Galileo導航衛星電源技術概述

崔 波 曾 毅 張曉峰

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

繼美國的GPS 衛星導航系統和俄羅斯的G LONASS 衛星導航系統之后,歐洲各國正在合作研制伽利略(Galileo)全球衛星導航系統。截至目前,Galileo系統已經分別于2005年12月和2008年4月發射了在軌驗證系統的兩顆試驗衛星——GIOVE-A和GIOVE-B,并正在研制第三顆試驗衛星。作為起步較晚的全球衛星導航系統,Galileo系統的研制起點也較高,運用了一系列當前衛星的最新技術成果,如電源技術等。

本文對Galileo 試驗衛星的電源技術進行了調研分析,可作為我國導航衛星電源技術發展的參考。

2 Galileo 試驗衛星平臺概述

為節約成本,縮短驗證周期,Galileo 的兩顆試驗衛星都選擇了成熟的衛星平臺,其中GIOVE-A使用的是薩瑞公司的G EM INI(GEostationary M IN Isatellite)平臺[1],GIOVE-B 選擇的是法國國家空間研究中心(CNES)的多任務平臺PRO

T EUS[2]。

2.1 GIOVE-A衛星平臺

2003年7月,歐洲航天局(ESA)與英國薩瑞衛星技術有限公司(SSTL)簽訂了研制第一顆在軌試驗衛星GIOVE-A的合同。這顆衛星的主要任務是確保伽利略系統的衛星信號頻率,探測MEO 軌道空間環境,評估有效載荷的關鍵技術并對導航信號進行初步試驗。這顆衛星的研制和發射也在衛星任務分析、產品制造、裝配、總裝與測試(AIT)、發射和在軌測試等多方面為伽利略系統的建造積累經驗。

衛星采用的薩瑞公司的GEO 軌道小衛星平臺GEM INI,如圖1所示。該平臺將小衛星低成本、短周期的優點應用至MEO 軌道衛星,成功拓展了小衛星的應用領域。

圖1 GEMINI 平臺展開圖Fig.1 Platform GEM INI

衛星采用模塊化的思想進行研制,星載電子系統、推進系統和有效載荷三個部分分別研制和AIT ,僅在最后階段才組合到一起[2]。

衛星電源系統按照模塊化思路設計,可以進行擴展,GIVOE 實際功率需求約700W 左右,起飛重量約649kg。蓄電池采用了AEA技術公司的鋰離子蓄電池,太陽電池陣由荷蘭的Dutch Space 公司研制,如圖2所示。

圖2 GIOVE-A衛星Fig.2 Satellite GIOVE-A

2.2 GIOVE-B 衛星平臺

GIOVE-B 衛星采用的是CNES的多任務平臺PRO TEUS,它是根據多任務的需求,為節約衛星發射及開發成本而研制的,可以適應多種軌道、多種飛行任務的需求。

PROTE US 采用板式結構作為主承力結構,平臺呈方形,兩側對稱布置太陽電池陣。在發射方面,通過連接運載火箭上面級的方式直接入軌。衛星平臺構型如圖3所示。

圖3 PROTEUS 平臺構型Fig.3 Structure of PROTEUS platform

在應用至GIOVE-B 衛星之前,PROT EUS 平臺已經成功應用于多顆衛星,GIOVE-B 衛星的起飛重量約為523kg,整星功率約為943W,衛星外形如圖4所示。

圖4 GIOVE-B 衛星Fig.4 Satellite GIOVE-B

3 Galileo 試驗衛星電源系統

3.1 電源拓撲結構

GIOVE-A衛星電源系統采用了基于順序開關分流調節(S3R)技術的全調節母線拓撲,能夠向大功率有效載荷提供50V 的全調節供電母線,以滿足有效載荷的需求。平臺提供了一條26.5～37.8V的半調節供電母線,這是由于薩瑞公司當時的主要平臺均采用28V 母線設計,采用這樣的設計可以最大程度繼承原有的平臺設備和設計。

太陽電池陣由2個狀態一致的采用硅太陽電池片的太陽翼構成,每翼配兩塊太陽電池基板,尺寸為0.98m×1.74m。電源系統通過CAN 總線與中心計算機通信,實現遙測、遙控等功能[3]。GIOVE-A衛星的系統架構如圖5所示。

圖5 GIOVE-A衛星的系統架構Fig.5 Power system structure of GIOVE-A

由圖5可知,在光照期太陽電池陣通過S3R 調節,為載荷配電器提供50V 恒壓母線。同時充電調節器(BC R)對蓄電池進行充電,此過程中平臺母線電壓受蓄電池電壓鉗位,隨蓄電池電壓升高而變化。在地影期,載荷配電器由蓄電池經過放電調節器(BDR)升壓變換后供電,平臺配電器則由蓄電池直接供電,平臺母線電壓隨蓄電池放電變低[4]。

圖6 GIOVE-B 衛星電源系統拓撲結構Fig.6 Topology of GIOVE-B pow er system

GIOVE-B 衛星的電源采用了半調節母線的拓撲結構(見圖6),光照期太陽電池陣功率通過開關調節形成穩定的母線。在地影期,電池直接對母線放電。通過蓄電池管理單元對蓄電池進行管理,包括蓄電池的充電、放電、均衡及對單體故障的隔離。

從Galileo 兩顆試驗星的電源拓撲結構的選取可以看到,電源系統方案以繼承成熟平臺技術為主。兩顆衛星的系統集成度都較高,如GIOVE-B 衛星的配電器兼具有衛星配電、加熱器控制、火工品管理等功能。系統的自主化管理水平都較高,通過星上計算機實現了部分電源功能的自主管理。

3.2 鋰離子蓄電池的應用

GIOVE-A、GIOVE-B 均采用小衛星平臺,為減輕衛星重量,節約衛星內部空間,兩顆衛星都采用了體積更小、重量更輕的鋰離子蓄電池。

GIOVE-A采用的鋰離子蓄電池是AEA公司提供的產品[5]。該電池組采用4 組蓄電池提供60Ah 的供電能力,每組蓄電池采用1.5Ah 的單體9 串10 并構成。GIOVE-A的鋰離子蓄電池組采用如圖7所示的串并聯方式,蓄電池組如圖8所示。

圖7 GIOVE-A蓄電池組成方式Fig.7 GIOVE-ABatteries assembly type

蓄電池采用1.5Ah 的Sony 18650 小容量蓄電池,由于采用的是商用單體,因此在組裝過程中對單體進行了嚴格的篩選。采用9 節單體串聯后再并聯的方式相對每節單體均并聯也減小了并聯電池間的差異,因此AEA公司的電池在在軌應用中并沒有專門設置充電均衡措施。

AEA公司針對此類型的電池組進行的相關試驗也證明了這一特性,其采用的6 串12 并的試驗件在平均放電深度12.4%、最大放電深度30%的試驗條件下,進行了84 000次循環的模擬低軌衛星條件的壽命試驗后,大多數蓄電池單體性能均保持平衡,僅有三只單體的放電終壓相對發生了100～150mV的衰降,未發生單體開路的故障[6]。

采用9 節串聯的模式,是為了適應GIOVE-A衛星平臺的母線電壓的需求,保證平臺相關設備正常工作。由于平臺采用直接能量傳遞的方式,既保證了平臺供電的可靠性,又提高了能量傳遞的效率。

圖8 GIOVE-A蓄電池組(AEA公司)Fig.8 Batteries of GIOVE-A(AEACompany)

GIOVE-B 采用的鋰離子蓄電池是SAFT 公司的產品[7]。采用VES100 單體通過3 并9 串的方式組成81Ah 的電池組為衛星供電,平臺通過蓄電池管理單元(BEU)實現蓄電池的充放電管理及故障隔離。VES 系列鋰離子蓄電池是SAFT 公司的空間鋰離子蓄電池產品,目前主要包括VES100、VES140、VES180 三種規格,其產品參數如表1所示。

表1 SAFT VES系列鋰離子蓄電池參數Table1 Parameters of SAFT VES series lithium-ion battery

其中,VES100 系列主要應用于低軌衛星,GIVOE-B 衛星采用V ES100 應為繼承PRO TEUS平臺的結果。V ES140 目前已廣泛應用于地球靜止軌道(GEO)和中高度地球軌道(MEO)軌道衛星,通過模塊化的組合滿足了多種功率、多種電壓母線的應用需求,取得了很大的成功。VES180[8]蓄電池為SAF T 公司最新的空間用高能量密度鋰離子蓄電池,在重量和體積與VES140 幾乎完全相等的情況下,其容量達50Ah。該電池已計劃應用于Galileo的IOV 衛星。

為適應鋰離子蓄電池的應用,電源控制裝置也發生了相應的變化。如GIOVE-B 衛星就針對鋰離子蓄電池組設計了相應的均衡電路,在充電過程中檢測蓄電池單體的電壓,通過接通和斷開單體旁并聯的分流通路,控制各單體間的一致性,確保蓄電池單體間的容量均衡。

Galileo 的兩顆試驗衛星均采用了鋰離子蓄電池作為儲能裝置,這也反映了鋰離子蓄電池作為新型的空間能源逐漸取代氫鎳蓄電池的趨勢。隨著技術的進一步發展,更高能量密度的蓄電池,更智能化的電池管理方式,必將廣泛應用于包括Galileo系統在內的導航衛星。

3.3 電源系統的模塊化設計

GIOVE-A的電源分系統充分采用了模塊化的設計思想[9],其電源系統的構型如圖9所示,從圖9可以看到,該設備集成了除蓄電池、太陽電池陣以外的所有的電源系統的功能,包括S3R分流調節模塊、MEA模塊、充電調節器(BCR)、放電調節器(BDR)、平臺配電模塊(Platform PDM)、載荷配電模塊(Payload PDM)、與遙測遙控接口(TTC)、加熱器控制模塊等。所有模塊均采用190mm ×135mm ×22mm 的結構,在完成各模塊后,可以方便地通過模塊的數量調整,適應不同的應用需求。GIOVE-A衛星的各模塊如圖10所示。

圖9 GIOVE-A衛星電源系統構型Fig.9 Structure of GIOVE-Apower system

模塊化設計是整個衛星設計發展的方向,電源系統通過模塊化設計可以通過產品化的模塊滿足不同衛星的應用需求。在導航領域,針對衛星批產的特點,模塊化設計還具有降低成本、縮短研制周期、維護性好等優點。

4 結束語

GIOVE-A、GIOVE-B 肩負了Galileo 衛星的第一階段在軌技術驗證的任務,其電源系統也可以反映出歐洲導航衛星電源系統的發展趨勢。整體來看,Galileo 試驗衛星的電源系統都繼承了成熟平臺的電源技術,保證了在較短的周期完成衛星電源系統的研制。在系統設計方面,采用模塊化的設計思想,采用更為先進的鋰離子蓄電池,這也代表了導航衛星的電源技術的發展趨勢,值得國內導航衛星的電源系統借鑒。

圖10 GIOVE-A衛星電源系統功能模塊Fig.10 Function module of GIOVE-Apow er supply system

References)

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[9]Davies P,Liddle D,Paffett J.Amoudular design for papid response telecons and navigation missions[C]//2nd Responsive Space Conference,RS2-2004-3003,2004