S3R型卫星电源控制系统建模与仿真.pdf

摘要

电源系统作为卫星的核心组成部分，为整星在轨运行提供电能，是保障卫

星顺利完成航天任务的基础。数字孪生及故障预测与健康管理技术已经成为航

空航天领域的研究热点，能够实现复杂系统的状态全方位感知和智能决策。但

该项技术在卫星电源领域仍需完善，主要体现在卫星电源数字孪生模型保真度

不足、故障数据缺失等方面。本文以卫星电源控制系统为研究对象，研究顺序

开关分流调节器（SequentialSwitchingShuntRegulator，S3R）型卫星电源控制

系统的高保真建模方法和典型故障数据仿真方法，论文具有重要的理论意义和

实际应用价值。

首先，在介绍S3R功率调节技术原理的基础上确定卫星电源控制系统建

模整体结构，参考技术指标和真实遥测数据自顶向下地完成整体建模和各个组

成部件的机理建模，形成一套系统级机理仿真模型。接着，从遥测数据提取太

阳电池阵和蓄电池组相关参量作为仿真激励，进行电源正常工况的系统级仿真，

定性和定量地评价仿真结果的正确性和保真度。总结卫星电源控制系统各组成

部件的典型故障工况，完成典型故障工况的系统级仿真，并分析仿真结果的合

理性。最后，针对机理建模存在的误差，提出一种卫星电源控制系统机理-数

据融合建模方法，利用遥测数据训练数据驱动模型，对机理模型的仿真结果进

行修正和优化，使建模的保真度进一步提高。借助已有的真实遥测数据构建数

据集，对数据驱动模型进行训练和评估。与其他可选建模方法进行对比，证明

所提方法的有效性。

实验结果表明，本文建立的S3R型卫星电源控制系统机理仿真模型满足

技术指标要求，与遥测数据的定量比较结果说明模型保真度较高。机理模型的

典型故障工况仿真结果均与预期相符。机理-数据融合建模能够较好地修正机

理模型与真实系统输出结果的偏差，所提建模方法相较于其他对比方法有着更

优的精度和稳定性。

关键词：卫星；电源控制系统；S3R功率调节技术；建模与仿真；机理-数据

融合

Abstract

Asacorecomponentofsatellites,thepowersupplysystemprovideselectrical

energyduringtheon-orbitoperation,servingasthefoundationforensuringthe

successfulcompletionofspacemissions.Digitaltwinandprognosticsandhealth

managementtechnologieshavebecomehotresearchtopicsintheaerospacefield,

enablingunmannedsystemstoachievefull-rangeperceptionofstatusand

intelligentdecision-making.However,thistechnologystillneedstobeimprovedin

thefieldofsatellitepowersystems,particularlyintermsofthefidelityofdigital

twinmodelsandthelackoffaultdata.Thisthesisfocusesonthesatellitepower

controlsystemandpresentsahigh-fidelitymodelingmethodandmulti-operating

conditionmonitoringandsimulationmethodfortheSequentialSwitchin