行控制线和n根列控制线控制m×n个指令负载，当某条指令需要对某一设备进行控制时，需要同时接通该指令所对应的行开关和列开关，此时矩阵式指令驱动电路为对应的负载设备建立了由电源到地的供电回路，从而驱动负载动作。在驱动设备与负载设备的电缆连接关系上形似一个矩阵网络，故矩阵式指令驱动电路与负载间的连接电缆或状态采集电路与负载间的连接电缆统称为矩阵式电缆，矩阵式电缆属于卫星低频电缆网的一部分。由于在连接关系上存在一对多、多对一等复杂情况，同时设备布局、接点分配、过渡设计、走向设计等因素互相耦合导致电缆的设计复杂程度高，设计周期长，调整代价大。因此，研究并采用优化方法和高效工具完成矩阵式电缆设计对卫星复杂电缆网研制具有重要意义。

电缆设计主要涉及机械设计和电气设计两个学科领域。对于矩阵式电缆，需要采用机电联合的设计方法，即通过在机械和电气设计间进行反复迭代，使得设计结果满足布局、走向以及接口电路特性等边界条件[2]，在此基础上，对设计耗时和电缆质量做进一步优化。目前，针对电缆数字化布局设计，国外机构开发了如Co-Star系统[3]、基于Pro/E[4]软件或CATIA平台的电缆设计模块等，针对电缆网数字化设计开发了CHS平台[5]，这些已在国外航空、航天、汽车等领域的线缆线束设计中广泛应用[6]，如法国THALES公司将卫星电缆研制外包给空中客车公司，并采用达索公司的数字化解决方案。国内的相关领域专家也提出了数字化电缆网设计的新流程和新思路[7]。然而，针对矩阵式电缆的机电联合设计，至今为止国内外尚未见公开发表文献。现有电缆设计方法和工具大多侧重于机械或电气设计，业务流程基本保持串行，对于矩式阵电缆，如果套用一般电缆设计方法，在路径定义、接点分配等关键环节则较为依赖人工经验，可能导致设计周期长达数周，并且难以在减重方面获得更优的设计结果。在机电耦合条件下，对联合设计方法研究不足，缺少基于数字化模型的快速迭代设计方案。

为了提高设计效率，减小电缆质量，本文对电缆走向和接点设计紧耦合条件下的设计原则、建模方法进行了研究，提出了基于模型的机电联合设计方法，并在卫星中进行了实际应用和验证。

2 矩阵式电缆接点与走向设计原理

2.1矩阵式电缆接点设计原理

矩阵式指令通过行(高电平端)控制线和列(低电平端)控制线来控制负载的工作。当某条指令需要对某一设备进行控制时，需要同时接通该指令所对应的行和列，此时矩阵式驱动电路为对应的负载设备建立了由电源到地的供电回路，从而驱动负载动作(见图1)。

类似地，矩阵式遥测采集电路也是通过行和列控制线来完成负载的遥测轮流采集。

对于指令负载端设备，如果带有多个负载，则接口通常也采用矩阵式电路，如图2所示，为2个负载组成的接口电路，对应两个不同负载的指令1、2从行接点1、2分别接入，以接点3作为回线，因此两个负载共用一个指令回线接点。

对于矩阵式指令电缆接点分配工作来说，是将驱动端设备接点与负载端设备接点建立映射关系，通过电缆进行物理相连，形成指令脉冲控制回路，来达到通过驱动端设备控制各星上负载设备执行相应动作的目的。

在分配的过程中要遵循以下基本原则：

(1)驱动端与负载端的行列关系应一致，行线对应行线，列线对应列线；

(2)负载端非共用行/列线时，应分配不同的驱动端行/列与之相连；

(3)禁止不同负载的行和列同时与驱动端的相同行和列相连，否则将造成同一指令同时驱动多个负载的情况。

同理，遥测采集端和负载端也遵循以上连接原则。

实际上，卫星上设备矩阵式接口类型多样，行列线数量、对应接点编号、共行或共列接点情况都要通过对接口电路图进行详细分析才能确定，人工完成接点设计工作极为繁琐、复杂。

2.2矩阵式电缆走向设计原理

矩阵式电缆走向设计分为预设计和正式设计两个阶段。在预设计中，需要根据矩阵式设备(即采用矩阵式接口电路的设备)的布局位置，完成电缆路径的定义，包括主路径和分支路径，主路径从具有矩阵式指令发送或遥测采集功能的设备出发，对大部分矩阵式设备所在舱板进行遍历后返回起始点。分支点一般选择主路径上离目标矩阵式设备最近的位置。

主路径定义是否合理对电缆长度起决定作用。在布局设计中尽量考虑将矩阵式电缆两端设备靠近，减少主束长度。主路径适当靠近占用行列线数较多的区域，减少分支长度。

同时，主路径和分支路径上铺设的电缆束中信号线的根数与接点设计密切相关。由于矩阵接口电路的特殊性，通过对连接负载所用行列信号线进行合理的复用，可以减少分支甚至主束电缆中线缆的根数。

综上，以减少电缆总长度为目标，电缆走向设计与接点设计具有较强的耦合性。

3 机电联合设计及优化技术

现有设计方法采用布局、预走向、接点、过渡插头、接点表到三维模型设计的串行工作模式，当三维模型设计完毕后，才能够完成详细评估，这样使得迭代周期长。本文所提出的联合设计方法，采用风险评价前移策略，在接点设计完成后对长度进行快速评估，降低由于最终设计重量超差导致返工的风险，通过基于模型的全数字化设计，各环节间实现了无缝连接，缩短了信息传递转换的时间，优化了设计效果。

3.1电缆路径及分支关系建模及长度评估

为了使走向预设计结果能够直接应用于接点分配设计，需要构建从三维路径模型到二维分支长度的数据交互中间件。再由软件根据中间件计算提取分支关系和长度信息。图3中绿色线为三维设计软件定义的电缆路径。

由于卫星上大量采用矩阵式接口设备，导致电缆分支可达百余个，为了最小化迭代设计中的人工干预工作量，经过多种方案比较，确定将路径上所有接插件之间长度作为数据交互中间件。根据接插件两两之间的长度，经过长度加减计算可得到路径上各分支点的位置即相对起点的长度，同时可以获得路径上所有矩阵式电缆接插件的分支关系，完成对电缆的无向图表达，如图4所示。在完成接点设计后，可以获得每段路径上的电缆根数，长度累加后即可快速预估总长度。通过上述轻量化建模方法，可以简化电缆长度预估，并用于后续接点分配设计迭代计算。

3.2矩阵式接口电路建模

由于星上设备矩阵式接口类型多样，接点数量、负载关系、电路特性等不尽相同，因此，需要对矩阵式接口电路进行数字化建模，以便于计算机按照接口模型对接点进行自动分配。可采用图形化的表达方法进行建模，方法如下：

假设一台指令负载端设备具有9个矩阵式指令，分别由3条行控制线和3条列控制线完成指令控制。则其接口等效拓扑模型如图5所示。

图5中，9个指令代号分别为M到U，接口电连接器上的接点名称分别为R1，R2，R3，C1，C2，C3，对应的接点编号为1～6点，R为行控制点，C为列控制点。

已知，通过接口电路可以判断指令驱动端设备与该负载设备的R1(1点)和C1(4点)相连后可以形成控制回路完成指令M的驱动，同理如R1，C2为驱动指令N的相关接点。

同理，对于指令驱动端设备而言，也可以建立一个类似的等效模型。

根据接点分配原理，可以通过拓扑模型将建立接点物理映射关系的工作转化为模型之间的虚拟映射，如图6所示，右侧3×3小矩阵应按照相互之间的关系，“镶嵌”到指令发送端矩阵块中，如，指令M与指令b建立对应关系，N与c建立对应关系；又如，图6(b)中M、P、S为共列(共用C1’列)，则“镶嵌”到图6(a)发送模块中时对应的位置也必须为共列。

遥测电路与指令电路建模原理相同。通过接口建模，并经过图形化处理，可以将物理边界条件转化为图形与图形间的边界条件，在设计过程中只需关注图形间的相对关系，可以简化设计规则，并显著降低设计难度，提高设计效率。进一步将模型转化为计算机可以识别的公式语言，以便于数字化设计。

3.3矩阵接点优化分配算法

从3.2节所述等效模型的角度考虑，接点分配就是确定“镶嵌”的位置，位置的不同决定了哪些设备将复用相同的行线电缆和列线电缆，分配的基本约束条件为模型与模型的位置在二维平面内不重叠，优化目标为电缆总长度最短，即Min(∑Ln)，电缆每个分支点之间的长度Ln可以通过3.1节所述“中间件”获得。实际上，现有人工分配方法的基本思路是按照矩阵式设备遍历顺序依次进行分配，同一设备尽量集中分配，后面排的设备本着尽量复用行列减少电缆长度的原则，尽可能使用较少的正线(行线)和回线(列线)。

然而，对于电缆总长度的计算，电缆主束和分支的路径与线缆的复用即接点设计结果存在耦合，只有在合理的分支关系和路径下，通过合理的复用行、列线缆，才可以达到电缆总长度的最优设计。

不同于超大规模集成电路布线问题[8]和二维装箱问题[9]，矩阵间的连接关系是随行列选择设计而变化；不同于多旅行商问题[10]，不仅存在容量限制，且旅行商间存在约束关系；本问题是一个二维带冲突和容量约束的车辆路径问题[11]，属于一类多项式复杂程度的非确定性问题。对于此问题的处理，为了实现计算时间可控的设计优化，权衡复杂度和优化效果，首先利用经验设计有限个路径方案，确定分配区域，简化迭代，再根据算法分别完成模型的位置选择，可以快速获取较优解。

1)路径选择

由于卫星结构布局限制，实际可供选择的路径有限，可以采用“鱼骨”型或者“Z”字型走线方式，确定若干个路径分支方案，再分别进行接点优化设计，最后根据长度计算结果选择最优方案。

2)分区处理

矩阵式遥测和矩阵式遥控是两个不同的模块，需要分开处理。为了减少电缆穿舱和跨板，所有矩阵式设备按布局分为有限个区域。

3)选排算法

实现了一种启发式的构造算法。在每次选定待排矩阵后，在有限个待排位置上进行尝试，并计算电缆总长度增量，选取增量最小的排布方式；依次选择待排矩阵直到所有矩阵排列完毕。矩阵可分配接点的总数是预先规定的，每选排一个矩阵之后，要检查是否有剩余空位，如果没有空位直接终止程序并报告，如果有空位则继续选排下一矩阵。算法见图7。

如图7中所示，首先获取全部矩阵模型，按照3.1节方法获取路径上所有矩阵式电缆接插件的分支关系建立树形结构，对全部矩阵按照占用行或列数由大到小进行排序，如果数量相同则行列数之和大的排序靠前，选择未排矩阵中排序靠前的进行排布位置尝试。选定矩阵后，将该矩阵排到增量最小的位置，增量相同的情况下，如果已用行数小于已用列数，则优先占用行，反之占用列，随机位置作为以上步骤仍无法区分优先级的补充方法。接下来，按照排序选择同一设备上的其他矩阵，按照行列数之和最小的排列形式与已排矩阵进行组合排布。重复上述步骤直到同一设备所有矩阵排放完毕后，按照树形结构顺序先后选择上一个排完的设备所在电缆分支上的其他设备，直至排完该分支上所有设备。排完同一分支上所有设备后，选择主束上后续分支上的设备重复上述步骤，直至全部矩阵排放完毕。最后检查是否可以通过挪动矩阵填补空格来减少使用的行列数。

4 实例分析

根据本文所述建模和计算方法，用C语言编写了辅助设计软件，基于CATIA软件进行了接口二次开发，用于获取仪器布局和路径模型，可以完成设备电接口信息收集、确定分区、接点分配和路径选择，输出矩阵接点分配表。流程如图8所示，实线框中为软件执行部分。通过数字化工具手段，确定分区、路径建模、接点分配以及接点表输出等环节的设计用时，可从之前的数天缩短为数小时。

以某实际设计完成的通信卫星为例进行了验证，并与原设计结果进行了比较。整星矩阵式遥测大于400条，矩阵式指令大于700条，涉及矩阵式设备超过70台，全部安装在通信舱。南、北板各配置一个指令发送模块和一个遥测采集模块。根据有限种路径方案并行设计和计算，最终可确认原 “鱼骨”型走向方案最优，证明采用人工经验确定路径简化算法的优化方案可行，本文不再对布局和走向输入条件进行罗列,仅进行接点分配调整。以某矩阵式指令模块为例，图9为原人工分配结果，每个格子代表一条指令，同一设备的指令按照等效模型排放在一起，相邻不同设备颜色不同，基本采用依照设备遍历顺序结合经验进行设计。图10为采用本文提出的优化分配算法的设计结果。根据布局将待分配区纵向划分为两个区域，结合电缆路径信息，由计算机根据选排原则自动进行分配。

根据上述接点设计结果，经过长度计算，分别可以得到优化设计前后的矩阵式电缆总长度(按单根信号线计算)，见表1。

表1 电缆总长度预算结果比对

由于设备布局未变，电缆路径在优化前后实际未做调整，因此在本例中仅通过接点分配调整即可优化减少电缆共124 700 mm，约等于124 m，占矩阵式电缆总长度约8.7%。按照矩阵式电缆使用的实际型号换算，单根信号线密度为2.6 g/m，减少电缆长度1 305 230-1 180 530=124 700 mm，减小质量为124 700 mm×2.6 g/m=324.22 g。

5 结束语

本文提出了针对矩阵式电缆设计的机电联合优化设计方法，采用卫星实际飞行数据进行了验证，经与原设计方法比较，优化后的电缆长度较之前减少8%，通过数字化工具手段，矩阵式电缆设计流程中确定分区、路径建模、接点分配以及接点表输出等环节的设计用时缩短为数小时，证明了优化设计方法及软件算法的合理性和有效性，达到了优化矩阵式电缆设计及缩短研制周期的预期结果。

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Optimal Mechatronic Design Research for Matrix Cables Used on Satellite

ZONG Ke WANG Zhifu XU Hangyan WU Ruilan WANG Yiyi CHENG Yan

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

A mechatronics design method is presented in this paper aim to shorten overlong design cycle, lighten cable weight and reduce the difficulty of estimating length. This method is consisted of three parts including building models, length estimate and optimal algorithm. First, graphic design and parametric design are combined by interface circuit modeling and lightweight 3D route modeling. Then, real-time cable length estimate is achieved by calculating mathematical logic between junctions. At last, an automotive interactive optimized method is raised to enhance working efficient and quality. Factors which effect algorithm complexity are analyzed. Real project data is used to prove the effectiveness of the proposed method. The result shows that this method can shorten design cycle with 8% cable length reduced after optimization.

matrix cable used on satellite; mechatronics; junction allocation; route design; length estimate

TN702.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.003

2017-04-28；

2017-06-06

国家重大航天工程

宗可，男，工程师，从事卫星信息总体设计工作。Email：375026955@qq.com。

(编辑：李多)