GEO衛(wèi)星地影期供配電分系統(tǒng)狀態(tài)分析

+ 張?zhí)煊?，張宏江，鄭雪松，沛·特馮薩，桑維德·桑薩袞

1.老撾亞太衛(wèi)星有限公司 衛(wèi)星測(cè)控與應(yīng)用事業(yè)部，萬(wàn)象 01000老撾；

2. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展部，北京 100076中國(guó)；

3. 中國(guó)長(zhǎng)征火箭有限公司 衛(wèi)星應(yīng)用與國(guó)際業(yè)務(wù)部，北京 100070中國(guó)

1.引言

近年來(lái)，商業(yè)航天和衛(wèi)星通信行業(yè)蓬勃發(fā)展，給全球航天產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了深刻影響。尤其是天基互聯(lián)網(wǎng)概念的提出及鴻雁、虹云、星鏈（Startlink）、一網(wǎng)（OneWeb）等互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目的驗(yàn)證星發(fā)射成功，可以預(yù)想，浩瀚宇宙中將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的衛(wèi)星，因此保障衛(wèi)星在軌安全，正確完成衛(wèi)星在軌管理顯得尤為重要。

地影期衛(wèi)星能源狀態(tài)的監(jiān)視是地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星在軌管理的重點(diǎn)任務(wù)之一。在每年的春分、秋分前后，地球靜止軌道衛(wèi)星、地球和太陽(yáng)幾乎處在同一平面。在此期間，從衛(wèi)星上看，每天在星下點(diǎn)太陽(yáng)時(shí)的午夜前后都有一段時(shí)間太陽(yáng)被地球遮擋，這樣就導(dǎo)致太陽(yáng)光照射不到太陽(yáng)帆板上，這種現(xiàn)象稱(chēng)為地影[1]。另外，地影期間，地球站、衛(wèi)星和太陽(yáng)會(huì)在星下點(diǎn)太陽(yáng)時(shí)的正午前后連成一條直線，地面天線從衛(wèi)星接收到的載波信號(hào)將被淹沒(méi)在因太陽(yáng)輻射而產(chǎn)生的熱噪聲中，發(fā)生日凌，從而中斷衛(wèi)星信號(hào)傳輸。

靜止軌道上任意位置每年都會(huì)有兩個(gè)地影期，分別出現(xiàn)在春分日和秋分日前后23天，即每次持續(xù)46天左右的時(shí)間[2]。衛(wèi)星對(duì)地球的張角為17.38°，對(duì)太陽(yáng)直徑的張角為0.53°，按照錐形地影模型，在本影兩側(cè)各有0.53°的半影區(qū)。最長(zhǎng)地影時(shí)間發(fā)生在春分日及秋分日，最長(zhǎng)的地影持續(xù)72分鐘，其中半影分為兩段，每段約為2分鐘[3-5]。

本文以國(guó)外某型地球靜止軌道通信衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“該衛(wèi)星”）為例，詳細(xì)記錄和分析2016年至2018年春秋地影及2019年春季地影期間衛(wèi)星供配電系統(tǒng)各相關(guān)參數(shù)的變化情況。本文結(jié)論可為該衛(wèi)星后續(xù)能源狀態(tài)監(jiān)測(cè)及同類(lèi)型衛(wèi)星地影期間狀態(tài)變化情況提供參考依據(jù)。

2.衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)介紹

供配電分系統(tǒng)負(fù)責(zé)在衛(wèi)星各個(gè)飛行階段給衛(wèi)星平臺(tái)各分系統(tǒng)和有效載荷提供和分配電能。衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)由一次電源、配電單元、火工品管理單元和低頻電纜網(wǎng)組成。一次電源包括電源控制器、鋰離子蓄電池組、太陽(yáng)電池陣、蓄電池組連接繼電器盒、蓄電池組接口管理單元、母線過(guò)壓保護(hù)部件等設(shè)備。

“太陽(yáng)能電池陣+蓄電池組”是當(dāng)前絕大多數(shù)衛(wèi)星的首選供電方式。該衛(wèi)星采用展開(kāi)式太陽(yáng)能電池陣，分為南北兩翼，分別由12個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能單體電池組成，太陽(yáng)能電池采用雙結(jié)GaInP2/GaAs/Ge電池，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下該型電池的轉(zhuǎn)換效率超過(guò)了28.3%。蓄電池采用鋰離子電池，分為南北兩組蓄電池，每組由22個(gè)單體電池組成，各組額定容量為60Ah。

表1 2019年春季地影典型日期時(shí)刻

光照期，星上所有分系統(tǒng)、儀器設(shè)備的供電都是由南北兩翼的太陽(yáng)電池陣直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能提供的，此時(shí)蓄電池不參與供電，相反太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生的多余功率經(jīng)分流調(diào)節(jié)控制器予以分流，再經(jīng)過(guò)充電調(diào)節(jié)控制器給蓄電池充電，使蓄電池電量始終保持在額定容量的70%。地影期，衛(wèi)星自主根據(jù)光照情況調(diào)整電池模式，地影期首尾的半影由于太陽(yáng)翼能接收到部分太陽(yáng)光，太陽(yáng)電池陣功率隨著光照減小而下降，但依舊高于星上負(fù)載總功率，此時(shí)依然采用太陽(yáng)電池陣供電；進(jìn)入全影后，太陽(yáng)翼完全接收不到太陽(yáng)光，此時(shí)太陽(yáng)電池組輸出功率為0，蓄電池作為唯一能源給星上負(fù)載供電，直至衛(wèi)星出影、太陽(yáng)電池組恢復(fù)工作為止。

3.地影期重點(diǎn)參數(shù)變化情況

GEO衛(wèi)星地影期供配電分系統(tǒng)重點(diǎn)參數(shù)監(jiān)控是衛(wèi)星在軌管理的一項(xiàng)長(zhǎng)期工作。本文主要分析供配電分系統(tǒng)主要組成部分主母線、太陽(yáng)電池陣、蓄電池組相關(guān)遙測(cè)參數(shù)的在地影前后的變化情況，以2019年地影開(kāi)始日、地影最長(zhǎng)日、地影結(jié)束日橫向比較同一地影季各遙測(cè)參數(shù)，以2016年、2017年、2018年三年中各年的春季和秋季地影縱向比較各遙測(cè)參數(shù)的，通過(guò)縱向和橫向的對(duì)比，詳細(xì)總結(jié)各相關(guān)遙測(cè)參數(shù)的變化情況，以期得到普遍規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)衛(wèi)星在軌安全運(yùn)行的維護(hù)保障工作。

表1為2019年春季地影典型日期，分別為地影第一天、春分日、地影最后一天，地影結(jié)束時(shí)刻即為電池開(kāi)始充電時(shí)刻，表中及下文中時(shí)刻均采用UTC時(shí)間。

3.1 主母線

電源控制器將太陽(yáng)電池陣和蓄電池組連接成系統(tǒng)，形成一次電源主母線為衛(wèi)星提供電能。主母線將功率輸送到配電器，再由配電器最終將功率輸送給各個(gè)星上用電負(fù)載。該型衛(wèi)星電源主母線電壓約為100V，主母線為全調(diào)節(jié)型，在光照期受分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，地影期受電池放電調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。全調(diào)節(jié)的主母線最大優(yōu)點(diǎn)是能始終為用電負(fù)載提供穩(wěn)定的母線電壓，母線阻抗低，電磁干擾小，缺點(diǎn)是地影期間要消耗掉部分蓄電池的能量。

圖1是同一地影季主母線電壓和電流變化的橫向比較。地影第一天和最后一天是半影，太陽(yáng)電池陣依然可以接受到陽(yáng)光，星上電能供給由太陽(yáng)電池陣完成，春分日是春季地影期太陽(yáng)被遮擋最長(zhǎng)的一天，蓄電池組供給電能。從圖上可以看出，雖然供電的來(lái)源不同，但是主母線的電壓和電流基本保持穩(wěn)定，電壓一直在100.04V和100.23V兩個(gè)值之間變動(dòng)，母線電流在29.65A-34.27A之間變動(dòng)，不同地影天變化情況基本一致。說(shuō)明母線在光照期受分流調(diào)節(jié)控制器和地影期受電池組放電調(diào)節(jié)控制器的共同控制下，在衛(wèi)星進(jìn)出影時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)控制器平穩(wěn)交接，主母線的電壓和電流平穩(wěn)過(guò)渡，保證了星上負(fù)載的工作正常。

3.2 太陽(yáng)電池陣

太陽(yáng)電池陣是星上唯一的發(fā)電裝置，是衛(wèi)星在軌期間星上一切能源的源泉。每年春秋地影季時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)完全被地球遮擋不能照射到衛(wèi)星太陽(yáng)帆板時(shí)，星上供電由蓄電池組提供，進(jìn)入光照期后，太陽(yáng)電池陣為星上負(fù)載提供電能，同時(shí)為結(jié)束放電的蓄電池組充電，為下一天的地影做準(zhǔn)備。

圖1 2019年春季地影主母線電壓電流變化情況

圖2 2019春季地影前、中、后太陽(yáng)電池陣輸出電流變化情況

圖2 為同一地影季太陽(yáng)電池陣輸出電流變化的橫向比較。由于三天的光照情況有較大差別，所以太陽(yáng)翼的輸出電流有較大差別。第一天和最后一天衛(wèi)星處于半影狀態(tài)，光照與平常相比有明顯的減弱，可以看到隨著地影開(kāi)始，太陽(yáng)翼輸出電流逐漸減小，當(dāng)?shù)赜斑_(dá)到最大時(shí)，輸出電流降到最低，分別約為15A和20A，此時(shí)雖然輸出電流有所下降，但太陽(yáng)翼輸出總功率表還是大于星上負(fù)載總功率，通過(guò)分流調(diào)節(jié)控制器及母線，太陽(yáng)翼能正常為衛(wèi)星供電，蓄電池組沒(méi)有放電現(xiàn)象。達(dá)到最大地影后，光照強(qiáng)度逐漸增加，輸出電流也隨著增加，直至最后地影完全結(jié)束，太陽(yáng)翼輸出電流也恢復(fù)到正常的48.5A。春分日時(shí)，由于衛(wèi)星進(jìn)入全影，太陽(yáng)翼完全接收不到太陽(yáng)光，所以會(huì)出現(xiàn)輸出電流為0的現(xiàn)象。從衛(wèi)星進(jìn)影開(kāi)始，輸出電流逐漸降低，衛(wèi)星進(jìn)入全影時(shí)，輸出電流變?yōu)?，從正常到0整個(gè)過(guò)程約2分鐘。半影期，太陽(yáng)翼輸出電流低于10A時(shí)，由于輸出功率小于星上負(fù)載的需求，所以此時(shí)蓄電池組開(kāi)始供電。衛(wèi)星出影時(shí)，太陽(yáng)翼輸出電流逐漸增大，完全離開(kāi)地影后，輸出電流恢復(fù)到正常狀態(tài)，太陽(yáng)翼恢復(fù)為衛(wèi)星供電并開(kāi)始為蓄電池充電。同時(shí)，由圖2可看出，同一時(shí)刻的南、北太陽(yáng)翼輸出電流基本一致，表明南、北太陽(yáng)翼同一時(shí)刻接收光照一致。

3.3 蓄電池組

當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行在軌道的地影期時(shí)，以光電轉(zhuǎn)換器件組成的太陽(yáng)電池陣因無(wú)光而不能發(fā)電，必須由儲(chǔ)能裝置為衛(wèi)星供電。蓄電池是衛(wèi)星的首選儲(chǔ)能裝置，本文所述衛(wèi)星也不例外。蓄電池組的電壓、電流、放電量、放電深度等，是需要在地影期間重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)。3.3.1 同一地影季橫向比較

圖3為蓄電池組電壓在地影期放電和光照期充電時(shí)的變化情況。地影前，蓄電池組沒(méi)有放電，電壓保持在88.4V。衛(wèi)星進(jìn)入全影時(shí)，蓄電池開(kāi)始供電，隨著電池電量的減少，電壓也隨著降低，在全影結(jié)束時(shí)，電壓降到最低點(diǎn)為82.1V。在衛(wèi)星出影階段，蓄電池停止供電，太陽(yáng)電池陣在滿(mǎn)足衛(wèi)星負(fù)載功率的前提下，如果還有富裕，啟動(dòng)電池組充電調(diào)節(jié)器開(kāi)始為蓄電池組充電。充電首先采用交替大電流充電方式，南北電池組各充電5分鐘，隨著電量逐漸增加，電池組的電壓也逐漸增大。接近滿(mǎn)電狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始用涓流充電直至完全充滿(mǎn)，充滿(mǎn)時(shí)電池組電壓88.7V。充電結(jié)束后會(huì)略有減小，最終保持在88.4V。

圖4和圖5分別是蓄電池放電電流變化曲線和充電電流變化曲線。衛(wèi)星進(jìn)影后，蓄電池開(kāi)始放電，放電電流從0迅速增大，整個(gè)放電過(guò)程中維持在19-21A水平，放電后期電流稍高于放電前期。衛(wèi)星出影后，蓄電池放電結(jié)束，放電電流迅速減小到0。出影后，太陽(yáng)電池陣開(kāi)始給蓄電池組充電，充電采用大電流充電，南北蓄電池組間歇充電，間隔約5分鐘，充電電流5.5A。當(dāng)蓄電池電量接近滿(mǎn)電時(shí)，開(kāi)始先為南蓄電池組涓流充電，充電電流逐漸減小，減小為0時(shí)充電停止，即此時(shí)蓄電池已充滿(mǎn)。當(dāng)南蓄電池組充滿(mǎn)時(shí)，開(kāi)始為北蓄電池組涓流充電直至充滿(mǎn)，南北蓄電池組的充電結(jié)束。

結(jié)合圖3和圖5，蓄電池組先采用恒流充電，當(dāng)蓄電池組電壓達(dá)到88V附近時(shí)，開(kāi)始恒壓充電，同時(shí)充電電流逐步減小，這種充電方式很好的避免了電池組的過(guò)充現(xiàn)象。3.3.2三年地影季縱向比較

以2016年、2017年、2018年三年春季和秋季地影為例，縱向比較電池放電時(shí)間、放電量、放電深度等重點(diǎn)參數(shù)。

圖3 春分日地影期間蓄電池組電壓

圖4 春分日地影期間蓄電池組放電電流

圖5 春分日地影結(jié)束后蓄電池組充電電流

圖6是2016-2018年3次春季地影及3次秋季地影中，南、北蓄電池組放電時(shí)間的對(duì)比。由圖知，放電時(shí)間先增大后減小，在春分及秋分日時(shí)達(dá)到最大值，最大值約為4185s。三年的圖線基本保持一致，即相同地影天數(shù)的蓄電池放電時(shí)間一致，說(shuō)明衛(wèi)星在軌運(yùn)行的軌道在三年內(nèi)基本保持穩(wěn)定，因此日照狀況也保持基本一致。

圖7是2016-2018年3次春季地影及3次秋季地影中，南、北蓄電池組放電量隨日期變化的對(duì)比。放電量是地影期間蓄電池組放電消耗的安時(shí)數(shù)。由圖知，放電量整體先增大后減小，在春分及秋分日時(shí)達(dá)到最大值，且有隨年份變化逐漸增加的趨勢(shì)，最大放電量已達(dá)到24Ah。

圖8是2016-2018年3次春季地影及3次秋季地影中，南、北蓄電池組放電深度隨日期變化的對(duì)比。放電深度是蓄電池組放電量與其額定容量的比值。由圖知，放電量整體先增大后減小，在春分及秋分日時(shí)達(dá)到最大值，且有隨年份變化逐漸增加的趨勢(shì)，最大放電量達(dá)到39%。

由圖7及圖8可知，地影期間蓄電池的放電量和放電深度都呈逐年增大趨勢(shì)，同一地影季中南北蓄電池組的放電情況基本一致。放電量和放電深度的增加，說(shuō)明星上用電負(fù)載功率在逐年增加，長(zhǎng)期負(fù)載變化較小，主要增加的原因是隨著業(yè)務(wù)的開(kāi)展，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器使用數(shù)量逐年增加，造成星上總功耗的增加。

圖6 蓄電池組放電時(shí)間變化曲線

圖7 蓄電池組放電量變化曲線

圖8 蓄電池組放電深度變化曲線

4.結(jié)論

本文主要分析了國(guó)外某GEO通信衛(wèi)星在地影期間供配電分系統(tǒng)各遙測(cè)參數(shù)的變化情況，如要完成以下工作，第一、以2019年春季地影為例，橫向比較地影第一天、春分日、地影結(jié)束日里母線、太陽(yáng)電池陣、蓄電池組在地影時(shí)期的詳細(xì)工作狀態(tài)和工作過(guò)程；第二、以2016年-2018年3年間每年兩次地影共6次地影為例，縱向比較了星上蓄電池組放電時(shí)間、放電量、放電深度的變化情況，放電時(shí)間、放電量、放電深度均先增大，春/秋分日達(dá)到最大，然后減小，放電量和放電深度有逐年增大趨勢(shì)。以上結(jié)論對(duì)該衛(wèi)星及同類(lèi)型衛(wèi)星在軌管理和后續(xù)地影監(jiān)控具有參考價(jià)值。SATNET