GEO衛星能源分系統狀態切換時間精確預報算法

鄭 軍,陳 宏,李于衡

(1.西安衛星測控中心,陜西 西安 710043;2.中國人民解放軍63999部隊,北京 100094)

0 引言

能源分系統是衛星重要的服務系統之一。它包含發電、電能儲存、電源控制、電源電壓變換、供配電等硬件。在各飛行階段為航天器的用電負載提供功率,直至衛星壽命終止。根據GEO衛星故障統計結果,衛星在軌故障多是由于能源分系統出現異常所導致的[1]。特別是在星蝕期,在太陽帆板無法提供能源的條件下蓄電池組開始對整星供電,當衛星蓄電池組供給的電能無法滿足需要時,就需關閉部分有效載荷以滿足衛星平臺的能源需求。如果在該時間段出現異?；蚬收?將會對衛星造成災難性后果。星蝕期衛星工況的嚴密監視,特別是蓄電池組放電全過程的狀態對衛星安全至關重要。但常規的星蝕預報方法僅能給出星蝕開始和結束時間,不能進行衛星能源分系統狀態切換時間精確預報,完全依靠人工進行狀態監視,造成操作人員對即將出現的星蝕對衛星能源分系統的影響缺乏有效的預見和準備,成為星蝕期衛星在軌控制管理的安全隱患[2-4]。為此,本文提出了一種新的星蝕計算方法。

1 電源系統狀態切換時間精確預報

1.1 星蝕類型和判斷條件分析

星蝕的形成主要由地球和月球遮擋太陽光造成,分為地影和月影兩種。地影是衛星、地球和太陽運行到幾乎同一平面,地球遮擋住了照射衛星的太陽光而產生的。它固定發生在每年太陽運行到赤道附近的春、秋分前后的約23天,1年約有92 d。月影是衛星、月球和太陽運行到幾乎同一平面,月球遮擋住了太陽光線而形成的。與地影的有規律出現不同,月影的出現并無規律可循,但一般多出現在我國農歷的初一前后。

典型的星蝕過程一般需經歷半影、全影和半影三個階段。

基于空間視場的星蝕計算判斷方法是以衛星所在的空間定點位置為視場基點,通過判斷地球、太陽在該基點隨時間的可視張角變化,可精確預報地影的起止時間和過程類型?；驹砣鐖D1所示。

圖1 衛星在地影期太陽與地球空間視場關系Fig.1 Sun-satellite-earth space viewing relationship in earth-eclipse

令衛星和太陽在J2000系中的位置矢量分別為OA=[xayaza]T,OS=[xsyszs]T,有

則由文獻[5]可得矢量AO與AS間的空間角

設地球半徑為Re,太陽半徑為Rs,則GEO軌道至地球和太陽的半張角分別為

根據式(1)～(3),可得地影出現的判斷依據為：

a)當θOAS≥βe+βs,無地影,空間視角關系如圖2(a)所示;

b)當βe-βs≤θOAS≤βe+βs時,為半影,空間視角關系如圖2(b)所示;

c)當θOAS≤βe-βs時,為全影,空間視角關系如圖2(c)所示。

圖2 地影類型判斷條件Fig.2 Conditions of earth-eclipsetype

1.2 能源系統狀態切換時間精確計算

衛星能源分系統狀態切換主要是因為帆板產生的功率無法滿足負載的需要,從而轉為蓄電池組供電。當衛星進入全影時,太陽完全被地球遮擋,太陽發光面積為0,此時衛星太陽帆板產生功率為0,衛星的蓄電池組向負載設備與儀器提供能源。當衛星進入半影時,太陽被地球部分遮擋,遮擋區域如圖3所示。圖中：陰影區域為地球遮擋部分。根據被遮擋的面積,在半影過程中或一直由帆板或由蓄電池組提供能源。因此精確能源系統狀態切換時間預報對衛星星蝕期的控制管理非常重要。

圖3 半影期太陽遮擋區域Fig.3 Thesun shade area in penumbra

設l=βe+βs-θOAS,∠BOsD=α,陰影部分面積為SEP,由弧EA、FB和直線AB、EF圍成的封閉區域面積為SEABF,則有

定義太陽遮擋系數為μs,表示太陽被遮擋的視面積與太陽未被遮擋的視面積之比。由式(6)可得

設衛星有效載荷需求功率為PLoad,衛星在全日照條件下太陽帆板產生的功率為PFull,衛星在星蝕期半影條件下太陽帆板產生的功率為PPenm,則

衛星由太陽帆板轉為蓄電池組供電的條件如下。

當PPenm＜PLoad時,衛星轉為蓄電池組供電,

令負載因子ηLoad=,可得

由式(10)可得結論：

a)當μs＞1-ηLoad時,蓄電池組放電,能源系統發生狀態切換;

b)當μs≤1-ηLoad時,蓄電池組不放電,能源系統不發生狀態切換。

可通過預報μs滿足式(10)的時間精確獲得衛星蓄電池組放電的時間。在式(10)中,ηLoad的選擇決定預報的精度。由于ηLoad的年周期、半年周期受地球公轉、溫度和帆板效能衰減等因素的影響而存在變化,在工程實踐中,考慮1 d過程中太陽相對衛星而言位置變化不大,可選擇1 d前相同時刻的ηLoad作為判斷的依據。

2 應用

用本文算法對某衛星的星蝕管理進行仿真。該衛星平均負載功率928 W,衛星全日照條件下帆板產生平均功率2 060 W,即ηLoad=0.45,因此當μs＞0.55后衛星蓄電池組將開始放電,仿真結果見表1。表中：0為未放電;1為放電。

該衛星在2009年2月27日凌晨進入地影的部分遙測數據如圖4、5所示。

應用結果表明：預報2：54：28進入半影,2：59：31衛星蓄電池開始放電,能源系統狀態進行切換。實際遙測數據顯示,2：54：30衛星分流電流開始減小,進入半影,2：59：45衛星分流電流為0,放電電流大于0,蓄電池組開始放電。由于衛星蓄電池組充放電的控制由硬件完成,當滿足放電條件后,硬件系統還需進行簡單判斷,且能源系統遙測參數的更新也需要時間,故引入10～20 s的時延滯后。因此,考慮衛星能源系統的硬件時延和遙測更新延時,仿真結果與實際遙測數據一致,本文算法在實際中預報準確。

表1 2009年2月27日某GEO衛星蓄電池放電仿真結果Tab.1 GEO satellite storage batteries discharge simulation result on 2009-02-27

圖4 衛星實際遙測北、南分流電流Fig.4 Distributaries current in north and south power subsystem from real TM

圖5 衛星實際遙測北、南蓄電池組放電電流Fig.5 Discharge current in north and south storagebatteries from real TM

3 結束語

本文提出了一種新的星蝕計算方法,不僅能準確預報星蝕起止時間、星蝕類型,同時還可精確預報蓄電池組放電時間。仿真計算結果與實際衛星星蝕遙測數據一致,證明了算法的正確性。該算法目前已成功用于多顆GEO衛星的在軌管理中,效果良好。

[1]趙海濤,張云彤.東方紅三號系列衛星在軌故障統計分析[J].航天器工程,2007,16(1)：33-37.

[2]張世杰,曹喜濱,衛星進.出影位置和時間的計算方法[J].上海航天,2006,22(6)：20-22.

[3]李于衡,張 瑛,易克初.天體對地球同步靜止軌道的影響研究[J].飛行器力學,2005,12(4)：78-81.

[4]袁 明,沈學民,孫 寧.星蝕對衛星能源影響分析[J].科學技術與工程,2007,7(17)：4535-4537.

[5]李濟生.人造衛星精密軌道確定[M].北京：解放軍出版社,1995.