本发明涉及航天器设计领域，特别地，涉及一种光学成像类小卫星功耗预算与能源平衡分析方法。
背景技术：
：卫星的功耗预算与能源平衡分析是卫星总体设计中非常重要的一环，它决定了卫星能源系统设计能否满足使用要求。功耗预算与能源平衡分析涉及卫星的功率需求、卫星轨道参数(光照条件)、卫星的工作模式和有效载荷的任务规划等。在卫星总体设计阶段，根据不同的卫星任务使命、功能和使用要求，功耗预算与能源平衡分析也存在很多的不确定性，因此很难给出一个标准的卫星的功耗预算与能源平衡分析方法，因此这方面的公开文献很少。技术实现要素：针对光学成像类小卫星的技术特点，结合实际工程经验，本发明提供一种光学成像类小卫星功耗预算与能源平衡分析方法，可直接用于光学成像类小卫星的总体设计阶段，为卫星工程设计人员提供参考。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种光学成像类小卫星功耗预算与能源平衡分析方法，包括以下步骤：第一步、卫星功耗预算；给定待设计的光学成像类小卫星，根据设计任务需求给定卫星的轨道周期t0。针对给定的光学成像类小卫星，用户自定义卫星的各种工作模式，并且定义各种工作模式下，卫星上的各耗能设备的工作状态以及各单个工作模式下卫星的工作时间。接下来根据用户输入的卫星的各种工作模式以及各单个工作模式下卫星的工作时间，计算输出卫星的各单个工作模式下的卫星功耗值，包括稳态常值功耗、峰值功耗、用户自定义的卫星功耗、卫星的单轨总能耗。(1)计算单个工作模式下的卫星功耗值；设待设计的光学成像类小卫星包括n种耗能设备，在用户自定义的任意一种卫星工作模式下，假设卫星各类耗能设备参与工作的数量为xi个，各类能耗设备的功耗分别为pi(单位：w)，则该单个工作模式下卫星功耗p(单位：w)为：p＝∑xi·pi，i∈[1,n](1)需要说明的是，在任意一种卫星工作模式下，卫星各能耗设备的工作状态都是用户设置的，卫星各能耗设备的功耗是用户自定义确认的。在用户自定义的所有卫星工作模式中，选取工作时间最长的卫星工作模式下对应的卫星功耗值，假设为pw，作为稳态常值功耗。选取功耗最大的卫星工作模式下对应的卫星功耗值，假设为pf，作为峰值功耗。在用户自定义的其他卫星工作模式中，按照用户自定义的其他卫星工作模式的名称输出其对应的功耗pi。(2)计算卫星单轨总能耗；卫星单轨总能耗是根据用户自定义的卫星工作模式，按照一个轨道周期t0内卫星的不同工作模式对应的功耗值进行统计计算。如果在一个轨道周期t0内的某时间段期间同时存在多种工作模式(两种或者两种以上的工作模式)，则在该时间段内选择其中卫星功耗值最大所对应的卫星工作模式进行卫星单轨总能耗的计算。一个轨道周期t0内，假设卫星在多种不同工作模式下的工作时间分别为ti(单位：s)，∑ti＝t0，在一个轨道周期t0内卫星在各种不同工作模式下的功耗分别为pi，则卫星单轨总能耗e(单位：wh)为：ew＝∑(ti/3600)·pi，i∈[1,n](2)其中n为卫星在一个轨道周期t0内工作模式的个数。第二步、卫星能量平衡分析与电源系统分析；即计算太阳电池阵单轨能量、太阳电池阵功率、太阳电池阵有效面积、太阳电池阵设计面积以及蓄电池的能量需求，并进行对应的太阳电池阵和蓄电池的选型。假设已知卫星平均受晒时间为ts(单位s)，卫星单轨总能耗ew(单位wh)(第一步中卫星单轨总能耗计算结果)。假设电-化转换效率百分比为ηdh，默认为90％；光-电转换效率百分比为ηgd，默认为90％；设计太阳电池阵选型：这里设计两种太阳电池阵类型可供用户选择：第一种，三结砷化镓，其电池阵效率百分比为ηp效率默认27％。第二种，硅，其电池阵效率百分比为ηp默认14％。太阳能量密度q，取为1353.0w/m2；设计能量裕度百分比x，用户可自定义，默认为50％；电池阵布片效率百分比ηb，用户可自定义，默认为80％；蓄电池放电效率百分比ηc，默认为90％；蓄电池放电深度百分比ηd，用户可自定义，默认为30％。则有：太阳电池阵单轨最小能量ep(单位wh)为：ep＝ew/ηdh/ηgd(3)太阳电池阵最小功率pp(单位w)为：pp＝ep/(ts/3600)(4)太阳电池阵最小有效面积se(单位m2)为：se＝pp/ηp/q(5)太阳电池阵最小设计面积sd(单位m2)为：sd＝se/ηb(6)考虑裕量后太阳电池阵设计面积sd2(单位m2)为：sd2＝sd·(1+x)(7)考虑裕量后太阳电池阵有效面积se2(单位m2)为：se2＝sd2·ηb(8)考虑裕量后太阳电池阵功率pp2(单位w)为：pp2＝se2·ηp·q(9)考虑裕量后太阳电池阵单轨能量ep2(单位wh)为：ep2＝pp2·(ts/3600)(10)锂电池组的能量需求eb(单位wh)为：eb＝ew/ηc/ηd(11)蓄电池选型可用户根据母线电压v(用户可自定义)，按照锂电池组的能量需求eb，输出蓄电池组的容量eb/v(取整)即为合适的蓄电池型号，选型为按照每10ah一档进位选择。相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：本发明给出了光学成像类小卫星总体方案设计阶段的能源系统满足度的分析方法与过程。方法中结合光学成像类卫星的特点与任务模式，建立了功耗预算和能源平衡分析的数学模型，定量描述了卫星能量平衡分析与电源系统分析方法。该方法条理清晰、正确合理，可为卫星总体设计人员和电源分系统设计师提供设计依据，在卫星设计与研制领域具有很好的应用前景。附图说明图1为本发明的流程图具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。参照图1，为本发明的流程图。本发明中卫星能量平衡的目标为单站单轨进行任务操作，消耗的电能可以在单轨内实现能量平衡。本发明从光学成像类小卫星特点出发，首先结合用户使用要求，自定义计算单个工作模式下的卫星功耗值；然后，根据卫星工作模式，按照单轨工作状态合理考虑功耗值(含全负荷模式)，计算卫星单轨总能耗；根据不同电池阵的选型和设计裕量，接着计算满足能源平衡要求的太阳电池阵参数，包括太阳电池阵单轨最小能量、太阳电池阵最小功率、太阳电池阵最小有效面积、太阳电池阵最小设计面积、考虑裕量后的太阳电池阵设计面积、考虑裕量后的太阳电池阵有效面积、考虑裕量后的太阳电池阵功率、考虑裕量后太阳电池阵单轨能量；最后，计算锂电池组的能量需求，并进行电池选型。该方法结合卫星的实际使用模式，合理的完成整星能源满足程度分析。工程实际应用中证明该方法设计步骤递进清晰、结果正确合理、设计速度快，可为卫星的总体设计奠定坚实的基础。下面结合具体实施实例，对本发明作进一步的说明：第一步、卫星功耗预算；按照本发明提供的一种光学成像类小卫星功耗预算与能源平衡分析方法中的第一步中的方法，统计出本实施例中卫星功耗如下表所示：表1功耗分配表表1中可以看出，卫星各耗能设备包括电源管理分系统、综合信息管理分系统、姿控分系统、载荷分系统、数传分系统以及热控分系统中的设备。用户自定义的卫星工作模式包括待命模式、预备模式、自主视频凝视成像模式、数据下传模式、人在回路视频凝视成像模式。卫星工作模式和平均功耗随时间的分布如表2所示。在一个任务操作窗口内，按照自主视频凝视成像和数据下传按照5分钟计算，人在回路视频凝视成像按照3分钟计算，任务预备按照1分钟计算。因此，根据卫星的实际工作模式，选取卫星待命模式(即地面站不可操控段)、任务预备模式和任务阶段中卫星功耗值最大所对应的卫星工作模式进行计算卫星的单轨总能耗。参照表2，任务阶段中，自主视频凝视成像模式、数据下传模式、人在回路视频凝视成像模式三种模式中卫星功耗值最大所对应的卫星工作模式是自主视频凝视成像，因此取任务期间自主视频凝视成像模式下所对应的功耗进行计算，得到单轨内的最大耗能为244wh。表2卫星功耗随时间分布项目功耗(w)时间(s)累计能耗(wh)待命128.85356191.6预备465.6607.76自主视频凝视成像535.830044.65数据下传382.830031.9人在回路视频凝视成像722.818036.14卫星运行全周期——5716最大244.01取三种能耗状态的最大值，单轨受晒期间，太阳电池主阵应产生244wh的能量。第二步、卫星能量平衡分析与电源系统分析按照本发明提供的一种光学成像类小卫星功耗预算与能源平衡分析方法中的第二步中的方法，以及前面计算得到的单轨总能耗244wh，进行能量平衡分析与电源系统分析，结果如下表所示：表3卫星能量平衡预算根据以上卫星供电设计结果，太阳电池主阵正常工作状态下，在满负荷工作模式下也能够实现单轨的能量平衡。综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。当前第1页12