一种小型SAR卫星电源系统设计

雷英俊 马亮 李海津

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

合成孔径雷达(SAR)成像卫星可以提供全天时、全天候环境下的高空间分辨率全球观测能力，1978年，全球第一颗 SAR卫星——美国的海洋卫星(SEASAT)发射升空，为空间微波遥感掀开了崭新的一页。随着加拿大雷达卫星-1(Radarsat-1)等商用卫星的成功，对SAR图像的需求越来越旺盛，SAR卫星的发展突飞猛进。随着星载SAR技术的发展，分辨率等指标逐渐提高，系统功能逐渐增强，但卫星质量也在增加，其研制和发射成本也随之增加。在低成本、高效费比要求和星载SAR载荷技术跨越式发展的双重推动下，轻小型星载SAR将迎来加速发展的阶段[1]。通常将质量在100 kg～500 kg的卫星称为小卫星，与大卫星相比，小卫星具有快速反应能力强、研制周期短、投资风险小等优点。从已有的小卫星SAR所发挥作用来看，效费比明显提高，研制费用大幅降低，在军事和经济上的应用越来越重要[2]。

已发射的小型SAR卫星主要包括以色列技术合成孔径雷达(TecSAR)，卫星SAR天线采用抛物面天线，相对降低了对整器功率的需求，TecSAR系统功率为1.6 kW[3]。相对于反射面，SAR天线采用有源相控阵体制，波束控制更加灵活，能够实现多种工作模式，但相控阵SAR天线质量大、功耗大，对小型SAR卫星的设计提出了更高的挑战，要求电源系统质量更轻，提供更大的峰值功率。英国萨瑞卫星技术公司(STLL)研制的新型低成本合成孔径雷达卫星系统(NovaSAR)是典型的轻小型SAR系统，系统功耗上升到2.2 kW。国内大型SAR卫星电源系统的研究工作发展迅速，已成功发射包括高分三号在内的多颗大型SAR卫星[4]，但国内对小型SAR卫星电源系统的研究还处于起步阶段。

本文提出一种适合小型SAR卫星的电源系统设计方案。小型SAR卫星电源系统采用复合母线体制，在低压不调节母线基础上生成一条全调节母线和一条高压不调节母线，利用全调节母线为平台负载设备供电，满足平台负载的高稳定供电需求，利用高压不调节母线为SAR载荷供电，满足SAR载荷大功率脉冲供电需求。电源系统为平台、SAR载荷分别配置能量型锂离子蓄电池组和功率型锂离子蓄电池组，有效保证卫星负载的不同用电需求。

1 小型SAR卫星电源系统设计

1.1 SAR载荷用电需求特点

通过小型SAR卫星任务的分析，小型SAR卫星对电源系统的用电需求特点如下。

1)SAR载荷与平台所需功率差异悬殊，SAR载荷峰值功率大

受制于体积和质量，小型SAR卫星平台长期功耗一般不大于300 W，但SAR载荷峰值功率高达5 kW，其载荷与平台功率相差十分悬殊，电源系统须统筹考虑平台设备供电需求与载荷设备供电需求。载荷与平台所需功率差异悬殊，这与大型SAR卫星类似，但是在绝对功率等级上有所减小。

2)SAR载荷短时工作

与通信卫星和导航卫星不同，SAR卫星要求电源系统能够适应其频繁的大功率加减载需求，具体而言，电源系统首先要满足卫星平台设备的供电需求，为平台设备提供高品质的供电母线；其次要求电源系统输出阻抗极低，具备瞬时大功率输出能力以快速响应载荷需求，并在加减载过程中保持电源系统的稳定工作，可靠地提供短期载荷峰值功率与平台负载长期功率的供给。以地中海盆地观测星座(Cosmo-Skymed)为例[5]，扫描模式每次最大持续时间为10 min，不同于大型SAR卫星，小型SAR卫星多是以星座组网模式运行，单次任务工作时间不长，一般不超过1 min。

1.2 设计约束

小型SAR卫星电源系统主要设计约束如下。

1)质量约束苛刻

大型SAR卫星电源系统质量都比较大，例如Cosmo-Skymed卫星电源系统质量为320 kg，我国高分三号卫星电源系统质量为365 kg。小型SAR卫星受质量约束，尤其是对于采用相控阵体制的小型SAR卫星，电源系统质量要求更加苛刻，对于1颗整星质量为300 kg的小型SAR卫星，电源系统质量要求不超过30 kg。

2)低成本

受成本限制，因此要求小型SAR卫星电源系统产品成本尽可能低，尽可能采用商用成熟化产品。

1.3 小型SAR卫星电源系统设计

为同时兼顾平台负载和SAR载荷用电需求，小型SAR卫星电源分系统主要指标及要求见表1，拓扑结构如图1所示。

图1 电源系统结构图Fig.1 Electrical power supply system block diagram

此小型SAR卫星电源系统拓扑有以下优点：

(1)采用复合母线体制，电源控制器对太阳电池阵和平台蓄电池组进行功率调节，输出一条全调节母线和一条高压不调节母线，高压不调节母线与载荷蓄电池组直接连接。

(2)SAR载荷使用高压不调节母线，高压不调节母线具有极低的输出阻抗[6]，最大限度地满足了SAR载荷短期峰值负载和脉冲负载的供电需要，非常适合SAR卫星电源的使用要求，载荷充电器使用隔离拓扑，降低了SAR载荷母线噪声对平台设备的影响。

(3)平台采用全调节母线，平台设备多为稳定的负载，需要高品质的母线以实现高效率和精确的卫星控制，若平台设备直接使用不调节母线，不调节母线电压变化范围较大，对输入电压要求较高的用电设备需经过二次变换，增加了电源变换的复杂性。

(4)平台和载荷独立配置蓄电组，平台蓄电池组采用能量型锂离子蓄电池单体，满足平台设备的长期供电能量需求，载荷蓄电池组采用功率型锂离子蓄电池单体，满足SAR载荷的短时大功率脉冲供电需求，可以分别对平台和载荷锂离子蓄电池进行优化设计。

(5)对太阳电池阵调节采用MPPT方式，充分利用太阳电池阵输出功率[7]，可减小太阳电阵的面积和质量，降低研制成本。蓄电池充电时间更短，可有效响应突发的任务规划，降低电源系统对任务规划的约束。

1.4 蓄电组设计

平台和载荷蓄电池组外形如图2和图3所示，平台蓄电池组和载荷蓄电池组结构采用套筒式结构，这种结构设计在满足抗力学和热传导的同时，减小了结构件的质量。为满足低成本要求，平台锂离子蓄电池组采用高比能量型18650单体，每个单体2.8 Ah，采用6并7串设计，初期容量不低于16.5 Ah，蓄电池组比能量160 Wh/kg。

图2 平台锂离子蓄电池组外形图Fig.2 Energy-type lithium-ion batteries block diagram

图3 载荷锂离子蓄电池组外形图Fig.3 Power-type lithium-ion batteries block diagram

载荷锂离子蓄电池组采用超高功率型单体，采用20串设计，最大放电倍率20 C，初期容量不低于5.5 Ah。在地面进行载荷蓄电池组20 C放电时的温升试验，经测试，载荷蓄电池以20 C放电30 s时温升不超过4 ℃。单体间连接铜排温升最高不超过3.5 ℃，可见载荷蓄电池组在工作中温升很低。因此在保证电池工作的环境温度的前提下，电池组不会对周边设备产生严重影响，也无需对载荷蓄电池组采取特殊的散热措施。

由于卫星在轨寿命为5年，且为太阳同步轨道，平台蓄电池放电次数不超过10 000次，平台蓄电池单体采用具有很高技术成熟度的18650单体，平台蓄电池放电深度不超过50%。载荷蓄电池在轨放电次数不超过5000次，放电深度不超过30%。在综合考虑技术成熟度和成本的情况下，平台和载荷蓄电池采用均衡管理器，均不采用旁路开关(Bypass)。

2 仿真分析

对小型SAR卫星电源系统进行仿真分析。对寿命末期整星功率平衡情况进行仿真分析，系统设置仿真主要参数如下：①230 W长期平台负载；②全调节母线输出电压30 V；③5000 W不调节母线短时负载，单次工作60 s；④单圈最长地影时间22 min；⑤蓄电池单体平均电压达到4.10 V时控制恒压充电；⑥太阳电池阵寿命末期直射情况下输出功率495 W，在轨期间太阳电池阵入射角最大为30°；⑦平台蓄电池组15 Ah，载荷蓄电池组5 Ah；⑧载荷线路损耗5%；全调节母线变换模块效率92%。

经仿真计算，在单圈最长阴影条件下，平台蓄电池最低放电电压为25.8 V，平台蓄电池最大放电深度为22.1%，满足平台蓄电池组放电深度不大于50%的要求。载荷蓄电池最低放电电压为69.8 V，载荷蓄电池最大放电深度为24.2%，满足载荷蓄电池组放电深度不大于30%的要求，仿真结果表明，电源系统设计满足要求。

3 结束语

本文针对小型SAR卫星用电需求和设计约束，提出了一种复合母线体制电源系统设计，在低压不调节母线基础上生成一条全调节母线和一条高压不调节母线，采用平台、载荷分别配置能量型、功率型锂离子蓄电池组的蓄电池方案，经过仿真分析，设计满足指标要求，有效地解决了小型SAR卫星载荷与平台所需功率差异悬殊、SAR载荷峰值功率大的难题，本设计可以为我国后续小型SAR卫星的电源系统设计提供参考。