衛(wèi)星太陽能電池陣的效能及可靠性分析與評(píng)估.pdf

1、太陽能電池陣是衛(wèi)星非常重要的組成部件，是衛(wèi)星能否正常工作的關(guān)鍵因素，因?yàn)殡姵仃噷⑻峁┱麄€(gè)衛(wèi)星平臺(tái)的電能，所以太陽能電池陣的可靠性問題是個(gè)非常重要的研究課題。衛(wèi)星在軌飛行過程中，太陽能電池陣的輸出功率往往會(huì)有一個(gè)緩慢衰減的過程，雖然衰減的比較緩慢，但是衛(wèi)星在太空運(yùn)行的工作生命周期往往都至少有十幾年，甚至更長，維修和替換也都非常困難，所以需要對(duì)太陽能電池陣的退化模式進(jìn)行精確的分析，來得到太陽能電池陣的壽命評(píng)估結(jié)果。
　　我國目前有近百

2、顆在軌運(yùn)行的衛(wèi)星，部分型號(hào)的衛(wèi)星太陽能電池陣的在軌退化數(shù)據(jù)從形態(tài)上具有多個(gè)階段的特性，每個(gè)階段之間具有跳躍性，即功率的突然變化，這些突然變化往往是由于太空中的意外情況造成元器件或者結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致。這使得太陽能電池陣的退化模式具有兩種失效模式混合的特點(diǎn)，這兩種失效模式分別為緩慢衰減的軟失效模式，和突然大額衰減的硬失效模式。本文提出了針對(duì)這種混合模式的退化數(shù)據(jù)的可靠性分析方法，可以從退化數(shù)據(jù)中識(shí)別拆分出硬失效模式和軟失效模式，然后綜合總體考慮

3、兩種失效模式，對(duì)太陽能電池陣進(jìn)行可靠性評(píng)估。該方法將先利用ARMA混合的隱馬爾可夫模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，隱馬爾可夫模型中的狀態(tài)鏈展示了硬失效模式的特點(diǎn)。通過求解出隱馬爾可夫模型中的狀態(tài)鏈，我們就可以得到硬失效模式的具體形式。在完成建模的基礎(chǔ)工作之后，我們將提出一個(gè)迭代算法，用來對(duì)隱馬爾可夫模型進(jìn)行求解。該迭代算法綜合了非線性最小二乘法，遞歸拓展最小二乘法，EM算法等。利用該算法，我們可以求解出隱馬爾可夫模型中的相應(yīng)參數(shù)。通過仿真分析，我們

4、發(fā)現(xiàn)，該迭代算法不僅可以得到準(zhǔn)確的跳躍點(diǎn)信息，還可以得到精確的參數(shù)估計(jì)值。而且迭代算法的效率也比較高，不管跳躍點(diǎn)有多少個(gè)，整個(gè)算法在三到四步左右就可以達(dá)到比較好的收斂效果。最后將根據(jù)設(shè)定的模型和估計(jì)的參數(shù)，計(jì)算太陽能電池陣的可靠性結(jié)果和剩余壽命結(jié)果，與理論設(shè)定值的結(jié)果很接近。
　　另外，由于設(shè)計(jì)技術(shù)及材料科學(xué)的不斷發(fā)展進(jìn)步，對(duì)于新材料或者新結(jié)構(gòu)的太陽能電池陣，可靠性評(píng)估和壽命預(yù)計(jì)也成為了非常重要的課題。在大多數(shù)情況下都需要在衛(wèi)星還

5、未發(fā)射到太空之前對(duì)太陽能電池陣進(jìn)行評(píng)估。但是在這種情況下，我們并沒有實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可以用于可靠性評(píng)估。本文提出了一個(gè)利用相似產(chǎn)品在軌運(yùn)行可靠性評(píng)估結(jié)果的可靠性推斷方法。該方法主要思路是根據(jù)累計(jì)輻照劑量為不變量依據(jù)來推斷太陽能電池陣的可靠性結(jié)果。先利用地面加速試驗(yàn)得到電池片退化與累計(jì)輻照劑量的模型，再結(jié)合在軌運(yùn)行環(huán)境中的累計(jì)輻照劑量變化函數(shù)，來得到新太陽能電池片的可靠性結(jié)果。地面加速試驗(yàn)中獲得的試驗(yàn)結(jié)果，表現(xiàn)出電池片退化率的方差隨著累計(jì)輻照

6、劑量增加而增加的現(xiàn)象，本文將利用線性異方差模型來擬合具有這種異方差性質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨后根據(jù)模型得到具有樞軸量表示形式的參數(shù)估計(jì)值，進(jìn)而利用Fiducial推斷方法來得到太陽能電池片的可靠性結(jié)果和壽命分布，并以一個(gè)簡單結(jié)構(gòu)的太陽能電池陣為例，計(jì)算了電池陣的可靠性結(jié)果和壽命分布。在軌運(yùn)行環(huán)境中的累計(jì)輻照劑量變化函數(shù)將根據(jù)相似產(chǎn)品，即在軌運(yùn)行多年衛(wèi)星的太陽能電池陣，退化模式結(jié)果和地面加速試驗(yàn)中的試驗(yàn)結(jié)果來得到。此外，做整個(gè)太陽能電池陣的可靠性