一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法技术

本发明专利技术公开了一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法，该方法首先建立地面测试航天器有限元模型以及在轨航天器有限元模型；并进行模态分析后提取频率、振型数据，确定两个模型的频率、振型的一一对应关系；建立和确定减缩模型的正确性；最后通过BP网络实现从地面微振动测试状态的频率、振型到在轨状态的频率和振型之间的映射；根据映射得到的在轨模型的频率、振型，进行在轨模型的动力学响应分析。本发明专利技术消除了地面微振动测试状态下空气、重力、悬挂约束对地面微振动测试的影响，实现地面测试对实际在轨状态微振动特性的预示。同时该方法可以实现地面微振动测试数据和在轨测试数据的相互比较，验证地面微振动测试的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法
本专利技术是一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境方法，通过此方法，实现地面测试状态对实际在轨状态微振动特性的预示。
技术介绍
随着社会经济的发展，高分辨率航天器无疑是航天器发展的方向，如美国的KH系列军事观察卫星，从KH-1到KH-13其分辨率从12m提高到0.05m。深空探测遥感航天器与对地观测卫星相比，其分辨率要高出1～2个数量级，如哈勃空间望远镜(0.1角秒，1990年)。下一代空间望远镜詹姆斯·韦伯太空望远镜分辨率达0.004角秒。微振动指航天器在轨运行期间，星上转动部件高速转动、大型可控构件驱动机构步进运动、变轨调姿期间推力器点火工作、大型柔性结构进出阴影冷热交变诱发扰动等都会使星体产生一种幅值较小、频率较高的抖动响应。大多数航天器都存在微振动扰动源。由于微振动力学环境效应幅值小、频率高，对大部分航天器不会产生明显影响，通常予以忽略。但对高精度航天器将严重影响有效载荷指向精度、稳定度及分辨率等重要性能指标，所以在高分辨率航天器设计中必须考虑微振动的影响。由于空间飞行器在轨工作时所处的动力学环境极其复杂，加之在轨测试的成本高，且姿态控制系统对微振动响应无法测控，因此目前对航天器微振动的研究主要采用数值模拟和地面微振动测试两种方法。根据国外公开的文献开展调研工作，目前各国规模较大的且技术较成熟的地面微振动测试平台主要有Honeywell公司的SCT地面微振动测试台，JPL实验室的MPI地面微振动测试台以及SSL实验室的OT地面微振动测试台。然而地面测试和在轨航天器力学环境仍然存在很大的差异，地面微振动测试环境中的重力场、空气、约束(悬挂装置)等因素可能会使地面测试结果与在轨航天器微振动特性出现较大差别。因此，地面微振动测试结果仅仅能用于评估，并不能准确分析航天器在轨微振动特性。为了得到在轨航天器的微振动特性，而航天器结构复杂，难以得到航天器微振动的解析解，因此目前主要采用数值模拟的方法，美国等科研机构对此开展了大量的研究。MIT空间系统实验室开发了微振动集成建模与综合评价分析软件DOCS；NASA开发了能够进行抖振和结构/热/光学分析系统IME。虽然目前数值模拟能够在一定程度上得到航天器的微振动特性，但存在计算效率差和应用范围窄等问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法，所述方法消除地面测试状态下空气、重力、约束对微振动特性的影响，实现地面测试对实际在轨状态微振动特性的预示。本专利技术提供的映射方法包括以下步骤：(1)建立模拟地面微振动测试力学环境的地面测试航天器有限元模型以及在轨航天器有限元模型；(2)通过对地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型分别进行模态分析，提取频率、振型数据，分别建立地面测试模态坐标减缩模型和在轨模态坐标减缩模型，并确定地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型的频率、振型的一一对应关系。(3)根据地面测试模态坐标减缩模型和地面测试航天器有限元模型的相应对比，确定地面测试模态坐标减缩模型的正确性；根据在轨模态坐标减缩模型和在轨航天器有限元模型的响应对比，确定在轨模态坐标减缩模型的正确性；(4)通过BP(BackPropagation)网络实现考虑重力、约束、空气力学环境因素的从地面测试状态的频率、振型到在轨状态的频率和振型之间的映射，得到在轨航天器有限元模型的频率、振型。(5)根据映射得到的在轨航天器有限元模型的频率、振型，进行在轨航天器有限元模型的动力学响应分析。本专利技术提供的映射方法优点在于：实现了航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射，消除了地面微振动测试状态下空气、重力、约束对地面微振动测试的影响，实现地面测试对实际在轨状态微振动特性的预示。同时该映射方法可以实现地面微振动测试数据和在轨测试数据的相互比较，验证地面微振动测试的有效性。附图说明图1是本专利技术映射方法的流程图；图2是本专利技术航天器在轨和地面测试力学环境比较；图3是本专利技术三级映射的流程图；图4是本专利技术实例地面模态坐标减缩模型与有限元模型的时域响应对比；图5是本专利技术实例地面微振动时域响应相对误差随时间变化图；图6是本专利技术实例在轨模态坐标减缩模型与有限元模型的微振动时域响应对比；图7是本专利技术实例在轨微振动时域响应相对误差随时间变化图；图8是本专利技术实例预测在轨微振动时域响应；图9是本专利技术实例预测在轨响应与减缩模型响应相比相对误差随时间变化图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法，如图1所示流程，所述映射方法包括如下步骤：(1)建立航天器有限元模型，包括地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型；建立在轨航天器有限元模型：根据给定典型航天器结构参数，进行在轨航天器有限元模型建立。建模完成后通过进行参数型模型修正如材料刚度、弹簧刚度以及模态阻尼比等，使调整后的数学模型尽可能的全面反映航天器结构的动力学特性(如频响函数、固有频率等)。建立地面测试航天器有限元模型：由于在进行地面测试时，需要对卫星增加边界条件模拟，如进行吊绳悬挂，同时会受到重力、空气的影响，因此在参数型模型修正完成后的在轨航天器有限元模型基础上，采用梁单元模拟建立吊绳，重力的影响可通过增加预应力来模拟，空气的影响可通过附加质量来模拟。(2)建立地面测试模态坐标减缩模型和在轨模态坐标减缩模型，确定地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型的频率、振型的一一对应关系。多自由度阻尼系统满足下面方程：其中，M、K、C分别为质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵，u(t)分别表示t时刻的加速度、速度、位移，u0、分别表示初始位移、初始速度，f(t)为t时刻的外力。因此，地面测试航天器有限元模型与在轨航天器有限元模型之间的映射关系，可以看成两模型质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵之间的映射关系。以固有振型矩阵Φ引入坐标变换u(t)＝Φq(t)，q(t)代表模态坐标，则方程(1)转换为：将选取的固有振型矩阵关于模态质量归一化，则有，Mq＝ΦTMΦ＝I，Kq＝ΦTKΦ＝diag[ω2]，Cq＝ΦTCΦ(3)Mq、Cq、Kq分别为模态坐标下的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵，I表示单位阵，diag[ω2]表示以各阶频率ω平方为对角线的对角阵，将阻尼近似处理为比例阻尼，此时方程(2)转换为n个单自由度阻尼系统：qj、ζj、ωj分别表示第j个模态坐标的广义位移、广义速度、广义加速度、阻尼比、频率，将方程组(4)按照频率从小到大排列，取前m(1<m<n)阶对应的方程组，引入状态向量X，X＝[x11,x22,…,x1j,x2j,…,x1m,x2m](5)其中则式(4)可以改写成以矢量形式表达的含有2m个一阶微分方程的微分系统：X'＝f(X)(6)通过Runge-Kutta数值积分求解，得到系统在物理坐标下的位移为：由以上推导过程可知，建立地面测试航天器有限元模型与在轨航天器有限元模型之间的映射关系，等效于建立地面测试航天器有限元模型与在轨航天器有限元模型之间特征值、特征向量的映射关系。针对地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型，利用Nastran二次开发语言DMAP，分别提取地面测试航天器有限元模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法，其特征在于：第一步，建立模拟地面微振动测试力学环境的地面测试航天器有限元模型以及在轨航天器有限元模型；第二步，通过对地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型分别进行模态分析，提取频率、振型数据，分别建立地面测试模态坐标减缩模型和在轨模态坐标减缩模型，并确定地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型的频率、振型的一一对应关系；第三步，根据地面测试模态坐标减缩模型和地面测试航天器有限元模型的响应对比，确定地面测试模态坐标减缩模型的正确性；根据在轨模态坐标减缩模型和在轨航天器有限元模型的响应对比，确定在轨模态坐标减缩模型的正确性；第四步，通过BP网络实现考虑重力、悬挂约束、空气力学环境因素的从地面测试状态的频率、振型到在轨状态的频率和振型之间的映射，得到在轨航天器有限元模型的频率、振型；第五步，根据映射得到的在轨航天器有限元模型的频率、振型，进行在轨航天器有限元模型的动力学响应分析。

【技术特征摘要】
1.一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法，其特征在于：第一步，建立模拟地面微振动测试力学环境的地面测试航天器有限元模型以及在轨航天器有限元模型；第二步，通过对地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型分别进行模态分析，提取频率、振型数据，分别建立地面测试模态坐标减缩模型和在轨模态坐标减缩模型，并确定地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型的频率、振型的一一对应关系；第三步，根据地面测试模态坐标减缩模型和地面测试航天器有限元模型的响应对比，确定地面测试模态坐标减缩模型的正确性；根据在轨模态坐标减缩模型和在轨航天器有限元模型的响应对比，确定在轨模态坐标减缩模型的正确性；第四步，通过BP网络实现考虑重力、悬挂约束、空气力学环境因素的从地面测试状态的频率、振型到在轨状态的频率和振型之间的映射，得到在轨航天器有限元模型的频率、振型；第五步，根据映射得到的在轨航天器有限元模型的频率、振型，进行在轨航天器有限元模型的动力学响应分析。2.根据权利要求1所述的一种航天器地面测试与在轨微振动力学环境映射方法，其特征在于：所述的地面测试航天器有限元模型和在轨航天器有限元模型建立完成后进行参数型模型修正；所述的地面测试航天器有限元模型在在轨航天器有限元模型基础上，采用梁单元模拟建立吊绳，重力的影响通过增加预应力来模拟，空气的影响通过增加附加质量来模拟。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李道春，罗文波，向锦武，赵仕伟，吴琼，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11