卫星电源动态参数测试系统设计

孙晨昕， 金海彬， 丁明理， 颜晓军

(1.哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.北京东方计量测试研究所，北京 100086)

1 引 言

卫星电源系统是卫星上用于转换、存储、分配以及调节电能的重要系统，能够保障卫星其它模块正常运行[1]。卫星电源系统作为卫星平台的关键组成部分，系统本身的性能以及系统供电的可靠性会直接影响到卫星其他部分的功能[2]，对卫星的正常在轨运行、工作的执行等有着严重的影响，甚至直接影响卫星的工作寿命[3]。据有效统计，在轨航天器发生故障的原因中，有将近1/3是卫星电源系统性能下降或失效所导致[4]。卫星电源动态参数的有效判读对监测在轨卫星健康状态具有重要意义[5],状态监测和故障诊断对卫星安全系统至关重要[6]。由于卫星电源系统体积庞大，不便于拆卸和移动，无法将系统送到专门的实验室进行测试，需要一套专门的测试设备可以在电源系统所在地进行测试[7];随着计算机技术快速发展，硬件设备和仪器的准确度大大提高，接口标准、编程指令集逐渐统一，动态参数测试系统的自动化程度也逐渐提高[8]。实现在综合电子体系下的电源自主管理，成为我国自主研制的新一代导航卫星专用平台能力提升的关键问题[9]。

针对传统的动态参数测试方法采用手动测试、记录数据的方式，自动化程度低，测试效率低，记录结果难于进行统计分析等缺点[10,11]，提出一种基于高速采集原理的卫星电源动态参数测试系统，包括硬件、软件2部分;静态测量的相对准确度达到0.1%，动态测量具有良好的稳定性和复现性,数据存储、分析、计算以及回放功能，有一定的通用性和可扩展性。

2 动态参数测试方法

本系统主要针对卫星电源输出的模拟及动态参数测试。测试时首先需使用太阳能电池模拟器模拟卫星太阳帆板在卫星实际运行过程中的I-V曲线;然后通过设置负载的参数值如电压值、电流值或电阻值，对负载两端的母线电压、纹波电压以及工作在恒流模式的负载产生的瞬时电压跳变进行测试。

2.1 太阳能电池模拟器伏安特性曲线的绘制

在进行地面模拟测试时，电源的动态参数受不同条件下太阳能电池模拟器的伏安特性影响，所以准确模拟星上太阳能电池阵列的I-V曲线是进行动态参数测试的前提条件。

图1给出了精确模拟太阳能电池输出特性所需的可变因素。这些可变因素的近似数学模型由4个关键参量组成：开路电压Voc，最大功率点电压Vmp，短路电流Isc，最大功率点电流Imp[12]。

图1 太阳能电池输出伏安特性曲线Fig.1 Output volt ampere characteristic curve of solar cell

由于模拟太阳能电池阵列输出伏安特性曲线的关键在不同情况下，4个参量Voc、Vmp、Isc、Imp的取值，所以系统采用数学迭代的方式来确定输出曲线进而完成模拟器的配置。根据实际情况获得4个参量的具体数值后，通过迭代计算出模拟器输出曲线上各个点的电压和电流值，进而完成曲线的绘制，迭代过程如式(1)～式(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Rs、N、a分别为电池阵的串联电阻、曲线的一个指数型曲线参数、指数型曲线参数的指数。

2.2 母线电压及纹波电压测试方法

太阳能电池模拟器和等效负载通过电缆连接构成回路，回路中母线上的信号作为被测信号引出。由于卫星电源输出信号范围为10～120 V，远大于采集卡输入要求，因此被测电压信号需要经过精密电阻分压器分压，而后送至高准确度数据采集器完成母线电压的测量功能，测量框图如图2所示。

图2 母线电压测量框图Fig.2 Bus voltage measurement block diagram

为了保证测试的较高准确度，母线电压选用PXIe-6366数据采集卡测试。PXIe-6366包含8通道模拟输入端，采样速率为2×106/s，模拟输入范围±10 V，ADC分辨率为16位，完全能够满足集成化设计的指标要求。[13]

交流成分的纹波电压比直流成分的母线电压小3个数量级以上，如果直接将母线电压经过衰减接入采集卡，使用采集卡的直流耦合功能测量母线电压上的纹波会引入分压比误差。为减小该分压带来的误差，采用前置交流耦合电路将直流部分隔出，只允许交流部分进入采集卡，从而测量母线电压上的纹波电压大小。

由于纹波电压带宽为10 MHz，按照10倍以上采样才能较完善地恢复出信号，因此本系统选择的采集卡为PXIe-5122，该采集卡包含2个通道，具有高达1×108/s实时采样率。

2.3 电压恢复时间测试原理

当负载工作在恒流模式时，改变电流值的大小将会引起母线电压值的波动ΔU，如图3所示，从电压开始变化直到电压恢复稳定输出量并能保持于瞬态恢复带之间的时间即为电压恢复时间Δt。

图3 电压恢复时间计算原理图Fig.3 Schematic diagram of voltage recovery time calculation

对电压恢复时间的测试采用PXIe-5162高速采集卡，由于其具有10位分辨率，采样速率为109/s，保证了测量的准确度远高于示波器。计算流程图如图4所示。

图4 电压恢复时间计算流程图Fig.4 Flow chart of voltage recovery time calculation

捕获电压的跳变，关键是起始点的确定。在本设计中，首先读取一个记录集的电压信号求取平均值作为电压稳态值U，为了排除正常波动的干扰，将绝对值超过电压稳态值0.1 V的电压也就是电压值为U±0.1 V设置为2个阈值;然后通过向前读取记录集的数据并与电压稳态值U进行比较得到电压跳变的起始点。

当电压值超过阈值后，持续采集之后的电压信号绘制波形曲线并将采集的电压值大小进行比较得到电压跳变的峰值或谷值，确定已经达到跳变的最大值后，进而由设置的电压带值ΔV得到电压跳变的终止点;同时停止波形的绘制，由采集到的数据点数与采样率大小相除即可得到电压恢复时间值大小。

由于系统要求可以对负载电流值连续变化得到的电压跳变进行测量，在完成上一次的电压跳变的获取之后需要重新计算电压稳态值的大小。首先当上一次测量停止后，对之后的数据进行连续采集，将得到的1 000个数据值求取平均值得到U1。然后再对接下来的1 000个数据点求取平均值得到U2，将其与U1进行比较，如果二者的差值的绝对值小于0.001 V即可认为电压达到稳态值，将U2设为稳态值U；如果二者的差值的绝对值大于0.001 V，则重复进行以上操作，对之后的数据重复求平均值并将U1、U2重新赋值，直至差值的绝对值小于0.001 V。

得到新的电压稳态值之后，捕获数据点以及绘制波形图，从而可以连续测出电压恢复时间的大小。

3 系统组成

3.1 系统整体结构

系统使用太阳能电池模拟器模拟实际星上太阳帆板在轨运行过程中各种状态下的输出伏安特性曲线，如光照区、进出地影区等不同条件。通过电子负载用于模拟卫星等效载荷的功率变化;脉冲源模拟电推进系统的输出;在实现模拟输出的基础上，通过信号处理电路和数据采集卡完成对电源输出参数的采集测试。

设计系统整体结构框图如图5所示。硬件系统由PXI控制器、太阳能电池阵模拟器、脉冲电源、数据采集卡、负载模拟器和预处理电路等部分组成;软件部分主要包括电子负载控制模块、太阳能电池阵模拟器控制模块、脉冲电源控制模块、动态测试模块、数据管理模块以及数据分析处理与算法组成。

图5 系统整体结构框图Fig.5 Overall structure diagram of the system

3.2 硬件结构组成

遵循模块化的设计原则，硬件系统主要包括模拟设备、主机系统、动态采集模块以及相应显示操作设施。

系统选择E4360太阳能电池阵列模拟器配合N3300A系列电子负载模拟星上电源输出，通过一系列预处理电路连入采集装置。

动态测试模块是系统最主要的部分，由宽频带分压器、精密电阻分压器、交流耦合电路等信号处理电路和数据采集卡组成，为了解决传统示波器测量方式存储深度低、测量时间短、获取数据少、实时性低、对数据的处理分析记录能力差等问题，提高测试准确度，需采用基于数字采样技术的采集系统，由PXI高速采集卡完成数据的动态测试。它能够快速准确地完成对被测信号的测量及存储，测试准确度远高于示波器，具有数据存储及记录功能，能够存储海量数据，并能够对数据进行分析[12]。

动态测试部分选择具备高速采集特点的PXIe-1065机箱，控制器PXIe-8880以及数据采集卡完成对模拟信号的读取与分析。精密电阻分压器、交流耦合电路以及宽频分压器制作在一块板卡上，通过这3部分电路的处理，送入相应的采集卡，完成对太阳能电池及卫星电源输出信号的采集测试功能。

3.3 软件结构设计

系统选用VS2010作为系统软件的开发平台，软件具有便于与数据库以及Excel交互、支持多线程开发、操作使用简单、运行速度快和易于维护等特点系统软件结构图如图6所示。

图6 软件结构图Fig.6 Software structure diagram

不同条件下的模拟数据存储在数据库中，根据模拟需求从数据库中读数据，分别通过TCP通讯和串口通讯，发送到太阳能电池模拟器和负载模拟器，控制两个设备按照设置值工作，实现模拟输出。

系统软件可控制采集卡完成数据采集工作，并将采集的数据绘制动态曲线实时显示；采集得到的所有数据写入数据库存储，完成对数据的遍历、读取、删除、写入和导出等操作。

4 测试结果及分析

系统硬件平台如图7所示。为验证系统功能，主要进行以下测试：

1) 完成系统对各个信号的动态采集功能验证，太阳能电池模拟器或信号发生器的输出作为被测信号，同时配置数据采集卡对当前的信号进行采集测试；完成对脉冲信号的测试功能，以信号源输出的脉冲信号作为被测信号，通过配置数据采集卡，完成对脉冲信号的采集测试；

2) 进行系统整体联合测试，根据需求，选择某种模拟条件对太阳能电池模拟器和等效负载进行配置，同时配置数据采集卡对当前的信号进行采集测试；完成对脉冲电源信号的测试功能，通过配置数据采集卡，完成对脉冲信号的采集测试；完成系统与综测服务器通讯测试。

图7 卫星电源测试系统硬件平台Fig.7 Hardware platform of satellite power test system

测试数据如表1、表2所示。分析表1和表2数据可知，母线电压的测量范围可达到10 V～120 V，符合实际需求。母线电压及纹波电压所得数据与实际设置值相比，相对准确度均控制在0.1%以内，具有较高的准确性。此外，本系统可测量出范围为0.1 V的电压跳变，电压恢复时间的测量结果具有较高的稳定性和复现性。结果表明，各个功能模块单独工作时能正常运行，各功能模块同时工作时也能正常运行，互不干扰。因此，本系统设计合理，能够完成动态测试任务且稳定运行。

表1 母线电压及纹波电压测试结果Tab.1 Test results of bus voltage and ripple voltage

表2 电压恢复时间测试结果Tab.2 Test results of voltage recovery time

5 结 论

设计了一套电源动态参数测试系统,系统基于VC++开发平台，可控制太阳能电池模拟器模拟实际卫星电源输出信号。搭配数据采集板卡组成卫星电源动态参数测试系统，可以完成太阳能帆板在不同光照环境下输出I-V曲线的建立，静态测量相对准确度为0.1%，动态特性捕捉范围可达0.1 V。集模拟设备控制功能、动态采集功能和数据管理功能于一体，具有可靠性和一定的可扩展性。

[参考文献]

[1] 叶卫东, 孙芳方, 钱锐. 卫星电源数据采集控制系统研究[J]. 现代制造工程, 2011, (9): 112-115.

Ye W D, Sun F F, Qian R. Research on Data Acquisition and Control System of Satellite Power Supply [J].ModernManufacturingEngineering, 2011 , (9): 112-115.

[2] 刘丽霞. 卫星电源系统的故障仿真及诊断[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2015.

[3] Suo M L, Zhu B L, An R M,etal. Data-driven fault diagnosis of satellite power system using fuzzy Bayes risk and SVM[J].AerospaceScienceandTechnology, 2018, 84: 1092-1105.

[4] Catelani M, Ciani L, Graditi G,etal. Measurement and Comparison of Reliability Performance of Photovoltaic Power Optimizers for Energy Production[J].Metrology&MeasurementSystems, 2015, 22(1): 139-152.

[5] 史欣田, 庞景月, 张新, 等. 基于集成极限学习机的卫星大数据分析[J]. 仪器仪表学报, 2018, 39(12): 81-91.

Shi X T, Pang J Y, Zhang X,etal. Large Satellite Data Analysis Based on Integrated Extreme Learning Machine [J].JournalofInstrumentsandInstruments, 2018, 39 (12): 81-91.

[6] Zhang S G, Wang L, Liu Y,etal. Real Time Fault Diagnosis with Tests of Uncertain Quality for Multimode Systems and its Application in a Satellite Power System[J].JournalofElectronicTesting, 2018, 34(5): 529-545.

[7] 齐秀青. 卫星电源测试系统设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.

[8] Wang G H, Cui Y, Wang S,etal. Design and performance test of spacecraft test and operation software[J].ActaAstronautica, 2011, 68(11): 1774-1781.

[9] 张泰峰. 新一代导航卫星电源系统自主管理方法[J]. 电源技术, 2017, 41(7): 1055-1056.

Zhang T F. Autonomous Management Method of New Generation Navigation Satellite Power Supply System [J].PowerSupplyTechnology, 2017, 41(7): 1055-1056.

[10] Neji B, Hamrouni C, Alimi A M. Study and simulation of an intelligent electrical power subsystem for ERPSat-1 cube satellite[C]// IEEE. International Conference on Recent Advances in Space Technologies. Istanbal, Turkey， 2011: 771-776.

[11] Neji B, Hamrouni H, Alimi A M,etal. Hierarchical Fuzzy-Logic-Based Electrical Power Subsystem for Pico Satellite ERPSat-1[J].AdvancedMaterialsResearch, 2017, 875-877(2): 1822-1826.

[12] 蔡川, 张俊超,熊利民,等. 光谱失配对太阳电池短路电流测量准确性影响分析[J]. 计量学报, 2018, 39(4): 490-492.

Cai C, Zhang J C,Xiong L M,etal. Analysis of spectral mismatch error influences on measurement of reference solar cell[J].ActaMetrologicaSinica, 2018, 39(4): 490-492.

[13] 王新芝, 李玉冬. PXI技术在航空机载计算机检测系统中的运用[J]. 电子技术与软件工程, 2018, (22): 129.

Wang X Z, Li Y D. Application of PXI Technology in Airborne Computer Detection System [J].ElectronicTechnologyandSoftwareEngineering, 2018, (22): 129.