一种敏捷卫星供电系统供电平衡能力闭环测试方法与流程

本发明涉及一种敏捷卫星供电系统供电平衡能力闭环测试方法，属于卫星测试领域。

背景技术：

随着用户对航天图像模式和数据量需求的不断深入，提高姿态机动能力、丰富成像任务模式已经成为对地光学遥感卫星的新要求。敏捷卫星因其远高于传统光学遥感卫星的大范围快速姿态机动能力，可实现对观测目标的快速及多模式成像。传统光学遥感小卫星单轨任务简单，卫星供电能力仅需通过计算成像时整星最大功耗及时间即可进行分析，判断是否可满足供电平衡需求。而敏捷卫星因任务模式众多、姿态变化频繁等特点，成像模式复杂多变，整星功耗变化快，且因太阳电池阵对日角度的变化，引起太阳电池阵发电输出功率的快速变化，因此，传统非敏捷小卫星的供电能力分析方式已很难应用于快速姿态机动成像卫星，需要建立一种敏捷卫星供电系统分析测试方法。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种敏捷卫星供电系统供电平衡能力闭环测试方法，可以有效解决目前敏捷卫星供电能力分析测试的问题，进行卫星供电平衡能力验证。

本发明的技术解决方案是：提供一种卫星供电系统供电平衡能力闭环测试方法，步骤如下：

(1)读取地面测试系统实时数据库中的卫星姿态遥测参数；

(2)将卫星姿态遥测参数代入卫星姿态模型中，计算当前的太阳入射角α；

(3)将当前的太阳入射角α发送到方阵控制软件接口模块，方阵控制软件利用卫星供电模型计算供电功率输出参数I；

(4)将供电功率输出参数I发送给太阳方阵模拟器的各个方阵，太阳方阵模拟器的各个方阵按供电功率输出参数I配置自身输出；

(5)卫星经阴影区起始沿轨道运行一周后，读取地面测试系统实时数据库中的蓄电池组当前电量，判断当前电池是否充满，如果充满则表示卫星供电平衡能力满足要求，如果电池没有充满，表明卫星供电平衡能力不满足要求。

优选的，卫星姿态模型如下：其中S_B,x、S_B,y、S_B,z分别为太阳方向矢量S在卫星本体坐标系中的x轴、y轴、z轴坐标。

优选的，卫星供电模型如下：

I＝P_EOL/V，

P_EOL＝S′×η×F_AL×F_T×F_RAD×F_UV×F×A

其中P_EOL为卫星寿命末期时太阳电池阵的供电功率；V为卫星当前母线供电电压；S′为有效太阳光总辐射照度；η为太阳电池单片光电转换效率；F_AL为太阳电池阵组合损失因子；F_T是太阳电池阵温度修正因子；F_RAD为太阳电池阵粒子辐照衰减因子；F_UV为太阳电池阵紫外辐照衰减因子；F是太阳电池阵其他衰减因子；A为太阳电池阵的有效面积。

优选的，步骤(4)还包括在卫星沿轨道运行过程中，实时采集太阳方阵模拟器的实际输出参数。

优选的，当|I-I′|≤3％I时，判定太阳方阵模拟器输出正常；当|I-I′|＞3％I时，判定太阳方阵模拟器输出存在异常。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)现有的卫星供电系统能力分析方法，是基于传统非敏捷工作模式的卫星，因卫星工作模式需求，该分析方法较为简洁，并不能适用于复杂任务模式的敏捷卫星。本发明提出的敏捷卫星供电系统闭环测试方法，充分结合了敏捷姿态机动时太阳电池阵输出能量和复杂成像模式过程中整星功率需求的变化，建立敏捷卫星姿态和供电系统模型，通过采集遥测参数，实时计算并控制各太阳方阵模拟器分阵的供电输出，能真实的反映卫星在当前姿态下的供电能力。

(2)因敏捷卫星的快速姿态机动和复杂成像模式等特点，很难对其在轨供电平衡能力进行分析。采用本发明的供电系统闭环测试方法，可在敏捷卫星模拟飞行试验测试过程中，根据当前卫星姿态对太阳方阵模拟器系统的供电输出参数进行实时计算及调整，仿真单轨或多轨卫星供电功率变化，对敏捷卫星整星供电平衡分析提供了真实可靠的测试数据，准确推断出卫星在轨工作时，供电系统能否保持功率电量收支平衡。

(3)运用本发明的方法，可通过修改卫星配置参数，灵活建立基于不同敏捷卫星的姿态和供电模型，适用于不同卫星的供电系统测试过程中，对敏捷卫星供电能力进行仿真分析与测试验证。同时，本方法也适用于非敏捷姿态机动工作模式的卫星，可较以往更加真实准确的对其进行供电能力分析。

(4)本发明通过软件编程实现，可以通过运行卫星单轨或多轨成像任务模式，直观便捷的分析卫星供电平衡能力，判断当前卫星供电系统是否可以满足其在轨工作需求，大大提高了工作效率。

附图说明

图1为敏捷卫星地面测试系统配置示意图；

图2为本发明的敏捷卫星姿态模型原理图；

图3为本发明的太阳方向矢量与太阳电池阵法线的夹角示意图；

图4为本发明的供电系统闭环测试功能模块结构图。

具体实施方式

如图1所示为敏捷卫星地面测试系统配置示意图，敏捷卫星地面测试系统包括遥测遥控前端、控制台、地面测试系统实时数据库，太阳方阵模拟器；

遥测遥控前端接收卫星并发送给控制台，控制台进行实时解算后发送至地面测试系统实时数据库存储遥测参数；太阳方阵模拟器的测试控制模块读取地面测试系统实时数据库中的卫星姿态遥测参数，将卫星姿态遥测参数代入卫星姿态模型中，计算当前的太阳入射角α；将当前的太阳入射角α发送到方阵控制软件接口模块，方阵控制软件利用卫星供电模型计算供电功率输出参数I；将供电功率输出参数I发送给太阳方阵模拟器的各个方阵，太阳方阵模拟器的各个方阵按供电功率输出参数I配置自身输出；实时采集太阳方阵模拟器的实际输出参数I′；卫星经阴影区起始沿轨道运行一周后，人为读取地面测试系统实时数据库中的蓄电池组当前电量，判断当前电池是否充满，如果充满则表示卫星供电平衡能力满足要求，如果电池没有充满，表明卫星供电平衡能力不满足要求。

敏捷卫星姿态模型工作原理如图2所示。从太阳星历表数据可以计算得到测量时刻太阳在黄道上的经度，由此可以确定太阳方向矢量S在地心赤道惯性坐标系中的坐标S_I。若以赤经α_S和赤纬δ_S的形式给出，则有

给定测量时刻卫星的轨道参数：升交点赤经Ω，倾角i，近地点幅角ω，真近点角f，那么轨道坐标系相对地心赤道惯性坐标系的转换矩阵可以写作

式中，u为卫星幅角，有u＝ω+f。

这样太阳方向矢量S在轨道坐标系中的坐标S_O可以写作

S_O＝C_OIS_I (3)

卫星本体坐标系相对于轨道坐标系的姿态矩阵可由绕卫星本体坐标轴的欧拉转动给出。在一般情况下，姿态矩阵对应的欧拉角与转动的次序有关。为区别起见，当转动次序为Z_B→X_B→Y_B时，对应的欧拉角记为ψ，θ，那么姿态矩阵可以写作C_BO,(Z-X-Y)

式中，为滚动角，θ为俯仰角，ψ为偏航角。

结合式(3)和(4)即可得到太阳方向矢量S在卫星本体坐标系中的坐标S_B

S_B＝C_BOS_O＝[S_B,x S_B,y S_B,z]^T (5)

本文假设太阳电池阵固定于卫星本体并平行于卫星本体坐标系X_B-Y_B平面，则可由式(5)计算得到太阳入射角α，即太阳方向矢量与太阳电池阵法线的夹角，如图3所示。

则太阳入射角α的计算公式为

在姿态模型建立过程中，需固化坐标系转换计算方式、太阳电池阵相对于卫星的坐标等信息，当接收到姿态参数遥测时，带入姿态模型进行计算，求解太阳光相对于太阳电池阵的入射角。

敏捷卫星供电模型则是配置当前敏捷卫星太阳电池阵的面积、光电转换效率等参数，确定太阳电池阵输出功率的计算方式。卫星电源分系统设计时，通常主要考虑卫星寿命末期时太阳电池阵的供电功率P_EOL，P_EOL的计算方式如下：

P_EOL＝S′×η×F_AL×F_T×F_RAD×F_UV×F×A (7)

其中，

S′为有效太阳光总辐射照度；η为太阳电池单片光电转换效率；F_AL为太阳电池阵组合损失因子，一般取0.97～0.99；F_T是太阳电池阵温度修正因子；F_RAD为太阳电池阵粒子辐照衰减因子；F_UV为太阳电池阵紫外辐照衰减因子；F是太阳电池阵其他衰减因子，一般取0.99～1.00；A为太阳电池阵的有效面积。

可以看出式(7)中，η、F_AL等参数均为不同类型太阳电池阵的固有参数，可按具体参数进行设置，影响供电功率P_EOL的可变参数主要有两个，即有效太阳光总辐射照度S′和太阳电池阵的有效面积A，计算方式分别见式(8)、(9)：

S′＝S₀×cosα×X×X_S×X_e (8)

A＝A₀×F_S×F_j (9)

式(8)中，S₀为太阳常数，1353W/m²；α为太阳光与太阳电池阵法线方向的夹角，即太阳入射角；X为太阳光斜照太阳电池阵时的修正因子，一般在0.95～1.0之间，当太阳入射角小于50°时取1.0；X_S为太阳光强季节性变化因子，春秋分时取1.0，夏至取0.9673，冬至取1.0327；X_e为地球反射光对太阳电池阵输出功率的增益因子。

式(9)中，A₀为太阳电池阵的总面积，m²；F_S是几何因子，即太阳电池阵在垂直于太阳光方向上的投影面积与太阳电池阵总面积之比，平板式太阳电池阵一般取1，若有遮挡应适当减小；F_j为太阳电池阵布片系数，即太阳电池片总面积与太阳电池阵总面积之比，一般取0.85～0.95。

式(8)、(9)中，S₀、X、A₀等参数为固有参数或不同卫星太阳电池阵的具体参数，可按照卫星实际设计情况近似取值。通过分析式(7)、(8)、(9)，可以得出，主要改变供电功率P_EOL的具体参数为α，即由之前姿态模型求解得到的太阳入射角α。将该参数代入式(7)，结合卫星的供电母线电压V，可以得到当前的太阳电池阵供电电流I。

I＝P_EOL/V (10)

供电能力分析功能，需通过实时采集卫星遥测参数，依据建立的敏捷卫星姿态和供电模型，计算并控制各阵太阳方阵模拟器的供电输出，能较真实的、快速的反应卫星在当前姿态下的供电能力。

供电平衡分析功能，在敏捷卫星模拟飞行试验测试过程中，通过本方法仿真卫星在轨太阳电池阵供电电流变化，可通过卫星电源控制器工作状态直观、便捷的对卫星供电平衡进行分析判断，提供了真实可靠的测试数据。

输出结果比对功能。本方法工作过程中，可在测试过程中将太阳方阵模拟器输出功率参数保存至本地文件。通过对卫星姿态进行仿真，按照姿态数据算得太阳电池阵入射角度的理论值，进一步求解理论功率输出参数I，与测试过程中实际输出参数I′进行比对，判断当前闭环测试模式设置是否正确，卫星姿态和供电模型建立是否合理。在敏捷卫星实际测试工程中，当|I-I′|≤3％I时，判定太阳方阵模拟器输出正常；当|I-I′|＞3％I时，太阳方阵模拟器输出存在异常，需修正太阳方阵模拟器配置参数，重新对卫星供电能力及供电平衡进行闭环测试。

如图4所示，本发明的供电系统闭环测试功能模块主要包括遥测数据采集模块、太阳光入射角计算模块、太阳方阵模拟器系统控制软件输入接口模块、供电参数计算模块和供电输出控制模块等。

其中，遥测数据采集模块用于采集实时数据库广播的遥测数据，从中选取UTC时间、升交点赤经、倾角、近地点幅角、真近点角等所需信息。太阳光入射角计算模块，用于将采集到的所需遥测数据，代入已建立的姿态模型中，通过变换坐标系等方式，解算当前太阳光对太阳电池阵的入射角并将其发送至对应端口。太阳方阵模拟器系统控制软件输入接口模块，主要用于实现接收采集已经解算好的太阳光入射角参数。供电参数计算模块，将接收到的太阳光入射角参数，代入建立的供电模型中，根据预先设置好的太阳电池阵面积、光电转换效率等配置参数，计算当前入射角对应的太阳电池阵总供电电流，按照卫星的太阳电池阵数目，计算得各太阳方阵模拟器分阵的具体输出电流参数，将其发送至供电输出控制模块，并存入本地报表文件，以供后续查询参考及数据比对。供电输出模块，在接收到计算得到的各太阳方阵模拟器供电参数时，通过GPIB总线将其发送至各分阵接收端口，各分阵按照收到的参数实时调整功率输出。

敏捷卫星供电系统开始测试时，首先需对当前卫星的姿态和供电模型进行配置，确认参数设置无误，可用于供电系统闭环测试。为了便于控制测试的开始和结束，设置暂停控制标识，当需要暂停时，结束闭环测试进程；若无暂停需求，则进入下一步骤。采集所需的卫星姿态遥测参数，依照配置好的卫星姿态模型，计算太阳光入射角，即太阳光与太阳电池阵法线的夹角。将太阳光入射角α发送至太阳方阵模拟器系统控制软件的相应接口，判断是否正确传送，若成功传送，就进入下一步骤；若传送不成功，则维持各阵当前输出不变，保证卫星得以正常供电，记录错误信息并进入下一次采集计算工作。太阳方阵模拟器系统控制软件，依据建立好的供电模型，带入接收到的太阳光入射角参数，解算各太阳方阵模拟器分阵的供电输出参数。将各阵供电参数发送至对应接口，根据采集到的模拟器供电输出参数，判断是否成功调整各阵供电输出，若成功调整，则进入下一次计算过程；若调整不成功，则维持各阵当前输出不变，记录错误信息并进入下一次采集计算工作。测试结束后，读取地面测试系统实时数据库中的蓄电池组当前电量参数，进行供电平衡能力分析。