基于太阳方阵模拟器和母线纹波测试仪的载人航天器进出影测试

张福生，孟宪会，翟筱羿

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

基于太阳方阵模拟器和母线纹波测试仪的载人航天器进出影测试

张福生，孟宪会，翟筱羿

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

为分析载人航天器在轨时地影区和阳照区转换过程中的母线电压，研究内电和外电间过度过程中船上设备供电兼容性，提出一种航天器地面测试阶段对其进出影过程供电特性模拟和监测的方法。实验结果表明：基于太阳方阵模拟器和母线纹波测试仪的进出影测试系统可实现对进出影供电状况模拟，不同负载工况下的母线波动具有可区分的响应特征，对任务期间在轨工况设计、设备供电兼容性设计有反馈作用。该方法已成功应用于神舟十号的测试任务，为在轨任务顺利实施提供有效保障。

载人航天器；太阳方阵模拟器；纹波测试仪；进出影测试

0　引　言

随着航天科技的进步，我国载人航天器的综合测试工作向精细化、标准化、智能化方向不断发展。综合测试对航天器功能和系统设计有着重要反馈作用，因此测试技术水平一定程度上决定了型号的整体水平[1-2]。

进影和出影是航天器在轨所必经的工况，在阴影区和阳照区分别由电池组和太阳帆板为船上设备供电，简称内、外电供电[3]。母线电压在内电和外电的切换过程中存在过渡过程，过度超调会对船上设备供电造成不利影响，在地面测试阶段对进出影过程供电特性有效模拟和对母线电压监测具有重要意义[4-5]。

国内外在太阳方阵的模拟上多使用线性电源组合形式，而控制系统则经历了商用计算机、单片机、工控机的换代过程，技术较成熟的单位有中电十八所、安捷伦、Amtek等[5]。传统母线品质测量使用示波器，将航天器母线接入示波器进行人工判读。转接电缆在测试中产生天线效应，会引入较多的高频噪声，此外人工操作和数据读取存在主观性。

本文提出的载人航天器进出影测试方法，使用太阳方阵模拟器（solar array simulator，SAS）模拟太阳翼对航天器进行供电[5]，通过母线纹波测试仪自动连续获取母线电压数据，实现模拟在轨工况下各开机设备的兼容性分析，对设备间供电兼容性、在轨工况设计形成有效反馈。

1　测试系统及原理

1.1总体架构

进出影测试系统是综合测试系统中的一个重要功能系统，主要由上位机、SAS、母线纹波测试仪及专用电缆组成。其中，左、右翼SAS分别通过分流调节器与航天器相连，形成供电充电通路；母线纹波测试仪通过专用电缆接入航天器母线，形成测量通路；上位机集成控制软件对SAS、纹波测试仪等设备进行参数加载与控制，并实现供配电设备与综合测试总控间的数据交互，系统构成示意图如图1所示。

图1　进出影测试系统结构示意图

1.2太阳方阵模拟器

太阳方阵模拟器在进出影测试期间模拟在轨期间太阳电池阵的电输出特性，从而对航天器进行供电和充电，包括左翼SAS、右翼SAS两部分，其输出端分别与航天器左右翼分流调节器相连。系统选用Amtek公司的太阳方阵模拟设备，每翼SAS由主机柜和从机柜组成，其中主机柜内包含一台工控机和16个快速分析电流源（fast profiling current source，FPCS）模块，从机柜包含20个FPCS模块，左翼SAS和右翼SAS结构相同，两翼共由72通路FPCS模块组成[6]。FPCS模块可根据航天器功率进行灵活配置，并通过工控机中的WinSAS软件进行参数设置与本地控制，也可通过上位机进行远程集中控制。

Amtek公司的SAS设备具有精度高、响应速度快、扩展性好、通道隔离度高等特点[7]。SAS除常规工作模式（对航天器进行供电和充电），还具有开关模式、自旋模式和进出影模式3个工作模式。其中，进出影模式的各电源模块同步性好，响应速度快，为微秒级，可以满足航天器在内外电切换过程的指标要求。

1.3母线纹波测试仪

母线纹波测试仪用于对载人航天器供电母线的状态进行监视，在载人航天器系统测试阶段测量其供电母线的纹波大小和长时间监视供电母线的工作状态，实现测量工作的远程自动化执行、测量结果监听和测量报告自动生成等功能，释放母线纹波测量工作中占用的人力、时间和测量工具，并为一次电源母线的供电品质分析提供可靠有效的原始数据。其主要功能模块包括纹波波形采集、数据压缩、数据存储、实时显示、数据远程传输接收、数据回放和数据报表打印等。

母线纹波测试仪由隔离衰减模块、通道选通模块、高速采集模块及母线接口电缆组成。通道转换器可实现3个不同舱段母线电压的分时监视，通过软件进行测点信号切换；衰减器实现信号调压变换并匹配阻抗；高速采集模块采用了PXI构架解决方案，配置了PXI机箱、嵌入式控制器和示波器卡进行数据采集、存储与处理，系统采样率可调，最高为1.4MS/s；在机箱供电方面选用线性直流电源进行隔离，其硬件构成如图2所示。

图2　母线纹波测量设备结构图

母线纹波测量设备软件具有定时及手动控制模式、长时间连续采集模式两种工作模式，其主体采用NI公司的LabVIEW 8.2进行开发[8]，由于软件运行时需要实时进行数据压缩，压缩算法采用VC++6.0开发以提高执行效率，通过动态链接库由LabVIEW进行调用，而数据的采集、显示、存储、回放等通过LabVIEW开发实现。

2　测试过程

2.1进出影曲线设计

进出影曲线设计是对在轨供电工况进行有效模拟的关键，依据在轨数据和仿真数据来确定，分为功率和时间两个维度，由功率曲线和分段设置分别进行表征。功率曲线参数包括Curve-Voc-Isc-Rs-N，分别代表曲线标号、开路电压、短路电流、电压模式斜率、电流模式斜率；分段设置则规定了每段功率曲线在进影和出影过程中的持续时间。

2.2数据记录与回放

母线纹波测试仪与航天器连接后，通过软件选择监测舱段，一般为主电源所在的推进舱；将高速数字化仪设置成AC耦合方式、量程10 Vp-p；根据需求设定采样频率，典型值为200kS/s；然后启动自动数据采集系统进行数据记录。

进出影测试期间，航天器依据飞行程序进行在轨工况不同设备工作组合的设置，负载状态可由整船功率表征，同时SAS模拟太阳电池阵按进出影曲线设置周期进行地影区和阳照区的供电切换。在阳照区由SAS输出为整船供电，为电池组充电；进入影区，SAS按曲线逐步降低输出电压，当低于电池组电压时，整船由电池组内电供电。纹波测试仪记录并存储母线电压波动情况，对每1s数据波形和峰峰值特征进行实时显示，同时支持数据回放，便于特征波形的分析和处理。

3　测试结果

图3为一组应用SAS和母线纹波测试仪进行进出影测试的母线电压过渡过程示意，研究采样点序和母线电压之间的关系。研究发现由于感性、容性负

载的存在，出影和进影过程母线电压表现出一定的振荡过渡，可分析极值电压是否满足负载供电需求；不同负载状态下，过渡过程在过渡时间和波动幅值上具有差异性，可定量分析不同负载间的兼容匹配性，为任务设定提供输入。

4　结束语

本文提出了一种基于SAS和母线纹波测试仪的进出影测试方法，可对航天器在轨进出影工况下供电进行有效模拟，并连续、高速记录母线电压变化情况。相对于基于示波器的测量方法，在测试安全性、自动化程度、数据分析上有着明显优势。该方法是对航天器无线信道测量的有益补充，对载人航天器设备间供电兼容性设计、在轨工况设计有一定促进作用。

[1]张洪光.航天器供配电测试设备硬件模块化、软件配置化设计思路[J].航天器工程，2010，19（1）：72-76.

[2]李廷中，王蓓蓓，周新顺.航天器电源系统大功率智能配电技术[J].航天器环境工程，2011，28（6）：511-515.

[3]褚桂柏.航天技术概论[M].北京：航天工业出版社，2002：78-91.

[4]于磊，任筱强，李志勇，等.航天器能源系统方案设计[J].电源技术，2013（10）：22-28.

[5]王永谦，胡其正，韩国经.卫星电源系统的母线性能分析[J].中国空间科学技术，2000（4）：22-28.

[6]王倩.太阳方阵模拟器的单片机测控系统设计[C]∥中国宇航学会空间能源学术年会论文集，2002：280-286.

[7]孙毅，罗震.太阳方阵模拟器电源测试方法研究[J].宇航计测技术，2012，32（6）：67-71.

[8]张福生，刘武通，李鸿飞.高压大功率载人航天器地面供配电系统设计 [C]∥第二届载人航天学术大会论文集，2012：839-843.

Eclipse response test of manned spacecraft based on SAS and power supply bus ripple measuring instrument

ZHANG Fu-sheng，MENG Xian-hui，ZHAI Xiao-yi
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Inordertoanalyzethepowersupplyperformanceandmakethepowersupply compatibility design of manned spacecraft across sun area and eclipse area，a ground test method to simulate the on-orbit power supply and monitor the power supply bus is put forward.The experiment results show that the test system based on solar array simulator（SAS）and power supply bus ripple measuring instrument（RMI）could monitor on-orbit power supply of sun-eclipse process in ground test process，record and analysis the power bus ripple with high-speed，and make a strong feedback on the on-orbit mission design and equipment power supply compatibility design.This system has been successfully used in SHEN-ZHOU manned spacecraft test process and ensures the on-orbit application.

manned aircraft；SAS；RMI；eclipse response test

V411.8；TN911；TP274；TP212

：A

：1674-5124（2014)06-0068-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.018

2014-04-28；

：2014-06-16

张福生（1983-），男，吉林通化市人，工程师，主要从事载人航天器地面测试及设备研制和综合测试工作。