GEO衛(wèi)星能源分系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)間精確預(yù)報(bào)算法

鄭 軍,陳 宏,李于衡

(1.西安衛(wèi)星測(cè)控中心,陜西 西安 710043;2.中國(guó)人民解放軍63999部隊(duì),北京 100094)

0 引言

能源分系統(tǒng)是衛(wèi)星重要的服務(wù)系統(tǒng)之一。它包含發(fā)電、電能儲(chǔ)存、電源控制、電源電壓變換、供配電等硬件。在各飛行階段為航天器的用電負(fù)載提供功率,直至衛(wèi)星壽命終止。根據(jù)GEO衛(wèi)星故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果,衛(wèi)星在軌故障多是由于能源分系統(tǒng)出現(xiàn)異常所導(dǎo)致的[1]。特別是在星蝕期,在太陽(yáng)帆板無(wú)法提供能源的條件下蓄電池組開(kāi)始對(duì)整星供電,當(dāng)衛(wèi)星蓄電池組供給的電能無(wú)法滿足需要時(shí),就需關(guān)閉部分有效載荷以滿足衛(wèi)星平臺(tái)的能源需求。如果在該時(shí)間段出現(xiàn)異?；蚬收?將會(huì)對(duì)衛(wèi)星造成災(zāi)難性后果。星蝕期衛(wèi)星工況的嚴(yán)密監(jiān)視,特別是蓄電池組放電全過(guò)程的狀態(tài)對(duì)衛(wèi)星安全至關(guān)重要。但常規(guī)的星蝕預(yù)報(bào)方法僅能給出星蝕開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間,不能進(jìn)行衛(wèi)星能源分系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)間精確預(yù)報(bào),完全依靠人工進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視,造成操作人員對(duì)即將出現(xiàn)的星蝕對(duì)衛(wèi)星能源分系統(tǒng)的影響缺乏有效的預(yù)見(jiàn)和準(zhǔn)備,成為星蝕期衛(wèi)星在軌控制管理的安全隱患[2-4]。為此,本文提出了一種新的星蝕計(jì)算方法。

1 電源系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)間精確預(yù)報(bào)

1.1 星蝕類(lèi)型和判斷條件分析

星蝕的形成主要由地球和月球遮擋太陽(yáng)光造成,分為地影和月影兩種。地影是衛(wèi)星、地球和太陽(yáng)運(yùn)行到幾乎同一平面,地球遮擋住了照射衛(wèi)星的太陽(yáng)光而產(chǎn)生的。它固定發(fā)生在每年太陽(yáng)運(yùn)行到赤道附近的春、秋分前后的約23天,1年約有92 d。月影是衛(wèi)星、月球和太陽(yáng)運(yùn)行到幾乎同一平面,月球遮擋住了太陽(yáng)光線而形成的。與地影的有規(guī)律出現(xiàn)不同,月影的出現(xiàn)并無(wú)規(guī)律可循,但一般多出現(xiàn)在我國(guó)農(nóng)歷的初一前后。

典型的星蝕過(guò)程一般需經(jīng)歷半影、全影和半影三個(gè)階段。

基于空間視場(chǎng)的星蝕計(jì)算判斷方法是以衛(wèi)星所在的空間定點(diǎn)位置為視場(chǎng)基點(diǎn),通過(guò)判斷地球、太陽(yáng)在該基點(diǎn)隨時(shí)間的可視張角變化,可精確預(yù)報(bào)地影的起止時(shí)間和過(guò)程類(lèi)型?；驹砣鐖D1所示。

圖1 衛(wèi)星在地影期太陽(yáng)與地球空間視場(chǎng)關(guān)系Fig.1 Sun-satellite-earth space viewing relationship in earth-eclipse

令衛(wèi)星和太陽(yáng)在J2000系中的位置矢量分別為OA=[xayaza]T,OS=[xsyszs]T,有

則由文獻(xiàn)[5]可得矢量AO與AS間的空間角

設(shè)地球半徑為Re,太陽(yáng)半徑為Rs,則GEO軌道至地球和太陽(yáng)的半張角分別為

根據(jù)式(1)～(3),可得地影出現(xiàn)的判斷依據(jù)為：

a)當(dāng)θOAS≥βe+βs,無(wú)地影,空間視角關(guān)系如圖2(a)所示;

b)當(dāng)βe-βs≤θOAS≤βe+βs時(shí),為半影,空間視角關(guān)系如圖2(b)所示;

c)當(dāng)θOAS≤βe-βs時(shí),為全影,空間視角關(guān)系如圖2(c)所示。

圖2 地影類(lèi)型判斷條件Fig.2 Conditions of earth-eclipsetype

1.2 能源系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)間精確計(jì)算

衛(wèi)星能源分系統(tǒng)狀態(tài)切換主要是因?yàn)榉瀹a(chǎn)生的功率無(wú)法滿足負(fù)載的需要,從而轉(zhuǎn)為蓄電池組供電。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入全影時(shí),太陽(yáng)完全被地球遮擋,太陽(yáng)發(fā)光面積為0,此時(shí)衛(wèi)星太陽(yáng)帆板產(chǎn)生功率為0,衛(wèi)星的蓄電池組向負(fù)載設(shè)備與儀器提供能源。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入半影時(shí),太陽(yáng)被地球部分遮擋,遮擋區(qū)域如圖3所示。圖中：陰影區(qū)域?yàn)榈厍蛘趽醪糠?。根?jù)被遮擋的面積,在半影過(guò)程中或一直由帆板或由蓄電池組提供能源。因此精確能源系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)間預(yù)報(bào)對(duì)衛(wèi)星星蝕期的控制管理非常重要。

圖3 半影期太陽(yáng)遮擋區(qū)域Fig.3 Thesun shade area in penumbra

設(shè)l=βe+βs-θOAS,∠BOsD=α,陰影部分面積為SEP,由弧EA、FB和直線AB、EF圍成的封閉區(qū)域面積為SEABF,則有

定義太陽(yáng)遮擋系數(shù)為μs,表示太陽(yáng)被遮擋的視面積與太陽(yáng)未被遮擋的視面積之比。由式(6)可得

設(shè)衛(wèi)星有效載荷需求功率為PLoad,衛(wèi)星在全日照條件下太陽(yáng)帆板產(chǎn)生的功率為PFull,衛(wèi)星在星蝕期半影條件下太陽(yáng)帆板產(chǎn)生的功率為PPenm,則

衛(wèi)星由太陽(yáng)帆板轉(zhuǎn)為蓄電池組供電的條件如下。

當(dāng)PPenm＜PLoad時(shí),衛(wèi)星轉(zhuǎn)為蓄電池組供電,

令負(fù)載因子ηLoad=,可得

由式(10)可得結(jié)論：

a)當(dāng)μs＞1-ηLoad時(shí),蓄電池組放電,能源系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)切換;

b)當(dāng)μs≤1-ηLoad時(shí),蓄電池組不放電,能源系統(tǒng)不發(fā)生狀態(tài)切換。

可通過(guò)預(yù)報(bào)μs滿足式(10)的時(shí)間精確獲得衛(wèi)星蓄電池組放電的時(shí)間。在式(10)中,ηLoad的選擇決定預(yù)報(bào)的精度。由于ηLoad的年周期、半年周期受地球公轉(zhuǎn)、溫度和帆板效能衰減等因素的影響而存在變化,在工程實(shí)踐中,考慮1 d過(guò)程中太陽(yáng)相對(duì)衛(wèi)星而言位置變化不大,可選擇1 d前相同時(shí)刻的ηLoad作為判斷的依據(jù)。

2 應(yīng)用

用本文算法對(duì)某衛(wèi)星的星蝕管理進(jìn)行仿真。該衛(wèi)星平均負(fù)載功率928 W,衛(wèi)星全日照條件下帆板產(chǎn)生平均功率2 060 W,即ηLoad=0.45,因此當(dāng)μs＞0.55后衛(wèi)星蓄電池組將開(kāi)始放電,仿真結(jié)果見(jiàn)表1。表中：0為未放電;1為放電。

該衛(wèi)星在2009年2月27日凌晨進(jìn)入地影的部分遙測(cè)數(shù)據(jù)如圖4、5所示。

應(yīng)用結(jié)果表明：預(yù)報(bào)2：54：28進(jìn)入半影,2：59：31衛(wèi)星蓄電池開(kāi)始放電,能源系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行切換。實(shí)際遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示,2：54：30衛(wèi)星分流電流開(kāi)始減小,進(jìn)入半影,2：59：45衛(wèi)星分流電流為0,放電電流大于0,蓄電池組開(kāi)始放電。由于衛(wèi)星蓄電池組充放電的控制由硬件完成,當(dāng)滿足放電條件后,硬件系統(tǒng)還需進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷,且能源系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)的更新也需要時(shí)間,故引入10～20 s的時(shí)延滯后。因此,考慮衛(wèi)星能源系統(tǒng)的硬件時(shí)延和遙測(cè)更新延時(shí),仿真結(jié)果與實(shí)際遙測(cè)數(shù)據(jù)一致,本文算法在實(shí)際中預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。

表1 2009年2月27日某GEO衛(wèi)星蓄電池放電仿真結(jié)果Tab.1 GEO satellite storage batteries discharge simulation result on 2009-02-27

圖4 衛(wèi)星實(shí)際遙測(cè)北、南分流電流Fig.4 Distributaries current in north and south power subsystem from real TM

圖5 衛(wèi)星實(shí)際遙測(cè)北、南蓄電池組放電電流Fig.5 Discharge current in north and south storagebatteries from real TM

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的星蝕計(jì)算方法,不僅能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)星蝕起止時(shí)間、星蝕類(lèi)型,同時(shí)還可精確預(yù)報(bào)蓄電池組放電時(shí)間。仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際衛(wèi)星星蝕遙測(cè)數(shù)據(jù)一致,證明了算法的正確性。該算法目前已成功用于多顆GEO衛(wèi)星的在軌管理中,效果良好。

[1]趙海濤,張?jiān)仆?東方紅三號(hào)系列衛(wèi)星在軌故障統(tǒng)計(jì)分析[J].航天器工程,2007,16(1)：33-37.

[2]張世杰,曹喜濱,衛(wèi)星進(jìn).出影位置和時(shí)間的計(jì)算方法[J].上海航天,2006,22(6)：20-22.

[3]李于衡,張 瑛,易克初.天體對(duì)地球同步靜止軌道的影響研究[J].飛行器力學(xué),2005,12(4)：78-81.

[4]袁 明,沈?qū)W民,孫 寧.星蝕對(duì)衛(wèi)星能源影響分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007,7(17)：4535-4537.

[5]李濟(jì)生.人造衛(wèi)星精密軌道確定[M].北京：解放軍出版社,1995.