基于太陽方陣模擬器和母線紋波測試儀的載人航天器進出影測試

張福生，孟憲會，翟筱羿

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

基于太陽方陣模擬器和母線紋波測試儀的載人航天器進出影測試

張福生，孟憲會，翟筱羿

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

為分析載人航天器在軌時地影區和陽照區轉換過程中的母線電壓，研究內電和外電間過度過程中船上設備供電兼容性，提出一種航天器地面測試階段對其進出影過程供電特性模擬和監測的方法。實驗結果表明：基于太陽方陣模擬器和母線紋波測試儀的進出影測試系統可實現對進出影供電狀況模擬，不同負載工況下的母線波動具有可區分的響應特征，對任務期間在軌工況設計、設備供電兼容性設計有反饋作用。該方法已成功應用于神舟十號的測試任務，為在軌任務順利實施提供有效保障。

載人航天器；太陽方陣模擬器；紋波測試儀；進出影測試

0　引　言

隨著航天科技的進步，我國載人航天器的綜合測試工作向精細化、標準化、智能化方向不斷發展。綜合測試對航天器功能和系統設計有著重要反饋作用，因此測試技術水平一定程度上決定了型號的整體水平[1-2]。

進影和出影是航天器在軌所必經的工況，在陰影區和陽照區分別由電池組和太陽帆板為船上設備供電，簡稱內、外電供電[3]。母線電壓在內電和外電的切換過程中存在過渡過程，過度超調會對船上設備供電造成不利影響，在地面測試階段對進出影過程供電特性有效模擬和對母線電壓監測具有重要意義[4-5]。

國內外在太陽方陣的模擬上多使用線性電源組合形式，而控制系統則經歷了商用計算機、單片機、工控機的換代過程，技術較成熟的單位有中電十八所、安捷倫、Amtek等[5]。傳統母線品質測量使用示波器，將航天器母線接入示波器進行人工判讀。轉接電纜在測試中產生天線效應，會引入較多的高頻噪聲，此外人工操作和數據讀取存在主觀性。

本文提出的載人航天器進出影測試方法，使用太陽方陣模擬器（solar array simulator，SAS）模擬太陽翼對航天器進行供電[5]，通過母線紋波測試儀自動連續獲取母線電壓數據，實現模擬在軌工況下各開機設備的兼容性分析，對設備間供電兼容性、在軌工況設計形成有效反饋。

1　測試系統及原理

1.1總體架構

進出影測試系統是綜合測試系統中的一個重要功能系統，主要由上位機、SAS、母線紋波測試儀及專用電纜組成。其中，左、右翼SAS分別通過分流調節器與航天器相連，形成供電充電通路；母線紋波測試儀通過專用電纜接入航天器母線，形成測量通路；上位機集成控制軟件對SAS、紋波測試儀等設備進行參數加載與控制，并實現供配電設備與綜合測試總控間的數據交互，系統構成示意圖如圖1所示。

圖1　進出影測試系統結構示意圖

1.2太陽方陣模擬器

太陽方陣模擬器在進出影測試期間模擬在軌期間太陽電池陣的電輸出特性，從而對航天器進行供電和充電，包括左翼SAS、右翼SAS兩部分，其輸出端分別與航天器左右翼分流調節器相連。系統選用Amtek公司的太陽方陣模擬設備，每翼SAS由主機柜和從機柜組成，其中主機柜內包含一臺工控機和16個快速分析電流源（fast profiling current source，FPCS）模塊，從機柜包含20個FPCS模塊，左翼SAS和右翼SAS結構相同，兩翼共由72通路FPCS模塊組成[6]。FPCS模塊可根據航天器功率進行靈活配置，并通過工控機中的WinSAS軟件進行參數設置與本地控制，也可通過上位機進行遠程集中控制。

Amtek公司的SAS設備具有精度高、響應速度快、擴展性好、通道隔離度高等特點[7]。SAS除常規工作模式（對航天器進行供電和充電），還具有開關模式、自旋模式和進出影模式3個工作模式。其中，進出影模式的各電源模塊同步性好，響應速度快，為微秒級，可以滿足航天器在內外電切換過程的指標要求。

1.3母線紋波測試儀

母線紋波測試儀用于對載人航天器供電母線的狀態進行監視，在載人航天器系統測試階段測量其供電母線的紋波大小和長時間監視供電母線的工作狀態，實現測量工作的遠程自動化執行、測量結果監聽和測量報告自動生成等功能，釋放母線紋波測量工作中占用的人力、時間和測量工具，并為一次電源母線的供電品質分析提供可靠有效的原始數據。其主要功能模塊包括紋波波形采集、數據壓縮、數據存儲、實時顯示、數據遠程傳輸接收、數據回放和數據報表打印等。

母線紋波測試儀由隔離衰減模塊、通道選通模塊、高速采集模塊及母線接口電纜組成。通道轉換器可實現3個不同艙段母線電壓的分時監視，通過軟件進行測點信號切換；衰減器實現信號調壓變換并匹配阻抗；高速采集模塊采用了PXI構架解決方案，配置了PXI機箱、嵌入式控制器和示波器卡進行數據采集、存儲與處理，系統采樣率可調，最高為1.4MS/s；在機箱供電方面選用線性直流電源進行隔離，其硬件構成如圖2所示。

圖2　母線紋波測量設備結構圖

母線紋波測量設備軟件具有定時及手動控制模式、長時間連續采集模式兩種工作模式，其主體采用NI公司的LabVIEW 8.2進行開發[8]，由于軟件運行時需要實時進行數據壓縮，壓縮算法采用VC++6.0開發以提高執行效率，通過動態鏈接庫由LabVIEW進行調用，而數據的采集、顯示、存儲、回放等通過LabVIEW開發實現。

2　測試過程

2.1進出影曲線設計

進出影曲線設計是對在軌供電工況進行有效模擬的關鍵，依據在軌數據和仿真數據來確定，分為功率和時間兩個維度，由功率曲線和分段設置分別進行表征。功率曲線參數包括Curve-Voc-Isc-Rs-N，分別代表曲線標號、開路電壓、短路電流、電壓模式斜率、電流模式斜率；分段設置則規定了每段功率曲線在進影和出影過程中的持續時間。

2.2數據記錄與回放

母線紋波測試儀與航天器連接后，通過軟件選擇監測艙段，一般為主電源所在的推進艙；將高速數字化儀設置成AC耦合方式、量程10 Vp-p；根據需求設定采樣頻率，典型值為200kS/s；然后啟動自動數據采集系統進行數據記錄。

進出影測試期間，航天器依據飛行程序進行在軌工況不同設備工作組合的設置，負載狀態可由整船功率表征，同時SAS模擬太陽電池陣按進出影曲線設置周期進行地影區和陽照區的供電切換。在陽照區由SAS輸出為整船供電，為電池組充電；進入影區，SAS按曲線逐步降低輸出電壓，當低于電池組電壓時，整船由電池組內電供電。紋波測試儀記錄并存儲母線電壓波動情況，對每1s數據波形和峰峰值特征進行實時顯示，同時支持數據回放，便于特征波形的分析和處理。

3　測試結果

圖3為一組應用SAS和母線紋波測試儀進行進出影測試的母線電壓過渡過程示意，研究采樣點序和母線電壓之間的關系。研究發現由于感性、容性負

載的存在，出影和進影過程母線電壓表現出一定的振蕩過渡，可分析極值電壓是否滿足負載供電需求；不同負載狀態下，過渡過程在過渡時間和波動幅值上具有差異性，可定量分析不同負載間的兼容匹配性，為任務設定提供輸入。

4　結束語

本文提出了一種基于SAS和母線紋波測試儀的進出影測試方法，可對航天器在軌進出影工況下供電進行有效模擬，并連續、高速記錄母線電壓變化情況。相對于基于示波器的測量方法，在測試安全性、自動化程度、數據分析上有著明顯優勢。該方法是對航天器無線信道測量的有益補充，對載人航天器設備間供電兼容性設計、在軌工況設計有一定促進作用。

[1]張洪光.航天器供配電測試設備硬件模塊化、軟件配置化設計思路[J].航天器工程，2010，19（1）：72-76.

[2]李廷中，王蓓蓓，周新順.航天器電源系統大功率智能配電技術[J].航天器環境工程，2011，28（6）：511-515.

[3]褚桂柏.航天技術概論[M].北京：航天工業出版社，2002：78-91.

[4]于磊，任筱強，李志勇，等.航天器能源系統方案設計[J].電源技術，2013（10）：22-28.

[5]王永謙，胡其正，韓國經.衛星電源系統的母線性能分析[J].中國空間科學技術，2000（4）：22-28.

[6]王倩.太陽方陣模擬器的單片機測控系統設計[C]∥中國宇航學會空間能源學術年會論文集，2002：280-286.

[7]孫毅，羅震.太陽方陣模擬器電源測試方法研究[J].宇航計測技術，2012，32（6）：67-71.

[8]張福生，劉武通，李鴻飛.高壓大功率載人航天器地面供配電系統設計 [C]∥第二屆載人航天學術大會論文集，2012：839-843.

Eclipse response test of manned spacecraft based on SAS and power supply bus ripple measuring instrument

ZHANG Fu-sheng，MENG Xian-hui，ZHAI Xiao-yi
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Inordertoanalyzethepowersupplyperformanceandmakethepowersupply compatibility design of manned spacecraft across sun area and eclipse area，a ground test method to simulate the on-orbit power supply and monitor the power supply bus is put forward.The experiment results show that the test system based on solar array simulator（SAS）and power supply bus ripple measuring instrument（RMI）could monitor on-orbit power supply of sun-eclipse process in ground test process，record and analysis the power bus ripple with high-speed，and make a strong feedback on the on-orbit mission design and equipment power supply compatibility design.This system has been successfully used in SHEN-ZHOU manned spacecraft test process and ensures the on-orbit application.

manned aircraft；SAS；RMI；eclipse response test

V411.8；TN911；TP274；TP212

：A

：1674-5124（2014)06-0068-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.018

2014-04-28；

：2014-06-16

張福生（1983-），男，吉林通化市人，工程師，主要從事載人航天器地面測試及設備研制和綜合測試工作。