一種在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流的故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在軌航天器的電源系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流的故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電源系統(tǒng)是為在軌航天器提供能源的服務(wù)系統(tǒng)，其中太陽(yáng)電池陣是利用光電轉(zhuǎn)換器件組合成的發(fā)電系統(tǒng)，是目前長(zhǎng)壽命航天器的首選發(fā)電裝置。其電性能設(shè)計(jì)的主要目的是滿足航天器的功率需求。
[0003]太陽(yáng)電池陣與其他形式的能源相比，具有功率大、壽命長(zhǎng)、重量小、構(gòu)造簡(jiǎn)單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使其無(wú)論在地面還是在空間都獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。然而太陽(yáng)電池陣是極少數(shù)裸露在外的設(shè)備之一，面臨著惡劣的外太空環(huán)境，例如太陽(yáng)風(fēng)暴、太陽(yáng)黑子、地磁爆、空間碎片等等，會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池陣造成不良影響。同時(shí)太陽(yáng)電池陣性能隨在軌工作時(shí)間的增加而逐漸衰減，這意味著在入射太陽(yáng)光強(qiáng)一定的前提下，壽命末期太陽(yáng)電池陣輸出功率要低于初期。綜上，在極端情況下，太陽(yáng)電池陣受外界和自身的影響可能導(dǎo)致衛(wèi)星壽命末期整星供電功率不足。因此為保障衛(wèi)星在軌正常工作、必要時(shí)進(jìn)行負(fù)載功率調(diào)整，需要開(kāi)展對(duì)太陽(yáng)電池陣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷工作。
[0004]然而目前太陽(yáng)電池陣監(jiān)測(cè)及故障診斷手段匱乏，因此需要加強(qiáng)在軌監(jiān)測(cè)和故障診斷方法、進(jìn)而提高在軌管理水平。開(kāi)展太陽(yáng)電池陣的在軌管理，避免出現(xiàn)災(zāi)難性故障，延緩太陽(yáng)電池陣的性能衰減，最終實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠、長(zhǎng)壽命的任務(wù)目標(biāo)。
[0005]太陽(yáng)電池陣輸出電流是反映太陽(yáng)電池陣在軌性能的重要參數(shù)之一。但現(xiàn)有技術(shù)手段中，只是利用固定門限監(jiān)視手段對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出電流進(jìn)行在軌故障診斷，容易出現(xiàn)漏報(bào)的現(xiàn)象。如2011年某衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣受空間外力影響造成兩路太陽(yáng)電池電路損壞，太陽(yáng)電池陣輸出電流減小3A，但基于固定門限的診斷方法無(wú)法監(jiān)測(cè)出該故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流的故障診斷方法，提出了一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的太陽(yáng)電池陣輸出電流的半物理模型，并在此基礎(chǔ)上獲取太陽(yáng)電池陣輸出電流的動(dòng)態(tài)報(bào)警門限，能夠較為準(zhǔn)確合理地進(jìn)行故障診斷，提高故障診斷精度的同時(shí)，大大降低了漏報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)，而且此模型計(jì)算量適中，便于工程實(shí)現(xiàn)。
[0007]在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流的故障診斷方法。具體步驟如下:
[0008]步驟1:計(jì)算在軌衛(wèi)星的太陽(yáng)入射光強(qiáng)Wsm(t)，其中t表示時(shí)間；
[0009]步驟2:根據(jù)在軌衛(wèi)星遙測(cè)的歷史數(shù)據(jù)得到太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流⑴；
[0010]步驟3:構(gòu)建優(yōu)化的太陽(yáng)電池陣輸出電流物理模型并計(jì)算太陽(yáng)電池陣擬合輸出電流I擬合(t)；
[0011]本步驟中，根據(jù)在軌衛(wèi)星遙測(cè)歷史數(shù)據(jù)，得到太陽(yáng)入射光強(qiáng)Wsun(t)和太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流⑴之間的形變因子ε.(cos β)η，構(gòu)建優(yōu)化的太陽(yáng)電池陣輸出電流物理模型:
[0012]I物理(t) = ε.(cos β )n.Wsun(t)(2)
[0013]其中，ε為在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣在軌日衰減因子，β為陽(yáng)光矢量與軌道面夾角，η為大于-1的負(fù)數(shù)；
[0014]將I物理(t)向I方陣(t)逼近，得到太陽(yáng)電池陣擬合輸出電流I擬合(t):
[0015]I擬合(t) = a.I物理(t)+b = a.ε.(cos β )n.Wsun(t)+b (3)
[0016]其中，a和b分別為一次項(xiàng)系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)；
[0017]步驟4:確定太陽(yáng)電池陣在軌監(jiān)測(cè)電流Iaai⑴:
[0018]當(dāng)太陽(yáng)電池陣不受遮擋時(shí)，Iffiil⑴等于Ig⑴；
[0019]當(dāng)太陽(yáng)電池陣受星體或大型天線遮擋時(shí)，測(cè)量太陽(yáng)電池陣受遮擋面積對(duì)應(yīng)的電流值I遮擋，則I監(jiān)SM⑴=I擬合⑴_(tái)1遮擋；
[0020]當(dāng)在軌衛(wèi)星處于本影期間時(shí)，Iassj (t) = O ；
[0021]當(dāng)在軌衛(wèi)星處于半影期間時(shí)，測(cè)量此時(shí)太陽(yáng)電池陣受遮擋面積對(duì)應(yīng)的電流值影，則I監(jiān)⑴=I擬合⑴_(tái)1半影；
[0022]步驟5:設(shè)置故障診斷門限
[0023]在軌監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)在軌衛(wèi)星遙測(cè)的歷史數(shù)據(jù)，將Iki⑴± (2?2.5)A作為適用于該在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流的故障診斷門限；
[0024]步驟6:進(jìn)行故障診斷:
[0025]如果當(dāng)前時(shí)間測(cè)得的在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流在所述故障診斷門限的范圍內(nèi)，則判定太陽(yáng)電池陣工作正常；
[0026]如果當(dāng)前時(shí)間測(cè)得的在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流高于所述故障診斷門限，則在軌衛(wèi)星設(shè)備的供電偏高，采取調(diào)整太陽(yáng)電池陣的姿態(tài)或添加負(fù)載的措施來(lái)減輕分流設(shè)備的負(fù)擔(dān)；
[0027]如果當(dāng)前時(shí)間測(cè)得的在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流低于所述故障診斷門限，進(jìn)一步判斷太陽(yáng)電池陣的功率是否滿足供電需求，如果功率滿足供電，判定太陽(yáng)電池陣工作正常，繼續(xù)監(jiān)測(cè)；如果出現(xiàn)功率不足的情況，適當(dāng)減少負(fù)載。
[0028]步驟二中太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流(t)的獲取方法為:
[0029]對(duì)于遙測(cè)參數(shù)中有太陽(yáng)電池陣輸出電流參數(shù)的在軌衛(wèi)星，查詢得到在軌衛(wèi)星光照期間的太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流；
[0030]對(duì)于遙測(cè)參數(shù)中沒(méi)有太陽(yáng)電池陣輸出電流參數(shù)的在軌衛(wèi)星，計(jì)算光照期間充電電流為O值時(shí)刻或涓流值時(shí)刻的負(fù)載電流、充電電流和分流電流的遙測(cè)參數(shù)值之和，作為太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流。
[0031]有益效果:
[0032]1、本發(fā)明的太陽(yáng)電池陣故障診斷的方法是真實(shí)的在軌衛(wèi)星遙測(cè)歷史數(shù)據(jù)、在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣在軌衰減情況與太陽(yáng)入射光強(qiáng)和陽(yáng)光矢量與軌道面夾角等物理參數(shù)相結(jié)合的半物理方法，并得到太陽(yáng)電池陣輸出電流的動(dòng)態(tài)報(bào)警門限。一方面，與物理仿真、測(cè)試等數(shù)據(jù)相比，在軌衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)能更真實(shí)地反映衛(wèi)星在軌性能的變化情況；另一方面，本發(fā)明利用形變因子(cosf3)n來(lái)代替太陽(yáng)電池陣溫度-功率系數(shù)，利用ε.(cosfO^化太陽(yáng)電池陣輸出電流的物理模型，模型簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)現(xiàn)，且擬合精度高，在軌故障診斷可精細(xì)化至一到兩路太陽(yáng)電池的診斷；此外，在衛(wèi)星姿態(tài)較為穩(wěn)定的前提下，本發(fā)明中得到的太陽(yáng)電池陣輸出電流擬合公式僅與時(shí)間相關(guān)，利用該公式計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的太陽(yáng)電池陣輸出電流，簡(jiǎn)單高效、可行可靠，而且普適性高，可用于航天器太陽(yáng)電池陣故障診斷和預(yù)警的研宄中，也可應(yīng)用于太陽(yáng)電池陣的衰降等性能方面的分析。
[0033]2、由本發(fā)明得到的太陽(yáng)電池陣輸出電流理論值，根據(jù)在軌衛(wèi)星實(shí)際情況經(jīng)過(guò)外擴(kuò)一定范圍后得到動(dòng)態(tài)的報(bào)警門限，適用于在軌監(jiān)視工作，大幅優(yōu)化了原有的報(bào)警上下限。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流擬合方法及診斷流程圖；
[0035]圖2為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)光強(qiáng)度年周期變化規(guī)律圖；
[0036]圖3為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)光入射強(qiáng)度年周期變化規(guī)律圖；
[0037]圖4為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流圖；
[0038]圖5為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流與太陽(yáng)入射光強(qiáng)的關(guān)系圖，其中光滑曲線為太陽(yáng)入射光強(qiáng)，頻繁波動(dòng)曲線為太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流；
[0039]圖6為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流與初步擬合電流的關(guān)系圖，其中光滑曲線為初步優(yōu)化的輸出電流，頻繁波動(dòng)曲線為太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流；
[0040]圖7為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣初步優(yōu)化的輸出電流與⑴之間的誤差圖；
[0041]圖8為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流與最終的擬合輸出電流的關(guān)系圖，其中光滑曲線為最終的擬合輸出電流，頻繁波動(dòng)曲線為太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流；
[0042]圖9為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣最終的擬合輸出電流與⑴之間的誤差圖；
[0043]圖10為某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣診斷門限示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0045]影響太陽(yáng)電池陣輸出電流的因素較為復(fù)雜，主要包括:日地距離因素，衛(wèi)星軌道因素，電池陣溫度因素，遮擋因素，衰退因素等。事實(shí)上，若想通過(guò)在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)將所有因素一一剝離，得到太陽(yáng)電池陣輸出電流的精確數(shù)學(xué)模型是不可實(shí)現(xiàn)的。
[0046]本發(fā)明為解決太陽(yáng)電池陣輸出電流精細(xì)化監(jiān)測(cè)需求與精確數(shù)學(xué)模型難以構(gòu)建之間的矛盾，在考慮了以上各影響因素的基礎(chǔ)上，提出了一種經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的太陽(yáng)電池陣輸出電流的半物理模型，并在此基礎(chǔ)上獲取太陽(yáng)電池陣輸出電流的動(dòng)態(tài)報(bào)警門限，從而更準(zhǔn)確合理地進(jìn)行故障診斷，提高故障診斷精度的同時(shí)，大大降低了漏報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)，而且此模型計(jì)算量適中，便于工程實(shí)現(xiàn)。
[0047]如附圖1所示為本發(fā)明的在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流擬合方法及診斷流程。下面結(jié)合某顆在軌衛(wèi)星為例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的診斷方法。
[0048]因?yàn)楸景l(fā)明的涉及參數(shù)在一天內(nèi)的變化量較小，所以本發(fā)明的時(shí)間坐標(biāo)的最小單位均為“天”。
[0049]在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出電流的診斷方法如下:
[0050]一、計(jì)算太陽(yáng)入射光強(qiáng)
[0051]首先，通過(guò)軌道計(jì)算或查詢星歷獲得當(dāng)前的日地距離，獲得準(zhǔn)確的太陽(yáng)光強(qiáng)度S ;然后，根據(jù)在軌衛(wèi)星運(yùn)行軌道傾角、日地距離、太陽(yáng)翼偏置角度等，利用衛(wèi)星軌道基本理論計(jì)算陽(yáng)光矢量與軌道面夾角β ;最后，根據(jù)S和β，計(jì)算太陽(yáng)入射光強(qiáng)度Wsun(t)。
[0052]陽(yáng)光矢量與軌道面夾角β:
[0053]β = sirf1 (cos δ s.SinRi.sin ( Ω - a s) +sin δ s.CosRi) (I)
[0054]其中，Ω表示升交點(diǎn)赤經(jīng)，(13表示太陽(yáng)赤經(jīng)，δ s表示太陽(yáng)赤瑋，Ri表示衛(wèi)星軌道傾角，％和δ 3中含有時(shí)間信息，所以β為時(shí)間的函數(shù)。
[0055]太陽(yáng)光入射強(qiáng)度Wsun (t):
[0056]Wsun (t) = S.cos (I β 1- Θ )(2)
[0057]其中，t表示時(shí)間，是由太陽(yáng)赤經(jīng)、赤瑋得到的時(shí)間，S為太陽(yáng)光強(qiáng)，β為陽(yáng)光矢量與軌道面夾角，Θ為太陽(yáng)翼偏置角度。
[0058]因?yàn)棣聻闀r(shí)間的函數(shù)，所以Wsun(t)也是時(shí)間的函數(shù)。
[0059]如圖2所示為某顆在軌衛(wèi)星的太陽(yáng)光強(qiáng)度年周期變化規(guī)律。
[0060]如圖3所示為某顆在軌衛(wèi)星的太陽(yáng)光入射強(qiáng)度的年周期變化規(guī)律。
[0061]二、太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流I方pi⑴
[0062]對(duì)于遙測(cè)參數(shù)中有太陽(yáng)電池陣輸出電流參數(shù)的在軌衛(wèi)星，查詢得到衛(wèi)星光照期間的太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出電流⑴；
[0063]對(duì)于遙測(cè)參數(shù)中沒(méi)有太陽(yáng)電池陣輸出電流參數(shù)的在軌衛(wèi)星，計(jì)