高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法及系统
阅读说明：本技术 高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法及系统 (Autonomous coping method and system for energy shortage in shadow period of high-orbit satellite ) 是由 陈占胜 陈双全 陈华 孙伟 赵吉喆 田敏 黄小虎 顾燕萍 王志国 袁双 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法及系统,涉及空间飞行器技术领域,包括：步骤S1：星上自主阴影期预报；步骤S2：计算阴影期蓄电池最大放电深度；步骤S3：阴影期能源决策；步骤S4：自主生成程控延时控制指令；步骤S5：自主执行卫星进阴影前策略；步骤S6：自主执行卫星进阴影后策略；步骤S7：自主监测阴影期能源并根据状态进行应对；步骤S8：卫星出影后执行出影后整星策略,切回正常输出模式,阴影期前后全程智能化完成阴影期能源自主管理。本发明能降低阴影期能源紧张时蓄电池最大放电深度,减少卫星因能源紧张导致功能受限的影响程度,提高阴影期能源安全性,提升高轨卫星自主应对阴影期能源紧张的智能化水平。(The invention provides an autonomous energy tension responding method and system for a shadow period of a high-orbit satellite, which relate to the technical field of space vehicles and comprise the following steps: step S1: forecasting an on-satellite autonomous shadow period; step S2: calculating the maximum discharge depth of the storage battery in the shadow period; step S3: making a shadow period energy decision; step S4: autonomously generating a program control delay control instruction; step S5: autonomously executing a pre-shadow strategy of the satellite; step S6: autonomously executing a strategy after the satellite enters the shadow; step S7: autonomously monitoring the energy in the shadow period and responding according to the state; step S8: and executing a post-shadow whole-satellite strategy after the satellite is shadowed, switching back to a normal output mode, and intelligently completing the autonomous energy management in the shadow period in the whole process before and after the shadow period. The invention can reduce the maximum discharge depth of the storage battery when the energy is in tension in the shadow period, reduce the influence degree of the satellite on function limitation caused by the energy tension, improve the energy safety in the shadow period and improve the intelligent level of the high-orbit satellite for autonomously coping with the energy tension in the shadow period.)
技术领域
本发明涉及空间飞行器技术领域，具体地，涉及一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法及系统。
背景技术
卫星在阴影期内，无法通过太阳电池阵获得能源，只能依靠自身能源系统(通常为蓄电池)完成单机运行和整星温控的能源供给。高轨卫星因其轨道特点，相对低轨卫星在轨阴影期更为复杂、历时更长，对能源的需求也更大。而高轨卫星受制于发射质量的约束，蓄电池容量设计余量较小。因此，高轨卫星更容易发生阴影期能源紧张的情况。阴影期能源紧张为卫星非正常状态，轻则卫星功能和性能受限，重则卫星转安全模式短暂失能，甚者卫星永久失控失能失效。
由于卫星智能化程度不高，针对阴影期能源紧张情况，一般采用地面介入法完成阴影期能源管理。所谓“地面介入法”实施流程一般包括：卫星实时能源监测、卫星蓄电池放电深度计算、生成卫星输出模式决策、地面编制控制指令、上注控制指令等。实施“地面介入法”需要诸多条件保障，譬如卫星处于可测控弧段、卫星具备在轨编程条件、运控系统可及时上传控制指令和应急指令等，对实时性、正确性、有效性有极高的要求。
公开号为CN111086655A的发明专利，公开了一种非测控弧段阴影期热控补偿功率节约方法及系统，包括：步骤1：通过热仿真确定卫星光照期和阴影期加热器状态；步骤2：在卫星测控弧段内，根据光照期加热器状态，发送热控加热器程控禁止指令和热控加热器状态设置指令；步骤3：在卫星出测控弧段，进入非测控弧段前，根据非测控弧段的阴影时间预报和阴影期加热器状态，发送带有时间码的延迟指令，分别设置非测控弧段进阴影和出阴影时的热控加热器状态；步骤4：在非测控弧段结束，卫星重新进入测控弧段后，发送热控加热器程控允许指令，根据阈值对加热器进行闭环控制。该专利为“地面介入法”实施阴影期能源管理方法，非卫星自主完成，与本方案不同。
公开号为CN111064249A的发明专利，公开了一种中高轨卫星能源系统工作模式自主管理的方法，包括依次执行以下步骤：步骤1：对能源系统工作模式进行定义；通过卫星能源紧张时的工作状态，调整整星能源输出的模式；能源系统工作模式包括正常输出模式、限制输出模式、最小输出模式；步骤2：确定能源系统工作模式间的转换关系与判定准则；该转换关系包括正常输出模式到限制输出模式的转换、限制输出模式到最小输出模式的转换以及限制输出、最小输出模式到正常输出模式的转换。该专利仅描述了能源系统工作模式的定义和自主管理切换的原则，与本发明所描述的方法内容不同。
公开号为CN107611504B的发明专利，公开了一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，包括以下步骤：步骤1：当中高轨卫星进入长光照期时，使蓄电池组单体在第一预设温度范围和预设荷电态SOC1下储存；步骤2：当中高轨卫星进入进影期前N天时，提高蓄电池组单体温度至第二预设温度范围内，然后将蓄电池组充电至蓄电池组地影期充电终压；步骤3：当中高轨卫星进入地影期时，维持蓄电池组单体温度在第二预设温度范围内；出影后执行步骤1。该专利通过锂离子蓄电池组在长光照期采用低温低荷电态储存，地影期期间逐步提升蓄电池组充电终压，减小蓄电池组的容量衰减，延长蓄电池组使用寿命。该专利所述内容属于单机级自主管理，与本方案卫星系统级自主管理不同。
公开号为CN104821894B的发明专利，公开了一种卫星在轨自主管理系统及自主管理方法，该专利通过引入总线数据监测单元、使用分布式数据管理方法，提升卫星数据采集效率和智能故障处理与数据恢复，与卫星能源管理无关，与本方案不同。
公开号为CN112528488A的发明专利，公开了一种基于热容差异的卫星阴影期热补偿功耗节约方法及系统，包括如下步骤：建模步骤：建立卫星的热仿真模型，得到各电子设备的温度随时间变化曲线；修正步骤：通过热平衡试验修正各电子设备的热容参数；第一计算步骤：根据电子设备的温度变化曲线，计算电子设备温度变化速率；确定步骤：根据电子设备的温度变化曲线确定热补偿加热器阴影前的开机时刻；关闭步骤：卫星进入阴影期前一分钟，关热补偿加热器；第二计算步骤：计算加热器在阴影期的关机时刻；上注步骤：根据加热器的开机时刻和关机时刻设计延时指令并上注。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法及系统。
根据本发明提供的一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法，所述方法包括：
步骤S1：由星上计算机对卫星进出阴影期的时刻和总时长进行预报；
步骤S2：根据预报内容计算阴影期蓄电池最大放电深度；
步骤S3：根据阴影期卫星蓄电池最大放电深度结果，制定针对性阴影期能源应对策略；
步骤S4：由星上数管计算机自主生成程控延时控制指令；
步骤S5：由星上数管计算机自主执行卫星进阴影前策略；
步骤S6：由星上数管计算机自主执行卫星进阴影后策略；
步骤S7：由星上数管计算机自主监测阴影期能源并根据状态进行应对；
步骤S8：卫星出影后执行出影后整星策略，切回正常输出模式，阴影期前后全程智能化完成阴影期能源自主管理。
优选的，所述步骤S1包括：星上自主阴影期预报，星上计算机通过太阳、地球、月球以及卫星的实时轨道数据，预报卫星进出阴影期时刻和阴影期总时长，预报误差小于2分钟。
优选的，所述步骤S3包括：
当蓄电池最大放电深度介于正常阈值和安全阈值之间时，卫星处于能源紧张状态，执行能源紧张应对策略；
当蓄电池最大放电深度介于正常阈值和保护阈值之间时，执行正常模式；
当蓄电池最大放电深度介于保护阈值和限定阈值之间时，执行进阴影前整星同步升温法、阴影期整星加热器临时强关法以及限制输出模式的应对方法；
当蓄电池最大放电深度介于限定阈值和安全阈值之间时，执行进阴影前整星同步升温法、阴影期整星加热器临时强关法以及最小输出模式的应对方法。
优选的，所述步骤S4中自主生成程控延时控制指令，包括卫星自主编制进影前、进影后及阴影期以及出影后在内的单次阴影前后的卫星工作模式及整星加热器延时控制程序。
优选的，所述步骤S5中自主执行卫星进阴影前策略，包括：进阴影前整星同步升温法，具体操作方式为：在进入阴影期数小时内，等长时间间隔进行实施数次整星加热器临时强开指令，使卫星以温控最高温度进入阴影；卫星进入阴影后，执行临时强关指令，减少蓄电池放电。
优选的，所述步骤S6中自主执行卫星进阴影后策略包括：阴影期整星加热器临时强关法，其具体操作方式为：在阴影期每当卫星加热电流到达峰值，设定时间后进行一次卫星加热器临时强关指令，减小蓄电池放电。
优选的，所述步骤S7中自主监测阴影期能源状态并自主应对，包括蓄电池放电深度监测和单体电压监测；
其中，所述蓄电池放电深度监测采用实时母线电压、母线电流与历时积分法计算求得。
第二方面，提供了一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对系统，所述系统包括：
模块M1：由星上计算机对卫星进出阴影期的时刻和总时长进行预报；
模块M2：根据预报内容计算阴影期蓄电池最大放电深度；
模块M3：根据阴影期卫星蓄电池最大放电深度结果，制定针对性阴影期能源应对策略；
模块M4：由星上数管计算机自主生成程控延时控制指令；
模块M5：由星上数管计算机自主执行卫星进阴影前策略；
模块M6：由星上数管计算机自主执行卫星进阴影后策略；
模块M7：由星上数管计算机自主监测阴影期能源并根据状态进行应对；
模块M8：卫星出影后执行出影后整星策略，切回正常输出模式，阴影期前后全程智能化完成阴影期能源自主管理。
优选的，所述模块M1包括：星上自主阴影期预报，星上计算机通过太阳、地球、月球以及卫星的实时轨道数据，预报卫星进出阴影期时刻和阴影期总时长，预报误差小于2分钟。
优选的，所述模块M3包括：
当蓄电池最大放电深度介于正常阈值和安全阈值之间时，卫星处于能源紧张状态，执行能源紧张应对策略；
当蓄电池最大放电深度介于正常阈值和保护阈值之间时，执行正常模式；
当蓄电池最大放电深度介于保护阈值和限定阈值之间时，执行进阴影前整星同步升温法、阴影期整星加热器临时强关法以及限制输出模式的应对方法；
当蓄电池最大放电深度介于限定阈值和安全阈值之间时，执行进阴影前整星同步升温法、阴影期整星加热器临时强关法以及最小输出模式的应对方法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够自主预报卫星进出阴影的时刻与阴影总时长，计算卫星阴影期最大放电深度，并针对性指定应对策略；
2、创新提出了进阴影前整星同步升温法、阴影期整星加热器临时强关法，可有效降低阴影期卫星对能源的需求，最大程度降低能源紧张对卫星功能的负面影响；
3、通过自主生成并执行延时控制指令，实施阴影期能源监测与自主应对，可实现阴影期能源紧张自主应对。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明整体结构框图；
图2为包含“进阴影前整星同步升温法”和“阴影期整星加热器临时强关法”的高轨卫星能源管理方法示意图。
图3为某高轨卫星实施阴影期能源紧张自主应对方法的效果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法，参照图1所示，该方法具体包括：
步骤S1：星上自主阴影期预报，星上计算机通过太阳、地球、月球以及卫星的实时轨道数据，预报卫星进出阴影期时刻和阴影期总时长，预报误差小于2分钟。
步骤S2：该步骤和步骤S3均包含迭代计算过程。以当前工作模式或既定工作模式进行阴影期能源计算，当阴影期最大放电深度超过安全阈值，则采用更低功率需求的工作模式，再次计算阴影期蓄电池组最大放电深度。
步骤S3：根据阴影期卫星蓄电池最大放电深度结果，制定针对性阴影期能源应对策略；当蓄电池最大放电深度介于正常阈值和安全阈值之间时，卫星处于能源紧张状态，执行能源紧张应对策略。
当蓄电池最大放电深度介于保护阈值和限定阈值之间时，执行“进阴影前整星同步升温法”+“阴影期整星加热器临时强关法”+“限制输出模式”的应对方法；当蓄电池最大放电深度介于限定阈值和安全阈值之间时，执行“进阴影前整星同步升温法”+“阴影期整星加热器临时强关法”+“最小输出模式”的应对方法。当蓄电池最大放电深度介于正常阈值和保护阈值之间时，执行正常模式。其中，正常阈值即低放电阈值，一般定义放电深度低于40％，安全阈值一般定义放电深度80％，保护阈值一般定义放电深度60％，限定阈值一般定义放电深度70％。
步骤S4：自主生成程控延时控制指令，包括卫星自主编制进影前、进影后及阴影期以及出影后在内的单次阴影前后的卫星工作模式及整星加热器延时控制程序。
步骤S5：自主执行卫星进阴影前策略，包括“进阴影前整星同步升温法”，具体操作方式为：在进入阴影期数小时内，等长时间间隔进行实施数次整星加热器临时强开指令，使卫星以温控最高温度进入阴影；卫星进入阴影后，即执行临时强关指令，尽量减少蓄电池放电。
步骤S6：自主执行卫星进阴影后策略，包括“阴影期整星加热器临时强关法”，其具体操作方式为：在阴影期每当卫星加热电流到达峰值，数分钟(大于温度采集时间间隔)后进行一次卫星加热器临时强关指令，以减小蓄电池放电。
步骤S7：自主监测阴影期能源并根据状态进行应对，包括蓄电池单体电压监测和蓄电池放电深度计算；其中，蓄电池单体电压监测通过蓄电池组单体电压遥测数据获得，蓄电池放电深度计算通过查询蓄电池组单体电压与放电深度特性曲线表获得，具有实时性和准确性特点，可为星上能源决策留足反应时间。
步骤S8：卫星出影后执行出影后整星策略，切回正常输出模式，阴影期前后全程智能化完成阴影期能源自主管理。
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
某高轨卫星在轨能源自主管理策略参照图2所示，该卫星2月26日至3月24日，历经阴影时长2min～72min，覆盖卫星最短阴影期、最长阴影期。期间开展了阴影期测试，此间卫星有意采用最大功率输出模式。随着阴影期的增长，卫星出现了阴影期能源紧张的情况。该卫星应用本发明所述阴影期能源紧张自主应对方法，安全度过了最长阴影期，在轨检验了本发明的正确性和有效性。
实施主要内容如下。
(1)卫星能源管理原则与目标：
阴影期能源策略以不影响或尽可能小影响卫星功能、性能为原则，主要有以下两个目标：阴影期，蓄电池组放电深度小于80％；阴影期，通过调整单机(主要为蓄电池)温控阈值使得单机处于最佳工作温度范围，使其处于最佳工作状态。
(2)阴影预报结果要求及处理办法：
为了减小地影、月影预报误差导致的蓄电池放电深度波动，要求预报误差应小于2分钟。为了简化延时指令的时刻计算，进出影时刻取整分。处理方法如下表1所示。
表1阴影预报结果的处理办法
XXXX-XX-XX_A:B:C、XXXX-XX-XX_D:E:F表示公元纪年的年月日时分秒。
(3)阴影能源策略：
根据设计卫星阴影期能源策略，如下表3所示。
表2卫星阴影期能源策略
(4)阴影期能源策略实施流程：
阴影期能源策略实施流程如下表所示。
表3阴影期能源策略实施流程一览表
(5)阴影期能源策略实施结果
能源策略实施结果显示，阴影期各单机温度均在温度指标范围内；最长阴影期蓄电池最大放电深度不大于76.4％，参照图3所示；阴影期能源策略可实现策略制定的原则和目标。
本发明实施例提供了一种高轨卫星阴影期能源紧张自主应对方法及系统，降低阴影期能源紧张时蓄电池最大放电深度，减少卫星因能源紧张导致功能受限的影响程度，提高阴影期能源安全性，提升高轨卫星自主应对阴影期能源紧张的智能化水平。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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