1.4.2 专用的航天器电源系统仿真软件
国外用于测试评估的软件一般均详细地考虑了航天任务和各种环境因素对航天器电源系统的影响，并且配备了航天器电源系统部件设计参数的数据库资源，再加上精确的数学模型和完善的仿真分析算法，在现代计算机强大的信息处理能力支持下，对航天器电源系统进行全面的仿真。电源系统设计人员在这种软件设计工具的帮助下，能够迅速对一个设计方案的优劣做出评价。NASA的Lewis研究中心能源和推进实验室的应用于空间电源分析的SPACE（Space System Power Analysis for Capability Evaluation，电源系统功率分析与性能评估系统）软件系统就是这样一个例子，该软件在系统设计阶段可用来确定电源结构、组成部件的规格以及电源系统在轨运行时提供的总能源；在操作阶段用来分析不同分系统整体运行的情况，是目前应用比较成熟的空间电源设计和分析评估软件。该软件目前正应用于国际空间站的电源系统测试中。国内目前关于空间电源设计软件方面的研究很少，多数采用国外比较成熟的软件系统，如PSIM（Power Simulation）等。由于航天器电源系统本身及其运行环境的复杂性，纯软件的测试评估系统建模工作都比较复杂，同时，数学模型与实际系统之间总有些差别，这使得纯软件的测试评估系统更多地运用于设计过程中，用来对电源系统的拓扑结构和规模等方面进行初步评估。
VTB（Virtual Test Bed）是美国南卡罗来大学（University of South Carolina）设计的动态系统仿真软件。它为复杂动态系统的设计、分析提供一个虚拟仿真环境，为多领域复合动态系统仿真提供一体化的共同“语言”。VTB采用阻性伴随（Resistive Companion Modeling，RCM）建立器件模型，模型描述语言符合VHDLAMS（IEEE 1076.1—1999）数模混合信号设计语言标准。VTB能与Matlab/Simulink、Labview、ACSL等软件进行联合仿真，为多领域动态系统仿真提供一个共用平台。VTB与SimuIink软件的联合仿真是一种基于接口的方法，关键在于解决两软件之间的接口与数据交换问题。图1-12所示为基于VTB与Simulink联合仿真结构示意图。具体运行时，VTB与Simulink的仿真模型在仿真离散时间点，通过进程间通信等方法进行信息交换，然后利用各自的求解器（solver）进行求解，以完成整个系统的仿真运行。
采用VTB与Simulink软件的联合仿真方法可以实现元件模型与算法控制的有机统一，并应用这种方法实现卫星电源分系统仿真：利用VTB建立卫星电源分系统的太阳电池阵、蓄电池组、负载及电源变换器等模块，与Simulink中搭建的电源控制器模块联合仿真。
图1-12 基于VTB-Simulink联合仿真结构示意图
1.4.2.1 SPACE
SPACE是以美国原空间站项目为背景开发的电源系统分析工具，用来预测在整个光照区和阴影区产生和维持系统正常工作的最大电源输出能力。SPACE主要用来分析一个大型的光伏电源系统。空间站的电源系统包括硅太阳电池阵、氢镍蓄电池组、单相温控系统和相关的电源变换、管理与配电硬件。电源系统的结构包括两个太阳翼对应的两条独立母线，在空间站组合完成时，将有4个太阳翼在轨。大多数航天器电源系统设计都有一定的裕度。然而空间站的电源系统要在接近最大输出功率点工作，由于较为准确的负载情况未给定，因此，在SPACE中要建立更详细的分析模型。建立这个模型的另外一个原因是系统规模太大，无法进行完整的系统联试来验证系统能力，因此需要用计算机辅助分析手段来预测。
SPACE全面应用于美国原自由号空间站项目的各项指标折中分析、工作情况检验和电源优化设计。在1993年，SPACE曾是进行空间站再设计时最主要的性能分析工具。空间站光伏电源系统的性能评估分析仿真模型SPACE的输入包括时间变化、分布式电气载荷的轮廓、EPS体系结构、太阳照射β角和传输姿态等。SPACE独立地模拟了国际空间站EPS的每个通道，如图1-13所示。
当空间站运行进入轨道的日照区时，太阳电池阵产生的能量通过SSU（Sequential Shut Unit）流向直流开关单元（DCSU）。接着能量向下传输流向连接着DCDC转换单元（DDCU）的负载，或通过电池充放电单元（BCDU）储存在蓄电池中。
图1-13 空间站电源系统（EPS）流程
当空间站运行进入阴影区或太阳照射较少时，供电能量从蓄电池经电池充放电单元BCDU到直流开关单元DCSU，DCSU再发送能量给连接到DCDC转换单元DDCU的负载上，国际空间站上的DDCU内外都安装了加压模块。蓄电池和电子元器件的温度则通过热控系统来维持和调节。当前，国际空间站上安装了两个美国能量供给通道，每个通道都包含一个太阳电池阵、一个SSU、一个直流开关单元DCSU、三个电池充放电单元BCDU、三组蓄电池。
目前，Boeing公司的国际空间站（ISS）和Johnson空间研究中心空间站项目均应用了SPACE。由于空间站电源系统规模较大，无法进行完整的地面联试，而电源系统的性能分析是非常关键的，SPACE可以在经验丰富的分析设计人员支持下提供一个较完整的系统输出能力验证和仿真分析研究。
1.4.2.2 ECAPS
在一个规定的时间段内，除改变电子负载需求的规模与位置外，还有空间站姿态、结构、EPS结构以及在整个任务期间太阳帆板工作点要有数次改变，会影响电源系统的输出能力。ECAPS（Electrical Capacity Analysis for Power System，电源系统电气性能分析系统）是由NASA刘易斯研究中心开发的软件，能够集成并从电源的角度估算整个任务期间各种条件的变化。ECAPS可以模拟运用于轨道上的控制方式，真实地驱动EPS满足分布式随时间变化的负载要求。蓄电池的充放电基于电源的需求和太阳电池的输出能力，太阳帆板工作点基于跟踪的算法，在分析包括太阳帆板在内的任务期间的辐射时，需要考虑许多因素。
ECAPS是从SPACE发展而来的。SPACE是一个准稳态模式，所有部件的处理都假设它们处于稳态。然而SPACE要进行的分析是随轨道等其他因素而缓慢变化的，如温度和蓄电池电压。SPACE应用一种“源驱动”模式向前计算决定EPS的负载能力。ECAPS是一种“负载驱动”模式，计算并评价EPS是否能满足给定的电子负载要求。两者不同的是，SPACE要求EPS工作于能量守恒的条件下，即蓄电池在每个轨道上都是充满电的，而ECAPS则不需要这种条件。
ECAPS用于已知负载情况下各种形式的分析，并估算电源满足负载的能力。一般情况下，电源系统的分析都是基于某种特定的轨道、特定的系统结构和特定的飞行姿态，这种分析有一定的实际意义。像国际空间站这样的复杂系统，在其任务期间有许多参数都有显著的变化，这样在进行一般的静态分析时，将得不到精确的结果。ECAPS正是由于具有这种特点，因此能把一些随时间变化的参数，如负载、结构、姿态和工作点的条件等集成到一起进行分析，并实时地给出所有变化的估算结果。
图1-14所示为ECAPS的简要结构，它包括以下几个模块：轨道结构分析模块、太阳帆板工作点模块、太阳帆板阴影模块、太阳电池性能模块、蓄电池性能模块、电源控制及配电设备性能模块。
ECAPS和SPACE都是评价分析空间飞行器电源系统的有力工具，它们运用独特的分析算法来分析满足各种随时间变化的负载需求时飞行器电源系统的输出能力。两者的出发点不同，在工作中要根据实际情况加以选择使用，可以大大提高电源总体的设计水平，缩短研制周期，节省研制经费。这两种工具已成功应用于国际空间站项目。这类软件将来的发展趋势是更易于操作并适合各类飞行器，并且随着国际互联网的发展，将具备网络接口，以实现虚拟现实模拟。
1.4.2.3 SimPS仿真系统
航天器电源系统的设计和定义要求对所有系统参数及其相互关系有全面的了解。欧洲Astrium公司开发出了仿真工具SimPS，它基于商业仿真平台Matlab/Simulink。SimPS提供了基于组件水平的模型库，可以满足任何常规的EPS架构建模需求。SimPS基于一种迭代函数来进行一组固定的参数仿真或者是检查单个参数对系统的影响。这种能力使用户能够研究系统对这些参数的敏感性。SimPS能够模拟系统变量对电力系统的影响，它允许通过任意参数同时变化来研究电力系统的灵敏度。此外，SimPS模型可以用作卫星系统模拟器的一部分，来研究电力系统与其他功能的航天器子系统的相互作用。它包括一套使用迭代开普勒模型和开源信息接口的轨道仿真设备，可以对其他系统工程方法模型进行仿真，如姿态和轨道控制、热控制。SimPS的主要目的不是达到最大的仿真精度，而是对EPS的敏感性及其与其他子系统交互的能力提供有效分析的工具。
图1-14 ECAPS电源系统仿真软件的简要结构
图1-15显示了SimPS的结构，Matlab控制了仿真流程和自动参数化。
EPS模型库是SimPS的核心库，并提供Simulink模块组格式的图形单元模型。它被嵌入Simulink模型库中，使用拖放操作，用户可以创建一个描述总体EPS体系结构及其与其他系统相互作用的EPS级的图形仿真模型。
SimPS主要针对最坏情况下的仿真和参数优化。通过SimPS和Astrium公司的高精度工具Power-System的交叉检查，已确认SimPS模型库的详细程度足以安全地识别和定位任何最坏的情况。
图1-15 SimPS的架构
此外，为了计算航天器环境的影响，SimPS包含STAR库（仿真工具AOCS/GNC库）。STAR是Astrium公司为姿态和轨道控制系统（AOCS）专门开发的设计和分析工具库。跟SimPS一样，STAR也是基于Matlab和Simlink并应用相同的实现和仿真规则。STAR包括一套广泛的不同的轨道计算模型，以及行星相关的物理和环境常数。
1.4.2.4 PowerCap仿真系统
PowerCap是一个支持在飞行条件下快速评估航天器电源系统性能的软件工具。瞬态性能的评估可以用工业软件来实现，如PSPICE、SABER或PowerCap。瞬变状态的分析由PowerCap的长期模拟来进行，并通过鼠标直接在屏幕上点击时间演变波形来进行指示。仿真时，电源系统中大部分的电气模块用等效数学模型来替换，这样可大大减少节点和电气网络分支的数量。
为了给PowerCap加上瞬态分析功能，通过一个叫PowerCap Dynamic的专用接口软件控制PSPICE软件来实现瞬态分析功能。PSPICE是具有电源、蓄电池和相关控制器的具有标准化电接口的标准模型库，允许用户对一个完整的电源系统进行评估。这个组织架构如图1-16所示。
图1-16 PowerCap组织架构
PowerCap软件构成系统的“心脏”，它与任何正在运行的程序具有独特的对话路径。它可以访问由接口软件来处理的输入和输出数据文件。PSPICE软件被用来显示所选节点或者电气网络的分支参数在时域和频域下的演变。Dynamic接口软件负责两个软件之间的联系。它收集同时驱动这些软件所必需的软件模块，这些模块被一些特定的对话窗口激活，这些对话窗口是用户和PowerCap Dynamic之间联系的渠道，通过这些对话窗口可以操作瞬态分析所必需的模型库。
1.4.2.5 SPECTTRA电源系统分析平台
美国航空航天学会（American Institute of Aeronautics and Astronautics）通过基于Simulink创建的内置参数的卫星模型开发框架，使用SPECTTRA建立了一个航天器电源系统分析平台。SPECTTRA是一个卫星电力电子元器件技术权衡和快速分析工具，是测试版开发阶段使用的Matlab仿真工具，主要用于对航天器电源系统架构的分析和设计。包括对概念的分析、部件尺寸确定、技术和系统权衡的研究以及对航天器电源系统设计的实验分析，允许对负载需求和各种任务场景及组件下的电源子系统行为进行分析。除了设计寿命的考虑，还计算了功率转换损失和配电损失。SPECTTRA允许尽可能少地通过使用图形用户界面（GUI）进行的用户交互，因此用户只能选择对哪些方面进行仿真。另外，还有一个附加的GUI用于数据分析和绘图功能。
SPECTTRA提出了一个基于GUI的分析和初步设计工具，通过组件和设备的权衡及任务模拟来评估航天器电源系统的性能。通过卫星设计寿命输入、卫星指数降级功能和电气部件效率化的功能，支持分析系统退化和EOL性能。
图1-17所示为SPECTTRA开发模拟典型的航天电源架构和组件。SPECTTRA支持卫星电源初步设计，具体包括以下内容：电源系统概念设计、功率余量分析、部件尺寸分析、技术和系统权衡研究、EOL性能分析。
图1-17 航天电源架构和组件
SPECTTRA空间电源子系统通过图1-18所示的仿真格式来模拟各种空间电源架构。目前SPECTTRA电源子系统只考虑直流电源系统组成，用户可以通过选择模型库部件和参数来模拟想要的架构。为了只模拟所需要的架构，各个模块库针对不同的技术方面来开发。
图1-18 航天电源架构仿真逻辑