CN112528488B - 基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统 - Google Patents

基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统，包括如下步骤：建模步骤：建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；修正步骤：通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；第一计算步骤：根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；确定步骤：根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻；关闭步骤：卫星进入阴影期前一分钟，关热补偿加热器；第二计算步骤：计算加热器在阴影期的关机时刻；上注步骤：根据加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注。本发明提供的方法能够节省人力成本，节省卫星重量，确保卫星的用电安全。

Description

基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星技术领域，具体地涉及一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统，更具体的，涉及一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统。
背景技术
随着卫星功能的复杂化，卫星的热耗越来越大，为维持卫星的高温不超过电子设备所允许的温度，卫星的散热面也越来越大。而高轨卫星阴影期长达72分钟，此期间无光照，外热流几乎为零，需要大量的补偿功耗维持电子设备的低温不超过所允许的温度，同时，由于无光照，仅能采用蓄电池供电，大量的功耗输出增加了蓄电池的设计难度、设计重量，也增加了蓄电池过放的风险。本发明能够节约卫星阴影期的热补偿功率，减小蓄电池的设计规模，降低蓄电池阴影期过放的风险。
《航天器工程》中《一种航天器电加热器智能控制策略》通过智能控制策略降低加热器峰值功率，并且受星务计算机运算限制，无法确定电子设备升降温速率；本专利利用电子设备热容节省阴影期加热器的平均功率，并降低光照期的峰值功率，采用地面延时指令控制加热器，能够确定电子设备升降温速率，充分利用电子设备热容节省阴影区加热功率。
公开号为CN111086655A，名称为非测控弧段阴影期热控补偿功率节约方法及系统的中国专利文献，公开了一种非测控弧段阴影期热控补偿功率节约方法，包括：步骤1：通过热仿真确定卫星光照期和阴影期加热器状态；步骤2：在卫星测控弧段内，根据光照期加热器状态，发送热控加热器程控禁止指令和热控加热器状态设置指令；步骤3：在卫星出测控弧段，进入非测控弧段前，根据非测控弧段的阴影时间预报和阴影期加热器状态，发送带有时间码的延迟指令，分别设置非测控弧段进阴影和出阴影时的热控加热器状态；步骤4：在非测控弧段结束，卫星重新进入测控弧段后，发送热控加热器程控允许指令，根据阈值对加热器进行闭环控制。中国专利文献公开的方法较为复杂，效率相对较低，具有一定的风险。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统。
根据本发明提供的一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法，包括如下步骤：
建模步骤：建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；
修正步骤：通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；
第一计算步骤：根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；
确定步骤：根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻；
关闭步骤：卫星进入阴影期前一分钟，关闭热补偿加热器；
第二计算步骤：计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻；
上注步骤：根据热补偿加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注。
优选地，所述建模步骤中卫星热仿真模型中电子设备上的加热器及热敏电阻按照实际粘贴位置进行模拟。
优选地，所述修正步骤通过试验数据能够对有加热器控温的电子设备的热容及接触导热系数进行修正。
优选地，所述第一计算步骤中，采用多项式计算电子设备在卫星阴影期的温度变化速率。
优选地，所述确定步骤中，在确保该时刻到进入阴影期的前一时刻的时间段内，热补偿加热器将电子设备的温度升至最高温度；
所述关闭步骤中，进入阴影期前一分钟，关闭各电子设备的补偿加热器；
所述第二计算步骤中，根据电子设备的温度变化速率计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻。
本发明另提供一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约系统，包括如下模块：
建模模块，所述建模模块建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；
修正模块，所述修正模块通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；
第一计算模块，所述第一计算模块根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；
确定模块，所述确定模块根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻；
关闭模块，所述关闭模块卫星进入阴影期前一分钟，关热补偿加热器；
第二计算模块，所述第二计算模块计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻；
上注模块，所述上注模块根据热补偿加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注。
优选地，所述建模模块中卫星热仿真模型中电子设备上的加热器及热敏电阻按照实际粘贴位置进行模拟。
优选地，所述修正模块通过试验数据能够对有加热器控温的电子设备的热容及接触导热系数进行修正。
优选地，所述第一计算模块中，采用多项式计算电子设备在卫星阴影期的温度变化速率。
优选地，所述确定模块中，在确保该时刻到进入阴影期的前一时刻的时间段内，热补偿加热器将电子设备的温度升至最高温度；
所述关闭模块中，进入阴影期前一分钟，关闭各电子设备的补偿加热器；
所述第二计算模块中，根据电子设备的温度变化速率计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的方法及系统能够根据加热器的开机时刻、关机时刻和阴影预报设计延时指令，使该策略在星上自主运行，可节省人力成本；
2、本发明提供的方法及系统能够节约卫星阴影期的热补偿功率，从而减小电池的设计容量，节省卫星重量；
3、本发明提供的方法及系统能够在阴影前的升温过程中，能够控制热补偿加热器的电流增速，确保卫星的用电安全。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统加热器开机时刻及关机时刻示意图；
图2为本发明提供的一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面首先对本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法给出基本实施例进行说明。
如图1所示为本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法加热器开机时刻及关机时刻示意图，如图2所示为本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法流程示意图。其中电子设备1到电子设备3分别为热容从大到小的三台电子设备，其中，由于电子设备1热容大，通过热分析模型得到将其加热到最高温度(平衡温度)的时间，以阴影时刻减去该时间为电子设备1加热器的开机时刻。加热器开机后，在阴影期前一分钟，电子设备1温度达到最高(平衡温度)，加热器关闭，在阴影期，电子设备温度降低，直至加热器低温阈值，加热器开启。加热器开启后，电子设备1温度升高，根据热分析模型得到加热器关机时刻B，电子设备1加热器在时刻B关机，加热器关机后，电子设备1温度降低，在阴影期结束时，电子设备1温度降至加热器低温阈值，由于此时卫星出阴影，能源充足，加热器的开关状态由数管计算机闭环控制。电子设备2和电子设备3的加热器控制策略与电子设备1类似。
本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法包括如下步骤：
建模步骤(S1)：建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；采用热分析软件建立卫星的热仿真模型，电子设备上的加热器及热敏电阻需按实际粘贴位置进行模拟。修正步骤(S2)：通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；减小电子设备温度随时间变化曲线的误差；卫星热平衡试验结束后，根据试验结果对热分析模型进行修正，尤其对有加热器控温的电子设备的热容、接触导热系数进行修正，减小电子设备温度随时间变化曲线的误差。第一计算步骤(S3)：根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；采用比例线段或多项式计算电子设备在卫星阴影期的温度变化速率。确定步骤(S4)：根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻(图1中电子设备1加热器开)，确保该时刻到进入阴影期的前一时刻时间段内，热补偿加热器将电子设备的温度升至最高温度(为加热器开启后，电子设备所能达到的平衡温度)；由于各电子设备的热容不同，将各电子设备加热到其最高温度(平衡温度)所需的功率(加热器功率恒定时，可折算为加热时间)不同，通过温度变化曲线及温度变化速率，确定各电子设备所需的加热时间，以此从阴影时刻倒推得到加热器的开机时间。关闭步骤(S5)：卫星进入阴影期前一分钟，关热补偿加热器；进入阴影期前一分钟(图1中关机时刻A)，关闭各电子设备的补偿加热器，通过电子设备的热容延长各电子设备在阴影期维持温度不超过指标下限的时间。第二计算步骤(S6)：热补偿加热器关闭后，电子设备温度降低，直至低温阈值开启，根据电子设备的温度变化速率计算加热器在阴影期的关机时刻(图1中关机时刻B)，该时刻应能确保直至阴影期结束，热补偿加热器不开启；热容较小的电子设备，仅依靠电子设备热容不足以在整个阴影期维持其温度不超过指标下限，因此当其温度降低到指标下限后加热器开启，为减少加热器的开机时间，需通过电子设备的降温速率和升温速率计算加热器的关机时刻(图1中关机时刻B)，即加热器开启后升温，直至关机时刻关机，加热器关机后降温，直至阴影期结束，温度达到指标下限(图1中加热器低温阈值)。上注步骤(S7)：根据加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注。完成对热补偿加热器的控制；根据加热器的开机时刻、关机时刻和阴影预报设计延时指令，延时指令有两条：(1)加热器开机指令，格式为进影时刻-时长+加热器开机指令；(2)加热器关机指令，格式为进影时刻+加热器关机指令。
下面通过实施例1等以上基本实施例的优选例和/或变化例对本发明一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法进行更为具体的说明。
实施例1
作为本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法的进一步优选实施例，所述建模步骤中卫星热仿真模型中电子设备上的加热器及热敏电阻按照实际粘贴位置进行模拟。
实施例2
作为本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法的进一步优选实施例，所述修正步骤通过试验数据能够对有加热器控温的电子设备的热容及接触导热系数进行修正。
实施例3
作为本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法的进一步优选实施例，所述第一计算步骤中，采用多项式计算电子设备在卫星阴影期的温度变化速率。
实施例4
作为本发明提供的一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约方法的进一步优选实施例，所述确定步骤中，在确保该时刻到进入阴影期的前一时刻的时间段内，热补偿加热器将电子设备的温度升至最高温度；
所述关闭步骤中，进入阴影期前一分钟，关闭各电子设备的补偿加热器；
所述第二计算步骤中，根据电子设备的温度变化速率计算加热器在阴影期的关机时刻。
本发明另提供一种基于热容差异的高轨卫星阴影期热补偿功耗节约系统，包括如下模块：建模模块，所述建模模块建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；修正模块，所述修正模块通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；第一计算模块，所述第一计算模块根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；确定模块，所述确定模块根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻；关闭模块，所述关闭模块卫星进入阴影期前一分钟，关热补偿加热器；第二计算模块，所述第二计算模块计算加热器在阴影期的关机时刻；上注模块，所述上注模块根据加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法，其特征在于，包括如下步骤：
建模步骤：建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；
修正步骤：通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；
第一计算步骤：根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；
确定步骤：根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻；
关闭步骤：卫星进入阴影期前一分钟，关闭热补偿加热器；
第二计算步骤：计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻；
上注步骤：根据热补偿加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注；
所述建模步骤中卫星热仿真模型中电子设备上的加热器及热敏电阻按照实际粘贴位置进行模拟；
所述确定步骤中，在确保该时刻到进入阴影期的前一时刻的时间段内，热补偿加热器将电子设备的温度升至最高温度；
所述关闭步骤中，进入阴影期前一分钟，关闭各电子设备的补偿加热器；
所述第二计算步骤中，根据电子设备的温度变化速率计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻。
2.根据权利要求1所述的一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法，其特征在于：
所述修正步骤通过试验数据能够对有加热器控温的电子设备的热容及接触导热系数进行修正。
3.根据权利要求1所述的一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法，其特征在于：
所述第一计算步骤中，采用多项式计算电子设备在卫星阴影期的温度变化速率。
4.一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约系统，其特征在于，包括如下模块：
建模模块，所述建模模块建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；
修正模块，所述修正模块通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；
第一计算模块，所述第一计算模块根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；
确定模块，所述确定模块根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻；
关闭模块，所述关闭模块卫星进入阴影期前一分钟，关热补偿加热器；
第二计算模块，所述第二计算模块计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻；
上注模块，所述上注模块根据热补偿加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注；
所述建模模块中卫星热仿真模型中电子设备上的加热器及热敏电阻按照实际粘贴位置进行模拟；
所述确定模块中，在确保该时刻到进入阴影期的前一时刻的时间段内，热补偿加热器将电子设备的温度升至最高温度；
所述关闭模块中，进入阴影期前一分钟，关闭各电子设备的补偿加热器；
所述第二计算模块中，根据电子设备的温度变化速率计算热补偿加热器在阴影期的关机时刻。
5.根据权利要求4所述的一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约系统，其特征在于：
所述修正模块通过试验数据能够对有加热器控温的电子设备的热容及接触导热系数进行修正。
6.根据权利要求4所述的一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约系统，其特征在于：
所述第一计算模块中，采用多项式计算电子设备在卫星阴影期的温度变化速率。
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