空间用长寿命电源系统在轨自主健康管理系统及管理方法与流程

本发明属于空间飞行器在轨自主健康管理领域，涉及一种空间用长寿命电源系统在轨自主健康管理系统及管理方法。

背景技术：

根据我国载人航天发展三步走的战略规划，在第三阶段，我国将建造长期有人驻留的空间站，空间站不同于以往的任何在轨飞行器，是一个长寿命、高可靠、可维修、高压大功率的载人飞行器，其中电源系统作为整个空间站的“心脏”，负责对整个空间站的电子设备供电。以往的载人飞行器电源系统一般只有单独的供配电功能，不具备在轨自主健康管理的能力。空间站在轨运行15年，长期有人驻留，为保障航天员和平台安全，支持长期运营，减轻地面飞行控制的负担，有必要对电源系统结合其自身特点，提供一套适用于空间站长期运行的自主健康管理系统。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种自主健康管理系统，可保证在测控区外及时发现故障并进行诊断，航天员可实时开展处置工作，测控区内故障信息下行地面，可开展深入排查和详细处置；改变传统以人为主的地面监控模式，自主健康管理系统的设计可自主检测故障并诊断，减少错判、漏判现象出现，减轻地面飞控人员的负担，维护电源系统长期稳定运行，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

第一方面，本发明的目的在于提供一种空间用长寿命电源系统在轨自主健康管理系统，该管理系统包括：健康管理单元、数传计算机、以及电源系统地面故障诊断系统；其中，健康管理单元包括控制子系统自检测单元、对日定向子系统自检测单元以及电源管理器；

控制子系统自检测单元，包括与每个电池组对应的充放电调节器，充放电调节器中设置bit检测模块，该bit检测模块用于检测蓄能电池组中单体电压、组电压、电池温度、电池充放电电流并判断上述参数是否异常，将检测到的数据发送至电源管理器bit检测模块，并接收电源管理器bit检测模块发送的指令信息实施对相应电池组的充放电管理；

对日定向子系统自检测单元，包括综合驱动控制器，综合驱动控制器中设置bit检测模块，该bit检测模块对太阳电池翼和驱动机构进行运行状态检测并判断检测参数是否异常，将检测到的数据发送至电源管理器bit检测模块，根据故障情况，综合驱动控制器bit检测模块接收电源管理器bit检测模块发送的指令信息实施电机运行状态控制，或者能源管理器接收电源管理器信息控制用电模式切换；

电源管理器，其中设置bit检测模块，该bit检测模块接收充放电调节器bit检测模块和综合驱动控制器bit检测模块发送的电源数据信息，将电源数据信息通过数传计算机传送给地面，对存在的电源故障情况，通过地面传送回的指令信息，或者预存在电源管理器中的解决方案，向充放电调节器bit检测模块和综合驱动控制器bit检测模块发送控制指令；

数传计算机，其用于接收电源管理器传输的数据信息，并传送至电源系统地面故障诊断系统；

电源系统地面故障诊断系统，其用于接收数传计算机传输的数据信息，存储，并对数据进行分析，对电源故障提供解决方案的指令信息。

第二方面，本发明的目的在于提供一种空间用长寿命电源系统在轨自主健康管理方法，该管理方法包括以下步骤：

步骤1，健康状态获取：通过充放电调节器bit检测模块和综合驱动控制器bit检测模块分别对每个电池组的充放电状态、以及太阳电池翼和驱动机构的运行状态进行采集，并传送至电源管理器bit检测模块；

步骤2，健康管理数据传输：空间站电源系统设置1553b内总线，电源管理器作为内总线的总线控制器接收电源系统所有设备的健康状态信息、以及诊断信息并打包下行，通过空间站系统网络传输给数传计算机并下行地面；

步骤3，健康管理数据存储：通过分布于充放电调节器、综合驱动控制器、以及电源管理器中的存储器，分别存储充放电调节器bit检测模块、综合驱动控制器bit检测模块、以及电源管理器bit检测模块收集或接收到的参数信息；

步骤4，故障检测与诊断：电源系统在轨单机基于收集到的健康状态信息，依据一定的判断方法和规则，实现对故障的检测与隔离；

步骤5，故障决策：电源系统在轨单机根据诊断的结果，以及故障的类别，执行相应的动作序列。

根据本发明提供的一种空间用长寿命电源系统在轨自主健康管理系统及管理方法，带来了有益的技术效果：

(1)空间站长期运营阶段，自主健康管理系统可保证在测控区外及时发现故障并进行诊断，航天员可实时开展处置工作，测控区内故障信息下行地面，可开展深入排查和详细处置；改变传统以人为主的地面监控模式，自主健康管理系统的设计可自主检测故障并诊断，减少错判、漏判现象出现，减轻地面飞控人员的负担，降低运营成本；

(2)本发明中，通过可测试性设计为电源系统健康状态获取提供保障：电源系统产品开展可测试性设计，合理选择测试点(测试指标)，既能充分反映设备的基本状态，满足可测性指标要求，又要考虑设备重量、功耗及系统参数资源的约束；同时，在分系统层面，合理分配测试指标，能够利用先进传感器及其它检测手段，检查部件、分系统的功能和性能，充分获取空间站电源系统的健康状态信息；

(3)本发明通过信息流设计、总线传输协议设计为电源分系统健康状态获取提供保障；

(4)将可测的信号经过滤波、整型等信号处理，可以提高可测信号的可信性；基于收集到的健康状态信息，判定故障是否发生，故障诊断定位的过程简单、可靠；

(5)根据诊断的结果，以及故障的类别，自主地执行相应的动作序列：对于影响航天员安全或可能导致平台失效的紧急重大故障，故障决策根据既定的策略进行处置，恢复故障或者使系统降级运行，进入安全模式；对于其他故障，则将故障相关信息下行地面，同时向航天员报警和显示，尽可能少地开展自主处置，对故障的诊断灵活有效。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式中单条供电母线上电源系统自主健康管理系统结构图；

图2示出本发明一种优选实施方式中电源系统自主健康管理系统运行流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。

空间站不同于以往短期飞行的载人飞行器，要求在轨运行15年，且长期有人驻留，电源系统作为飞行器的心脏，对于影响航天员安全或可能导致平台失效的故障，需要快速发现，实时响应，应急处置。因而，有必要提供一套适用于空间站长期运行的自主健康管理系统和管理方法，该自主健康管理系统可以保证在测控区外及时发现故障并进行诊断，航天员可实时开展处置工作，测控区内故障信息下行地面，可开展深入排查和详细处置；改变传统以人为主的地面监控模式，自主健康管理系统的设计可自主检测故障并诊断，减少错判、漏判现象出现，减轻地面飞控人员的负担，降低运营成本。

空间站由核心舱、实验舱i和实验舱ii在轨组装而成，每个舱段有两条独立的供电母线，图1所示为空间站电源系统单条供电母线的自主健康管理框图。

根据本发明的第一方面，如图1所示，本发明提供的一种空间用长寿命电源系统在轨自主健康管理系统，该管理系统包括：健康管理单元、数传计算机、以及电源系统地面故障诊断系统；其中，健康管理单元包括控制子系统自检测单元、对日定向子系统自检测单元以及电源管理器；

控制子系统自检测单元，包括与每个电池组对应的充放电调节器，充放电调节器中设置bit检测模块，该bit检测模块用于检测蓄能电池组中单体电压、组电压、电池温度、电池充放电电流并判断上述参数是否异常，将检测到的数据发送至电源管理器bit检测模块，并接收电源管理器bit检测模块发送的指令信息实施对相应电池组的充放电管理；

充放电管理包括：①当充放电调节器bit检测模块检测到蓄电池单体电压超过4.2v时，充放电调节器bit检测模块接收指令信息启动过充保护，断开充电模块；②当充放电调节器bit检测模块检测到蓄电池单体电压低于3.6v时，充放电调节器bit检测模块接收指令信息启动过放保护，断开放电模块；③当充放电调节器bit检测模块检测到电池温度超过40℃时，充放电调节器bit检测模块启动过温报警；④当充放电调节器bit检测模块检测到电池温度超过45℃时，充放电调节器bit检测模块接收指令信息启动过温保护，断开充放电调节器中的充电模块和放电模块；⑤当充放电调节器bit检测模块检测到电池充放电电流大于17a时，充放电调节器bit检测模块接收指令信息，控制放电模块进入限流环；⑥当充放电调节器bit检测模块检测到电池充放电电流小于-24a时(表征充电电流大于24a)，充放电调节器bit检测模块接收指令信息，启动充电模块过流保护，断开充电模块。

对日定向子系统自检测单元，包括综合驱动控制器，该bit检测模块对太阳电池翼进行展开控制、收拢控制、以及跟踪太阳控制，综合驱动控制器中设置bit检测模块，其对太阳电池翼和驱动机构进行运行状态检测并判断检测参数是否异常，将检测到的数据发送至电源管理器bit检测模块，根据故障情况，综合驱动控制器bit检测模块接收电源管理器bit检测模块发送的指令信息实施电机运行状态控制，或者能源管理器接收电源管理器信息控制用电模式切换。

空间站电源系统太阳电池翼采用有源展开，由四个机构(抬升机构、上下箱体机构、约束释放机构、伸展机构)共六个电机进行控制。①当综合驱动控制器bit检测模块采集到太阳电池翼四个驱动机构的到位信号遥测≠1或超限流状态为02h，表示太阳电池翼超限流故障，综合驱动控制器bit检测模块接收指令信息，控制太阳电池翼所有电机停转；②当综合驱动控制器bit检测模块采集的驱动机构电机电流遥测为0a且转角信息有变化且零位状态为0ah，表示驱动机构对日定向故障，综合驱动控制器bit检测模块将故障代码通过电源内总线发送给电源管理器，电源管理器转发给能源管理器，整个空间站器进入能源安全模式。能源管理器为电源管理器的上一级控制单元，为整个空间站的总控制单元，除对一个舱段实施电源控制管理外，还实施对其他舱段的电源控制管理。

电源管理器，其中设置bit检测模块，该bit检测模块接收充放电调节器bit检测模块和综合驱动控制器bit检测模块发送的电源数据信息，将电源数据信息通过数传计算机传送给地面，对存在的电源故障情况，通过地面传送回的指令信息，或者预存在电源管理器中的解决方案，向充放电调节器bit检测模块和综合驱动控制器bit检测模块发送控制指令。

当出现影响航天员安全或可能导致平台失效的紧急重大故障时，或者处于测控区外时，电源管理器通过预存的策略或者能源管理器的指令信息，控制电源系统在轨单机进行相应的操作，航天员也可以按相关指令信息开展处置工作；当测控区内且故障不会影响航天员安全或不会导致平台失效时，由电源系统地面故障诊断系统提供解决方案。

数传计算机，其用于接收电源管理器传输的数据信息，并传送至电源系统地面故障诊断系统；

电源系统地面故障诊断系统，其用于接收数传计算机传输的数据信息(源包组帧)，存储(地面管理数据存储)并对数据进行分析(地面故障诊断、决策)，对电源故障提供解决方案的指令信息。

电源管理器将充放电调节器的过放保护状态、过充保护状态、过温保护状态、过流保护状态、充放电电流遥测、太阳翼各机构的电流遥测、到位开关状态、超限流故障状态、对日定向故障状态通过数传计算机传送给地面，由地面专业人员结合电源系统运行状态以及历史数据进行综合判断和诊断，采取相应的干预措施。

在本发明中，该管理系统还包括硬线通道和总线通道，硬线通道有内部硬线遥测和数管硬线遥测，用于系统关键参数的遥测；总线通道为1553b内总线，用于系统所有参数的遥测。

电源管理器作为电源内总线的bc(总线控制器)，通过1553b模式同步方式命令对内总线的a、b总线进行巡检，未反馈同步字的远程终端(rt)即表示电源管理器与该远程终端通信故障。

在本发明中，该管理系统还包括分流调节器，分流调节器与电源管理器和太阳电池翼电连接，用于太阳电池翼的能量传输、采集和管理，并将采集到的能量信息传输至电源管理器。

在本发明中，该管理系统还包括母线滤波器，母线滤波器与电源管理器电连接，用于母线输出的滤波、采集和管理，并将采集到的母线输出的信息传输至电源管理器。

在本发明中，该管理系统还包括分布于充放电调节器、综合驱动控制器、以及电源管理器中的存储器，分别存储充放电调节器bit检测模块、综合驱动控制器bit检测模块、以及电源管理器bit检测模块收集或接收到的信息。需要存储的数据包括：历史数据和故障检测、对故障诊断及处置的策略(指令信息)。

优选地，受限于在轨计算机存储容量限制，历史数据包括状态数据及操作序列等，通过数传计算机下行存储在电源系统地面故障诊断系统中，电源系统在轨单机中的存储器只进行对影响到航天员安全的紧急故障状态和处置的策略进行存储，影响航天员安全的表征参数有电源管理器bit检测模块测得的电源母线电压、母线电流、电池组电压以及电池温度。

在本发明中，电源系统在轨单机包括充放电调节器、分流调节器、电源管理器、母线滤波器、综合驱动控制器。

根据本发明的第二方面，如图2所示，本发明提供的一种空间用长寿命电源系统在轨自主健康管理方法，该管理方法通过上述所述的管理系统实现，包括如下步骤：

步骤1，健康状态获取：通过充放电调节器bit检测模块和综合驱动控制器bit检测模块分别对每个电池组的充放电状态、以及太阳电池翼和驱动机构的运行状态进行采集，并传送至电源管理器bit检测模块；

空间站电源系统采用集中式—分布式bit测试系统，并主要通过软件bit(built-intest，机内测试)方式实现，以节省硬件资源。电源系统bit设计分两级：最高一级为电源管理器，第二级为分散在各单机内的bit设计。电源管理器为中央监控计算机，实现对整个电源系统的分系统级bit设计，重点对电源系统的内总线通信状态监测、蓄电池放电授权允许、对日跟踪状态监测、分流调节器的太阳翼发电能力预计以及母线滤波器中的母线电压和电流状态监测。充放电调节器bit检测模块主要对储能蓄电池单体电压、组电压、电池温度、电池充放电电流进行监测，同时对储能蓄电池进行充放电控制。综合驱动控制器bit检测模块主要对太阳电池翼进行展开、收拢控制，以及跟踪太阳控制。通过bit测试系统，以及利用先进传感器及其它检测手段，检查部件、分系统的功能和性能，充分获取空间站电源系统的健康状态信息。

步骤2，健康管理数据传输：空间站电源系统设置1553b内总线，电源管理器作为内总线的总线控制器(buscontrol)接收电源系统在轨单机的健康状态信息、以及诊断信息并打包下行，通过空间站系统网络(如中继卫星)传输给数传计算机并下行地面；

步骤3，健康管理数据存储：通过分布于充放电调节器、综合驱动控制器、以及电源管理器中的存储器，分别存储充放电调节器bit检测模块、综合驱动控制器bit检测模块、以及电源管理器bit检测模块收集或接收到的参数信息，该参数信息将通过数传计算机传输至电源系统地面故障诊断系统。

自主健康管理相关需要存储的数据包括：历史数据和故障检测、对故障诊断及处置的策略(指令信息)。优选地，受限于在轨计算机存储容量限制，历史数据包括状态数据及操作序列等，通过数传计算机下行存储在电源系统地面故障诊断系统计算机中，电源系统在轨设备只进行对影响到航天员安全的紧急故障状态和处置的策略进行存储，影响航天员安全的表征参数有电源母线电压、母线电流、电池组电压以及电池温度。

步骤4，故障检测与诊断：电源系统在轨单机基于收集到的健康状态信息，从中挑选出表征各单机关键性能的参数和能够表征各类故障的测试参数，依据一定的判断方法和规则，实现对故障的检测与隔离，将故障隔离到在轨可更换单元(oru，如电池组等可更换的器件)和引起各类故障的单机功能模块，同时将可测的信号经过滤波、整型等信号处理，以提高可测信号的可信性。电源系统故障模式一般有：

(i)阴影区无功率输出，即放电故障，判据是充放电调节器bit检测模块采集的储能蓄电池的充放电电流≤0a、放电模块继电器状态>3.5v以及进出影标志为进影0ah，上述判据为“与”的关系；放电故障时断开放电模块开关，电源系统损失一个放电模块或者一个放电机组；

(ii)光照区无充电电流，即充电故障，判据是充放电调节器bit检测模块采集的储能蓄电池的充放电电流≥0a、充电模块继电器状态>3.5v以及进出影标志为出影05h，上述判据为“与”的关系；充电故障时断开充电模块开关，电源系统损失一个充电模块或者一个充电机组；

(iii)系统mea信号异常，系统mea信号是充放电调节器根据供电母线电压依据一定的比例系数变换成的主误差放大，用于电源供电母线调节；电源系统mea信号由多台充放电调节器产生后汇集，每台充放电调节器里的mea信号采取三取二变换，mea信号异常的判据是mea信号三取二遥测中有一路与其它几路偏差大于1v、母线电压遥测超出102～107v范围，上述判据为“与”的关系；mea信号异常时断开相应充放电调节器的mea信号开关，电源系统的mea信号由剩余的充放电调节器的信号汇集而成；

(iv)太阳电池翼展开异常，空间站电源系统太阳电池翼采用有源展开，由四个机构共七个电机进行控制，展开异常的判据是四个机构的到位信号遥测≠1、超限流状态为02h表示超限流故障，上述判据为“或”的关系；太阳电池翼展开异常时进入单步执行的故障工作模式，故障工作模式无法执行时由地面进行干预；

(v)驱动机构故障，判据是综合驱动控制器bit检测模块采集的电机电流遥测为0a、转角信息有变化、零位状态为0ah，上述判据为“与”的关系，综合驱动控制器bit检测模块将故障状态发送给电源管理器bit检测模块，电源管理器将涉及能源安全的数据传输至能源管理器，进入能源安全模式，故障由地面根据飞行器姿态以及具体的故障定位进行综合处置。

步骤5，故障决策：空间站电源系统在轨单机根据诊断的结果，以及故障的类别，自主地执行相应的动作序列。

对于影响航天员安全或可能导致平台失效的紧急重大故障，电源系统的紧急重大故障判据是母线电压不在80～120v范围以及蓄电池容量低于27ah，故障决策根据既定的策略进行处置，处置方式是能源管理器将故障母线的负载切换至其他舱段的电源母线，将容量过低的蓄电池断开，使系统降级运行，进入安全模式；

对于其他故障，则将故障相关信息下行地面，同时向航天员报警和显示，尽可能少地开展自主处置。电池系统地面故障诊断系统对遥测下行信息进行处理，结合知识库、历史数据库实现故障诊断，通报诊断结果，并提供相应的处置预案作为参考，辅助地面人员进行故障定位和措施决策。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。