CN106972581B - 一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，该方法根据蓄电池组荷电情况，划分供电状态区间，利用星上计算机资源，实时采集能源系统相关参数，针对注入的卫星工作模式，计算能源系统供电状态，对工作模式能否执行进行调度。该方法根据遥测参数实时判断星上能源系统供电能力及负载用电负荷状态，避免地面预算参数采集不准确带来的计算偏差；实现多组合、多变化工作模式下的星上能源状态自主计算，大大提高了星上能源利用率，提升了卫星的业务能力；根据星上状态自主调整计算结果，可以及时进行星上能源调度，防止在发生能源系统故障、用电负荷增加情况下对能源过度使用，提升了卫星能源系统的安全性。
Description
技术领域
本发明属于航天技术领域，涉及一种遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法。
背景技术
航天器能源管理问题是经典的资源分配优化问题。供配电系统的短期负荷分配是供配电系统优化运行的一个重要组成部分，是指在满足飞行工作模式需求和各种约束条件的前提下，最大限度地利用电能；当供配电系统的供电能力不能满足正常工作的电气负载的用电需求，则需要通过自动卸载掉部分电气负载的方法，使电气负载消耗的功率与电源系统的供电功率相匹配，尽量保证航天器完成飞行工作模式或保证航天器在轨基本运行状态正常。
对于一个空间航天器能源系统，它所能提供的能源数量是有限的。航天器设计初期的功率预算的主要目的是保证能源系统提供的能源能够满足航天器在轨运行的各个时间段的最大能源需求，保证飞行工作模式的完成。但由于航天器在轨运行期间很有可能因为外界或自身原因导致供配电系统供电能力下降，或因为潜在故障导致负载功耗上升超过功率预算，因此要求航天器具有自主根据遥测数据判断供配电分系统的供电能力和负载的用电需求，并以最大限度完成飞行工作模式和保证供配电系统安全为目标，动态调度用电负载的供电情况。
目前遥感卫星能源管理的方式主要采用能量平衡预算的方法。即根据能源系统配置情况、星上用电负载负荷、卫星主要工作模式等输入条件，在地面预先计算出蓄电池组放电深度、能量平衡需要圈次、卫星不同工作模式下工作时间限制。这种能源预算的方法存在较多弊端。
(1)、适用的工作模式存在局限。对于遥感卫星，工作模式复杂，由于工作模式需求的多样性，工作模式存在多组合和多变性的特点，地面能源平衡计算，只能给出某种工作模式的包络，无法根据负载工作模式的组合、变化适时确定能源状态。
(2)、计算准确性存在偏差。预算用到的能源系统参数，主要以地面仿真和测试、试验的数据为输入条件，和在轨数据存在偏差，因此往往采取比较保守的预算方法，按照最恶劣条件计算，降低能源利用效率。
(3)、不能实时监测能源情况。当能源系统出现故障，供电能力降级时，地面能源预算的结果将不适用，星上无法实现自主能源调度，如果按照预定的工作模式使用，会给整星能源带来风险。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有地面能量平衡预算的不足，提供了一种可在轨根据能源系统状态和卫星工作模式进行能源调度的方法。
本发明的技术解决方案是：一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，该方法在每个轨道圈周期执行如下步骤：
(1)、在地影期结束时刻，计算蓄电池组放电深度DOD，进入步骤(2)；
(2)、判断蓄电池组放电深度DOD所处区间，当DOD小于预设的第一放电深度门限DOD1时，蓄电池组处于正常供电区，执行步骤(3)；当大于等于预设的第二放电深度门限DOD2时，蓄电池组处于紧急供电区，执行步骤(4)；当大于等于预设的第一放电深度门限DOD1，小于预设的第二放电深度门限DOD2时，蓄电池组处于限制供电区，执行步骤(5)；
(3)、遥感卫星计算机按照地面注入的工作模式顺序依次执行所有工作模式，直到地影期结束时刻，回到步骤(1)重新开始执行；
(4)、遥感卫星计算机禁止执行地面注入的所有工作模式，直到某一个地影期结束时刻，蓄电池放电深度DOD小于第一放电深度门限DOD1时，回到步骤(1)重新开始执行；
(5)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度，如果该蓄电池组放电深度小于预设的第二放电深度门限DOD2，则正常执行该工作模式，并在执行下一个工作模式时重复本步骤，直至所有工作模式执行完毕回到步骤(1)重新开始执行；如果存在某一个工作模式所需要的蓄电池组放电深度大于等于预设的第二放电深度门限DOD2，禁止执行地面注入的后续所有工作模式，直到地影期结束时刻，回到步骤(1)重新开始执行。
所述第一放电深度门限DOD1为蓄电池组允许的长期放电深度，第二放电深度门限DOD2为蓄电池组允许的最大放电深度。
预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度的具体方法为：
如果当前时刻处于光照期，且卫星正在执行光照期的第n个工作模式时，则执行如下步骤：
(5.1a)、预算光照期充电电量Q充N：
式中，Ii为第i个工作模式执行时蓄电池组的电流，当蓄电池组处于充电工作状态时，Ii＝Ici，Ici为第i个工作模式执行时蓄电池组的充电电流，当蓄电池组处于放电工作状态时，Ii＝-Idi，Idi为第i个工作模式执行时蓄电池组的放电电流，Tg为光照期时间，tgi为第i个工作模式执行时蓄电池组充电或者放电时间，Ic0为卫星无工作模式时蓄电池组充电电流；
(5.2a)、计算地影期放电电量Q放：
式中，η为蓄电池组充电效率，If为地影期没有工作模式执行时负载电流；Vbus为卫星母线电压，Vd为地影期蓄电池组放电终止电压，Td为地影期时间；
(5.3a)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度：
式中，Q为蓄电池组额定容量；
如果当前时刻处于地影期，卫星正在执行地影期的第k个工作模式时则执行如下步骤：
(5.1b)、预算地影期放电电量Q放k：
式中，Ifj为执行地影期第j个工作模式下的负载电流，tdj为地影期第j个工作模式的工作时间；
(5.2b)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度为：
式中，
N为光照期工作模式总个数。
所述工作模式对应的工作时间tgi，i∈[1,N]在地面向卫星注入工作模式的同时注入。
光照期时间Tg、地影期时间Td、光照地影标志、母线电压Vbus、光照期电池组充电终止电压Vc、地影期电池组放电终止电压Vd、蓄电池组充电电流Ic、蓄电池组放电电流Id、负载电流If均从遥感卫星遥测数据中获得。
蓄电池组充电效率η、蓄电池组额定容量Q为地面上注常数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明划分了3个供电区间，以蓄电池组放电深度作为判读阈值，，根据星上状态自主调整计算结果，可以及时进行星上能源调度，防止在发生能源系统故障、用电负荷增加情况下对能源过度使用，提升了卫星能源系统的安全性；
(2)、本发明提出了基于光照期和地影期工作模式的方法，实时预算当前时刻到下一个地影期结束时刻期间内执行完后续工作模式所需要的蓄电池组放电深度，该方法可以实现多组合、多变化工作模式下的星上能源状态自主计算，相比传统的按照最恶劣条件、固定工作模式计算方法，大大提高了星上能源利用率，提升了卫星的业务能力；
(3)、本发明采用实时采集的遥测参数精确计算蓄电池组容量和预测放电深度，采用与现有的地面能源平衡预算方法相比，可实时判断星上能源系统供电能力及负载用电负荷状态，能够精确计算能源平衡状态，避免地面预算参数采集不准确带来的计算偏差。
附图说明
图1为本发明能源调度方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1所示，本发明提供了一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，该方法利用星上计算机资源，采集能源系统相关参数，计算能源系统供电状态，然后对即将执行的工作模式进行判断，通过设定的阈值要求，限制工作模式执行的时间。具体为：
在每个轨道圈周期执行包括如下步骤：
(1)、在地影期结束时刻，计算蓄电池组放电深度DOD，进入步骤(2)；
卫星控制系统向星上计算机提供光照(1)和地影(0)状态，当星上计算机检测到信号由0变1时，星上计算机认为当前时刻为地影期结束时刻，可以计算蓄电池组放电深度DOD。
蓄电池组放电深度DOD的计算公式为：
DOD＝Qd/Q
式中，Qd为当前时刻的蓄电池组容量，Q为蓄电池组额定容量，为地面注入参数。
Qd由蓄电池组充电电流Ic、蓄电池组放电电流Id、蓄电池组额定容量Q计算得出，公式如下：
Qd＝Q+η×Q充-Q放
Q充为蓄电池组处于充电工作状态时，蓄电池组当前实时充电电量；Q放为蓄电池组处于充电工作状态时，蓄电池组当前实时放电电量；卫星在轨每次充满电后，将Q充和Q放置为零。表示上次计算时的蓄电池组当前实时充电电量，表示上次计算时的蓄电池组当前实时充电电量，Δt充和Δt放分别表示蓄电池组充电工作状态和放电工作状态下，这次计算与上次计算时间间隔。所述蓄电池组充电电流Ic和蓄电池组放电电流Id通过采集遥测参数获得。
(2)、判断蓄电池组放电深度DOD所处区间，当DOD小于预设的第一放电深度门限DOD1时，蓄电池组放电深度DOD处于正常供电区，执行步骤(3)；当大于等于预设的第二放电深度门限DOD2时，蓄电池组放电深度DOD处于紧急供电区，执行步骤(4)；当大于等于预设的第一放电深度门限DOD1，小于预设的第二放电深度门限DOD2时，蓄电池组放电深度DOD处于限制供电区，执行步骤(5)；所述第一放电深度门限DOD1为蓄电池组允许的长期放电深度，第二放电深度门限DOD2为蓄电池组允许的最大放电深度。
不妨假设蓄电池组的特性DOD1为20％，DOD2为30％。当蓄电池组放电深度小于20％时，处于正常供电区；当蓄电池组放电深度介于20％和30％之间时，处于限制供电区；当蓄电池组放电深度大于30％时，进入紧急供电区。
(3)、正常供电区的工作模式最为简单，对于卫星上注的工作模式不作任何判断，遥感卫星计算机按照地面注入的工作模式顺序依次执行所有工作模式，直到地影期结束时刻，回到步骤(1)重新开始执行；
(4)、进入紧急供电区后，能源系统储备处于较低水平，对于地影时间较长的轨道圈，存在能源供给不足的危险。因此，进入紧急供电区后，遥感卫星计算机禁止执行地面注入的所有工作模式，并对蓄电池组放电终止容量进行判断，直到某一个地影期结束时刻，放电深度恢复到DOD1以下时，回到步骤(1)重新开始执行。
(5)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度，如果该蓄电池组放电深度小于预设的第二放电深度门限DOD2，则正常执行该工作模式，并在执行下一个工作模式时重复本步骤，直至所有工作模式执行完毕回到步骤(1)重新开始执行；如果存在某一个工作模式所需要的蓄电池组放电深度大于等于预设的第二放电深度门限DOD2，禁止执行地面注入的后续所有工作模式，直到地影期结束时刻，回到步骤(1)重新开始执行。
工作模式分为光照期工作模式1～N，地影期工作模式1～K。计算机按照顺序依次执行完光照期工作模式1～N之后，再依次执行地影期工作模式1～K。地面向卫星注入工作模式的同时，按序注入每种工作模式对应的时间。
预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度的具体方法为：
如果当前时刻处于光照期，且卫星正在执行光照期的第n个工作模式时，则执行如下步骤：
(5.1a)、预算光照期充电电量Q充N：
式中，Ii为第i个工作模式执行时蓄电池组的电流，当蓄电池组处于充电工作状态时，Ii＝Ici，Ici为第i个工作模式执行时蓄电池组的充电电流，为遥测采集参数；当蓄电池组处于放电工作状态时，Ii＝-Idi，Idi为第i个工作模式执行时蓄电池组的放电电流，为遥测采集参数，Tg为光照期时间，为遥测采集参数，tgi为第i个工作模式执行时蓄电池组充电或者放电时间，由地面注入，Ic0为卫星无工作模式时蓄电池组充电电流，为遥测采集参数；
(5.2a)计算地影期放电电量Q放：
式中，η为蓄电池组充电效率，为地面注入参数，If为地影期没有工作模式执行时负载电流，为遥测采集参数；Vbus为卫星母线电压，为遥测采集参数，Vd为地影期蓄电池组放电终止电压，为遥测采集参数，Td为地影期时间，为遥测采集参数。
(5.3a)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度：
式中，Q为蓄电池组额定容量，为地面注入参数；
如果当前时刻处于地影期，卫星正在执行地影期的第k个工作模式时则执行如下步骤：
(5.1b)、预算地影期放电电量Q放k：
式中，Ifj为执行地影期第j个工作模式下的负载电流，为遥测采集参数，tdj为地影期第j个工作模式的工作时间，由地面注入；
(5.2b)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度为：
式中，
N为光照期工作模式总个数。
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 (6)
1.一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，其特征在于在每个轨道圈周期执行如下步骤：
(1)、在地影期结束时刻，计算蓄电池组放电深度DOD，进入步骤(2)；
(2)、判断蓄电池组放电深度DOD所处区间，当DOD小于预设的第一放电深度门限DOD1时，蓄电池组处于正常供电区，执行步骤(3)；当大于等于预设的第二放电深度门限DOD2时，蓄电池组处于紧急供电区，执行步骤(4)；当大于等于预设的第一放电深度门限DOD1，小于预设的第二放电深度门限DOD2时，蓄电池组处于限制供电区，执行步骤(5)；
(3)、遥感卫星计算机按照地面注入的工作模式顺序依次执行所有工作模式，直到地影期结束时刻，回到步骤(1)重新开始执行；
(4)、遥感卫星计算机禁止执行地面注入的所有工作模式，直到某一个地影期结束时刻，蓄电池放电深度DOD小于第一放电深度门限DOD1时，回到步骤(1)重新开始执行；
(5)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度，如果该蓄电池组放电深度小于预设的第二放电深度门限DOD2，则正常执行该工作模式，并在执行下一个工作模式时重复本步骤，直至所有工作模式执行完毕回到步骤(1)重新开始执行；如果存在某一个工作模式所需要的蓄电池组放电深度大于等于预设的第二放电深度门限DOD2，禁止执行地面注入的后续所有工作模式，直到地影期结束时刻，回到步骤(1)重新开始执行。
2.根据权利要求1所述的一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，其特征在于所述第一放电深度门限DOD1为蓄电池组允许的长期放电深度，第二放电深度门限DOD2为蓄电池组允许的最大放电深度。
3.根据权利要求1所述的一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，其特征在于预算当前时刻到地影期结束时刻期间内，执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度的具体方法为：
如果当前时刻处于光照期，且卫星正在执行光照期的第n个工作模式时，则执行如下步骤：
(5.1a)、预算光照期充电电量Q充N：
式中，Ii为第i个工作模式执行时蓄电池组的电流，当蓄电池组处于充电工作状态时，Ii＝Ici，Ici为第i个工作模式执行时蓄电池组的充电电流，当蓄电池组处于放电工作状态时，Ii＝-Idi，Idi为第i个工作模式执行时蓄电池组的放电电流，Tg为光照期时间，tgi为第i个工作模式执行时蓄电池组充电或者放电时间，Ic0为卫星无工作模式时蓄电池组充电电流；
(5.2a)、计算地影期放电电量Q放：
式中，η为蓄电池组充电效率，If为地影期没有工作模式执行时负载电流；Vbus为卫星母线电压，Vd为地影期蓄电池组放电终止电压，Td为地影期时间；
(5.3a)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度：
式中，Q为蓄电池组额定容量；
如果当前时刻处于地影期，卫星正在执行地影期的第k个工作模式时则执行如下步骤：
(5.1b)、预算地影期放电电量Q放k：
式中，Ifj为执行地影期第j个工作模式下的负载电流，tdj为地影期第j个工作模式的工作时间；
(5.2b)、预算当前时刻到地影期结束时刻期间内执行完当前工作模式所需要的蓄电池组放电深度为：
式中，
N为光照期工作模式总个数。
4.根据权利要求1所述的一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，其特征在于所述工作模式对应的工作时间tgi，i∈[1,N]在地面向卫星注入工作模式的同时注入。
5.根据权利要求1所述的一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，其特征在于光照期时间Tg、地影期时间Td、光照地影标志、母线电压Vbus、光照期电池组充电终止电压Vc、地影期电池组放电终止电压Vd、蓄电池组充电电流Ic、蓄电池组放电电流Id、负载电流If均从遥感卫星遥测数据中获得。
6.根据权利要求1所述的一种适用于遥感卫星基于能源状态的星上能源调度方法，其特征在于蓄电池组充电效率η、蓄电池组额定容量Q为地面上注常数。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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