一种卫星电源半物理仿真系统

摘要

本发明公开了一种卫星电源半物理仿真系统，采用太阳模拟器、母线负载、蓄电池模拟器等设备与电源控制装置连接通过软、硬件结合的方式，由主控计算机实施，对卫星电源系统开展地面仿真。模拟卫星电源系统在轨工作模式，实现各类在轨运行条件的状态切换；完成各种电源系统参数设置及运行状态监测，集成蓄电池充放电管理；实现电源系统运行演示，并设置多种教学培训模式，可灵活开展对各类工程专业人员的教学培训工作。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星电源系统在地面环境模拟太空在轨运行状态，特别涉及一种卫星电源半物理仿真系统。

背景技术

卫星电源系统作为整星能源调节的核心系统，在轨飞行期间为整星提供持续稳定的能源。由于卫星运行在太空环境很多环境条件如：磁场、辐照、原子氧等无法在地面完全模拟，特别是与电源设计密切相关的太阳光照角、辐照损失因子、光照与地影时间等参数都很难在地面1:1模拟在轨工作条件。并且传统的卫星电源模拟测试需要消耗大量人力、物力、时间，各类地面测试设备繁杂，操作不便，测试人员耗费大量精力需手工设置参数。由于设备接口模式、数据类型不统一，测试数据实时采集管理更是无法实现，系统运行效率大大降低。许多卫星在轨发生电源故障、或者由于在轨模式变化需要进行能量平衡计算都需要设计人员在地面通过100%实物产品研制来建立环境，无法满足任务快速响应、有效定位的要求。

通过对卫星电源系统的地面半物理仿真系统的设计与实现，使用标准设备取代原来体积庞大、维护困难的化学电池，并将与电源在轨运行有关的参数建立数据模型，与实物产品电源控制装置一起组成了管理灵活、响应快速、系统完备、数据真实度高的半物理仿真系统。对于卫星电源在轨管理、故障分析、系统性能评测、系统演示与人员培训等方面具有重要应用价值。

发明内容

本发明是提供一种卫星电源半物理仿真系统，以解决现有卫星电源系统在地面缺少性能评测手段并可完成演示与人员培训的需求。

为解决上述需求，本发明提供一种卫星电源半物理仿真系统，包括：太阳模拟器、母线负载、蓄电池模拟器、电源控制装置与主控计算机；所述太阳模拟器功率输出与电源控制装置连接，所述母线负载输出功率与电源控制装置连接，所述蓄电池模拟器输出功率与电源控制装置连接；所述太阳模拟器信号控制与主控计算机连接，所述母线负载信号控制与主控计算机连接，所述蓄电池模拟器信号控制与主控计算机连接，所述电源控制装置信号监测和控制与主控计算机连接。

进一步，所述太阳模拟器包括：模拟太阳电池功率输出电子设备以及功率连接电缆、信号连接电缆；所述功率连接电缆连接模拟太阳电池功率输出电子设备的功率输出与电源控制装置的功率输入；所述信号连接电缆连接模拟太阳电池功率输出电子设备的信号控制与主控计算机信号接口。

进一步，所述母线负载包括：模拟负载功率电子设备以及功率连接电缆、信号连接电缆；所述功率连接电缆连接模拟负载功率电子设备的功率输出与电源控制装置的功率输入；所述信号连接电缆连接模拟负载功率电子设备的信号控制与主控计算机信号接口。

进一步，所述蓄电池模拟器包括：程控电源、电子负载、功率隔离装置以及功率连接电缆、信号连接电缆；所述程控电源功率输出与功率隔离装置的输入连接；所述电子负载功率输出与功率隔离装置的输入连接；所述功率隔离装置输出与蓄电池模拟器的功率输出连接；所述功率连接电缆连接蓄电池模拟器的功率输出与电源控制装置的功率输入；所述信号连接电缆连接蓄电池模拟器的信号控制与主控计算机信号接口。

进一步，所述电源控制装置包括：分流模块、母线滤波模块、充放电模块、信号模块以及功率连接电缆、信号连接电缆；所述分流模块功率与太阳模拟器功率连接；所述母线滤波模块功率与母线负载功率连接；所述充放电模块功率与蓄电池模拟器功率连接；所述信号模块与主控计算机连接；所述功率连接电缆连接太阳模拟器、母线负载、蓄电池模拟器功率输出与电源控制装置的功率输入；所述信号连接电缆连接电源控制装置的信号控制与主控计算机的信号接口。

进一步，所述主控计算机包括：计算机硬件、半物理仿真软件以及信号连接电缆；所述计算机硬件与太阳模拟器、母线负载、蓄电池模拟器、电源控制装置的信号连接；所述半物理仿真软件安装在计算机硬件内，完成各种电源系统参数设置及运行状态监测，集成蓄电池充放电管理，实现电源系统运行演示，并设置多种教学培训模式；所述信号连接电缆连接太阳模拟器、母线负载、蓄电池模拟器、电源控制装置的信号控制与主控计算机的信号接口。

进一步，所述半物理仿真软件包括：太阳电池阵控制模块、母线负载控制模块、蓄电池模拟控制模块、电源控制装置控制模块、自检模块、演示培训模块；所述太阳电池阵控制模块包括太阳电池模拟器参数采集、太阳电池模拟器参数设置、I-V曲线计算处理、I-V曲线选择、处理界面接口；所述母线负载控制模块包括母线负载参数采集、母线负载参数设置、母线负载状态监控、母线负载参数处理界面接口；所述蓄电池模拟控制模块包括蓄电池模拟器参数采集、蓄电池模拟器参数设置、蓄电池电压计算处理、蓄电池模拟器参数处理界面接口；所述电源控制装置控制模块包括信号采集、处理、判读，指令发送、充放电管理、电源控制装置管理界面接口；所述自检模块包括各控制模块检查；所述演示培训模块包括演示模式、分步模式、初级模式、高级模式、专家模式。

进一步，所述自检模式包括太阳电池阵控制模块检查、母线负载控制模块检查、蓄电池模拟控制模块检查、电源控制装置控制模块检查。

进一步，所述演示模式包括：电源初学者非常快速的进入系统运用，方便用户熟悉软件的各个区域功能的软件操作界面。

进一步，所述分步模式包括：卫星电源系统光照期，地影期和联合工作的三种形式按步骤进行演示的软件操作界面。

进一步，所述初级模式包括：卫星电源系统光照期，地影期和联合工作的三种形式按用户需求进行演示的软件操作界面。

进一步，所述高级模式包括：模拟卫星电源系统在轨运行光照期，地影期和联合工作的三种形式按步骤进行演示的软件操作界面。

进一步，所述专家模式包括：模拟卫星电源系统在轨运行光照期，地影期和联合工作的三种形式按用户需求进行演示的软件操作界面。

本发明所提供的卫星电源半物理仿真系统，针对太阳电池阵-化学蓄电池体系卫星电源系统（SolarArray-BatteriesPowerSupplySystem）设计与实行了一种卫星电源半物理仿真系统，可以模拟卫星电源在轨运行，为卫星电源设计、在轨管理和故障问题分析提供支持，整个系统具有响应速度快、控制精度高的特点，特别适用于完成卫星电源系统演示与人员培训教学。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的系统构架图；

图2（a）为本发明实施例所提供的硬件结构图；

图2（b）为本发明实施例所提供的蓄电池模拟器框图；

图3为本发明实施例所提供的软件总体框架图；

图4为本发明实施例所提供的软件详细功能框图；

图5为本发明实施例所提供的自检模式和业务模式组成框图；

图6为本发明实施例所提供的使用用户组成图。

具体实施方式

下文结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。

请参考图1，本发明所提供的卫星电源半物理仿真系统：设计了三层架构：第一层，系统控制（含主控计算机、系统控制软件），运行系统各工作模式，开展业务工作流程；第二层，信号接口，系统控制与硬件设备的数据通讯、与电源控制装置的参数检测及指令发送；第三层，地面模拟硬件设备：含太阳模拟器、母线负载、蓄电池模拟器与电源控制装置、全部由硬件设备组成，模拟太阳电池功率、母线功率、蓄电池充放电功率全部在此层完成。。

请参考图2（a），本发明实施例所提供的卫星电源半物理仿真系统，包括硬件设备太阳模拟器、母线负载、蓄电池模拟器与电源控制装置：太阳模拟器能够模拟空间太阳电池阵的输出特性：模拟太阳电池阵I-V输出特性，以及卫星在空间运行时的各种状态（光照角、温度、寿命初期、寿命末期、进出地影等）。这个过程中太阳电池阵模拟器的作用主要是动态模拟太阳电池阵的I-V输出特性，选择Agilent公司的E4350B作为太阳电池模拟器；母线负载能够模拟卫星的负载变化特性，选择Agilent公司的N3300作为母线负载；蓄电池模拟器模拟蓄电池充放电特性，在卫星进入光照期提供充电负载，将电源控制装置对电池的充电功率进行耗散；在卫星进入地影期提供放电功率，通过电源控制装置调节并保持输出稳定电压，为卫星模拟负载供电；电源控制装置完成上述地面设备的功率变换，并提供电源系统的信号和指令的接口。

请参考图2（b），本发明实施例所提供的蓄电池模拟器，包括程控电源、电子负载、功率隔离装置，模拟蓄电池充放电特性，在卫星进入光照期提供充电负载，将电源控制装置对电池的充电功率进行耗散，在卫星进入地影期提供放电功率，通过电源控制装置调节并保持输出稳定电压，为卫星模拟负载供电。程控电源选择Agilent公司的6674A，电子负载选择Agilent公司的N3300，功率隔离装置由两个相同的功率型二极管组成，二极管额定电压要求200V（DC）、额定电流要求30A（DC）。

请参考图3，本发明实施例所提供的半物理仿真软件，包括数据库支持系统、实时监控平台、指令输出平台、参数设置平台、数据报警平台、系统设置平台、历史数据平台、数据备份/维护平台。

请参考图4，本发明实施例所提供的半物理仿真软件，软件的详细功能可分如下几项：对信号的采集，要求能够依据用户设定的采样频率实现对信号的采集；对指令的发送，要求能够依据用户预先设定的或实际运行的条件，实现指定格式指令的发送；对采集数据按指定形式进行实时显示和定时打印，确定显示形式为三种，分别为表格显示、曲线显示和拓扑图显示；对采集数据状态的判读和报警显示，对采集数据的状态进行判读，当超过预期的范围时，报警提示用户；对所有地面模拟设备的工作状态和数据的设定、监测，实现实时在线监控；对模拟蓄电池充电状态和放电状态监测，并依据用户提供的计算方法对充电电量和放电电量进行计算，控制充电开关的接通和断开；软件系统可完成系统演示和对相关人员的培训。

请参考图5，本发明实施例所提供的半物理仿真软件，进入系统后，首先进行系统自检模式，自检模式通过后，进入到业务模式选择界面。系统软件业务模式包括有演示模式、分步模式、初级模式、高级模式、专家模式。演示模式：可以在确保安全的前提下，不开启硬件设备即可以运行软件，并可以使电源初学者非常快速的进入系统运用，方便用户熟悉软件的各个区域功能。在演示模式下，用户不可以对界面进行任何操作，但是可以移动鼠标到相应位置，通过鼠标旁的说明文字了解软件系统的显示说明；分步模式：在分步模式中设计了三种形式供用户选择：光照期，地影期和联合工作，并基于该三种形式设计了分步模式运行；初级模式：如果用户在已达到一定的专业技术水平后为了可以更多的熟悉各种工作模式状态，可以在初级模式中随意的在三种工作模式中进行切换、转换；高级模式：结合卫星电源在轨运行的仿真需求，模拟卫星电源系统在轨运行光照期，地影期和联合工作的三种形式按步骤进行演示；专家模式：结合卫星电源在轨运行的仿真需求，模拟卫星电源系统在轨运行光照期，地影期和联合工作的三种形式按用户需求进行演示。

请参考图6，本发明实施例所提供的半物理仿真系统，用户分为为硬件设计测试人员、系统构架师和电源研究人员三类。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。