基于三维软件的微小卫星模块化快速布线技术研究

焦靖威,望开园

湖北三江航天红峰控制公司AIT中心

摘要：针对微小卫星传统电缆网布线中存在的布线周期长，电缆路径相互穿插，杂乱无章，维修难度大等问题，本文提出了一种基于三维软件的微小卫星电缆网模块化快速布线方法，从设计层面利用三维模型开展三维模型模拟布线仿真，根据卫星各个分系统进行模块化分层设计，使电缆网层次分明，路径清晰，不仅降低了电缆网敷设难度，也提高了卫星总装的维修性。

关键词：三维布线、模块化快速布线、微小卫星

1引言

微小卫星具有重量轻、体积小、研制成本低、状态灵活多变、高新技术集成度高的特点，近年来更是发展迅速，对设计和装配工艺提出了更高的要求，整星电缆网布线作为卫星AIT其中重要的一环，受到越来越多的关注。传统电缆网布线方法一般为操作人员采用续绑法在星内逐步摸索合适的布线路径和绑扎位置，这种方法主要依赖操作人员的工作经验，布线周期占总装时间的50%，而且由于微小卫星体积小，星内操作难度大，若星内电缆网敷设路径需要变更或调整也将会浪费大量时间和精力。

结合微小卫星的结构和特点，其电缆网的布线一般需要经历数个版本的工艺摸底验证和工艺更新[3]，还可能随时因状态更改而导致整个敷设路径发生变动，容易延误生产进度。为了解决这个问题，同时也考虑到结构干涉以及整星电磁兼容性实施要求[1-2]，本文提出了一种基于三维软件的模块化快速布线技术，降低微小卫星电缆网的布线难度，缩短布线周期。

2微小卫星三维模块化快速布线方法研究

2.1微小卫星三维模块化快速布线原理

微小卫星主要是由平台和载荷两部分组成。卫星平台是由卫星本体和服务保障系统组成，可以支持一种或多种有效载荷的组合体，换句话说，卫星的平台可以说是整个卫星的基础，从已研制成功的卫星分析，卫星平台不论安装何种载荷，其基本功能都是一致的，只是具体的技术性能会有所差别。根据这一特点，许多国家在卫星研制中，都采取卫星公用平台的设计思路，使得卫星平台具有一定的通用性，装载不同的有效载荷时，卫星平台只需做少量的适应性修改即可。

微小卫星三维模块化快速布线，主要是基于三维软件的布线功能开展整星电缆网布局设计时，按照不同电缆承担的功能对整个电缆网进行模块化分层，大体上可将整星电缆网分为平台层（下层）与有效载荷层（上层），就是将通用的，基础的平台部分作为下层，功能繁多的载荷部分作为上层，再细分各个分系统模块；然后按照从下层到上层的顺序逐一布线，若出现问题或需要调整，一般情况下只需要改变上层的布局，减少对整星电缆布局的影响，节省时间，提高布线效率。

每个模块都包含一根或数根电缆，电缆的模块划分如图1所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

图1 电缆网模块化分层示例图

采用三维模块化快速布线方法具有以下几方面优点：

a.实现复杂电缆的模拟布线，复杂电缆具有多种信号，线束分支多，连接关系也较为复杂，在微小卫星狭小的空间内进行布线较为困难，相比传统布线需要操作人员在星内逐根电缆进行铺设，摸索确定布线路径的方式，利用三维软件进行电缆建模及布线，定义装配路径和顺序，有效解决了狭小空间内布线问题，缩短了布线周期。

b.有效解决了电缆铺设凌乱，后期难以调整维修的弊端。此方法的运用使得不同层次的电缆之间具备一定的独立性，后期如需进行某层所属电缆的状态更改或是布局调整，也能够较为方便地将这一层电缆单独分离出来，而不用大规模拆除电缆，提高了整体电缆网的维修性和灵活性，降低了电缆状态调整变更的难度。

2.2微小卫星三维模块化快速布线流程

采用并行工程的方法，在微小卫星总体方案设计阶段参与项目论证工作，边论证边同步开展工艺设计工作，分析总装过程中存在的路径干涉或总装隐患，通过不断优化完善总体设计方案，同步开展总装流程工艺设计工作。其中，微小卫星三维模块化快速布线的实施具体流程主要分为布线前准备、模块划分、路径规划设计、预装配验证四个部分，布线前准备即根据单机厂家模型、IDS表、电器连接图、接线表等信息完成布线所需的单机、电连接器、导线、线束的建模的准备工作，以此为基础，再结合整星功能特征、总体设计提供的三维结构图、电缆连接图和接线表等开展电缆网功能模块划分，然后根据电缆网布线规范、禁限用工艺方法以及卫星结构特点和总装工艺流程开展线缆网路径规划设计等工作，具体步骤如图2所示。

图2 微小卫星三维模块化快速布线流程示意图

2.2.1布线准备

布线前的准备工作主要包括卫星单机模型建模、电连接器建模、导线建模和线束建模以及模块区分，微小卫星单机模型一般是各单机厂家提供，由结构设计人员汇总起来完成整星装配。不同厂家单机模型的建模方式、结构详细程度不一致，会给整星布线带来一定的困难，因此，对于单机模型可以进行轻量化[4]处理，用收缩包络将复杂的装配体转化为零件，保留装配体的外表面形状，缩短了模型加载时间，提高效率。

电连接器建模是根据各产品设备的接口数据单、厂家的使用说明书，建立各型号电连接器的三维模型，并录入数据库，采用坐标系对齐方式同单机模型关联起来，由于布线对电连接器的详细结构不作要求，因此可以简化电连接器建模。常用的J30J型电连接器简化模型如图3所示。

图3 J30J型电连接器简化建模示意图

导线和线束建模主要完成标准电缆、线束的参数设置，包含弯折半径，线束直径、芯数等，方便布线时调用。电缆参数设置示意如表1所示。

表1 电缆参数设置示意表

序号	线束名称	外径（mm）	芯数	最小弯曲半径/mm
1	射频电缆	2.4	8	12
2	低频电缆	0.035	4	0.6
3	CAN总线	0.14	14	1.05

模块划分主要是结合整星的功能特征、电缆网接线表和接线图开展整星电缆的模块划分工作，划分出下层（平台层）模块与上层（有效载荷层）模块，将属于同一个模块的电缆整理在一起，便于后续针对各模块进行统一路径规划和布局。

2.2.2路径规划

整星电缆模块化划分完成后，运用三维简化模型开展电缆网的三维模拟布线工作，规划电缆网布线路径。三维设计中先从下层模块开始布线，先完成最底层的电缆布线，由底层至上层依次设计路径，包括电缆走向、弯曲半径、分支位置、固定位置，如图4所示。对于电缆组成、分支比较简单的模块，可以采取单根电缆布设的方法，而对于电缆组成和分支比较复杂的模块，可以在布线设计中将多根复杂电缆统合为一个小型的电缆网，在确定了走线路径之后，这个小型电缆网可以提前在桌面状态成型，直接整体敷设完成后再转移敷设至星内，尽量减少线缆网敷设时在星内操作的时间，降低布线难度，提高线缆网敷设效率。

a 姿轨控        b 姿轨控+热控+电源       c 姿轨控+热控+电源+载荷

图 4 某微小卫星模块化分层布线示意图

2.2.3电缆预装配验证

在实际线缆网布线过程中，仅靠三维软件的模拟布线可操作性，在三维软件完成布线后还需要操作人员开展电缆网预装配验证工作。操作人员将三维布线模型作为操作人员的指导资料，相比于纸质资料更加直观明了，也便于预装配验证的现场调整，也便于发现实际布线中不合理的路径规划并实时改进，避开操作隐患或操作路径干涉。根据电缆网预装验证情况调整电缆敷设顺序，优化布线路径，不仅提高空间的利用率，而且经过预装配验证的三维模型相比于纸质文件，更利于微小卫星系列化设计升级和工艺改进工作。

图5 电缆网预装配验证实景图

3结束语

本文提出的快速布线方法本质上为通过三维软件合理规划电缆布设顺序、简化步骤与流程，缩短布线周期。文中提及的模块划分方法并非唯一，不同种类，不同型号的微小卫星可以根据实际情况进行设计模块分类，该模块化分类方法已在某型号微小卫星的研制过程中成功应用，而且在后续的EMC改进优化中，采取模块化的电缆网敷设更便于星内电缆网的维修操作，通过采用该模块化快速布线方法，电缆网敷设效率提高一倍，周期缩短一半。通过方法的研究不仅解决了微小卫星电缆网星内敷设周期长、装配凌乱和操作难度大等问题，而且也提高了微小卫星电缆网的敷设效率和维修性。

参考文献

[1] 荆仲毅，张 琳 . 电力通讯技术在智能电网中的应用 [J]. 通讯电源技术，2019，（1）：74-75

[2] 李 蓉，傅志中 . 串口中断编程技术及应用 [J]. 仪器仪 表学报，2006，27（z3）：2558-2559

[3]王欢，陈茂胜，等 . 三维设计软件在卫星电缆网协同设计中的应用 [J].航天制造技术，2020

[4]范凯，黄叶平，等 . 基于Pro/E软件的卫星三维布局与电缆的协同设计 [J].航天器环境工程，2015，32（4）：390-394