国外SAR卫星电源系统分析与启示

张晓峰 张文佳 郭伟峰 林文立 刘治钢

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

国外SAR卫星电源系统分析与启示

张晓峰 张文佳 郭伟峰 林文立 刘治钢

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

介绍了国外合成孔径雷达（SAR）卫星电源系统的特点，从SAR卫星成像模式多、峰值功率大、较大的载荷平台功率比以及脉冲功率工作等方面分析了其对电源系统设计的需求；介绍了欧洲和加拿大研制的Cosmo-Skymed卫星、TerraSAR-X卫星、Radarsat-2卫星、Sentinel-1卫星、Earth CARE卫星等的电源系统设计概况，对其电源系统拓扑、母线体制、太阳电池阵功率调节方式、锂离子蓄电池组配置等技术方案的特点进行了归纳总结，在此基础上提出了我国SAR卫星电源系统技术发展的建议。

SAR卫星；电源系统；设计方案

1 引言

合成孔径雷达（SAR）成像卫星可以提供全天时和全天候环境下的高空间分辨率全球观测能力，其具有成像模式多、峰值功率大以及脉冲工作等特点，对卫星电源系统的设计提出了新的需求和挑战。

国内大功率SAR卫星电源系统的研究工作起步较晚，以欧洲和美国为代表的国外航天机构在大功率SAR卫星电源系统研制方面有许多成功的经验。本文就SAR成像卫星对电源系统的需求特点进行详细的分析，对欧洲研制并成功在轨运行的具有代表性的几颗SAR卫星的电源系统设计方案进行介绍与分析，以借鉴其成功设计经验，结合我国的SAR卫星电源设计现状，提出我国后续SAR卫星电源系统技术发展的建议。

2 国外SAR卫星电源系统设计分析

2.1 地中海盆地观测小卫星星座电源系统设计

地中海盆地观测小卫星星座（Cosmo-Skymed）包括4颗低轨卫星，每颗卫星搭载一套X频段合成孔径雷达。Cosmo-Skymed系统由意大利航天局主导，意大利航天局与意大利国防部共同出资研制［1］。

Cosmo-Skymed卫星载荷功率远大于平台功率，卫星成像任务要求电源具备高峰值功率，且载荷均为短时工作，整星功率需求如下：

（1）聚束模式：约19 k W，最长10 s；

（2）条带模式：约11 k W，最长10 min；

（3）卫星平台功率不大于1 k W。

寿命末期（EOL）任务成像能力要求见表1。

表1 寿命末期成像能力需求Table 1 Imaging capability requirements at EOL

Cosmo-Skymed电源系统基于不调节系统，提供23～37.8 V范围内蓄电池组电压作为母线电压。其原理见图1。设计方案主要特点有［1-2］：

（1）Cosmo-Skymed配置两个太阳翼，每翼由4块太阳电池板组成，每块太阳电池板包括4个分阵，其中2个分阵为7个支路并联，2个分阵为6个支路并联，每个支路为24个电池单体串联组成，太阳电池阵最终设计功率为寿命初期大于4500 W，寿命末期大于3800 W。

（2）太阳电池阵使用太阳电池阵驱动机构完成对日定向。

（3）锂离子蓄电池组额定容量336 Ah，9串224并的配置，包括2016个单体，由8个模块组成，每个模块由Sony US18650HC单体串并联网络组成，地影期放电深度为21.5%，光照期放电深度为13.4%，在寿命末期最长地影、最大载荷工作条件下放电深度为35%，最大充电电流为60 A，蓄电池放电电压最小值为26 V（寿命末期最大倍率放电），放电电压平均值为35 V，在轨充电电压最大设置值为37.8 V，蓄电池组在轨放电峰值电流可达775 A。

（4）电源控制器（Power Conditioning Unit，PCU）配置了10个直流-直流变换器（DC/DC）单元完成太阳电池阵的功率调节，使用最大功率点跟踪（MPPT）调节技术，寿命末期输出功率3510 W（母线电压28 V），PCU控制蓄电池组的充电，为整星加热器提供能源，并且驱动卫星火工装置。

（5）蓄电池电流感应器（Current Unit Sensor，CUS）测量蓄电池组充放电电流，确定蓄电池组充电阶段并为PCU提供蓄电池电流控制环的反馈信号。

（6）保护与配电单元（Power Protection&Distribution Unit，PPDU）为平台设备和SAR载荷电子设备提供受保护的配电线路，平台配电路数67（最大容量80路），载荷配电路数80，使用保险丝完成线路保护，线路之间相互冗余。

图1 Cosmo-Skymed电源系统结构图Eig.1 Cosmo-Skymed electrical power supply system block diagram

（7）SAR天线电源（SAR Antenna Power Supply，SAPS）由80个升压变换器组成，提供SAR天线所需的能源，另外，为了抑制天线脉冲负载产生的传导纹波，保证母线品质，SAPS包括了必需的差模和共模滤波器。

（8）电源系统质量：320 kg。

值得注意的是，Cosmo-Skymed卫星使用的是基于商用小容量Sony US18650 HC单体串-并联结构蓄电池组，截至2013年，已经有超过100个航天器采用了这种小单体锂离子电池组［3-4］。Cosmo-Skymed卫星锂离子蓄电池组外形见图2。其主要特点有：

（1）免维护，无需复杂的锂离子电池均衡管理、旁路故障隔离管理以及耗费较多遥测资源的单体状态监测。

（2）易于模块化，且任何单体失效不易影响周围单元，可靠性高（Cosmo-Skymed卫星蓄电池组可靠性0.999 5）。

（3）基于商用单体，研制周期短，成本低廉。

（4）内阻非常低，适合瞬时大功率负载使用。

蓄电池在轨放电特性见图3和图4。

图2 Cosmo-Skymed锂离子蓄电池组示意图Eig.2 Lithiumion battery for Cosmo-Skymed

图3 聚束模式下电池组放电电流和电压Eig.3 Battery discharge current and voltage during a spot product

图4 条带模式下蓄电池组放电电流与电压Eig.4 Battery discharge current and voltage during a strip product

2.2 陆地雷达-X频段卫星电源系统设计

陆地雷达-X频段卫星（TerraSAR-X）是一颗用于科学研究和商业运行的高分辨率SAR卫星，由德国教育科技部、德国航天局及阿斯特里姆（Astrium）公司合作研制［5］。

TerraSAR-X卫星载荷设置了多种成像模式，功率需求较大，短时峰值功率需求为5000 W；卫星平台功率需求在1000 W左右。

电源系统采用不调节母线体制，原理见图5，设计方案主要特点有：

（1）电源系统采用不调节功率母线，电压范围35～50 V，峰值输出功率5000 W；不调节母线通过6路大功率固态限流开关（Latching Current Limiter，LCL）配电通路为SAR载荷供电，每路具备1200 W的配电能力，其中2路LCL为热备份；此外不调节母线还为64路加热器负载供电。

（2）太阳电池阵使用最大功率跟踪（MPPT）调节方式，额定功率1800 W；包括6个MPPT模块，每个额定功率450 W，其中2个热备份；MPPT模块输入电压范围：55～110 V，输出电压范围35～51 V。

（3）为平台设备配置了全调节功率母线，母线电压28 V，输出功率1500 W；由4个降压DC/DC变换器对35～51 V的不调节母线进行电压控制，输出28 V稳定电压，每个DC/DC变换器额定功率500 W，其中1个DC/DC变换器热备份，并通过48路LCL配电通路为平台设备供电。

（4）锂离子蓄电池组为108 Ah，12串72并。

（5）系统配置6路大功率LCL支路；48路小功率LCL支路；4路火工品控制输出；2×2二次电源模块。

图5 TerraSAR-X卫星供配电原理框图Eig.5 TerraSAR-X electrical power supply system block diagram

2.3 “哨兵”系列卫星电源系统设计

“哨兵”（Sentine-l）系列卫星是欧洲哥白尼计划空间部分的重要组成部分，Sentinel-1卫星是全天时、全天候雷达成像卫星，用于陆地和海洋观测，首颗Sentinel-1A卫星已于2014年4月3日发射。

Sentinel-1A卫星为C频段SAR对地观测卫星，运行在太阳同步轨道上，轨道周期99 min，重复周期12 d，设计寿命7.25 a。卫星采用意大利泰雷兹-阿莱尼亚空间公司的“意大利多用途可重构卫星平台”（PRIMA），姿控系统采用三轴稳定方式，定轨采用GPS，定轨精度每轴10 m。

Sentinel-1A卫星设置了多种成像模式，工作时间分别为10 min、20 min不等，载荷峰值功率需求为6000 W；卫星平台功率需求为1000 W左右。

Sentinel-1A卫星电源系统采用不调节母线体制，原理见图6，设计方案主要特点有［6］：

（1）电源系统采用不调节母线体制，不调节母线电压变化范围49～65 V。

（2）太阳电池阵使用MPPT功率调节方式，最大限度地利用太阳电池阵输出能量，MPPT功率调节器输出与蓄电池组直接相连，形成不调节母线输出。

（3）系统平台设备使用28 V全调节调节母线，由DC/DC变换器从不调节母线降压变换后输出。

（4）电源分系统采用2个太阳电池翼，每个太阳电池翼由5块太阳电池板组成，寿命末期平均功率为4.8 k W，采用三结砷化镓电池。锂离子电池使用ABSL公司的小容量Sony US18650 HC商用单体通过串-并联结构组合，额定容量为324 Ah。

（5）系统不调节母线配置了62路LCL保护配电线路，54路热控供电与调节配电线路。

（6）系统全调节母线配置了32路LCL保护配电线路。

（7）系统使用1553B总线实现与星务计算机的通信。

图6 Sentinel-1A卫星电源系统结构框图Eig.6 Sentinel-1A electrical power supply system block diagram

2.4 地球云、气溶胶与辐射探测者卫星电源系统设计

地球云、气溶胶与辐射探测者（EarthCARE）卫星为欧洲-日本合作项目，卫星配置有大气激光雷达、地球云雷达以及多光谱相机等，用于探测地球云、气溶胶与辐射间的相互作用关系以及其对地球气候的影响，是一颗运行在400 km高的极轨道地球观测卫星。

EarthCARE卫星载荷峰值功率需求3000 W左右，工作时间接近50 min，其中大气激光雷达的脉冲重复频率（PRE）为51 Hz，占空比约为80%；卫星平台功率需求为1500 W左右。

EarthCARE卫星电源系统采用不调节母线体制，设计方案主要特点有［7］：

（1）卫星电源系统使用28 V不调节母线，母线电压在25～34 V之间，极端情况下不低于20 V。

（2）太阳电池阵使用最大功率跟踪调节技术，最大限度利用太阳电池阵能量，配置了5个MPPT模块，向母线的输出能力为4500 W。

（3）卫星使用单侧太阳翼结构，共5块太阳电池板，安装在+Y侧，有效面积21.5 m2，太阳电池阵使用三结砷化镓电池，通过SADA实现对日定向。

（4）锂离子电池使用ABSL公司的小容量Sony US18650HC商用单体通过串-并联结构组合，容量为324 Ah，蓄电池组为3个8串72并模块，电压范围20～33.6 V，质量96 kg，比能量97.5 Wh/kg。

（5）配置了80路LCL保护的配电线路，144路加热器配电线路与32路火工品配电线路，容量在1～60 A。

（6）对平台必需的电子设备配置了6路可折返限流配电线路。

（7）使用1553总线实现与星务计算的通信。

2.5 雷达卫星-2电源系统设计

雷达卫星-2（Radarsat-2）是一颗搭载C频段传感器的高分辨率商用雷达卫星，运行于太阳同步轨道，轨道周期100 min，寿命7.25 a，由加拿大航天局与MDA公司合作，于2007年12月14日在哈萨克斯坦拜努尔基地发射升空。

雷达卫星-2载荷为短期工作，峰值功率需求为3000 W，平台功率需求不超过1000 W。

卫星电源系统采用不调节母线体制，原理见图7，设计方案主要特点有［8］：

（1）雷达卫星-2电源系统采用不调节母线的电源拓扑方式，并最大化降低PCU元器件质量，能产生21～35 V范围内的不调节一次母线，给负载用电设备供电。

（2）太阳电池阵功率调节使用基于MPPT的功率控制技术，PCU通过模块化的降压DC-DC变换器将功率变换至一次母线，优化太阳电池发电效能、降低飞行产品成本。此外，在生命周期内，这种拓扑结构及控制方式能够满足SAR高峰值功率载荷的短时峰值供电需求，该功率数值远远大于太阳电池阵所能提供的发电容量。

（3）卫星使用氢镍蓄电池组储能，蓄电池组直接挂在不调节一次母线上。

（4）蓄电池组由23个单体单元组成，额定容量97 Ah，提供阴影期所有载荷的供电需求，同时在光照期内与太阳电池电路联合供电，以满足SAR载荷峰值功率供电需求。

图7 雷达卫星-2的电源系统结构框图Eig.7 Radarsat-2 electrical power supply system block diagram

（5）卫星配置双太阳翼，每翼3块太阳电池板，太阳电池阵使用单结砷化镓太阳电池，寿命初期发电容量3400 W，寿命末期发电容量2400 W。

（6）负载配电单元（Payload Distribution Unit，PLDU），为载荷提供配电及保护功能。

3 电源系统需求特点分析与设计方案总结

3.1 需求特点分析

国外SAR卫星电源系统的特点由卫星的供电需求决定，从上述典型的SAR卫星任务来看，卫星对电源系统的需求主要有以下几个方面的特点：

（1）载荷的成像模式多，峰值功率大。其基本成像模式有聚束模式、条带模式和扫描模式，每种成像模式的针对性、工作时间和功率需求各不相同。以Cosmo-Skymed为例，其聚束成像模式每次最大持续时间为10 s，功率需求为19 k W，条带或扫描模式每次最大持续时间为10 min，功率需求为11 k W，电源系统需能满足较大的峰值功率需求。

（2）卫星有较大的载荷平台功率比。Cosmo-Skymed的载荷峰值功率为19 k W，而平台功率不大于1 k W，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，以系统优化的设计方法对卫星电源系统的拓扑结构与母线体制进行全面的论证比较。

（3）卫星载荷为短时工作。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高品质供电需求，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。

（4）卫星载荷为脉冲功率工作。对SAR卫星载荷而言，无论是发射接收组件还是固放，均以不同的脉冲重复频率（PRE）脉冲工作，其PRE一般为1～5000 Hz，大功率SAR载荷的脉冲工作会给系统带来非常大的电磁干扰［9］，使供电母线纹波增加，系统稳定性降低，这就要求电源系统具备较强的纹波吸收能力与功率滤波能力，确保平台设备与载荷设备的供电安全。

3.2 设计方案特点总结

以上对欧洲和加拿大典型SAR卫星电源系统的方案进行了介绍，分析了电源系统的拓扑构成、系统配置、性能指标和功率调节控制方法，通过对以上内容的总结分析，可以看到其电源系统设计方案有以下特点：

1）电源系统均采用不调节母线体制

不调节母线具有极低的输出阻抗，最大限度的满足了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，因此欧洲SAR卫星电源系统普遍采用不调节电压母线系统（如Cosmo-Skymed，TerraSar-X，Sentine-1，Radarsat-2等），但另一方面也应看到，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，增加了后级电源变换的复杂性［10-11］。

2）为平台设备配置了高品质全调节母线

相对于SAR载荷的脉动型峰值功率，平台设备多为稳定的负载，且需要高品质的母线以实现高效率、精确的卫星控制，因此上述SAR卫星电源系统为平台设备配置了高品质的全调节母线，以满足高质量的供电需求；值得注意的是，这种拓扑结构的全调节母线不同于双独立母线的配置，全调节母线由主母线经DC/DC变换后输出，而无需配置两套太阳电池阵与蓄电池组，实现了太阳电池阵和蓄电池组的高效利用。

3）太阳电池阵均使用MPPT功率调节方式

根据对太阳电池阵所发出的电能进行调节的方式，有分流（如S3R/S4R）调节和MPPT控制两种。目前，国外多倾向于采用MPPT的电源调节方式（如Cosmo-Skymed，TerraSar-X，Sentinel-1，Radarsat-2等），MPPT输出端与蓄电池组直接连接，形成不调节母线，对于太阳电池阵光照条件与工作温度多变的轨道使用MPPT调节方式可以有效减小太阳电池阵面积，进而降低研制成本；另外使用MPPT调节方式可有效利用太阳电池阵，蓄电池充电时间更短，可有效响应突发的任务规划，降低能源系统对任务规划的约束。

4）广泛使用基于商用小容量单体的S-P结构锂离子蓄电池组

欧洲航天局（ESA）有相当一部分卫星使用了基于商用小容量锂离子单体的串-并联结构蓄电池组（如Cosmo-Skymed，Sentinel-1，Earth CARE），这种结构的蓄电池组利用商用单体集成，小单体一致性好，易于模块化，通过先串后并的方式可以实现蓄电池组的高可靠性与超低内阻，且蓄电池组不需要均衡管理与旁路隔离管理以及单体监测，可免于复杂的维护操作，并有效提高系统可靠性、降低系统成本。截至2013年，已经有超过100个航天器采用了这种小单体锂离子蓄电池组。

4 启示

通过以上对欧洲和加拿大的SAR卫星电源系统需求特点以及解决方案的分析与总结，为我国SAR卫星电源系统的发展带来如下启示：

1）加强复合母线体制的研究与应用

由本文的内容可以看出，欧洲和加拿大SAR卫星电源系统多配置了复合母线体制，即主母线为不调节母线，全调节母线由主母线经DC/DC变换输出，此种结构不同于传统不调节母线，又区别于双独立母线的配置，复合母线可以在高效利用太阳电池阵和蓄电池组的同时实现双母线输出，满足平台设备和载荷设备不同的供电需求；高效的功率滤波技术是复合母线体制的关键技术之一，我国应开展复合母线体制的研究，尤其是大功率滤波技术的研究，为复合母线体制的工程应用奠定基础。

2）深入开展MPPT功率调节方式的研究，及早开展在轨应用

MPPT功率调节技术的应用可以有效提高电源系统的效能，尤其对峰值功率、脉冲工作的SAR载荷而言，在任务规划方面具有独特的优势；国外低轨卫星及深空探测器已经广泛应用了MPPT功率调节技术，大量的在轨飞行经历也验证了MPPT技术的可靠性；而我国的MPPT技术尚处于研发阶段，未有在轨飞行经历，应及早开展MPPT功率调节技术研发成果的在轨飞行验证，为MPPT技术的大规模在轨应用奠定技术基础。

3）重视基于商用单体的低成本高可靠蓄电池组研究

基于商用小容量锂离子单体的串-并联结构蓄电池组具有低成本、高可靠、免维护、低内阻等诸多优点，尤其适用于SAR载荷卫星；商用小单体蓄电池组在欧洲、美国、韩国等国家研制的航天器上得到了广泛的应用，而我国尚未对此开展深入的研究，建议在宇航级大单体锂离子蓄电池组成功应用的经验上，开展基于商用单体的低成本高可靠蓄电池组研究，以有效提高电源系统的性价比，提升整星的竞争力。

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［1］Marco Manfreda，Stefano Costantini，et al.Cosmo-Skymed electrical power system in flight performances［C］//Proceedings of the 8th European Space Power Conference.Paris：ESA，2008：1-7

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［4］R Spurrett，N Simmonsi.Lithium-ion batteries based on commercial cells：past，present and future［C］//Proceedings of the 8th European Space Power Conference.Paris：ESA，2008：1-8

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［9］Edmondo Scorzafava，Claudio Galeazzi.Cosmo-Skymed platform-sar payload compatibility aspects in the power distribution［C］//Proceedings of the 7th European Space Power Conference.Stresa：Italy，2005：1-8

［10］帕特尔.航天器电源系统［M］.韩波，陈琦，崔晓婷，译.北京：中国宇航出版社，2010 Patel M R.Spacecraft power systems［M］.Han Bo，Chen Qi，Cui Xiaoting，translated.Beijing：China Astronautics Press，2010（in Chinese）

［11］李国欣.航天器电源系统技术概论［M］.北京：中国宇航出版社，2008：1233-1240 Li Guoxin.An introduction to spacecraft power system technology［M］.Beijing：China Astronautics Press，2008：1226-1233（in Chinese）

（编辑：李多）

Analysis and Enlightenment of Electrical Power System for SAR Satellite

ZHANG Xiaofeng ZHANG Wenjia GUO Weifeng LIN Wenli LIU Zhigang
（Beijing Institued of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The electrical power systems of European and Canadian synthetic aperture radar（SAR）satellites are introduced.The characteristics of SAR satellite electrical power system were presented in details，particular emphasis is put into such aspects as various imaging modes，peak loads demand，high power ratio of payload to platform，as well as.All those requirements bring challenges to the design of electrical power system；the in orbit electrical power system schemes of European and Canadian SAR satellite are presented and analyzed，including Cosmo-Skymed，TerraSAR-X，Radarsat-2，Sentinel-1 and EarthCARE，and the system topology characteristic，bus architecture characteristic，regulation mode for output solar array power and Li-ion battery configuration were analyzed and summarized.At the end of the paper，development suggestions for SAR satellite electrical power system are given.

SAR satellite；electrical power system；design scheme

V422

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.017

2015-02-06；

2015-03-26

国家重大科技专项工程

张晓峰，男，工程师，从事航天器电源系统总体设计工作。Email：zhangxiaofengcast@163.com。