[發明專利]一種航天器地面測試與在軌微振動力學環境映射方法

有效

• 申請號: 201510219792.6
• 申請日: 2015-04-30
• 公開（公告）號: CN104833466B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 李道春;羅文波;向錦武;趙仕偉;吳瓊
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明是一種航天器地面測試與在軌微振動力學環境方法，通過此方法，實現地面測試狀態對實際在軌狀態微振動特性的預示。

背景技術

隨著社會經濟的發展，高分辨率航天器無疑是航天器發展的方向，如美國的KH系列軍事觀察衛星，從KH-1到KH-13其分辨率從12m提高到0.05m。深空探測遙感航天器與對地觀測衛星相比，其分辨率要高出1～2個數量級，如哈勃空間望遠鏡(0.1角秒，1990年)。下一代空間望遠鏡詹姆斯·韋伯太空望遠鏡分辨率達0.004角秒。

微振動指航天器在軌運行期間，星上轉動部件高速轉動、大型可控構件驅動機構步進運動、變軌調姿期間推力器點火工作、大型柔性結構進出陰影冷熱交變誘發擾動等都會使星體產生一種幅值較小、頻率較高的抖動響應。大多數航天器都存在微振動擾動源。由于微振動力學環境效應幅值小、頻率高，對大部分航天器不會產生明顯影響，通常予以忽略。但對高精度航天器將嚴重影響有效載荷指向精度、穩定度及分辨率等重要性能指標，所以在高分辨率航天器設計中必須考慮微振動的影響。

由于空間飛行器在軌工作時所處的動力學環境極其復雜，加之在軌測試的成本高，且姿態控制系統對微振動響應無法測控，因此目前對航天器微振動的研究主要采用數值模擬和地面微振動測試兩種方法。根據國外公開的文獻開展調研工作，目前各國規模較大的且技術較成熟的地面微振動測試平臺主要有Honeywell公司的SCT地面微振動測試臺，JPL實驗室的MPI地面微振動測試臺以及SSL實驗室的OT地面微振動測試臺。然而地面測試和在軌航天器力學環境仍然存在很大的差異，地面微振動測試環境中的重力場、空氣、約束(懸掛裝置)等因素可能會使地面測試結果與在軌航天器微振動特性出現較大差別。因此，地面微振動測試結果僅僅能用于評估，并不能準確分析航天器在軌微振動特性。

為了得到在軌航天器的微振動特性，而航天器結構復雜，難以得到航天器微振動的解析解，因此目前主要采用數值模擬的方法，美國等科研機構對此開展了大量的研究。MIT空間系統實驗室開發了微振動集成建模與綜合評價分析軟件DOCS；NASA開發了能夠進行抖振和結構/熱/光學分析系統IME。雖然目前數值模擬能夠在一定程度上得到航天器的微振動特性，但存在計算效率差和應用范圍窄等問題。

發明內容

本發明提供一種航天器地面測試與在軌微振動力學環境映射方法，所述方法消除地面測試狀態下空氣、重力、約束對微振動特性的影響，實現地面測試對實際在軌狀態微振動特性的預示。

本發明提供的映射方法包括以下步驟：

(1)建立模擬地面微振動測試力學環境的地面測試航天器有限元模型以及在軌航天器有限元模型；

(2)通過對地面測試航天器有限元模型和在軌航天器有限元模型分別進行模態分析，提取頻率、振型數據，分別建立地面測試模態坐標減縮模型和在軌模態坐標減縮模型，并確定地面測試航天器有限元模型和在軌航天器有限元模型的頻率、振型的一一對應關系。

(3)根據地面測試模態坐標減縮模型和地面測試航天器有限元模型的相應對比，確定地面測試模態坐標減縮模型的正確性；根據在軌模態坐標減縮模型和在軌航天器有限元模型的響應對比，確定在軌模態坐標減縮模型的正確性；

(4)通過BP(Back Propagation)網絡實現考慮重力、約束、空氣力學環境因素的從地面測試狀態的頻率、振型到在軌狀態的頻率和振型之間的映射，得到在軌航天器有限元模型的頻率、振型。

(5)根據映射得到的在軌航天器有限元模型的頻率、振型，進行在軌航天器有限元模型的動力學響應分析。

本發明提供的映射方法優點在于：

實現了航天器地面測試與在軌微振動力學環境映射，消除了地面微振動測試狀態下空氣、重力、約束對地面微振動測試的影響，實現地面測試對實際在軌狀態微振動特性的預示。同時該映射方法可以實現地面微振動測試數據和在軌測試數據的相互比較，驗證地面微振動測試的有效性。

附圖說明

圖1是本發明映射方法的流程圖；

圖2是本發明航天器在軌和地面測試力學環境比較；

圖3是本發明三級映射的流程圖；

圖4是本發明實例地面模態坐標減縮模型與有限元模型的時域響應對比；

圖5是本發明實例地面微振動時域響應相對誤差隨時間變化圖；

圖6是本發明實例在軌模態坐標減縮模型與有限元模型的微振動時域響應對比；

圖7是本發明實例在軌微振動時域響應相對誤差隨時間變化圖；