一种星载SAR载荷供配电拓扑关系设计

乔兴旺 张国兵

（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

在星载SAR 载荷设计中供配电是最重要的环节，供配电系统的设计直接影响系统任务的成败，如何提高系统安全性、可靠性，是供配电系统设计的难题。本文从SAR 载荷的供配电系统的组成进行说明，提出了一种双母线、双SAR 配电器的冗余设计的拓扑关系[1]，实现在单一故障模式下进行故障隔离的功能，提高系统整体的可靠性，通过地面测试表明方案的正确性。

2 SAR载荷供配电系统组成

SAR 载荷供配电系统的作用是将卫星的电源进行功率分配，并将一次电源的电压进行变换，转换为SAR 天线使用的各种电源品种，原理如图1 所示。

SAR 载荷供配电系统主要组成包含卫星一次电源、二次电源、SAR 配电器、电缆网络，各组成部分的功能和作用如下：

2.1 一次电源

一次电源由卫星电源系统产生，是所有载荷的电能提供设备，一般由太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器等部分组成。根据SAR载荷大功率、脉冲工作等特点，目前国内的大型SAR 卫星电源系统一般单独提供一条母线给SAR 载荷工作，与卫星平台等其它设备分开，SAR 载荷工作时不对其它母线上的工作单机产品影响[2]。电源采用不调节母线的电压输出方式，以适应SAR 载荷的脉冲供电需求，不调节母线方式的控制简单、可靠性高[3]。本方案在采用单独SAR 载荷双母线方案，通过SAR 配电器实现并网的功能，通过冗余提高系统可靠性。

2.2 SAR配电器

SAR 配电器的主要作用是将一次电源分配送给阵面的二次电源，根据卫星平台发来的指令，控制相应的开关电路完成对一次电源加断电控制和二次电源的集中使能控制，主要由放电开关、合路开关、二次电源使能电路等组成[4]。

2.3 二次电源

二次电源主要作用是将一次电源电压转换为TR 组件、延时组件、波控单机等需求的电压品种，同时多个二次电源安装在天线阵面，起到电源分配的作用。二次电源主要由输入保护电路、输入浪涌电流抑制电路、功率变换电路、控制电路、保护电路等组成[5]。

2.4 电缆网络

在供配电链路中所需的低频电缆线很多，主要可以分为两段：从SAR 配电器到二次电源的电缆配电电缆，从二次电源输出到波控单机、T/R 组件和延时放大组件的供电电缆。

3 SAR载荷供配电拓扑关系设计

3.1 供配电的连接关系

星载SAR 载荷供配电系统在设计过程中，与其它分系统相同，需要从效率、资源、可靠性等因素考虑，以最大功耗8000W 的SAR 载荷为例，使用2 台SAR 配电器给40 个二次电源进行供电，每台二次电源的功耗200W，对供配电拓扑进行设计，连接关系如图2 所示。

图1：SAR 载荷供配电原理框图

根据图2 所示的拓扑关系，天线阵面划分为A1、A2、B1、B2四个区域，两条母线在阵面的连接方式按照距离方向进行划分，两台SAR 配电器在阵面的连接方式按照方位向进行划分。阵面二次电源的控制使能进行关联设计，根据放电开关和母线的连接关系，阵面的二次电源开关机使能只需要4 个即可，即A1、A2、B1、B2区域内的二次电源同时进行开关机操作，减少系统的指令资源。

3.2 故障模式分析

在SAR 系统中，最能表征成像质量指标的是系统灵敏度NEσ0，在其它条件不变的情况下，一般NEσ0的数值约小表明系统能力越强，成像质量越好，但系统的成本和难度约大，在系统设计时NEσ0的选择是性能与代价的折中。系统灵敏度定义如下：

式中，R 为目标与雷达之间的斜距；Fn为系统噪声系数；K 为波尔兹曼常数；T 为系统绝对温度；Vst为卫星与目标间相对速度；Ls为系统损耗；Pav为系统平均发射功率；λ 为雷达工作波长；G 为天线增益；ρrg为地面距离分辨率。

在SAR 配电系统中，配电器的可靠性高，系统运行后继电器开关次数少，磁保持继电器接通后线路接通，相当于导线等无源器件，而多个并联的继电器同时故障概率非常小，故该故障可看作不发生。SAR载荷供配电系统的故障模式主要考虑平台一条母线故障，以及配电器中的单个放电开关的继电器故障，具体分析如下：

3.2.1 母线故障性能分析

当任1 条母线发生故障时，2 台SAR 配电器的一半将不能正常供电，将导致阵面距离向的一半阵面不能工作。在发射状态时，在不考虑对方向图的影响下，一半单元失效将带来3dB 的增益下降；在接收状态时，阵面故障所在半边阵列用于接收时完全失效，将接收不到返回的信号，阵面的另外半边无影响，接收增益同样下降3dB，同时一半阵面不能工作，平均发射功率Pav 下降3dB。根据式1 对系统灵敏度进行分析，此时与正常工作性能相比下降9dB，此时成像功能已不能满足性能要求。

3.2.2 配电器故障模式分析

配电器中的磁保持继电器故障分为短路、无法断开、无法闭合三种形式：如某一个继电器发生短路故障时，将导致该继电器所在母线短路，不能正常工作，影响同母线故障，导致灵敏度下降9dB。如某一个继电器无法断开故障，此种模式为不影响二次电源供电，而二次电源本身具有开关机功能，对系统使用几乎无影响。如某一个继电器无法闭合的断路故障，将导致四分之一阵面不能工作，根据式1 对系统灵敏度进行分析，此时与正常工作性能相比下降-3.75dB，考虑方向图的影响，此时成像功能已不能满足性能要求。

图2：SAR 载荷供配电拓扑关系

3.3 故障隔离措施

如上所述，采用普通双母线供电形式的星载SAR 载荷，每条母线负责一半的载荷供电，在单条母线失效时，系统的可能会导致性能下降，甚至功能丧失。而采用冗余设计的双母线供电拓扑形式，在单条母线失效时，可以启用SAR 配电器内部的合路并网功能，由一条母线运行在最大负荷工作，通过并网供给载荷上所有电源，这样不会由于单一故障导致系统功能失效。针对母线故障和继电器无法闭合两种情况，解决措施及性能分析如下：

3.3.1 母线故障隔离后性能分析

如图2，在正常工作时载荷供电流程为：母线电源1/母线电源2——SAR 配电器A/SAR 配电器B——所有二次电源。如果一条母线故障失效（以母线1 失效为例），则此时的载荷供电流程为：母线电源2——SAR 配电器A/SAR 配电器B——（通过合路开关）——所有二次电源。

由于一条母线功耗平均分配到所有二次电源上，二次电源不受额定功率的限制，一次电源可以提供单条母线工作时的150%功耗。根据式1 对系统灵敏度进行分析，此时与正常工作性能相比下降1.25dB，还可以完成成像功能，只是性能下降，与故障隔离前，性能提升7.75dB。

3.3.2 继电器无法闭合故障隔离后性能分析

如果一个继电器故障失效（以配电器A 继电器失效为例），则此时的载荷供电流程为：母线电源1/母线电源2——SAR 配电器B——阵面B1/B2 区域二次电源，母线电源2——SAR 配电器A——（通过合路开关）——阵面A1/A2 区域二次电源。

此种故障模式，通过配电器的合路开关，可以实现两条母线给全阵面二次电源供电，此时与正常模式的电源分配形式相同，对系统性能无影响。

4 结束语

供配电系统是SAR 载荷设计过程中重要环节，本文介绍了SAR 供配电系统组成和功能，并根据SAR 供配电系统的特点，从减少系统资源、工程实现、拓扑关系设计等方面进行论述，提出了一种双母线、双SAR 配电器的供配电拓扑网络，通过冗余设计实现供配电系统的单一故障隔离，性能下降而功能不受影响，提高可靠性。