GEO卫星能源分系统状态切换时间精确预报算法

郑 军,陈 宏,李于衡

(1.西安卫星测控中心,陕西 西安 710043;2.中国人民解放军63999部队,北京 100094)

0 引言

能源分系统是卫星重要的服务系统之一。它包含发电、电能储存、电源控制、电源电压变换、供配电等硬件。在各飞行阶段为航天器的用电负载提供功率,直至卫星寿命终止。根据GEO卫星故障统计结果,卫星在轨故障多是由于能源分系统出现异常所导致的[1]。特别是在星蚀期,在太阳帆板无法提供能源的条件下蓄电池组开始对整星供电,当卫星蓄电池组供给的电能无法满足需要时,就需关闭部分有效载荷以满足卫星平台的能源需求。如果在该时间段出现异常或故障,将会对卫星造成灾难性后果。星蚀期卫星工况的严密监视,特别是蓄电池组放电全过程的状态对卫星安全至关重要。但常规的星蚀预报方法仅能给出星蚀开始和结束时间,不能进行卫星能源分系统状态切换时间精确预报,完全依靠人工进行状态监视,造成操作人员对即将出现的星蚀对卫星能源分系统的影响缺乏有效的预见和准备,成为星蚀期卫星在轨控制管理的安全隐患[2-4]。为此,本文提出了一种新的星蚀计算方法。

1 电源系统状态切换时间精确预报

1.1 星蚀类型和判断条件分析

星蚀的形成主要由地球和月球遮挡太阳光造成,分为地影和月影两种。地影是卫星、地球和太阳运行到几乎同一平面,地球遮挡住了照射卫星的太阳光而产生的。它固定发生在每年太阳运行到赤道附近的春、秋分前后的约23天,1年约有92 d。月影是卫星、月球和太阳运行到几乎同一平面,月球遮挡住了太阳光线而形成的。与地影的有规律出现不同,月影的出现并无规律可循,但一般多出现在我国农历的初一前后。

典型的星蚀过程一般需经历半影、全影和半影三个阶段。

基于空间视场的星蚀计算判断方法是以卫星所在的空间定点位置为视场基点,通过判断地球、太阳在该基点随时间的可视张角变化,可精确预报地影的起止时间和过程类型。基本原理如图1所示。

图1 卫星在地影期太阳与地球空间视场关系Fig.1 Sun-satellite-earth space viewing relationship in earth-eclipse

令卫星和太阳在J2000系中的位置矢量分别为OA=[xayaza]T,OS=[xsyszs]T,有

则由文献[5]可得矢量AO与AS间的空间角

设地球半径为Re,太阳半径为Rs,则GEO轨道至地球和太阳的半张角分别为

根据式(1)～(3),可得地影出现的判断依据为：

a)当θOAS≥βe+βs,无地影,空间视角关系如图2(a)所示;

b)当βe-βs≤θOAS≤βe+βs时,为半影,空间视角关系如图2(b)所示;

c)当θOAS≤βe-βs时,为全影,空间视角关系如图2(c)所示。

图2 地影类型判断条件Fig.2 Conditions of earth-eclipsetype

1.2 能源系统状态切换时间精确计算

卫星能源分系统状态切换主要是因为帆板产生的功率无法满足负载的需要,从而转为蓄电池组供电。当卫星进入全影时,太阳完全被地球遮挡,太阳发光面积为0,此时卫星太阳帆板产生功率为0,卫星的蓄电池组向负载设备与仪器提供能源。当卫星进入半影时,太阳被地球部分遮挡,遮挡区域如图3所示。图中：阴影区域为地球遮挡部分。根据被遮挡的面积,在半影过程中或一直由帆板或由蓄电池组提供能源。因此精确能源系统状态切换时间预报对卫星星蚀期的控制管理非常重要。

图3 半影期太阳遮挡区域Fig.3 Thesun shade area in penumbra

设l=βe+βs-θOAS,∠BOsD=α,阴影部分面积为SEP,由弧EA、FB和直线AB、EF围成的封闭区域面积为SEABF,则有

定义太阳遮挡系数为μs,表示太阳被遮挡的视面积与太阳未被遮挡的视面积之比。由式(6)可得

设卫星有效载荷需求功率为PLoad,卫星在全日照条件下太阳帆板产生的功率为PFull,卫星在星蚀期半影条件下太阳帆板产生的功率为PPenm,则

卫星由太阳帆板转为蓄电池组供电的条件如下。

当PPenm＜PLoad时,卫星转为蓄电池组供电,

令负载因子ηLoad=,可得

由式(10)可得结论：

a)当μs＞1-ηLoad时,蓄电池组放电,能源系统发生状态切换;

b)当μs≤1-ηLoad时,蓄电池组不放电,能源系统不发生状态切换。

可通过预报μs满足式(10)的时间精确获得卫星蓄电池组放电的时间。在式(10)中,ηLoad的选择决定预报的精度。由于ηLoad的年周期、半年周期受地球公转、温度和帆板效能衰减等因素的影响而存在变化,在工程实践中,考虑1 d过程中太阳相对卫星而言位置变化不大,可选择1 d前相同时刻的ηLoad作为判断的依据。

2 应用

用本文算法对某卫星的星蚀管理进行仿真。该卫星平均负载功率928 W,卫星全日照条件下帆板产生平均功率2 060 W,即ηLoad=0.45,因此当μs＞0.55后卫星蓄电池组将开始放电,仿真结果见表1。表中：0为未放电;1为放电。

该卫星在2009年2月27日凌晨进入地影的部分遥测数据如图4、5所示。

应用结果表明：预报2：54：28进入半影,2：59：31卫星蓄电池开始放电,能源系统状态进行切换。实际遥测数据显示,2：54：30卫星分流电流开始减小,进入半影,2：59：45卫星分流电流为0,放电电流大于0,蓄电池组开始放电。由于卫星蓄电池组充放电的控制由硬件完成,当满足放电条件后,硬件系统还需进行简单判断,且能源系统遥测参数的更新也需要时间,故引入10～20 s的时延滞后。因此,考虑卫星能源系统的硬件时延和遥测更新延时,仿真结果与实际遥测数据一致,本文算法在实际中预报准确。

表1 2009年2月27日某GEO卫星蓄电池放电仿真结果Tab.1 GEO satellite storage batteries discharge simulation result on 2009-02-27

图4 卫星实际遥测北、南分流电流Fig.4 Distributaries current in north and south power subsystem from real TM

图5 卫星实际遥测北、南蓄电池组放电电流Fig.5 Discharge current in north and south storagebatteries from real TM

3 结束语

本文提出了一种新的星蚀计算方法,不仅能准确预报星蚀起止时间、星蚀类型,同时还可精确预报蓄电池组放电时间。仿真计算结果与实际卫星星蚀遥测数据一致,证明了算法的正确性。该算法目前已成功用于多颗GEO卫星的在轨管理中,效果良好。

[1]赵海涛,张云彤.东方红三号系列卫星在轨故障统计分析[J].航天器工程,2007,16(1)：33-37.

[2]张世杰,曹喜滨,卫星进.出影位置和时间的计算方法[J].上海航天,2006,22(6)：20-22.

[3]李于衡,张 瑛,易克初.天体对地球同步静止轨道的影响研究[J].飞行器力学,2005,12(4)：78-81.

[4]袁 明,沈学民,孙 宁.星蚀对卫星能源影响分析[J].科学技术与工程,2007,7(17)：4535-4537.

[5]李济生.人造卫星精密轨道确定[M].北京：解放军出版社,1995.