高保真卫星电源负载场景重现系统设计

杨同智 刘廷玉 曾 齐 党建成

(上海卫星工程研究所，上海 201109)

1 引 言

卫星包含多种负载类型(比如制冷机为锯齿波变化型的负载，SAR雷达为脉冲型负载等)，且卫星工作期间整星负载变化较大，希望获取一次卫星真实负载变化特性，将负载特性多次高精度复现，测试卫星的供配电系统性能；此外在卫星故障排查中，为便于问题排查，需要高精度重建卫星的电源负载背景，进行多次故障模拟排查。但是使用真实卫星负载、蓄电池，存在安全性、难以快速重复建立状态的问题，会对蓄电池寿命和单机安全造成影响，蓄电池的状态也难以快速设置为需求状态，为解决电源负载场景快速重建问题，本文设计一种高保真度的卫星电源负载场景重现系统，可快速建立卫星负载、内电(蓄电池)与外电(太阳电池阵模拟器)状态，重现卫星供配电现场，辅助供配电性能测试与故障排查。

2 测量系统

卫星电源负载场景包括外电场景、内电场景与负载场景，外电场景通过太阳电池阵模拟器仿真，内电场景由蓄电池模拟器仿真重现，负载场景由可编程大功率电子负载实现。在测试过程中，利用AD采集卡(或示波器)获取卫星负载变化情况，利用采集的波形数据驱动任意波形发生器输出负载变化波形，负载变化波形调制电子负载快速变化，从而高精度模拟卫星负载的变化情况；卫星蓄电池为慢变系统，蓄电池的遥测数据满足蓄电池初值精度要求，利用蓄电池模拟器测试蓄电池获取蓄电池模型，在负载重现中，将模型数据导入蓄电池仿真模拟设备，高精度模拟蓄电池，依据遥测数据设置蓄电池模拟器的起始状态，从而高精度还原卫星负载现场的蓄电池状态；依据给卫星供电的太阳电池阵模拟器软件存储的设置值，设置太阳模拟阵，还原卫星的外部供电状态。

下面分别介绍用于实现外电场景、内电场景与负载场景仿真的太阳电池阵模拟器、蓄电池模拟器和可编程电子负载。

2.1 太阳电池阵模拟器

在地面上无法采用实际的太阳能电池方阵来再现卫星在空间轨道中的工作状态，因此需要采用太阳电池阵模拟器(Solar Array Simulator，SAS)来模拟太阳能电池阵在空间的工作状况[1]。SAS是卫星电源模拟器的重要组成部分，其主要任务是真实地遵循太阳能电池方阵在各种复杂空间条件下的实际输出特性曲线，在卫星的地面测试阶段代替太阳能电池方阵为卫星上的各分系统供电。

太阳电池阵模拟器本质上是一个电源，其I-V输出特性曲线如图1所示，一般通过类似公式(1)～公式(4)的指数模型等方式建模仿真[2]。

图1 SAS电源I-V特性曲线

(1)

式中：Rs——等效串联电阻；Voc——开路电压；Vmp——最大功率点电压；Imp——最大功率点电流。

(2)

式中：α——等效功率指数；Vmp——最大功率点电压；Rs——等效串联电阻；Isc——短路电流；Imp——最大功率点电流；Voc——开路电压。

(3)

式中：N——太阳电池阵I-V输出特性函数模型的指数参数。

(4)

式中：V——太阳电池阵输出电压；I——太阳电池阵输出电流。

2.2 蓄电池模拟器

蓄电池是一个高度非线性的系统，对外表现出的特性非常复杂，影响其性能的因素很多，像电压、电流、SOC、内阻以及温度等等都会对输出产生影响[3]。某蓄电池模拟器示例如图2，模拟器采用双向整流桥配合双向DC-DC变换器，在电源、负载两个象限高速动态切换，模拟蓄电池的充电与放电能力。

国内清华大学等研究机构、日本公司均进行了蓄电池模拟器技术研究，主要方法是通过双向整流、Buck开关调节实现充放电模拟[4]。同时Keysight公司也推出了APS高级电源系统、RP7900系列电源模拟蓄电池，模拟器与真实蓄电池连接进行充放电循环，可自动获得蓄电池模型信息，高保真度模拟蓄电池容量、内阻等特性。

图2 电源负载二象限仿真模拟

2.3 可编程电子负载

电子负载是通过控制内部功率管(MOSFET等)的导通量，依靠功率管的耗散功率消耗电能的设备[5]。电子负载具备恒压、恒流、恒阻、恒功率多种工作模式，可在各个工作模式间动态切换。电子负载支持波形驱动方式，通过示波器、AD采集负载电流变化波形数据，如图3、图4所示，可通过两种方式驱动电子负载仿真负载变化，还原负载场景。方式一，通过电脑将预先存储的波形通过DAQ卡或者任意波形发生器将波形发送给电子负载进行拉载，进而达到拉载任意波形的目的；方式二，使用自定义波形方式，可将示波器或AD卡采集的实际电流波形数据或者自定义的电流波形数据存储到电子负载的内部闪存中，通过电子负载的自定义负载波形功能拉载任意负载波形。

图3 任意波形驱动电子负载

图4 波形数据驱动电子负载

3 系统设计

电源负载场景记录与重现原理示意图如图5所示，包含用于采集负载变化波形的AD采集卡(或示波器)，用于生成负载变化波形的任意波形发生器，用于模拟卫星负载的可接收输入波形调制的电子负载，用于模拟卫星蓄电池(内电)的蓄电池模拟器，用于模拟卫星太阳电池阵(外电)的太阳电池阵模拟器。

卫星一次、二次母线电流经I/V转换电路转换为电压量信号，经卫星电缆网、脱插电缆至地面，地面AD采集卡高速采集此电压量，通过公式计算出对应的母线电流，从而获得卫星母线高精度负载变化信息，通过电流钳探头采集卫星配电分支电流变化信息，从而获取单机负载的高精度变化波形信息。通过蓄电池模拟器测试蓄电池，获取蓄电池模型，蓄电池为慢变系统，卫星遥测数据中蓄电池遥测信息即可满足蓄电池的初值精度要求，依据蓄电池的初值与模型还原蓄电池的运行状态。太阳电池阵控制软件实时记录存储模拟阵的设置值与输出状态，用于还原卫星外电场景。通过以上步骤完成了卫星负载、内电(蓄电池)与外电(太阳电池阵模拟器)的场景记录。

图5 卫星高保真度电源负载场景重现系统原理图

使用记录的高分辨负载变化数据驱动任意波形发生器，输出负载变化波形，将任意波形发生器的输出至电子负载的波形调制接口，电子负载即可依照输入的调制波形改变输出，实现高精度的负载模拟；蓄电池模拟器依据测得的蓄电池模型仿真蓄电池，依据蓄电池的相关遥测数据确定蓄电池初始状态，完成卫星内电状态重现；依据记录的太阳模拟阵设置值，设置模拟阵输出，还原卫星外部供电状态；最终从而完成卫星负载、内电与外电的现场重现。

电源负载场景重现的流程如图6所示，记录卫星的内电、外电及负载波形场景，依据记录的波形数据，驱动相应的模拟设备重现电源负载场景。

图6 卫星高保真度电源负载场景重现流程图

外电、内电与负载场景重现软件界面如图7所示，外电场景仿真软件基于分组重构设计，可以适应S3R、S4R等各种拓扑太阳电池阵模拟需求；内电场景仿真基于Keysight公司高级电源系统控制软件，实现电源负载二象限无缝切换模拟；负载仿真基于Chroma公司动态负载模拟控制软件，实现动态负载时序仿真。

图7 卫星负载场景重现软件界面

一段时间内的卫星实测母线电流与场景重现系统的仿真电流如图8所示，电源负载场景重现系统的仿真误差小于3%，实验结果表明，该系统的仿真精度与动态响应特性均能满足卫星电源负载场景仿真需求。

图8 整星实际负载电流与负载重现电流

4 结束语

本文采用AD采集器(示波器)、任意波形发生器、电子负载来高精度获取及重现卫星负载变化情况，利用蓄电池模拟器获取蓄电池模型，依据遥测数据设置蓄电池初值，完成卫星内电场景的快速建立，利用太阳模拟阵设置值的记录信息设置模拟阵输出，完成卫星外电环境的快速建立，从而实现了卫星负载、内电、外电场景的快速高精度建立，便于卫星问题排查与供配电系统测试验证，对于型号研制具有良好地工程应用价值。