[發明專利]利用陀螺數據辨識衛星撓性附件在軌振動狀態方法與系統

有效

• 申請號: 201910017079.1
• 申請日: 2019-01-08
• 公開（公告）號: CN109612664B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 呂旺;董瑤海;鄧泓;劉培玲;宋效正;曾擎
• 申請（專利權）人: 上海衛星工程研究所
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 李佳俊;郭國中

本發明提供了一種利用陀螺數據辨識衛星撓性附件在軌振動狀態的方法，包含以下步驟：姿態角速度獲取步驟：獲取衛星在軌噴氣閉環控制后的欠阻尼自由振動區的i軸對應的姿態角速度測量數據；濾波步驟：對ω_i(t)進行濾波獲得濾波后的i軸姿態角速度數據ω′_i(t)；時間序列計算步驟：根據ω′_i(t)計算獲得模態變量的時間序列η_i(t)；整體位移獲取步驟；端部位移計算步驟；相對位移計算步驟。相應地，本發明還提供了一種利用陀螺數據辨識衛星撓性附件在軌振動狀態的系統。本方法不需要在撓性附件上其他安裝傳感器，僅利用衛星平臺現有姿態敏感器的測量數據進行分析處理。

技術領域

本發明涉及衛星監控領域，具體地，涉及一種利用陀螺數據辨識衛星撓性附件在軌振動狀態的方法與系統。尤其涉及一種用于撓性衛星振動狀態信息的在軌辨識方法與系統，具體地說是一種對撓性衛星在軌振動期間整體位移、端部位移和相對位移的辨識方法與系統。

背景技術

隨著航天技術的不斷發展，大型空間結構已經是航天領域中的一個重要發展方向，也將是空間開發必備的基礎設施【在軌航天器動力學參數辨識技術研究—于登云】。為獲取撓性衛星結構動力學特性，常采用有限元建模、地面試驗和在軌辨識等方法計算振動模態參數。有限元建模過程中的模型簡化、條件假設等影響了模型精度，特別是難以對鉸鏈等接觸式機構精確建模。由于重力和大氣阻力等因素的影響，大型撓性結構很難在地面進行組裝并實施全尺寸的動力學參數辨識試驗。因此，對于帶有大型撓性附件的航天器，難以通過有限元建模或地面試驗得到精確的結構動力學參數。基于上述因素，對太陽陣、空間展開天線等大撓性結構進行在軌模態參數辨識研究是十分迫切和必要的，同時也具有較高的理論意義和實際應用價值。撓性衛星結構動力學參數包括模態頻率、模態阻尼、陣型、耦合系數等，這些參數具有重要的物理意義，可以為空間撓性部件的結構設計、結構健康監測、結構故障診斷、結構振動控制等方面的應用提供必要的支持【CN102982196A】。

目前在結構動力學領域的模態參數辨識方法主要包括頻域方法、時域方法和近年興起的時頻域方法三種。大多數方法需要利用在軌激勵和在撓性附件上布置傳感器獲取信息，如【大型太陽能帆板模態參數在軌辨識研究_李逍然-碩士論文】研究了撓性附件上傳感器的最小配置數量和最優布局方案；【CN105486474A】介紹了一種衛星撓性部件的在軌模態辨識的實現系統及方法，需要對撓性附件進行脈沖激勵，接收和監測各個測點的脈沖響應信號，并采集衛星在軌穩態運行過程中衛星撓性部件所產生的加速度響應信號；【CN106557633A】和【CN107609296A】介紹了衛星太陽陣傳感器布局的兩種方法。【CN106408570A】基于雙目視覺測量的太陽帆展開結構動特性在軌辨識方法，從圖像中直接提取結構振動位移信息，進而通過工作模態分析技術實時獲取結構的動態特性，實現結構動特性的在軌辨識。也有兩項專利提出了利用陀螺測量的姿態角速度數據對撓性衛星模態參數的在軌辨識方法：【CN103970964A】介紹了一種撓性衛星模態參數在軌辨識方法，需要采集到執行機構施加到撓性衛星體上的力矩和撓性衛星體相對慣性坐標系的角速度信息，利用子空間辨識算法獲得模態參數與力矩到角速度的傳遞函數。【CN105157728A】提出了一種可抑制陀螺噪聲影響的撓性衛星模態參數辨識方法，也是利用衛星在軌飛行時衛星本體角速度的測量數據辨識整星的模態頻率和模態阻尼比參數，對陀螺數據進行差分處理抑制這兩部分噪聲引起的辨識誤差。

以上撓性衛星在軌動力學參數辨識方法在工程應用方面有兩個約束：一是在軌航天器難于施加動力學參數辨識所需要的已知激勵，只能利用在軌航天結構的展開和收攏，結構的對接和分離、發動機的點火等產生激勵源進行激勵，而這些激勵源信號都難于測量【在軌航天器動力學參數辨識技術研究—于登云】。二是在撓性附件上安裝振動傳感器的數量收到工程實施的限制。一般的撓性附件均需要在軌展開，各類速度、加速度、位移傳感器的安裝固定、電纜鋪設等均對展開機構產生不利影響，增加了設計難度。此外，對于太陽陣等旋轉撓性部件還需要增加驅動機構滑環信號通道數量。

發明內容