一． 引言

航空航天领域以其对航空电子系统可靠性的严格要求而闻名。这通常会导致重用以前部署的系统中的现有设计。这与航天工业迈向高度创新、规模更小、成本更低的任务和雄心勃勃的项目时间表的道路相矛盾。对于这些情景，需要一个设计过程，在不牺牲可靠性的情况下，在质量和预算限制下提供定制的航空电源设备。只有在自动化设计过程中尽可能降低人工干预的情况下，才能实现这一点。然而，并不是所有的航天级产品都可以由自动化来完成，因此建立一个可以并行方式完成此工作的流程是有利的。我们的航天电源控制器设计流程和自动化生产工艺解决了所有这些因素。它支持从电源系统的高层次需求、体系结构定义、电路详细设计、验证和测试以及制造和集成的路径。这种方法遵循基于平台的设计理念，其中设计过程被理解为使用自下而上方法设计的元素从最高级别的需求到最终产品的一系列细化步骤。

二． 当前技术发展水平

现如今，航空电子系统的航空航天应用设计大部分时间是一个劳动密集型的产业。这是由于大量的文档，以及大量不同的工程工具的使用，这些工具并不是直接相互关联的。在航天器电源系统中，其设计从系统工程团队提供的一组要求开始。初步的体系结构通常在很大程度上依赖于先前设计的单元的重用。如果现有设计不能满足要求，则应该对以前的版本进行一次更改。有一个强烈的重点是保持设计尽可能接近以前飞行的解决方案，以确保新装置最有可能通过相似的方式与旧装置一样可靠。这在航天工业中被称为“遗产”，通常对决定使用哪个组件有很大影响，而这在很大程度上减缓了创新。如果采用创新和新的设计，则需要进行资格认证评估，这既费钱还耗时。此外，只有在项目后期才能在系统研究中包含有关单个航空电子产品的详细信息，前提是这些产品是并行开发的。如果多个产品都是这样，那么系统设计就不可能是最佳的，并且会出现后期更改的风险，并且会对成本和进度产生很大的影响。我们希望通过重新定义遗产在设计阶段的处理方式来解决传统设计过程中的这些缺点。设计自动化技术和集成设计工具的引入，为从一开始就具有高度成熟度的可靠、快速的电源控制器设计提供了潜力。在接下来的章节中，我们将介绍我们的协作设计自动化工具包，它在航天电源控制器设计中的作用，以及它如何支持不同工程学科之间的协作。

三． 未来的设计前景

航天电源控制单机结构的设计一直以来都是航天器供电系统中必不可少的一环，目前世界范围内航天工业对于控制单机结构设计的技术有三种不同的发展流派。

(1)D7S拓扑结构，也被称为顺延点火启动器（the delayed ignition starter），它的控制逻辑是优先将电力供给正在工作的蓄电池阵列，使整个航天器的电力储备始终处于富余状态，其设计初衷便是为了优先确保航天器上的电力供应，因此也是一个较为保守的方案。

(2)TVSP拓扑结构，也叫反接并联实时调节装置（the reverse parallel real-time regulating device），它弥补了D7S结构中点火启动器带来的电力功率调节不够精细和体积过大的不足，其采用蓄电池阵列的过载特性为蓄电池充电，减少了航天器电源系统的净重和体积，并且能够模块化生产，但缺点在于安全性没有D7S结构高。

(3)MPPT拓扑结构，也被称作极限功率追踪器（the limit power pointtracking），通过计算机技术实时调整航天电源的工作时间，让电源保持在最优化功率线上下工作，使电源系统在相同能量密度下，输出更多的能量的同时节省电力。

D7S功率调节结构部件的设计思路源于欧空局2013年“探路者”计划内部会议上由威廉和韦伯共同提出的设计方案，在此之后欧空局将这个设计作为其地球同步通讯卫星上电源控制部件的标准结构，国外使用这一电源控制设计的最具代表的产品是ETCA最新的Spacebus3000和Spacebus4000系列商用卫星。2017年，针对全调节母线在地球同步轨道和太阳同步轨道卫星使用的特点，欧空局电源系统实验室在全球首次研制出了TVSP功率调节系统，主要代表产品是阿斯特里姆公司的Eurostar3000平台所采用的电源控制器PSR50V和“阿尔法”平台所采用的电源控制器PSR100V。

D7S架构中采用各自独立的蓄电池充、放电调节，导致功率密度提升困难、成本较高且系统结构相对复杂。相比之下，阿斯特里姆公司所研究的Diversion架构在某种程度上克服了上述缺点。Diversion架构为改进的TVSP架构，在其架构中省去了BCR模块，从而实现了功率密度的提高。“阿尔法”平台所采用的电源控制器PSR100V中均采用了Diversion架构，其功率范围是14-20 kW，其峰值功率可达到26kW。

截止目前，国内外的航天电源控制单机系统的主流是直连传输为蓄电池阵列供电的方式，TVSP和MPPT结构应用不多，仅有法国的LASDNAT-3、LASDNAT-6和TAPGH等少量卫星或深空探测器有过应用，可以预见这两种结构会在未来迎来大规模应用。随着离子推进技术的发展，MPPT技术以其能量密度高、节能效果好的长处将在航天领域大放异彩。欧空局在2019年7月公布了采用离子推进系统的“贝皮科隆博”金星探索计划，该计划中的金星探测器采取了极限功率跟踪技术（即MPPT结构）来控制探测器的电源系统。利用D7S点火器和MPPT结构保证探测器的电池阵列控制在最优功率线上工作，然后用电压逆变器获得200V母线，其拓扑结构被称为顺序开关串流最优功率稳定调节器 (the sequential switching stream optimal power stability regulator)。

四． 总结

在这项工作中，我们介绍了基于网络的设计工具，用于航天电源控制器的部分自动化设计，这是航天电源控制单机的未来设计的趋势。我们演示了不同的工程角色如何与应用程序交互，以及如何促进设计阶段的高效协作。该应用程序及其背后的PCDU发展逻辑仍在开发中，但初步证据表明，将其应用于我们的小型卫星项目可以节省大量资源。通过减少不同工程角色的重复工作，并尝试融入已建立的工作模式，我们确保了工具的高接受度。

参考文献：

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