用于卫星模拟飞行测试的太阳电池阵动态模拟系统设计

现阶段卫星模拟飞行测试中,太阳电池阵模拟器(SAS)伏安特性曲线数目有限,无法连续动态模拟卫星在轨运行中太阳电池阵实际电能输出情况。为此,基于模拟飞行测试环境,设计太阳电池阵动态模拟系统。该动态模拟系统由电源、控制和测控等测试系统组成。为保证动态模拟系统的高时效性和精确性,对参数实时获取传递、曲线建模计算和功率输出等各环节开展分析。利用某卫星太阳电池阵对动态模拟系统设计进行验证,结果表明系统能精确模拟太阳电池阵伏安曲线和功率输出变化。将仿真结果与实际在轨卫星数据进行比较,结果显示系统可很好地模拟时变太阳电池阵输出特性,证明了动态模拟系统设计对太阳电池阵动态输出模拟的有效性。     

基于最优梯度法的MPPT全数字控制仿真

为满足深空探测和低轨大功率航天器等特定电源需求、适应未来空间电源智能化管理的发展趋势,文章提出一种基于最优梯度法的最大功率点跟踪(MPPT)全数字控制方法,克服了采用硬件电路增量电导法因参数漂移而导致峰值功率跟踪精度不高的缺点。介绍了基于最优梯度法的MPPT算法的数字实现逻辑,并在Matlab/simulink软件中搭建了太阳电池阵MPPT控制的电源系统仿真模型,在模拟两种不同的太阳电池阵特性曲线突变的条件下,对所提出的MPPT控制策略进行了仿真,仿真结果验证了控制策略的准确度和有效性。     

采用太阳电池阵和储能飞轮的电源系统设计与分析

飞轮储能装置具有比能量高、寿命长、任务期内无衰减等优点,可替代航天器中传统的化学储能装置。为论证太阳电池阵-储能飞轮电源系统的可行性,本文从航天器总体设计的角度分析了其关键设计要素,论述了其对航天器机、电、热等方面的影响,并给出提高系统可行性的合理化建议,以及针对低轨卫星的太阳电池阵-储能飞轮电源系统的设计举例。通过与传统电源系统的技术指标对比分析,表明太阳电池阵-储能飞轮电源系统具有较高的比功率,并在降低航天器质量、节约发射成本方面具有很大优势,在未来航天器的应用中具有很大的潜力。     

高压大功率S3MPR电源控制器设计与验证

针对航天器平台一级能源变换高压大功率的应用需求,采用并联式DC/DC变换器的最大功率点跟踪(MPPT)拓扑结构,设计一种顺序开关分流最大功率调节(S~3MPR)电源控制器。为了解决传统S~3MPR技术的算法电路复杂、跟踪精度低等问题,兼顾航天器应用环境的特殊性,通过采用模拟电路实现的方式设计出一种基于交错扰动方法的MPPT控制算法电路。该算法可以实现太阳电池阵电压电流输出较大范围内精确跟踪其最大功率输出。研制了5 kW功率(10路太阳电池阵)的原理样机对设计进行试验验证,结果表明:电源控制器性能良好,满足高压大功率航天器平台的应用需求。     

飞船电源系统太阳电池银焊点的热应力分析

太阳电池阵是航天器电源系统的重要结构部件。文章以某飞船的太阳电池板为研究对象,根据其在热真空可靠性试验中的温度条件,对太阳电池与互连片连接处的银焊点部位进行了热应力和热变形仿真计算,并与试验现象进行了对比分析,证实了交替变化的高低温会导致银焊点的虚接触,从而使太阳电池阵不能正常工作。该研究成果可为航天器太阳电池银焊点的连接设计和焊点的检验提供参考。     

空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

空间原子氧是危害低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响,结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险,材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果,作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中,应对原子氧环境条件进行详细设计;同时开展组件级试验,以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。     

一种新的航天器电源系统拓扑

介绍了一种新的航天器电源系统拓扑结构,通过采用最大功率跟踪控制器控制顺序开关系统调节（S3R）分流调节器,并使用升压变换器获得稳定的100V一次输出母线,使得太阳电池阵功率被充分使用。这种拓扑结构已被用于欧洲贝皮·哥伦布水星探测器,并可为我国航天器电源技术发展提供借鉴。     

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。     

航天器太阳电池阵电性能测试技术

文章介绍了航天器太阳电池阵电性能技术指标,分析了影响测试的技术条件,如光谱、光照强度、温度、标准太阳电池、光照均匀度、光照稳定度、测试系统等。文章还介绍了脉冲式太阳模拟器的工作原理,提出了在航天器太阳电池电性能测试方面的发展方向和今后要解决的技术问题。     

一种航天器太阳电池阵共形天线研究

共形天线具有与载体结构浑然一体的特点,不仅能够减少天线数量,而且利于优化总体结构。在分析航天器太阳电池阵结构的基础上,结合共形天线特点,提出了航天器太阳电池阵共形天线结构设计的问题。文章定义了太阳电池阵共形天线的概念,开展了共形天线承载面、总体结构、阵元结构、阵元馈线、进出航天器信号传输线,以及波束控制网络等研究与设计,并以S、X双频段阵元结构为例进行了共形天线的电气性能仿真验证。仿真结果表明,在航天器太阳电池阵上实现共形天线不仅是可行的,且具有较高的工程应用价值和广阔的应用前景。     

空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

针对超大功率空间太阳能电站(SSPS),提出了一种分布式+集中式系统拓扑架构,将系统电力传输分为太阳电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区三大部分。根据系统三大阵区的能量流动关系,本文将SSPS系统的工作模式划分为最大功率点跟踪(MPPT)工作模式、跟踪功率指令工作模式及阴影区工作模式,并提出分层能源管理控制策略。最后,针对兆瓦级太阳电池阵的不同工作模式,利用Matlab/Simulink搭建空间太阳能电站系统仿真模型,进行仿真试验及对比分析,试验结果验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性,为解决空间太阳能发电技术电力传输与能量管理问题提出了新思路。     

SATSIM—A real-time multi-satellite simulator for test and validation in formation flying projects

The satellite simulator SATSIM was developed during the experimental PRISMA multi-satellite formation flying project and was primarily aimed to validate the Guidance, Navigation and Control system (GNC) and the on-board software in a simulated real-time environment. The SATSIM system has as a main feature the ability to simulate sensors and actuators, spacecraft dynamics, intra-satellite communication protocols, environmental disturbances, solar illumination conditions as well as solar and lunar blinding. The core of the simulator consists of MATLAB/Simulink models of the spacecraft hardware and the space environment. The models run on a standard personal computer that in the simplest scenario may be connected to satellite controller boards through a CAN (Controller Area Network) data bus. SATSIM is, in conjunction with the RAMSES Test and Verification system, able to perform open-loop, hardware-in-the-loop as well as full-fledged closed-loop tests through the utilisation of peripheral sensor unit simulators. The PRISMA satellites were launched in June 2010 and the project is presently in its operational phase. This paper describes how a low cost but yet reliable simulator such as the SATSIM platform in different configurations has been used through the different phases of a multi-satellite project, from early test of onboard software running on satellite controller boards in a lab environment, to full-fledged closed-loop tests of satellite flight models.     

对接机构综合试验台运动模拟器建模分析

空间对接机构六自由度综合试验台，是对接机构研制所必须的地面试验设备之一，用于对接机构空间对接过程的仿真试验，全面考核对接机构的捕获与缓冲校正能力。利用虚功原理建立了对接机构综合试验台运动模拟器的多体动力学模型，该模型全面地表征了六自由度运动模拟器的动力学特性，且具有简单、通用的形式，对六自由度运动平台的液压驱动系统进行了建模，从而建立六自由度运动模拟器系统模型。在建立该模型的基础上，使用Simulink对运动模拟器的位置跟踪特性进行了仿真分析，结果表明所设计的控制系统满足工程试验的需求。     

一种二维展开太阳翼的展开动力学仿真分析

在介绍一种二维展开太阳翼构型及组成的基础上,用ADAMS软件建立了二维展开太阳翼柔性动力学仿真模型,模型中为模拟太阳翼驱动装置(SADA)的保持力矩,在SADA上设置了摩擦阻力矩。仿真结果表明,二维展开太阳翼侧板在空间展开锁定不同步,由此而导致侧板锁定对SADA会产生多次冲击。此结论可为二维太阳翼的构型及其铰链设计,以及SADA在轨控制策略提供参考和借鉴。     

小卫星空间模拟器KM3B的研制

空间模拟器是用来模拟空间的真空、冷黑及太阳辐照环境,完成卫星的热平衡、热真空试验,满足卫星研制需要的关键地面大型试验设备。文章概要介绍了研制的一台有效试验空间为φ3 800 mm×4 800 mm的空间模拟器的组成、采用的模拟技术、调试及使用情况。使用结果表明:该设备的各系统运行稳定、可靠,模拟室的真空度、污染量、热沉温度、红外热流模拟系统、温度测量系统等均能满足卫星整星热平衡、热真空试验的要求。     

视觉测振技术在柔性太阳翼模态试验中的应用

针对8 m×5 m的柔性太阳翼在倒立状态下进行模态试验，设计数字摄像视觉测振系统，基于图像特征跟踪法实现了从相机标定、图像采集、信息提取到三维振动数据获取的过程，通过工况模态辨识方法获取了柔性太阳翼模态频率及振型等动力学参数。并考虑空气和重力影响建立太阳翼有限元模型，通过与基于基恩士激光位移传感器的传统模态试验结果及仿真分析结果进行对比，验证了基于视觉测振工况模态试验方法的准确性，为柔性太阳翼在轨模态辨识奠定基础。     

采用MPPT技术的国外深空探测器电源系统综述

最大功率点跟踪（MPPT）技术能够最大限度利用太阳电池阵输出功率,对于光强和温度变化较大的深空探测器,具有一定的优势。对MPPT电源系统拓扑结构及其在国外深空探测领域的典型应用,如＂罗塞塔＂（Rosetta）、＂信使＂（MESSENGER）探测器电源系统等,进行了调研和综述,分析了3种MPPT拓扑结构的特点,并指出光强、温度等空间环境因素,以及负载特性、系统稳定性对电源系统的影响,可为MPPT技术在我国深空探测器电源系统设计中应用提供参考。     

用于高精度太阳敏感器标定的模拟光源控制系统设计

为了精确模拟空间太阳辐照方向的变化,设计了一种以计算机控制为核心的、用于高精度太阳敏感器标定的模拟光源闭环控制系统。由计算机直接控制光电隔离输出卡,所输出的数字信号经过功率驱动电路和软启动电路后实现模拟光源的开启与关闭,采用软件方式控制步进电机的转速和转向,并通过高精度光电编码器实时获取当前的转动角度值,再经串口通信反馈给计算机,构成闭环控制系统。标定测量表明:系统的俯仰角和方位角转动误差均小于0.02°,均满足高精度太阳敏感器标定对模拟光源的要求。     

一种高稳定度帆板驱动系统的T-S模糊复合控制器

为减少帆板驱动机构（SADA）对太阳帆板挠性模态的激励作用,以扰动力矩较小的永磁同步电机(PMSM)作为驱动源,提出一种T-S模糊控制与校正网络相结合的控制方法。利用校正网络增加系统的相位裕度和增益,并通过T-S模糊控制器降低系统的超调和非线性摩擦的影响,从而有效抑制太阳帆板的振动。通过圆判据对带有此控制器的驱动系统进行了稳定性证明,很好地解决了模糊控制系统在摩擦扰动下难以进行频域理论分析的缺陷。仿真结果表明,在非线性摩擦等扰动的影响下,该控制方法能够很好地抑制太阳帆板引起的挠性振动,提高系统的速度精度和稳定度,具有较好的动态性能。     

KM5A空间环模试验设备研制

KM5A空间环模试验设备主要用于为航天器进行地面模拟试验提供真空、冷黑及太阳辐射等空间环境。设备主要包括真空容器、真空抽气系统、热沉、氮系统、测量及数据采集系统、外热流模拟系统等。文章概要介绍了该试验设备的系统组成、主要性能指标及关键技术。