CN104836529A - 一种在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断方法。本发明结合真实的在轨卫星遥测历史数据、在轨卫星太阳电池阵在轨衰减情况与太阳入射光强和阳光矢量与轨道面夹角等物理参数提出了一种经过简化的太阳电池阵输出电流的半物理模型，利用ε·(cosβ)n优化太阳电池阵输出电流的物理模型，并在此基础上得到太阳电池阵输出电流的动态报警门限，从而更准确合理地进行太阳电池阵的故障诊断，提高故障诊断精度的同时，大大降低了漏报的风险，而且本发明的模型计算量适中，便于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及在轨航天器的电源系统领域，具体涉及一种在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断方法。
背景技术
电源系统是为在轨航天器提供能源的服务系统，其中太阳电池阵是利用光电转换器件组合成的发电系统，是目前长寿命航天器的首选发电装置。其电性能设计的主要目的是满足航天器的功率需求。
太阳电池阵与其他形式的能源相比，具有功率大、寿命长、重量小、构造简单和可靠性高等优点，使其无论在地面还是在空间都获得了广泛的应用和发展。然而太阳电池阵是极少数裸露在外的设备之一，面临着恶劣的外太空环境，例如太阳风暴、太阳黑子、地磁爆、空间碎片等等，会对太阳电池阵造成不良影响。同时太阳电池阵性能随在轨工作时间的增加而逐渐衰减，这意味着在入射太阳光强一定的前提下，寿命末期太阳电池阵输出功率要低于初期。综上，在极端情况下，太阳电池阵受外界和自身的影响可能导致卫星寿命末期整星供电功率不足。因此为保障卫星在轨正常工作、必要时进行负载功率调整，需要开展对太阳电池阵的实时监测和故障诊断工作。
然而目前太阳电池阵监测及故障诊断手段匮乏，因此需要加强在轨监测和故障诊断方法、进而提高在轨管理水平。开展太阳电池阵的在轨管理，避免出现灾难性故障，延缓太阳电池阵的性能衰减，最终实现高性能、高可靠、长寿命的任务目标。
太阳电池阵输出电流是反映太阳电池阵在轨性能的重要参数之一。但现有技术手段中，只是利用固定门限监视手段对太阳电池阵输出电流进行在轨故障诊断，容易出现漏报的现象。如2011年某卫星太阳电池阵受空间外力影响造成两路太阳电池电路损坏，太阳电池阵输出电流减小3A，但基于固定门限的诊断方法无法监测出该故障。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断方法，提出了一种经过简化的太阳电池阵输出电流的半物理模型，并在此基础上获取太阳电池阵输出电流的动态报警门限，能够较为准确合理地进行故障诊断，提高故障诊断精度的同时，大大降低了漏报的风险，而且此模型计算量适中，便于工程实现。
在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断方法。具体步骤如下：
步骤1：计算在轨卫星的太阳入射光强Wsun(t)，其中t表示时间；
步骤2：根据在轨卫星遥测的历史数据得到太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)；
步骤3：构建优化的太阳电池阵输出电流物理模型并计算太阳电池阵拟合输出电流I拟合(t)；
本步骤中，根据在轨卫星遥测历史数据，得到太阳入射光强Wsun(t)和太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)之间的形变因子ε·(cosβ)n，构建优化的太阳电池阵输出电流物理模型：
I物理(t)＝ε·(cosβ)n·Wsun(t) (2)
其中，ε为在轨卫星太阳电池阵在轨日衰减因子，β为阳光矢量与轨道面夹角，n为大于-1的负数；
将I物理(t)向I方阵(t)逼近，得到太阳电池阵拟合输出电流I拟合(t)：
I拟合(t)＝a·I物理(t)+b＝a·ε·(cosβ)n·Wsun(t)+b (3)
其中，a和b分别为一次项系数和常数项；
步骤4：确定太阳电池阵在轨监测电流I监测(t)：
当太阳电池阵不受遮挡时，I监测(t)等于I拟合(t)；
当太阳电池阵受星体或大型天线遮挡时，测量太阳电池阵受遮挡面积对应的电流值I遮挡，则I监测(t)＝I拟合(t)-I遮挡；
当在轨卫星处于本影期间时，I监测(t)＝0；
当在轨卫星处于半影期间时，测量此时太阳电池阵受遮挡面积对应的电流值I半影，则I监测(t)＝I拟合(t)-I半影；
步骤5：设置故障诊断门限
在轨监测时，根据在轨卫星遥测的历史数据，将I监测(t)±(2～2.5)A作为适用于该在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断门限；
步骤6：进行故障诊断：
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流在所述故障诊断门限的范围内，则判定太阳电池阵工作正常；
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流高于所述故障诊断门限，则在轨卫星设备的供电偏高，采取调整太阳电池阵的姿态或添加负载的措施来减轻分流设备的负担；
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流低于所述故障诊断门限，进一步判断太阳电池阵的功率是否满足供电需求，如果功率满足供电，判定太阳电池阵工作正常，继续监测；如果出现功率不足的情况，适当减少负载。
步骤二中太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)的获取方法为：
对于遥测参数中有太阳电池阵输出电流参数的在轨卫星，查询得到在轨卫星光照期间的太阳电池阵实际输出电流；
对于遥测参数中没有太阳电池阵输出电流参数的在轨卫星，计算光照期间充电电流为0值时刻或涓流值时刻的负载电流、充电电流和分流电流的遥测参数值之和，作为太阳电池阵实际输出电流。
有益效果：
1、本发明的太阳电池阵故障诊断的方法是真实的在轨卫星遥测历史数据、在轨卫星太阳电池阵在轨衰减情况与太阳入射光强和阳光矢量与轨道面夹角等物理参数相结合的半物理方法，并得到太阳电池阵输出电流的动态报警门限。一方面，与物理仿真、测试等数据相比，在轨卫星遥测数据能更真实地反映卫星在轨性能的变化情况；另一方面，本发明利用形变因子(cosβ)n来代替太阳电池阵温度-功率系数，利用ε·(cosβ)n优化太阳电池阵输出电流的物理模型，模型简单，便于工程实现，且拟合精度高，在轨故障诊断可精细化至一到两路太阳电池的诊断；此外，在卫星姿态较为稳定的前提下，本发明中得到的太阳电池阵输出电流拟合公式仅与时间相关，利用该公式计算当前时刻的太阳电池阵输出电流，简单高效、可行可靠，而且普适性高，可用于航天器太阳电池阵故障诊断和预警的研究中，也可应用于太阳电池阵的衰降等性能方面的分析。
2、由本发明得到的太阳电池阵输出电流理论值，根据在轨卫星实际情况经过外扩一定范围后得到动态的报警门限，适用于在轨监视工作，大幅优化了原有的报警上下限。
附图说明
图1为在轨卫星太阳电池阵输出电流拟合方法及诊断流程图；
图2为某在轨卫星太阳光强度年周期变化规律图；
图3为某在轨卫星太阳光入射强度年周期变化规律图；
图4为某在轨卫星太阳电池阵实际输出电流图；
图5为某在轨卫星太阳电池阵实际输出电流与太阳入射光强的关系图，其中光滑曲线为太阳入射光强，频繁波动曲线为太阳电池阵实际输出电流；
图6为某在轨卫星太阳电池阵实际输出电流与初步拟合电流的关系图，其中光滑曲线为初步优化的输出电流，频繁波动曲线为太阳电池阵实际输出电流；
图7为某在轨卫星太阳电池阵初步优化的输出电流与I方阵(t)之间的误差图；
图8为某在轨卫星太阳电池阵实际输出电流与最终的拟合输出电流的关系图，其中光滑曲线为最终的拟合输出电流，频繁波动曲线为太阳电池阵实际输出电流；
图9为某在轨卫星太阳电池阵最终的拟合输出电流与I方阵(t)之间的误差图；
图10为某在轨卫星太阳电池阵诊断门限示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
影响太阳电池阵输出电流的因素较为复杂，主要包括：日地距离因素，卫星轨道因素，电池阵温度因素，遮挡因素，衰退因素等。事实上，若想通过在轨遥测数据将所有因素一一剥离，得到太阳电池阵输出电流的精确数学模型是不可实现的。
本发明为解决太阳电池阵输出电流精细化监测需求与精确数学模型难以构建之间的矛盾，在考虑了以上各影响因素的基础上，提出了一种经过简化的太阳电池阵输出电流的半物理模型，并在此基础上获取太阳电池阵输出电流的动态报警门限，从而更准确合理地进行故障诊断，提高故障诊断精度的同时，大大降低了漏报的风险，而且此模型计算量适中，便于工程实现。
如附图1所示为本发明的在轨卫星太阳电池阵输出电流拟合方法及诊断流程。下面结合某颗在轨卫星为例进一步说明本发明的诊断方法。
因为本发明的涉及参数在一天内的变化量较小，所以本发明的时间坐标的最小单位均为“天”。
在轨卫星太阳电池阵输出电流的诊断方法如下：
一、计算太阳入射光强
首先，通过轨道计算或查询星历获得当前的日地距离，获得准确的太阳光强度S；然后，根据在轨卫星运行轨道倾角、日地距离、太阳翼偏置角度等，利用卫星轨道基本理论计算阳光矢量与轨道面夹角β；最后，根据S和β，计算太阳入射光强度Wsun(t)。
阳光矢量与轨道面夹角β：
β＝sin-1(cosδs·sinRi·sin(Ω-αs)+sinδs·cosRi) (1)
其中，Ω表示升交点赤经，αs表示太阳赤经，δs表示太阳赤纬，Ri表示卫星轨道倾角，αs和δs中含有时间信息，所以β为时间的函数。
太阳光入射强度Wsun(t)：
Wsun(t)＝S·cos(|β|-θ) (2)
其中，t表示时间，是由太阳赤经、赤纬得到的时间，S为太阳光强，β为阳光矢量与轨道面夹角，θ为太阳翼偏置角度。
因为β为时间的函数，所以Wsun(t)也是时间的函数。
如图2所示为某颗在轨卫星的太阳光强度年周期变化规律。
如图3所示为某颗在轨卫星的太阳光入射强度的年周期变化规律。
二、太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)
对于遥测参数中有太阳电池阵输出电流参数的在轨卫星，查询得到卫星光照期间的太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)；
对于遥测参数中没有太阳电池阵输出电流参数的在轨卫星，计算光照期间充电电流为0值时刻的负载电流、充电电流与分流电流的遥测参数值三者之和，或计算涓流值时刻的负载电流、充电电流与分流电流的遥测参数值三者之和，作为I方阵(t)。
对卫星在轨遥测数据的选取范围原则上为一年，可根据实际情况进行增减，选取数据时间越长，准确度越高。图4所示为某颗在轨卫星一年的太阳电池阵实际输出电流。
三、初步优化的物理模型：
如图5所示，光滑曲线为太阳入射光强Wsun(t)，频繁波动曲线为太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)。从中可以看出，太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)与太阳入射光强Wsun(t)的关系存在一个形变因子，这是因为两至点附近太阳光强相对小，太阳电池阵温度低，使得太阳电池阵光电转换效率相对较高，因此其输出电流同比高于太阳入射光强曲线；反之，两分点附近太阳光强相对较大，则太阳电池阵温度高、光电转换效率低，因此其输出电流曲线同比低于太阳入射光强曲线。
由于卫星自身设计特点，无法得知太阳电池阵实际的电流-电压工作点，若利用设计时，根据复杂的理论模型试验得到的温度-功率系数作为形变因子进行输出电流优化必然存在较大误差，而且此方法计算十分繁琐，工程应用难以实现。本发明根据多颗卫星长期在轨数据观察与摸索，结合太阳入射光强、阳光矢量与轨道面夹角等物理参数，选择(cosβ)n来代替温度-功率系数，方法简单且误差小。
根据在轨卫星的历史数据确定形变因子(cosβ)n中的常数n，n一般为大于-1的负数。利用(cosβ)n得到太阳电池阵输出电流的初步优化物理模型：
I1(t)＝(cosβ)n·Wsun(t) (3)
将初步优化的物理模型向太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)进行初步逼近，分析初步优化物理模型的误差，I1(t)与I方阵(t)的关系如图(6)所示，其中光滑曲线为初步优化物理模型I1(t)，频繁波动曲线为太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)。
如图7所示为初步优化物理模型I1(t)与I方阵(t)的初步误差图，其中误差的最大值为-2.09A。
四、最终优化的物理模型
根据卫星太阳电池阵在轨衰减情况确定日衰减因子ε，一般情况，太阳电池阵年衰减率在1％～3％左右，那么每天的衰减率约为0.0027％～0.0082％。于是得到最终的适用于该卫星太阳电池阵输出电流的最终优化的物理模型：
I物理(t)＝ε·(cosβ)n·Wsun(t) (4)
将I物理(t)向I方阵(t)逼近，得到太阳电池阵拟合输出电流I拟合(t)：
I拟合(t)＝a·ε·(cosβ)n·Wsun(t)+b (5)
其中，a和b为线性拟合的一次项系数和常数项，最终的拟合输出电流I拟合(t)与I方阵(t)的关系如图8所示，其中光滑曲线为最终的拟合输出电流I拟合(t)，频繁波动曲线为太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)；它们之间的误差如图9所示，其中最大拟合误差为-1.30A。
由公式(1)得到β和公式(2)计算得到的Wsun(t)均为时间的函数，因此公式(5)得到的太阳电池阵拟合输出电流I拟合(t)也为时间的函数。因此，在轨监测中，如果时间已知，即可求得该时刻对应的太阳电池阵输出电流。
五、确定太阳电池阵在轨监测电流I监测(t)
1、当太阳电池阵不受遮挡时，太阳电池阵拟合输出电流即在轨监测电流，即I监测(t)＝I拟合(t)；
2、对于一天中的部分时间内有遮挡的情况，可以采用读表的方式对该时段的在轨监测电流进行调整：
(a)当有星体遮挡或大型天线遮挡时：
将太阳电池阵受遮挡的时间及对应的减少电流存入表格。由遮挡导致减少的电流值可根据卫星轨道及太阳位置，并结合卫星设计结构，计算得到太阳电池阵受遮挡面积及其对应的电流值(卫星设计文件会提供相关数据)。
进行在轨监测时，利用查表方式，当卫星处于受遮挡时间时，将太阳电池阵拟合输出电流减去表中对应的电流值，即：
I监测(t)＝a·ε·(cosβ)n·Wsun(t)+b-I遮挡 (6)
(b)当在轨卫星处于本影或半本影时：
根据卫星轨道计算地月影时间及遮挡面积，将地月影预报以表格形式进行存储。
进行在轨监测时，读取地月影预报时间，当在轨卫星处于本影时，太阳电池阵拟合输出电流修正为0，即I监测(t)＝0；当在轨卫星处于半影时，根据受遮挡面积计算其对应的电流值I半影，则太阳电池阵在轨监测电流为：
I监测(t)＝a·ε·(cosβ)n·Wsun(t)+b-I半影 (7)
六、设置在轨诊断门限
利用公式(5)～公式(7)计算太阳电池阵输出电流的理论值，将该理论值根据在轨遥测数据的波动情况进行外扩，此外扩电流的一般取值范围为：±(2～2.5)A，从而形成适用于该卫星太阳电池阵输出电流的正常值范围，进行在轨诊断。
即在轨诊断门限为：
I监测(t)±(2～2.5)A (8)
当太阳电池阵的输出电流在在轨诊断门限范围内，则说明太阳电池阵的供电正常，超出或低于此门限范围，说明太阳电池阵的供电异常。
如图10所示，为太阳电池阵不受遮挡时的报警门限情况。图10中两条直线a1和a2为简单报警门限的上限和下限，其阈值跨度为44A；而本发明得出的动态报警门限阈值的上下限，即曲线b1和b2之间的跨度仅为5A左右，大大优化了报警门限范围，动态变化的门限值能够更贴切地反映太阳电池阵输出电流的真实变化情况，从而更准确合理地进行在轨监视和故障诊断。
七、进行故障诊断：
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流在步骤六的在轨诊断门限范围内，则判定太阳电池阵工作正常；
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流高于所述故障诊断门限，则在轨卫星设备的供电偏高，采取调整太阳电池阵的姿态或添加负载的措施来减轻分流设备的负担；
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流低于此所述故障诊断门限，进一步判断太阳电池阵的功率是否满足供电需求，如果功率满足供电时，判定太阳电池阵工作正常，继续监测；如果出现功率不足的情况，适当减少负载。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断方法，其特征在于，包括：
步骤1:计算在轨卫星的太阳入射光强Wsun(t)，其中t表示时间；
步骤2：根据在轨卫星遥测的历史数据得到太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)；
步骤3：构建优化的太阳电池阵输出电流物理模型并计算太阳电池阵拟合输出电流I拟合(t)；
本步骤中，根据在轨卫星遥测历史数据，得到太阳入射光强Wsun(t)和太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)之间的形变因子ε·(cosβ)n，构建优化的太阳电池阵输出电流物理模型：
I物理(t)＝ε·(cosβ)n·Wsun(t) (2)
其中，ε为在轨卫星太阳电池阵在轨日衰减因子，β为阳光矢量与轨道面夹角，n为大于-1的负数；
将I物理(t)向I方阵(t)逼近，得到太阳电池阵拟合输出电流I拟合(t)：
I拟合(t)＝a·I物理(t)+b＝a·ε·(cosβ)n·Wsun(t)+b (3)
其中，a和b分别为一次项系数和常数项；
步骤4：确定太阳电池阵在轨监测电流I监测(t)：
当太阳电池阵不受遮挡时，I监测(t)等于I拟合(t)；
当太阳电池阵受星体或大型天线遮挡时，测量太阳电池阵受遮挡面积对应的电流值I遮挡，则I监测(t)＝I拟合(t)-I遮挡；
当在轨卫星处于本影期间时，I监测(t)＝0；
当在轨卫星处于半影期间时，测量此时太阳电池阵受遮挡面积对应的电流值I半影，则I监测(t)＝I拟合(t)-I半影；
步骤5：设置故障诊断门限
在轨监测时，根据在轨卫星遥测的历史数据，将I监测(t)±(2～2.5)A作为适用于该在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断门限；
步骤6：进行故障诊断：
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流在所述故障诊断门限的范围内，则判定太阳电池阵工作正常；
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流高于所述故障诊断门限，则在轨卫星设备的供电偏高，采取调整太阳电池阵的姿态或添加负载的措施来减轻分流设备的负担；
如果当前时间测得的在轨卫星太阳电池阵输出电流低于所述故障诊断门限，进一步判断太阳电池阵的功率是否满足供电需求，如果功率满足供电，判定太阳电池阵工作正常，继续监测；如果出现功率不足的情况，适当减少负载。
2.如权利要求1所述的一种在轨卫星太阳电池阵输出电流的故障诊断方法，其特征在于，所述步骤二中太阳电池阵实际输出电流I方阵(t)的获取方法为：
对于遥测参数中有太阳电池阵输出电流参数的在轨卫星，查询得到在轨卫星光照期间的太阳电池阵实际输出电流；
对于遥测参数中没有太阳电池阵输出电流参数的在轨卫星，计算光照期间充电电流为0值时刻或涓流值时刻的负载电流、充电电流和分流电流的遥测参数值之和，作为太阳电池阵实际输出电流。
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