simulador de power budgets para pcdus en satelites espaciales

SIMULADOR DE POWER BUDGETS PARA PCDUS EN SATELITES
ESPACIALES
Autor: González Rivera, Esther.
Director: Catalán Morros, Jordi.
Entidad Colaboradora: Computadoras, Redes e Ingeniería, S.A.U. (CRISA)
RESUMEN DEL PROYECTO
A la hora de lanzar un satélite se necesita conocer el consumo de sus componentes
durante el tiempo que dure la órbita. Esto es debido a que mientras realicen su misión,
habrá momentos en los que su fuente principal de energía (el sol) no sea suficiente para
alimentar los diferentes dispositivos que lo componen. Por ello el sistema de potencia
de un satélite se basa en un conjunto panel-batería, para asegurar que se consigue la
energía necesaria para su funcionamiento.
Figura 1: Esquema de distribución de potencia
Un esquema sencillo del sistema de potencia de un satélite es el de la Figura 1,
compuesto por un panel solar que capta energía del sol, una batería como sistema
secundario de alimentación, una serie de cargas y un bus transmisor de potencia.
Es importante que este esquema funcione correctamente, por ello es necesaria la
realización de un balance de potencia, para esclarecer si con la potencia recibida del sol
se consiguen cubrir los requisitos del satélite.
Con el fin de agilizar y facilitar estos cálculos, se ha decidido realizar un programa que
permita calcular los consumos del satélite en distintos puntos de su órbita. De este
modo, se ha comenzado el proyecto programando una interfaz que le permita al usuario
introducir los datos del diseño que ha realizado (ver Figura 2). Para que sea posible su
modificación en un futuro se ha llevado a cabo en una plataforma conocida por los
futuros usuarios como es Matlab.
1
Figura 2: Pantalla inicial de la interfaz de usuario
Una vez realizado el interfaz gráfico, se han modelado las ecuaciones del sistema
eléctrico por corrientes de mallas, teniendo en cuenta que mientras sea posible, se
procederá a la carga de la batería para su posterior uso en caso de mayor demanda.
Como el usuario tiene total libertad a la hora de colocar los componentes dentro del
satélite, el programa ha de soportar todas las combinaciones posibles de los mismos, de
modo que las ecuaciones se han escrito de forma genérica. Además se han incluido
restricciones para cada módulo a fin de cumplir con los requisitos de los componentes.
Tras escribir las ecuaciones se ha decidido enfocar el sistema como un problema de
optimización, minimizando una función objetivo que dependerá de la arquitectura del
satélite. Para este fin se ha elegido la función “fmincon”, donde las corrientes son las
incógnitas y las distintas ecuaciones las restricciones del sistema.
Una vez finalizada la programación del Power Budget en Matlab, se ha unido todo el
trabajo realizado y se ha depurado mediante simulación, probando diferentes casos para
todas las posibles configuraciones de bus. De este modo se ha comprobado que la
herramienta funciona de manera satisfactoria, calculando en pocos segundos las
corrientes que circularían por los módulos para un punto en la órbita del satélite, y
posteriormente los consumos en cada uno de ellos.
2
En la Figura 3 se puede ver un ejemplo de una arquitectura posible, y en la Figura 4 el
resultado tras simular ese esquema en un punto de la órbita con total recepción solar.
Figura 3: Ejemplo arquitectura satélite
Figura 4: Resultado simulación Power Budget
La aplicación proporciona una lista a modo de recordatorio del orden de módulos
introducido, y una tabla con la potencia de panel y las perdidas en los diferentes
componentes del satélite. A la vista de estos resultados se puede concluir que el balance
está correctamente realizado, ya que la suma de las potencias da cero.
3
POWER
BUDGETS
SIMULATOR
FOR
PCDUS
IN
SPACE
SATELLITES
When launching a satellite it is needed to know the use of its components during the
orbit. This is because while performing its mission, there will be times when the main
source of energy (the sun) is not enough to power the various devices that compose
it. Therefore the power system of a satellite is based on a set of panel-battery, to ensure
it gets the energy necessary for its performance.
Figure 1: Power Distribution Scheme
A simple schematic of the power system of a satellite is shown in Figure 1. It comprises
a solar panel that absorbs energy from the sun, a battery as a secondary power system, a
series of loads, and a bus for the power transmission.
It is important this scheme works properly, and for this purpose is necessary to carry out
a power balance, to establish whether the power received from the sun covers the
requirements of the satellite.
In order to expedite and ease these calculations, it is decided to make a program to
estimate the consumption of the satellite at different points in its orbit. Thus, the project
begins programming an interface which allows the user to input the data from the
design he has done (see figure 2). For possible modification in future it is decided to
made it on a familiar program for future users as is Matlab.
4
Figure 2: Initial screen form the interface
Once the graphical interface is done, equations are modeled by the mesh current
method, bearing in mind that whenever is possible, the battery will be charge for later
use in case of increased demand. As the user has complete freedom in placing the
components within the satellite, the program has to support all possible combinations of
them, so the equations are written in a generic form. Restrictions have also been
included for each module to meet the requirements of the components.
After writing the equations, it is decided to focus the system as an optimization problem
by minimizing an objective function that depends on the architecture of the satellite. For
this purpose it has been chosen the "fmincon" function, where the currents are the
unknowns and the equations the system constraints.
Once the Power Budget programming in Matlab was complete, all the work done has
been united and refined through simulation, testing different cases for all possible bus
configurations. Thus it is checked the tool works satisfactorily, calculating the currents
that circulate through the modules in a few seconds for an orbit point, and then the
consumption in each of them.
5
Figure 3 shows an example of one possible architecture, and Figure 4 the result after
simulating this scheme at a total solar reception point in the orbit.
Figure 3: Architecture example
Figure 4: Power Budget simulation results
The application provides a list of the order of the modules loaded as a reminder, and a
table with panel power and losses in different components of the satellite. According to
these results we can conclude that the power balance is done correctly, as the sum of the
power is zero.
6