卫星配电系统的量化评价方法

周耀华 张新星 鲍恩竹 梁翠娜

摘要：卫星配电系统是整星的重要组成部分，配电系统的质量在整星质量中占比也较高。对于中小型卫星，其轻量化实现的评价对于指导配电方案选择、实现卫星的轻量化设计具有重要的意义。提出的卫星配电系统的轻量化评价模型选择相对全面的关键特征参量，采用层次分析法的分层结构体系，能够很好地反映配电系统的轻量化设计状况，具有良好的工程应用价值。结合卫星实例分析验证了该评价模型的可行性和有效性，能够为卫星配电系统的轻量化方案评价提供参考。

关键词：卫星；配电；层次分析；评价

中图分类号：V423.4文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）14-54-4

0引言

复杂系统具有多目标、多关联等特点，进行方案的量化评价是一个复杂而又困难的问题，仅靠定性评价的方法已远不能满足要求。文献[1]归纳了各种评价法在工程领域中的应用情况，其中，层次分析法是进行定性、定量因素相结合的复杂的多准则、多目标系统评价的一种较为实用的方法。文献[2]将层次分析法应用于卫星效能评估，建立卫星效能评估的指标体系，解决了系统中非线性、高耦合的难题。文献[3]将层次分析法应用于卫星平台结构方案评价，实现了平台结构方案的量化优选。

配电系统作为卫星的重要组成部分，包括配电器（或模块）与电缆网，实现电源输出的电力分配、各用电设备的供电和信号的传输[4]，是一个复杂的工程系统。配电系统的方案与质量密切相关，在方案设计阶段，能否对这些配电系统方案的轻量化实现做出客观评价将对整星方案设计的优劣产生重要影响，因此配电系统方案评价工作十分重要。但目前关于配电系统评价的研究较少，文献[5]通过对国内外卫星配电体制方案的调研，采用对比法比较不同整星负载功率下配电系统方案，定性地分析了各方案的优缺点。

本文在研究层次分析法理论的基础上将该理论应用于卫星配电系统方案评价，以某型号配电系统方案为例对其方案的轻量化实现进行了综合评价，得到了影响配电系统轻量化各因素的权重分布情况，选出轻量化实现较佳的配电方案。

1层次分析法

层次分析法是美国运筹学家Saaty教授[6]提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。把复杂的问题分解为各个组成因素，将这些因素按隶属关系分为若干层次，通过两两比较的方式对各层次、各要素的相对重要性给出定量指标，然后利用数学方法综合专家意见给出各层次、各要素的相对重要性权值，作为综合分析的基础[7]，是进行定性、定量因素相结合的复杂的多准则、多目标系统决策评价的一种较为实用的方法。

应用层次分析法主要有以下步骤：①建立层次结构模型；②根据模型构造判断矩阵，对各层次的评价指标进行权重分配；③进行层次单排序和一致性检验，确定各因素相对评价指标的评价值；④层次总排序及其一致性检验，形成相对于总目标的指标权重分配及方案的综合评价与排序。

2配电系统方案

配电系统与卫星总体构型、布局等总体设计密切相关。为实现就近供电，减小线路损耗和电磁干扰，配电分为集中配电、分级配电或者二者相结合的配电体制[8]，通常根据卫星的功率需求、构型、布局及总装设计等选择不同的配电体制。虽然整星功率和质量目前没有严格的对应关系，但一般情况下功率大、质量也大。在整星功率一定的情况下，不同的卫星构型、布局及总装设计等对配电器（或模块）和电缆网的轻量化实现影响不同。如不同的卫星构型，配电器（或模块）设置、电缆长度、舱段之间电缆转接、电缆固定等实现的质量不同，实现的配电系统的质量不同。

以卫星设计为例，起飞质量1 000 kg左右，整星构型设计采取分舱式或一体化2种方案，卫星构型如图1所示。卫星纵向最大尺寸2 400 cm，功率需求不低于6 000 W，载荷需求不低于400 kg，按照经验设计数据统计，配电系统设计不低于 100 kg。为实现整星的任务配置需要，配电系统的轻量化实现尤为重要。

在满足整星用电需求的情况下，结合电子技术的发展，供配电分系统针对2种构型提出了集中式配电、分级式配电和混合式配电3种方案，配电方案如图2所示。

在集中式配电中，电源控制及分配器完成一次母线的调节，直接向星上所有平台舱和载荷舱设备提供一次母线供电。在分级式配电方案中，电源控制器完成一次母线的调节，配电功能通过平台舱和载荷舱的综合电子设备综合业务单元（配电模块集成在综合业务单元中）进行配置，然后通过综合业务单元向平台舱和载荷舱设备提供一次母线供电。在混合式配电方案中，电源控制及分配器完成一次母线的调节，直接向平台舱上设备提供一次母线供电，载荷舱设备通过综合电子设备综合业务单元进行配置，实现一次母线供电。

从配电系统轻量化实现的角度定性分析可知：

①集中式配电的配电设备少，在分舱式卫星构型下，跨舱转接电缆、支架多；在一体化卫星构型中，没有跨舱转接电缆，可以实现从电源控制及分配器直接到用电设备。在该方案中，电缆从配電设备直接到用电设备，电源控制及分配器端电缆高度集中。

②分级式配电的配电设备多，在分舱式卫星构型下，电缆的跨舱转接只有从电源控制器到综合业务单元的电缆转接，比集中式配电使用的转接少；在一体化卫星构型下，没有跨舱转接电缆，可以实现从电源控制及分配器到综合业务单元，然后再到用电设备。在该方案中，通过综合业务单元的配置减轻电源控制器端的电缆压力，但增加了配电设备，且配电设备端电缆集中。

③混合式配电中，通过减少综合业务单元中配电模块的配电通路，实现小型化，能进一步缓解综合业务单元端的电缆压力，但设备最多；在分舱式卫星构型下，电缆的跨舱转接只有从电源控制器到综合业务单元的电缆转接，与分级式配电相当，但减少了配电设备；在一体化卫星构型下，没有跨舱转接电缆，且缓解了分级式配电中配电设备端的电缆集中情况，但增加了电缆到配电设备的转接。

在整星总的用电需求下，3种方案需要的配电模块的数量是一致的，综合业务单元设备的多少仅表明配电模块集成的程度不同。在此情况下，虽然综合业务单元设备的多少影响配电系统的质量，但主要的影响是对设备数量引起的电缆长度以及电缆到设备的转接数量变化。因此，配电系统的质量由电缆长度、配电设备以及电缆到设备的转接、固定支架等的质量决定，但在整星方案设计阶段，难以通过上述因素的定量计算评估3种配电方案轻量化设计的优劣。

3轻量化配电系统方案评价

3.1轻量化配电系统指标

为了使方案选择的可比较性保持一致，主要从走向和组成2个指标进行轻量化配电方案的筛选。走向是从整星设备布局和电缆网走向的角度出发，通过卫星构型、布局、优化电缆走向、缩短电缆长度，实现配电轻量化，由电缆网的导线、接插件、固定支架及扎带4个方面组成。在走向优化的前提下，导线的质量通过电缆长度体现，通过优化接插件、固定支架及扎带的使用数量实现配电的轻量化，其中接插件的类型与数量与综合业务单元的数量、整星舱段（在分舱的情况下，电缆需要转接，增加接插件）有关，固定支架及扎带的使用数量与电缆长度有关。综合业务单元设置的数量多，电缆至设备端的接插件数量增加，但电缆长度减少，固定支架及扎带的使用数量减少。

在上述决定电缆网质量的指标中，不仅它们的量纲不同，彼此之間也存在耦合，在进行性能指标综合时难以直接对比。因此需要对评价指标采用统一的度量方式。

3.2层次分析法分析过程

（1）建立轻量化配电系统方案的层次结构模型

对于整星轻量化配电的指标评估体系，分析影响整星配电系统质量的环节及因素，建立层次结构模型，整星轻量化配电层次结构如图3所示。最上层整星轻量化配电是系统目标层，最下层为方案层，中间为准则层。卫星构型（舱段数量影响电缆的转接）、设备布局、综合业务单元数量、电缆走向、导线、接插件类型和接插件数量等诸多要素状况直接对系统轻量化配电能效有较大影响，将其作为准则层。

（2）构造判断矩阵

对准则层影响配电质量因素的影响程度进行两两比较，构造正互反矩阵，影响程度采用Saaty等人提出的1～9数字标度法，代表因素相比于因素对轻量化配电影响程度。

（4）层次总排序及其一致性检验

按照步骤可完成各因素对整星轻量化配电的权重系数分析，结合3种配电方案，将各因素与对应的权重系数进行加权，得到轻量化配电方案的量化分析结果。

分析结果表明，对轻量化配电影响较大的因素为卫星构型、设备布局、电缆走向、导线以及综合业务单元数量，接插件类型、数量、固定支架和尼龙扎带等也影响整星配电质量，但不是主要因素。

在分舱式卫星构型下，混合式配电在设备布局、电缆走向、综合业务单元数量等方面更有优势；在一体化卫星构型下，分级式配电在设备布局、电缆走向和综合业务单元数量等方面更有优势。

4结束语

在层次分析法研究的基础上，以卫星方案阶段配电系统方案为例建立了轻量化实现的评价模型，通过构造判断矩阵、判断矩阵的一致性检验、层次总排序及一致性检验等步骤在卫星方案设计阶段需要根据任务要求、技术先进性、经济可行性等多要素开展卫星总体方案、各分系统方案的多方案比较。将层次分析法应用于卫星配电系统轻量化实现方案的优选，为卫星总体方案及其他分系统系统多方案比较提供了参考。

参考文献

[1]刘占伟，邓四二，滕弘飞.复杂工程系统设计方案评价方法综述[J].系统工程与电子技术，2003（12）：1488-1491.

[2]项磊，杨新，张扬，等.基于层次分析法与模糊理论的卫星效能评估[J].计算机仿真，2013，30（2）：55-61.

[3]赵冲，郭宏伟，邓宗全，等.变构型桁架式卫星平台结构设计与性能评价[J].哈尔滨工业大学学报，2018，50（1）：11-17.

[4]马世俊.卫星电源技术[M].北京：中国宇航出版社，2005.

[5]刘奕宏，张明，鲍恩竹.综合电子体系下的航天器配电体制研究[C]//中国电工技术学会电力电子学会第十四届学术年会论文集.福州：中国电工技术学会电力电子学会，2015：174-179.

[6] SAATY T L.The Analytic Hierarchy Process[M].New York： McGraw-Hill Company，1980.

[7]许树柏.层次分析法原理[M].天津：天津大学出版社，1988.

[8]陈琦等.航天器电源技术[M].北京：人民邮电出版社，2018.