用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统和验证方法与流程

本发明涉及挠性卫星控制精度仿真评估研究领域，具体涉及一种用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统和验证方法。

背景技术：

由于卫星在外太空运行或者进行机动的时候，机动速度快，机动轨迹不够平滑，导致太阳能电池阵列出现挠性振动，对卫星的姿态运动和轨道运动造成影响，导致卫星不能实现正常机动，无法达到期望姿态与位置，这对挠性卫星的挠性振动分针提出了更高的要求。对于这一要求，传统的挠性振动分析不能提出完整的量化方案，无法进一步对挠性卫星的精确控制进行评估，对卫星挠性振动所导致的后果无法实现地面实时模拟。

技术实现要素：

本发明提供一种用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统和验证方法，解决挠性卫星空间运动或机动过程中太阳能电池阵列出现挠性振动的量化的问题，提高控制系统精度。

为实现上述目的，本发明提供一种用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统，其特点是，该系统包含：

模拟太阳能电池阵，其通过调节模拟太阳能电池阵与卫星中心体安装的不同角度，模拟太阳能电池阵的对卫星中心体的不同耦合干扰作用；

挠性特性测量与辨识子系统，其电路连接模拟太阳能电池阵，测量模拟太阳能电池阵的挠性振动变形信息。

上述系统还包含：

干扰激励模拟子系统，其模拟并输出模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体的耦合干扰力矩；

高精度零重力模拟系统和位姿随动子系统，其通过悬吊的方式为模拟太阳能电池阵提供零重力环境；

三轴气浮平台，其输入端电路连接模拟太阳能电池阵、干扰激励模拟子系统、高精度零重力模拟系统和位姿随动子系统，整合分析得到零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩。

上述系统还包含：试验评估子系统，其输入端电路连接三轴气浮平台，接收零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩，对模拟太阳能电池阵的振动测量信息和三轴气浮平台的三轴姿态角及三轴姿态角速度信息进行滤波分析，并与期望的模拟太阳能电池阵振动信息和三轴气浮平台的三轴姿态角与三轴姿态角速度信息进行对比，从而对挠性振动抑制方法和姿态控制方法的效果进行评估。

上述系统还包含：监控子系统，其通信连接三轴气浮平台，检测三轴气浮平台的实时三轴姿态角和三轴姿态角速度信息，并与期望的姿态角和姿态角速度指令对比，测定卫星姿态控制系统的姿态控制精度。

上述监控子系统的还通信连接并检测模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统、位姿随动子系统和干扰激励模拟子系统的工作状态，根据工作状态分别对模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统、位姿随动子系统和干扰激励模拟子系统进行实时调节、或暂停工作、或停止工作。

上述系统还包含监控子系统，监控子系统输入端通信连接三轴气浮平台、模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统、位姿随动子系统和干扰激励模拟子系统，输出端通信连接试验评估子系统，将三轴气浮平台、模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统、位姿随动子系统和干扰激励模拟子系统的工作状态输出至试验评估子系统，对模拟太阳能电池阵的振动测量信息和三轴气浮平台的三轴姿态角及三轴姿态角速度信息进行滤波分析，并与期望的模拟太阳能电池阵振动信息和三轴气浮平台的三轴姿态角与三轴姿态角速度信息进行对比，从而对挠性振动抑制方法和姿态控制方法的效果进行评估。

一种上述用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统的验证方法，其特点是，该验证方法包含：

模拟太阳能电池阵设定角度；

挠性特性测量与辨识子系统测量模拟太阳能电池阵的挠性振动变形信息。

上述验证方法还包含：

干扰激励模拟子系统模拟并输出模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体的耦合干扰力矩；

高精度零重力模拟系统和位姿随动子系统通过悬吊的方式为模拟太阳能电池阵提供零重力环境；

三轴气浮平台整合分析从干扰激励模拟子系统、模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统和位姿随动子系统接收的零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩。

上述验证方法还包含：试验评估子系统接收三轴气浮平台输出的零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩，以及三轴气浮平台、模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统、位姿随动子系统和干扰激励模拟子系统的工作状态，对模拟太阳能电池阵的振动测量信息和三轴气浮平台的三轴姿态角及三轴姿态角速度信息进行滤波分析，并与期望的模拟太阳能电池阵振动信息和三轴气浮平台的三轴姿态角与三轴姿态角速度信息进行对比，从而对挠性振动抑制方法和姿态控制方法的效果进行评估。。

上述验证方法还包含：监控子系统监控模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统、位姿随动子系统和干扰激励模拟子系统的工作状态，根据工作状态分别对模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统、位姿随动子系统和干扰激励模拟子系统进行实时调节、或暂停工作、或停止工作，检测三轴气浮平台的实时三轴姿态角和三轴姿态角速度信息，并与期望的姿态角和姿态角速度指令对比，测定卫星姿态控制系统的姿态控制精度。

本发明用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统和验证方法和现有技术相比，其优点在于，本发明首先根据挠性卫星出现挠性振动的原因，设计全新的挠性振动物理试验模型；其次在挠性振动物理仿真试验模型的基础上，加入高精度零重力模拟系统、位姿随动系统、干扰激励模拟子系统，确保与卫星的外太空工作环境相吻合，试验结果更加具有说服力；最后，加入试验性能评估子系统和监控子系统，对于挠性振动结果进行评估，对卫星控制系统控制精度进行仿真试验评估。

附图说明

图1为本发明用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统实施例一的系统框图；

图2为本发明用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统实施例二的系统框图；

图3为本发明地面物理仿真验证系统所适用的振动试验框架结构示意图；

图4为本发明试验评估子系统的系统框图；

图5为高精度姿态控制系统性能验证与分析系统的试验方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明公开了一种用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统的实施例一，该系统包含：模拟太阳能电池阵、高精度零重力模拟系统120、位姿随动子系统130、干扰激励模拟子系统140、挠性特性测量与辨识子系统150、试验评估子系统160和三轴气浮平台180。

模拟太阳能电池阵110通过调节模拟太阳能电池阵与卫星中心体安装的不同角度，模拟太阳能电池阵的对卫星中心体的不同耦合干扰作用，从而为姿态控制系统提供多个验证系统特性。

挠性特性测量与辨识子系统150电路连接模拟太阳能电池阵110，用于测量模拟太阳能电池阵110的挠性振动变形信息，对模拟太阳能电池阵110的力学特性，包含固有频率、模态阻尼，进行分析，为后续的挠性振动特性辨识系统提供数据输入。

干扰激励模拟子系统140输出端连接三轴气浮平台180，用于根据模拟太阳能电池阵110的安装角度以及挠性弯曲情况，模拟并输出模拟太阳能电池阵110的挠性振动对卫星中心体的耦合干扰力矩。

高精度零重力模拟系统120和位姿随动子系统130通过悬吊的方式为模拟太阳能电池阵110提供零重力环境。高精度零重力模拟系统120和位姿随动子系统130组成如图3中的试验框架，包含龙门架313、气浮轴系310、气浮轴承311、气足312、气浮环309、吊索306、力传感器307、吊架305和连接点308。

三轴气浮平台180输入端电路连接模拟太阳能电池阵110、干扰激励模拟子系统140、高精度零重力模拟系统120和位姿随动子系统130，接收干扰激励模拟子系统140输出的模拟干扰力矩、高精度零重力模拟系统120和位姿随动子系统130的位置、姿态角和姿态角速度数据，对这些数据进行整合，分析得到零重力情况下模拟太阳能电池阵110的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩。

试验评估子系统160的输入端电路连接三轴气浮平台180，接收三轴气浮平台180输出的零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩，对模拟太阳能电池阵的振动测量信息和三轴气浮平台的三轴姿态角及三轴姿态角速度信息进行滤波分析，并与期望的模拟太阳能电池阵振动信息和三轴气浮平台的三轴姿态角与三轴姿态角速度信息进行对比，进而对挠性振动抑制方法和姿态控制方法的效果进行评估。

上述一种用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统实施例一的验证方法包含：

挠性振动仿真试验平台首先给模拟太阳能电池阵110设定角度。挠性特性测量与辨识子系统150则测量模拟太阳能电池阵110的挠性振动变形信息。

另外，干扰激励模拟子系统140模拟并输出模拟太阳能电池阵110的挠性振动对卫星中心体的耦合干扰力矩。高精度零重力模拟系统120和位姿随动子系统130通过悬吊的方式为模拟太阳能电池阵110提供零重力环境。三轴气浮平台180整合分析从干扰激励模拟子系统140、模拟太阳能电池阵110、高精度零重力模拟系统120和位姿随动子系统130接收的零重力情况下模拟太阳能电池阵110的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩。

试验评估子系统160接收三轴气浮平台180输出的零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩，以及三轴气浮平台180、模拟太阳能电池阵110、高精度零重力模拟系统120、位姿随动子系统130和干扰激励模拟子系统140的工作状态，进行滤波分析和进行评估。

如图2所示，本发明公开了一种用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统的实施例二，该系统包含：模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230、干扰激励模拟子系统240、挠性特性测量与辨识子系统250、试验评估子系统260、监控子系统270和三轴气浮平台280。

模拟太阳能电池阵210通过调节模拟太阳能电池阵与卫星中心体安装的不同角度，模拟太阳能电池阵的对卫星中心体的不同耦合干扰作用，从而为姿态控制系统提供多个验证系统特性。

挠性特性测量与辨识子系统250电路连接模拟太阳能电池阵210，用于测量模拟太阳能电池阵210的挠性振动变形信息，对模拟太阳能电池阵210的力学特性，包含固有频率、模态阻尼，进行分析，为后续的挠性振动特性辨识系统提供数据输入。

干扰激励模拟子系统240输出端连接三轴气浮平台280，用于根据模拟太阳能电池阵210的安装角度以及挠性弯曲情况，模拟并输出模拟太阳能电池阵210的挠性振动对卫星中心体的耦合干扰力矩。

高精度零重力模拟系统220和位姿随动子系统230通过悬吊的方式为模拟太阳能电池阵210提供零重力环境。

三轴气浮平台280输入端电路连接模拟太阳能电池阵210、干扰激励模拟子系统240、高精度零重力模拟系统220和位姿随动子系统230，接收干扰激励模拟子系统240输出的模拟干扰力矩、高精度零重力模拟系统220和位姿随动子系统230的位置、姿态角和姿态角速度数据，对这些数据进行整合，分析得到零重力情况下模拟太阳能电池阵210的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩。

监控子系统270通信连接三轴气浮平台280，模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230和干扰激励模拟子系统240。监控子系统270实施检测模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230和干扰激励模拟子系统240的工作状态，根据工作状态分别对模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230和干扰激励模拟子系统240进行实时调节、或暂停工作、或停止工作。

监控子系统270还实时检测检测三轴气浮平台280的三轴姿态角及三轴姿态角速度信息进行滤波分析，并与期望的三轴气浮平台的三轴姿态角与三轴姿态角速度信息进行对比，进而对姿态控制方法的效果进行评估。

监控子系统270的输出端通信连接试验评估子系统260，将三轴气浮平台280、模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230和干扰激励模拟子系统240的工作状态输出至试验评估子系统260。

试验评估子系统260的输入端电路连接三轴气浮平台280和监控子系统270，接收三轴气浮平台280输出的零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩，以及监控子系统270输出的各模块的工作状态，对模拟太阳能电池阵的振动测量信息和三轴气浮平台的三轴姿态角及三轴姿态角速度信息进行滤波分析，并与期望的模拟太阳能电池阵振动信息和三轴气浮平台的三轴姿态角与三轴姿态角速度信息进行对比，进而对挠性振动抑制方法和姿态控制方法的效果进行评估。

上述一种用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统实施例二的验证方法包含：

模拟太阳能电池阵210设定角度。挠性特性测量与辨识子系统250测量模拟太阳能电池阵210的挠性振动变形信息。

另外，干扰激励模拟子系统240模拟并输出模拟太阳能电池阵210的挠性振动对卫星中心体的耦合干扰力矩。高精度零重力模拟系统220和位姿随动子系统230通过悬吊的方式为模拟太阳能电池阵210提供零重力环境。

三轴气浮平台280整合分析从干扰激励模拟子系统240、模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220和位姿随动子系统230接收的零重力情况下模拟太阳能电池阵210的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩。

试验评估子系统260接收三轴气浮平台280输出的零重力情况下模拟太阳能电池阵的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩，以及三轴气浮平台280、模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230和干扰激励模拟子系统240的工作状态，进行滤波分析和进行评估。

监控子系统270监控模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230和干扰激励模拟子系统240的工作状态，根据工作状态分别对模拟太阳能电池阵210、高精度零重力模拟系统220、位姿随动子系统230和干扰激励模拟子系统240进行实时调节、或暂停工作、或停止工作，并且检测三轴气浮平台280的运动和卫星姿态控制系统的性能。

如图3所示，为地面物理仿真验证系统一种实施例所适用的振动试验框架的结构示意图。该振动试验框架，即高精度零重力模拟系统120和位姿随动子系统130包含：龙门架313、气浮轴系310、气浮轴承311、气足312、气浮环309、吊索306、力传感器307、吊架305和连接点308。

龙门架313包含支架及架设在支架顶部的圆盘结构。

气浮环309对应圆盘结构的边缘设置于龙门架313圆盘结构上。

气浮轴系310设置于圆盘结构的中心位置。

气足312设置于气浮环309上。

气浮轴系310与气足312之间架设有横杆。

气浮轴承311套设在横杆外。

吊索306吊设在气浮轴承311下，吊索306分为两段，两段之间通过连接点308连接。

力传感器307设置于连接点308所在的位置。

吊架305设置于吊索306的下端。

模拟太阳能电池阵301吊设在吊架305下方。

三轴气浮平台302包含固定于某一平面的基座304，以及气浮架设在基座304上的台体303。模拟太阳能电池阵301通过机械方式与台体303固定连接。

如图4所示，为本发明用于挠性卫星挠性振动评估的地面物理仿真验证系统的试验评估子系统的一种实施例。该试验评估子系统包含：理论模型单元401、试验数据存储与处理单元402、性能准则单元403、数据处理分析单元404和输出显示单元405。

理论模型单元401输出端电路连接性能准则单元403输入端，性能准则单元403输出端电路连接性能准则单元403输入端，性能准则单元403接收理论数据和试验数据，得到理论数据与试验数据之间的关系。数据处理分析单元404的输入端电路连接性能准则单元403的输出端，对性能准则单元403的输出极性处理，得到对试验数据的评估结果。输出显示单元405的输入端电路连接数据处理分析单元404的输出端，接收评估结果进行显示输出。

如图5并集合图2所示，为高精度姿态控制系统性能验证与分析系统的试验方法示意图。

其中，模拟太阳电池阵511与三轴气浮平台512组成刚柔耦合系统510。

三轴气浮平台512与干扰激励模拟子系统520连接。干扰激励模拟子系统520根据模拟太阳能电池阵511的安装角度以及挠性弯曲情况，模拟并输出模拟太阳能电池阵511的挠性振动对卫星中心体的耦合干扰力矩。

三轴气浮平台512与输出端连接至高精度姿态控制系统530，三轴气浮平台512整合分析得到零重力情况下模拟太阳能电池阵210的挠性振动对卫星中心体所产生的干扰力矩。高精度姿态控制系统530根据三轴气浮平台512的输出对模拟太阳能电池阵511进行姿态控制。

高精度姿态控制系统530输出端连接至姿态控制系统性能验证系统540，姿态控制系统性能验证系统540接收高精度姿态控制系统530的控制性能数据进行验证，并反馈至高精度姿态控制系统530。

姿态控制系统性能验证系统540的输出端连接至姿态控制系统性能分析系统550，其接收控制性能数据进行分析，得出性能分析评估与参数优化改进信号，反馈至高精度姿态控制系统530，以优化对模拟太阳能电池阵511及卫星姿态的控制。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。