卫星电缆网自动化布局布线技术研究

习成献，孔陈杰，张 强，刘恩权

（中科院微小卫星创新研究院，上海 201203）

0 引 言

随着航天技术的高速发展，卫星产品向小型化、模块化与一体化方向发展。电缆网是卫星电气和信息传输的必要载体。卫星电缆网设计与布局布线的合理性，对整星的电磁兼容性至关重要[1-2]。此外，近几年卫星产业发展迅速，设计和生产任务日益繁重。因此，在保证电缆网设计质量的前提下，提高电缆网设计效率和电缆网研制的自动化程度成为电缆网设计的关键因素[3]。因此，本文提出了一种自动化布局布线技术，以降低复杂电缆网设计和布局布线难度，提高效率和可靠性。

1 设计方案

方案基于Pro/E的二次开发，以Cabling模块为基础，按照“功能链”设计理念，采用自顶向下的设计模式，对常规的电连接器建模，使用已建好的模型库，依据各单机接口数据单，自动设计电缆网的节点表和整星电缆网[4]。通过卫星的结构和单机布局自动设计分析每套电缆的走向、长度及重量，为整星电缆网的布局布线设计提供参考。此外，应用仿真软件仿真分析整星电缆网布局布线的安全性和合理性。当单机的对外接口内容变动时，可以借助软件调整线束，不仅可以缩短研发周期，降低生产次数，还能够弥补测试工作（因人力和物力条件限制等），提高产品效率和可靠性。卫星电缆网自动化设计，如图1所示。

图1 卫星电缆网自动化设计框图

2 设计实现

2.1 设计原则

电缆网的可靠设计、合理布局是卫星信号可靠、安全传输的重要保障。考虑卫星电磁兼容性，电缆网设计和布局布线时，按照电缆所载的电压、电流以及频率等信号分别布线，防止电缆彼此耦合和串扰[5]。此外，需考虑产品的可维修性和布局布线的美观性。

电缆网设计应遵循的原则如下：

（1）供电电缆和信号电缆应分开走线，不设计在同一线束内；

（2）高频电缆和低频电缆分开布局；

（3）将敏感信号同易产生串扰信号电缆分开布线。

2.2 自动化设计方法

2.2.1 接口系统

接口系统设计输入为标准的Excel和CAD模型，主要用于电缆网布线设计的快速识别。Excel首页面为线规信息，其余页面定义电缆网的节点信息；CAD模型为Pro/E软件识别类型。电缆线规信息定义如表1所示。

表1 电缆线规定义

2.2.2 模型识别定义和支架快速布置

主要是定义和管理系统中需要布线的元器件基准特性。建模时保存的基准特性将作为布线的基准，为后续演绎电缆网布线和生成电缆网等提供依据。

2.2.3 柔性化设计

依据自动生成的布线骨架模型，将参考面、各种坐标系、点、轴线、曲线和曲面等勾勒出的产品结构形状作为设计参考[6]，读取总体设计模型中与电缆相关的设计参数，在布线参考骨架模型中同步建立相应的设计参数作为三维线缆布局布线的设计基础，如图2所示。

图2 卫星电缆网柔性化设计示意图

2.2.4 网络路径定义

对电缆网的布局布线路径规划进行空间约束。网络路径就是电缆的布局布线，由多个线段组成，定义了电缆网的“起点—支架—卡箍—终点”，根据相关的电连接器、支架的信息来拟合出路径。

2.2.5 快速布线

依据输入的Excel信息，可以创建包含电缆网所用导线明细表、加工技术要求等信息的二维电缆加工图和人机交互的三维布局布线图。二维电缆加工图中包含详细的节点关系数据，从布线数据库中提取、重构后的电缆分支信息生成电缆分支图辅助模型，自动生成二维电缆加工图，如图3所示。人机交互的三维电缆布局布线图使用简化的节点关系数据，即将相同元器件之间的多条导线（针到针）进行合并处理，以优化减少三维模型的数据量，电缆分支和线规信息经解析与信息合并、抽取后进行三维电缆布局布线规划[7]，其软件流程如图4所示。

3 设计实例与验证

应用本文设计的卫星电缆网自动化布局布线技术，生成整星二维电缆加工图和三维电缆布局布线模型图，分别如图5、图6和图7所示。在该模型图上，设计师可以根据电缆布局布线要求手动调整电缆分支走向，获取电缆分支长度、重量等信息。该技术已成功应用在北斗导航卫星上。装星结果表明，电缆长度、分支信息、节点对应关系均符合要求，电缆网重量显著减轻，能够实现结构和电缆同步设计，缩短开发周期，大幅提高设计效率、设计精度和可靠性。

图3 二维电缆加工图的流程图

图4 三维电缆路径规划流程图

4 结 论

针对目前卫星电缆数量大、分支繁多、布局复杂的情况，应用虚拟仿真技术和模型二次开发的手段，提出了一种自动化布局布线技术。目前，该技术已在北斗导航卫星的电缆网设计中成功应用，能显著减轻电缆重量，提高电缆网设计的自动化和快速响应程度，为复杂电缆网的研制和批量化、商业化的卫星开发提供了一种有效方法和手段。

图5 卫星电缆二维加工图

图6 卫星电缆三维布局布线图

图7 卫星电缆三维布局布线图（局部）