航天器配电系统的直流载波通信架构设计与分析

2022-11-15马少坤张龙龙

航天器工程 2022年5期

马少坤张龙龙

(山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670)

航天器的质量受限于火箭的运载能力，质量的增加直接导致燃料的增多，影响火箭整体功能结构，进而可能导致一些不可控的技术风险，增加研制难度。因此，无论从节约成本的角度出发，还是为了保证航天器发射的安全可靠，在保证航天器正常功能情况下，不断降低航天器质量是其发展必然的方向。采用电力线载波通信技术可以大幅降低航天器内部的诸多通信电缆的质量，从而降低航天器总质量。

电力线载波通信技术最早出现于20世纪20年代初期[1]，是一种电力与通信相融合的技术，根据电力线传输的电力类型，可分为交流载波通信和直流载波通信技术，交流载波通信发展较快，现今已有多种成熟应用，而随着新能源及分布式供电方式的发展，直流载波通信的应用领域也在逐步扩大。传统直流载波通信中，无论是电容耦合方式，还是电感耦合方式，都要使用体积较大的变压器，通信和电力融合程度较低，电力电子信息调控技术虽然实现了功率/数据双调节[2]，但使用限制较大。

为了解决以上两种技术本身的缺点，充分发挥直流载波通信的优势，本文设计了一种无需变压器，低功耗的直流载波调制电路，并进一步设计了一种适用于航天器供电系统的直流载波通信架构，通过仿真验证该架构的通信效果与供电品质，成功将直流载波通信技术应用于航天器配电系统。

1 航天器配电与通信

由于集中式设计在大功率卫星电源系统中的局限性，例如集中式的电源控制器、蓄电池组体积质量过大；集中式的设计导致发热量过于集中等问题，分布式供电系统便是解决未来大型航天器对供电能力需求增长带来的问题一种方式，而分布式供电系统的可靠运行同样离不开通信网络的协助[3]。分布式航天器供电系统如图1所示，航天器以低压直流供电为主，各功能单元分散配置，功能与配重相结合，功率母线和通信总线分别实现功率和数据的互联，其中配电网络已将各模块与星载计算机之间联系起来，完全可以利用电力线载波通信技术通过该网络进行信息传输。

图1 航天器配电与通信系统框图

电缆的质量在航天器总体质量中占据较大比例，例如1553B总线SEFF46-75-1-51质量为27 g/m，较高的FFKF40-2×2×24A达70 g/m，每条通信回路加上冗余至少需要4 m，整颗星上百条回路的质量近20 kg，即使以10万元/kg的发射成本计算，也要近200万元的成本。如果使用电力线载波通信技术将电力线与通信线合二为一，去掉通信专用缆线，对于减轻航天器配重，降低发射成本，提高可靠性等方面有重要意义[4]。

2 直流载波通信技术

电力线载波通信技术最早出现于20世纪初，现今该技术在某些交流电力系统已有相对成熟的应用，例如，家庭抄表系统，在通信系统对于信道因素变化的敏感性，载波调制方式，频率选择衰减等方面都有着很深入的研究。对于直流载波通信来说，由于直流微电网系统尚未大规模应用，该领域研究开始时间较晚，技术不如交流载波通信成熟，且由于可能存在的滤波电容，需要阻抗器对高频载波信号加以控制，但由于基本原理相同，近年来直流载波通信技术在交流载波通信的基础上有所发展。

2.1 传统直流电力线通信技术

在交流电力线载波通信系统中，利用电感和电容将载波信号耦合到电力线系统中，或将电力线系统中的信号提取出来。基于同样的原理，可以将其应用到直流供电系统中[5]。

电容耦合电路图如图2所示，其中，T为变压器，C为电容，DC为直流电压源，R为电路负载，耦合电路主要由电容和变压器组成。电容有滤波功能，在传递高频载波信号的同时又能隔绝直流量，减弱低频杂波信号，防止短路并减少杂波干扰。变压器除了有着电气隔离的功能外，还能提供一定的阻抗变换能力。文献[6]提出了一种光耦合技术，将电容耦合技术和光隔离特性相结合，用以取代变压器在电气隔离和保护方面的作用。

图2 电容耦合

电感耦合电路图如图3所示，变压器与直流源串联，直接将载波信号通过变压器耦合到电力线上，同样电力线上的高频信号也能通过变压器被接收机接收。与电容耦合电路相比，电感耦合电路更加简单，通常用于电源附近的低阻抗处。

图3 电感耦合

通过电感或电容将已经调制完成的高频载波信号耦合到直流供电系统的直流载波通信技术，虽然原理简单，但实现方式比较复杂，因为通信系统与供电系统的融合程度较低，除了共用线路外，其余模块仍是各自的原始实现方式。随着电力电子等技术的发展，一种电力电子信息调控技术实现了电力与通信的更深度的融合。

2.2 电力电子信息调控技术

DC-DC转换器输出纹波可以作为信息传输载体，可以通过控制其频率，相位，振幅等特征传输信息，在电源端和负载端，均可以使用功率变换器进行信号的发送，无需附加信号发生电路，大大降低了硬件成本，这使得此技术在电力线载波通信领域具有天然优势，文献[7]便利用功率变换器的不同开关频率，实现了共母线功率变换器之间的通信，文献[8]则在双有源功率变换器上采用纹波通信，并扩展了过零点电压转换范围，提高了转换效率。文献[9]重点研究了负载侧功率变换器通信问题，其通过检测开关转换时引起的噪声来确定开关频率，从而实现负载侧功率与信号的复合调制和解调。

文献[2]具体分析了功率变换器的性质，定义两种调制方式：功率/数据单载波调制技术和功率/数据双载波调制技术。

2.2.1 功率/数据单载波调制技术

在电力电子功率变换器中，通常采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制技术来实现对功率的控制，功率变换器的门极控制信号为一串幅值恒定的矩形波序列，通过控制其占空比来实现对功率的调控。而除占空比，该矩形波序列还有频率和相位2个独立的控制自由度，通信信号可以通过控制这两个自由度实现数据的传输，所以单载波调制技术又可分为频率调制和相位调制[10]。

1)频率调制

频率调制是通过对三角波频率的调制，实现对纹波频率的调制，原理图如图4所示，当数字信号为0或未通信状态时，双向开关选择输出频率为f0的三角波发生器，当数字信号为1，双向开关选择输出频率为f1的三角波发生器。

图4 单载波调制框图

2)相位调制

对于相位调制，文献[11]在文献[2]的基础上分析了跳频相移键控(Frequency Hopping-Differential Phase Shift Keying，FH-DPSK)的基本原理，针对门极信号频率或者相位改变造成的电容电压扰动进行了分析。其中，当频率在电感电流位于平均值时切换，电容电压波动不大。而当相位切换时波动较大，为抑制这一电压扰动，可以将一次相位切换转变为两次频率切换，用两次频率切换的间隔时间来进行相位差的补偿。此方法结合频移键控(FSK)调制和差分相移键控(DPSK)调制的特点，在通信时与非通时分别采用不同的开关频率，且两开关频率在解调窗口内正交。由于通信时开关频率与非通信频率在解调窗口内正交，因此有效抑制了非通信频率开关纹波对通信信号的干扰。同时，在通信过程中采用多进制DPSK调制，提高了带宽利用率，可以实现高通信速率。其过渡期间波形图如图5所示，过渡时间为T，过渡期间频率为f0，过渡前后相位分别为φ1，φ2，频率均为f1。

图5 FH-DPSK过渡波形图

2.2.2 功率/数据双载波调制技术

在单载波调制技术中，通信和功率对同一载波进行调制，虽然通信速率较高，但无法调节信号强度，限制较大，功率/数据双载波调制技术弥补了这方面的不足，如图6双载波原理框图所示，它先将数据调制到低频数据载波上，然后经过频率调制后作为扰动加载到PWM的参考值上。由于功率调制与数据调制分别采用不同的载波，且载波信号不直接用作门极控制信号，数据载波可以采取多种方式，因此，数据调制方法的选择更加灵活。数据调制可以使用现在比较成熟先进的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)调制技术，它将串行数据分配到并行的子载波上，极大提高了频谱利用率, 不但提高了通信速率,而且能有效对抗频率选择性衰落。

图6 双载波原理框图

电力电子信息调控技术虽然大大加深了电力与通信的融合程度，但也有着不小的局限性，首先其依托于功率变换器，只能在存在功率变换器的节点进行信息的调制，大大限制了应用范围；其次，电力电子信息调控技术的通信速率受制于功率变换器开关频率，一般在100 kHz量级，对于更高的频率将无能为力。

3 航天器配电系统载波通信设计及仿真

3.1 配电系统载波通信架构设计

航天器配电系统载波通信技术充分利用已有的配电网络作为通信渠道，有效地减少了航天器质量，节约了发射成本，但由于配电网络并非专门为通信铺设的链路，所以设计载波通信时要充分考虑信道条件，针对特定的问题，需要提出具体的措施加以解决。

首先对于特定的配电网络，需要了解其运行产生的高次谐波频率，设计通信频率时需要避开该频段，以免被干扰。例如，开关电源从几十到几百千赫兹不等，需要合理分配各开关电源和耦合信号波的频段，再如，CPU频率一般在3 GHz左右，需要避开该频段。另外相比于交流系统，航天器直流系统存在诸多电容，例如太阳能功率调节单元里的一次母线稳压电容，功率变换器并联的滤波电容等，这在直流配电网络中有着稳定电压、过滤高次谐波等积极作用，但对于通信载波来说，却是一个严峻的问题，需要设计特定的阻波电路，在不破坏配电网络正常功能的情况下，防止高频载波被当作无用杂波过滤掉，同时阻波器也能阻止非期望频段的波动进入通信信道中，一定程度上拓展了可用频段。

其次，配电网络中由于存在DC/DC功率变换器、继电器等配电单元，会阻碍破坏网络的连续性，造成通信失败，根据配电网络的通信需求，遥测信息的采集与遥控信息的执行绝大部分在配电单元，所以通信节点设置在配电器母线侧即可，对于少数跨配电单元的情况，再考虑中继节点的问题。

图7是航天器配电系统载波通信整体架构，在原本供电系统中主要增加了调制解调模块与阻波电路。

图7 航天器配电系统载波通信

调制电路如图8所示，采取2FSK调制方法，利用MOSFET的开关频率生成需要的波形，其中频率f1，f2分别对应数字信号0和1，根据需要发送的数字信号选择相对应的频率。两个MOSFET同时打开时，电流通过MOSFET管M1和M2，电感L从母线正级流向负极，同时关闭时，电感L电流续流经二极管D1和D2反向输入到母线之中，形成特定频率的锯齿波，可以其幅值可通过改变电感值调节，电容C1的作用是防止短路，C2的作用将调制信号耦合到电力线中，整个过程中只有MOSFET和二极管存在损耗。

图8 调制电路

解调采用包络检波法，其流程如图9所示，根据频率f1、f2，分别选择合适的带通滤波与低通滤波带宽，将两路输出比较后，确定二进制数字。其中带通滤波器可采用压控电压源二阶带通滤波器，在不改变中心频率的前提下调节频宽。

图9 包络检波法

由于航天器系统中存在诸多滤波电容，其值较大，对于高频的载波信号而言，相当于短路状态，会极大的损耗调制信号的能量，另外Buck变换器本身的纹波有一定的导通需求，所以需要根据调制频率在滤波电容侧设置阻波器。阻波器主要应用并联谐振的原理，在通信频率附近呈现高阻抗特性，防止高频载波信号流入非期望的线路，当通信频率足够高时，单独使用电感拥有较高感抗，可以起到相同的高频阻波效果。

3.2 仿真分析验证

采用Psim软件对单通道航天器配电系统载波通信进行仿真，首先搭建航天器配电系统，其中，太阳能功率调节单元采用顺序开关分流调节(Sequential Switching Shunt Regulator,S3R)技术，使用Buck电路作为配电器进行电压变换，由前者向后者发送信息，利用软件中c模块生成随机的二进制数据作为调制电路的通信输入，通过与解调输出数据对比验证该系统的通信功能是否正常，通过观察母线电压与变换器输出电压分析通信对于航天器供电品质的影响。

通过改变调制模块中的电感L值，能够调节调制信号功率大小，当L值过小时调制信号易被噪声淹没，导致误码率增加，过大时将导致母线电压波动过大；调制信号频率的选择受到MOSFET管开关速度和信道噪声的限制，由于电感的感抗与频率成正比，当频率较小时，单独使用电感阻波效果较差，可以使用阻抗器。

本次仿真中，选择频率f1为5 MHz，f2为7 MHz，单独使用电感作为高频阻波器，通信速率为1 Mbit/s，仿真结果如图10所示，其中，V1为输入调制电路的随机二进制数，V2为解调电路输出2进制数，V3为中心频率为5 MHz的带通滤波电压，V4为中心频率为7 MHz的带通滤波电压，V5为母线电压，V6为28转12 V Buck电路输出电压。通过对比V1/V2和V3/V4，可以看出通信功能正常，由V5可知，通信模块造成的母线波动不超过0.05 V，由V6可知，通信模块对于配电器负载端几乎没有影响，完全可以满足航天对于配电系统电气环境的要求。