基于太陽(yáng)方陣模擬器和母線紋波測(cè)試儀的載人航天器進(jìn)出影測(cè)試

張福生，孟憲會(huì)，翟筱羿

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

基于太陽(yáng)方陣模擬器和母線紋波測(cè)試儀的載人航天器進(jìn)出影測(cè)試

張福生，孟憲會(huì)，翟筱羿

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

為分析載人航天器在軌時(shí)地影區(qū)和陽(yáng)照區(qū)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的母線電壓，研究?jī)?nèi)電和外電間過(guò)度過(guò)程中船上設(shè)備供電兼容性，提出一種航天器地面測(cè)試階段對(duì)其進(jìn)出影過(guò)程供電特性模擬和監(jiān)測(cè)的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于太陽(yáng)方陣模擬器和母線紋波測(cè)試儀的進(jìn)出影測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出影供電狀況模擬，不同負(fù)載工況下的母線波動(dòng)具有可區(qū)分的響應(yīng)特征，對(duì)任務(wù)期間在軌工況設(shè)計(jì)、設(shè)備供電兼容性設(shè)計(jì)有反饋?zhàn)饔?。該方法已成功?yīng)用于神舟十號(hào)的測(cè)試任務(wù)，為在軌任務(wù)順利實(shí)施提供有效保障。

載人航天器；太陽(yáng)方陣模擬器；紋波測(cè)試儀；進(jìn)出影測(cè)試

0　引　言

隨著航天科技的進(jìn)步，我國(guó)載人航天器的綜合測(cè)試工作向精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化方向不斷發(fā)展。綜合測(cè)試對(duì)航天器功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要反饋?zhàn)饔茫虼藴y(cè)試技術(shù)水平一定程度上決定了型號(hào)的整體水平[1-2]。

進(jìn)影和出影是航天器在軌所必經(jīng)的工況，在陰影區(qū)和陽(yáng)照區(qū)分別由電池組和太陽(yáng)帆板為船上設(shè)備供電，簡(jiǎn)稱內(nèi)、外電供電[3]。母線電壓在內(nèi)電和外電的切換過(guò)程中存在過(guò)渡過(guò)程，過(guò)度超調(diào)會(huì)對(duì)船上設(shè)備供電造成不利影響，在地面測(cè)試階段對(duì)進(jìn)出影過(guò)程供電特性有效模擬和對(duì)母線電壓監(jiān)測(cè)具有重要意義[4-5]。

國(guó)內(nèi)外在太陽(yáng)方陣的模擬上多使用線性電源組合形式，而控制系統(tǒng)則經(jīng)歷了商用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、工控機(jī)的換代過(guò)程，技術(shù)較成熟的單位有中電十八所、安捷倫、Amtek等[5]。傳統(tǒng)母線品質(zhì)測(cè)量使用示波器，將航天器母線接入示波器進(jìn)行人工判讀。轉(zhuǎn)接電纜在測(cè)試中產(chǎn)生天線效應(yīng)，會(huì)引入較多的高頻噪聲，此外人工操作和數(shù)據(jù)讀取存在主觀性。

本文提出的載人航天器進(jìn)出影測(cè)試方法，使用太陽(yáng)方陣模擬器（solar array simulator，SAS）模擬太陽(yáng)翼對(duì)航天器進(jìn)行供電[5]，通過(guò)母線紋波測(cè)試儀自動(dòng)連續(xù)獲取母線電壓數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模擬在軌工況下各開(kāi)機(jī)設(shè)備的兼容性分析，對(duì)設(shè)備間供電兼容性、在軌工況設(shè)計(jì)形成有效反饋。

1　測(cè)試系統(tǒng)及原理

1.1總體架構(gòu)

進(jìn)出影測(cè)試系統(tǒng)是綜合測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)重要功能系統(tǒng)，主要由上位機(jī)、SAS、母線紋波測(cè)試儀及專用電纜組成。其中，左、右翼SAS分別通過(guò)分流調(diào)節(jié)器與航天器相連，形成供電充電通路；母線紋波測(cè)試儀通過(guò)專用電纜接入航天器母線，形成測(cè)量通路；上位機(jī)集成控制軟件對(duì)SAS、紋波測(cè)試儀等設(shè)備進(jìn)行參數(shù)加載與控制，并實(shí)現(xiàn)供配電設(shè)備與綜合測(cè)試總控間的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1　進(jìn)出影測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2太陽(yáng)方陣模擬器

太陽(yáng)方陣模擬器在進(jìn)出影測(cè)試期間模擬在軌期間太陽(yáng)電池陣的電輸出特性，從而對(duì)航天器進(jìn)行供電和充電，包括左翼SAS、右翼SAS兩部分，其輸出端分別與航天器左右翼分流調(diào)節(jié)器相連。系統(tǒng)選用Amtek公司的太陽(yáng)方陣模擬設(shè)備，每翼SAS由主機(jī)柜和從機(jī)柜組成，其中主機(jī)柜內(nèi)包含一臺(tái)工控機(jī)和16個(gè)快速分析電流源（fast profiling current source，F(xiàn)PCS）模塊，從機(jī)柜包含20個(gè)FPCS模塊，左翼SAS和右翼SAS結(jié)構(gòu)相同，兩翼共由72通路FPCS模塊組成[6]。FPCS模塊可根據(jù)航天器功率進(jìn)行靈活配置，并通過(guò)工控機(jī)中的WinSAS軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與本地控制，也可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制。

Amtek公司的SAS設(shè)備具有精度高、響應(yīng)速度快、擴(kuò)展性好、通道隔離度高等特點(diǎn)[7]。SAS除常規(guī)工作模式（對(duì)航天器進(jìn)行供電和充電），還具有開(kāi)關(guān)模式、自旋模式和進(jìn)出影模式3個(gè)工作模式。其中，進(jìn)出影模式的各電源模塊同步性好，響應(yīng)速度快，為微秒級(jí)，可以滿足航天器在內(nèi)外電切換過(guò)程的指標(biāo)要求。

1.3母線紋波測(cè)試儀

母線紋波測(cè)試儀用于對(duì)載人航天器供電母線的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，在載人航天器系統(tǒng)測(cè)試階段測(cè)量其供電母線的紋波大小和長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視供電母線的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量工作的遠(yuǎn)程自動(dòng)化執(zhí)行、測(cè)量結(jié)果監(jiān)聽(tīng)和測(cè)量報(bào)告自動(dòng)生成等功能，釋放母線紋波測(cè)量工作中占用的人力、時(shí)間和測(cè)量工具，并為一次電源母線的供電品質(zhì)分析提供可靠有效的原始數(shù)據(jù)。其主要功能模塊包括紋波波形采集、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸接收、數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)報(bào)表打印等。

母線紋波測(cè)試儀由隔離衰減模塊、通道選通模塊、高速采集模塊及母線接口電纜組成。通道轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)3個(gè)不同艙段母線電壓的分時(shí)監(jiān)視，通過(guò)軟件進(jìn)行測(cè)點(diǎn)信號(hào)切換；衰減器實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)壓變換并匹配阻抗；高速采集模塊采用了PXI構(gòu)架解決方案，配置了PXI機(jī)箱、嵌入式控制器和示波器卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理，系統(tǒng)采樣率可調(diào)，最高為1.4MS/s；在機(jī)箱供電方面選用線性直流電源進(jìn)行隔離，其硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2　母線紋波測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

母線紋波測(cè)量設(shè)備軟件具有定時(shí)及手動(dòng)控制模式、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集模式兩種工作模式，其主體采用NI公司的LabVIEW 8.2進(jìn)行開(kāi)發(fā)[8]，由于軟件運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，壓縮算法采用VC++6.0開(kāi)發(fā)以提高執(zhí)行效率，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)由LabVIEW進(jìn)行調(diào)用，而數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)、回放等通過(guò)LabVIEW開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

2　測(cè)試過(guò)程

2.1進(jìn)出影曲線設(shè)計(jì)

進(jìn)出影曲線設(shè)計(jì)是對(duì)在軌供電工況進(jìn)行有效模擬的關(guān)鍵，依據(jù)在軌數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)來(lái)確定，分為功率和時(shí)間兩個(gè)維度，由功率曲線和分段設(shè)置分別進(jìn)行表征。功率曲線參數(shù)包括Curve-Voc-Isc-Rs-N，分別代表曲線標(biāo)號(hào)、開(kāi)路電壓、短路電流、電壓模式斜率、電流模式斜率；分段設(shè)置則規(guī)定了每段功率曲線在進(jìn)影和出影過(guò)程中的持續(xù)時(shí)間。

2.2數(shù)據(jù)記錄與回放

母線紋波測(cè)試儀與航天器連接后，通過(guò)軟件選擇監(jiān)測(cè)艙段，一般為主電源所在的推進(jìn)艙；將高速數(shù)字化儀設(shè)置成AC耦合方式、量程10 Vp-p；根據(jù)需求設(shè)定采樣頻率，典型值為200kS/s；然后啟動(dòng)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

進(jìn)出影測(cè)試期間，航天器依據(jù)飛行程序進(jìn)行在軌工況不同設(shè)備工作組合的設(shè)置，負(fù)載狀態(tài)可由整船功率表征，同時(shí)SAS模擬太陽(yáng)電池陣按進(jìn)出影曲線設(shè)置周期進(jìn)行地影區(qū)和陽(yáng)照區(qū)的供電切換。在陽(yáng)照區(qū)由SAS輸出為整船供電，為電池組充電；進(jìn)入影區(qū)，SAS按曲線逐步降低輸出電壓，當(dāng)?shù)陀陔姵亟M電壓時(shí)，整船由電池組內(nèi)電供電。紋波測(cè)試儀記錄并存儲(chǔ)母線電壓波動(dòng)情況，對(duì)每1s數(shù)據(jù)波形和峰峰值特征進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)回放，便于特征波形的分析和處理。

3　測(cè)試結(jié)果

圖3為一組應(yīng)用SAS和母線紋波測(cè)試儀進(jìn)行進(jìn)出影測(cè)試的母線電壓過(guò)渡過(guò)程示意，研究采樣點(diǎn)序和母線電壓之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)由于感性、容性負(fù)

載的存在，出影和進(jìn)影過(guò)程母線電壓表現(xiàn)出一定的振蕩過(guò)渡，可分析極值電壓是否滿足負(fù)載供電需求；不同負(fù)載狀態(tài)下，過(guò)渡過(guò)程在過(guò)渡時(shí)間和波動(dòng)幅值上具有差異性，可定量分析不同負(fù)載間的兼容匹配性，為任務(wù)設(shè)定提供輸入。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于SAS和母線紋波測(cè)試儀的進(jìn)出影測(cè)試方法，可對(duì)航天器在軌進(jìn)出影工況下供電進(jìn)行有效模擬，并連續(xù)、高速記錄母線電壓變化情況。相對(duì)于基于示波器的測(cè)量方法，在測(cè)試安全性、自動(dòng)化程度、數(shù)據(jù)分析上有著明顯優(yōu)勢(shì)。該方法是對(duì)航天器無(wú)線信道測(cè)量的有益補(bǔ)充，對(duì)載人航天器設(shè)備間供電兼容性設(shè)計(jì)、在軌工況設(shè)計(jì)有一定促進(jìn)作用。

[1]張洪光.航天器供配電測(cè)試設(shè)備硬件模塊化、軟件配置化設(shè)計(jì)思路[J].航天器工程，2010，19（1）：72-76.

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[4]于磊，任筱強(qiáng)，李志勇，等.航天器能源系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2013（10）：22-28.

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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

張福生（1983-），男，吉林通化市人，工程師，主要從事載人航天器地面測(cè)試及設(shè)備研制和綜合測(cè)試工作。