1.3 航天器电源系统仿真需求
在进行航天器系统设计与研发时，为了检验航天器的设计方案是否达到设计目标以及满足任务需求，往往需要及时地对设计方案进行验证。根据航天器研制任务需要，利用航天器系统设计结果，通过数学仿真和半物理仿真等手段进行航天器在轨飞行过程的仿真验证，获取航天器相应的参数和数据，对设计结果进行验证和评估，及时向设计师反馈仿真结果，进行设计的修正。系统设计与仿真技术发展趋势主要体现在以下几个方面：
（1）数学模型的精确化。采用更加精确、更加逼近实际的数学模型，从而使仿真过程更加接近真实情况。
（2）设计手段虚拟化。通过对模型的虚拟化，能够让设计者更加直观地看到设计内容，灵活而方便地修改设计。
（3）集成化。将设计过程中的智力、工具、计算、数据等资源集成起来，形成一个集成的协同工作环境，实现信息和数据的无缝连接。
（4）智能化。能够提供智能化辅助决策和辅助帮助。
（5）设计与仿真一体化。
太阳电池阵-蓄电池组电源系统是目前国内外应用最为广泛的航天器电源系统。从国内外已发射或计划发射的卫星来看，电源大部分采用了太阳电池阵与蓄电池联合供电的体系。航天器电源系统的供电质量及可靠性程度直接影响着整颗卫星的性能，因此，对电源系统的性能和可靠性指标要求很高。航天器电源系统设计受到的制约因素较多，包括供电要求、工作环境、卫星总体设计因素、经济指标、可靠性指标与使用要求等。
航天器电源系统的规模和复杂度越来越大，产品研制周期逐步缩短，产品完全进行系统测试的难度也越来越大，而分系统的测试或产品的二次修改不仅浪费大量的时间，也耗费大量的资源和人力。因此，利用现代计算机仿真技术，在航天器用电负载变化的各种情况下对航天器电源系统进行仿真，模拟实际电源系统的工作状态，就可以充分了解航天器电源系统各部件工作对电源系统的影响，从而使电气技术人员可以在此平台上仿真或者测试过去必须进行现场试验的技术细节和技术更改，简化了技术修改难度，降低了劳动强度，提高了分析能力，对提前预防一些事故的发生、减少试验成本、提高试验效率具有实际应用意义。同时，也为今后合理地制定增减星载设备方案、发展更为可靠的航天器电源系统提供了可靠的理论依据。
航天器电源系统仿真主要是通过计算机对电源分系统的主要组成部分进行模拟，在对所输入的各项指标仿真的基础上，对卫星运行过程中电源系统内部各种参数的变化给予反映，形成直观的结果，以能够用来对卫星电源分系统的能量平衡情况进行评估。航天器电源系统仿真首先要建立电源系统的数学模型，同时考虑轨道、环境、姿态等诸多影响因素。
为了对航天器电源系统进行全面仿真分析与验证，需要实现构建覆盖全生命周期、全级次和全要素的仿真模型，可以从生命周期、系统层级和仿真要素三个维度进行综合考虑，如图1-11所示。
图1-11 系统仿真三维图
从生命周期维度出发，重点从航天器概念研究、方案设计、研制和在轨运行全生命周期内，采用基于模型的系统工程理念，将需求、功能、架构、产品模型在全生命周期传递。在航天器概念设计和可行性研究阶段，重点考虑对航天器电源系统关键指标体系进行迭代和权衡；在航天器方案设计阶段，重点包括电源系统拓扑架构权衡、功能与性能指标体系确定、单机指标分解与迭代优化等；在航天器研制阶段，重点包括电源系统机、电、热接口确定，单机功能性能分析，单机指标符合性分析；在航天器集成测试与试验阶段，重点对电源系统功能与性能符合性分析、电源分系统与其他分系统接口匹配性分析等；在航天器在轨测试及运营阶段，重点对电源系统功能与性能符合性分析、电源系统在轨健康状态实时监测、电源系统在轨运行状态评估与趋势预测等。
从仿真要素维度出发，重点从航天器供配电全链路、电源系统、关键单机、关键特性等方面开展仿真分析。主要包括航天器能量平衡分析、地回路分析、电源系统稳定性分析、母线瞬态特性分析、太阳电池阵发电能力分析、蓄电池组SOC和SOH估计、故障影响及容限分析等。
从系统层级维度出发，重点考虑不同层级设计与验证的重点和关注点，兼顾模型规模、仿真精度与速度等因素。系统级仿真主要从整个航天器供配电链路角度对电源系统功能、性能、故障等情况进行分析，包括航天器能量平衡分析、地回路分析、线路压降分析、故障影响及容限分析等；设备级仿真主要对电源系统的关键设备进行功能、性能、接口、故障等情况进行分析，如太阳电池阵、蓄电池组、电源控制器、配电管理器等，包括太阳电池阵发电能力分析、遮挡分析、蓄电池充放电策略分析、热分析、力学分析、电磁特性分析等；电路级仿真主要对电源系统的关键电路进行分析，包括电路参数漂移影响分析、动态响应特性分析等。