CN101877555A - 用于多颗卫星并行测试的太阳电池阵模拟系统的构建方法 - Google Patents

Abstract

用于多颗卫星并行测试的太阳电池阵模拟系统的构建方法，对多台完全相同的太阳电池阵进行集成，通过分析各个卫星的功率需求，将系统内的多个太阳电池阵分配给多颗卫星并为其供电。通过配电箱将三相动力电分配为三相220V电源为系统内的太阳电池阵供电，供电时保持三相电功率平衡，供电安全不受系统外设备用电的影响。配电箱内设置能量输入、输出转换接口，各个接口接点分配一致，增强了系统通用性。各太阳电池阵之间通过GPIB总线串接，并通过GPIB转USB或LAN实现与计算机的通信。通过转接电缆实现通用设备的灵活使用，能够有效节省测试资源、成本及空间，计算机将实现各卫星及其所对应的太阳电池阵的参数设置，配置方式灵活。

Description

用于多颗卫星并行测试的太阳电池阵模拟系统的构建方法

技术领域

本发明涉及一种可用于小卫星、微小卫星或组网的星座卫星并行测试时所使用的太阳电池阵模拟器系统的构建方法。

背景技术

目前国内小卫星及微小卫星的功率较小，但是分布范围较大，一般为300W至1400W，且具有批量化生产的特点，编队与星座成为近年新的发展趋势。

太阳电池阵模拟器是卫星综合测试阶段的关键测试设备，模拟太阳电池阵在轨工作特性，为整星供电。一般情况下，太阳电池阵模拟器的数目应与卫星太阳翼内电池阵的数目相等。

目前的太阳电池阵模拟器系统多为分散式结构，各太阳电池阵采用220V直接供电，集成度较低，且不便于管理，一套系统只能用于为一颗卫星供电。基于分散式结构的太阳电池阵模拟器无配电箱，作为大功率设备，其使用必须考虑测试现场所有设备的三相用电情况，未自成系统，使用的灵活性及系统的安全性受到了较大的限制与影响；另外，其为不同的卫星配备一定数量的太阳电池阵，且为系统内检测到的所有太阳电池阵设置相同的参数，不具有将系统内的太阳电池阵划分为不同的配置，并为不同配置下的太阳电池阵输出不同的IV曲线的功能，系统不具有通用性，且不能够满足小卫星组网技术的发展与小卫星功率值分散性的特点。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种配置灵活，可用于两颗或者多颗卫星并行测试的太阳电池阵模拟器系统的构建方法。

本发明的技术解决方案是：用于多颗卫星并行测试的太阳电池阵模拟系统的构建方法，步骤如下：

(1)将M台完全相同的能够模拟太阳电池阵IV曲线的太阳电池阵模拟器进行集成并为N颗被测试卫星供电，集成时应满足条件MA＞P₁+P₂+......+P_N，以及M₁A＞P₁，M₂A＞P₂，......，M_NA＞P_N，V₁ ^＊I^＊M₁＞P₁，V₂＊I＊M₁＞P₂......V_N ^＊I^＊M_N＞P_N，其中A为单台太阳电池阵模拟器的最大输出功率，I为单台太阳电池阵模拟器的最大输出电流，P₁，P₂......P_N为N颗卫星各自正常供电所需的供电功率，M₁，M₂......M_N分别为N颗卫星各自正常供电所需的太阳电池阵模拟器的数量，V₁，V₂......V_N为N颗卫星各自的母线电压；

(2)构建太阳电池阵模拟器系统配电箱，所述配电箱将三相动力电分配为三相220V电源并为M台太阳电池阵模拟器供电，M台太阳电池阵模拟器与三相电源的连接方式应保证三相电源所输出的功率相等；

(3)在配电箱内设置能量输入、输出转换接口，所述转换接口通过L+1个插头实现，其中第一个插头汇集全部M台太阳电池阵模拟器的输出功率线，然后从第一个插头分别将对应的(M^＊X)/L个功率输入点分别引出至其余L个插头，X为单台太阳电池阵模拟器的功率线数量；

(4)根据星座组网卫星的需求选取地面设备与卫星之间的转接电缆，用于将L个插头的接点分配给N颗卫星；

(5)通过GPIB总线将所有的太阳电池阵模拟器串接，并通过GPIB转USB总线或GPIB转LAN总线实现太阳电池阵模拟器与控制计算机的通讯；

(6)控制计算机为每个太阳电池阵模拟器设置唯一的物理地址，并将M个地址分成N组，分别对应N颗被测试卫星；测试时，控制计算机分别为每台太阳电池阵模拟器设置IV曲线特性参数，包括最佳工作点电压、最佳工作点电流、开路电压、短路电流、保护电压、保护电流，对应同一颗被测试卫星的太阳电池阵模拟器的设置相同。

所述步骤(3)中的插头为航空插头Y2-50。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明方法结合小卫星功率小，各卫星功率需求分散性较大的特点以及小卫星组网技术的发展，对多台完全相同的太阳电池阵模拟器进行集成，通过分析各个卫星的功率需求，对系统内的各太阳电池阵分配给多颗卫星为其供电，配置方式灵活，可实现单套系统同时对多颗卫星进行测试；

(2)采用三相动力电为太阳电池阵模拟器器系统供电，并设计配电箱，将三相动力电分配为三相220V电源为系统内太阳电池阵模拟器供电，通过合理配置使得为各个太阳电池阵供电的三相220V电功率平衡，供电安全不受系统外设备用电的影响；

(3)在配电箱内设置能量输入、输出转换接口，将各个太阳电池阵的功率线输出至系统后面板接口，且各个接口接点分配一致，保证了太阳电池阵模拟器系统与卫星之间安全、可靠连接，同时增强了系统通用性；

(4)根据卫星的数量、接口以及系统内太阳电池阵数量进行供电分配，设计相应的转接电缆，将系统的输出能量分配给多颗被测卫星，通过转接电缆实现通用设备的灵活使用，能够有效节省测试资源、成本及空间；

(5)控制计算机将系统内的太阳电池阵地址进行划分，并为同一卫星所对应的太阳电池阵模拟器进行相同的参数设置与操作，而不同卫星所对应的太阳电池阵可进行独立设计，解决了一套系统内不同卫星所对应的太阳电池阵升退电时机、IV曲线不一致的困难，实现了一套系统为多颗卫星供电。

附图说明

图1为采用本发明方法构建的太阳电池阵模拟器系统的结构图；

图2为本发明系统中控制计算机进行系统配置时的流程图；

图3为本发明系统中控制计算机进行曲线设定时的流程图；

图4为本发明系统中控制计算机进行供电时的设计流程图；

图5为采用本发明方法同时为双星供电时转接电缆的结构图。

具体实施方式

本发明方法的步骤为：

(1)设被测卫星有N颗，各卫星所需的供电功率为：P₁，P₂......P_N，需将M个能够模拟太阳电池阵IV曲线的太阳电池阵模拟器进行集成，设每台太阳电池阵在所需的工作点处的最大输出功率为A，则需满足如下关系：MA＞P₁+P₂+......+P_N，另外，设为各个卫星供电的太阳电池阵数目分别为M₁，M₂......M_N，则需满足：M₁A＞P₁；M₂A＞P₂.....M_NA＞P_N，另外，设各个卫星的母线电压分别为V₁，V₂......V_N，单台太阳电池阵模拟器输出的最大电流为I，则须满足：V₁ ^＊I^＊M₁＞P₁，V₂ ^＊I^＊M₁＞P₂......V_N ^＊I^＊M_N＞P_N；

(2)构建太阳电池阵模拟器系统配电箱，配电箱将三相动力电分配为三相220V PDU(能量分配单元)，用于为系统内各太阳电池阵供电，在实际使用过程中，处于工作状态的太阳电池阵供电必须保证三相平衡(电源设备输出的功率较大，因此需要考虑为其供电的220V电需要满足三相平衡，否则可能导致供电系统由于某一相负载过大而保护)，即通过将由各相供电的太阳电池阵数目相等，保证三相电源所输出的功率相等；

(3)在配电箱内设置能量输入、输出转换接口，所述转换接口通过L+1个插头实现，设每台太阳电池阵的功率线数量为X，其中第一个插头汇集全部M台太阳电池阵模拟器的输出功率线，然后从第一个插头分别将对应的(M^＊X)/L个功率输入点分别引出至其余L个插头，上述设备内部采用Y2-50型航空插头，该插头载流能力较大，功率线也应选取AF-200等能够耐高温的线缆，且线径需大于0.5mm²，系统内所有输出接口一致，实现设备的通用化，通过该设计可保证卫星与设备之间安全、可靠连接；

(4)根据星座组网卫星的需求选取地面设备与卫星之间的转接电缆，用于将L个插头的接点分配给N颗卫星，即将M台太阳电池阵的能量分配给N颗卫星；

(5)通过GPIB总线将系统内所有的太阳电池阵串接起来，并通过GPIB转USB总线或GPIB转LAN总线实现太阳电池阵模拟器与控制计算机之间的远程通讯；

(6)通过控制计算机为系统内每个太阳电池阵设置唯一的地址；

(7)设计控制计算机上的用户应用程序，主要包括系统配置功能、供电功能、曲线设定功能等。其中，系统配置功能将太阳电池各个太阳电池阵的地址进行分配组合并保存，在系统上电时，首先读取所有配置的参数设计及工作状态信息，之后依次调用底层函数为各个处于工作状态配置下的太阳电池阵设置电压、电流、工作模式等参数并打开其输出开关，对于同一配置下的太阳电池阵，将设置相同的参数。曲线设定功能用于组合工作点电压(V_mp)、工作点电流(I_mp)、开路电压(Voc)、短路电流(I_sc)四个参数，形成IV曲线特性参数，参数设置必须符合太阳电池阵IV曲线规律。供电功能模块主要包括供电阵的电压/电流曲线选择、上电启动功能、实时监控和显示电压/电流状态、修改供电阵设置参数、进阴影功能、设置电子负载功能和断电、数据存档功能。

采用本发明方法构建的太阳电池阵模拟器系统的结构如图1所示。

小卫星及微小卫星太阳电池阵数目为1～10，据此设定太阳电池阵模拟器系统的太阳电池阵数目为12，其可满足所有小卫星的需求，并留有备份，对于太阳电池阵数目较小或需要组成星座、同时进行测试的卫星，可利用这些备份太阳电池阵构建用于双星并行测试的太阳电池阵模拟器系统。

太阳电池阵模拟器系统由12台太阳电池阵(含备份，一般备份太阳电池阵数量为卫星测试所需太阳电池阵数量的1/2或1/4，用于替换发射场或工厂测试阶段出现故障的太阳电池阵)、一台配电箱、一台电子负载、一套控制计算机与控制软件构成。每8个太阳电池阵的功率线通过焊接汇集入一个Y2-50TK，对于能够安装8台太阳电池阵的机柜，在配电箱后面板设计3个Y2-50ZJ插头，其中一个用于插接8个太阳电池阵的功率线输入插头，通过在配电箱内再将相应的功率输入点(对应插头端)引出至另外两个Y2-50ZJ插头，即每4个太阳电池阵的正负功率线通过一个Y2-50型电连接器输出，通过转接电缆与卫星连接为其供电。所有的太阳电池阵通过GPIB总线串接在一起，再通过GPIB转USB总线与计算机进行通信，太阳电池阵模拟器系统控制软件为每个太阳电池阵设置IV曲线等参数并输出。

其中太阳电池阵模拟器选用安捷伦E4350B#J02，其主要性能指标为：最大输出功率480W、最大开路电压86.6V、最大短路电流6A，考虑大型试验时长线上的压降，该指标能够满足小卫星28V及42V母线的供电需求。

配电箱实现三相四线制至三相220V电的分配与转换，以及功率输出接口转换。由于配电箱输出220V，需要零线，因此系统输入的三相四线制为三根火线，一根零线，所以机壳需要单独接保护地。急停按钮用于出现紧急情况时对模拟器系统实施应急断电。本系统功率输出接口采用Y2-50ZJ电连接器，每4个太阳电池阵的正负功率线通过配电箱Y2-50ZJ电连接器输出，每个太阳电池阵正、负线均采用三根功率线，整个系统共采用3个Y2-50ZJ电连接器，且所有的模拟器系统接口点号定义完全一致，增强了设备的通用性与互换性。

电子负载选用安捷伦N3300，其由三个N3306A模块构成，每个模块能够消耗的最大功率为600W，能承载的最大电压为60V，最大电流为120A。电子负载主要用于系统自检时等效负载(卫星)，吸收太阳电池阵模拟器输出的电能，形成闭环。

太阳电池阵模拟器系统控制软件主要由太阳电池阵模拟器底层读写与通讯模块及用户应用程序构成。其中，太阳电池阵模拟器底层读写与通讯模块主要包括太阳电池IV曲线开路电压、短路电流、工作点电压、工作点电流等参数的读取与设置(通过该四个参数即可模拟出太阳电池阵IV特性曲线)，设备输出开关控制，设备错误信息读取，设备保护电压与保护电流参数读取与设置(当检测到输出大于保护电流或电压值时，系统将执行输出保护，将输出电压降至最低)，工作模式设置(Fixed模式、SAS模式或列表模式)等，通过调用SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)指令实现设备参数的设置与读取

太阳电池阵模拟器系统顶层用户应用程序主要包括系统配置功能、供电功能、曲线设定功能等。系统配置功能将各个太阳电池阵的地址进行分配组合并保存，在系统上电时，首先读取所有配置的参数设计及工作状态信息，之后依次调用底层函数为各个处于工作状态配置下的太阳电池阵设置电压、电流、工作模式等参数并打开其输出开关，对于同一配置下的太阳电池阵，将设置相同的参数，通过该功能模块在软件上实现一套太阳电池阵模拟器系统内各太阳电池阵可输出不同的曲线，为两颗卫星供电(两颗卫星的太阳电池阵材料不同，其IV曲线特性参数可能不同，另外，由于测试项目、进度不同，一颗卫星的升退电时间可能与另一颗卫星不同步)，系统配置功能设计流程图如图2所示。在选择对应的卫星型号、并确认各检测到的太阳电池阵均处于连接状态后，为各太阳电池阵指定配置，并设定各配置是否处于工作状态，只有处于工作状态的配置所绑定的太阳电池阵才能够输出电能。不同的配置所设置的信息包括IV曲线及最大开路电压”、“最大短路电流”、“过压保护”、“过流保护”值，保证系统供电安全。

曲线设定功能用于组合工作点电压(V_mp)、工作点电流(I_mp)、开路电压(Voc)、短路电流(I_sc)四个参数，根据NASA公布的太阳电池阵工作特性：

$R_S=\frac{V_{\mathrm{OC}}-V_{\mathrm{mp}}}{I_{\mathrm{mp}}},$ $N=\frac{\ln (2-2^{\mathrm{\α}})}{\ln \left(\frac{I_{\mathrm{mp}}}{I_{\mathrm{SC}}}\right)},$ $\mathrm{\α}=\frac{V_{\mathrm{mp}}(1+\frac{R_s{I}_{\mathrm{sc}}}{V_{\mathrm{OC}}})+R_s(I_{\mathrm{mp}}-I_{\mathrm{SC}})}{V_{\mathrm{OC}}}$

$V=\frac{\frac{V_{\mathrm{OC}}\ln (2-{\left(\frac{I}{I_{\mathrm{SC}}}\right)}^N)}{\ln 2}-R_S(I-I_{\mathrm{SC}})}{1+\frac{R_S{I}_{\mathrm{SC}}}{V_{\mathrm{OC}}}}$

即可形成IV曲线特性参数，参数设置必须符合太阳电池阵IV曲线规律，其中电压和电流参数都必须小于太阳电池阵所能输出的最大电压和电流，且V_mp＜Voc，I_mp＜I_sc，dV/dI＞0.25Ω，V_mp、Voc＜V_prt(保护电压)，I_mp、Ioc＜I_prt(保护电流)，在生成曲线时，系统将判断该参数设置是否满足上述要求，不满足时给出提示信息，重新进行设置，其设计流程图如图3所示。在选择卫星型号，并进入曲线设定功能模块后，首先设计曲线设定的三种操作方式：增加、修改、删除曲线。其中，在曲线增加、修改功能模块中，首先判断用户输入或修改的参数是否满足上述要求，如果满足则将参数写入数据库中，若不满足则给出错误提示信息。在曲线删除功能模块中，首先提供是否确认删除选项，如果用户确认删除则将数据库中将改曲线相关的参数删除，否则返回曲线设定主界面。

供电功能模块主要包括供电阵的电压/电流曲线选择、上电启动功能、实时监控和显示电压/电流状态、修改供电阵设置参数、进阴影功能、设置电子负载功能和断电、数据存档功能，其内部功能及工作流程图如图4所示。图中1代表充供电阵参数设置功能，2代表直接放回，3代表上电/初态功能，4代表实时显示充供电阵电压电流功能，5代表模拟进阴影功能，6代表参数修改功能，7代表电子负载设置功能，8代表断电、数据存档功能。首先进行太阳电池阵参数设置，读取每个配置下用户所选择的曲线参数，并将其设置至设备硬件，在参数设置完成后通过上电功能模块打开各个配置下太阳电池阵的输出开关，之后调用实时监视功能模块，实时读取、显示各个太阳电池阵的输出电压、电流值及变化趋势曲线，在此过程中，可返回太阳电池阵参数设置功能模块修改曲线参数，也可调用模拟进阴影功能模块，模拟卫星进出阴影时的变化过程，在热试验及老练试验过程中，可通过该功能实现模拟器自动升退电，在系统自检时，通过电子负载设置功能模块，设置电子负载的工作模式(恒流、恒压或恒阻模式)及各模式下的电压、电流、电阻值，在卫星测试结束时，实施系统断电、数据存档。

实施例

下面以两颗卫星为例，详细介绍本发明同时为两颗卫星(环境-1A、B双星)供电时的应用。环境-1A、B双星平台状态基本一致，卫星太阳电池阵数量均为6，因此一套包含12个太阳电池阵的模拟器可以为两颗卫星供电。

(1)环境-1A、B卫星太阳电池阵数量均为6，太阳电池阵输出最大功率小于600W，环境-1A、B卫星采用28V母线，太阳电池阵模拟器最大输出电流为6A，最大输出电压为80V，6台太阳电池阵输出功率为：1008W(28^＊6^＊6)，完全能够满足卫星的需求；

(2)设计并生产一套用于模拟器系统功率输出接口与两颗卫星连接的转接电缆，硬件上实现其中6台太阳电池阵为一颗卫星(环境-1A)供电，另外6台太阳电池阵为另一颗卫星(环境-1B)供电，转接电缆设计框图如图5所示。其中，Y1为1～4太阳电池阵输出接口，Y2为5～8太阳电池阵输出接口，Y3为9～12太阳电池阵输出接口，X5-A，X5-B分别为环境-1A及环境-1B卫星供配电测试设备太阳电池阵功率输入电缆接口，太阳电池阵模拟器能量首先输入供配电测试设备(供配电测试设备提供通断控制通路)，再输出至卫星。太阳去昂电池阵模拟器转接电缆共分为三根电缆：Y1，Y2-A～X5-A、Y2～Y2-A、Y2-B、Y2-B，Y3～X5-B，其中，Y2～Y2-A、Y2-B电缆将第5、第6太阳电池阵功率输出线分配至Y2-A插头，第7、第8太阳电池阵功率输出线分配至Y2-B插头，Y1，Y2-A～X5-A电缆将1～6太阳电池阵功率分配至环境-1A卫星，Y2-B，Y3～X5-B电缆将7～12太阳电池阵功率分配至环境-1A卫星；

(3)设定配置，将太阳电池阵1～太阳电池阵6划分为配置1，并处于工作状态；将太阳电池阵7～太阳电池阵12划分为配置2，并处于工作状态；

(4)设置、编辑IV曲线，并在供电功能项中为当前卫星对应配置选取合适的IV曲线，打开软件供电输出开关，点击上电按钮；

(5)在某一颗卫星先于另外一颗卫星上电时，需要将另一颗卫星的软件供电输出开关关闭(输出开关关闭时为系统上电，系统将输出0V/0A曲线)或为其选择0V/0A曲线后再次上电；反之，在某一颗卫星先于另外一颗卫星退电时，需要将该卫星的输出开关关闭或为其选择0V/0A曲线后再次点击上电按钮；

(6)如果两颗卫星同时退电，则点击初态按钮，系统复位，返回初始状态(所有处于工作状态配置下的太阳电池阵输出0V/0A曲线)；

(7)在其中一颗卫星加电，而另外一颗卫星不加电时，可将不加电卫星对应的配置设置为不工作状态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.用于多颗卫星并行测试的太阳电池阵模拟系统的构建方法，其特征在于步骤如下：

(1)将M台完全相同的能够模拟太阳电池阵IV曲线的太阳电池阵模拟器进行集成并为N颗被测试卫星供电，集成时应满足条件MA＞P₁+P₂+......+P_N，以及M₁A＞P₁，M₂A＞P₂，......，M_NA＞P_N，V₁ ^＊I^＊M₁＞P₁，V₂ ^＊I^＊M₁＞P₂......V_N ^＊I^＊M_N＞P_N，其中A为单台太阳电池阵模拟器的最大输出功率，I为单台太阳电池阵模拟器的最大输出电流，P₁，P₂......P_N为N颗卫星各自正常供电所需的供电功率，M₁，M₂......M_N分别为N颗卫星各自正常供电所需的太阳电池阵模拟器的数量，V₁，V₂......V_N为N颗卫星各自的母线电压；

(2)构建太阳电池阵模拟器系统配电箱，所述配电箱将三相动力电分配为三相220V电源并为M台太阳电池阵模拟器供电，M台太阳电池阵模拟器与三相电源的连接方式应保证三相电源所输出的功率相等；

(3)在配电箱内设置能量输入、输出转换接口，所述转换接口通过L+1个插头实现，其中第一个插头汇集全部M台太阳电池阵模拟器的输出功率线，然后从第一个插头分别将对应的(M^＊X)/L个功率输入点分别引出至其余L个插头，X为单台太阳电池阵模拟器的功率线数量；

(4)根据星座组网卫星的需求选取地面设备与卫星之间的转接电缆，用于将L个插头的接点分配给N颗卫星；

(5)通过GPIB总线将所有的太阳电池阵模拟器串接，并通过GPIB转USB总线或GPIB转LAN总线实现太阳电池阵模拟器与控制计算机的通讯；

(6)控制计算机为每个太阳电池阵模拟器设置唯一的物理地址，并将M个地址分成N组，分别对应N颗被测试卫星；测试时，控制计算机分别为每台太阳电池阵模拟器设置IV曲线特性参数，包括工作点电压、工作点电流、开路电压、短路电流、保护电压、保护电流，对应同一颗被测试卫星的太阳电池阵模拟器的设置相同。

2.根据权利要求1所述的用于多颗卫星并行测试的太阳电池阵模拟系统的构建方法，其特征在于：所述步骤(3)中的插头为航空插头Y2-50。

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