空間飛行器在軌自主能源管理系統設計

張 翔，楊友超，趙 巖，蔡斐華，姜 爽

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

隨著我國空間運輸和深空探測等應用日益擴展，在軌飛行器電氣系統呈現出任務復雜化和載荷多樣化的發展趨勢。在民用航天領域、遙感、通信等方面逐漸形成全天候、全天時、穩定運行的對地觀測和通信平臺；在空間運輸領域，將開展天地往返技術的探索；在深空探測領域，持續推進載人登月、火星、太陽系行星等探測活動[1-2]。能源系統為飛行器儀器、機電設備、火工品等負載提供電能，作為飛行器的“心臟”，不僅直接關系到電氣系統功能的實現，還嚴重影響飛行任務成敗。為適應我國未來空間飛行器任務需求，能源系統主要面臨高效智能、長壽命、高可靠等難題，推動了系統設計向智能化和自主安全管理等方向的發展。

本文針對長期在軌飛行器能源系統自主管理的現實需求和研究現狀分析，提出了自主管理的實現流程，從能源高效利用管理、能量平衡管理、故障隔離與重構管理三個關鍵環節，簡要介紹了系統實現的方案和實驗情況，驗證系統狀態監測和故障時重構的能力，滿足無地面操控情況下的長時間自主安全運行需要。

1 需求分析

根據空間飛行器實際應用，能源管理的基本目標是保障飛行器任務全任務周期用電滿足要求。為提高能源系統保障能力，具體需求如下：

(1)能源高效利用策略管理

對空間飛行器能源系統性能進行預計，評估系統供電能力，合理調配剩余能量和充放電策略，給出優化能源配置決策，使能源系統工作在最優狀態，延長使用壽命。

(2)能量平衡管理

根據任務需求實現能源供給與負載需求的動態平衡，結合負載優先級列表，實現能源動態分配和負載切換，實現不同任務模式下的能量動態調配。

(3)故障隔離與重構管理

基于能源系統中觀測點實時采集結果，評估系統健康狀態，及時發現故障，并實施故障定位和隔離，在適當時機實施重構，保障飛行器長期在軌安全。

2 研究現狀

空間飛行器能源管理系統(PMAD)最早由NASA 研究機構提出，通過能源供給與負載需求的動態管理，解決內部故障或外部干擾導致的能量不平衡問題，確保整個飛行器安全可靠運行[3]。目前已在國際空間站、重返月球計劃和“羅塞塔”號無人飛船等多個任務中得到應用。歐空局在“地平線2000”計劃中研制的XMM(X-ray Multi-Mirror Mission)-Newton 具有在軌自主管理能力，實現供配電系統故障診斷和恢復、蓄電池自動充放電和載荷優先級管理等功能。國內相關研究工作開展的較晚，主要針對空間站、天宮一號和載人飛船組合體，開展能源管理系統架構、功能層次及面向空間站構型的功率調配設計，實現了能源統一控制、故障預測、隔離及重構[4-5]。

通過對飛行器能源管理技術領域實施知識獲取，共搜集到127 件專利，100 余篇科技文獻。從申請區域圖1 看出，美國是該技術領域最活躍的地區，得益于美國大量的航空航天公司，創新主體帶來了大量的科研成果；俄羅斯主要集中在能量平衡技術領域；我國主要集中在故障檢測與重構技術領域。從能源管理技術構成圖2 看出，能量平衡、能量管理和故障隔離與重構技術專利申請量基本持平。

圖1 能源管理專利區域分析圖

圖2 能源管理專利技術構成分析圖

管理策略技術，從1980 年開始至今申請量比較均勻，主要來自于美國，與相關概念起源于美國，其多個主要的研發單位都在該領域投入較大的科研力量有關，但近幾年能源管理策略有所下降，與相關技術進入工程研制的進展一致。

能量平衡技術，在2005 年之前申請量較少，隨后開始進入專利申請高峰，且申請人分布較廣，說明該時間段能量平衡技術是研發的熱點，研發投入大，研發成果多；近幾年該領域仍然保持較高的專利申請量，說明未來能量平衡技術仍然是該領域的研究熱點。

故障隔離與重構技術，一直保持有專利申請，總量并不大，但是申請量連續性比較好，說明該技術一直是能源管理領域不可或缺的技術之一。我國在該領域近幾年專利逐漸上升，未來仍有相當一部分的科研力量投入到該領域當中。

3 能源自主管理

為實現空間飛行器在軌能源自主管理，強調減少對測控資源、地面人員的需求，“以天為主，以地為輔”。一方面基于各部件、分系統的狀態參數，通過數學建模和數據處理等方法，對系統安全性和健康狀態進行評估，直接回傳決策參考信息；一方面當發生嚴重故障時，能夠第一時間定位故障根源，并根據不同工作模式及時實施能源動態、優化分配與管理，確保故障不蔓延，危害整個飛行器。

空間飛行器典型能源系統包括太陽電池陣、電源控制設備、蓄電池組、配電單元等，具備能源產生、能量存儲、電源控制和分配、狀態監測和故障診斷的能力，能夠在飛行器上任務管理的參與下實現器上自主管理。實現流程如圖3 所示，具體如下：

圖3 在軌能源自主管理流程圖

(1)任務規劃為頂層目標，由飛行器上任務管理系統實施，其中包含能源計劃、任務時序和故障模式等信息；

(2)任務時序、能源計劃是基礎，針對不同的任務，調用不同的時序列表和能源需求矩陣，形成特定任務的負載優先級和能源計劃，供能源利用管理使用；

(3)根據系統FME(C)A 故障模式和測試性模型，建立系統參數與故障傳遞關系圖，將故障模式和傳遞路徑提供給能源利用管理；

(4)能源利用管理是核心，綜合能源計劃、負載優先級和故障模式等信息，實現動態規劃和調度管理。當能源供給充足時，按負載優先級開啟負載，根據系統狀態參數合理規劃，提高能源利用率；

(5)能源平衡管理實時開展能量平衡預計，當能源產生條件變差或存儲能源不足等情況發生時，發送請求到能源利用管理，經負載優先級的調度決策后，將策略回傳，實現部分負載斷電，保證關鍵任務負載的能源供給，實現相對低功耗下的能源平衡；

(6)能源利用管理實時開展系統性能及壽命預計，當故障發生時，發送請求到能源利用管理，經故障決策后，將決策指令回傳，實現故障負載斷電，保證其他正常負載的能源供給或系統重構。

4 設計與實現

4.1 能源高效利用管理策略

能源利用管理能夠綜合能源計劃、負載優先級、系統故障關系和信息、能源狀態和預測等多方面信息，其根本目標為在有限輸出下，將任務、能量和負載密切相連，通過精細化設計實施負載動態配置，保證能源供給的可靠性同時，提高能源利用率。其中，典型能源計劃和優先級如表1 所示，依照各任務時序可明確負載功率需求和優先級排序，可供能源利用輸出調度策略，實現能源平衡管理。

表1 典型任務能源計劃和優先級列表

按飛行任務配置不同的負載優先級，可根據實施階段動態調整，根據重要程度和冗余情況可分為I～V 類，具體如下：

(1) I 類關鍵設備，影響飛行任務成敗，關鍵等級最高，但無冗余；

(2)II 類關鍵設備，影響飛行任務成敗，有冗余；

(3)III 類非關鍵設備，影響部分飛行功能，無冗余；

(4)IV 類非關鍵設備，影響部分飛行功能，有冗余；

(5)V 類非關鍵設備，在當前任務段為無任務。

借助商業測試性建模與分析系統(TMAS)工具軟件，建立典型能源系統測試性模型如圖4 所示，以圖形化的方式描述各層級信號流、故障模式和觀測點等信息[4]。能源系統運行過程中，原位實時監測系統狀態和判斷，若觸發故障判據，將傳遞故障信息到能源利用管理。

圖4 典型能源系統測試性模型

通過測試性模型的建立，將各單機故障模式、傳遞路徑和測試方法及判據有效結合，有利于系統優化設計，主要表現在以下幾個方面：

(1)形成故障管理圖，形成故障隔離與重構管理的基礎；

(2)開展多篩選、多模式、多層次測試性分析，對系統多模糊度故障檢測率、故障隔離率等指標計算；

(3)優化系統測試點設置，提升系統故障檢測指標；

(4)建立壽命管理架構，為能源系統在軌壽命預測和容量評估提供可能。

4.2 能量平衡管理

能量平衡管理關鍵在于確保太陽電池產生能量、蓄電池組存儲能量與負載消耗能量之間的供需平衡關系。從原理上看，太陽電池能源不夠時，太陽電池和蓄電池組聯合為負載供電；太陽電池多余電能為蓄電池組充滿后，通過分流電路耗散。因此，系統能源平衡可以簡化分析對象為蓄電池組容量，進行多輸入輸出參數仿真，仿真模型如圖5 所示。

圖5 中，Q0為初始容量；Qg為電池組保護容量下限；Qr為充電容量，與太陽電池轉換效率、面積、光照時長、充電效率等參數相關；Qc為放電容量，與放電效率、負載功率和供電時長等參數相關。

圖5 能源平衡原理模型

能源平衡仿真給出以下場景的能量趨勢：

(1)當前電池容量為Qt=Q0+ΔQ，當判斷電池組充滿時，自動啟動分流電流；當Q≤Qg時，采取過放保護措施，待容量再次高于Qg后，恢復正常工作；

(2)容量變化ΔQ＝Qr-Qc，飛行一圈過程中，如果ΔQ≥0，為單圈(當圈)平衡；某任務在多圈過程中完成，然后可充電維護，只要結束時刻Qt不低于Qg，即為多圈能源平衡；

(3)當連續多圈內ΔQ≤0 時，應發出警告，適時采取措施，減小Qc，避免觸發Qg保護。

4.3 故障隔離與重構管理

故障隔離與重構管理以故障管理為主線，分別建立系統級、單機級和部件級三個層次間的故障診斷結構，如圖6 所示。其中，系統級作為狀態管理和信息匯集中心，完成不同單機間狀態信息的融合，綜合相互影響診斷分析，具備評估整個系統能源狀態和預測信息的能力；單機級實現內部信息的整合，具備總線接口實現信息交互，為系統故障預測、輔助決策和維修保障提供數據和硬件基礎，還可實施能源調度策略和重構；部件級故障診斷根據各模塊特點設置系統觀測點，實現故障可觀測，并形成故障數據信息，供單機級故障診斷綜合分析評估使用[6]。

圖6 故障診斷層次結構

依據上述層次結構，將復雜的能源系統故障診斷任務分為若干個子任務，分別由不同的Agent 完成，利用其自主性、協調性、自組織、自學習和自推理等能力，提高故障診斷問題求解效率，提高系統的可靠性。研制地面能源管理技術驗證系統，以時序觸發和指令觸發為條件，設置觀測點及其判據，識別系統狀態信息，通過推理機定位到可能的故障模式，并將故障信息上傳到模擬能源利用管理的上位機，由上位機進行故障決策后，生成指令控制供配電鏈路進行重構，實現多通道能源的自主精細化管理及任務保障能力的驗證。

典型故障觸發結果輸出如下：

@@故障9028 發生，故障名稱 設備1 B1 支路電流IXXX數據異常，故障判讀使能1，發生時間14:55:47；

故障相關參數[0]，參數名稱B1 支路母線電壓，參數代號Uxxx，參數值26.957 264，參數值下限25.000 000，參數值上限31.000 000。

可能故障模式：(1)負載1 或2 短路；(2)IXX數據采集異常；(3)IXX觀測點異常。

決策與建議：(1)B1 支路斷電2 s 后重上電；(2)B1 支路斷電，啟用B1 備支路。

5 結論

通過能源高效利用管理、能量平衡管理、故障隔離與重構管理三項關鍵技術的實現，初步驗證了任務周期內能源自主管理功能，解決了長期在軌飛行器能源系統智能配置和精細化管理問題。后續重點工作為研制軟硬件工程化產品，提高相關技術成熟度，導入信息融合、人工智能等技術提高決策速率和診斷準確度，全面提升系統性能。飛行器自主能源管理可優化空間飛行器能源配置，使系統工作在最優狀態，提高自主生存能力，從而延長航天器使用壽命，可為后續空間運輸和深空探測領域的工程實現和應用提供有益參考。