一种微纳卫星能源平衡评估系统及其应用方法

技术领域

本发明属于卫星任务仿真技术领域，具体涉及一种微纳卫星能源平衡评估系统及其应用方法，用于评估微纳卫星能源平衡状态，特别适用于任务复杂、姿态频繁快速机动的低轨微纳卫星能源平衡的评估工作。

背景技术

利用太阳能供电的微纳卫星能源平衡状态受诸多复杂因素影响，且各种因素间互相耦合，这种状况给能源平衡评估工作造成了很大困难。

微纳卫星获取太阳能受多种因素影响：微纳卫星轨道低、轨道周期短，在轨工作期间会频繁在光照区和地影区间切换，且地影区时间占比大，这些因素限制了其利用太阳能；另外微纳卫星体积小、质量轻，一般不会携带大面积太阳电池阵，因此太阳能获取受到很大限制。

微纳卫星能源消耗状态复杂多变：微纳卫星在低轨道上工作，姿态的快速机动要求更高、更频繁。姿轨控平台工作状况复杂，这使得卫星能源需求更难通过建立模型来评估。

能源平衡状态准确评估会有助于优化卫星任务规划，最大限度的利用能源，提高卫星使用效率，排除潜在的能源短缺风险。

目前，关于能源平衡评估方法多基于对影响能源平衡的多种因素进行数字化建模，通过模型仿真计算能源的供给与消耗来评估能源平衡状态。“一种遥感卫星能源平衡约束分析系统与方法”（公布号：CN106324631 A），对影响能源平衡的多种因素进行建模，得出一种评估能源平衡的方法，但该方法未考虑各因素间的耦合关系对能源平衡造成的影响，例如蓄电池电压会受蓄电池荷电状态、负载电流、太阳电池阵供电电流、平台与载荷工作时序等因素影响，且单一因素调整会影响其他因素，很难对这种状态下能源平衡状态做出全面的评估。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种微纳卫星能源平衡评估系统及其应用方法，本发明基于卫星实物仿真评估卫星能源平衡，测试过程各项参数设置与卫星在轨飞行时状态保持一致，可以很好的模拟微纳卫星在轨工作时能源消耗和供给状态，遥测参数反映了所有因素对能源平衡的影响，通过分析遥测参量可以全面、准确评估能源的平衡状态，可以全面的评估微纳卫星能源平衡状况，消除潜在风险，提高卫星能源使用效率，进而最大限度开发卫星的潜能。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

卫星飞行轨道仿真器，用于根据卫星真实轨道参数和测试时间生成测试用卫星飞行轨道参数；

任务规划计算机，用于根据卫星轨道参数和规划任务，按微纳卫星在轨工作流程对平台和载荷工作时序进行设置，生成规划任务信息并发送给被测试的微纳卫星；

被测试的微纳卫星，用于根据卫星轨道参数和规划任务，按流程执行所有测试任务并实时输出太阳电池阵轨道和姿态参数给地面电源程控机，输出电源系统状态遥测参数给能源平衡评估装置；

地面电源程控机，用于测试过程中接收微纳卫星实时输出的太阳电池阵轨道和姿态参数，并根据太阳电池阵轨道和姿态参数实时控制微纳卫星的供电电流；

太阳阵模拟器，用于为被测试微纳卫星提供能源，其受地面电源程控机控制；

能源平衡评估装置，用于根据电源系统状态遥测参数评估微纳卫星能源平衡状况；

所述卫星飞行轨道仿真器、任务规划计算机、地面电源程控机、太阳阵模拟器以及能源平衡评估装置分别与被测试的微纳卫星相连。

本发明还提供一种前述微纳卫星能源平衡评估系统的应用方法，包括进行单轨道周期能源平衡测试的步骤：

A1）卫星飞行轨道仿真器根据输入的卫星真实轨道要求和测试时间生成测试用的卫星轨道参数；

A2）任务规划计算机根据卫星轨道参数和规划任务，按被测试的微纳卫星在轨工作流程对平台和载荷工作时序进行设置，生成规划任务信息并发送给被测试的微纳卫星；

A3）将被测试的微纳卫星的蓄电池接入测试系统；太阳阵模拟器与地面电源程控机建立通讯；地面电源程控机与被测试的微纳卫星的星载计算机建立通讯；记录测试开始时刻蓄电池荷电状态C

A4）被测试的微纳卫星模拟卫星在轨工作，地面电源程控机在测试过程中接收被测试的微纳卫星实时输出的太阳电池阵轨道和姿态参数，并根据太阳电池阵轨道和姿态参数实时控制微纳卫星的供电电流，能源平衡评估装置根据被测试的微纳卫星返回的电源系统状态遥测参数，记录单轨道周期测试结束时刻T

A5）能源平衡评估装置若确定蓄电池荷电状态C

可选地，步骤A1）中的卫星轨道参数包括卫星轨道半长轴、偏心率、倾角、卫星在轨道上位置和对应时刻、太阳矢量角。

可选地，还包括进行多轨道周期能源平衡测试的步骤：

B1）飞行轨道仿真器根据输入的卫星真实轨道要求和测试时间生成测试用n轨道的卫星轨道参数，其中n≥2，n为自然数；

B2）任务规划计算机根据n轨道的卫星轨道参数和规划任务，按被测试的微纳卫星在轨工作流程对平台和载荷工作时序进行设置，生成n轨道的规划任务信息并发送给被测试的微纳卫星；

B3）将被测试的微纳卫星的蓄电池接入测试系统；太阳阵模拟器与地面电源程控机建立通讯；地面电源程控机与被测试的微纳卫星的星载计算机建立通讯；记录测试开始时刻蓄电池荷电状态C

B4）被测试的微纳卫星模拟卫星在轨工作，地面电源程控机在测试过程中接收被测试的微纳卫星实时输出n轨道的太阳电池阵轨道和姿态参数，并根据n轨道的太阳电池阵轨道和姿态参数实时控制微纳卫星的供电电流，能源平衡评估装置根据被测试的微纳卫星返回的电源系统状态的遥测参数，记录单轨道周期测试结束时刻T

B5）能源平衡评估装置若确定蓄电池荷电状态C

可选地，步骤B1）中的卫星轨道参数包括卫星轨道半长轴、偏心率、倾角、卫星在轨道上位置和对应时刻、太阳矢量角。

与现有技术相比，本发明技术方案具有下述有益效果：本发明基于卫星实物仿真能源平衡测试过程各项参数设置与卫星在轨飞行时状态保持一致，可以很好的模拟微纳卫星在轨工作时能源消耗和供给状态，遥测参数反映了所有因素对能源平衡的影响，通过分析遥测参量可以全面、准确评估能源的平衡状态，可以全面的评估微纳卫星能源平衡状况，消除潜在风险，提高卫星能源使用效率，进而最大限度开发卫星的潜能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明微纳卫星能源平衡评估系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中进行单轨道周期能源平衡测试的流程图。

图3为本发明实施例中进行多轨道周期能源平衡测试的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明主要针对低轨道、光照环境频繁变化、任务复杂、姿态频繁机动的微纳卫星能源平衡评估工作。

本实施例中，被测试的微纳卫星在轨飞行过程由4路太阳电池阵供电，太阳电池阵输出最大电流分别为：第1路输出电流3.3A、第2路输出电流3.8A、第3路输出电流5.0A，第4路输出电流5.8A。本发明实施例测试过程中通过4个太阳电池阵模拟器代替太阳电池阵向卫星供电，4路太阳电池阵模拟器最大输出电流值分别设置为3.3A、3.8A、5.0A、5.8A。

本发明实施例中第1、2、3路太阳电池阵法线方向与太阳敏感器A法线方向相同，第1、2、3路太阳阵模拟器供电由太阳敏感器A太阳矢量角控制；第4路太阳电池阵法线方向与太阳敏感器B法线相同，第4路太阳阵模拟器供电由太阳敏感器B太阳矢量角控制。（本发明不限制太阳电池阵安装方式，也不限制太阳矢量角测量仪器，可以通过卫星姿态测量值计算出太阳电池阵姿态即可）。

本发明实施方式举例，能源平衡测试周期为单轨道周期，但能源平衡测试周期不限于单轨道周期，可以是多轨道周期，测试周期根据卫星能源平衡要求进行评估。

步骤A1）中，输入卫星轨道要求和测试时间，轨道仿真器生成卫星轨道，轨道周期为5658s，地影区时长2149s。

步骤A2）中，根据生成轨道参数和相机对星下点太阳高度角要求，卫星任务为XX时XX分XX秒，对星下点XX地点进行光学成像，成像时间持续6分钟30秒，非执行任务时间卫星处于对日定向工作模式，根据任务需要设置各平台与载荷工作时序，实现测试全过程卫星由计算机程序控制。

步骤A3）中，将蓄电池接入测试系统，地面电源程控机与星载计算机和太阳阵模拟器分别建立通讯。卫星飞行轨道仿真器开始运行，初始时刻T

步骤A4）中，根据太阳电池阵轨道和姿态参数实时计算出太阳电池阵太阳光入射角θ，将太阳光入射角θ传输给地面电源程控机，地面电源程控机根据太阳光入射角θ实时调整太阳阵模拟器对测试中微纳卫星的电流供给量I= I

步骤A5）中，本实施例中，共进行5次单轨道周期能源平衡测试，测试得到结果如下：

第1个轨道周期结束时刻T

第2个轨道周期结束时刻T

第3个轨道周期结束时刻T

第4个轨道周期结束时刻T

本发明所提出能源平衡评估方法基于卫星实物仿真，能源平衡测试过程各项参数设置与卫星在轨飞行时状态保持一致，可以很好的模拟微纳卫星在轨工作时能源消耗和供给状态，遥测参数反映了所有因素对能源平衡的影响。通过对测试过程中相关遥测参数分析，可以全面的评估微纳卫星能源平衡状况，消除潜在风险。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。