一种卫星在轨能源放电深度预估方法与流程

本发明总的来说涉及星上能源预估技术领域。具体而言，本发明涉及一种卫星在轨能源放电深度预估方法。

背景技术：

随着卫星执行任务的复杂度增加以及卫星运行自主性的增强，卫星在轨运行面临的风险也相应的增加。为提高卫星的可靠性，需提前评估执行任务的风险，其中卫星能源预估以保障星上能源的安全是重要的一环。

针对卫星能源预估的问题，现有技术中星上常规的做法是通过确定卫星当前蓄电池放电深度是否在安全阈值内，以确定卫星执行任务的风险度。然而如果出现该执行任务能耗大，卫星处在太阳阴影中运行时间长，蓄电池不能及时补充电量的情况，在这种情况下，仅依据现有技术中的卫星能源预估方法直接执行任务存在风险。

技术实现要素：

为至少部分解决现有技术中卫星能源预估在应对执行任务能耗大，卫星处在太阳阴影中运行时间长，蓄电池不能及时补充电量的情况时不能确定卫星能源能否满足执行任务需要的问题，本发明提出一种卫星在轨能源放电深度预估方法，包括下列步骤：

由卫星计算卫星工作电流i，所述卫星工作电流i包括卫星数传工作电流i1、卫星姿态机动工作电流i2以及卫星基础工作电流i3；

由卫星在任务触发时根据卫星的轨道运动周期特性确定任务触发时刻t0、第一阴影结束时刻t1、第二阴影开始时刻t2以及第二阴影结束时刻t3；

由卫星在任务触发时计算卫星帆板转正的第三时长δt3；

由卫星在任务触发时根据所述第三时长δt3确定卫星sada机动结束时刻t6，表示为下式t6＝t0 δt3；

由卫星在任务触发时根据数传星历表确定卫星从任务触发时刻t0运行至第二阴影结束时刻t3期间卫星的数传次数c；

由卫星在阴影区任务触发时或者在光照区触发任务时计算卫星从任务触发时刻t0运行至第二阴影结束时刻t3期间卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3；以及

由卫星在任务触发时根据所述第一最大放电量ah3以及卫星蓄电池允许最大放电量ah确定执行任务或者拒绝执行任务。

在本发明一个实施例中规定，由卫星计算卫星工作电流i包括下列步骤：

由卫星确定卫星光照区数传工作电流i′1、卫星光照区姿态机动工作电流i′2以及卫星光照区基础工作电流i′3；

由卫星计算卫星阴影区数传工作电流i″1，表示为下式：

其中，η表示卫星蓄电池转换效率，v1表示卫星蓄电池输出电压，v2表示卫星母线电压；

由卫星计算卫星阴影区姿态机动工作电流i″2，表示为下式：

以及

由卫星计算卫星阴影区基础工作电流i″3，表示为下式：

在本发明一个实施例中规定，由卫星在任务触发时计算卫星帆板转正的第三时长δt3包括下列步骤：

由卫星在任务触发时确定卫星姿态机动后保持完成时刻t5时太阳与卫星帆板法线的第一夹角α；

由卫星在任务触发时确定卫星通过卫星姿态机动旋转至任务目标指向的第二夹角e；

由卫星在任务触发时根据所述第二夹角e计算卫星姿态机动的第一时长δt1；

由卫星在任务触发时根据所述第一夹角α计算卫星sada机动的第二时长δt2；以及

由卫星在任务触发时计算卫星帆板转正的第三时长δt3，表示为下式：

δt3＝at1 δt2 δt5

其中，δt5表示卫星帆板抑制时长。

在本发明一个实施例中规定，由卫星在任务触发时根据所述第二夹角e计算卫星姿态机动的第一时长δt1包括下列步骤：

当0°≤e＜60°时，计算δt1表示为下式：δt1＝a1×|e| b1；

当60°≤e＜100°时，计算δt1表示为下式：δt1＝a2×|e| b2；以及

当100°≤e≤180°时，计算δt1表示为下式：δt1＝a3×|e| b3；

其中，|e|表示取e的数值，a1、a2、a3和b1、b2、b3表示第一时长计算系数，δt1的单位为s。

在本发明一个实施例中规定，由卫星在任务触发时根据所述第一夹角α计算卫星sada机动的第二时长δt2包括下列步骤：

当0°≤α≤β时，计算δt2表示为下式：δt2＝0；以及

当β＜α时，计算δt2表示为下式：δt2＝|α|/δ；

其中，|α|表示取α的数值，β表示第二时长计算第一系数，δ表示第二时长计算第二系数，δt2的单位为s。

在本发明一个实施例中规定，当卫星在阴影区触发任务时由卫星计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3包括下列步骤：

由卫星计算从任务触发时刻t0运行至第二阴影结束时刻t3时卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的第二电量ah1，表示为下式：

ah1＝ah11 ah12 ah13

ah11＝i″3×(t1-t0) i″2×δt1

ah12＝i′3×(t2-t1)

ah13＝i″3×(t3-t2)

其中，ah11表示t0时刻至t1时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量，ah12表示t1时刻至t2时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量以及ah13表示t2时刻至t3时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量；

由卫星计算光照期卫星太阳电池阵输出的第三电量ah2，其中：

当t6≤t1时，计算ah2表示为下式：ah2＝a×(t2-t1)

其中，a表示光照区卫星太阳电池阵直射输出电流；

当t1＜t6＜t2时，计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t6-t1) a×(t2-t6)；以及

当t2≤t6时，计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t2-t0)；以及

由卫星根据第二电量ah1以及第三电量ah2计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3，包括下列步骤：

由卫星计算t1时刻卫星蓄电池的放电量ah31，表示为下式：

ah31＝ah0 ah11

其中，ah0表示t0时刻卫星蓄电池的放电量；

由卫星计算t2时刻卫星蓄电池的放电量ah32，其中

当(ah31 ah12)＞ah2时，计算ah32表示为下式：

ah32＝(ah31 ah12)-ah2；以及

当(ah31 ah12)≤ah2时，ah32＝0；

由卫星计算t3时刻卫星蓄电池的放电量ah33，表示为下式：

ah33＝ah32 ah13；以及

由卫星计算所述第一最大放电量ah3，表示为下式：

ah3＝max(ah31，ah33) ah4

其中，ah4表示卫星数传放电量。

在本发明一个实施例中规定，当卫星在光照区触发任务时由卫星计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3包括下列步骤：

由卫星计算从任务触发时刻t0运行至第二阴影结束时刻t3时卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的第二电量ah1，表示为下式：

ah1＝ah12 ah13

ah12＝i′3×(t2-t0) i′2×δt1

ah13＝i″3×(t3-t2)

其中，ah12表示t0时刻至t2时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量以及ah13表示t2时刻至t3时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量；

由卫星计算光照期卫星太阳电池阵输出的第三电量ah2，其中：

当t6≤t2时，计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t6-t0) a×(t2-t6)

其中，a表示光照区卫星太阳电池阵直射输出电流；以及

当t2＜t6时，计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t2-t0)；

由卫星根据第二电量ah1以及第三电量ah2计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3，包括下列步骤：

由卫星计算t2时刻卫星蓄电池的放电量ah32，其中

当(ah0 ah12)＞ah2时，计算ah32表示为下式：

ah32＝ah0 ah12-ah2；以及

当(ah0 ah12)≤ah2时，ah32＝0；

由卫星计算t3时刻卫星蓄电池的放电量ah33，表示为下式：

ah33＝ah32 ah13；

以及由卫星计算所述第一最大放电量ah3，表示为下式：

ah3＝ah33 ah4

其中，ah4表示卫星数传放电量。

在本发明一个实施例中规定，，根据卫星阴影区数传工作电流i″1计算所述卫星数传放电量ah4，表示为下式：

ah4＝i″1×κ×δt6×c

其中，δt6表示卫星数传任务时长，κ表示数传效率系数。

在本发明一个实施例中规定，由卫星在任务触发时根据所述第一最大放电量ah3以及卫星蓄电池允许最大放电量ah确定执行任务或者拒绝执行任务包括：

当ah3＜ah时，卫星确定执行任务；以及

当ah3≥ah时，卫星拒绝执行任务。

本发明至少具有如下有益效果：通过本发明方法可以预估卫星蓄电池在卫星运行多个轨道周期内蓄电池的最大放电量，以作为卫星任务执行的判断依据，从而避免卫星能源不足带来的风险，提高了卫星的可靠性。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了卫星在阴影区时任务触发的时间区间示意图。

图2示出了卫星在光照区时任务触发的时间区间示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

卫星在轨运行的过程中触发任务时，可以根据本发明方法先行确定执行任务过程中卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3是否大于卫星蓄电池允许最大放电量ah，从而确定是否执行任务。其中卫星蓄电池允许最大放电量ah可以确定为常值，例如ah＝34a·h

本发明方法预估的过程可以在下列前提下进行：

忽略卫星sada机动的功耗；将卫星运行过程中的太阳光照角按照最差的情况计算，也就是说按照太阳光照角按照卫星sada机动前时刻的角度来计算；卫星数传的功耗按照常值计算；卫星姿态机动的功耗按照常值计算；以及卫星姿态机动后稳定的时间按照常值计算，该稳定时间可以设定为300s。

卫星在轨工作期间会运行至光照区和阴影区，其中在光照区卫星太阳电池阵可以为卫星蓄电池充电。

卫星的基础工作功率可以确定为常值，例如为800w。卫星可以自主计算卫星工作电流i，其中卫星在光照区运行时的可以确定卫星光照区数传工作电流i′1、卫星光照区姿态机动工作电流i′2以及卫星光照区基础工作电流i′3为常值，例如i′1＝4.2a，i′2＝3.7a以及i′3＝26a。

当卫星运行至阴影区时，卫星的各工作电流需要做下列计算：

由卫星计算卫星阴影区数传工作电流i″1，表示为下式：

其中，η表示卫星蓄电池转换效率，可以确定为常值，例如η＝0.9；v1表示卫星蓄电池输出电压，可以确定为常值，例如v1＝25.2v；v2表示卫星母线电压，可以确定为常值，例如v2＝30v；

卫星在任务触发时可以根据卫星的轨道运动周期特性确定任务触发时刻t0、第一阴影结束时刻t1、第二阴影开始时刻t2以及第二阴影结束时刻t3。

卫星在任务触发时可以确定卫星姿态机动后保持完成时刻t5时太阳与卫星帆板法线的第一夹角α，以及可以确定卫星通过卫星姿态机动旋转至任务目标指向的第二夹角e。

卫星根据所述第二夹角e可以计算卫星姿态机动的第一时长δt1，其中

当0°≤e＜60°时，计算δt1表示为下式：δt1＝a1×|e| b1；

当60°≤e＜100°时，计算δt1表示为下式：δt1＝a2×|e| b2；以及

当100°≤e≤180°时，计算δt1表示为下式：δt1＝a3×|e| b3；

其中，|e|表示取e的数值，a1、a3、a3和b1、b2、b3表示第一时长计算系数，δt1的单位为s。

将a1、a2、a3和b1、b2、b3可以取值为常数，例如采取如下的取值计算第一时长δt1：

当0°≤e＜60°时，计算δt1表示为下式：δt1＝2×|e| 10；

当60°≤e＜100°时，计算δt1表示为下式：δt1＝1.5×|e| 30；以及

当100°≤e≤180°时，计算δt1表示为下式：δt1＝2.25×|e|-45。

并且卫星根据所述第一夹角α可以计算卫星sada机动的第二时长δt2，其中

当0°≤α≤β时，计算δt2表示为下式：δt2＝0；以及

当β＜α时，计算δt2表示为下式：δt2＝|α|/δ；

其中，|α|表示取α的数值，β表示第二时长计算第一系数，δ表示第二时长计算第二系数，δt2的单位为s。

β和δ的值可以取常数，例如取如下值计算第二时长δt2：

当0°≤α≤5°时，计算δt2表示为下式：δt2＝0；以及

当5°＜α时，计算δt2表示为下式：δt2＝|α|/0.3。

根据上述δt1以及δt2，卫星在任务触发时可以计算卫星帆板转正的第三时长δt3，表示为下式：

δt3＝δt1 δt2 δt5

其中，δt5表示卫星帆板抑制时长，可以确定为常值，例如δt5＝1800s。

根据上述计算，卫星可以在任务触发时确定卫星sada机动结束时刻t6，表示为下式t6＝t0 δt3。

卫星可以在任务触发时根据数传星历表确定卫星从任务触发时刻t0运行至第二阴影结束时刻t3期间的数传次数c，其对应上述期间执行任务的次数。

如图1所示，当卫星在阴影区触发任务时，卫星计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3，包括下列步骤：

由卫星计算从任务触发时刻t0运行至第二阴影结束时刻t3时卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的第二电量ah1，表示为下式：

ah1＝ah11 ah12 ah13

ah11＝i″3×(t1-t0) i″2×δt1

ah12＝i′3×(t2-t1)

ah13＝i″3×(t3-t2)

其中，ah11表示t0时刻至t1时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量，ah12表示t1时刻至t2时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量以及ah13表示t2时刻至t3时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量；

由卫星计算光照期卫星太阳电池阵输出的第三电量ah2，其中：

当t6≤t1时，这种情况下进入光照区时卫星sada已完成机动，计算ah2表示为下式：ah2＝a×(t2-t1)

其中，a表示光照区卫星太阳电池阵直射输出电流；

当t1＜t6＜t2时，这种情况下在光照区中卫星sada完成机动，计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t6-t1) a×(t2-t6)；以及

当t2≤t6时，这种情况下卫星在再次进入阴影区前卫星sada仍没有完成机动，计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t2-t0)；以及

由卫星根据第二电量ah1以及第三电量ah3计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3，包括下列步骤：

由卫星计算t1时刻卫星蓄电池的放电量ah31，表示为下式：

ah31＝ah0 ah11

其中，ah0表示t0时刻卫星蓄电池的放电量；

由卫星计算t2时刻卫星蓄电池的放电量ah32，其中

当(ah31 ah12)＞ah2时，这种情况下t0至t2期间卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量大于太阳电池阵输出的电量，计算ah32表示为下式：

ah32＝(ah31 ah12)-ah2；以及

当(ah31 ah12)≤ah2时，这种情况下t0至t2期间卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量小于或等于太阳电池阵输出的电量，ah32＝0；

由卫星计算t3时刻卫星蓄电池的放电量ah33，表示为下式：

ah33＝ah32 ah13；以及

由卫星计算所述第一最大放电量ah3，表示为下式：

ah3＝max(ah31，ah33) ah4

ah4＝i″1×κ×δt6×c

其中，ah4表示卫星数传放电量，可以根据卫星阴影区数传工作电流i″1计算；，κ表示数传效率系数，可以确定为常值，例如κ＝1.3；δt6表示卫星数传任务时长，可以确定为常值，例如δt6＝10min。

如图2所示，当卫星在光照区触发任务时，卫星计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3包括下列步骤：

由卫星计算从任务触发时刻t0运行至第二阴影结束时刻t3时卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的第二电量ah1，表示为下式：

ah1＝ah12 ah13

ah12＝i′3×(t2-t0) i′2×δt1

ah13＝i″3×(t3-t2)

其中，ah12表示t0时刻至t2时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量以及ah13表示t2时刻至t3时刻卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量：

由卫星计算光照期卫星太阳电池阵输出的第三电量ah2，其中：

当t6≤t2时，这种情况下卫星进入阴影区前卫星sada已完成机动，卫星计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t6-t0) a×(t2-t6)

其中，a表示光照区卫星太阳电池阵直射输出电流；以及

当t2＜t6时，这种情况下卫星进入阴影区前卫星sada未完成机动，计算ah2表示为下式：ah2＝a×cosα×(t2-t0)；

由卫星根据第二电量ah1以及第三电量ah2计算所述卫星蓄电池触发的第一最大放电量ah3，包括下列步骤：

由卫星计算t2时刻卫星蓄电池的放电量ah32，其中

当(ah0 ah12)＞ah2时，这种情况下t0至t2期间卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量大于太阳电池阵输出的电量，计算ah32表示为下式：

ah32＝ah0 ah12-ah2；以及

当(ah0 ah12)≤ah2时，这种情况下t0至t2期间卫星基础工作以及姿态机动工作消耗的电量小于或者等于太阳电池阵输出的电量，ah32＝0；

由卫星计算t3时刻卫星蓄电池的放电量ah33，表示为下式：

ah33＝ah32 ah13；

以及由卫星计算所述第一最大放电量ah3，表示为下式：

ah3＝ah33 ah4

其中，ah4表示卫星数传放电量。

卫星根据上述计算获得第一最大放电量ah3，可以与卫星蓄电池允许最大放电量ah进行对比，当ah3＜ah时，卫星确定执行任务；以及当ah3≥ah时，卫星拒绝执行任务。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。