一种兼顾多种降交点地方时的能量平衡方法与流程

本发明涉及一种兼顾多种降交点地方时的能量平衡方法，适用于多星组网星座，且星座内各卫星采用不同降交点地方时，属于卫星总体设计领域。

背景技术：

传统的卫星能量平衡分析方法是针对某颗具体卫星进行能量平衡计算，给出卫星电源系统设计结果。在设计阶段，利用计算机模拟功率流程和能量计算，通过计算机程序，在已知负载分布，假定一组太阳电池阵和电池组参数，确定某一个或多个轨道周期内卫星是否处于平衡状态。当不能平衡时，修改太阳电池阵和电池组参数，再次进行计算。在反复迭代过程中完成能量平衡分析和太阳电池阵、电池组参数确定。在多星组网星座中，如果各卫星降交点地方时不同，则太阳电池阵光照条件也将变化，因此需要分别计算各卫星能量平衡情况。最终得到的太阳电池阵、电池组参数因卫星降交点地方时不同而存在差异，其结果是针对某一颗卫星的最优结果，不能兼顾多种降交点地方时，同样功能卫星在不同降交点地方时下为了满足能量平衡要求，配置不同面积的太阳电池阵，状态难以统一，不利于太阳电池阵、蓄电池等单机产品的批量化生产。另外，由于卫星的研发成本与技术状态直接相关，统计数据表明，太阳电池阵成本约占卫星电源系统成本的70％，占整星成本的10％。多种技术状态的太阳电池阵导致卫星星座成本增加。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种兼顾多种降交点地方时的能量平衡方法，用一种技术状态包络各种不同的降交点地方时的光照条件，实现多星电源设计状态的统一，减少配置差异，提高太阳电池阵利用率，大幅节约研制生产成本。

本发明的技术解决方案是：一种兼顾多种降交点地方时的能量平衡方法， 包括如下步骤：

(1)为每个降交点地方时确定偏置角度，进而得到每颗卫星偏置后的太阳电池阵入射角；

(2)在步骤(1)的基础上计算最大太阳电池阵入射角，所述最大太阳电池阵入射角满足绝对值最大，且余弦值最小；

(3)根据最大太阳电池阵入射角计算太阳电池阵面积A_SA；

(4)计算不同降交点地方时太阳电池阵输出功率P_SA；

(5)根据不同降交点地方时太阳电池阵输出功率P_SA，计算每颗卫星的总充电电量Q_ch、地影区放电电量Q_dis1和光照区补充放电电量Q_dis2；

(6)根据步骤(5)判断每颗卫星是否满足能量平衡，如果星座中所有卫星均满足能量平衡，则兼顾多种降交点地方时的能量平衡方法结束，否则为每个降交点地方时重新确定偏置角度，重复上述步骤，直到星座中所有卫星均满足能量平衡。

所述步骤(1)中第i颗卫星偏置后的太阳电池阵入射角β′_i满足β′_i＝β_i-θ_i，其中β_i为第i颗卫星偏置前的太阳电池阵入射角，θ_i为第i颗卫星降交点地方时的偏置角度。

所述步骤(3)中计算太阳电池阵面积A_SA的方法如下：

(3.1)计算寿命末期太阳电池阵最小输出功率P_SE

P_SE＝M×(P_BL+P_BC+P_H)

其中，M表示计算功率裕度，P_BL表示母线最大负载功率，P_BC表示充电功率，P_H表示线路功率损耗；

(3.2)根据母线电压计算每一串电池中电池片数N_S：

N_S＝(V_B+V_L+V_D)/V_mpEOL

其中V_B表示母线电压最大值，V_L表示供电线路损耗压降，V_D表示隔离二极管压降，V_mpEOL表示寿命末期太阳电池阵最大功率点输出电压；

(3.3)计算并联的电池串数N_P：

N_P＝I_L/(I_mpEOL×Fi)

其中I_L表示太阳电池阵输出的最大电流，I_mpEOL表示寿命末期太阳电池阵最大功率点输出电流，Fi表示几何损失因子，为最大太阳电池阵入射角的余弦值；

(3.4)根据串并联电池的总数计算太阳电池阵的面积A_SA：

A_SA＝N_P×N_S×A_C/F_S

其中A_C表示单体电池片的面积，F_S表示布片系数。

所述步骤(2.3)中寿命末期太阳电池阵最大功率点输出电压V_mpEOL满足

V_mpEOL＝(V_mp+β_VEOL×ΔT)×K_VTE×K_VRAD

V_mp表示AMO标准条件下，太阳电池最佳工作点时电压典型参数或实测值，ΔT＝T-25℃，其中T为太阳电池工作温度，K_VTE表示太阳电池阵电压测试误差因子，β_VEOL表示寿命末期太阳电池电压温度系数，即太阳电池的温度改变1℃时，其输出电压的变化值，K_VRAD表示太阳电池阵电压粒子辐照损失因子。

所述步骤(2.3)中寿命末期太阳电池阵最大功率点输出电流I_mpEOL满足

I_mpEOL＝(I_mp+α_IEOL×ΔT)×K_ITE×K_IRAD×K_IUV

其中I_mp表示AMO标准条件下，太阳电池最佳工作点时电流典型参数或实测值，ΔT＝T-25℃，其中T为太阳电池工作温度，K_ITE表示太阳电池阵电流测试误差因子，α_IEOL表示太阳电池寿命末期电流温度系数，即太阳电池的温度改变1℃时，其输出电流的变化值，K_IRAD表示太阳电池阵电流粒子辐照损失因子，K_IUV表示太阳电池阵电流紫外辐照损失因子。

所述步骤(4)的实现方式为：

第i颗卫星降交点地方时太阳电池阵输出功率P_SA满足：

P_SA＝A_SA×S×δ×cosβ′_i

S是太阳常数，一般取1353W/m²；δ是太阳电池效率；cosβ′_i是第i颗卫星 偏置后的太阳电池阵入射角的余弦值，A_SA是太阳电池阵面积。

所述步骤(5)的实现方式为：

(7.1)利用如下公式计算第i颗卫星的地影区放电电量Q_dis1：

其中P_longterm是第i颗卫星的长期负载功率，T_umbra是第i颗卫星地影区时间，P_short-term1、P_short-term2和P_{short-term n}分别是第i颗卫星地影区第1次载荷工作时的短期功率、第2次载荷工作时的短期功率和第n次载荷工作时的短期功率；T_short-term1、T_short-term2和T_{short-term n}分别是第i颗卫星地影区第1次载荷工作时长、第2次载荷工作时长和第n次载荷工作时长；V_dis是蓄电池组放电电压，η_BDR是放电调节器的额定效率，η_wire是放电线路损耗效率；

(7.2)判断太阳电池阵的输出功率是否满足第i颗卫星总负载功率的需求，如果满足，则光照区补充放电电量Q_dis2＝0，否则利用如下公式计算光照区补充放电电量：

T_{short-term m}是第i颗卫星光照区第m次载荷工作时长；

(7.3)判断第i颗卫星是采用恒定电流充电还是采用蓄电池组两阶段充电方式，如果采用恒定电流充电，则进入a)，如果采用蓄电池组两阶段充电，则进入b)：

a)利用如下公式计算第i颗卫星的总充电电量Q_ch

其中T_sunlight是第i颗卫星光照区时间，P_{short-term k}是第i颗卫星光照区第k次载荷工作时的短期功率，T_{short-term k}是卫星光照区第k次载荷工作时长；V_ch是蓄电池组充电电压，η_C/D是蓄电池组充放比；

b)根据如下步骤计算第i颗卫星的总充电电量Q_ch

Step1：利用如下公式计算蓄电池组第二阶段充电时间T_2nd-stage：

T_2nd-stage＝Q_2nd-stage×η_C/D/I_2nd-stage

Step2：利用如下公式计算蓄电池组第一阶段充电电量Q_1st-stage：

Q_1st-stage＝I_1st-stage×(T_longterm-T_2nd-stage)/η_C/D

Step3：利用如下公式计算采用蓄电池组两阶段充电时，第i颗卫星的总充电电量Q_ch：Q_ch＝Q_1st-stage+Q_2nd-stage

其中，Q_2nd-stage是蓄电池组转阶段电量门限，即第二阶段充电电量；I_2nd-stage是蓄电池组第二阶段充电电流，T_longterm是光照区卫星长期负载工作时间，η_C/D是蓄电池组充放比，I_1st-stage是蓄电池组第一阶段充电电流。

所述步骤(7.2)中，利用公式P_SA-P_longterm-P_short-term判断太阳电池阵的输出功率是否满足第i颗卫星总负载功率需求，当该公式大于等于0时，太阳电池阵的输出功率满足第i颗卫星总负载功率需求，当该公式小于0时，太阳电池阵的输出功率不满足第i颗卫星总负载功率需求。

所述步骤(6)中判断卫星满足能量平衡的方法为：若某颗卫星满足当圈能量平衡或多圈能量平衡，即认为该颗卫星满足能量平衡。

当第i颗卫星满足Q_ch-Q_dis1-Q_dis2≥0时，该颗卫星满足当圈能量平衡；

ΔQ_n＝g_dis1n+g_dis2n-Q_chn

当第i颗卫星满足Q_chn+1-Q_dis1n+1-Q_dis2n+1-ΔQ_n≥0时，该颗卫星满足多圈能量平衡；

其中，ΔQ_n是第i颗卫星第n圈的欠充电量，Q_dis1n是第i颗卫星在第n圈地影区总放电电量，Q_dis2n是第i颗卫星在第n圈光照区补充放电电量，Q_chn是第i颗卫星在第n圈光照区的总充电电量，Q_dis1n+1是第i颗卫星在第n+1圈地影区总放电电量，Q_dis2n+1是第i颗卫星在第n+1圈光照区补充放电电量，Q_chn+1是第i颗卫星在第n+1圈光照区的总充电电量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法可以兼顾两种及以上的降交点地方时，针对不同降交点地方时确定不同的太阳电池阵偏置角度，从而得到最大的太阳电池阵入射角，使用该最大太阳电池阵入射角得到的最终结果可以包络星座内的不同降交点地方时卫星，在此基础上进行能量平衡判断，从而以最大包络的形式得到卫星电源分系统的配置，实现太阳电池阵面积最优化和多星电源设计状态的统一，减少配置差异，提高太阳电池阵利用率，利于太阳电池阵、蓄电池以及电源控制器等单机产品的批量化生产，节省研制生产成本。

(2)本发明为不同卫星设置不同的太阳电池阵偏置安装角度，将星座内不同卫星太阳电池阵入射角统一到较小的范围内，从而减少能量平衡计算过程中的迭代次数。同时，偏置后太阳电池阵入射角β‘的绝对值|β‘|≤|β|表明改善了太阳电池阵光照角度，从而减小了太阳电池阵面积，达到降低成本的目的。

(3)本发明通过太阳电池串并联设计实现太阳电池阵电路设计的技术状态统一，此设计的优点是太阳电池阵电路部分可批量投产，结构机构部分设计不同铰链实现偏置安装，从而实现成本大幅降低的目的。

(4)本发明选择绝对值最大且余弦值最小的入射角作为最大太阳电池阵入射角，此时太阳光照射到太阳电池阵上的能量最小，这是最恶劣的太阳电池阵光照条件，在此条件下计算得到的太阳电池阵面积A_SA即为最优化的太阳电池阵面积，能够包络全部降交点地方时条件。

(5)本发明通过能量平衡分析判断设计的偏置角度是否合适，当满足能量平衡时，本发明得到的结果用于卫星电源分系统的配置，简化了设计，节省了成本。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明计算太阳电池阵面积的原理图。

具体实施方式

对于多星组网卫星，由2颗及以上卫星组成，且工作在不同的降交点地方时，太阳电池阵光照角度不同，其光照条件更为多样化、复杂化，传统方法不能兼顾多种降交点地方时，需要针对不同的卫星配置不同面积的太阳电池阵，为了克服传统方法的不足，本发明提出一种兼顾多种降交点地方时的能量平衡方法，可用于确定偏置角度改善太阳电池阵光照条件，优化偏置角度选择，用一种技术状态包络各种不同的降交点地方时的光照条件，确保太阳电池阵面积最优化，从而达到统一太阳电池阵状态，大幅节约研制成本的目的，优化了多星组网卫星、采用多种降交点地方时条件下的电源系统配置方案。

针对多星组网卫星星座的能量平衡分析，由于该卫星星座由2颗及以上卫星组成，且工作在不同的降交点地方时，太阳电池阵光照角度不同，首先要梳理不同卫星的设计输入条件，即根据不同降交点地方时条件下的太阳电池阵入射角度β。再根据上述条件确定各种降交点地方时条件下太阳翼的偏置角度θ。根据偏置后太阳电池阵入射角β‘的绝对值|β‘|最大值，即最恶劣的太阳电池阵光照条件计算太阳电池阵面积S，该计算结果是能够包络全部降交点地方时条件，作为最优化的太阳电池阵面积。确定最优化的太阳电池阵面积S后，代入各种降交点地方时条件下，分析不同降交点地方时条件下的能量平衡。

首先是梳理输入条件，其中输入条件分为可变和不可变部分。可变输入条件即由于降交点地方时不同导致的入射角度不同，即根据不同降交点地方时条件下的太阳电池阵入射角度β，即β₁，β₂……β_n。

不可变输入条件包括太阳电池阵的负载功率，也就是母线负载功率、充电功率和线路损失功率的总和。考虑到寿命末期、最恶劣情况，为太阳电池阵的输出功率设定一定的余量，计算公式如下：

P_SE＝M×(P_BL+P_BC+P_H)..................(1)

上式中P_SE表示寿命末期太阳电池阵最小输出功率，M表示计算功率裕度，P_BL表示母线最大负载功率，P_BC表示充电功率，P_H表示线路功率损耗。

在上述基础上，如图1所示，本发明的步骤如下：

(1)为每个降交点地方时确定偏置角度，进而得到每颗卫星偏置后的太阳电池阵入射角；

第i颗卫星偏置后的太阳电池阵入射角β′_i满足β′_i＝β_i-θ_i，其中β_i为第i颗卫星偏置前的太阳电池阵入射角，θ_i为第i颗卫星降交点地方时的偏置角度。当|β′_i|≤|β_i|时，表明改善了太阳电池阵光照角度。

(2)在步骤(1)的基础上计算最大太阳电池阵入射角β‘_max，所述最大太阳电池阵入射角满足绝对值最大，且余弦值最小，此时太阳光照射到太阳电池阵上的能量最小，这就是最恶劣的太阳电池阵光照条件。

(3)根据最大太阳电池阵入射角计算太阳电池阵面积A_SA，按照图2的原理，计算A_SA流程如下：

首先按照公式1计算不可变输入条件。

第二步是根据母线电压计算每一串电池中电池片数N_S、并联的电池串数N_P：

N_S＝(V_B+V_L+V_D)/V_mpEOL

上式中V_B表示母线电压最大值，V_L表示供电线路损耗压降，V_D表示隔离二极管压降，V_mpEOL表示寿命末期太阳电池片的最大功率点电压。

N_P＝I_L/(I_mpEOL×Fi)

其中N_P表示并联的电池串数，I_L表示最大的方阵输出电流，I_mpEOL表示寿命末期太阳电池片最大功率点输出电流，Fi表示几何损失因子(最大入射角β‘max的余弦值)。

第三步就可以根据串并联电池的总数估算太阳电池阵的面积：

A_SA＝N_P×N_S×A_C/F_S

上式中A_SA是需求的太阳电池阵的面积，A_C表示单体电池片的面积，F_S表示布片系数。

V_mpEOL和I_mpEOL使用下式计算：

V_mpEOL＝(V_mp+β_VEOL×ΔT)×K_VTE×K_VRAD

I_mpEOL＝(I_mp+α_IEOL×ΔT)×K_ITE×K_IRAD×K_IUV

β_VEOL-寿命末期太阳电池电压温度系数(太阳电池的温度改变1℃时，其输出电压的变化值)，典型参数(或实测值)，V/℃；

K_VRAD-太阳电池阵电压粒子辐照损失因子，按太阳电池的电压-粒子辐照剂量曲线来确定；

α_IEOL-太阳电池寿命末期电流温度系数(太阳电池的温度改变1℃时，其输出电流的变化值)，典型参数或实测值，A/℃；

K_IRAD-太阳电池阵电流粒子辐照损失因子，按太阳电池的电流-粒子辐照剂量曲线来确定；

K_IUV-太阳电池阵电流紫外辐照损失因子，按太阳电池的电流-紫外辐照剂量曲线来确定，一般取0.97～0.99；

V_mp-AMO标准条件下，太阳电池最佳工作点时电压典型参数或实测值，单位为V；

ΔT＝T-25℃，其中T为太阳电池工作温度；

K_VTE-太阳电池阵电压测试误差因子；

I_mp-AMO标准条件下，太阳电池最佳工作点时电流典型参数或实测值，单位为l；K_ITE-太阳电池阵电流测试误差因子。

经过上述方法计算得到的A_SA能够包络全部降交点地方时条件。

(4)计算不同降交点地方时太阳电池阵输出功率P_SA，过程如下：

第i颗卫星降交点地方时太阳电池阵输出功率P_SA满足：

P_SA＝A_SA×S×δ×cosβ′_i

S是太阳常数，一般取1353W/m²；δ是太阳电池效率；cosβ′_i是第i颗卫星偏置后的太阳电池阵入射角的余弦值。

(6)根据不同降交点地方时太阳电池阵输出功率P_SA，计算每颗卫星的总充电电量Q_ch、地影区放电电量Q_dis1和光照区补充放电电量Q_dis2；

(6.1)利用如下公式计算第i颗卫星的地影区放电电量Q_dis1：

其中P_longterm是第i颗卫星的长期负载功率，T_umbra是第i颗卫星地影区时间，P_short-term1、P_short-term2和P_{short-term n}分别是第i颗卫星地影区第1次载荷工作时的短期功率、第2次载荷工作时的短期功率和第n次载荷工作时的短期功率；T_short-term1、T_short-term2和T_{short-term n}分别是第i颗卫星地影区第1次载荷工作时长、第2次载荷工作时长和第n次载荷工作时长；V_dis是蓄电池组放电电压，当卫星配备放电调节器时，η_BDR是放电调节器(BDR)的额定效率，当卫星未配备放电调节器时，η_BDR＝1；η_wire是放电线路损耗效率；

(6.2)利用公式P_SA-P_longterm-P_short-term判断太阳电池阵的输出功率是否满足第i颗卫星总负载功率需求，当该公式大于等于0时，太阳电池阵的输出功率满足第i颗卫星总负载功率需求，当该公式小于0时，太阳电池阵的输出功率不满足第i颗卫星总负载功率需求。P_short-term是第i颗卫星的短期负载功率。

如果满足，则光照区补充放电电量Q_dis2＝0，否则利用如下公式计算光照区补充放电电量：

T_{short-term m}是第i颗卫星光照区第m次载荷工作时长；

(6.3)判断第i颗卫星是采用恒定电流充电还是采用蓄电池组两阶段充电方式，如果采用恒定电流充电，则进入a)，如果采用蓄电池组两阶段充电(如部分镉镍电池)，则进入b)；

a)利用如下公式计算第i颗卫星的总充电电量Q_ch

其中T_sunlight是第i颗卫星光照区时间，P_{short-term k}是第i颗卫星光照区第k次载荷工作时的短期功率，T_{short-term k}是卫星光照区第k次载荷工作时长；V_ch是蓄电池组充电电压，η_C/D是蓄电池组充放比；n，m，k根据实际情况确定， 可能相等也可能不等。

b)根据如下步骤计算第i颗卫星的总充电电量Q_ch

Step1：利用如下公式计算蓄电池组第二阶段充电时间T_2nd-stage：T_2nd-stage＝Q_2nd-stage×η_C/D/I_2nd-stage

Step2：利用如下公式计算蓄电池组第一阶段充电电量Q_1st-stage：

Q_1st-stage＝I_1st-stage×(T_longterm-T_2nd-stage)/η_C/D

Step3：利用如下公式计算采用蓄电池组两阶段充电时，第i颗卫星的总充电电量Q_ch：Q_ch＝Q_1st-stage+Q_2nd-stage

其中，Q_2nd-stage是蓄电池组转阶段电量门限，即第二阶段充电电量；I_2nd-stage是蓄电池组第二阶段充电电流，T_longterm是光照区卫星长期负载工作时间，η_C/D是蓄电池组充放比，I_1st-stage是蓄电池组第一阶段充电电流。

(6)根据步骤(5)判断每颗卫星是否满足能量平衡，如果星座中所有卫星均满足能量平衡，则兼顾多种降交点地方时的能量平衡方法结束，否则为每个降交点地方时重新确定偏置角度，重复上述步骤，直到星座中所有卫星均满足能量平衡。

判断卫星满足能量平衡的方法为：若某颗卫星满足当圈能量平衡或多圈能量平衡，即认为该颗卫星满足能量平衡。

当第i颗卫星满足Q_ch-Q_dis1-Q_dis2≥0时，该颗卫星满足当圈能量平衡；

ΔQ_n＝g_dis1n+g_dis2n-Q_chn

当第i颗卫星满足Q_chn+1-Q_dis1n+1-Q_dis2n+1-ΔQ_n≥0时，该颗卫星满足多圈能量平衡；

其中，ΔQ_n是第i颗卫星第n圈的欠充电量，Q_dis1n是第i颗卫星在第n圈地影区总放电电量，Q_dis2n是第i颗卫星在第n圈光照区补充放电电量，Q_chn是第i颗卫星在第n圈光照区的总充电电量，Q_dis1n+1是第i颗卫星在第n+1圈地影区总放电电量，Q_dis2n+1是第i颗卫星在第n+1圈光照区补充放电电量，Q_chn+1是第i颗卫星在第n+1圈光照区的总充电电量。

实施例：

针对某卫星星座共计三颗卫星，其降交点地方时分别为上午9:00、下午13:30和下午15:00轨道设计。根据本发明的计算方法得到的参数配置(偏置角度选择、太阳电池阵面积以及电源分系统配置)如表1所示：

表1 某星座参数配置

在选择上述参数配置情况下，星座内三颗卫星的能量平衡计算结果如表2-表4所示：

表2 卫星1能量平衡计算结果

表3 卫星2能量平衡计算结果

表4 卫星3能量平衡计算结果

根据上述计算结果，星座内3颗卫星电源分系统配置一致，在电源分系统投产时，只需按照统一状态投产三套正样产品；仅需投产一套电性产品，就可以满足三颗卫星地面测试要求。大幅节约了不同卫星技术状态不一致的带来的生产成本，具备了设备批量化生产的条件。

本发明利用太阳翼偏置安装的方式，设置每颗卫星太阳翼的偏置角度从而消除卫星不同的降交点地方时造成的太阳电池阵光照角度不同。在此基础上，使用统一的太阳电池阵和电池组参数进行太阳电池阵面积估算、太阳电池阵输出功率计算以及能量平衡分析，实现不同降交点地方时条件下卫星电源系统的能量平衡分析。其设计结果包括统一的太阳电池阵面积、输出功率，以最大包络的形式，形成卫星电源分系统的最优化配置以及每颗卫星不同的太阳翼偏置安装角度，最终实现适应多种降交点地方时的目的。本发明涉及的卫星电源系统包含电源控制器、太阳电池阵和蓄电池组，通过向减小太阳电池阵太阳光入射角的方向偏置一定角度，满足特定降交点地方时下的能量平衡，达到多星电源设计状态统一，减少电源配置差异，提高太阳电池阵利用率，节省设计及生产成本，利于太阳电池阵、蓄电池以及电源控制器产品的批量化生产。

本发明方法可以为多星组网卫星设计提供依据，将会给卫星任务带来质量、性能和成本上的重大优化。通过确定偏置角度改善太阳电池阵光照条件，优化偏置角度选择，用一种技术状态包络各种不同的降交点地方时的光照条件。该技术状态下，对于不同的降交点地方时条件，偏置角度不同，且均可达到改善了太阳电池阵光照角度的目的，但是太阳电池阵技术状态相同，从而大幅节约研制成本，优化了多星组网卫星、采用多种降交点地方时条件下的电源系统配置方案。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。