非平稳运行模式下航天器电源广义稳定裕度评价方法研究

Low-frequency high-power satellite synthetic aperture radar (SAR) and communication satellites will become the research focus in the next decade. The satellite power conditioning unit(PCU), SAR loaded power and traveling wave tube (TWT) power supply present the characteristics of low frequency pulse and high power while working under non-stable conditions. To make up the underdevelopment and deficiency of spacecraft power supply standards in China and ESA, this project aims to research and develop the spacecraft power stability margin evaluation methods for non-stable operation modes. We are planing to propose more strict representation form considering all the factors of four margins including gain margins, phase margins, modulus margins and time delay margins; and generalized stability margins offering criteria for cascade system stability. The new stability margins will describe the stability degrees of close loop power systems and the uncertainty tolerated by the controlled objects’ transfer functions. The results are not only suitable for single power supply assessment, but also directly assess the stability degrees of cascade systems. The results can also put forward an attraction domain evaluation method for power system with strong nonlinear behavior, which will be the new tool to evaluate stability margins scientifically and steadily, and offers long-term development and beneficial supports for communication satellites, SAR satellites and spacecrafts with more complex loads.

低频大功率合成孔径雷达卫星（SAR）和通信卫星是未来十年的发展趋势，而卫星电源控制器（PCU）、SAR载荷电源以及行波管（TWT）电源工作在非平稳状态下，其负载特性呈现低频脉冲大功率的发展趋势。本项目拟针对我国和欧空局航天器电源标准的滞后与不足，通过对非平稳运行模式下航天器电源稳定裕度的评价方法开展相关的研究工作，拟给出更为严格的航天器电源系统稳定裕度表征形式，并提出综合考虑幅值裕度、相位裕度、模值裕度、时延裕度四个裕度和级联系统稳定性判据的电源广义稳定裕度，它可描述保持电源系统闭环稳定，被控对象传递函数所能容忍的不确定性，其结果不仅仅适用于单机评估，还可直接考量级联系统级的稳定程度，并给出强非线性行为下的吸引域评估方法，成为可综合衡量电源系统级稳定裕度的新的工具，为该类电源系统提供科学的稳定裕度评价方法，为通信卫星、SAR卫星和载荷更为复杂的航天器的长足发展和不断创新提供有益的支持。

近年来在非平稳状态下运行的航天电源需求越来越多，且脉冲频率趋向大功率、低频化。对于卫星电源控制器（PCU）、低频脉冲特性合成孔径雷达卫星（SAR）电源、行波管（TWT）电源等非平稳运行模式下的稳定性评价，存在现行航天器电源标准滞后与不足的问题。本项目在ECSS-E-ST-20C标准基础上，开展了更具普适性的航天器电源广义稳定裕度评价方法。提出了综合考虑幅值裕度、相位裕度、模值裕度、时延裕度的广义稳定裕度，可更严格表征航天器电源系统的稳定性。进而提出了基于频率响应曲线的航天器电源系统稳定裕度测算方法，通过对4个型号电源的量化评估验证了测算方法的有效性。初步给出了基于四个稳定裕度的航天器电源系统广义稳定裕度建议范围，即：幅值裕度ΔG>10dB,相位裕度Δφ>60°，时延裕度Δτ≥33μs（穿越频率按照5kHz考虑），模值裕度ΔM<33dB。通过对两个型号电源研制过程的稳定性分析，验证了建议标准范围的可靠性，探明了幅值裕度和相位裕度均满足ECSS标准，但模值裕度或时延裕度较差和存在多个穿越频率的工况。针对目前阻抗比判据存在的保守性问题，提出了一种使两级级联分布式电源系统小信号稳定的充要条件阻抗比判据，并讨论了任意集成的分布式电源系统的阻抗比判据。结合级联系统稳定性条件，研究了电源系统级稳定性评估方法，其结果不仅仅适用于单机评估，还可直接考量级联系统级的稳定程度。针对输入源、输出负载等跃变时所产生非线性行为，提出了基于蒙特卡罗分析的间接数值仿真法的吸引域求取方法，并通过4个算例条件进行了仿真和实验验证。最后搭建了航天器电源系统稳定性验证系统，可实现大功率PCU系统的太阳电池阵非平稳运行工况模拟和稳定裕度指标评测。本项目提出的非平稳运行模式下航天器电源广义稳定裕度评价方法，可综合衡量电源系统级稳定性，为该类电源系统提供科学的稳定裕度评价方法，为通信卫星、SAR卫星和载荷更为复杂的航天器的长足发展和不断创新提供有益的支持。