FY-2C卫星太阳电池阵在轨性能分析

高剑锋，铁 琳，蒋钦琳， 黄才勇

（1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300381；2.上海卫星工程研究所，上海 200240）

风云二号静止气象卫星是我国第一代同步轨道的气象观测卫星，该卫星是发展我国气象卫星事业，建立气象卫星观测系统的重要组成部分。我国第一颗业务用静止气象卫星风云二号C星，在继风云二号A、B试验星研制发射后，于2004年10月19日9时20分在西昌卫星发射中心再次顺利发射升空，并在10月24日定点于东经105°赤道上空。它标志着我国的气象卫星事业进入了一个崭新的阶段。

风云二号C星的太阳电池阵选用了BSFR型背场背反射太阳电池，这是我国首次在同步轨道卫星上应用。

卫星电源系统的太阳电池阵为体装式，太阳电池粘贴在两个直径为2.1m，高0.72m的圆柱面及两块腰带太阳电池板上。其中上太阳电池壳开有一腰形窗口，供扫描辐射计使用，使布片面积减少了0.3m2，卫星为自旋稳定，工作温度范围为－85～15℃，寿命三年。

1 FY-2C星太阳电池阵的组成

单体太阳电池为BSFR型硅太阳电池，供电阵用太阳电池尺寸为40mm×20mm×0.25mm，充电阵用太阳电池尺寸为35mm×20mm×0.25mm。太阳电池平均光电转换效率为14.7%（AM 0 135.3mW/cm2，25℃）。玻璃盖片为KFC-2型抗辐照玻璃，尺寸为40.1mm×20.1mm×0.2mm，充电阵尺寸为35.1mm×20.1mm×0.2mm，镀氟化镁增透膜。

太阳电池阵由供电阵、充电阵、充电副阵、涓流充电阵和涓流副阵等几部分组成。其中供电阵是太阳电池阵的主要组成部分，由66片串联136片并联组成，在光照区为星上负载供电；充电阵由66片串联22片并联组成，充电副阵由8片串联22片并联组成，在卫星出影进入光照区后，为蓄电池充电，充电结束后，并入供电阵；涓流充电阵由66片串联2片并联组成，涓流副阵由8片串联2片并联组成，它始终与蓄电池相接，正常充电结束后，继续以小电流充电，补充蓄电池因自放电造成的容量下降。

2 太阳电池阵在轨性能分析

通过卫星地面测控网的遥测系统可以监测卫星各系统的工作状态，从卫星发回地面的太阳电池阵在轨性能的遥测数据，反映了太阳电池阵在轨运行期间的实际工作情况，这不仅可以监控太阳电池阵功率输出及其它电性能参数，还可以根据不断积累的遥测数据算出电性能衰降趋势，可以及时修正在设计中各项参数的选取、计算的偏差，在轨运行的飞行数据是日后进行太阳电池阵设计参照的第一手材料。

有关电源系统的遥测参数共45项，其中和太阳电池阵相关的有：负载电流、充电电流、母线电压、母线电流、进出影状态信号、二级分流电流、三级分流电流、四级分流电流、五级分流电流、主阵电压、副阵电压、充电阵开关状态信号、上壳外壁温度①、上壳外壁温度②、下壳外壁温度①、下壳外壁温度②，电源系统的原理图如图1所示。

最受我们关注的是负载电流、充电电流和各级的分流电流，上述各项的总和就是母线电流，即太阳电池阵的输出电流，它和母线电压的乘积就是太阳电池阵的输出功率，因此，我们把关注的重点也放在母线电流上。同时，由这些参数也可以判断卫星各分系统使用电源系统的情况。

卫星在轨运行期间太阳电池阵的母线电流始终是变化着的，这是因为：

（1）太阳电池阵本身布片的原因，由于扫描辐射计视窗的影响，在卫星的Ⅱ象限线附近，输出的母线电流有一低谷，而在视窗两边各加了一块腰带太阳电池板，因此呈现两个小峰，总的波动在±2%左右。这种变化是周期性的。

（2）因为母线电流包括负载电流、分流电流、充电电流,它们都在不同的状态下工作，在不同的工作点下工作，它们的变化是随机的。

（3）是随着光强、温度、紫外辐照、粒子辐照和其他环境因素的影响而变化，这种变化一般情况下是缓慢的变化。

为了便于比较，我们选用卫星星下点正午前后的遥测值，对100个连续的母线电流遥测值进行平均，然后对平均值进行光强归一化处理，归一化到AM 0 135.3mW/cm2的标准状态。

2.1 母线电流遥测参数的光强修正

在轨道上，照到太阳电池阵表面的有效光强和卫星太阳电池阵与太阳之间的距离、太阳入射角有关。

式中：S'为有效太阳光强；S为太阳光强；R为太阳电池阵和太阳之间的距离；θ为太阳入射角。

由于赤道与黄道之间有23°37'的夹角，因此，随着季节的变化，同步轨道卫星（自旋轴与赤道垂直并指向北）的太阳入射角在＋23°37'（夏至）和－23°37'（冬至）之间变化。这一变化和太阳赤纬的变化相同，可以很方便地应用太阳赤纬的变化计算出太阳入射角的修正值。

但是，由于卫星延长使用寿命的需要，在不影响探测系统的探测精度的前提下，在卫星入轨定点以后，有意识地将卫星的轨道倾角调整为一个正角度，再利用卫星的摄动倾角逐渐变为负角度，控制系统再进行轨道控制，这样可以减少轨控的次数，从而节省燃料，以期延长卫星的工作年限。因此，太阳电池阵的太阳入射角就不能应用太阳赤纬的数据了，需要根据太阳角计的数据和卫星的转速重新计算。

太阳入射角θ:

式中：T1、T2、T12为卫星姿控参数。

另外，太阳和地球之间的距离由于地球围着太阳公转的轨道不是圆轨道而是椭圆轨道，所以每天的日地距离并不是一个常数，而是无时无刻不在变化着的。日地距离变化的实际情况是：

由此可见，一年之中，日地距离的变化约500万公里，因此，不同日期，太阳电池阵的光辐照度是不能相互比较的。为了方便计算，并不需要计算每天的日地距离，而是引入了（1.49×1011m）为日地平均距离，日地距离和日地平均距离的平方比称为日地距离修正因子，这样可以用来算出任意一天照射到太阳电池阵表面的光辐照度。在实际应用中，并不需要按公式计算，而是事先按日期造好R2/R02值表备查。

2.2 母线电流参数的温度修正

太阳电池的电流是温度的函数，但是它的短路电流和工作点电流有着不同的温度系数，短路电流是正温度系数，而工作点电流的温度系数随着工作点在特性曲线的位置变化有可能是正温度系数也可能是负温度系数，而如前所述，母线电流包括负载电流、充电电流和分流电流。一般设计充电电流和分流电流都工作在短路电流端，可视为短路电流，而负载电流则接近最大功率点，为了进行母线电流的温度修正，需把各种电流分开，用不同的温度系数加以修正，而且太阳电池的温度系数随着粒子辐射也在变化，这不仅需要大量的太阳电池阵遥测数据，而且需要大量的太阳电池温度系数测量数据，目前来讲，做这项修正尚存在较大的困难，因此本文引用的母线电流遥测数据均未作温度修正。太阳电池阵在光照期的温度变化在10℃以内。

2.3 母线电流的衰降

母线电流的衰降一般可认为：（1） 是紫外辐射引起盖片胶的暗化造成太阳电池电流的衰降，地面试验数据表明这种衰降在卫星入轨后2～3个月内极为明显，一般衰降率在2%～2.5%，3个月之后紫外辐射的影响随之减弱；（2） 是带电粒子辐射，当太阳电池暴露于空间粒子辐射环境时，它也像所有的半导体器件那样，容易发生永久性的电性能衰减。卫星所处的同步轨道位于外辐射带的外侧，主要考虑电子和太阳耀斑的影响。图2为风云二号C星太阳电池阵母线电流衰降曲线。

太阳电池受到辐射之后，将产生一种被称为离子化的原子过程。这一过程的结果会减小电池基体区域中少数载流子的扩散长度和寿命。最终导致电池输出电流、电压和功率的降低。对于某些材料（如盖片胶、玻璃盖片），受到辐射以后，也将会引起材料变黑、产生色心并使它的机械特性变差。

在同步轨道，太阳电池主要受到电子和太阳耀斑产生的高能质子的影响，而后者在短期内的影响要远大于常规的电子辐射的影响。

从图3所示的风云二号C星太阳电池阵母线电流的衰降率可以看出，随着卫星在轨时间的逐渐增加，母线电流的衰降也逐渐增大，入轨初期的衰降可认为主要是紫外辐射的影响，这是由于在轨时间较短，粒子辐射的累计通量较小，所以对太阳电池的影响也较小，在以后则是粒子辐射和紫外辐射的综合影响。

根据中科院空间中心报道[1]，从卫星2004年10月19日发射后，已发生了多起太阳耀斑，其中2004年11月7日的太阳耀斑为X级耀斑，并产生了太阳质子事件，由于此时卫星刚刚发射不久，在轨才19 d，应该是紫外辐射起主导作用，这次耀斑加速了太阳电池阵母线电流的衰降，而在2005年1月17日（在轨90 d）、5月15日（208 d）、9月1日（318 d）发生的太阳耀斑，对太阳电池阵的影响就很明显，短期内太阳电池阵的母线电流分别下降了约0.5%～1%，在母线电流的衰降曲线上形成了明显的台阶。

FY-2C星在轨工作已有五年半，卫星运行四年时（2008年10月18日）太阳电池阵的母线电流衰降约11%（包括紫外辐射2%衰降），除去紫外辐照，太阳电池阵由粒子辐照衰降约为9%，等效到能量为1MeV,这相当于1×1014e/cm2通量的影响[2]，对于任务期在3～4年的同步轨道卫星是完全可以接受的。

卫星入轨初期处于太阳活动的低年，但还是出乎专家们对这一时期地球同步轨道环境的理解[1]。根据太阳活动11年一个周期的规律，目前太阳活动将进入高年。因此，太阳电池阵的设计必须充分考虑空间环境对太阳电池阵功率输出的影响，同时不断提高太阳电池及其它相关材料的抗辐射性能，才能获得高质量、高可靠的电源系统。

3 讨论

3.1 遥测数据的准确度

(1)太阳电池阵的相关参数都经过了遥测系统的信号变换器处理，遥测信号采样电平标称的变换精度是±1.5%，在地面曾用可调的电压信号代替电池的采样信号对遥测系统进行校验，结果误差极小，远小于标准的±1.5%。

(2)卫星入轨初期，卫星姿态变化较大，太阳入射角不容易准确计算，也可能引入误差。

3.2 数据处理的准确度

我们从母线电流衰降曲线可以看到一个奇怪的现象，母线电流的衰降似乎还是随着季节的变化而变化，从理论上分析经过归一化处理母线电流应该和太阳电池阵的光辐照度无关了，怎么还会随着季节的变化而波动呢？两分点往上走，两至点向下行。正如上面所分析的，太阳电池阵的母线电流是一个组成比较复杂的电流值，既有接近短路电流处工作的分流电流、充电电流，也有接近工作点工作的负载电流，在两分点时卫星的母线电流变大，在卫星的负载电流基本稳定的情况下分流电流就要增加，此时又处于全电流充电，充电电流较大，分流电流和充电电流都工作在短路电流点附近。而在两至点前后母线电流中分流电流的含量降低了，充电电流也变成涓流充电，充电电流也小了许多，工作点在短路电流附近的电流成分少了。由于短路电流比工作点电流大是太阳电池特性所决定的，正是这个原因，母线电流中分流电流和充电电流的多少就造成了归一化以后的母线电流依然随着季节变化而变化。同样在卫星上采集的方阵性能信号，由于采集的是电池的短路电流，所以经过归一化处理就没有季节变化的影响。另外，母线电流和工作点电流在受粒子辐射的影响也是各不相同的，因为在地面试验中，在同一辐射通量的情况下，它们的衰降率之间的差别就比较大，因此，母线电流的衰降率不能简单地和太阳电池短路电流及最大功率点电流的衰降率作比较。在轨期间太阳电池阵母线电流的衰降是粒子辐射和紫外辐射等的综合影响的结果。可以就变化的趋势来进行比较和研究。表1是FY-2C卫星太阳电池阵母线电流衰降率变化情况。

表1 FY-2C卫星太阳电池阵母线电流衰降率变化表

4 结论

FY-2C卫星的太阳电池阵是国内同步轨道首次采用背场背反射器太阳电池的电池阵，在轨工作至今已有五年半，工作状态正常。四年11%的衰降率（含紫外）是卫星完全可以接受的，对于工作寿命在三到五年的卫星来说，应用背场硅太阳电池是合适的，具有较高的性价比。

[1] 梁金宝.风云二号04星空间环境监测器技术总结[C]//风云二号04星技术总结专辑,上海:2006中国航天科技集团公司第八研究院风云二号项目办,2006,11-32.

[2]TADA H Y,CARTER J R,ANSPAUGH B E,et al.Solar Cell Radiation Handbook-Third edition[M].California:NASA,1982:1-412.