CN109655218B - 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 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供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。
根据本发明提供的一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法，包括：
数据选取步骤：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；
带通滤波步骤：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；
功率谱密度分析步骤：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。
较佳的，在所述数据选取步骤中，选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的i轴，i＝X，Y，Z，姿态角速度测量数据ωi(t)。
较佳的，在所述带通滤波步骤中，根据地面挠性卫星动力学分析计算结果，设置i轴方向的关注振动频带为[f1,f2]Hz，利用带通滤波器对欠阻尼自由振动区姿态角速度测量数据ωi(t)进行滤波处理，剥离i轴姿态角速度信号中的长周期运动和高频振动分量，仅保留关注频带内的振动信息，得到滤波后的i轴姿态角速度ωi′(t)。
较佳的，在所述功率谱密度分析步骤中，对滤波后i轴姿态角速度ωi′(t)进行功率谱密度分析，功率谱密度在关注振动频带[f1,f2]Hz区间内最大值的对应频率即为关注模态的在轨振动频率fi。
根据本发明提供的一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的系统，包括：
数据选取模块：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；
带通滤波模块：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；
功率谱密度分析模块：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。
较佳的，在所述数据选取模块中，选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的i轴，i＝X，Y，Z，姿态角速度测量数据ωi(t)。
较佳的，在所述带通滤波模块中，根据地面挠性卫星动力学分析计算结果，设置i轴方向的关注振动频带为[f1,f2]Hz，利用带通滤波器对欠阻尼自由振动区姿态角速度测量数据ωi(t)进行滤波处理，剥离i轴姿态角速度信号中的长周期运动和高频振动分量，仅保留关注频带内的振动信息，得到滤波后的i轴姿态角速度ωi′(t)。
较佳的，在所述功率谱密度分析模块中，对滤波后i轴姿态角速度ωi′(t)进行功率谱密度分析，功率谱密度在关注振动频带[f1,f2]Hz区间内最大值的对应频率即为关注模态的在轨振动频率fi。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明满足挠性卫星在轨结构动力学特性辨识的需求，提取在轨挠性振动模态频率。与其他计算卫星在轨结构动力学参数的方法相比，本发明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。辨识出的整星挠性振动模态频率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。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明实施例中的单翼太阳阵卫星构型示意图；
图3是卫星在轨喷气闭环控制时期的姿态角速度变化曲线；
图4是卫星姿态角速度滤波前后的时域对比；
图5是卫星姿态角速度滤波前后的频域对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法，包括：
数据选取步骤：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；
带通滤波步骤：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；
功率谱密度分析步骤：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。
在数据选取步骤中，选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的i轴，i＝X，Y，Z，姿态角速度测量数据ωi(t)。
在带通滤波步骤中，根据地面挠性卫星动力学分析计算结果，设置i轴方向的关注振动频带为[f1,f2]Hz，利用带通滤波器对欠阻尼自由振动区姿态角速度测量数据ωi(t)进行滤波处理，剥离i轴姿态角速度信号中的长周期运动和高频振动分量，仅保留关注频带内的振动信息，得到滤波后的i轴姿态角速度ωi′(t)。
在功率谱密度分析步骤中，对滤波后i轴姿态角速度ωi′(t)进行功率谱密度分析，功率谱密度在关注振动频带[f1,f2]Hz区间内最大值的对应频率即为关注模态的在轨振动频率fi。
在上述一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法的基础上，本发明还提供一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的系统，包括：
数据选取模块：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；
带通滤波模块：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；
功率谱密度分析模块：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。
在数据选取模块中，选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的i轴，i＝X，Y，Z，姿态角速度测量数据ωi(t)。
在带通滤波模块中，根据地面挠性卫星动力学分析计算结果，设置i轴方向的关注振动频带为[f1,f2]Hz，利用带通滤波器对欠阻尼自由振动区姿态角速度测量数据ωi(t)进行滤波处理，剥离i轴姿态角速度信号中的长周期运动和高频振动分量，仅保留关注频带内的振动信息，得到滤波后的i轴姿态角速度ωi′(t)。
在功率谱密度分析模块中，对滤波后i轴姿态角速度ωi′(t)进行功率谱密度分析，功率谱密度在关注振动频带[f1,f2]Hz区间内最大值的对应频率即为关注模态的在轨振动频率fi。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种利用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法作进一步详细说明。
某遥感卫星安装有单翼太阳电池阵，构型见图2。发射入轨后，在喷气控制期间的滚动X轴姿态角速度测量数据如图3所示。
步骤1：选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的滚动X轴姿态角速度测量数据ωX(t)进行分析，如图3所述。
步骤2：根据地面挠性卫星动力学分析计算结果，X方向主振动模态的频率约为0.37Hz，设置关注的振动频带为[0.259,0.481]Hz，利用5阶巴特沃兹带通滤波器对欠阻尼自由振动区姿态角速度测量数据ωX(t)进行滤波处理，剥离滚动X轴姿态角速度信号中的长周期运动和高频振动分量，仅保留关注频带内的振动信息，得到滤波后的滚动X轴姿态角速度ωX′(t)。
姿态角速度测量数据滤波前后的时域对比和功率谱密度对比分别见图4和图5。从时域对比和频域对比均可清晰看出，[0.259,0.481]Hz频带以内的信号被保留，其余频段的信号被大幅削弱。
步骤3：对滤波后滚动X轴姿态角速度ωX′(t)进行功率谱密度分析，功率谱密度在[0.259,0.481]Hz区间内最大值的对应频率即为关注模态的在轨振动频率fX。从图5可知，fX＝0.36621Hz。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法，其特征在于，包括：
数据选取步骤：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；
带通滤波步骤：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；
功率谱密度分析步骤：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，关注模态的在轨振动频率为功率谱密度在关注频带区间内最大值的对应频率；
在所述数据选取步骤中，选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的i轴，i＝X，Y，Z，姿态角速度测量数据ωi(t)。
2.根据权利要求1所述的用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的方法，其特征在于，在所述带通滤波步骤中，根据地面挠性卫星动力学分析计算结果，设置i轴方向的关注振动频带为[f1,f2]Hz，利用带通滤波器对欠阻尼自由振动区姿态角速度测量数据ωi(t)进行滤波处理，剥离i轴姿态角速度信号中的长周期运动和高频振动分量，仅保留关注频带内的振动信息，得到滤波后的i轴姿态角速度ωi′(t)。
3.一种用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的系统，其特征在于，包括：
数据选取模块：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；
带通滤波模块：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；
功率谱密度分析模块：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，关注模态的在轨振动频率为功率谱密度在关注频带区间内最大值的对应频率；
在所述数据选取模块中，选取卫星在轨喷气闭环控制后的欠阻尼自由振动区的i轴，i＝X，Y，Z，姿态角速度测量数据ωi(t)。
4.根据权利要求3所述的用卫星陀螺数据辨识整星挠性振动模态频率的系统，其特征在于，在所述带通滤波模块中，根据地面挠性卫星动力学分析计算结果，设置i轴方向的关注振动频带为[f1,f2]Hz，利用带通滤波器对欠阻尼自由振动区姿态角速度测量数据ωi(t)进行滤波处理，剥离i轴姿态角速度信号中的长周期运动和高频振动分量，仅保留关注频带内的振动信息，得到滤波后的i轴姿态角速度ωi′(t)。
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