MEO卫星地面一次电源模拟系统

乔伟男，常景娜，徐 冬

（中科院微小卫星创新研究院，上海 201210）

0 引 言

卫星电源分系统作为卫星的重要组成部分[1]，主要负责星上产生、存储、变换、调节和分配电能，是保证航天器及其他子系统正常工作的基础。一个高可靠性的电源系统对提高卫星的性能，延长卫星的工作周期起着决定性作用[2]。

1 电源分系统的工作原理

电源分系统的主要功能是为卫星平台和有效载荷提供一条全调节、高精度的供电母线，满足卫星在整个寿命周期、各种工作模式下的功率需求。其中，太阳电池阵为卫星的主要供电能源，蓄电池组是卫星储能装置，电池管理单元保证电池组全寿命周期单体性能的一致性，电源控制器负责对能源进行调节与控制。MEO采取分散供配电体制，卫星平台、载荷的供配电分别由主配电器和辅配电器实施，主要包括42 V电源和28 V辅母线电源的供配电，详细供配电如图1所示。

电源分系统工作原理如下：太阳电池阵在分流调节电路的作用下为星上负载供电，同时通过充电调节器为蓄电池组充电，充电功率从供电母线提取，当充电结束后，充电功率返回供电母线。在光照期，当太阳电池阵输出功率大于负载和蓄电池充电所需的功率时，分流调节电路由误差放大器控制，开始逐级顺序分流，调节方阵输出功率，控制母线电压。在月影期，太阳电池阵通过电源控制器控制，优先保证星上负载用电；若太阳电池阵输出功率小于负载用电要求时，蓄电池组经放电调节器补充供电（联合供电）。在地影期，蓄电池组经电源控制器中的放电调节器给母线供电。MEO卫星电源系统组成如图2所示。

图1 MEO卫星供配电框图

2 电源分系统设计

2.1 卫星电源系统工作特性分析

电源分系统是整个卫星系统的动力来源。为了确保卫星在轨飞行时能够正常工作，必须保证电源分系统的稳定性。在对卫星电源分系统进行完善设计时，模拟电源分系统需要具备以下特性[3]。

图2 MEO卫星电源系统组成

2.1.1 模拟卫星在轨飞行时电源分系统供电能力

卫星电源分系统是所有分系统工作的动力来源。卫星各个分系统所需的驱动力会随着工作状态的变化而变化。当所有分系统工作时，电源系统面临最大的压力；同时，分系统的关闭和启动也会对整个电源系统的稳定输出产生影响。

MEO卫星采用的高效三结砷化镓太阳电池帆板在寿命末期需要提供负载功率大于1 500 W。因而，地面测试时需要模拟卫星在各种状态切换时电源系统的供电能力，包括电压范围、电流范围和精度以及切换时间等。

2.1.2 模拟蓄电池的充放电特性

MEO卫星依据轻量化设计原则采用锂离子电池作为卫星的储能电池。蓄电池组的单体串联数为9节，蓄电池组输出电压范围为29.7～37.8 V。根据卫星负载功率及最大地影时间（1.2 h），确定使用容量为60 Ah的两组锂离子蓄电池。为了提高蓄电池组的可靠性，每组60 Ah锂离子蓄电池组采用20 Ah单体3并9串构成。

卫星在轨工作时通过太阳能帆板供电，当卫星处于太阳照射不到的阴影区时，只能通过电源系统供电。根据MEO轨道的特点，除去每年两个45 d的阴影季需要锂离子蓄电池供电之外，其他时间卫星长期运行在光照区，锂离子蓄电池基本上都处于搁置备用的状态。前期研究结果表明，锂离子蓄电池长期处于满荷电态对容量保持不利，而蓄电池荷电态过低则对卫星的供电安全不利，对于寿命要求大于12年的卫星而言，锂离子蓄电池在长光照期的状态管理成为电池保持容量和电压性能能否满足卫星寿命要求的重要因素。

因而，需要地面模拟在轨卫星蓄电池的在轨管理和均衡技术，在保证电池容量的前提下，减小电池工作应力，如通过调节电池在不同寿命阶段的充电截止电压，提高容量利用效率，从而延长电池的使用寿命。

2.1.3 模拟卫星的负载工作特性

卫星一次电源太阳电池阵和储能电源蓄电池组的电源输出直接提供给电源控制器，由电源控制器实现一次电源的调节与控制，并由电源控制器经主、辅配电器统一提供给所有负载供电。其中，主配电器主要向星载计算机、数据处理终端、磁力矩器、测控单机、姿控单机、推进阀门加热器等平台设备供电。辅配电器主要向跳频应答机、载荷、贮箱、推进管路、原子钟、红外地平仪以及蓄电池组等热控加热器供电。

从不同工作模式（包括安全对日模式、地球捕获模式、稳态对地模式和轨道控制模式）来看，卫星总的负载特性是一个动态变化的过程，安全模式负载小于250 W，稳态对地模式约为1 500 W。为了确保电源系统在所有负载情况下能正常工作，就需要模拟卫星负载的动态变化过程，包括电压范围、电流范围及精度等性能指标。因此，卫星一次电源模拟系统由3个子系统组成：太阳能阵列模拟子系统、负载模拟子系统和蓄电池模拟子系统。

2.2 模拟电源系统功能设计

整套一次电源模拟系统通过模拟太阳电池阵在轨工作特性、星上负载的工作特性和星上大容量蓄电池产品的放电特性，实现对星上电源系统的性能考核和验证。具体功能包括以下几方面。

2.2.1 太阳能阵列模拟子系统的主要功能

第一，在电源分系统测试时（整星状态或电源分系统单独状态），模拟太阳电池阵在轨工作特性，检查电源分系统性能、功能及对外接口关系的相容性；第二，在卫星电性能测试及各种试验期间，模拟星上太阳电池阵为整星供电；第三，在技术区和发射区，为星上负载供电，为蓄电池充电。

2.2.2 负载模拟子系统的主要功能

第一，模拟星上负载的工作特性，用于测试星上电源系统；第二，试验验证星上锂离子蓄电池工作特性，在调试和测试电源分系统产品时代替星上负载对太阳能阵列模拟系统和蓄电池模拟系统进行功能测试。

2.2.3 蓄电池模拟子系统的主要功能

第一，模拟星上大容量蓄电池产品的放电特性；第二，试验验证锂离子蓄电池的放电特性，在调试和测试电源分系统产品时代替星上蓄电池进行放电功能测试。

3 软硬件设计

卫星一次电源模拟系统是在软件自动控制下对星上电源进行模拟和验证的一个系统[4-5]。它由硬件和软件两部分组成，通过对软件的设置和调整来控制硬件平台，从而对多种功能和状态进行验证和模拟。通用小卫星电源模拟系统框图如图3所示。

图3 卫星一次电源模拟系统框图

3.1 软件设计

卫星一次电源模拟系统的控制软件采用模块化结构设计，层次结构简明清晰。软件包括充/供电功能、电子负载设置、数据分析、报表管理、系统自检和其他5大功能模块，分别控制对应的硬件来实现对星上电源的功能和状态的验证及模拟。

充/供电功能是太阳模拟阵测试系统软件的核心部分。它包括充供电阵的电压/电流曲线设置、上电启动、实时监控和显示电压/电流状态、修改设置参数、模拟进阴影功能、实时检测状态存档功能和断电数据存档功能。充供电阵的电压/电流曲线设置包括各个分阵开路电压、短路电流、工作电压和工作电流的设置，还包括过压保护和过流保护设置；进阴影功能够模拟卫星在轨运行时的光照变化规律，轨道周期和阴影时间调节，以及太阳电池阵列进出阴影时的I-V曲线过渡过程。充/供电软件的工作原理框图如图4所示。

图4 充/供电软件的工作原理框图

电子负载设置功能项用于对星上负载供电前的模拟调试。用户可以设置电子负载的所有通道，设置方式为恒压模式（CV MODE）、恒流模式（CC MODE）和恒阻模式（CR MODE）。该电子负载有3个通道。

历史数据分析功能项用于分析历次实时采集的历史数据，支持每一个充供电分阵的电压/电流曲线显示，曲线显示具有缩放（ZOOM）和标签（MARKER）的功能；支持直接打印图形曲线；支持提取某一特定时刻的所有充供电分阵状态列表，并可生成报表文档。

曲线设定功能项用于模拟调试前的各种上电/工作曲线的编辑和设定。用户可以为供电阵/充电阵分别设定10条不同的上电/工作曲线。

报表管理功能用于管理程序运行中生成的实时检测状态报告和历史数据分析报告（Excel报表格式），具有报表打开、另存、修改和打印功能。

系统自检用于检测太阳电池模拟模块的SAS输出特性。将要检测的SAS模块与电子负载相连接，设定SAS输出曲线，软件控制负载测量出SAS模块的真实输出曲线，通过给定的误差范围自动判断SAS模块是否指标合格。

其他功能项包括帮助、修改密码、版本信息和退出程序。用户可通过帮助功能在线打开帮助文件；版本信息用于显示系统软硬件版本信息；修改密码功能用于密码修改，用户可定期修改安全密码；退出程序结束系统软件程序。

3.2 硬件设计

卫星一次电源模拟系统的硬件包括系统控制器PC controller、GPIB接口和控制电缆、机柜、电子负载、太阳电池模拟器、直流稳压源以及配电控制箱PDB。系统硬件结构框图如图5所示。

图5 系统硬件框架图

系统所有硬件集成在一个机柜内，包含5台太阳方阵模拟器、2台电子负载、2台直流稳压源、1台系统控制器、1台配电控制箱。每台太阳方阵模拟器装有2个方阵输出模块，用于实现太阳能阵列模拟子系统。该子系统实现10路定制输出（65 V/8.5 A）的太阳电池阵列模拟功能。每台电子负载装五个电子负载模块，用于实现负载模拟子系统。该子系统实现10路300 W负载的模拟功能，通道之间还可以并联组合。

3.3 系统测试

测试软件用测试程序软件VEE（Visual Engineering Environment）开发，图形化操作界面，对上述仪表进行程控，实现卫星充/供电模拟测试功能，包括太阳能阵列模拟子系统软件、负载模拟子系统软件和蓄电池模拟子系统软件。

4 实验结果与分析

按照某MEO卫星在轨进出影情况设置，整星太阳电池阵供电按照780 min周期进行进出影测试，同时监测蓄电池组A/B的720 min充电、60 min放电过程。模拟电源一次进出阴影转换曲线如图6所示，模拟蓄电池充放电如图7所示。

图6 模拟电源一次进出阴影转换曲线

图7 模拟蓄电池充放电

测试结果表明，在模拟卫星在轨进出影过程中，蓄电池充放电曲线符合预期，测试结果验证了太阳能阵列模拟子系统在光照期对整星供电以及对蓄电池充电工作，验证了蓄电池模拟子系统在地影期放电为整星提供能源保障，负载模拟子系统起到了模拟卫星负载作用。

5 结 论

电源分系统是整个卫星系统的“心脏”，确保卫星在轨飞行时能正常工作，电源分系统的稳定性是至关重要。本文主要设计了一套对某MEO卫星电源系统的地面模拟模拟系统，通过系统搭建、模拟测试验证及与在轨运行卫星数据对比，比较完整地复刻了能源系统运行的真实情况，适用于卫星能源系统这种对可靠性要求极高的场所。本系统设计可拓展性较强，可针对多种卫星进行能源系统地面模拟，打破传统部分卫星测试“专用设备”限制，转为“通用设备”系统，为后续卫星的能源系统可靠在轨运行提供参考。