СПОСОБ КОНТРОЛЯ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОПИТАНИЯ СНАБЖЕННОГО СОЛНЕЧНЫМИ БАТАРЕЯМИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2018 года по МПК B64G1/44 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к энергообеспечению космических аппаратов (КА), и может быть использовано при эксплуатации солнечных батарей (СБ) КА.

Одной из составляющей контроля системы энергопитания снабженного СБ КА является контроль основных электрических характеристик СБ - выходного тока, напряжения и мощности СБ. На стадии проектирования и изготовления СБ осуществляется теоретический расчет выходных параметров СБ, который может быть основан на методе перемещений вольт-амперной характеристики, учитывающем различные влияния окружающей среды и параметров нагрузки на характеристики СБ (Система электроснабжения КА. Техническое описание. 300ГК.20Ю.0000-АТО. РКК «Энергия», 1998; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва. Энергоатомиздат. 1983. Стр. 49, 54).

Для контроля электрических характеристик СБ в полете используются измерения электрических характеристик СБ под воздействием солнечного излучения, поступающего перпендикулярно рабочей поверхности СБ (Елисеев А.С. Техника космических полетов. Москва, «Машиностроение», 1983. стр. 190-194; Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатомиздат, 1983. стр. 57; патент РФ №2353555 по заявке №2006131395/11, приоритет от 31.08.2006), для чего разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце, в этом положении СБ определяют их текущие выходные параметры и контроль характеристик СБ осуществляют по результатам сравнения полученных текущих данных с их задаваемыми номинальными значениями (проектными или некоторыми исходными значениями, например, полученными на предыдущих этапах полета).

Данный способ обеспечивает контроль текущих выходных параметров СБ в полете. Например, меньшие значения фактического выходного тока СБ по отношению к заданным номинальным значениям означают «деградацию» СБ в ходе полета КА.

Недостаток данного способа связан с тем, что он не предусматривает учета внешних полетных условий, при которых был выполнен замер тока СБ, что вносит неопределенность в дальнейшее использование (интерпретацию) результатов выполненных замеров.

Известен способ определения максимальной выходной мощности СБ КА (патент РФ №2354592 по заявке №2007119224, приоритет от 23.05.2007 - прототип), согласно которому разворачивают панели СБ в рабочее положение, соответствующее совмещению нормали к их освещенной рабочей поверхности с направлением на Солнце, измеряют высоту орбиты КА, определяют по ней угол возвышения верхней границы атмосферы над видимым с КА горизонтом Земли (ε), определяют значение углового полураствора видимого с КА диска Солнца (Q_s), измеряют угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА (β), на витках, на которых значение измеряемого угла β менее или равно расчетному значению, определяемому по предложенному соотношению, измеряют угол возвышения направления на Солнце над видимым с КА горизонтом Земли (g) и максимальную выходную мощность СБ при их минимальной температуре определяют как произведение значений напряжения и тока СБ, измеренных в момент касания видимым с КА диском Солнца верхней границы атмосферы Земли на восходе Солнца, определяемый из условия равенства значения измеряемого угла g сумме значений углов ε и Q_s при возрастании значения угла g, а максимальную выходную мощность СБ при максимальной установившейся рабочей температуре определяют как произведение значений напряжения и тока СБ, измеренных в момент касания видимым с КА диском Солнца верхней границы атмосферы Земли на заходе Солнца, определяемый из условия равенства значения измеряемого угла g сумме значений углов ε и Q_s при убывании значения угла g.

Данный способ обеспечивает контроль текущих выходных параметров СБ в указанные моменты времени на восходе и заходе Солнца, что обеспечивает контроль выходных параметров СБ при двух температурных режимах - при минимальной и максимальной установившейся рабочей температуре СБ.

Недостаток способа-прототипа связан с тем, что он обеспечивает контроль текущих выходных параметров СБ в выборочные моменты времени и не предусматривает непрерывного контроля системы электропитания в холе полета КА.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности контроля системы электропитания снабженного СБ КА в полете.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении точности прогнозирования выходного тока СБ на этапах планирования и реализации полета и послеполетном анализе за счет учета освещения СБ как прямым солнечным излучением, так и излучением, уходящим от Земли.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля системы энергопитания снабженного СБ КА, включающем измерение тока СБ и параметров углового положения СБ, определение параметров эффективности СБ и контроль системы энергопитания по результатам сравнения измеренных и расчетных значений тока СБ, дополнительно на интервале измерения тока СБ определяют расстояние от Земли до Солнца, производят поворот СБ до положения, при котором нормаль к рабочей поверхности СБ составляет с направлением в надир угол менее Q+ƒ_sb, где

Q - угол полураствора видимого с КА диска Земли,

ƒ_sb - угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ,

и производят съемку Земли в видимом спектральном диапазоне, по полученным измерениям яркости Земли, параметрам относительного положения съемочной аппаратуры, Земли, Солнца, СБ и КА, определенному расстоянию от Земли до Солнца и измерениям тока СБ уточняют значения параметров эффективности СБ с учетом определяемых параметров модели яркости излучения, поступающего на СБ от облаков и различных типов земной поверхности, для планируемого интервала полета прогнозируют параметры покрытия облаками участков земной поверхности, отстоящих от трассы КА на расстояние , где R_e - радиус Земли, расстояние от Земли до Солнца и параметры углового положения СБ относительно Солнца, Земли и КА, по которым прогнозируют ток СБ под воздействием излучения, поступающего от Солнца и видимых с КА облаков и участков земной поверхности, при этом при выявлении рассогласования измеренных и расчетных значений тока СБ их сравнение выполняют с учетом измеренных параметров углового положения СБ и фактических параметров покрытия облаками земной поверхности.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на чертеже, на котором представлена схема, отображающая видимую с КА поверхность Земли, угол полураствора видимого с КА диска Земли и угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ.

На чертеже введены обозначения:

K - СБ КА;

О - центр Земли;

Н- высота орбиты КА;

R_e - радиус Земли;

d - расстояние от подспутниковой точки КА до крайней точки видимой с КА поверхности Земли;

Q - угол полураствора видимого с КА диска Земли;

ƒ_sb - угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ;

N_sb - нормаль к рабочей поверхности СБ;

L - направление от СБ КА на освещенный Солнцем участок земной поверхности;

- направление на Солнце;

- нормаль к земной поверхности в освещенной Солнцем точке земной поверхности (в точке отражения);

- направление идеального отражения,

- направление от точки отражения на СБ КА.

Поясним предложенные в способе действия.

Выбор силы тока в качестве контролируемой выходной характеристики СБ вызван тем, что сила тока является переменной величиной, напрямую зависящей от состояния СБ в целом, а напряжение на СБ является достаточно стабильной величиной и определяется в основном физическими свойствами используемых для изготовления СБ фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), при этом режим работы ФЭП еще на стадии проектирования СБ задается таким образом, чтобы генерируемая мощность (как произведение силы тока и напряжения) была максимально возможной.

В предложенном техническом решении для решения поставленной задачи на интервале измерения тока СБ определяют текущее значение расстояния от Земли до Солнца, производят поворот СБ до положения, при котором нормаль к рабочей поверхности СБ составляет с направлением в надир угол менее Q+ƒ_sb, где

Q - угол полураствора видимого с КА диска Земли;

ƒ_sb - угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности СБ.

Поворот СБ в описанные положения обеспечивает поступление на рабочую поверхность СБ уходящего от Земли излучения, при этом данное излучение поступает на СБ КА при таких углах с нормалью к рабочей поверхности СБ, при которых воздействие данного излучения на СБ приводит к генерации тока СБ.

Значение угла Q может быть выполнено по соотношению

,

где R_e - радиус Земли;

Н - высота орбиты КА.

Производят съемку Земли в видимом спектральном диапазоне.

По полученным измерениям яркости Земли, параметрам относительного положения съемочной аппаратуры, Земли, Солнца, СБ и КА (включая параметры углового положения СБ относительно Солнца, Земли и КА), определенному расстоянию от Земли до Солнца и измерениям тока СБ уточняют значения параметров эффективности СБ с учетом определяемых параметров модели яркости излучения, поступающего на СБ от облаков и различных типов земной поверхности.

Например, съемка Земли в видимом спектральном диапазоне может быть осуществлена как непосредственно с рассматриваемого КА, так и со специализированного автоматического КА (АКА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Например, на таком КА как международная космическая станция (МКС) съемка может быть осуществлена с помощью имеющейся на российском сегменте МКС научной аппаратуры: «Система оптических телескопов» (включает установленные на двухосной платформе наведения камеры высокого и среднего разрешения), «Фотоспектральная система», «Видеоспектральная система» (ручная аппаратура, размещенная внутри PC МКС) (Беляев М.Ю., Рязанцев В.В., Сармин Э.Э., Десинов Л.В., Малышев В.Б., Беляев Б.И. Использование научной аппаратуры «Фотоспектральная система» в эксперименте «Ураган» // Труды XLIV Чтений памяти К.Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». Казань. Центр оперативной печати. 2010. С. 51-59) и др. Также съемка может быть осуществлена с АКА системы Meteosat, снабженного спектральной аппаратурой SEVIRI, измеряющей энергетическую яркость подстилающей поверхности, в том числе в видимом спектральном диапазоне (MSG Level 1.5 Image Data Format Description. EUMETSAT. 2013).

При моделировании уходящего от Земли излучения может быть использована модель рассеянного/отраженного излучения системы «атмосфера - подстилающая поверхность», составленная из двух компонент - диффузной и зеркальной. Для расчета диффузной компоненты может быть применено Ламбертово приближение, для расчета зеркальной компоненты - закон Фонга (Д. Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики = Procedural Elements for Computer Graphics. - M.: Мир, 1989; Bui Tuong Phong, Illumination of Computer-Generated Images, Department of Computer Science, University of Utah, UTEC-CSs-73-129, July 1973; Bui Tuong Phong, "Illumination for Computer Generated Pictures," Comm. ACM, Vol 18(6): 311-317, June 1975). Параметрами указанной модели являются коэффициенты диффузного и зеркального отражения и коэффициент блеска, определенные как функции географических координат, и интенсивность поля отраженного излучения определяется выражением:

,

где - направление на Солнце,

- нормаль к земной поверхности в точке отражения,

- направление идеального отражения,

- направление от точки отражения на СБ КА,

K_d, K_m - коэффициенты диффузного и зеркального отражения в точке отражения,

α - коэффициент резкости бликов зеркальной компоненты,

В - внеатмосферная интенсивность солнечной радиации.

На основании полученных измерений яркости Земли может быть осуществлен расчет параметров эффективности СБ и параметров модели рассеяния/отражения системы «атмосфера - подстилающая поверхность», при которых минимизируется рассогласование модельных значений тока СБ относительно фактических значений тока СБ.

Задача минимизации данной целевой функции решается, например, методом наименьших квадратов, при этом расчет указанных параметров по указанным измерениям сводится к минимизации функционала

,

где T_k - измерения тока СБ;

- модель генерации тока СБ под воздействием прямого солнечного излучения и рассеянного/отраженного излучения системы «атмосфера - подстилающая поверхность»;

, t_k - вектор параметров, включающий полученные измерения яркости Земли и параметры взаимного положения СБ, съемочной аппаратуры, Земли, Солнца, КА на моменты t_k измерений тока СБ;

- вектор определяемых параметров, включающий, в том числе, коэффициенты диффузного и зеркального отражения K_d, K_m и коэффициент резкости бликов зеркальной компоненты α для заданных типов элементов системы «атмосфера - подстилающая поверхность» и коэффициент эффективности фотопреобразователей СБ K_s.

При расчете освещения СБ учитывают отклонения текущего значения внеатмосферной интенсивности солнечной радиации от номинального (среднего) значения (данное отклонение возникает вследствие эллиптичности орбиты Земли при ее движении вокруг Солнца). Например, можно считать, что текущее значение внеатмосферной интенсивности солнечной радиации с достаточной степенью точности обратно пропорционально значению расстояния от Земли до Солнца (Макарова Е.А., Харитонов А.В. Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная. М., 1972; Поток энергии Солнца и его изменения / Под ред. О. Уайта, пер. с англ., М., 1980; Кмито А.А., Скляров Ю.А. Пиргелиометрия. Л.)

,

где В_ср, В_тек - фиксированное номинальное (среднее) и текущее значения внеатмосферной интенсивности солнечной радиации соответственно;

D_cp, D_тeк - фиксированное номинальное (среднее) и текущее значения расстояния от Земли до Солнца.

Далее на этапе планирования для планируемого интервала полета прогнозируют параметры покрытия облаками участков земной поверхности, отстоящих от трассы КА на расстояние d (расстояние от подспутниковой точки КА до крайней точки видимой с КА поверхности Земли), определяемое по формуле

прогнозируют расстояние от Земли до Солнца, прогнозируют параметры углового положения СБ относительно Солнца, Земли и КА.

Соотношение (1) соответствует тому, что участки земной поверхности, отстоящие от трассы КА на указанное расстояние d, составляют видимую с КА подстилающую поверхность Земли (чертеж).

Параметры покрытия облаками земной поверхности описывают степень покрытия участков земной поверхности облаками при виде поверхности Земли из космоса. Параметры (степень) покрытия облаками земной поверхности рассчитывают, например, по карте прогнозируемой облачности вдоль трассы полета КА.

По указанным параметрам с использованием модели яркости излучения, поступающего на СБ от облаков и различных типов земной поверхности, прогнозируют ток СБ под воздействием излучения, поступающего на СБ от Солнца и видимых с КА элементов системы «атмосфера - подстилающая поверхность» (видимых с КА облаков и участков различных типов земной поверхности).

Далее в ходе реализации запланированного интервала полета осуществляют измерение тока СБ и параметров углового положения СБ относительно Солнца, Земли и КА, сравнивают измеренные и прогнозируемые (расчетные) значения тока СБ и по результатам данного сравнения осуществляют контроль системы электропитания КА.

В процессе данного контроля выявляют рассогласования между измеренными значениями тока СБ и их расчетными значениями.

При выявлении рассогласования между упомянутыми измеренными и прогнозируемыми значениями тока СБ для выявления и анализа причин такого рассогласования осуществляется сравнение измеренных значений тока СБ с их расчетными модельными значениями, определенными с учетом измеренных фактических значений параметров углового положения СБ относительно Солнца, Земли и КА, а также фактических параметров покрытия облаками видимой с КА земной поверхности - участков земной поверхности, отстоящих от трассы КА на расстояние d (фактические параметры покрытия облаками видимой с КА земной поверхности определяются по съемкам Земли с КА, например, с метеорологических АКА и АКА ДЗЗ).

Например, наличие или отсутствие нарушений работы системы электропитания КА может диагностироваться в случае, если по результатам сравнения измеренных значений тока СБ с последними упомянутыми расчетными модельными значениями тока СБ, определенными с учетом фактических значений указанных параметров, соответственно выявляется или не выявляется рассогласование между сравниваемыми значениями тока СБ.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность прогнозирования выходного тока СБ на этапах планирования и реализации полета и послеполетном анализе за счет учета освещения СБ как прямым солнечным излучением, так и излучением, уходящим от Земли.

Контроль системы электропитания включает прогнозирование генерации тока СБ на этапе планирования полета (на этом этапе осуществляется составление такой циклограммы выполнения полетных операций и работы бортовой аппаратуры, при которой обеспечивается необходимая генерация тока СБ непрерывно в течение планируемых витков полета), проверку необходимой генерации тока СБ в непрерывном процессе реализации полета и выявление и анализ выявленных рассогласований между измеренными значениями тока СБ и их расчетными (модельными) значениями, осуществляемые на послеполетном этапе.

Рассогласования между измеренными значениями тока СБ и их прогнозируемыми значениями могут появляться вследствие как нарушения штатной работы непосредственно СБ и/или других элементов системы электроснабжения КА (данные нарушения могут быть вызваны, например, воздействием на СБ факторов открытого космического пространства, что приводит к их постепенной «деградации»), так и отклонениями, нарушениями, изменениями циклограмм работы других систем КА (например, системы ориентации КА) относительно запланированных.

В случае выявления рассогласований между измеренными значениями тока СБ и их прогнозируемыми значениями для анализа причин такого рассогласования осуществляется сравнение измеренных значений тока СБ с их расчетными модельными значениями, определенными с учетом измеренных фактических значений параметров углового положения СБ относительно Солнца, Земли и КА, а также фактических параметров покрытия облаками видимой с КА земной поверхности.

По результатам данного сравнения измеренных значений тока СБ с их расчетными модельными значениями, определенными с учетом измеренных фактических значений параметров углового положения СБ и фактических параметров покрытия облаками видимой с КА земной поверхности, наличие нарушений работы системы электропитания КА может диагностироваться в случае, если по результатам данного (повторного) сравнения измеренных значений тока СБ с их расчетными (модельными) значениями рассогласование между сравниваемыми значениями тока СБ продолжает выявляться, а отсутствие нарушений работы системы электропитания КА может диагностироваться в случае, если по результатам данного (повторного) сравнения измеренных значений тока СБ с их расчетными (модельными) значениями рассогласование между сравниваемыми значениями тока СБ не выявляется.

Учет освещения СБ как прямым солнечным излучением, так излучением, уходящим от Земли, позволяет увеличить как точность прогнозирования генерации тока СБ на стадии планирования полета, так и точность модельного расчета тока СБ на стадии послеполетного анализа. Это позволяет, с одной стороны, максимально уменьшить возможное рассогласование между измеренными значениями тока СБ и их прогнозируемыми значениями в случае, если реализация полета идет в соответствии с запланированной циклограммой, и, с другой стороны, максимально точно выявлять рассогласования между измеренными значениями тока СБ и их прогнозируемыми значениями и максимально информативно выполнять анализ выявленных рассогласований в случае, если реализация полета отклоняется от запланированной циклограммы.

Таким образом, получаемый технический эффект повышает эффективность контроля системы электропитания КА.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.

Изобретение относится к системе энергопитания космического аппарата (КА) с солнечными батареями (СБ). Способ включает измерение тока и параметров углового положения СБ. При измерении тока СБ определяют расстояние от Земли до Солнца и поворачивают нормаль к рабочей поверхности СБ до угла Q+ƒ_sb с направлением в надир, где Q и ƒ_sb – углы полураствора видимого с КА диска Земли и зоны чувствительности рабочей поверхности СБ. Производят съемку Земли в видимом спектре. По измеренной яркости Земли, параметрам относительного положения съемочной аппаратуры, Земли, Солнца, СБ и КА, расстоянию от Земли до Солнца и измеренному току СБ уточняют значения параметров эффективности СБ. При этом учитывают для планируемого интервала полета покрытие облаками и различные типы участков земной поверхности, отстоящих от трассы КА на расстояние, зависящее от угла Q. Прогнозируют ток СБ с учетом прогнозируемых расстояния от Земли до Солнца, углового положения СБ и видимых с КА облаков и указанных участков поверхности. Технический результат состоит в повышении точности прогнозирования выходного тока СБ при учете освещения СБ со стороны Земли. 1 ил.

Способ контроля системы энергопитания снабженного солнечными батареями космического аппарата, включающий измерение тока солнечной батареи и параметров углового положения солнечной батареи, определение параметров эффективности солнечной батареи и контроль системы энергопитания по результатам сравнения измеренных и расчетных значений тока солнечной батареи, отличающийся тем, что дополнительно на интервале измерения тока солнечной батареи определяют расстояние от Земли до Солнца, производят поворот солнечной батареи до положения, при котором нормаль к рабочей поверхности солнечной батареи составляет с направлением в надир угол менее Q+ƒ_sb,

где Q - угол полураствора видимого с космического аппарата диска Земли,

ƒ_sb - угол полураствора зоны чувствительности рабочей поверхности солнечной батареи,

и производят съемку Земли в видимом спектральном диапазоне, по полученным измерениям яркости Земли, параметрам относительного положения съемочной аппаратуры, Земли, Солнца, солнечной батареи и космического аппарата, определенному расстоянию от Земли до Солнца и измерениям тока солнечной батареи уточняют значения параметров эффективности солнечной батареи с учетом определяемых параметров модели яркости излучения, поступающего на солнечную батарею от облаков и различных типов земной поверхности, для планируемого интервала полета прогнозируют параметры покрытия облаками участков земной поверхности, отстоящих от трассы космического аппарата на расстояние , где R_e - радиус Земли, прогнозируют расстояние от Земли до Солнца и параметры углового положения солнечной батареи относительно Солнца, Земли и космического аппарата, по которым прогнозируют ток солнечной батареи под воздействием излучения, поступающего от Солнца и видимых с космического аппарата облаков и участков земной поверхности, при этом при выявлении рассогласования измеренных и расчетных значений тока солнечной батареи их сравнение выполняют с учетом измеренных параметров углового положения солнечной батареи и фактических параметров покрытия облаками земной поверхности.