[发明专利]用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法及系统

说明书

本发明提供了一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法及系统，包括：选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的姿态角速度测量数据；对姿态角速度测量数据进行关注频带的带通滤波，得到滤波后的姿态角速度；分析滤波后姿态角速度的功率谱密度，计算关注模态的在轨振动频率。本发明满足挠性卫星在轨结构动力学特性辨识的需求，不需要在挠性附件上其他安装传感器，仅利用卫星平台现有惯性姿态敏感器的测量数据进行分析处理。避免了因安装其他振动传感器而增加的卫星设计、制造难度和在轨运行的风险。

技术领域

本发明涉及测量测试技术领域，具体地，涉及利用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法及系统。

背景技术

随着航天技术的不断发展，大型空间结构已经是航天领域中的一个重要发展方向，也将是空间开发必备的基础设施，可参考(于登云,夏人伟,孙国江.在轨航天器动力学参数辨识技术研究.中国空间科学技术，2008年2月，第1期)。为获取挠性卫星结构动力学特性，常采用有限元建模、地面试验和在轨辨识等方法计算振动模态参数。有限元建模过程中的模型简化、条件假设等影响了模型精度，特别是难以对铰链等接触式机构精确建模。由于重力和大气阻力等因素的影响，大型挠性结构很难在地面进行组装并实施全尺寸的动力学参数辨识试验。因此，对于带有大型挠性附件的航天器，难以通过有限元建模或地面试验得到精确的结构动力学参数。基于上述因素，对太阳阵、空间展开天线等大挠性结构进行在轨模态参数辨识研究是十分迫切和必要的，同时也具有较高的理论意义和实际应用价值。挠性卫星结构动力学参数包括模态频率、模态阻尼、阵型、耦合系数等，这些参数具有重要的物理意义，可以为空间挠性部件的结构设计、结构健康监测、结构故障诊断、结构振动控制等方面的应用提供必要的支持，可参考专利CN102982196A。如专利CN103926840A介绍了一种利用ZVD成型器主动抑制太阳帆板挠性振动的方法，以对挠性模态阻尼比和模态频率作为模型输入。

目前在结构动力学领域的模态参数辨识方法主要包括频域方法、时域方法和近年兴起的时频域方法三种。大多数方法需要利用在轨激励和在挠性附件上布置传感器获取信息，如(李逍然.大型太阳能帆板模态参数在轨辨识研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2013年6月)研究了挠性附件上传感器的最小配置数量和最优布局方案；专利CN105486474A介绍了一种卫星挠性部件的在轨模态辨识的实现系统及方法，需要对挠性附件进行脉冲激励，接收和监测各个测点的脉冲响应信号，并采集卫星在轨稳态运行过程中卫星挠性部件所产生的加速度响应信号；专利CN106557633A和专利CN107609296A介绍了卫星太阳阵传感器布局的两种方法。专利CN106408570A基于双目视觉测量的太阳帆展开结构动特性在轨辨识方法，从图像中直接提取结构振动位移信息，进而通过工作模态分析技术实时获取结构的动态特性，实现结构动特性的在轨辨识。也有两项专利提出了利用陀螺测量的姿态角速度数据对挠性卫星模态参数的在轨辨识方法：专利CN103970964A介绍了一种挠性卫星模态参数在轨辨识方法，需要采集到执行机构施加到挠性卫星体上的力矩和挠性卫星体相对惯性坐标系的角速度信息，利用子空间辨识算法获得模态参数与力矩到角速度的传递函数。专利CN105157728A提出了一种可抑制陀螺噪声影响的挠性卫星模态参数辨识方法，也是利用卫星在轨飞行时卫星本体角速度的测量数据辨识整星的模态频率和模态阻尼比参数，对陀螺数据进行差分处理抑制这两部分噪声引起的辨识误差。

以上挠性卫星在轨动力学参数辨识方法在工程应用方面有两个约束：一是在轨航天器难于施加动力学参数辨识所需要的已知激励，只能利用在轨航天结构的展开和收拢，结构的对接和分离、发动机的点火等产生激励源进行激励，而这些激励源信号都难于测量，可参考(于登云,夏人伟,孙国江.在轨航天器动力学参数辨识技术研究.中国空间科学技术，2008年2月，第1期)。二是在挠性附件上安装振动传感器的数量收到工程实施的限制。一般的挠性附件均需要在轨展开，各类速度、加速度、位移传感器的安装固定、电缆铺设等均对展开机构产生不利影响，增加了设计难度。此外，对于太阳阵等旋转挠性部件还需要增加驱动机构滑环信号通道数量。

发明内容