可重用的卫星电源能量平衡仿真系统及其建模方法与流程

本发明属于航天器供配电系统设计领域，主要涉及一种可重用的卫星电源能量平衡仿真系统及其建模方法。

背景技术：

电源能量平衡分析是卫星安全可靠运行的必要条件和重要保障，其涉及光电、电气、热学、电化学等多领域；通常需要在设计阶段建立与真实情况接近的仿真模型对电源能量平衡情况进行分析。

现有的卫星电源能量平衡仿真系统通常根据某一具体的型号背景，针对某类卫星及其电源系统设计结构和对应的工作环境进行设计；由于设计思想和研究内容的差异，使得这些能量平衡仿真系统无法重用和扩充，难以进行修改、扩充以适应卫星设计的不同阶段以及不同型号间的卫星应用需求；导致每个型号的电源能量平衡仿真分析，均需要重新建模，或通过二次编程方式开发对应的仿真系统来实现，工作量大、效率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可重用的卫星电源能量平衡仿真系统及其建模方法。

为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式的可重用的卫星电源能量平衡仿真系统，所述系统包括：层次化的能量平衡仿真模型库，模型库管理模块，数据导入模块，模型编辑模块，模型编译模块，模型求解模块以及显示输出模块；

所述层次化仿真模型库由基础模型库，通用模型库，型号模型库逐层向上构建形成；

所述模型库管理模块，用于对所述层次化的能量平衡仿真模型库做载入，修改、查询、删除操作；

所述数据导入模块，其同时与卫星软件工具包对接，用于实时接收卫星软件工具包的输出数据；

所述模型编辑模块采用文本、图形的方式对仿真模型库进行编辑；

所述模型编译模块用于Modelica语法语义分析、模型方程生成、单位检查与运算，以及将能量平衡仿真模型库编译为可执行的C程序；

模型求解模块，执行所述C程序，按照设置的仿真步长注入仿真参数，生成仿真数据；

显示输出模块，读取所述仿真数据进行显示输出。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述基础模型库包括：模拟电路和/或数字电路构成的基础电学仿真单元。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述模拟电路构成的基础电学仿真单元包括：电学的基本元件，半导体元件，理想元件，电源，传感器中的至少一种。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述电学的基本元件包括：电阻、电容；

所述半导体元件包括：二极管、双场晶体管、回转器；

所述理想元件包括：开关、二极管；

所述电源包括：可控电压电源、可控电流电源；

所述传感器包括：电压传感器、电流传感器。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述数字电路构成的基础电学仿真单元包括：延时元件，基本逻辑元件，各类门元件中的至少一种。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述通用模型库包括：供电模型、配电模型、负载模型、接口电路、公用算法组件、模型图标中的至少一种。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述供电模型包括：太阳能电池设备、蓄电池设备。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述配电模型包括：电源控制器设备、配电器设备。

为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供如上所述可重用的卫星电源能量平衡仿真系统的建模方法，所述方法包括：建立基础模型库；

获取所述基础模型库中的通用设备模型，并提取所述通用设备模型中的共有部分以及可变部分；以所述通用设备模型中的共有部分为基础，将所述通用设备模型中的可变部分暴露至其外层并参数化形成通用模型库；

采用Modelica面向对象的语言，对所述通用模型库进行模型继承、参数继承、接口继承、变量继承、方程继承后，注入型号参数，以得到型号模型库；

调用所述型号模型库中的设备模型直接生成层次化的能量平衡仿真模型库。

与现有技术相比，本发明的可重用的卫星电源能量平衡仿真系统及其建模方法，在卫星电源能量平衡仿真系统设计的不同阶段，能量平衡仿真模型库的建立无需从头开始建立，而是基于modeica的继承、变型机制获得；不同类型的卫星电源能量平衡仿真系统可基于通用模型库的继承获得型号模型库，并在型号模型库中对变化的模型进行变型和覆盖，得到该不同类型的卫星电源能量平衡仿真系统所对应的能量平衡仿真模型库，并在该模型库上进行能量平衡仿真分析，减少了重复劳动，提升了建模仿真效率。

附图说明

图1是本发明一实施方式中可重用的卫星电源能量平衡仿真系统的模块示意图；

图2是本发明一实施方式中可重用的卫星电源能量平衡仿真系统的建模方法的流程示意图；

图3是本发明一具体示例中通用模型库和型号模型库的对应关系结构示 意图；

图4A是本发明一具体示例中蓄电池通用模型库的具体示例结构示意图；

图4B是本发明一具体示例中采用继承机制将通用模型库转换为型号模型库的具体示例结构示意图；

图4C是本发明一具体示例中，型号模型库继承通用模型库的模型后，型号模型库的模型的结构示意图；

图4D是本发明一具体示例中，型号模型库继承通用模型库的参数后，型号模型库的参数的结构示意图；

图4E是本发明一具体示例中，型号模型库继承通用模型库的接口后，型号模型库的接口的结构示意图；

图4F是本发明一具体示例中，型号模型库继承通用模型库的变量后，型号模型库的变量的结构示意图；

图4G是本发明一具体示例中，型号模型库继承通用模型库的方程后，型号模型库的方程的结构示意图；

图4H是本发明一具体示例中，型号模型库继承通用模型库的各种模型后，型号模型库中注入新的型号参数后的结构示意图；

图5是本发明一具体示例中，层次化的能量平衡仿真模型库的结构示意图；

图6是本发明一具体示例中，可重用的卫星电源能量平衡仿真系统的运行过程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示，本发明提供的可重用的卫星电源能量平衡仿真系统包括：层次化的能量平衡仿真模型库100，模型库管理模块200，数据导入模块300， 模型编辑模块400，模型编译模块500，模型求解模块600以及显示输出模块700；

所述层次化仿真模型库100由基础模型库101，通用模型库103，型号模型库105逐层向上构建形成；

所述模型库管理模块200，用于对层次化的能量平衡仿真模型库100做载入，修改、查询、删除操作；

所述数据导入模块，其同时与卫星软件工具包对接，用于实时接收卫星软件工具包的输出数据；并将其输入到层次化的能量平衡仿真模型库，以进行仿真计算，获得卫星在任务周期内的飞行事件、飞行轨迹等情况；

所述卫星软件工具包例如：STK，英文全称Satellite Toolkit，所述卫星软件工具包的输出数据包括：轨道、beta角、光照表等参数。

所述模型编辑模块采用文本、图形的方式对仿真模型库进行编辑；

所述模型编译模块用于Modelica语法语义分析、模型方程生成、单位检查与运算，以及将能量平衡仿真模型库编译为可执行的C程序；

模型求解模块，执行所述C程序，按照设置的仿真步长注入仿真参数，生成仿真数据；

显示输出模块，读取所述仿真数据进行显示输出。

上述显示输出可以以多种形态展示给用户，例如：曲线、表格、动画的形式，在此不做详细赘述。

所述基础模型库101包括：模拟电路和/或数字电路构成的基础电学仿真单元。

所述模拟电路构成的基础电学仿真单元包括：电学的基本元件，半导体元件，理想元件，电源，传感器等；

所述电学的基本元件包括：电阻、电容等元件；

所述半导体元件包括：二极管、双场晶体管、回转器等元件；

所述理想元件包括：开关、二极管等元件；

所述电源包括：可控电压电源、可控电流电源；

所述传感器包括：电压传感器、电流传感器等传感器元件。

所述数字电路构成的基础电学仿真单元包括：延时元件，基本逻辑元件，各类门元件等。

所述通用模型库包括：供电模型、配电模型、负载模型、接口电路、公用算法组件、模型图标等。

所述供电模型包括：太阳能电池设备、蓄电池设备等供电设备。

所述配电模型包括：电源控制器设备、配电器设备等配电设备。

所述通用模型库中的各种模型描述了设备的通用属性和行为，与型号无关。

结合图2所示，本发明提供的可重用的卫星电源能量平衡仿真系统的建模方法，包括：

S1、建立基础模型库；

所述基础模型库包括：模拟电路和/或数字电路构成的基础电学仿真单元。

所述模拟电路构成的基础电学仿真单元包括：电学的基本元件，半导体元件，理想元件，电源，传感器等；

所述电学的基本元件包括：电阻、电容等元件；

所述半导体元件包括：二极管、双场晶体管、回转器等元件；

所述理想元件包括：开关、二极管等元件；

所述电源包括：可控电压电源、可控电流电源；

所述传感器包括：电压传感器、电流传感器等传感器元件。

所述数字电路构成的基础电学仿真单元包括：延时元件，基本逻辑元件，各类门元件等。

进一步的，所述方法还包括：

S2、获取所述基础模型库中的通用设备模型，并提取所述通用设备模型中的共有部分以及可变部分；

以所述通用设备模型中的共有部分为基础，将所述通用设备模型中的可变部分暴露至其外层并参数化形成通用模型库；

所述通用模型库包括：供电模型、配电模型、负载模型、接口电路、公用 算法组件、模型图标等。

所述供电模型包括：太阳能电池设备、蓄电池设备等供电设备。

所述配电模型包括：电源控制器设备、配电器设备等配电设备。

所述通用模型库中的各种模型描述了设备的通用属性和行为，与型号无关。

进一步的，所述方法还包括：

S3、采用Modelica面向对象的语言，对所述通用模型库进行模型继承、参数继承、接口继承、变量继承、方程继承后，注入型号参数，以得到型号模型库；

结合图3所示，本发明一具体示例中，所述通用模型库和型号模型库的对应关系结构示意图，该具体示例中，GeneralLib表示通用模型库，CE1表示型号模型库，对所述通用模型库进行模型继承、参数继承、接口继承、变量继承、方程继承后，注入型号参数，以得到型号模型库。

图4A至图4H所示，以蓄电池为例，介绍基于所述通用模型库得到型号模型库的具体流程。

图4A中第一标识框所示为蓄电池的通用模型库，其中该通用模型库中“蓄电池通用模型”下方的代码“Battery”展开后具有两种表现形式分别如第二标识框和第三标识框内所示，第二标识框内为组件视图，第三标识框内为组件视图对应的代码。该组代码中包括参数、接口、变量、方程几个部分；在基于所述通用模型库生成型号模型库过程中，通过一条特殊的命令将所述接口、变量、方程一对一进行复制，提取需要变换的设备型号中关键参数，对蓄电池通用模型中的“参数”进行修改，即可以得到型号模型库。

图4A的第四标识框内为参数的局部放大视图；该示例中，蓄电池的参数包括电池类型，串联数，并联数，其默认值均为1，该示例中，当电池类型的值为“1”时，表示锂电池，其代码表现形式为“parameter Type.BatteryType BatteryType＝1”；串联数的代码表现形式为“parameter Real Ns＝1”；并联数的代码表现形式为“parameter Real Np＝1”。

结合图4B所示，本发明基于所述通用模型库转换为型号模型库过程中，采 用继承机制进行转换，如此，在型号模型库设计的不同阶段，无需从头建立新的型号模型库，仅基于所述通用模型库，采用modeica的继承、变型机制即可获得型号模型库。

Modelica语言的继承机制：关键字为“extends”，此操作是将通用模型库中的相同代码复制到型号模型库中，避免代码的重复撰写。

该示例中，图4B左边为通用模型库中的部分代码，图4B右边为采用Modelica语言的继承机制后，复制生成的型号模型库中的部分代码。

结合图4C所示，所述型号模型库基于通用模型库的模型继承中，通过Modelica语言的继承机制，将蓄电池通用模型GeneralLib.SupplySystem.Battery.Battery继承为蓄电池型号模型CE.SupplySystem.Battery.Battery。

结合图4D所示，所述型号模型库基于通用模型库的模型继承中，通过Modelica语言的继承机制，将蓄电池通用模型的参数继承为蓄电池型号模型的参数，实现参数重用。

结合图4E所示，所述型号模型库基于通用模型库的模型继承中，通过Modelica语言的继承机制，将蓄电池通用模型的接口继承为蓄电池型号模型的接口，实现接口重用。

结合图4F所示，所述型号模型库基于通用模型库的模型继承中，通过Modelica语言的继承机制，将蓄电池通用模型的变量继承为蓄电池型号模型的变量，实现变量重用。

结合图4G所示，所述型号模型库基于通用模型库的模型继承中，通过Modelica语言的继承机制，将蓄电池通用模型的变量继承为蓄电池型号模型的方程，实现方程重用。

结合图4H所示，采用Modelica面向对象的语言，对所述通用模型库进行模型继承、参数继承、接口继承、变量继承、方程继承后，通过Modelica语言的变型机制，将型号参数注入蓄电池型号模型；

该示例中，通用模型库中的“锂电池”变更为“氢镍电池”，则对参数进行重新 注入，在上述模型继承基础上，进一步的在关键字“extends”后，仅需要修改代码“BatteryType＝3，Ns＝7，Np＝2”，即可以完成通用模型库到型号模型库的转换。

进一步的，所述方法还包括：

S4、调用所述型号模型库中的设备模型直接生成层次化的能量平衡仿真模型库。

结合图5所示，本发明一具体实施方式中，层次化的能量平衡仿真模型库的结构示意图。

该示例中，所述层次化的能量平衡仿真模型库自底端向上可划分为基础模型库、通用模型库、型号模型库；基础模型库中包括若干元器件，在所述基础模型库之上，基于所述基础模型库构建关键的设备模型以形成通用模型库，并进一步的，采用Modelica面向对象的语言，对所述通用模型库进行模型继承、参数继承、接口继承、变量继承、方程继承后，注入型号参数，以得到型号模型库；最后调用所述型号模型库中的设备模型直接生成层次化的能量平衡仿真模型库。

进一步的，可重用的卫星电源能量平衡仿真系统中的各个模块，基于层次化的能量平衡仿真模型库进行操作；

结合图6所示，所述数据导入模块，其同时与卫星软件工具包对接，实时接收卫星发送过来的“开关事件”，例如：飞行指令，接收卫星软件工具包发送过来的“STK环境工况”，例如：轨道变化、光照变化；

并将上述接收的数据通过所述数据导入模块导入到能量平衡仿真模型库中。

该示例中，采用上述可重用的卫星电源能量平衡仿真系统的建模方法，基于“模型库”，进行“模型映射”、“模型转换”构建“仿真模型”；

所述模型编辑模块对仿真模型进行“仿真模型编辑”；

模型求解模块对仿真模型进行“仿真参数输入”；

所述模型编译模块对仿真模型进行模型“分析检查”、“模型编译”；

模型求解模块模块执行“模型编译”的结果，进行“仿真设置”及“仿真求解”； 并将其结果存入到“仿真结果库”中；

进一步的，通过显示输出模块显示输出各个阶段的成果；例如：“STK动画显示”，其表现整个运行轨道的变化；

“组件视图浏览”，其表现为图形化的显示模型，包括：电压等参数的图形显示；

“结果曲线”，表现为曲线等线条，可以显示设备的功率，电压耗电情况，在此不做详细赘述。

综上所述，本发明的可重用的卫星电源能量平衡仿真系统及其建模方法，在卫星电源能量平衡仿真系统设计的不同阶段，能量平衡仿真模型库的建立无需从头开始建立，而是基于modeica的继承、变型机制获得；不同类型的卫星电源能量平衡仿真系统可基于通用模型库的继承获得型号模型库，并在型号模型库中对变化的模型进行变型和覆盖，得到该不同类型的卫星电源能量平衡仿真系统所对应的能量平衡仿真模型库，并在该模型库上进行能量平衡仿真分析，减少了重复劳动，提升了建模仿真效率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施方式中的对应过程，在此不再赘述。

综上所述，本发明的可重用的卫星电源能量平衡仿真系统及其建模方法，自动根据航天接口数据单快速生成供配电系统仿真模型框架，减少了设计师的建模工作量，避免引入人为二次误差，大幅提升了仿真验证效率和准确度。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以保存在保存介质中，如ROM/RAM、磁 碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，信息推送服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。

以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括保存设备在内的本地和远程计算机保存介质中。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。