立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法技术

本发明专利技术公开了一种立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法，步骤如下：首先在STK中建立包含太阳电池阵的立方星模型；其次根据立方星的太阳同步轨道六根数，在STK中建立轨道模型，仿真得到立方星在轨一年内β角变化情况和一年内单圈光照时长变化情况；再选取β角最小时对应的光照时长最短的轨道，对该轨道进行仿真，得到该轨道光照期的太阳入射角；最后将上述太阳入射角带入太阳电池阵在轨输出功率的计算公式中，累加得到该轨道光照期太阳电池阵产生的总能量。本发明专利技术具有操作简单、直观性强、实现难度小、准确度较高的特点，可作为立方星能量平衡分析的可靠输入条件。

Energy estimation method of solar cell array in the solar synchronous orbit of cubic star

The invention discloses a method for estimating, cubic star sun synchronous orbit solar array energy steps are as follows: first includes the establishment of cubic star model of solar array in STK; then according to the sun synchronous orbit star six cubic root number, the establishment of the track model in STK simulation, get the cube satellite in orbit within a year beta angle changes within one year and the single ring light length changes; and then select the beta angle corresponding to the minimum illumination length of the short track, the simulation of the orbit, the orbit of the sun light incidence angle; finally the calculation formula of the solar incident angle into the solar array on the output power, the total energy is accumulated by the orbital light period of solar array generated. The invention has the characteristics of simple operation, strong visibility, small difficulty and high accuracy, and can be used as a reliable input condition for energy balance analysis of cubic stars.

【技术实现步骤摘要】
立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法
本专利技术涉及立方星能量预算，特别是立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法。
技术介绍
立方星大多运行在光照条件较好的太阳同步轨道，采用体装式太阳电池阵和展开式太阳电池阵组合的方式来获取能量，是目前在轨立方星的最主要能量来源。立方星能量平衡分析是电源系统可靠性设计的重要部分，对电源系统的设计和整星的任务规划具有指导意义。其中结合立方星的轨道情况，进行立方星太阳电池阵在轨能量的估算是立方星能量平衡分析中的第一步也是最关键的一步。现有的立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法是根据太阳电池片的输出特性在MATLAB中建立Simulink仿真模型，输入光照角参数仿真得到太阳电池阵输出电流。该方法建模复杂，计算量较大，易产生偏差。STK(SatelliteToolKit，卫星仿真工具包)是由美国AGI公司开发，在航天工业领先的商品化分析软件，可以快速方便地分析复杂的陆、海、空、天任务，并提供易于理解的图表和文本形式的分析结果，用于确定最佳解决方案。利用STK建立立方星太阳同步轨道模型和太阳电池阵模型，可仿真得到某一轨中光照期太阳光矢量与各电池阵平面的夹角变化，代入电池阵能量计算公式中，利用Matlab计算得到某一轨光照期太阳电池阵产生的总能量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法，具有操作简单、直观性强、实现难度小、准确度较高的特点，可作为立方星能量平衡分析的可靠输入条件。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法，包括如下步骤：步骤1：在STK中建立包含太阳电池阵的立方星模型；步骤2：根据立方星的太阳同步轨道六根数，在STK中建立轨道模型，仿真得到立方星在轨一年内β角变化情况和一年内单圈光照时长变化情况；步骤3：选取β角最小时对应的光照时长最短的轨道，对该轨道进行仿真，得到该轨道光照期的太阳入射角；步骤4：将上述太阳入射角带入太阳电池阵在轨输出功率的计算公式中，累加得到该轨道光照期太阳电池阵产生的总能量：太阳电池阵在轨输出功率P＝S0AcXXsη1η2FjFc(βpΔT+1)sin(θ)其中，θ为太阳入射角；Fc为太阳电池阵组合损失因子，取为0.98；Fj为其他衰减因子，取为0.98；βp为太阳电池阵功率温度系数，取为-0.4％/℃；ΔT为太阳电池阵在轨工作温度与标准温度之差；其它系数X、Xs取为1；η2为不同的θ角对光电转换效率产生的影响因子：θ<30°时，η2＝0；θ＝30°～45°时，η2＝0.6；θ＝45°～60°时，η2＝0.85；θ＝60°～90°时，η2＝1；S0为太阳辐照常数，取1353W/m2，η1为太阳电池片的光电转换效率，取28％，Ac为太阳电池阵布片面积。该轨道光照期太阳电池阵产生的总能量W＝∑P1(t)Δt其中，Δt为仿真时间步长，取为30s。所述步骤1包括如下步骤：步骤1.1：利用文本文件创建立方星本体模型和活动平面模型，其中立方星本体模型作为体装电池阵；活动平面模型，作为展开电池阵；步骤1.2：在STK中新建场景，导入步骤1.1中创建的文本文件，生成立方星模型；步骤1.3：在新建的场景中添加太阳矢量，在体装电池阵和展开电池阵表面建立参考平面。所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1：根据立方星所在太阳同步轨道的六根数，设置立方星模型的属性，生成立方星模型的运行轨道；步骤2.2：设置立方星一年寿命期的起止时间为仿真时间间隔，生成一年内β角变化曲线图和单圈光照时长变化曲线图。步骤3中的太阳入射角为β角最小时对应的光照时长最短的轨道的光照期太阳矢量与各电池阵平面之间的夹角。所述步骤3包括如下步骤：步骤3.1：在一年内β角为最小对应的时间段内，选择最短的单圈光照期对应的起止时间为仿真时间间隔；步骤3.2：通过仿真生成太阳入射角参数，即展开电池阵太阳入射角θxy和体装电池阵太阳入射角θyz。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)本专利技术利用了STK工具，能方便直观地得到立方星在轨光照的最恶劣条件(β角最小且光照期最短)。基于该条件计算得到的能量是立方星在轨一年内单圈光照期产生的最小能量，以此作为能量平衡分析输入条件，充分保证了能量的裕度要求，提高了能量平衡分析的可靠性和准确性。(2)实现难度较小，计算量小，可操作性强。(3)本专利技术提供的立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法已用于多颗太阳同步轨道立方星的能量平衡分析，且经过多次在轨飞行验证，能量供应充足。附图说明图1是本专利技术立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法的流程图。图2是本专利技术在STK中建立的包含太阳电池阵的立方星模型仿真图。图3是本专利技术由STK仿真得到的立方星太阳同步轨道一年内单圈光照时长变化情况。图4是本专利技术由STK仿真得到的立方星太阳同步轨道一年内β角变化情况。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1，本专利技术所述的立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法，包括如下步骤：步骤1：在STK中建立包含太阳电池阵的立方星模型(如图2)：步骤1.1：利用文本文件创建立方星本体模型和活动平面模型，其中立方星本体模型作为体装电池阵；活动平面模型，作为展开电池阵。步骤1.2：在STK中新建场景，导入步骤1.1中创建的文本文件，生成包含体装电池阵和展开电池阵的立方星模型。步骤1.3：在体装电池阵表面建立体装电池阵参考平面，在展开电池阵表面建立展开电池阵参考平面；给体装电池阵参考平面和展开电池阵参考平面添加太阳矢量。步骤2：根据立方星的太阳同步轨道六根数，在STK中建立轨道模型，仿真得到立方星在轨一年内β角(太阳光矢量与卫星轨道面的夹角)变化情况和一年内单圈光照时长变化情况(如图3和图4)：步骤2.1：根据立方星所在太阳同步轨道的六根数，设置步骤1.2中建立的立方星模型的属性，生成立方星模型的运行轨道。步骤2.2：设置立方星一年寿命期的起止时间为仿真时间间隔，生成一年内β角变化曲线图和单圈光照时长变化曲线图。步骤3：选取β角最小时对应的光照时长最短的轨道，对该轨道进行仿真，得到该轨道光照期太阳矢量与各电池阵平面夹角(定义为太阳入射角)：步骤3.1：在一年内β角为最小对应的时间段内，选择最短的单圈光照期对应的起止时间为仿真时间间隔。步骤3.2：通过仿真生成展开电池阵太阳入射角参数θxy和体装电池阵太阳入射角参数θyz，并导出Excel表格(如表1和表2)表1展开电池阵太阳入射角θxy表2体装电池阵太阳入射角θyz步骤4：将上述太阳入射角的Excel表格导入Matlab中，带入太阳电池阵在轨输出功率的计算方程，累加得到该轨道光照期太阳电池阵产生的总能量：太阳电池阵在轨输出功率P＝S0AcXXsη1η2FjFc(βpΔT+1)sin(θ)其中，θ为太阳入射角；Fc为太阳电池阵组合损失因子，取为0.98；Fj为其他衰减因子，取为0.98；βp为太阳电池阵功率温度系数，取为-0.4％/℃；ΔT为太阳电池阵在轨工作温度与标准温度之差；其它系数X、Xs取为1；η2为不同的θ角对光电转换效率产生的影响因子：θ<30°时，η2＝0；θ＝30°～45°时，η2＝0.6；θ＝45°～60°时，η2＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在STK中建立包含太阳电池阵的立方星模型；步骤2：根据立方星的太阳同步轨道六根数，在STK中建立轨道模型，仿真得到立方星在轨一年内β角变化情况和一年内单圈光照时长变化情况；步骤3：选取β角最小时对应的光照时长最短的轨道，对该轨道进行仿真，得到该轨道光照期的太阳入射角；步骤4：将上述太阳入射角带入太阳电池阵在轨输出功率的计算公式中，累加得到该轨道光照期太阳电池阵产生的总能量：太阳电池阵在轨输出功率P＝S0AcXXsη1η2FjFc(βpΔT+1)sin(θ)其中，θ为太阳入射角；Fc为太阳电池阵组合损失因子，取为0.98；Fj为其他衰减因子，取为0.98；βp为太阳电池阵功率温度系数，取为‑0.4％/℃；ΔT为太阳电池阵在轨工作温度与标准温度之差；其它系数X、Xs取为1；η2为不同的θ角对光电转换效率产生的影响因子：θ<30°时，η2＝0；θ＝30°～45°时，η2＝0.6；θ＝45°～60°时，η2＝0.85；θ＝60°～90°时，η2＝1；S0为太阳辐照常数，取1353W/m

【技术特征摘要】
1.一种立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在STK中建立包含太阳电池阵的立方星模型；步骤2：根据立方星的太阳同步轨道六根数，在STK中建立轨道模型，仿真得到立方星在轨一年内β角变化情况和一年内单圈光照时长变化情况；步骤3：选取β角最小时对应的光照时长最短的轨道，对该轨道进行仿真，得到该轨道光照期的太阳入射角；步骤4：将上述太阳入射角带入太阳电池阵在轨输出功率的计算公式中，累加得到该轨道光照期太阳电池阵产生的总能量：太阳电池阵在轨输出功率P＝S0AcXXsη1η2FjFc(βpΔT+1)sin(θ)其中，θ为太阳入射角；Fc为太阳电池阵组合损失因子，取为0.98；Fj为其他衰减因子，取为0.98；βp为太阳电池阵功率温度系数，取为-0.4％/℃；ΔT为太阳电池阵在轨工作温度与标准温度之差；其它系数X、Xs取为1；η2为不同的θ角对光电转换效率产生的影响因子：θ<30°时，η2＝0；θ＝30°～45°时，η2＝0.6；θ＝45°～60°时，η2＝0.85；θ＝60°～90°时，η2＝1；S0为太阳辐照常数，取1353W/m2，η1为太阳电池片的光电转换效率，取28％，Ac为太阳电池阵布片面积；该轨道光照期太阳电池阵产生的总能量W＝∑P1(t)Δt其中，Δt为仿真时间步长，取为30s。2.根据权利要求1所述的立方星太阳同步轨道太阳电池阵的能量估算方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：步骤1.1：利用文本文件...

【专利技术属性】
技术研发人员：马海宁，张翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32