一种卫星能源系统的在轨自主管理系统及方法与流程

1.本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种卫星能源系统的在轨自主管理系统及方法。


背景技术：

2.卫星能源系统主要指电能的产生、变化、调剂和分配，提供满足技术要求的一次电源。其作为卫星的重要组成部分，承担着整星的供配电任务，能源系统的安全可靠运行是卫星正常运行的重要保障，对提高卫星性能、增强卫星在轨运行寿命起着决定作用。由近几年国内外公布的航天器在轨运行故障统计数据可知，能源系统发生的在轨故障概率比其它分系统都高，为航天器故障发生概率较高的分系统，故障模式主要为运行环境高低温冲击、静电效应和空间带电粒子造成的电路故障与性能衰减。此外，受地面测控站的地域限制，多数情况下地面站不可能对卫星全程实时跟踪，如果能源系统在不可测弧段内发生故障，若不及时采取措施，很可能会错过故障的最佳处理时机，最终导致故障蔓延、损失增大，甚至可能危及整星安全。因此，在卫星整个寿命周期内对能源系统的自主健康状态和自主运行能力进行提升，有助于提高卫星的可靠性和安全性。
3.当卫星能源供应出现异常时，需要在脱离地面运控系统支持的情况下，由地面支持变成星上自主控制，对在轨产生的故障自主进行快速识别、诊断和处理，以消除故障或降低故障影响，保证卫星的能源平衡，提高卫星的自主运行能力。特别是中高轨道卫星，地影季持续时间长，并且不可测控弧段时间较长，因此开展能源自主故障诊断与恢复设计是确保卫星全寿命周期在轨健康、可靠运行的关键。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种卫星能源系统的在轨自主管理系统，包括：
5.电源控制器，包括：
6.多套独立工作的下位机模块，工作于冷备份方式；
7.多套独立工作的放电调节电路，连接于蓄电池，所述放电调节电路工作于热备份方式；以及
8.多套独立工作的充电调节电路，连接于蓄电池，所述充电调节电路工作于冷备份方式；以及
9.控制中心，包括：
10.下位机软件，用于解析遥测数据及分发间接指令；
11.均衡器软件，其通过rs422总线与所述电源控制器软件通信，用于采集处理所述蓄电池的遥测参数；以及
12.星载计算机，其通过1553b总线与所述电源控制器软件通信，用于采集能源系统的参数，并在能源系统故障时，确定恢复策略。
13.本发明另一方面提供一种卫星能源系统的在轨自主管理方法，包括：
14.将电源控制器自主运行使能状态、充放电功率调节单元自主管理状态以及充放电意外保护自主开机状态设置为使能；
15.采集下位机及蓄电池的遥测参数；
16.根据所述遥测参数与预设值对比，判断是否出现故障以及故障种类；
17.根据所述故障种类，执行对应的预设指令进行自主恢复。
18.进一步地，所述故障种类包括遥测通讯故障、蓄电池放电调节故障、蓄电池充电调节故障、充电调节电路意外触发，以及放电调节电路意外触发。
19.进一步地，所述故障以及故障种类的判断包括：
20.若连续10帧工程参数计数不更新，和/或连续10帧pcu的参考电压不在指定范围内，则为遥测通讯故障；
21.若连续10帧蓄电池的误差电压大于等于第一预设阈值，且蓄电池的充电电流小于等于第二预设阈值，则为蓄电池充电调节故障；
22.若连续10帧主误差放大电路
‑
分流调节电路及放电调节电路的电压小于等于第三预设阈值，且放电调节电路的输出电流小于第四预设阈值，则为蓄电池充电调节故障；
23.若放电调节电路的输出电流小于等于第五预设阈值，则为放电调节电路意外触发；以及
24.若蓄电池组的电压小于等于第六预设阈值，则为充调节电路意外触发。
25.进一步地，所述指定范围为2v
‑
7v，和/或所述第一预设阈值为5v，和/或所述第二预设阈值为0.3a，和/或所述第三预设阈值为8.2v，和/ 或所述第四预设阈值为3a，和/或所述第五预设阈值为
‑
1a，和/或所述第六预设阈值为36v。
26.进一步地，所述遥测通讯故障的自主恢复包括：
27.发送指令“电源控制器下位机备通主断”及“均衡下位机备通主断”，且两条指令时间间隔为1秒，稳定后，通过遥测确认电源控制器下位机遥测为主断备通，以及均衡器下位机为主断备通；以及
28.判断进出影标志，以决定档位设置：
29.若所述进出应标志为“0”，则星载计算机按照出影后的工作模式对蓄电池组进行操作：将pcu充电工况设置为搁置、pcu充电工况设置为使能、蓄电池组加热器的阈值设置为1℃
‑
5℃；蓄电池组电压设置为5档；以及蓄电池电流档设置为3档；以及
30.若所述进出应标志为“1”，则星载计算机按照进影前的工作模式对蓄电池组进行操作：将pcu充电工况设置为满充、pcu充电工况设置为使能、蓄电池组加热器的阈值设置为16℃
‑
20℃；蓄电池组电压设置为4档；以及蓄电池电流档设置为7档。
31.进一步地，所述蓄电池放电调节故障、蓄电池充电调节故障、充电调节电路意外触发，以及放电调节电路意外触发的自主恢复通过发送指令使得故障电路断电和/或重新加电实现。
32.进一步地，所述在轨自主管理方法，还包括：当卫星供电出现故障，星载计算机按照一定时序关闭载荷单机，卫星进入安全模式，并按照进影操作设置蓄电池组：将pcu充电工况设置为满充、蓄电池组加热器的阈值设置为16℃
‑
20℃；蓄电池组电压设置为4档；蓄电池电流档设置为7档；以及启动蓄电池组电量计。
33.本发明提供的一种卫星能源系统的在轨自主管理系统及方法，针对中高轨道卫星所处空间电磁环境比较复杂，提出了能源系统在轨自主故障诊断与恢复设计，并在北斗导航卫星上进行了验证，通过在轨数据分析，验证了所设计系统能动态实时在线状态检测，有效解决了卫星在轨故障识别诊断、处理及恢复，实现在轨自主维护，提高卫星的运行寿命，为后续其他型号在轨稳定运行管理提供设计及应用参考，具有重要的工程实践意义。
附图说明
34.为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
35.图1示出本发明一个实施例的一种卫星能源系统的在轨自主管理系统的结构示意图；
36.图2示出本发明一个实施例的一种卫星能源系统的下位机的在轨自主管理流程示意图；
37.图3示出本发明一个实施例的一种卫星能源系统的功率调节单元的在轨自主管理流程示意图；
38.图4示出本发明一个实施例的一种卫星能源系统的功率调节单元防意外触发的流程示意图；
39.图5示出本发明一个实施例的一种卫星能源系统的自主运行流程示意图；
40.图6示出本发明一个实施例的一种卫星能源系统的蓄电池组进出影自主管理流程示意图；
41.图7a
‑
7b示出某北斗卫星的v
bea
‑
b
电压曲线和b蓄电池过充保护状态示意图；
42.图8a
‑
8c示出某北斗卫星的bcr1b/bcr2b/bcr3b加电状态和输入电流曲线示意图；以及
43.图9示出某北斗卫星的a/b蓄电池电压曲线示意图。
具体实施方式
44.以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
45.在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
46.需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可
根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
47.卫星能源系统包括电源控制器pcu、太阳电池阵、锂离子蓄电池组、均衡器和配电器。其中，pcu作为能源系统的控制中心，在卫星寿命周期内调节太阳电池阵和锂离子蓄电池组的能量传输和功率平衡，为平台和载荷提供一条全调节、高品质的供电母线，以满足卫星在整个寿命周期内各种工作模式下的功率需求。pcu按功能划分为主误差放大电路 mea、分流调节电路s3r、充电调节电路bcr、放电调节电路bdr和遥测遥控电路tm/tc。其以mea电路为调节中心，采用三域控制方式统一调节s3r、bcr和bdr工作。mea信号是实现全调节母线控制的基准，随不同的负载需求，pcu能自动切换到相应的工作模式。在光照期，s3r调节太阳电池阵对星上负载供电，同时通过bcr给蓄电池组充电；在地影期，通过bdr调节蓄电池对星上负载供电。
48.为避免因pcu工作异常导致整星供配电出现严重故障，本发明提供一种卫星能源系统的在轨自主管理系统及方法，对电源控制器的下位机模块及功率调节模块分别进行了故障诊断与恢复设计。
49.首先，为保证星上能源供应正常，对电源控制器进行了冗余设计，使得所述电源控制器包括2套独立工作的下位机模块，以及6套独立工作的bdr电路bdr
1a
～bdr
3a
‑
、bdr
1b
～bdr
3b
‑
和6套独立工作的bcr电路 bcr
1a
～bcr
3a
‑
、bcr
1b
～bcr
3b
‑
。其中，所述下位机模块工作于冷备份方式， bdr
1a
～bdr
3a
‑
及bdr
1b
～bdr
3b
‑
分别对应a蓄电池组及b蓄电池组放电功能，其工作于热备份方式，以及bcr
1a
～bcr
3a
‑
及bcr
1b
～bcr
3b
‑
分别对应a蓄电池及b蓄电池组充电功能，其工作于冷备份方式；以及
50.其次，如图1所示，所述在轨自主管理系统将pcu下位机软件、均衡下位机软件以及星务能源管理软件通过总线连接，使其实现协同工作，并采用表征pcu关键功能的重要参数作为判决依据，设定合理的判决门限、采样时间和次数，以进行自主故障诊断。在本发明的一个实施例中，所述在轨自主管理系统通过1553b总线统一进行数据采集和指令分发，其中，均衡下位机软件完成蓄电池遥测参数的采集处理，并通过 rs422总线实现与pcu的信息交换；pcu下位机软件通过1553b总线与星载计算机通信，完成遥测数据和间接指令的分发解析；以及星载计算机通过1553b总线采集各关键参数，触发报警时通过1553b总线发送预先设定的指令执行相应策略。在本发明的其他实施例中，还可通过地面系统，根据卫星状态进行影响阈分析以进行后续操作。
51.基于所述在轨自主管理系统，当各模块自主运行使能状态“使能”时，可进行电源控制器故障自主管理、电源系统自主运行、辅母线模块故障报警和蓄电池组进出影自主管理，进而实现能源系统自主故障诊断与恢复设计。
52.所述电源控制器故障自主管理需要设置相应电源控制器自主管理使能/禁止指令，并同时具有相对应的使能/禁止状态，在本发明的一个实施例中，通过遥测将所述电源控制器自主运行使能状态设置为“使能”。所述电源控制器故障自主管理包括pcu下位机故障诊断与恢复、功率调节单元故障诊断与恢复以及防止功率调节单元意外触发。
53.当下位机自主管理使能允许，可进行pcu下位机故障诊断与恢复，如图2所示，通过工程参数技术以及参考电压，判断是否出现遥测通讯故障，若是，则执行pcu主备切机指令完成切机操作，在本发明的一个实施例中，当连续10帧工程参数计数不更新，即计数不增加，和/或连续10帧pcu的参考电压1及参考电压2均不在2v
‑
7v范围内时，判断为遥测通讯故
障，根据如下步骤执行切机操作：
54.首先，发送指令“电源控制器下位机备通主断”及“均衡下位机备通主断”，且两条指令时间间隔为1秒，稳定后，通过遥测确认电源控制器下位机遥测为主断备通，以及均衡器下位机为主断备通；以及
55.接下来，判断进出影标志，以决定档位设置：
56.若所述进出应标志为“0”，则星载计算机按照出影后的工作模式对蓄电池组进行操作：将pcu充电工况设置为搁置、pcu充电工况设置为使能、a/b蓄电池组加热器的阈值设置为1℃
‑
5℃；a/b蓄电池组电压设置为5档；以及a/b蓄电池电流档设置为3档；以及
57.若所述进出应标志为“1”，则星载计算机按照进影前的工作模式对蓄电池组进行操作：将pcu充电工况设置为满充、pcu充电工况设置为使能、a/b蓄电池组加热器的阈值设置为16℃
‑
20℃；a/b 蓄电池组电压设置为4档；以及a/b蓄电池电流档设置为7档；
58.在本发明的一个实施例中，充电电压档位、电流档位和加热器的阈值通过上注设置。
59.当bcr功率调节单元自主管理使能允许，可进行bcr功率调节单元的故障诊断与恢复，如图3所示，通过均衡器软件采集蓄电池a及蓄电池b的误差电压及充电电流，进而判断bcr功率调节单元是否出现故障。以蓄电池a为例描述具体操作，当连续10帧蓄电池a的误差电压大于等于5v，且蓄电池a的充电电流小于等于0.3a时，判断蓄电池a故障，若此时，bcri,a加电状态为“on”(i＝1～3)，则发送指令bcri,a断电，间隔1s后发送bcri+1,a加电，然后判断操作，若正常，则将“bcr功率调节单元切换成功状态”设置为“成功”，蓄电池b的故障及恢复与蓄电池a一致。
60.当bdr功率调节单元自主管理使能允许，可进行bdr功率调节单元的故障诊断与恢复，如图3所示，通过mea(s3r)电压及mea(bdr) 电压，判断当bdr功率调节单元是否出现故障。当连续10帧mea(s3r) 电压及mea(bdr)电压均小于等于8.2v，且6个bdr加电状态为“on”、只有1个bdrix,jy的输出电流小于等于3a，则发送指令使得bdrix,a 和bdrix,b使得故障bdr断电，其中，ix指故障bdr序号，取值1或2 或3，jy取值a或b，判断操作正常后，将“bdr功率调节单元切换成功状态1”设置为“切换成功”；如果满足所有4个bdr状态为“on”并且flag
bdroff
为false，同时bdrix,jy’再次出现故障并且bdrix,jy’中的jy’不等于jy，则发送指令使得bdrix,jy加电，同时bdrix,jy’断电，判断操作正常后将“bdr功率调节单元切换成功状态2”设置为“切换成功”，并把flag
bdroff
设置为true，否则整星进入安全模式；当 bdr功率调节单元切换成功状态2“切换成功”后，再次出现bdrix,iy 新故障，整星转安全模式；以及如果在上述情况下，又出现一个bdrix,jy’输出电流≤3a，根据目前的工作状态，其中i的取值为2或 3，jy’的取值为a或b，并且满足4个bdr维护在on状态，并且flag
bdroff
为false，如果jy’＝b，则发送指令使得bdrix,b断电，bdr1x,b加电，判定bdr1x,b加电和bdrix,b断电正常后，并将bdr功率调节单元切换成功状态2设置为成功，时将flag
bdroff
设置为true；如果jy’＝a或 flag
bdroff
为true，则整星进入安全模式，当再次又有bdrix,iy出现故障后，将整星进入安全模式。
61.当bdr意外保护自主开机状态“使能”时，可通过bdr的输出电流判断是否发生bdr意外触发。如图4所示，当连续10帧bdr输出电流 i
bdrix,iy
(ix＝1,2,3；jy＝a,b)小于等于
‑
1a，且说明出现bdr意外触发，若当前bdrix,jy加电状态为“on”，则发送指令使得bdrix,jy
断电，间隔1s后发送指令使得bdrix,jy加电，如果该i
bdrix,iy
大于
‑
0.3a，则将对应的bdrix,jy解锁状态设置为“执行成功”；如果连续三次执行后故障如故，则将对应的bdrix,jy解锁状态设置为“执行异常”，同时将对应的bdrix,jy故障标志位设置为“异常”。
62.当bcr意外保护自主开机状态“使能”时，可通过蓄电池组a、b 的电压判断是否发生bcr意外触发。如图4所示，当连续10帧蓄电池组a、b的电压小于等于36v时，则说明出现bcr意外触发，蓄电池过充，若此时bcrix,jy(ix＝1,2,3；jy＝a,b)加电状态为“on”，则发送指令使得bcrix,jy断电，间隔1s后发送蓄电池组a、b过充保护复位，间隔1s后发送bcrix,jy加电，连续发送三次；如果蓄电池组a、b过充保护状态仍为“保护”时，则发送蓄电池组a、b过充保护禁止，连续发送三次。
63.如图5所示，当电源控制器自主运行使能状态为“使能”，卫星进入自主运行模式后，控制中心发送指令“a蓄电池组电量计复位”“b 蓄电池组电量计复位”，在该工作模式下，电量计不参与任何操作，同时将pcu充电工况设置为满充，将a、b蓄电池组充电电流设置为07档， a、b蓄电池组充电电压设置为04档，同时设置a、b蓄电池组加热器阈值。
64.当卫星供电出现故障，整星进入安全模式，控制中心按进影操作步骤来完成电源分系统设置，实时关闭相关载荷，使整星负载功率降低至最小。进入安全模式的条件有两种：
65.第一，自主进入安全模式状态为使能，且处理能源包中的主份及备份母线电压以及计算机采集的母线电压三个遥测量在一分钟时间内一直处于38v以下；以及
66.第二，自主进入安全模式状态为使能，且处理能源包中的主份及备份pcu输出电流、负载电流1、负载电流2的遥测量在一分钟内有三个一直处于大于70a。
67.如图6所示，蓄电池组进出影自主运行使能状态遥测为“使能”时，控制中心可以依据整星进出影标志决定蓄电池组在轨维护工作方式，蓄电池组进出影自主管理运行需要设置相应自主进出影使能/禁止指令，并同时具有相对应的使能/禁止状态，其中：
68.当进出影标志由“0
→
1”时，卫星将在3天内进影，星载计算机按照进影前的工作模式对蓄电池组进行操作，其操作包括：
69.pcu充电工况设置为满充；
70.a/b蓄电池组加热器的阈值设置为16℃
‑
20℃；
71.a/b蓄电池组电压设置为4档；
72.a/b蓄电池电流档设置为7档；以及
73.a/b蓄电池组电量计启动；以及
74.当进出影标志由“1
→
0”时，卫星已经出影，能源软件按照出影后的工作模式对蓄电池组进行操作，其操作包括：
75.pcu充电工况设置为搁置；
76.pcu充电工况设置为使能；
77.a/b蓄电池组加热器的阈值设置为1℃
‑
5℃；
78.a/b蓄电池组电压设置为5档；
79.a/b蓄电池电流档设置为3档；
80.a/b蓄电池组电量计复位；
81.在本发明的实施例中，所述充电电压档位、电流档位和加热器的阈值通过上注实
现。
82.在本发明的一个实施例中，还设置有辅母线模块。所述辅母线模块一共有a、b、c3个模块独立工作。正常状态下，a、b模块同时加电处于备份状态，而c模块关机处于冷备状态。当“辅母线模块a”超过正常范围或“辅母线模块b”超过正常范围时，则辅母线工作异常，显示辅母线模块故障报警，同时控制中心发送指令关闭报警辅母线，间隔1s 后，发送辅母线c开机。在本发明一个实施例中，所述正常范围指4.30
ꢀ±
0.2v。
83.为验证所述在轨自主管理系统及方法的有效性，通过某北斗导航卫星进行了在轨应用验证：
84.地面软件显示蓄电池过充保护“报警”故障状态。此时，遥测显示卫星b蓄电池过充保护状态由最初的“0/正常”变为“1/保护”，同时功率调节单元bcr1b加电状态由最初的“0/加电”变为bcr1b“1/断电”， bcr3b加电状态由“1/断电”切换为“0/加电”，同时功率调节单元切换成功状态显示为bcr
‑
b“切换正常”，bcr
‑
a相关参数均正常。卫星故障前后相关参数状态变化如表1所示。
[0085][0086]
表1
[0087]
针对上述现象进行故障树分析，最终确定故障原因为b蓄电池过充保护锁存电路异常翻转(单粒子效应)，从而触发b蓄电池保护。由图 3和图4可知，在pcu功率调节单元故障自主管理“使能”状态下，当满足v
bea
‑
b
≥5v，bcri,b(i＝1到3)加电状态为“on”并且bcri,b输入电流≤0.3a，连续10帧满足条件时，则发送bcri,b断电、bcri+1,b 加电，判断操作正常后，将bcr功率调节单元切换成功状态设置为“切换成功”。对故障前后的相关遥测数据进行分析比对，见图7a
‑
7b、图 8a
‑
8c和图9所示。
[0088]
b蓄电池过充保护状态和bcr切换过程见图7a
‑
7b、图8a
‑
8c所示。故障后某时刻卫星进入地影，蓄电池开始放电。由7a
‑
7b、图8a
‑
8c和图9可知，当b蓄电池放电至电压35.99v时，bcr3b蓄电池过充保护复位，此时b蓄电池过充保护状态由“保护/1”切换为“正常/0”；卫星出地影进入阳照区，蓄电池放电结束开始充电，此时bcr3b充电电流正常，b蓄电池最终为满电状态。故障后蓄电池充放电曲线见图8a
‑
8c和图9所示。可以看出，当卫星在轨运行受到空间环境干扰、出现过充保护后，所述在轨自主管理系统在轨工作正常，验证了在轨自主管理系统的正确性和有效性。
[0089]
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上
述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。