一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法技术

一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法，包括能源约束条件的模型提出、能源约束条件及影响卫星能源情况的输入条件的建模，以及蓄电池组充放电过程模型的建立，并给出了利用该模型进行短期有效载荷工作规划的方法的及应用实例。该数学模型能够根据卫星运行中的每一个轨道圈的实际运行参数作为输入条件进行计算，与以往只考虑最恶劣条件下的短期有效载荷工作模式和工作时间约束相比，提高了卫星有效载荷的使用效率，并且用户在进行任务规划时可以在满足能源约束条件的前提下，在一个轨道圈内任意组合载荷的工作模式，任意设定载荷的工作时机和工作时长，增加了卫星的易用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法，属于卫星使用的能源约束分析和卫星载荷最优化使用领域。
技术介绍
目前卫星电源系统一般为太阳电池阵—蓄电池组电源系统，其中蓄电池组的循环寿命是约束电源系统在轨寿命的瓶颈。蓄电池组的使用寿命与其放电深度成反相关关系，为了延长其在轨使用寿命，需要对放电深度作出限制；对于配置太阳电池阵—蓄电池组电源系统的太阳同步轨道的低轨小卫星，由于其轨道周期较短，在一个轨道周期内，阴影时间又较长，约占整个轨道周期的三分之一，在对蓄电池组放电深度做出要求外，还会要求卫星电源系统能够满足当圈能量平衡，即在一个轨道周期内，阳照时间结束时蓄电池组需处于满电量状态。为了满足当圈能量平衡及放电深度的限制，需要对卫星载荷的在轨使用提出约束，该约束条件称为能源约束，卫星在进行短期有效载荷工作的任务规划时需要满足能源约束条件。以往型号卫星由于地面测控站有限，有效载荷的工作模式也较为简单，其能源约束一般为满足当圈能量平衡及放电深度限制的单圈内不同短期有效载荷工作模式的工作时间，一般每个轨道圈内只有一种短期有效载荷工作模式，并且按照卫星在轨运行时太阳电池阵功率输出最低时的恶劣条件计算短期有效载荷工作允许的最大时间。此种约束条件的提出方法主要存在如下问题：(1)卫星能源约束条件按照卫星寿命末期及最恶劣运行条件下的卫星运行状态参数给出，不是依据执行任务当前的卫星运行状态给出，这限制了卫星的充分使用，降低了卫星的使用效率；(2)卫星能源约束条件的提出，只是给出某一种工作模式在一个轨道圈内的工作时间，对于在一个轨道圈内载荷工作的组合模式不能给出多种情况，也不能进行工作模式的自由组合，降低了卫星的使用灵活性和易用性。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法，可根据当前的卫星运行状态参数，在满足能源约束条件下进行短期有效载荷工作时间的任意设定和短期有效载荷工作模式的任意组合。本专利技术解决的技术方案为：一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法，步骤如下：1)建立能源约束条件，包括当圈能量平衡条件和当圈放电深度约束条件；当圈能量平衡条件：轨道周期结束时蓄电池组的充放电量Q(T0)≥Qe；当圈放电深度约束条件：在一个轨道圈内任一时刻的当前电量Q(t)≥Qe·DODmax；其中:Qe为卫星所用蓄电池组的额定电量；T0为从阴影区起始的轨道周期时间；DODmax为设计允许的最大放电深度；Q(T0)为一个轨道周期结束时的当前电量值；t为以开始进入阴影区为起点的时间，范围为[0,T0]；2)获取太阳光矢量与太阳电池阵正面法线的夹角β角，以及轨道周期内的阴影时间T1；获取卫星在轨运行时的长期加电设备的功率P1；根据卫星短期载荷工作的任务规划，获取在一个轨道圈内各个短期载荷的功耗、工作的时机和时间长度：(P21,t1)、(P22,t2)……，其中P21为短期载荷1的负载功耗，t1为在此轨道周期内短期载荷1工作的总时长，P22为短期载荷2的负载功耗，t2为在此轨道周期内短期载荷2工作的总时长……，获取侧摆的时机和时间长度，及侧摆角度α的大小；计算获得卫星在轨正常姿态飞行时光照时间的太阳电池阵输出功率p0＝Pzcos(β)，其中Pz为寿命末期太阳光垂直照射太阳电池阵时的输出功率；卫星侧摆时，计算获得太阳电池阵输出功率p0＝Pz[sinαsinθsinβ+cosαcosβ+(1-cosα)cosθcosθcosβ]，其中α卫星侧摆角度，3)以开始进入阴影时间作为卫星运行中一个轨道周期的开始，计算当前电量其中i(t)＝b(p0-P1-p2)为当前时刻作用在蓄电池组上的电流；a为电流积分因子，充电时其中k0为蓄电池组的再充电系数，放电时其中k1为充电调节器效率，k2为放电调节器效率，k3为放电线路损耗；为功率转化系数，Uc为蓄电池组充电时的电压；p0为太阳电池阵实际的输出功率，根据任务规划中侧摆的情况而变化，是由任务规划决定的关于时间t的函数；p2为卫星短期载荷的功耗，根据任务规划中不同短期载荷的工作情况而变化，是由任务规划决定的关于时间t的函数；4)根据任务规划及已知输入条件，进行一个轨道圈内的当前电量Q(t)的积分计算，将计算结果代入能源约束条件，若满足Q(T0)≥Qe且Q(t)≥Qe·DODmax，则认为任务规划有效；若不满足，则需要调整各个短期载荷工作的时机和时间长度，以及侧摆的时机和时间长度，及侧摆角度大小，重新计算，直到满足能源约束条件为止。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)提出了能源约束条件的数学模型，建立了影响卫星能源情况的输入条件的数学模型，以及蓄电池组充放电过程的数学模型，并且该模型具有通用化性质，可以应用在不同的型号卫星中。(2)根据提出的数学模型，进行短期有效载荷工作模式和工作时间的任务规划时，可将当前卫星运行时影响卫星能源情况的输入条件参数代入模型进行计算，即当前的任务规划依据当前的卫星状态给出，而不是根据卫星运行的最恶劣条件给出，这提高了卫星电源系统的能源利用率，提高了卫星的使用效率。(3)卫星用户依据数学模型进行任务规划时，可根据当前的卫星运行状态参数，在满足能源约束条件下进行短期有效载荷工作时间和工作次数的任意设定和短期有效载荷工作模式的任意组合，这提高了卫星有效载荷的使用效率。附图说明图1本专利技术的基本原理流程图；图2本专利技术的卫星运动轨迹；图3本专利技术的模型应用流程图；图4本专利技术的Q'(t)的变化曲线；图5本专利技术的I(t)的变化曲线；图6本专利技术的P0的变化曲线。具体实施方式本专利技术的基本思路为：首先建立能源约束条件，即当圈能量平衡条件和当圈放电深度限制条件的数学模型，建立影响卫星能源情况的输入条件和蓄电池组充放电过程的模型；依据数学模型，进行短期有效载荷工作模式和工作时间的任务规划，并将卫星当前运行状态参数代入模型，在满足能源约束条件的基础上，进行卫星载荷使用的任意设定，包括工作模式的任意组合，工作时间和工作时机的任意设定。下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：本专利技术的基本原理：如图1，首先，根据卫星自身特点，建立能源约束条件、影响卫星能源情况的输入条件，以及蓄电池组充放电过程的模型；然后，在模型建立的基础上，在卫星初期论证阶段，可以根据卫星电源系统的设计输入和设计结果，以及卫星短期载荷使用要求，进行卫星的能源满足度分析，验证电源系统的设计有效性；在卫星在轨使用阶段，可以根据当前的卫星运行状态参数，进行短期有效载荷工作模式和工作时间的任务规划，验证任务规划是否满足能源约束条件。能源约束条件的提出及建模：一个轨道圈的定义：一个阴影时间和一个阳照时间，即从卫星开始进入阴影时间时刻为起始时刻，到阳照时间结束时刻为止。一个轨道圈的时间为一个轨道周期。以一个轨道圈为单位安排卫星有效载荷的工作，由于在一个轨道周期内需要满足当圈能量平衡，且放电深度不能超过设计的允许的最大值DODmax，所以一个轨道圈内必须满足以下条件：a)当圈能量平衡条件：当圈蓄电池总的充放电量Q(T0)≥Qe；b)当圈放电深度限制条件：在一个轨道圈内任一时刻的当前电量Q(t)≥Qe·DODmax。其中:Qe为卫星所用蓄电池组的额定电量；T0为从本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法，其特征在于步骤如下：1)建立能源约束条件，包括当圈能量平衡条件和当圈放电深度约束条件；当圈能量平衡条件：轨道周期结束时蓄电池组的充放电量Q(T0)≥Qe；当圈放电深度约束条件：在一个轨道圈内任一时刻的当前电量Q(t)≥Qe·DODmax；其中:Qe为卫星所用蓄电池组的额定电量；T0为从阴影区起始的轨道周期时间；DODmax为设计允许的最大放电深度；Q(T0)为一个轨道周期结束时的当前电量值；t为以开始进入阴影区为起点的时间，范围为[0,T0]；2)获取太阳光矢量与太阳电池阵正面法线的夹角β角，以及轨道周期内的阴影时间T1；获取卫星在轨运行时的长期加电设备的功率P1；根据卫星短期载荷工作的任务规划，获取在一个轨道圈内各个短期载荷的功耗、工作的时机和时间长度：(P21,t1)、(P22,t2)……，其中P21为短期载荷1的负载功耗，t1为在此轨道周期内短期载荷1工作的总时长，P22为短期载荷2的负载功耗，t2为在此轨道周期内短期载荷2工作的总时长……，获取侧摆的时机和时间长度，及侧摆角度α的大小；计算获得卫星在轨正常姿态飞行时光照时间的太阳电池阵输出功率p0＝Pzcos(β)，其中Pz为寿命末期太阳光垂直照射太阳电池阵时的输出功率；卫星侧摆时，计算获得太阳电池阵输出功率p0＝Pz[sinαsinθsinβ+cosαcosβ+(1‑cosα)cosθcosθcosβ]，其中α卫星侧摆角度，3)以开始进入阴影时间作为卫星运行中一个轨道周期的开始，计算当前电量其中i(t)＝b(p0‑P1‑p2)为当前时刻作用在蓄电池组上的电流；a为电流积分因子，充电时其中k0为蓄电池组的再充电系数，放电时其中k1为充电调节器效率，k2为放电调节器效率，k3为放电线路损耗；为功率转化系数，Uc为蓄电池组充电时的电压；p0为太阳电池阵实际的输出功率，根据任务规划中侧摆的情况而变化，是由任务规划决定的关于时间t的函数；p2为卫星短期载荷的功耗，根据任务规划中不同短期载荷的工作情况而变化，是由任务规划决定的关于时间t的函数；4)根据任务规划及已知输入条件，进行一个轨道圈内的当前电量Q(t)的积分计算，将计算结果代入能源约束条件，若满足Q(T0)≥Qe且Q(t)≥Qe·DODmax，则认为任务规划有效；若不满足，则需要调整各个短期载荷工作的时机和时间长度，以及侧摆的时机和时间长度，及侧摆角度大小，重新计算，直到满足能源约束条件为止。...

【技术特征摘要】
1.一种提高卫星能源使用效率的短期有效载荷工作规划方法，其特征在于步骤如下：1)建立能源约束条件，包括当圈能量平衡条件和当圈放电深度约束条件；当圈能量平衡条件：轨道周期结束时蓄电池组的充放电量Q(T0)≥Qe；当圈放电深度约束条件：在一个轨道圈内任一时刻的当前电量Q(t)≥Qe·DODmax；其中:Qe为卫星所用蓄电池组的额定电量；T0为从阴影区起始的轨道周期时间；DODmax为设计允许的最大放电深度；Q(T0)为一个轨道周期结束时的当前电量值；t为以开始进入阴影区为起点的时间，范围为[0,T0]；2)获取太阳光矢量与太阳电池阵正面法线的夹角β角，以及轨道周期内的阴影时间T1；获取卫星在轨运行时的长期加电设备的功率P1；根据卫星短期载荷工作的任务规划，获取在一个轨道圈内各个短期载荷的功耗、工作的时机和时间长度：(P21,t1)、(P22,t2)……，其中P21为短期载荷1的负载功耗，t1为在此轨道周期内短期载荷1工作的总时长，P22为短期载荷2的负载功耗，t2为在此轨道周期内短期载荷2工作的总时长……，获取侧摆的时机和时间长度，及侧摆角度α的大小；计算获得卫星在轨正常姿态飞行时光照时间的太阳电池阵输出功率p0＝Pzcos(β)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，鄢婉娟，刘元默，伍保峰，叶钊，
申请(专利权)人：航天东方红卫星有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11