Galileo导航卫星电源技术概述

崔 波 曾 毅 张晓峰

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

继美国的GPS 卫星导航系统和俄罗斯的G LONASS 卫星导航系统之后,欧洲各国正在合作研制伽利略(Galileo)全球卫星导航系统。截至目前,Galileo系统已经分别于2005年12月和2008年4月发射了在轨验证系统的两颗试验卫星——GIOVE-A和GIOVE-B,并正在研制第三颗试验卫星。作为起步较晚的全球卫星导航系统,Galileo系统的研制起点也较高,运用了一系列当前卫星的最新技术成果,如电源技术等。

本文对Galileo 试验卫星的电源技术进行了调研分析,可作为我国导航卫星电源技术发展的参考。

2 Galileo 试验卫星平台概述

为节约成本,缩短验证周期,Galileo 的两颗试验卫星都选择了成熟的卫星平台,其中GIOVE-A使用的是萨瑞公司的G EM INI(GEostationary M IN Isatellite)平台[1],GIOVE-B 选择的是法国国家空间研究中心(CNES)的多任务平台PRO

T EUS[2]。

2.1 GIOVE-A卫星平台

2003年7月,欧洲航天局(ESA)与英国萨瑞卫星技术有限公司(SSTL)签订了研制第一颗在轨试验卫星GIOVE-A的合同。这颗卫星的主要任务是确保伽利略系统的卫星信号频率,探测MEO 轨道空间环境,评估有效载荷的关键技术并对导航信号进行初步试验。这颗卫星的研制和发射也在卫星任务分析、产品制造、装配、总装与测试(AIT)、发射和在轨测试等多方面为伽利略系统的建造积累经验。

卫星采用的萨瑞公司的GEO 轨道小卫星平台GEM INI,如图1所示。该平台将小卫星低成本、短周期的优点应用至MEO 轨道卫星,成功拓展了小卫星的应用领域。

图1 GEMINI 平台展开图Fig.1 Platform GEM INI

卫星采用模块化的思想进行研制,星载电子系统、推进系统和有效载荷三个部分分别研制和AIT ,仅在最后阶段才组合到一起[2]。

卫星电源系统按照模块化思路设计,可以进行扩展,GIVOE 实际功率需求约700W 左右,起飞重量约649kg。蓄电池采用了AEA技术公司的锂离子蓄电池,太阳电池阵由荷兰的Dutch Space 公司研制,如图2所示。

图2 GIOVE-A卫星Fig.2 Satellite GIOVE-A

2.2 GIOVE-B 卫星平台

GIOVE-B 卫星采用的是CNES的多任务平台PRO TEUS,它是根据多任务的需求,为节约卫星发射及开发成本而研制的,可以适应多种轨道、多种飞行任务的需求。

PROTE US 采用板式结构作为主承力结构,平台呈方形,两侧对称布置太阳电池阵。在发射方面,通过连接运载火箭上面级的方式直接入轨。卫星平台构型如图3所示。

图3 PROTEUS 平台构型Fig.3 Structure of PROTEUS platform

在应用至GIOVE-B 卫星之前,PROT EUS 平台已经成功应用于多颗卫星,GIOVE-B 卫星的起飞重量约为523kg,整星功率约为943W,卫星外形如图4所示。

图4 GIOVE-B 卫星Fig.4 Satellite GIOVE-B

3 Galileo 试验卫星电源系统

3.1 电源拓扑结构

GIOVE-A卫星电源系统采用了基于顺序开关分流调节(S3R)技术的全调节母线拓扑,能够向大功率有效载荷提供50V 的全调节供电母线,以满足有效载荷的需求。平台提供了一条26.5～37.8V的半调节供电母线,这是由于萨瑞公司当时的主要平台均采用28V 母线设计,采用这样的设计可以最大程度继承原有的平台设备和设计。

太阳电池阵由2个状态一致的采用硅太阳电池片的太阳翼构成,每翼配两块太阳电池基板,尺寸为0.98m×1.74m。电源系统通过CAN 总线与中心计算机通信,实现遥测、遥控等功能[3]。GIOVE-A卫星的系统架构如图5所示。

图5 GIOVE-A卫星的系统架构Fig.5 Power system structure of GIOVE-A

由图5可知,在光照期太阳电池阵通过S3R 调节,为载荷配电器提供50V 恒压母线。同时充电调节器(BC R)对蓄电池进行充电,此过程中平台母线电压受蓄电池电压钳位,随蓄电池电压升高而变化。在地影期,载荷配电器由蓄电池经过放电调节器(BDR)升压变换后供电,平台配电器则由蓄电池直接供电,平台母线电压随蓄电池放电变低[4]。

图6 GIOVE-B 卫星电源系统拓扑结构Fig.6 Topology of GIOVE-B pow er system

GIOVE-B 卫星的电源采用了半调节母线的拓扑结构(见图6),光照期太阳电池阵功率通过开关调节形成稳定的母线。在地影期,电池直接对母线放电。通过蓄电池管理单元对蓄电池进行管理,包括蓄电池的充电、放电、均衡及对单体故障的隔离。

从Galileo 两颗试验星的电源拓扑结构的选取可以看到,电源系统方案以继承成熟平台技术为主。两颗卫星的系统集成度都较高,如GIOVE-B 卫星的配电器兼具有卫星配电、加热器控制、火工品管理等功能。系统的自主化管理水平都较高,通过星上计算机实现了部分电源功能的自主管理。

3.2 锂离子蓄电池的应用

GIOVE-A、GIOVE-B 均采用小卫星平台,为减轻卫星重量,节约卫星内部空间,两颗卫星都采用了体积更小、重量更轻的锂离子蓄电池。

GIOVE-A采用的锂离子蓄电池是AEA公司提供的产品[5]。该电池组采用4 组蓄电池提供60Ah 的供电能力,每组蓄电池采用1.5Ah 的单体9 串10 并构成。GIOVE-A的锂离子蓄电池组采用如图7所示的串并联方式,蓄电池组如图8所示。

图7 GIOVE-A蓄电池组成方式Fig.7 GIOVE-ABatteries assembly type

蓄电池采用1.5Ah 的Sony 18650 小容量蓄电池,由于采用的是商用单体,因此在组装过程中对单体进行了严格的筛选。采用9 节单体串联后再并联的方式相对每节单体均并联也减小了并联电池间的差异,因此AEA公司的电池在在轨应用中并没有专门设置充电均衡措施。

AEA公司针对此类型的电池组进行的相关试验也证明了这一特性,其采用的6 串12 并的试验件在平均放电深度12.4%、最大放电深度30%的试验条件下,进行了84 000次循环的模拟低轨卫星条件的寿命试验后,大多数蓄电池单体性能均保持平衡,仅有三只单体的放电终压相对发生了100～150mV的衰降,未发生单体开路的故障[6]。

采用9 节串联的模式,是为了适应GIOVE-A卫星平台的母线电压的需求,保证平台相关设备正常工作。由于平台采用直接能量传递的方式,既保证了平台供电的可靠性,又提高了能量传递的效率。

图8 GIOVE-A蓄电池组(AEA公司)Fig.8 Batteries of GIOVE-A(AEACompany)

GIOVE-B 采用的锂离子蓄电池是SAFT 公司的产品[7]。采用VES100 单体通过3 并9 串的方式组成81Ah 的电池组为卫星供电,平台通过蓄电池管理单元(BEU)实现蓄电池的充放电管理及故障隔离。VES 系列锂离子蓄电池是SAFT 公司的空间锂离子蓄电池产品,目前主要包括VES100、VES140、VES180 三种规格,其产品参数如表1所示。

表1 SAFT VES系列锂离子蓄电池参数Table1 Parameters of SAFT VES series lithium-ion battery

其中,VES100 系列主要应用于低轨卫星,GIVOE-B 卫星采用V ES100 应为继承PRO TEUS平台的结果。V ES140 目前已广泛应用于地球静止轨道(GEO)和中高度地球轨道(MEO)轨道卫星,通过模块化的组合满足了多种功率、多种电压母线的应用需求,取得了很大的成功。VES180[8]蓄电池为SAF T 公司最新的空间用高能量密度锂离子蓄电池,在重量和体积与VES140 几乎完全相等的情况下,其容量达50Ah。该电池已计划应用于Galileo的IOV 卫星。

为适应锂离子蓄电池的应用,电源控制装置也发生了相应的变化。如GIOVE-B 卫星就针对锂离子蓄电池组设计了相应的均衡电路,在充电过程中检测蓄电池单体的电压,通过接通和断开单体旁并联的分流通路,控制各单体间的一致性,确保蓄电池单体间的容量均衡。

Galileo 的两颗试验卫星均采用了锂离子蓄电池作为储能装置,这也反映了锂离子蓄电池作为新型的空间能源逐渐取代氢镍蓄电池的趋势。随着技术的进一步发展,更高能量密度的蓄电池,更智能化的电池管理方式,必将广泛应用于包括Galileo系统在内的导航卫星。

3.3 电源系统的模块化设计

GIOVE-A的电源分系统充分采用了模块化的设计思想[9],其电源系统的构型如图9所示,从图9可以看到,该设备集成了除蓄电池、太阳电池阵以外的所有的电源系统的功能,包括S3R分流调节模块、MEA模块、充电调节器(BCR)、放电调节器(BDR)、平台配电模块(Platform PDM)、载荷配电模块(Payload PDM)、与遥测遥控接口(TTC)、加热器控制模块等。所有模块均采用190mm ×135mm ×22mm 的结构,在完成各模块后,可以方便地通过模块的数量调整,适应不同的应用需求。GIOVE-A卫星的各模块如图10所示。

图9 GIOVE-A卫星电源系统构型Fig.9 Structure of GIOVE-Apower system

模块化设计是整个卫星设计发展的方向,电源系统通过模块化设计可以通过产品化的模块满足不同卫星的应用需求。在导航领域,针对卫星批产的特点,模块化设计还具有降低成本、缩短研制周期、维护性好等优点。

4 结束语

GIOVE-A、GIOVE-B 肩负了Galileo 卫星的第一阶段在轨技术验证的任务,其电源系统也可以反映出欧洲导航卫星电源系统的发展趋势。整体来看,Galileo 试验卫星的电源系统都继承了成熟平台的电源技术,保证了在较短的周期完成卫星电源系统的研制。在系统设计方面,采用模块化的设计思想,采用更为先进的锂离子蓄电池,这也代表了导航卫星的电源技术的发展趋势,值得国内导航卫星的电源系统借鉴。

图10 GIOVE-A卫星电源系统功能模块Fig.10 Function module of GIOVE-Apow er supply system

References)

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[5]Spurrett R,Simmons N,Pearson C.Lithium-ion batteries based on commercial cells:past,present and future[C]//8thEuropean Space Pow er Conference,ESASP-661,2008

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[7]BorthomieuY,Lagat tu B,Remy S.40 years space battery lessons learned[C]//8thEuropean Space Power Conference,ESASP-661,2008

[8]Defer M,Du Peyrat D,Prevot D.Qualification of high specific energy li-ion cell VES180SA[C]//8thEuropean Space Pow er Conference,ESASP-661,2008

[9]Davies P,Liddle D,Paffett J.Amoudular design for papid response telecons and navigation missions[C]//2nd Responsive Space Conference,RS2-2004-3003,2004