CN101691140B - 一种皮卫星太阳电池模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种皮卫星太阳电池模拟装置，包括计算机，若干子板，母板，计算机数据接口。本发明还提供一种皮卫星太阳电池模拟方法，先获取若干太阳电池阵特性曲线参数与有效照射系数；再将太阳电池阵特性曲线与有效照射系数相乘，得到一条太阳电池实际应该输出的曲线；利用在负载两端采样得到的输出电流和输出电压计算出当前负载阻值，得到负载两端的电压电流关系图，并将其与太阳电池实际应该输出的曲线相交，交点对应的电流值即实际应输出的电流值；最后将实际应输出的电流值输出到负载，实现电流值实时模拟。本发明硬件结构简单，能方便地做到同时模拟任意多个面的电流输出；能按照实际的标定曲线来模拟出太阳电池在不同受照情况下的输出。

Description

一种皮卫星太阳电池模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及航天器件的模拟技术，尤其涉及一种皮卫星太阳电池模拟技术及装置。

背景技术

皮卫星(重量1-10kg的微小卫星)体积小，通常形状为立方体，六个面外侧均贴有高效太阳电池，通过串联与并联构成太阳电池阵。皮卫星太阳电池阵供电有如下特性：

1.负载较小时太阳电池阵近似恒流源输出。随着负载增大，输出电压升高，输出电流降低，直至截止。较其它类型卫星而言，皮卫星的太阳电池阵输出的电流与电压都很小。

2.因为布局的不同，每个面的太阳电池面积不会完全相等；而每片太阳电池自身的输出性能也不会完全一致。所以照射面的最终性能需通过专门标定。

3.卫星在轨运行时，整个太阳电池阵不可能同时受到光照，有效光照的面积仅仅是太阳光照方向的投影面积，因此输出功率较小。

4.每个面的输出电压都不相同，所以太阳电池输出端与母线间应有电压变换电路作隔离确保安全。

5.当卫星处于轨道中的阴影区时，卫星供电不足的部分由二次能源供应。

为了在地面也能模拟出太空环境中卫星的供电状态，评估皮卫星在轨的能量储备与消耗情况，应在卫星设计阶段计算出相应轨道参数，并对卫星受照射情况进行模拟。

国内外已有研究机构对该问题作过研究，有些公司也推出类似产品。总体来说，存在以下几个问题：

1、市面上所售的一些仪器，价格昂贵，功能复杂但针对性不强，且输出接口数量有限制，经常无法做到一台仪器同时模拟任意多个面的输出；

2、能输出较大功率，但对小功耗的皮卫星而言没有必要，反而使输出精度降低；

3.输出曲线多来自对太阳电池的建模，与太阳电池阵列的试验标定曲线存在差别。

发明内容

本发明提供一种硬件结构简单，灵活性高，适合微小卫星等小功率应用系统的太阳电池模拟装置。本发明还提供该皮卫星太阳电池的模拟方法。

一种皮卫星太阳电池模拟装置，包括：

(a)计算机，用于参数配置，数据存储；

(b)若干子板，根据计算机所配置的参数对单路负载提供输出；

(c)母板，用于对各路子板进行物理连接、电气连接与信号连接；

(d)标准计算机数据接口，连接母板与计算机，用于在母板和计算机间进行指令控制与数据传输。标准计算机接口包括USB、RS232、并口等等。

其中子板包括：

(a)压控恒流源电路，又称V-I电路，用于将输入电压按比例转换为输出电流；

(b)控制芯片，一端与母板连接，用于与计算机进行通讯、执行控制指令和输出控制信号；

(c)数模转换电路，连接控制芯片与压控恒流源电路的输入端，将控制芯片输出的数字信号转换成模拟信号；

(d)模数转换电路，用于连接控制芯片与压控恒流源电路的输出端，将压控恒流源电路的输出端的模拟反馈信号转换成数字反馈信号。

在所述的压控恒流源电路与负载之间还设置保护电路，当压控恒流源电路的输出电流过高时，保护电路分担部分电流，防止过大输出对负载造成损害。

一种皮卫星太阳电池模拟方法，包括如下步骤：

(1)获取若干太阳电池阵特性曲线参数与太阳电池阵有效照射系数；太阳电池阵特征曲线参数通过在太阳电池阵的试验标定曲线上取点获得，有效照射系数来自轨道仿真分析。

(2)将太阳电池阵特性曲线与太阳电池阵有效照射系数相乘，得到一条太阳电池实际应该输出的曲线；

(3)利用在负载两端采样得到的输出电流和输出电压计算出负载阻值，得到负载两端的电压电流关系图，在同一坐标系内将其与太阳电池实际应该输出的曲线相交，交点即得到实际应该输出的电流值；

(4)将实际应该输出的电流值输出到负载，实现对皮卫星太阳电池的输出电流值的实时模拟。

皮卫星太阳电池模拟装置通过计算机配置子板的控制芯片，每块子板模拟单面太阳电池阵输出特性，包括自身输出特性和外界条件(如太阳照射角度)变化，可完成不同型号的太阳电池以及不同轨道上的实验要求。太阳电池阵的输出功率P_A可通过下式计算：

P_A＝S·cosГ·η·F·A_A        (1)

其中，S表示空间太阳光强，单位为瓦/米²(W/m²)，Г是太阳光线与太阳电池阵法线之间的夹角，η表示太阳电池效率，F表示所有太阳电池阵设计和衰减系数的总和，A_A表示太阳电池阵的面积。η、F与A_A可看作常数。通过轨道参数和卫星姿态信息可以计算出卫星第i个面在时刻t的受照角度Г_i(t)和强度S_i(t)，进一步用有效照射系数Φ_i(t)＝Г_i(t)S_i(t)来描述。易知，实际受照的太阳电池输出电流与有效照射系数成正比。

母板结构简单，而且可以板间互连，方便多路子板并联使用，完成对不同外形的卫星的模拟。子板中的压控恒流源电路设计为低电压小功率输出，保证较高精度的同时也可确保安全性。但不失灵活性，也可依照不同的输出功率与精度需求对该部分电路进行专门设计。计算机作为控制与存储终端，具有单面太阳电池特性曲线输入，轨道受照参数输入，回传数据处理三个功能。通过终端软件，分析长时间的供电电压与电流数据，通过计算可以得到星上二次能源(如电池)的能量储备情况。

本发明硬件结构简单，能方便地做到同时模拟任意多个面的电流输出；能按照实际的标定曲线来模拟出太阳电池在不同受照情况下的输出。

附图说明

图1为本发明装置的整体框架图。

图2为本发明装置中子板的硬件框图。

图3为贴片太阳电池的输出特性曲线。

图4为本发明装置中计算机端的工作流程图。

图5为本发明装置中子板的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图来介绍本发明的一种具体实施方式。

如附图1所示为本发明的整体框架图，若干块子板并列连接到一块母板，若干块母板并列连接到计算机。

附图2为本发明子板的硬件框图，子板包括控制芯片和压控恒流源电路以及连接在二者之间的数模转换电路及模数转换电路。在压控恒流源的输出端接有以稳压管为主的保护电路，防止过大电流输出对负载造成损害，当电压与实际太阳电池阵输出相符合时，保护电路不工作；当由于异常情况导致输出电压过高时，保护电路能够分担部分电流，钳制电压，保护卫星供电端。

附图3为某型号贴片太阳电池的输出特性曲线，通过并联与串联若干片这种太阳电池就能构成皮卫星单面的太阳电池阵，太阳电池阵的输出特性曲线与附图3类似，只是电压与电流有所不同。在太阳电池阵输出特性曲线上取若干点，确保通过在这些点间插值直线或二次曲线能足够精确的还原曲线即可。这些点值就是太阳电池阵特性曲线参数。

计算机与子板间的命令主要有三条，都是由计算机发送到子板：

命令1，计算机发送一个点的特性曲线参数；

命令2，计算机发送一个有效照射系数；

命令3，计算机获取当前的采样数据。

计算机端工作流程如附图4所示，首先，需要准备太阳电池阵特性曲线参数与有效照射系数文件。前者通过在太阳电池阵的试验标定曲线上取点获得，后者来自轨道仿真分析。两个参数都按一定格式存为txt文件。然后，启动计算机端的软件，载入太阳电池阵特性曲线参数文件与有效照射系数文件。在装置端已启动的情况下，控制计算机发送命令1到子板的控制芯片。当子板完成曲线参数的接收后，计算机开始定时(10s左右)向子板发送命令2。在间隔时间中，计算机一边向子板发送命令3以获得当前子板工作状态，一边实时处理获得的采样数据。

子板端工作流程如附图5所示，装置启动后，子板一方面采样负载两端的输出电流I与电压V，并通过R＝V/I计算出当前负载阻值R，得到此负载两端的电压电流关系图，另一方面通过中断接收命令。通过接收到若干个命令1传来的数据，子板能粗略重建出I与V的关系曲线，数据越多，重建出的曲线越趋近于原曲线。当接收到命令2时，子板把已重建的特性输出曲线与新的有效照射系数相乘，生成一条实际输出曲线。在同一坐标系中，将负载在I-V图中所对应的直线与太阳电池实际输出曲线相交，交点对应的电流值即实际应该输出的电流值；也就是说，负载阻值R可对应到唯一的一点(V₀，I₀)使R＝V₀/I₀成立，该点的电流值I₀就是装置实际应该输出的电流值，此时，控制芯片将此应该输出的电流值通过数模转换控制压控恒流源电路在负载端得到该输出电流，此过程还包括电流的反馈控制调节。

电池的在轨能量储备曲线理论上为一条折线，代表电池不断充电与放电的过程，该折线包络的趋势，表明卫星能量获得与能量消耗趋向。

通过该装置模拟供电与数据采集，可以获得其供电电压V₁与供电电流I₁，以及模拟太阳电池所提供的总功率P₁＝V₁×I₁。它与整星功耗P₂、电池充放电功率P₃的关系为P₁＝P₂+P₃(正值为充电，负值为放电)。在整星功耗P₂已知的情况下，可以计算出P₃，P₃对时间积分，就获得了上述电池的在轨能量储备曲线。

在测控关闭的状态下，我们无法直接获取星上信息，但我们能预测整星的工作状态以及理论功耗，这可以作为能量平衡估算的有效方法。

通过与测控回传的数据进行比较分析，评估太阳电池处到负载的实际损耗，从而验证该方法的有效性。

需要指出的是，命令发送没有严格的顺序要求。例如，当装置工作一段时间后，计算机追加发送更多的输出特性曲线参数可以使子板输出更加精确。

以上所述仅为本发明的一个较佳实例，并非限定本发明的的实施范围，凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应在本专利的保护范畴之内。

Claims (3)

1.一种皮卫星太阳电池模拟装置，其特征在于，包括：

(a)计算机，用于参数配置，数据存储；所述的计算机具有单面太阳电池特性曲线输入，轨道受照参数输入，回传数据处理三个功能；

(b)若干子板，根据计算机所配置的参数对单路负载提供输出；

(c)母板，用于对各路子板进行物理连接、电气连接与信号连接；

(d)标准计算机数据接口，连接母板与计算机，用于在母板和计算机间进行指令控制与数据传输；

所述的子板包括：

(a)压控恒流源电路，用于将输入电压按比例转换为输出电流；

(b)控制芯片，一端与母板连接，用于与计算机进行通讯、执行控制指令和输出控制信号；

(c)数模转换电路，连接控制芯片与压控恒流源电路的输入端，将控制芯片输出的数字信号转换成模拟信号；

(d)模数转换电路，用于连接控制芯片与压控恒流源电路的输出端，将压控恒流源电路的输出端的模拟反馈信号转换成数字反馈信号。

2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于：在所述的压控恒流源电路与负载之间设置用于当压控恒流源电路的输出电流过高时，分担部分电流的保护电路。

3.一种皮卫星太阳电池模拟方法，包括如下步骤：

(1)获取若干太阳电池阵特性曲线参数与太阳电池阵有效照射系数；

(2)将太阳电池阵特性曲线与太阳电池阵有效照射系数相乘，得到一条太阳电池实际应该输出的曲线；

(3)利用在负载两端采样得到的输出电流和输出电压计算出负载阻值，对应到I-V图上为一条过原点、斜率为1/R的直线，该直线与太阳电池实际输出的曲线有且仅有一个交点，这个交点对应的电流值为实际应该输出的电流值；

(4)将实际应该输出的电流值输出到负载，实现对皮卫星太阳电池的输出电流值的实时模拟。

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