王樂樂，劉元默，劉朋雨，孟翔翼

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

電源系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺中非常重要的分系統(tǒng)，為整星全生命周期提供穩(wěn)定、安全的電力供應[1]。但越來越復雜的衛(wèi)星載荷功能需求也給電源分系統(tǒng)的設計帶來了很多挑戰(zhàn)。比如設計中大量分散的信息不斷迭代相互關聯(lián)，貫穿了從衛(wèi)星工程總體對電源的研制需求到電源系統(tǒng)產(chǎn)品在軌運行的全過程。而現(xiàn)有的基于文檔作為載體進行設計信息的傳遞方式存在很大風險，這些設計信息分布在多個文檔中，其完整性和一致性與需求和工程實現(xiàn)之間的相互關系難以評估，存在設計規(guī)范不強、功能分析不到位、系統(tǒng)邏輯關系匹配困難、驗證評估不及時等問題[2]。將系統(tǒng)設計模型化，能夠全面提高衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設計質量，在規(guī)范設計、功能需求分析與驗證中要求更為嚴格，能夠減少設計錯誤，縮短研制周期，也為利益相關各方提供了一個統(tǒng)一的、無二義性的設計信息交流工具。

(1)全面提升電源系統(tǒng)的設計能力

目前大部分電源系統(tǒng)的設計均依賴于文檔運行，這種方法難以開展大量設計信息的跟蹤與變更影響分析，會造成設計效率低下，設計風險增加。而利用MagicDraw 工具對電源系統(tǒng)進行建模，能夠清晰表達整星需求，快速支持設計迭代中系統(tǒng)功能和系統(tǒng)屬性的評估，同時還能強化知識傳遞，提高不同設計師之間的共同效率，全面提升設計能力。

(2)在設計初期確保關鍵技術的準確性和創(chuàng)新點

電源系統(tǒng)設備作為具有高可靠性的設備，其產(chǎn)品設計或設備制造創(chuàng)新難度大，目前主要依賴于設計師的經(jīng)驗，存在經(jīng)驗傳遞缺失、信息交互不全導致的設計問題。同時各類設計信息被分散管理和維護，使得大量衛(wèi)星設計信息、設計經(jīng)驗和設計軟件無法被充分利用。而電源系統(tǒng)顛覆性設計的創(chuàng)新點往往出現(xiàn)在功能分析或需求分析階段，而且這個階段因為未涉及產(chǎn)品制造，所以創(chuàng)新成本低。因此利用建模的方法，加強需求獲取、分析和傳遞模式的研究，探索新的性能特性分析或需求分析模式[3]，有利于整個電源系統(tǒng)及整個型號研制的創(chuàng)新模式發(fā)展，實現(xiàn)降本增效的目的。

(3)形成可追溯、規(guī)范化的系統(tǒng)設計架構

傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)設計信息在傳遞過程中有時會出現(xiàn)信息缺失或誤解，特別是涉及到一些創(chuàng)新性的設計需要我們正確、完善地進行論證，找到設計的重點和要點，有針對性地進行系統(tǒng)架構的設計。除此之外，電源系統(tǒng)的指標要求還需要分解傳遞給更下層級，如單機層級，通過將系統(tǒng)設計過程模型化并且構建模型之間的關系，實現(xiàn)傳遞過程受控和可追溯。通過規(guī)范化的設計信息追蹤和關聯(lián)性分析，完成對電源系統(tǒng)構架和技術狀態(tài)的全面分析和控制。

1 應用現(xiàn)狀

將系統(tǒng)設計模型化是通過模型開展對系統(tǒng)總體需求的分析、系統(tǒng)功能分解及驗證活動，它貫穿了設計研制的全生命周期。在國外，基于模型的系統(tǒng)工程已經(jīng)發(fā)展了幾十年的時間，國外一些大型的國際航天知名企業(yè)和實驗室，已經(jīng)成功地將系統(tǒng)模型化設計應用于實際型號項目中，并取得了很好的成績，其中的典型代表包括NASA、Boeing 公司、Lockheed Martin 公司等[4-5]。除此之外。國外的研究學者還對標準化的系統(tǒng)建模語言進行了深入的研究，通過規(guī)范建模符號和語義，實現(xiàn)對建模工具的支持，用于提高產(chǎn)品質量和溝通效率，實現(xiàn)更多的設計重用[6]。

而在國內，一些大中型企業(yè)也已經(jīng)開始以提升專業(yè)能力為出發(fā)點，從項目任務分析與方案論證、需求分解與追蹤、試驗驗證等典型環(huán)節(jié)開展了基于模型的深入研究與實踐，并取得了一定成果。但是對于衛(wèi)星上的重要分系統(tǒng)，如電源系統(tǒng)等，其建模研究還在探索研究階段，在信息的可追溯性方面依然是傳統(tǒng)的文檔記錄方式，缺乏系統(tǒng)性的追溯。因此需要開展衛(wèi)星電源系統(tǒng)設計模型化的研究。通過整星對電源系統(tǒng)級的任務剖面和功能需求分析，對任務特點進行功能分配，建立模塊邏輯模型，并支持系統(tǒng)能量平衡仿真，全面提升設計能力。

2 功能特性分析

衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設計目的是為衛(wèi)星在軌提供足夠且穩(wěn)定的能源，因此電源系統(tǒng)的功能特性分析實際上就是對其性能在預期場景中的行為分析。按照自上而下的正向設計原則，對電源系統(tǒng)在軌運行的工作內容進行分析研究，把不同軌道階段上整星總體對電能的需求分解給電源系統(tǒng)，建立利益相關方對電能需求與系統(tǒng)功能指標參數(shù)之間的數(shù)字化模型關聯(lián)。

2.1 運行場景分析

電源系統(tǒng)在軌運行期間實現(xiàn)的主要功能就是為整星提供穩(wěn)定且足夠的電能。但是在具體建模過程中，還需要將主要功能的運行場景進行精化，考慮各種不同的預期場景，用來描述在不同環(huán)境和操作模式下的工作情況，如地影期、光照區(qū)等。按照自上而下的設計原則，通過對運行使用場景的描述對電源系統(tǒng)功能特性進行分析，并且關聯(lián)相同工作場景下的其他利益相關方，如其他分系統(tǒng)用電需求、軌道條件、空間環(huán)境等。

電源分系統(tǒng)在軌運行場景描述如下：(1)在不同軌道階段，如陽照區(qū)和地影區(qū)，為整星全生命周期提供穩(wěn)定、安全的電力供應；(2)實施對電能的管理，包括對電能的傳輸、分配、調節(jié)、控制和存儲等。

在對電源系統(tǒng)的功能進行分析時，需要使用用例圖對其工作環(huán)境以及其他相關利益者之間的交互關系(如時序交互順序、約束及內容等)進行分析。用例圖用于捕獲用戶目標的系統(tǒng)功能，實現(xiàn)衛(wèi)星對電能需求的功能描述，還可以作為整星需求表達的重要組織形式，建立完整的功能用例和運行場景，對能源系統(tǒng)的功能特性分析有著非常重要的意義。

通過對電源系統(tǒng)在不同工作環(huán)境和模式下的功能分析，得到以下7 項主要功能：電能的產(chǎn)生、儲存、管理、調節(jié)、分配、傳輸、供電等。圖1 為電源系統(tǒng)的功能需求用例圖。

圖1 電源系統(tǒng)功能需求用例圖

2.2 狀態(tài)分析

衛(wèi)星在軌運行，由于軌道條件、用電需求等利益相關方的變化，會從外部觸發(fā)電源系統(tǒng)工作狀態(tài)發(fā)生變化，通過識別狀態(tài)轉換條件，對電源分系統(tǒng)的功能進行分配。這種從源狀態(tài)到目標狀態(tài)的轉換變化在建模中使用狀態(tài)機圖來進行描述。圖2 為電源系統(tǒng)在軌實現(xiàn)供電功能時的狀態(tài)機圖。在光照區(qū)時，系統(tǒng)通過判斷負載電流與方陣電流之間的關系，來進行供電狀態(tài)的切換。當負載電流小于等于方陣電流時，為太陽電池陣供電狀態(tài)，而當負載電流大于方陣電流時，電源系統(tǒng)切換為太陽電池陣供電狀態(tài)。在陰影區(qū)，則只存在蓄電池供電這一種供電狀態(tài)。電源系統(tǒng)在軌運行期間有不同的工作狀態(tài)運行，從地影期到光照期之間實現(xiàn)轉換，在狀態(tài)轉變的過程中，內部時間增加，模型中隨時間改變的參數(shù)值也隨之發(fā)生變化。

圖2 電源系統(tǒng)在軌實現(xiàn)供電功能時的狀態(tài)機圖

實際上，采用狀態(tài)機圖來描述系統(tǒng)的功能模型，通過運行不同工作狀態(tài)對電源系統(tǒng)功能運轉的預期效果進行驗證是一種非常實際且有效的方法，它能夠確保設計早期發(fā)現(xiàn)問題，減少后期的反復迭代。

2.3 功能分解

針對每一個頂層的系統(tǒng)功能，根據(jù)建模的顆粒度要求，對系統(tǒng)的功能進行分解。在MagicDraw 工具中，將系統(tǒng)功能進行分解一般采用活動圖的形式，分解到哪一層結束，取決于建模目的和模型粒度。當某一層的邏輯結構能夠實現(xiàn)或者承載這個系統(tǒng)功能行為后，就不需要繼續(xù)往下分解了。根據(jù)電源系統(tǒng)功能需求的分析，模型顆粒度為單機層面，即功能分解到能源系統(tǒng)的單機功能技術指標。圖3 為電源系統(tǒng)在軌功能分解活動圖，通過判斷邏輯和約束條件，將電源系統(tǒng)的功能具體分解為蓄電池的充電和放電功能，通過單機來承載系統(tǒng)的供電和電能存儲功能。

圖3 電源系統(tǒng)在軌功能分解活動圖

電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星一個非常重要的分系統(tǒng)，通過對其功能特性的分析能夠解析電源系統(tǒng)在軌的主要工作內容和工作機理，分析結果可以作為系統(tǒng)初步設計方案的一項重要依據(jù)，在開展系統(tǒng)功能分析的同時必須發(fā)掘能夠真實反映整星任務目標的需求，并在詳細定義衛(wèi)星能源系統(tǒng)時主動將其納入分析的過程，這樣能夠幫助設計師做出更加實際的分析和設計決策。

3 邏輯架構建模

電源系統(tǒng)邏輯設計的重點在于將電源系統(tǒng)在軌運行的功能需求落實到實際的內部邏輯架構關系中，設計中的每種運行邏輯都以模型元素或模型元素之間的關系加以捕獲，最后以數(shù)字模型邏輯架構的形式清晰地輸出系統(tǒng)設計結果。邏輯架構設計是針對用例，然后進行增量迭代，將前期完成的黑盒視圖轉化為白盒視圖的過程。

邏輯架構設計的依據(jù)是對系統(tǒng)的功能分析結果，先確定頂層的邏輯模塊，以上層邏輯模塊為輸入，分解出下層邏輯模塊，再以該下層邏輯組件為輸入，層層分解，獲得整個系統(tǒng)的邏輯架構，一般以塊定義圖(block definition diagram，BDD)的形式記錄。而邏輯組件的分解原則為子系統(tǒng)/單機中的元素緊耦合，同時子系統(tǒng)/單機間的元素松耦合，通過良好定義的接口進行交互。隨著功能架構一層一層地展開，需考慮功能架構中的功能節(jié)點由哪個邏輯構件承載。因此，按照電源系統(tǒng)運行場景及功能分析，電源系統(tǒng)架構應為3 個邏輯單機：電能存儲模塊、發(fā)電模塊、功率分配和調節(jié)控制模塊，對應的單機分別為蓄電池包、太陽電池陣和電源調控器，在BDD 圖中將電源系統(tǒng)的功能操作分配給內部單機。系統(tǒng)邏輯架構如圖4 所示。

圖4 電源系統(tǒng)邏輯架構

由于在功能需求分析的基礎上進行邏輯架構建模，設計過程中必須知道電源系統(tǒng)中各邏輯單機之間相互交換的數(shù)據(jù)以及信息流，所以在建模中采用內部接口交互圖能夠清晰地顯示電源系統(tǒng)內部信息以及電源系統(tǒng)作為一個整體與其他外部對象之間的交互關系，這樣有助于進一步分析系統(tǒng)功能。圖5 為電源系統(tǒng)內部信息交換接口關系圖。

圖5 電源系統(tǒng)內部信息交換接口關系圖

基于狀態(tài)的行為能夠很好地反映出系統(tǒng)的行為，以及系統(tǒng)的整個運行過程中所具備的功能，所以通過模型元素的接口交互關系來判斷系統(tǒng)邏輯架構的正確性和準確性是一種非常有效的方法。通過對模型的執(zhí)行能夠清晰地看出系統(tǒng)中能源流和信息流的不同交互狀態(tài)，從而驗證系統(tǒng)的功能邏輯組成。在功能分析的基礎上，有針對性地進行系統(tǒng)架構設計，將電源系統(tǒng)的功能需求分類進行傳遞，通過這些關系實現(xiàn)追蹤性和關聯(lián)性分析，能夠完成對電源系統(tǒng)構架和技術狀態(tài)的全面分析和控制。

4 能量平衡分析

電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星一個重要的組成部分，能否提供足夠的能源滿足衛(wèi)星在軌壽命周期內的正常運行，是衡量整個電源系統(tǒng)設計的重要指標，因此需要對電源系統(tǒng)進行能量平衡狀況的分析評估。能量平衡分析是驗證電源系統(tǒng)功能和邏輯架構設計必不可少的重要手段，其目的是在給定的輸入條件下，結合負載工作模式，以一個軌道周期或幾個軌道周期作為時間單位,用以驗證系統(tǒng)功能和邏輯架構設計的正確性。

當能量平衡分析同時滿足如下兩個條件時，則表明能量平衡，滿足功率裕度要求，具體條件如下：(1)充電時，太陽電池富裕能量PS＞0，PS=PSA-CH－PBAT-CH，其中PSA-CH為太陽電池陣可用于充電的能量，PBAT-CH為蓄電池組充電所需能量；(2)蓄電池組放電深度滿足衛(wèi)星壽命的要求。

能量平衡分析是作為驗證系統(tǒng)設計成果的一種手段被提出的，所有的系統(tǒng)功能特性分析和邏輯架構設計結果都將被帶入到能量平衡分析中進行驗證。如果設計結果不能滿足能量平衡的需求，則需要重新調整設計參數(shù)以滿足平衡要求；如果設計結果能夠滿足能量平衡的要求，則可以通過輸出曲線，關注不同工況不同場景下蓄電池組放電功率和能量隨時間變化的情況，這將有助于能源系統(tǒng)的設計權衡，防止過設計。

以某太陽同步軌道的遙感衛(wèi)星為例，該衛(wèi)星在軌運行軌道周期約為90 min，其中地影區(qū)30 min，某工況下載荷峰值功率為(150±10)W，在地影區(qū)持續(xù)工作時間5～10 min，對該衛(wèi)星電源系統(tǒng)進行功能特性分析和邏輯架構設計，并將結果代入到能量平衡分析中進行驗證分析。不同載荷工作時長下蓄電池放電深度及平衡狀態(tài)如表1 所示，不同載荷工作時長蓄電池放電功率曲線如圖6 所示。

表1 不同載荷工作時長蓄電池放電深度結果及功率裕度

圖6 不同載荷工作時長蓄電池放電功率曲線

從表1 和圖6 中可以看出，蓄電池組放電功率曲線隨著載荷工作時段發(fā)生變化，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤，圖中陰影部分面積是與時間相關的單圈蓄電池放電能量，在同等蓄電池電壓等級下，陰影面積越大，放電深度越大。虛線所圍面積為光照區(qū)可用于充電的能量。當虛線框面積大于陰影部分面積時，則表明太陽電池陣輸出功率富裕，完全能夠補償蓄電池組的充電需求。以最小功率富裕346 W 可充電約60 min 進行計算，可用于充電的能量大于單圈蓄電池的放電能量，說明能量存在富裕；同時計算得到在同樣工況載荷工作10 min的情況下，蓄電池組最大放電深度為14.44%，滿足在軌壽命指標放電深度小于20%的要求，因此設計結果均滿足能量平衡的全部要求，驗證成功。但是如果在軌載荷功耗增加或者工作時間延長，導致蓄電池最大放電深度不滿足小于25%的指標要求，則說明能量不平衡，需要在減小載荷功耗、縮短工作時間以及重新調整蓄電池的容量設計參數(shù)之間做出權衡，直到最終設計結果滿足能量平衡需求。

5 結束語

本文采用模型的方式進行整個能源系統(tǒng)功能特性及邏輯的設計，將會帶來工作模式、設計流程的巨大變化，實現(xiàn)高效的信息表達、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)傳遞，也為電源系統(tǒng)研制流程的上下貫通提供根本的保障，通過建立多級關聯(lián)設計的關系，實現(xiàn)當上游需求發(fā)生變化時，下游設計可以自動更新，將上層功能逐級分解成下級各個層級的功能，其運行邏輯都以模型元素或模型元素之間的關系加以捕獲，層層分解，獲得整個能源系統(tǒng)的邏輯架構。同時能量平衡分析還能夠實現(xiàn)對設計結果的驗證，從而加快設計迭代周期，提高設計效率，避免欠設計或過設計發(fā)生。