CN110501920B

CN110501920B - 一种卫星能源仿真系统

Info

Publication number: CN110501920B
Application number: CN201910808970.7A
Authority: CN
Inventors: 石薇; 常建平; 张丽; 刘阔; 虞业泺; 张飞; 郑倩云; 徐浩明
Original assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites; Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Current assignee: Shanghai Engineering Center for Microsatellites; Innovation Academy for Microsatellites of CAS
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2039-08-29
Also published as: CN110501920A

Abstract

本发明提供了一种卫星能源仿真系统，包括：系统输入模块输入所需参数，以使时间状态模块、轨道姿态参数模块、负载及太阳电池模块和蓄电池模块获取所需参数；时间状态模块读取当前时刻，并提供至轨道姿态参数模块、负载及太阳电池模块和蓄电池模块；轨道姿态参数模块根据获取的参数和当前时刻计算当前的轨道姿态情况，并发送至负载及太阳电池模块；负载及太阳电池模块根据获取的参数、当前时刻和轨道姿态情况计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，并发送至蓄电池模块；蓄电池模块根据当前输入的负载情况及太阳能电池板阵列情况，判断是否充电或放电，并控制卫星的蓄电池进行相应的动作，若充电，则蓄电池模块判断光照条件是否满足。

Description

一种卫星能源仿真系统

技术领域

本发明涉及卫星仿真技术领域，特别涉及一种卫星能源仿真系统。

背景技术

中国卫星电源控制技术正在迅猛发展，数字化的仿真软件可以为卫星电源系统提供数据参照，进行该方向的数学仿真具有很重大的意义。卫星工作的环境是极端恶劣的，所以设计者需要在设计初期对电源系统的所有性能进行严格的评价估计，对负载功率进行估算，并对储能装置的搭配进行设计，这就需要一个能够仿真星上所有能源装置和控制装置的卫星电源仿真系统。采用数学仿真系统不仅能够直观的观察到星上能源转换的各项系数指标，更重要的是该仿真系统可以大大缩短卫星电源系统的研发周期，在设计各项参数时不需要直接采用实物进行模拟，极大地缩减了设计时投入的成本。

能源系统仿真是通过建立数学模型，以程序的方式来模拟真实的电源系统。应用计算机仿真技术对卫星电源进行模拟，得到卫星电源系统的各种参数。然后利用这些参数，进一步分析电源系统的特点，对其是否能够达到预期的目标和能够达到什么样的结果给出仿真的结果。能量平衡分析是卫星长期安全可靠运行的必要条件和重要保障。国外一些卫星及国内卫星均需要进行能源方面的测试，具备实时能量平衡半实物仿真，但由于采用硬件进行模拟，很难精确仿真太阳电池的输出变化特性，随卫星轨道运行和姿态而变化，使能量平衡分析变得十分复杂，如何建立与真实情况接近的仿真模型成为了能量平衡分析非常关键的环节。部分数字电源仿真采用卫星任务工作模式的特性模拟负载情况，不能根据单机的真实负载情况做到实时模拟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星能源仿真系统，以解决现有的部分数字电源仿真采用卫星任务工作模式的特性模拟负载情况，不能根据单机的真实负载情况做到实时模拟。

为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星能源仿真系统，所述卫星能源仿真系统根据卫星运行过程中姿态变化及负载运行对卫星电源系统的影响，对卫星的具体能量变化进行建模和计算，并根据计算结果控制星上的蓄电池进行充电或放电；

所述卫星能源仿真系统包括系统输入模块、时间状态模块、轨道姿态参数模块、负载及太阳电池模块和蓄电池模块；

所述系统输入模块输入所需参数，以使所述时间状态模块、所述轨道姿态参数模块、所述负载及太阳电池模块和所述蓄电池模块获取所需参数；

所述时间状态模块读取当前时刻，并提供至所述轨道姿态参数模块、所述负载及太阳电池模块和所述蓄电池模块，以使所述轨道姿态参数模块、所述负载及太阳电池模块和所述蓄电池模块根据所述卫星电源系统在不同时间单位的状态进行计算；

所述轨道姿态参数模块根据获取的参数和所述当前时刻计算当前的轨道姿态情况，并发送至所述负载及太阳电池模块；

所述负载及太阳电池模块根据获取的参数、所述当前时刻和所述轨道姿态情况计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，并发送至所述蓄电池模块；

所述蓄电池模块根据当前输入的所述负载情况及所述太阳能电池板阵列情况，判断是否充电或放电，并控制卫星的蓄电池进行相应的动作，若充电，则所述蓄电池模块判断光照条件是否满足。

可选的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述卫星能源仿真系统还包括结果显示模块，所述结果显示模块用于显示所述卫星能源仿真系统的计算结果。

可选的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述系统输入模块输入的所需参数包括：蓄电池参数、太阳能电池板阵列参数、负载模式参数和卫星姿态角参数。

可选的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述轨道姿态参数模块根据获取的参数和所述当前时刻计算当前的轨道姿态情况，当前的轨道姿态情况包括太阳位置坐标、卫星位置坐标和轨道根数。

可选的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述负载及太阳电池模块根据获取的参数、所述当前时刻和所述轨道姿态情况计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，所述当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况包括是否处于光照区，伽马角和太阳能电池板阵列输出能量。

可选的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述卫星能源仿真系统根据姿控动力学模型计算光照条件，所述卫星能源仿真系统根据太阳能电池板阵列参数计算太阳能电池板阵列输出电流，包括：

所述系统输入模块输入太阳光线与太阳能电池板法线的夹角γ、光照阴影标志F_d、太阳光直射太阳能电池板初始输出电流I_s、太阳光直射太阳能电池板末期输出电流I_e、帆板驱动机构与姿控对日角间夹角β、是否具备帆板驱动机构标志F_s及帆板驱动机构个数N_s；

计算太阳能电池板阵列初始输出电流I_sc：

对于具备帆板驱动机构的太阳能电池板阵列，β为正对太阳角度；对于不具备帆板驱动机构的太阳能电池板阵列，γ为太阳光线与太阳能电池板法线的夹角；

计算太阳能电池板阵列末期输出电流I_se：

对于具备帆板驱动机构的太阳能电池板阵列，β为正对太阳角度；对于不具备帆板驱动机构的太阳能电池板阵列，γ为太阳光线与太阳电池阵帆板法线的夹角。

可选的，在所述的卫星能源仿真系统中，在光照期间，太阳能电池板阵列给负载供电，同时给蓄电池充电。在阴影期间，以及光照期间太阳能电池板阵列供电不足时，蓄电池提供负载功率；

所述卫星能源仿真系统计算负载情况包括：

所述系统输入模块输入单机开关状态F_o和单机功耗电流I_d，所述负载及太阳电池模块计算负载电流I_c：

可选的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述卫星能源仿真系统还进行能量平衡计算，包括：

所述系统输入模块输入负载电流I_c、太阳能电池板阵列输出电流I_s及电池组出厂容量C_s，计算平台消耗S_c：

S_c＝∫I_c；

计算充电电流I_b：

I_b＝∫I_s；

计算电池总容量O_s：

O_s＝C_s+I_b-S_c，若O_s＞C_s，O_s＝C_s；

计算放电深度D：

D＝(O_s-S_c)/O_s。

在本发明提供的卫星能源仿真系统中，通过卫星能源仿真系统根据卫星运行过程中姿态变化及负载运行对卫星电源系统的影响，对卫星的具体能量变化进行建模和计算，并根据计算结果控制星上的蓄电池进行充电或放电；实现了通过平衡卫星能源仿真，能够验证卫星所设计的电源系统的能量平衡效果，可以直观的看出设计的正确性和合理性，并使之成为适当调整的参考依据；另外，本发明通过时间状态模块读取当前时刻，以使其他模块根据卫星电源系统在不同时间单位的状态进行计算，轨道姿态参数模块计算当前的轨道姿态情况，负载及太阳电池模块计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，提出了一种评估整星能量情况的分析方法，即基于太阳电池模拟器的实时数学仿真，可以对不同初始状态，不同负载拉偏情况进行接近实际的仿真，克服了现有的部分数字电源仿真采用卫星任务工作模式的特性模拟负载情况，不能根据单机的真实负载情况做到实时模拟的问题。

进一步的，本发明依据卫星电源控制系统的数学原理，对其运行规律及数学模型进行重点研究，利用全数学模型仿真卫星电源系统的运行过程，使设计者对其内部的能量转换过程一目了然，方便新型卫星的设计与创新。

另外，本发明的卫星能源仿真系统系统软件采用模块化结构，仿真程序具有良好的可扩展性，操作运行方便，简化了航天任务的分析、设计工作量，提高了系统设计的效率和正确性，也可以用于其他类似的卫星电源系统设计。

附图说明

图1是本发明一实施例的卫星能源仿真系统示意图；

图2是本发明一实施例的卫星能源仿真系统仿真方法示意图；

图中所示：10-系统输入模块；20-时间状态模块；30-轨道姿态参数模块；40-负载及太阳电池模块；50-蓄电池模块；60-结果显示模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的卫星能源仿真系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种卫星能源仿真系统，以解决现有的部分数字电源仿真采用卫星任务工作模式的特性模拟负载情况，不能根据单机的真实负载情况做到实时模拟。

为实现上述思想，本发明提供了一种卫星能源仿真系统，所述卫星能源仿真系统根据卫星运行过程中姿态变化及负载运行对卫星电源系统的影响，对卫星的具体能量变化进行建模和计算，并根据计算结果控制星上的蓄电池进行充电或放电；所述卫星能源仿真系统包括系统输入模块、时间状态模块、轨道姿态参数模块、负载及太阳电池模块和蓄电池模块；所述系统输入模块输入所需参数，以使所述时间状态模块、所述轨道姿态参数模块、所述负载及太阳电池模块和所述蓄电池模块获取所需参数；所述时间状态模块读取当前时刻，并提供至所述轨道姿态参数模块、所述负载及太阳电池模块和所述蓄电池模块，以使所述轨道姿态参数模块、所述负载及太阳电池模块和所述蓄电池模块根据所述卫星电源系统在不同时间单位的状态进行计算；所述轨道姿态参数模块根据获取的参数和所述当前时刻计算当前的轨道姿态情况，并发送至所述负载及太阳电池模块；所述负载及太阳电池模块根据获取的参数、所述当前时刻和所述轨道姿态情况计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，并发送至所述蓄电池模块；所述蓄电池模块根据当前输入的所述负载情况及所述太阳能电池板阵列情况，判断是否充电或放电，并控制卫星的蓄电池进行相应的动作，若充电，则所述蓄电池模块判断光照条件是否满足。

<实施例一>

本实施例提供一种卫星能源仿真系统，所述卫星能源仿真系统根据卫星运行过程中姿态变化及负载运行对卫星电源系统的影响，对卫星的具体能量变化进行建模和计算，并根据计算结果控制星上的蓄电池进行充电或放电；如图1所示，所述卫星能源仿真系统包括系统输入模块10、时间状态模块20、轨道姿态参数模块30、负载及太阳电池模块40和蓄电池模块50；所述系统输入模块10输入所需参数，以使所述时间状态模块20、所述轨道姿态参数模块30、所述负载及太阳电池模块40和所述蓄电池模块50获取所需参数；所述时间状态模块20读取当前时刻，并提供至所述轨道姿态参数模块30、所述负载及太阳电池模块40和所述蓄电池模块50，以使所述轨道姿态参数模块30、所述负载及太阳电池模块40和所述蓄电池模块50根据所述卫星电源系统在不同时间单位的状态进行计算；所述轨道姿态参数模块30根据获取的参数和所述当前时刻计算当前的轨道姿态情况，并发送至所述负载及太阳电池模块40；所述负载及太阳电池模块40根据获取的参数、所述当前时刻和所述轨道姿态情况计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，并发送至所述蓄电池模块50；所述蓄电池模块50根据当前输入的所述负载情况及所述太阳能电池板阵列情况，判断是否充电或放电，并控制卫星的蓄电池进行相应的动作，若充电，则所述蓄电池模块50判断光照条件是否满足。

如图1～2所示，在所述的卫星能源仿真系统中，所述卫星能源仿真系统还包括结果显示模块60，所述结果显示模块60用于显示所述卫星能源仿真系统的计算结果。所述系统输入模块10输入的所需参数包括：蓄电池参数、太阳能电池板阵列参数、负载模式参数和卫星姿态角参数。所述轨道姿态参数模块30根据获取的参数和所述当前时刻计算当前的轨道姿态情况，当前的轨道姿态情况包括太阳位置坐标、卫星位置坐标和轨道根数。所述负载及太阳电池模块40根据获取的参数、所述当前时刻和所述轨道姿态情况计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，所述当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况包括是否处于光照区，伽马角和太阳能电池板阵列输出能量。

具体的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述卫星能源仿真系统根据姿控动力学模型计算光照条件，所述卫星能源仿真系统根据太阳能电池板阵列参数计算太阳能电池板阵列输出电流，包括：所述系统输入模块10输入太阳光线与太阳能电池板法线的夹角γ、光照阴影标志F_d、太阳光直射太阳能电池板初始输出电流I_s、太阳光直射太阳能电池板末期输出电流I_e、帆板驱动机构与姿控对日角间夹角β、是否具备帆板驱动机构标志F_s及帆板驱动机构个数N_s；

计算太阳能电池板阵列初始输出电流I_sc：

计算太阳能电池板阵列末期输出电流I_se：

进一步的，在所述的卫星能源仿真系统中，在光照期间，太阳能电池板阵列给负载供电，同时给蓄电池充电。在阴影期间，以及光照期间太阳能电池板阵列供电不足时，蓄电池提供负载功率；所述卫星能源仿真系统计算负载情况包括：

所述系统输入模块10输入单机开关状态F_c和单机功耗电流I_d，所述负载及太阳电池模块40计算负载电流I_c：

更进一步的，在所述的卫星能源仿真系统中，所述卫星能源仿真系统还进行能量平衡计算，包括：

所述系统输入模块10输入负载电流I_c、太阳能电池板阵列输出电流I_s及电池组出厂容量C_s，计算平台消耗S_c：

S_c＝∫I_c；

计算充电电流I_b：

I_b＝∫I_s；

计算电池总容量O_s：

O_s＝C_s+I_b-S_c，若O_s＞C_s，O_s＝C_s；

计算放电深度D：

D＝(O_s-S_c)/O_s。

在本发明提供的卫星能源仿真系统中，通过卫星能源仿真系统根据卫星运行过程中姿态变化及负载运行对卫星电源系统的影响，对卫星的具体能量变化进行建模和计算，并根据计算结果控制星上的蓄电池进行充电或放电；实现了通过平衡卫星能源仿真，能够验证卫星所设计的电源系统的能量平衡效果，可以直观的看出设计的正确性和合理性，并使之成为适当调整的参考依据；另外，本发明通过时间状态模块20读取当前时刻，以使其他模块根据卫星电源系统在不同时间单位的状态进行计算，轨道姿态参数模块30计算当前的轨道姿态情况，负载及太阳电池模块40计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，提出了一种评估整星能量情况的分析方法，即基于太阳电池模拟器的实时数学仿真，可以对不同初始状态，不同负载拉偏情况进行接近实际的仿真，克服了现有的部分数字电源仿真采用卫星任务工作模式的特性模拟负载情况，不能根据单机的真实负载情况做到实时模拟的问题。

综上，上述实施例对卫星能源仿真系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种卫星能源仿真系统，其特征在于，所述卫星能源仿真系统根据卫星运行过程中姿态变化及负载运行对卫星电源系统的影响，对卫星的具体能量变化进行建模和计算，并根据计算结果控制星上的蓄电池进行充电或放电；

所述蓄电池模块根据当前输入的所述负载情况及所述太阳能电池板阵列情况，判断是否充电或放电，并控制卫星的蓄电池进行相应的动作，若充电，则所述蓄电池模块判断光照条件是否满足；

所述负载及太阳电池模块根据获取的参数、所述当前时刻和所述轨道姿态情况计算当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况，所述当前的负载情况和太阳能电池板阵列情况包括是否处于光照区，伽马角和太阳能电池板阵列输出能量；

所述卫星能源仿真系统根据姿控动力学模型计算光照条件，所述卫星能源仿真系统根据太阳能电池板阵列参数计算太阳能电池板阵列输出电流，包括：

计算太阳能电池板阵列初始输出电流I_sc：

计算太阳能电池板阵列末期输出电流I_se：

对于具备帆板驱动机构的太阳能电池板阵列，β为正对太阳角度；对于不具备帆板驱动机构的太阳能电池板阵列，γ为太阳光线与太阳电池阵帆板法线的夹角；

在光照期间，太阳能电池板阵列给负载供电，同时给蓄电池充电；在阴影期间，以及光照期间太阳能电池板阵列供电不足时，蓄电池提供负载功率；

所述卫星能源仿真系统计算负载情况包括：

所述卫星能源仿真系统还进行能量平衡计算，包括：

S_c＝∫I_c；

计算充电电流I_b：

I_b＝∫I_s；

计算电池总容量O_s：

O_s＝C_s+I_b-S_c，若O_s＞C_s，O_s＝C_s；

计算放电深度D：

D＝(O_s-S_c)/O_s。

2.如权利要求1所述的卫星能源仿真系统，其特征在于，所述卫星能源仿真系统还包括结果显示模块，所述结果显示模块用于显示所述卫星能源仿真系统的计算结果。

3.如权利要求1所述的卫星能源仿真系统，其特征在于，所述系统输入模块输入的所需参数包括：蓄电池参数、太阳能电池板阵列参数、负载模式参数和卫星姿态角参数。

4.如权利要求1所述的卫星能源仿真系统，其特征在于，所述轨道姿态参数模块根据获取的参数和所述当前时刻计算当前的轨道姿态情况，当前的轨道姿态情况包括太阳位置坐标、卫星位置坐标和轨道根数。