5.6.6 航天器能源流数字伴飞系统设计和应用实践
5.6.6.1 系统设计
航天器供配电数字伴飞系统组成及功能逻辑如图5-29所示。以航天器供配电系统级仿真模型为核心，依据地面试验数据对模型进行校核；由飞行程序事件驱动供配电系统模型建立数字伴飞状态，利用准确的数学模型以及高精度的求解器，对全任务周期内的供配电系统工作状态进行伴飞仿真分析；建立星上遥测数据输入通道，达到地面数字模型与实际航天器同步运行的效果，对遥测数据和数字伴飞系统实时仿真结果进行比对，实现在线数据判读；同时，结合飞行任务需要，通过曲线、图表、STK动画等形式对数字伴飞的结果进行展示。数字伴飞系统还可以通过输入下一阶段的飞行程序，对航天器供配电系统的未来状态进行仿真预示；另外，还可以对预置故障模式（如一路太阳电池阵分阵开路、一节蓄电池单体失效等）进行仿真，辅助进行故障分析、排查和故障预案制定等。
图5-29 航天器数字伴飞系统组成与功能逻辑
5.6.6.2 应用实践
依据“嫦娥五号”供配电系统电路拓扑，采用Modelica多学科建模语言建立了在轨数字伴飞系统的数学模型，如图5-30所示。航天器供配电数字伴飞系统在“嫦娥五号”的在轨飞行过程中进行了首次应用。
图5-30 “嫦娥五号”数字伴飞系统示意图
在地面测试期间，按照5.6.4节模型修正方法，针对不同的模型参数，结合设计数据、测试数据和热试验数据对模型结构或参数进行修正。以负载功率参数为例，设计阶段采用设计值进行建模；在产品研制后，采用验收数据对设计数据进行更新；在热试验期间，通过对设备加断电时序进行分析，获得用电负载在高低温条件下的功耗，建立温度与功耗之间的关系，修正原有模型中常温下用电负载功耗数据，通过不断修正和调整，得到更加精确的负载模型。不同阶段测试数据对负载模型修正方法示例见表5-7。
表5-7 不同阶段测试数据对负载模型修正方法示例
整器热试验过程中，对“嫦娥五号”着陆器-上升器组合体在环月段及动力下降段低温循环工况进行了仿真分析，并根据飞行程序对动力下降过程的太阳电池阵输出功率、蓄电池组电压、蓄电池组放电深度等供配电系统重要参数进行了实时仿真，单个参数仿真结果与实际测试结果间的平均误差小于2%。
在与飞行控制中心无线联试期间，按照“嫦娥五号”飞行程序对各飞行阶段供配电数字模型进行了全面验证。一方面，通过仿真值与遥测值比对，对超出阈值范围的参数进行提示，如图5-31（a）所示。另一方面，对关键参数的地面历史测试数据、实时仿真数据和实时遥测数据进行比对。如图5-31（b）所示，以蓄电池组电压为例，图中给出了热试验器件相同工况的测试数据、实时遥测数据、实时仿真数据、基于实时遥测数据和后续飞行程序的预示曲线。其中测试数据仅作为参考。从图中可以看出，蓄电池组电压仿真值与实时遥测数据具有较好的一致性，稳态工况下最大误差小于5%，平均误差小于2%，验证了数字伴飞系统及模型的正确性、稳定性，为“嫦娥五号”在轨全任务阶段实现数字伴飞奠定了坚实的基础。
图5-31 数字伴飞仿真数据与遥测数据实时判读比对
（a）实时数据比对；（b）实时曲线比对