【技术实现步骤摘要】
本申请涉及空间大型挠性结构的在轨模态参数辨识的，特别是一种空间大型挠性结构在轨模态参数辨识地面设计验证系统。
技术介绍
1、大挠性航天器所携带大面积柔性太阳翼、大尺度柔性天线及桁架结构、大型机械臂等空间挠性部件。这些部件在轨展开后，其动力学具有模态阶次高、频率低、阻尼小等特点，对航天器姿态和轨道控制产生不利影响。通过在轨测量和辨识结构模态参数是实现大挠性航天器高性能控制的重要途径。
2、我国空间站太阳翼由大型可伸展支撑桁架及大尺寸柔性太阳电池阵面等结构组成，核心舱利用安装在太阳翼四个角点处的自供电加速度计以及舱体外部的双目相机作为测量敏感器在轨开展了太阳翼挠性测量与辨识试验，通过数据分析可以准确获取太阳翼在轨模态参数及动力学响应特性。空间大型挠性结构在轨模态参数辨识系统包括激励模块、测量模块和数据采集模块，如图1所示。
3、激励模块用于提供一定频谱特征的外部激励信号，直接或间接作用于被测空间大型挠性结构，实现对被测对象自由响应特性的激发。从激励信号生成方式来看，激励模块包括主动激励模拟和被动激励模拟两部分。主动激励是指通过航天器上的执行机构对舱体/挠性结构主动施加某种预先设定信号形式的外力/力矩，不会使航天器姿态失稳及发生结构损伤，并达到激发出被测挠性结构固有振动的目的。被动激励是指利用空间环境扰动或航天器在轨常规飞行事件对舱体/挠性结构产生的扰动或冲击，达到激发出被测挠性结构固有振动的目的。
4、测量模块用于采用加速度计、光学相机、陀螺、应变片、激光雷达等各类测量敏感器对大型挠性结构的振动加
5、数据采集模块用于负责对各测量敏感器的输出数据进行可靠、稳定采集，并按照一定的存储格式存储为要求的文件形式。数据采集功能可以由布置在航天器上的专用设备实现，也可以通过将测量模块输出实时下传至地面的专用设备来实现。
6、常规在地面实施的挠性结构模态辨识试验一般为专项任务，在测量传感器布局、激振位置及强度、数据采集及辨识方法上都可以实现最优设计。而空间站的太阳翼挠性测量与辨识系统是为空间站建造和运营活动中主线任务服务的辅助支撑技术，在系统设计上要满足空间站在轨运行安全、不影响主线任务实施流程、不改变已有整体设计状态等原则，因此在设计和具体实现策略上面临很多约束条件和难点：
7、(1)测量敏感器的数量选择及其安装、布局不能影响空间站主线设计状态，需要在可安装约束下满足可测量的需求。
8、(2)高安全高精度的辨识必须考虑空间站试验飞行姿态、试验窗口、试验时长、整舱和挠性结构的安全性约束等条件，一般为强约束下的欠优化激励设计问题，同时结合不同的测量数据类型、数据质量、测量时长、不同的辨识算法得到不同的辨识结果，整个辨识过程涉及的环节多、链条长、耦合因素多，欠优化设计困难，效率低下。
9、(3)在轨飞行期间为保证激励期间空间站的安全性和实验舱快速交会对接前对25分钟快速辨识的需求，需要一套具备任务推演仿真、快速数据处理与辨识结果评估的在轨辨识飞控支持系统，辅助完成激励工况复核、仿真推演、快速辨识等工作。
10、未来越来越多的带有大型挠性结构的航天器(例如双天线sar卫星、天线卫星、核堆供电体制探测器、分布式卫星等)具有迫切的在轨模态参数辨识需求，也面临与空间站太阳翼挠性辨识类似的设计和验证难点。
技术实现思路
1、针对上述需求，本专利在总结空间站太阳翼挠性辨识系统应用经验的基础上，提出一种支持从方案设计仿真、半物理仿真和在轨飞控支持全生命周期的空间大型挠性结构在轨模态参数辨识设计验证体系和方法，给出了设计架构体系、软件工具集和仿真方法。
2、第一方面，提供了一种空间大型挠性结构在轨模态参数辨识地面设计验证系统，包括：
3、规划单元，用于实现任务规划、试验工况设计、试验流程设计功能；
4、测量模拟单元，用于模拟振动测量敏感器通信接口和测量数据格式；
5、数据处理单元，用于实现对测量敏感器的数据采集和存储，并开展原始数据处理工作，包括光学图像解析、特征点提取、三维坐标解算、多源测量数据时间对齐；
6、辨识单元，用于接收数据处理单元输出的时间同步后的多源测量数据量，调用辨识算法完成频率、阻尼、振型模态参数的辨识和结果评价。
7、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述地面设计验证系统具有支撑仿真验证的七类软件功能模块，包括运行于规划单元中的任务规划模块、辨识工况设计模块和在轨实施流程设计模块，运行于测量模拟单元中的敏感器接口模拟模块，运行于数据处理单元的数据接收和存储模块、图像解析和三维坐标解算模块，运行于辨识单元中的辨识模块。
8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，任务规划模块用于执行理论模态参数计算、激励信号设计、飞行姿态设计、试验窗口设计，以得到任务规划工况条件；任务规划模块设计得到的工况条件输入至辨识工况设计模块，进行仿真场景设置，还输入至在轨实施流程设计模块，进行在轨实施流程设计；
9、辨识工况设计模块包括动力学仿真工具集和试验约束评估仿真工具集；动力学仿真工具集用于完成仿真场景设置；其中，初始时刻通过太阳、月球星历模型设置；初始轨道通过轨道动力学模型设置，轨道动力学模型输出的实时轨道输入至刚柔耦合姿态动力学模型；初始姿态通过刚柔耦合姿态动力学模型设置，刚柔耦合姿态动力学模型输出的模态坐标和控制指令输入到挠性结构有限元模型，以得到有限元节点振动位移，并输入到测量敏感器模型；测量敏感器模型根据仿真场景布局设置，将模拟测量数字量输出至辨识模块；试验约束评估仿真工具集包括光学相机动态杂光仿真模型、目标点运动测性仿真模型、激励安全性约束评估仿真模型、地面测控弧段仿真模型；动力学仿真工具集输出环境光照条件、轨道位置、姿态、有限元节点响应位移和受力分析至试验约束评估仿真工具集，以完成对试验约束评估；试验约束评估结果返回至任务规划模块，以指导任务规划调整；
10、在轨实施流程设计模块用于执行测量敏感器参数设置、状态准备，根据初步频率分布，对小幅值主动激励工况频率摸底，在安全性边界确认后，执行被动激励工况频率初探，之后选择激励强度和频谱，并主动激励工况频率、阻尼、振型精测；在轨实施流程设计模块输出的结果用于返回至任务规划模块，以指导任务规划优化；
11、敏感器接口模拟模块根据各敏感器通信接口和数据格式定义生成模拟的敏感器原始测量物理量；
12、数据接收和存储模块接收并存储测量物理量；
13、图像解析和三维坐标解算模块进行多源数据时间拉齐、图像解析和三维坐标解算，输出处理后的测量数字量；
14、辨识模块从辨识工况设计模块获取模拟测量数字量，完成测量数据处理、模态参数辨识、辨识结果分析与评价和报告生成；辨识模块输出的辨识评估结果返回至任务规划模块，以指导任务规划调整。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种空间大型挠性结构在轨模态参数辨识地面设计验证系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面设计验证系统具有支撑仿真验证的七类软件功能模块，包括运行于规划单元中的任务规划模块、辨识工况设计模块和在轨实施流程设计模块，运行于测量模拟单元中的敏感器接口模拟模块，运行于数据处理单元的数据接收和存储模块、图像解析和三维坐标解算模块，运行于辨识单元中的辨识模块。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，任务规划模块用于执行理论模态参数计算、激励信号设计、飞行姿态设计、试验窗口设计，以得到任务规划工况条件；任务规划模块设计得到的工况条件输入至辨识工况设计模块，进行仿真场景设置，还输入至在轨实施流程设计模块，进行在轨实施流程设计；
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统支持设计仿真模式、半物理仿真模式和在轨飞控模式，设计仿真模式用于在方案设计阶段为设计人员对方案合理性复核提供数字仿真环境；半物理仿真模式用于在地面半物理验证阶段为设计人员对整个试验系统交互关系、信息时序、处置流程的正确性验证提供半物理仿真环境；
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在设计仿真模式下运行规划单元和辨识单元，规划单元根据当前仿真工况的激励信号，通过动力学计算模拟的振动测量数字量提供给辨识单元，辨识单元据此给出当前仿真工况的辨识结果，并根据评估情况对于任务规划、工况、流程进行优化迭代设计；
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统在任务规划模块中用于执行以下步骤：
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述辨识工况设计模块包括动力学仿真工具集和试验约束评估仿真工具集两部分，动力学仿真工具集用于进行刚柔耦合姿态动力学、轨道动力学仿真，试验约束评估仿真工具集用于对动力学仿真工具集的输出结果从试验约束条件的符合性进行仿真评估；
8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述在轨实施流程设计模块用于根据辨识工况设计模块输出的备选工况设计序列，利用在轨实施流程设计模块从安全性、高效率方面进行挑选并排序，实现最小辨识次数下的辨识结果最优；在轨实施流程设计模块用于执行以下步骤：
9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述辨识模块包括测量数据处理、参数辨识、辨识结果分析与评价、报告生成四部分，
10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述敏感器接口模拟模块用于执行以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种空间大型挠性结构在轨模态参数辨识地面设计验证系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面设计验证系统具有支撑仿真验证的七类软件功能模块，包括运行于规划单元中的任务规划模块、辨识工况设计模块和在轨实施流程设计模块，运行于测量模拟单元中的敏感器接口模拟模块，运行于数据处理单元的数据接收和存储模块、图像解析和三维坐标解算模块，运行于辨识单元中的辨识模块。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，任务规划模块用于执行理论模态参数计算、激励信号设计、飞行姿态设计、试验窗口设计，以得到任务规划工况条件；任务规划模块设计得到的工况条件输入至辨识工况设计模块，进行仿真场景设置，还输入至在轨实施流程设计模块，进行在轨实施流程设计；
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统支持设计仿真模式、半物理仿真模式和在轨飞控模式，设计仿真模式用于在方案设计阶段为设计人员对方案合理性复核提供数字仿真环境；半物理仿真模式用于在地面半物理验证阶段为设计人员对整个试验系统交互关系、信息时序、处置流程的正确性验证提供半物理仿真环境；在轨飞控模式用于在航天器在轨飞行期间的飞控支持阶段辅助设计人员完成数据处理和辨识结果评估工作。
5.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：郎燕，张国琪，张锦江，郭朝礼，梁鹤，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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