空間飛行器在軌自主能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 翔，楊友超，趙 巖，蔡斐華，姜 爽

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

隨著我國(guó)空間運(yùn)輸和深空探測(cè)等應(yīng)用日益擴(kuò)展，在軌飛行器電氣系統(tǒng)呈現(xiàn)出任務(wù)復(fù)雜化和載荷多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。在民用航天領(lǐng)域、遙感、通信等方面逐漸形成全天候、全天時(shí)、穩(wěn)定運(yùn)行的對(duì)地觀測(cè)和通信平臺(tái)；在空間運(yùn)輸領(lǐng)域，將開展天地往返技術(shù)的探索；在深空探測(cè)領(lǐng)域，持續(xù)推進(jìn)載人登月、火星、太陽(yáng)系行星等探測(cè)活動(dòng)[1-2]。能源系統(tǒng)為飛行器儀器、機(jī)電設(shè)備、火工品等負(fù)載提供電能，作為飛行器的“心臟”，不僅直接關(guān)系到電氣系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，還嚴(yán)重影響飛行任務(wù)成敗。為適應(yīng)我國(guó)未來空間飛行器任務(wù)需求，能源系統(tǒng)主要面臨高效智能、長(zhǎng)壽命、高可靠等難題，推動(dòng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)向智能化和自主安全管理等方向的發(fā)展。

本文針對(duì)長(zhǎng)期在軌飛行器能源系統(tǒng)自主管理的現(xiàn)實(shí)需求和研究現(xiàn)狀分析，提出了自主管理的實(shí)現(xiàn)流程，從能源高效利用管理、能量平衡管理、故障隔離與重構(gòu)管理三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方案和實(shí)驗(yàn)情況，驗(yàn)證系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障時(shí)重構(gòu)的能力，滿足無地面操控情況下的長(zhǎng)時(shí)間自主安全運(yùn)行需要。

1 需求分析

根據(jù)空間飛行器實(shí)際應(yīng)用，能源管理的基本目標(biāo)是保障飛行器任務(wù)全任務(wù)周期用電滿足要求。為提高能源系統(tǒng)保障能力，具體需求如下：

(1)能源高效利用策略管理

對(duì)空間飛行器能源系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)計(jì)，評(píng)估系統(tǒng)供電能力，合理調(diào)配剩余能量和充放電策略，給出優(yōu)化能源配置決策，使能源系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，延長(zhǎng)使用壽命。

(2)能量平衡管理

根據(jù)任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)能源供給與負(fù)載需求的動(dòng)態(tài)平衡，結(jié)合負(fù)載優(yōu)先級(jí)列表，實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)態(tài)分配和負(fù)載切換，實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)模式下的能量動(dòng)態(tài)調(diào)配。

(3)故障隔離與重構(gòu)管理

基于能源系統(tǒng)中觀測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集結(jié)果，評(píng)估系統(tǒng)健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并實(shí)施故障定位和隔離，在適當(dāng)時(shí)機(jī)實(shí)施重構(gòu)，保障飛行器長(zhǎng)期在軌安全。

2 研究現(xiàn)狀

空間飛行器能源管理系統(tǒng)(PMAD)最早由NASA 研究機(jī)構(gòu)提出，通過能源供給與負(fù)載需求的動(dòng)態(tài)管理，解決內(nèi)部故障或外部干擾導(dǎo)致的能量不平衡問題，確保整個(gè)飛行器安全可靠運(yùn)行[3]。目前已在國(guó)際空間站、重返月球計(jì)劃和“羅塞塔”號(hào)無人飛船等多個(gè)任務(wù)中得到應(yīng)用。歐空局在“地平線2000”計(jì)劃中研制的XMM(X-ray Multi-Mirror Mission)-Newton 具有在軌自主管理能力，實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)故障診斷和恢復(fù)、蓄電池自動(dòng)充放電和載荷優(yōu)先級(jí)管理等功能。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作開展的較晚，主要針對(duì)空間站、天宮一號(hào)和載人飛船組合體，開展能源管理系統(tǒng)架構(gòu)、功能層次及面向空間站構(gòu)型的功率調(diào)配設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了能源統(tǒng)一控制、故障預(yù)測(cè)、隔離及重構(gòu)[4-5]。

通過對(duì)飛行器能源管理技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵤┲R(shí)獲取，共搜集到127 件專利，100 余篇科技文獻(xiàn)。從申請(qǐng)區(qū)域圖1 看出，美國(guó)是該技術(shù)領(lǐng)域最活躍的地區(qū)，得益于美國(guó)大量的航空航天公司，創(chuàng)新主體帶來了大量的科研成果；俄羅斯主要集中在能量平衡技術(shù)領(lǐng)域；我國(guó)主要集中在故障檢測(cè)與重構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。從能源管理技術(shù)構(gòu)成圖2 看出，能量平衡、能量管理和故障隔離與重構(gòu)技術(shù)專利申請(qǐng)量基本持平。

圖1 能源管理專利區(qū)域分析圖

圖2 能源管理專利技術(shù)構(gòu)成分析圖

管理策略技術(shù)，從1980 年開始至今申請(qǐng)量比較均勻，主要來自于美國(guó)，與相關(guān)概念起源于美國(guó)，其多個(gè)主要的研發(fā)單位都在該領(lǐng)域投入較大的科研力量有關(guān)，但近幾年能源管理策略有所下降，與相關(guān)技術(shù)進(jìn)入工程研制的進(jìn)展一致。

能量平衡技術(shù)，在2005 年之前申請(qǐng)量較少，隨后開始進(jìn)入專利申請(qǐng)高峰，且申請(qǐng)人分布較廣，說明該時(shí)間段能量平衡技術(shù)是研發(fā)的熱點(diǎn)，研發(fā)投入大，研發(fā)成果多；近幾年該領(lǐng)域仍然保持較高的專利申請(qǐng)量，說明未來能量平衡技術(shù)仍然是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

故障隔離與重構(gòu)技術(shù)，一直保持有專利申請(qǐng)，總量并不大，但是申請(qǐng)量連續(xù)性比較好，說明該技術(shù)一直是能源管理領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)之一。我國(guó)在該領(lǐng)域近幾年專利逐漸上升，未來仍有相當(dāng)一部分的科研力量投入到該領(lǐng)域當(dāng)中。

3 能源自主管理

為實(shí)現(xiàn)空間飛行器在軌能源自主管理，強(qiáng)調(diào)減少對(duì)測(cè)控資源、地面人員的需求，“以天為主，以地為輔”。一方面基于各部件、分系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，通過數(shù)學(xué)建模和數(shù)據(jù)處理等方法，對(duì)系統(tǒng)安全性和健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，直接回傳決策參考信息；一方面當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，能夠第一時(shí)間定位故障根源，并根據(jù)不同工作模式及時(shí)實(shí)施能源動(dòng)態(tài)、優(yōu)化分配與管理，確保故障不蔓延，危害整個(gè)飛行器。

空間飛行器典型能源系統(tǒng)包括太陽(yáng)電池陣、電源控制設(shè)備、蓄電池組、配電單元等，具備能源產(chǎn)生、能量存儲(chǔ)、電源控制和分配、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的能力，能夠在飛行器上任務(wù)管理的參與下實(shí)現(xiàn)器上自主管理。實(shí)現(xiàn)流程如圖3 所示，具體如下：

圖3 在軌能源自主管理流程圖

(1)任務(wù)規(guī)劃為頂層目標(biāo)，由飛行器上任務(wù)管理系統(tǒng)實(shí)施，其中包含能源計(jì)劃、任務(wù)時(shí)序和故障模式等信息；

(2)任務(wù)時(shí)序、能源計(jì)劃是基礎(chǔ)，針對(duì)不同的任務(wù)，調(diào)用不同的時(shí)序列表和能源需求矩陣，形成特定任務(wù)的負(fù)載優(yōu)先級(jí)和能源計(jì)劃，供能源利用管理使用；

(3)根據(jù)系統(tǒng)FME(C)A 故障模式和測(cè)試性模型，建立系統(tǒng)參數(shù)與故障傳遞關(guān)系圖，將故障模式和傳遞路徑提供給能源利用管理；

(4)能源利用管理是核心，綜合能源計(jì)劃、負(fù)載優(yōu)先級(jí)和故障模式等信息，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃和調(diào)度管理。當(dāng)能源供給充足時(shí)，按負(fù)載優(yōu)先級(jí)開啟負(fù)載，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)合理規(guī)劃，提高能源利用率；

(5)能源平衡管理實(shí)時(shí)開展能量平衡預(yù)計(jì)，當(dāng)能源產(chǎn)生條件變差或存儲(chǔ)能源不足等情況發(fā)生時(shí)，發(fā)送請(qǐng)求到能源利用管理，經(jīng)負(fù)載優(yōu)先級(jí)的調(diào)度決策后，將策略回傳，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)載斷電，保證關(guān)鍵任務(wù)負(fù)載的能源供給，實(shí)現(xiàn)相對(duì)低功耗下的能源平衡；

(6)能源利用管理實(shí)時(shí)開展系統(tǒng)性能及壽命預(yù)計(jì)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，發(fā)送請(qǐng)求到能源利用管理，經(jīng)故障決策后，將決策指令回傳，實(shí)現(xiàn)故障負(fù)載斷電，保證其他正常負(fù)載的能源供給或系統(tǒng)重構(gòu)。

4 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 能源高效利用管理策略

能源利用管理能夠綜合能源計(jì)劃、負(fù)載優(yōu)先級(jí)、系統(tǒng)故障關(guān)系和信息、能源狀態(tài)和預(yù)測(cè)等多方面信息，其根本目標(biāo)為在有限輸出下，將任務(wù)、能量和負(fù)載密切相連，通過精細(xì)化設(shè)計(jì)實(shí)施負(fù)載動(dòng)態(tài)配置，保證能源供給的可靠性同時(shí)，提高能源利用率。其中，典型能源計(jì)劃和優(yōu)先級(jí)如表1 所示，依照各任務(wù)時(shí)序可明確負(fù)載功率需求和優(yōu)先級(jí)排序，可供能源利用輸出調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)能源平衡管理。

表1 典型任務(wù)能源計(jì)劃和優(yōu)先級(jí)列表

按飛行任務(wù)配置不同的負(fù)載優(yōu)先級(jí)，可根據(jù)實(shí)施階段動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)重要程度和冗余情況可分為I～V 類，具體如下：

(1) I 類關(guān)鍵設(shè)備，影響飛行任務(wù)成敗，關(guān)鍵等級(jí)最高，但無冗余；

(2)II 類關(guān)鍵設(shè)備，影響飛行任務(wù)成敗，有冗余；

(3)III 類非關(guān)鍵設(shè)備，影響部分飛行功能，無冗余；

(4)IV 類非關(guān)鍵設(shè)備，影響部分飛行功能，有冗余；

(5)V 類非關(guān)鍵設(shè)備，在當(dāng)前任務(wù)段為無任務(wù)。

借助商業(yè)測(cè)試性建模與分析系統(tǒng)(TMAS)工具軟件，建立典型能源系統(tǒng)測(cè)試性模型如圖4 所示，以圖形化的方式描述各層級(jí)信號(hào)流、故障模式和觀測(cè)點(diǎn)等信息[4]。能源系統(tǒng)運(yùn)行過程中，原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)和判斷，若觸發(fā)故障判據(jù)，將傳遞故障信息到能源利用管理。

圖4 典型能源系統(tǒng)測(cè)試性模型

通過測(cè)試性模型的建立，將各單機(jī)故障模式、傳遞路徑和測(cè)試方法及判據(jù)有效結(jié)合，有利于系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)形成故障管理圖，形成故障隔離與重構(gòu)管理的基礎(chǔ)；

(2)開展多篩選、多模式、多層次測(cè)試性分析，對(duì)系統(tǒng)多模糊度故障檢測(cè)率、故障隔離率等指標(biāo)計(jì)算；

(3)優(yōu)化系統(tǒng)測(cè)試點(diǎn)設(shè)置，提升系統(tǒng)故障檢測(cè)指標(biāo)；

(4)建立壽命管理架構(gòu)，為能源系統(tǒng)在軌壽命預(yù)測(cè)和容量評(píng)估提供可能。

4.2 能量平衡管理

能量平衡管理關(guān)鍵在于確保太陽(yáng)電池產(chǎn)生能量、蓄電池組存儲(chǔ)能量與負(fù)載消耗能量之間的供需平衡關(guān)系。從原理上看，太陽(yáng)電池能源不夠時(shí)，太陽(yáng)電池和蓄電池組聯(lián)合為負(fù)載供電；太陽(yáng)電池多余電能為蓄電池組充滿后，通過分流電路耗散。因此，系統(tǒng)能源平衡可以簡(jiǎn)化分析對(duì)象為蓄電池組容量，進(jìn)行多輸入輸出參數(shù)仿真，仿真模型如圖5 所示。

圖5 中，Q0為初始容量；Qg為電池組保護(hù)容量下限；Qr為充電容量，與太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率、面積、光照時(shí)長(zhǎng)、充電效率等參數(shù)相關(guān)；Qc為放電容量，與放電效率、負(fù)載功率和供電時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)相關(guān)。

圖5 能源平衡原理模型

能源平衡仿真給出以下場(chǎng)景的能量趨勢(shì)：

(1)當(dāng)前電池容量為Qt=Q0+ΔQ，當(dāng)判斷電池組充滿時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)分流電流；當(dāng)Q≤Qg時(shí)，采取過放保護(hù)措施，待容量再次高于Qg后，恢復(fù)正常工作；

(2)容量變化ΔQ＝Qr-Qc，飛行一圈過程中，如果ΔQ≥0，為單圈(當(dāng)圈)平衡；某任務(wù)在多圈過程中完成，然后可充電維護(hù)，只要結(jié)束時(shí)刻Qt不低于Qg，即為多圈能源平衡；

(3)當(dāng)連續(xù)多圈內(nèi)ΔQ≤0 時(shí)，應(yīng)發(fā)出警告，適時(shí)采取措施，減小Qc，避免觸發(fā)Qg保護(hù)。

4.3 故障隔離與重構(gòu)管理

故障隔離與重構(gòu)管理以故障管理為主線，分別建立系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)級(jí)和部件級(jí)三個(gè)層次間的故障診斷結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。其中，系統(tǒng)級(jí)作為狀態(tài)管理和信息匯集中心，完成不同單機(jī)間狀態(tài)信息的融合，綜合相互影響診斷分析，具備評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)能源狀態(tài)和預(yù)測(cè)信息的能力；單機(jī)級(jí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息的整合，具備總線接口實(shí)現(xiàn)信息交互，為系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)、輔助決策和維修保障提供數(shù)據(jù)和硬件基礎(chǔ)，還可實(shí)施能源調(diào)度策略和重構(gòu)；部件級(jí)故障診斷根據(jù)各模塊特點(diǎn)設(shè)置系統(tǒng)觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障可觀測(cè)，并形成故障數(shù)據(jù)信息，供單機(jī)級(jí)故障診斷綜合分析評(píng)估使用[6]。

圖6 故障診斷層次結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述層次結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的能源系統(tǒng)故障診斷任務(wù)分為若干個(gè)子任務(wù)，分別由不同的Agent 完成，利用其自主性、協(xié)調(diào)性、自組織、自學(xué)習(xí)和自推理等能力，提高故障診斷問題求解效率，提高系統(tǒng)的可靠性。研制地面能源管理技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)，以時(shí)序觸發(fā)和指令觸發(fā)為條件，設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)及其判據(jù)，識(shí)別系統(tǒng)狀態(tài)信息，通過推理機(jī)定位到可能的故障模式，并將故障信息上傳到模擬能源利用管理的上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行故障決策后，生成指令控制供配電鏈路進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多通道能源的自主精細(xì)化管理及任務(wù)保障能力的驗(yàn)證。

典型故障觸發(fā)結(jié)果輸出如下：

@@故障9028 發(fā)生，故障名稱 設(shè)備1 B1 支路電流IXXX數(shù)據(jù)異常，故障判讀使能1，發(fā)生時(shí)間14:55:47；

故障相關(guān)參數(shù)[0]，參數(shù)名稱B1 支路母線電壓，參數(shù)代號(hào)Uxxx，參數(shù)值26.957 264，參數(shù)值下限25.000 000，參數(shù)值上限31.000 000。

可能故障模式：(1)負(fù)載1 或2 短路；(2)IXX數(shù)據(jù)采集異常；(3)IXX觀測(cè)點(diǎn)異常。

決策與建議：(1)B1 支路斷電2 s 后重上電；(2)B1 支路斷電，啟用B1 備支路。

5 結(jié)論

通過能源高效利用管理、能量平衡管理、故障隔離與重構(gòu)管理三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，初步驗(yàn)證了任務(wù)周期內(nèi)能源自主管理功能，解決了長(zhǎng)期在軌飛行器能源系統(tǒng)智能配置和精細(xì)化管理問題。后續(xù)重點(diǎn)工作為研制軟硬件工程化產(chǎn)品，提高相關(guān)技術(shù)成熟度，導(dǎo)入信息融合、人工智能等技術(shù)提高決策速率和診斷準(zhǔn)確度，全面提升系統(tǒng)性能。飛行器自主能源管理可優(yōu)化空間飛行器能源配置，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，提高自主生存能力，從而延長(zhǎng)航天器使用壽命，可為后續(xù)空間運(yùn)輸和深空探測(cè)領(lǐng)域的工程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供有益參考。