CN107862145A - 一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统与方法，一方面首先由设计师根据飞行任务、各系统约束条件等初步编制飞行时序，并按照固定格式生成时序表，在此基础上进行各单机设备功耗需求配置，获得飞行任务阶段的总能量需求；另一方面，根据弹轨道专业提供的飞行任务阶段光照数据，计算太阳电池阵所能提供的总能量；太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和与飞行任务阶段单机设备总能量需求进行比对，判断是否需要修订飞行时序。本发明可实现飞行时序快速校核和时序图快速绘制，可实现多型号多试验阶段多工作模式飞行时序管理，可实现飞行时序技术状态变化的有效管控。

Description

一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统与方法

技术领域

本发明涉及一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统与方法，属于航天器总体设计技术领域。

背景技术

空天往返飞行器作为未来空间作战的利器，任务日趋繁重，功能及结构日趋复杂，可靠性和安全性日趋严格，其飞行时序设计直接关系到飞行任务的成败。传统飞行时序设计是由设计人员手动设计飞行时序，并绘制成AutoCAD格式时序图，并作为设计要求传递给相关系统设计人员作为软件编制依据。该设计过程存在人为干扰因素，设计人员往往需要多次核对才能确保输入输出之间的正确性和一致性。对于空天往返飞行器在轨持续时间长，任务复杂，如仍采用人工方式进行飞行时序设计、时序图绘制、时序校核则需要耗费设计人员精力且出现错误概率很高，急需针对空天往返飞行器特点开展飞行时序设计。

空天往返飞行器太阳电池阵受飞行器外形以及舱门空间机构容积限制，其太阳电池阵为异面构型且太阳电池片布面面积有限，直接制约了太阳电池阵的供电能力，特别是在轨有效载荷任务期间，其负载功率变化较大，持续时间也不尽相同,平台或载荷设备往往根据飞行任务要求会在特定区域或特定时间内频繁改变工作模式,为满足空天飞行器平台及有效载荷任务需求，需开展能源平衡分析。能源平衡分析与飞行任务紧密相关，飞行任务决定了其载荷配置以及在轨工作模式,平台及各载荷设备严格按照飞行时序要求进行工作。

目前空天往返飞行器在轨持续时间长，任务复杂，人工开展飞行时序设计工作量大且易出错的问题和由于太阳电池阵电池片数量受限导致能源供需矛盾的问题，如何快速实现通过能源供给计算优化飞行时序，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对目前空天往返飞行器在轨持续时间长，任务复杂，人工开展飞行时序设计工作量大且易出错的问题和由于电池片数量受限导致任务阶段能源供需矛盾的问题，提出一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统与方法，一方面可实现飞行时序图的快速绘制和飞行时序的快速校核，提高飞行时序设计正确性和快速性，另一方面，结合飞行时序开展飞行器时序与能源平衡耦合分析与计算，可实现能源供给的精细化计算和飞行时序的优化。

本发明的技术方案是：

提供一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，包括如下步骤：

(1)初步确定空天飞行器的飞行时序并生成时序表；

(2)根据时序表进行各单机功耗配置，获得飞行过程中的总能量需求；

(3)获取光照数据，计算获得太阳电池阵所能提供的总能量；

(4)比较太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和与飞行任务阶段的总能量需求，判断是否需要更改飞行时序。

优选的，步骤(4)中判断是否需要更改飞行时序的具体方法为：若空天飞行器处于非任务期间即在轨日常工作时间，如果太阳电池阵所能提供的能量大于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则对飞行器在轨日常工作状态进行调整；若空天飞行器处于任务期间，太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和大于等于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则修改飞行时序。

优选的，步骤(1)中初步确定空天飞行器的飞行时序的具体方法为，根据测控条件、光照条件、各单机设备使用约束条件初步确定飞行时序。

优选的，步骤(1)中所述的飞行时序包括时序动作、触发条件、设备工作状态。

优选的，步骤(2)中根据时序表进行各单机功耗配置，获得飞行过程中的总能量需求的具体方法为：根据时序表计算各单机设备在各轨道周期的能量需求，再对飞行任务阶段所有轨道周期的能量需求进行累计，获得所有单机设备在整个飞行任务过程中的总能量需求；

单轨道周期飞行器总能量需求

P_b为光照期飞行器总功耗，P_sh为阴影期飞行器总功耗，V_N母线输出电压，T_b为光照期时长，T_sh为阴影期时长，η_D为放电效率，η_C为充电效率，V_D,Li为锂离子单体电池平均电压，N_S,Li为锂离子单体电池串联数。

优选的，步骤(3)中根据光照数据，计算获得太阳电池阵所能提供的总能量Q：Q＝It，其中I为太阳电池阵输出电流，t为时长。

优选的，修改飞行时序的具体方法为，更改各单机设备的工作状态和/或工作时长，降低单机设备的能量需求，进而降低飞行过程中的总能量需求。

同时提供一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，包括时序图绘制模块、能源分析模块和数据导入模块；

所述时序图绘制模块用于时序表自动绘制生成时序图；

所述数据导入模块用于将时序表、光照数据导入到数据库；

所述能源分析模块从数据库中读取时序表和光照数据，根据时序表进行各单机设备功耗配置，获得飞行任务阶段的总能量需求；根据弹轨道专业提供的飞行任务阶段光照数据，计算太阳电池阵所能提供的总能量；太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和与飞行任务阶段单机设备总能量需求进行比对，判断是否需要修订飞行时序。

优选的，判断是否需要修订飞行时序的具体方法为：空天飞行器处于非任务期间，如果太阳电池阵所能提供的能量大于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则对飞行器在轨日常工作状态进行调整；空天飞行器处于任务期间，太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和大于等于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则修改飞行时序。

优选的，还包括时序冲突检查模块，根据预设时序约束规则对输入的时序表进行规则检查，不满足输入的约束规则进行报错，提醒设计人员修改时序表，直到时序表可以正确导入。

优选的，时序约束规则包括时间逻辑错误、开关状态冲突、成对时序逻辑。

优选的，所述时序图绘制模块绘制的时序图包括主系统时序图、各分系统时序图和子时序图；所述能源分析模块还包括飞行器功耗曲线图绘制。

优选的，空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统还包括数据导出模块，导出所述时序图绘制模块生成的主系统时序图、系统及飞行器各分系统时序图和子时序图以及所述能源分析模块生成的飞行器功耗曲线图。

优选的，还包括数据管理模块，所述数据管理模块包括系统管理子模块、子时序配置子模块、单机管理子模块以及功耗管理子模块；

所述系统管理子模块用于选择任务模式，加载该任务模式对应的飞行时序；

所述子时序配置子模块用于控制子时序动作在主系统时序图中的显示与隐藏；

所述单机管理子模块用于配置飞行器所有单机在所有工作模式的功耗值；

所述功耗管理子模块用于在加载的时序表上配置飞行器上各单机在不同工作模式下的功耗值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明针对目前空天往返飞行器在轨持续时间长，任务复杂，人工开展飞行时序设计工作量大且易出错的问题，提出一种飞行时序快速设计方法，可实现飞行时序快速校核和时序图快速绘制；

(2)本发明针对空天往返飞行器太阳电池阵电池片布面面积有限导致任务阶段飞行器能源供给不足不问题，提出一种基于飞行时序的能源平衡分析方法，实现能源供给的精细化计算与分析，并通过迭代和反馈优化飞行时序；

(3)本发明可实现多型号多试验阶段多工作模式飞行时序管理，可实现飞行时序技术状态变化的有效管控。

(4)本发明实现飞行时序优化，通过对能源平衡情况的实时分析和预测,为飞行控制管理和实时决策提供依据,确保飞行器能源供需闭环。

附图说明

图1为本发明的系统功能模块组成图。

图2为时序图/功率曲线图绘制及能源分析流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计与分析系统由数据管理模块、数据导入导出模块、时序冲突检查模块、时序图绘制模块、能源分析模块。

所述数据管理模块包括系统管理子模块、子时序配置子模块、单机管理子模块以及功耗管理子模块，主要完成项目/试验阶段/工作模式三级架构搭建、子时序配置、单机设备配置及不同工作模式功耗配置等功能。

系统管理子模块用于建立型号/试验阶段/工作模式三级架构，以此可实现不同型号、不同试验、不同工作模式下时序表的导入、存储和管理。

所述子时序配置子模块用于控制子时序动作在主系统时序图中的显示与隐藏，此模块主要是由于加断电等子时序中包含若干单机设备加断电动作，但如果均显示到主时序图会导致主时序图冗长且可读性差，因此通过子时序配置子模块将子时序作为一条时序动作显示在主时序图，在子时序图详细绘制各子时序动作。具体操作时，首先选择子时序配置子模块，然后依次按照型号名称、试验阶段、工作模式选择待修改的时序表，系统会自动加载时序表并显示，最后选择主时序代号及子时序个数，则系统将按照选择的子时序个数将主时序代号后序序列调整为子时序并重新加载显示。

所述单机管理子模块用于配置飞行器所有单机设备及在所有工作模式下单机设备的功耗值，作为功耗管理子模块的基础数据。

所述功耗管理子模块用于在加载的时序表上配置飞行器上各单机设备在不同工作模式下的功耗值，具体操作为，首先选择某一型号某一试验阶段某一工作模式下的时序表；然后选择该时序表所需要使用的单机设备，如果飞行器为两个及以上蓄电池组供电，需要按照飞行器供配电方案为不同蓄电池组选择相应的单机设备，系统会自动按照蓄电池组加载时序-设备功耗表，该表竖行为事先选择的时序表，横行为蓄电池所供给的具体单机设备；最后由设计员根据时序选择单机设备在该工作模式下的功耗值，完成全任务周期内的功耗需求配置。

所述数据导入导出模块包括数据导入模块和数据导出模块，数据导入模块实现excel格式时序表、光照数据导入到数据库中，数据导出模块可给出AutoCAD格式主系统时序图、系统(如运载火箭)及飞行器各分系统时序图和子时序图以及飞行器总功耗曲线图。

所述时序冲突检查模块实现根据预设时序约束规则对输入的时序表进行规则检查，不满足输入的约束规则进行报错，提醒设计人员修改时序表，直到时序表可以正确导入，目前时序表规则检查主要包括时间逻辑错误检查、开关状态冲突检查、成对时序逻辑检查等。

所述时序图绘制模块主要实现根据时序表中时序动作在AutoCAD中自动生成时序图，可实现主时序图、系统(如运载火箭)及飞行器各分系统时序图以及子时序图的同步绘制。

所述能源分析模块从数据库中读取时序表和光照数据，根据时序表进行各单机设备功耗配置，获得飞行任务阶段的总能量需求；根据弹轨道专业提供的飞行任务阶段光照数据，计算太阳电池阵所能提供的总能量；太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和与飞行任务阶段单机设备总能量需求进行比对，判断是否需要修订飞行时序。

如图2所示，本发明的时序图/功率曲线图绘制及能源分析流程图给出了飞行时序设计、能源平衡分析详细步骤。

飞行时序设计人员根据测控条件、光照条件以及各系统约束条件初步确定飞行时序，确定时序动作、触发条件、指令、设备工作状态等，所述时序图绘制模块按照事先约定的excel格式时序表模板完成时序表的编制，完成飞行时序图绘制与能源平衡分析的准备工作。

时序表模板及说明如表1所示。

表1时序表参数列表说明

待excel格式时序表和光照数据准备到位后，飞行时序设计人员登录飞行时序与能源平衡耦合设计与分析系统，首次登录时或需要进行配置更改时，在系统管理中完成型号名称、试验阶段、工作模式配置建立三级体系架构，表征时序表所属的型号、试验阶段以及何种工作模式，通过三级体系架构可以实现不同型号不同试验阶段不同工作模式的时序表存储与管理，在单机管理子模块中根据飞行器系统组成和可控支路设计完成单机配置，并支持根据系统方案、工作模式等技术状态变更进行系统和单机配置的修改和删除，非首次登录且无需进行配置更改时，直接跳过此步骤。

时序图首次绘制时，先进入数据导入功能模块，进行excel格式时序表导入，实际操作时，只需选择时序表导入并点击“导入”按钮即可，系统自动进行导入数据格式检查和时序冲突检查，格式错误时则给出错误提示，飞行时序设计人员根据提示完成导入表格修改，直到excel格式时序表正确导入并写入到相应数据库中。待excel格式时序表导入完毕后，选择时序图绘制模块，系统根据事先约定的AutoCAD模板完成主时序图、系统时序图(如运载火箭)、飞行器分系统时序图以及子时序图的同步绘制，格式为主时序图、系统时序图(如运载火箭)、飞行器分系统时序图并行排布，子时序顺序排放在图纸下方，非时序图首次绘制时，根据型号名称、试验阶段、工作模式选择数据库中相应时序表，再选择时序图绘制模块，系统根据事先约定的AutoCAD模板自动完成时序图绘制。时序图绘制完毕后进入数据导出功能模块完成AutoCAD时序图导出。

能源平衡首次分析计算时，先进入数据导入功能模块，选择相应excel格式时序表和光照数据点击导入按钮，系统自动进行导入格式和时序冲突检查，格式错误时根据提示完成导入表格修改，直到excel格式时序表和光照数据正确导入并写入到相应数据库中，非首次能源平衡分析时，直接根据型号名称、试验阶段、工作模式选择相应时序表和光照数据即可。然后，进入功耗管理子模块，根据工作模式选择该工作模式下的单机设备，并在系统自动加载的时序-设备功耗表完成各单机设备功耗实时配置并确认，之后选择能源分析模块下的能源平衡分析子模块，系统自动给出能源供给情况、能源消耗情况以及最终分析结果，再选择功率曲线图绘制子模块，系统自动生成功率曲线图。当能源不平衡时，则判断飞行器的任务状态，需要飞行时序设计人员进行飞行时序调整，重新进行能源平衡分析，直到能源平衡为止，至此飞行时序最终确定。

空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计流程如下：

(1)初步确定空天飞行器的飞行时序并生成时序表，根据测控条件、光照条件以及各单机设备使用约束条件初步确定飞行时序，采用现有方法生成时序表。飞行时序包括时序动作、触发条件(时间触发、条件触发、指令控制等)、设备工作状态等。

(2)根据时序表进行各单机功耗配置，获得飞行过程中的总能量需求。根据时序表计算各单机设备在各轨道周期的能量需求，再对飞行任务阶段所有轨道周期的能量需求进行累计，获得所有单机设备在整个飞行任务过程中的总能量需求。单轨道周期飞行器总能量需求为

P_b为光照期飞行器总功耗，P_sh为阴影期飞行器总功耗，V_N母线输出电压，T_b为光照期时长，T_sh为阴影期时长，η_D为放电效率，η_C为充电效率，V_D,Li为锂离子单体电池平均电压，N_S,Li为锂离子单体电池串联数。

(3)获取光照数据，计算获得太阳电池阵所能提供的总能量。总能量Q＝It，其中I为太阳电池阵输出电流，t为时长。

(4)比较太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和与飞行任务阶段的总能量需求，判断是否需要更改飞行时序。若空天飞行器处于非任务期间即在轨日常工作时间，如果太阳电池阵所能提供的能量大于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则对飞行器在轨日常工作状态进行调整；若空天飞行器处于任务期间，太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和大于等于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则修改飞行时序(基于不影响蓄电池寿命约束，在轨期间蓄电池组放电深度不得超过50％进行能源平衡分析)。

修改飞行时序的具体方法为，更改各单机设备的工作状态和/或工作时长，降低单机设备的能量需求，进而降低飞行过程中的总能量需求。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (14)

1.一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)初步确定空天飞行器的飞行时序并生成时序表；

(2)根据时序表进行各单机功耗配置，获得飞行过程中的总能量需求；

(3)获取光照数据，计算获得太阳电池阵所能提供的总能量；

(4)比较太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和与飞行任务阶段的总能量需求，判断是否需要更改飞行时序。

2.如权利要求1所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，其特征在于，步骤(4)中判断是否需要更改飞行时序的具体方法为：若空天飞行器处于非任务期间即在轨日常工作时间，如果太阳电池阵所能提供的能量大于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则对飞行器在轨日常工作状态进行调整；若空天飞行器处于任务期间，太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和大于等于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则修改飞行时序。

3.如权利要求1所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，其特征在于，步骤(1)中初步确定空天飞行器的飞行时序的具体方法为，根据测控条件、光照条件、各单机设备使用约束条件初步确定飞行时序。

4.如权利要求1或2所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述的飞行时序包括时序动作、触发条件、设备工作状态。

5.如权利要求1或2所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，其特征在于，步骤(2)中根据时序表进行各单机功耗配置，获得飞行过程中的总能量需求的具体方法为：根据时序表计算各单机设备在各轨道周期的能量需求，再对飞行任务阶段所有轨道周期的能量需求进行累计，获得所有单机设备在整个飞行任务过程中的总能量需求；

单轨道周期飞行器总能量需求

P_b为光照期飞行器总功耗，P_sh为阴影期飞行器总功耗，V_N母线输出电压，T_b为光照期时长，T_sh为阴影期时长，η_D为放电效率，η_C为充电效率，V_D,Li为锂离子单体电池平均电压，N_S,Li为锂离子单体电池串联数。

6.如权利要求1或2所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，其特征在于，步骤(3)中根据光照数据，计算获得太阳电池阵所能提供的总能量Q：Q＝It，其中I为太阳电池阵输出电流，t为时长。

7.如权利要求1或2所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计方法，其特征在于，修改飞行时序的具体方法为，更改各单机设备的工作状态和/或工作时长，降低单机设备的能量需求，进而降低飞行过程中的总能量需求。

8.一种空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，其特征在于，包括时序图绘制模块、能源分析模块和数据导入模块；

所述时序图绘制模块用于时序表自动绘制生成时序图；

所述数据导入模块用于将时序表、光照数据导入到数据库；

所述能源分析模块从数据库中读取时序表和光照数据，根据时序表进行各单机设备功耗配置，获得飞行任务阶段的总能量需求；根据弹轨道专业提供的飞行任务阶段光照数据，计算太阳电池阵所能提供的总能量；太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和与飞行任务阶段单机设备总能量需求进行比对，判断是否需要修订飞行时序。

9.如权利要求8所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，判断是否需要修订飞行时序的具体方法为：空天飞行器处于非任务期间，如果太阳电池阵所能提供的能量大于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则对飞行器在轨日常工作状态进行调整；空天飞行器处于任务期间，太阳电池阵所能提供的能量、蓄电池组所能提供的能量之和大于等于飞行器总能量需求，则确定该飞行时序，否则修改飞行时序。

10.如权利要求8或9所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，其特征在于，还包括时序冲突检查模块，根据预设时序约束规则对输入的时序表进行规则检查，不满足输入的约束规则进行报错，提醒设计人员修改时序表，直到时序表可以正确导入。

11.如权利要求10所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，其特征在于，时序约束规则包括时间逻辑错误、开关状态冲突、成对时序逻辑。

12.如权利要求8或9所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，其特征在于，所述时序图绘制模块绘制的时序图包括主系统时序图、各分系统时序图和子时序图；所述能源分析模块还包括飞行器功耗曲线图绘制。

13.如权利要求8或9所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，其特征在于，空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统还包括数据导出模块，导出所述时序图绘制模块生成的主系统时序图、系统及飞行器各分系统时序图和子时序图以及所述能源分析模块生成的飞行器功耗曲线图。

14.如权利要求11所述的空天飞行器飞行时序与能源平衡耦合设计系统，其特征在于，还包括数据管理模块，所述数据管理模块包括系统管理子模块、子时序配置子模块、单机管理子模块以及功耗管理子模块；

所述系统管理子模块用于选择任务模式，加载该任务模式对应的飞行时序；

所述子时序配置子模块用于控制子时序动作在主系统时序图中的显示与隐藏；

所述单机管理子模块用于配置飞行器所有单机在所有工作模式的功耗值；

所述功耗管理子模块用于在加载的时序表上配置飞行器上各单机在不同工作模式下的功耗值。