針對(duì)衛(wèi)星太陽電池陣的在軌模態(tài)辨識(shí)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及衛(wèi)星太陽電池陣，具體地，設(shè)及針對(duì)衛(wèi)星太陽電池陣的在軌模態(tài)辨識(shí) 系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于空間微重力環(huán)境的存在，使得衛(wèi)星上大陣面太陽電池陣系統(tǒng)很難保持在地面 上的構(gòu)型，而且太陽電池陣在空間由于冷熱交變、振動(dòng)禪合等原因，其結(jié)構(gòu)外形都會(huì)發(fā)生一 定的變化，因而對(duì)其結(jié)構(gòu)在太空中進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)顯得非常的 重要，而我國對(duì)于太陽電池陣的低頻密集模態(tài)的理論研究和應(yīng)用方面還處于最初級(jí)的階 段，進(jìn)行了一點(diǎn)辨識(shí)算法的仿真研究工作，地面研究尚不充分。
[0003] 目前衛(wèi)星太陽電池陣的模態(tài)參數(shù)辨識(shí)，存在W下問題：
[0004] 1)受地面試驗(yàn)條件限制，不能準(zhǔn)確可靠的展現(xiàn)太陽電池陣在軌狀態(tài)，導(dǎo)致整星設(shè) 計(jì)過程中可靠性偏高或者偏低，使得設(shè)計(jì)過程中參數(shù)與在軌實(shí)際情況不一致;使得太陽電 池陣與整星的模態(tài)產(chǎn)生振動(dòng)禪合，導(dǎo)致姿態(tài)穩(wěn)定度下降，影響載荷和整星的工作和壽命，存 在著可靠性問題、薄弱環(huán)節(jié)W及事故隱患；
[0005] 2)缺乏高精度、低頻密集模態(tài)辨識(shí)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種針對(duì)衛(wèi)星太陽電池陣的在軌模 態(tài)辨識(shí)系統(tǒng)及方法。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明提供的針對(duì)衛(wèi)星太陽電池陣的在軌模態(tài)辨識(shí)系統(tǒng)，包括:脈沖激勵(lì)模 塊、信號(hào)采集模塊、衛(wèi)星在軌振動(dòng)監(jiān)測(cè)與模態(tài)識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；
[000引-所述脈沖激勵(lì)模塊，用于對(duì)衛(wèi)星太陽電池陣進(jìn)行脈沖激勵(lì)；
[0009] -所述信號(hào)采集模塊，包括若干傳感器，所述若干傳感器被設(shè)置在衛(wèi)星太陽電池陣 上構(gòu)成測(cè)點(diǎn)，用于采集衛(wèi)星太陽電池陣上各個(gè)測(cè)點(diǎn)所在位置的脈沖響應(yīng)信號(hào)；
[0010] -所述數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈沖響應(yīng)信號(hào)傳送到地面；
[0011] -所述衛(wèi)星在軌振動(dòng)監(jiān)測(cè)與模態(tài)識(shí)別模塊，用于接收和監(jiān)測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈沖響應(yīng) 信號(hào)，并采集衛(wèi)星在軌穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，太陽電池陣受脈沖激勵(lì)所產(chǎn)生的加速度響應(yīng)信號(hào)， 并利用加速度響應(yīng)信號(hào)構(gòu)造化nkel矩陣來進(jìn)行模態(tài)辨識(shí)；
[0012] -所述數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈沖響應(yīng)信號(hào)構(gòu)造特征系統(tǒng)狀態(tài)方程， 并通過構(gòu)造化nkel矩陣獲取太陽電池陣在軌模態(tài)參數(shù)。
[0013] 優(yōu)選地，所述信號(hào)采集模塊還包括:數(shù)據(jù)采集卡、傳輸線，所述數(shù)據(jù)采集卡能夠?qū)?壓電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，所述傳輸線為抗干擾屏蔽傳輸線。
[0014] 優(yōu)選地，所述脈沖激勵(lì)模塊利用衛(wèi)星姿軌控的推力器點(diǎn)火對(duì)太陽電池陣造成脈沖 激勵(lì)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明提供的針對(duì)衛(wèi)星太陽電池陣的在軌模態(tài)辨識(shí)方法，包括如下步驟：
[0016] 步驟1:在衛(wèi)星發(fā)射升空之前，在太陽電池陣上布置若干傳感器，所述若干傳感器 構(gòu)成測(cè)點(diǎn)；
[0017] 步驟2:在衛(wèi)星穩(wěn)態(tài)控制過程中，通過使姿態(tài)控制用和軌道控制用的推力器點(diǎn)火的 方法對(duì)太陽電池陣進(jìn)行脈沖激振；
[0018] 步驟3:由數(shù)傳通道發(fā)送指令，打開數(shù)據(jù)采集器，采集太陽電池陣上各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置 的振動(dòng)響應(yīng)，該振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為加速度信號(hào)；
[0019] 步驟4:振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)數(shù)傳通道傳送到地面，作為衛(wèi)星在軌振動(dòng)監(jiān)測(cè)與模態(tài)辨識(shí) 系統(tǒng)的輸入；
[0020] 步驟5:根據(jù)特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法，即邸A法，由各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈沖響應(yīng)信號(hào)構(gòu)造化nkel 矩陣；
[0021] 步驟6:對(duì)化nkel矩陣進(jìn)行奇異值分解，獲取矩陣的特征值，從而獲取太陽電池陣 在軌模態(tài)參數(shù)。
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟5中提到的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法，具體如下：
[0023] 假設(shè)給定系統(tǒng)的輸入-輸出特性為傳遞函數(shù)G(s)，尋找系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述矩陣 (A，B，C)，使得該矩陣滿足：
[0024] C(sI-A)-1b=G(s)，
[0025] 其中，I表示單位矩陣，
[0026] 則稱矩陣(A，B，C)為系統(tǒng)G(s)的一個(gè)特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；
[0027] 當(dāng)T為與系統(tǒng)矩陣A同階非奇異方陣時(shí)，（riAT，riB，CT)同樣是系統(tǒng)的一個(gè)
[0028] 實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)的各種實(shí)現(xiàn)中，系統(tǒng)矩陣A階次最低的實(shí)現(xiàn)稱之為最小實(shí)現(xiàn)，也稱之
[0029] 為特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
[0030] 優(yōu)選地，所述步驟5中包括：
[0031 ]步驟5.1:構(gòu)造特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法的連續(xù)與離散時(shí)間系統(tǒng)狀態(tài)方程；
[0032]設(shè)Μ為ηΧη階質(zhì)量陣，K為ηΧη階剛度陣，D為ηΧη階阻尼陣，f(t)為1維輸入向量，Bf為nXl階輸入分配矩陣，W為η維位移向量，表示W(wǎng)關(guān)于時(shí)間的二階向量，》KO表示W(wǎng)關(guān) 于時(shí)間的一階向量，則系統(tǒng)二階振動(dòng)微分方程如下：
[0038] 則振動(dòng)方程用狀態(tài)向量可表示為：
[0039]
(41)
[0040] 上式為連續(xù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程，X為化X1階狀態(tài)向量，2為系統(tǒng)矩陣，是化X化階矩 陣，遠(yuǎn)為控制矩陣，是化XI階矩陣，y為m維輸出向量，C為mX化階測(cè)量矩陣，游)表示X關(guān)于 時(shí)間的一階狀態(tài)向量；
[0041]當(dāng)矩陣和度為時(shí)間的函數(shù)時(shí)，所述特征系統(tǒng)是時(shí)變的；
[0042] 當(dāng)J和i為常矩陣，式(3)為一階常微分方程組，假定t=t〇時(shí)初始條件為x(t〇)，則 式(3)的解為
[0043]
(42)
[0044]式中：τ表示時(shí)間變量，e表指數(shù)運(yùn)算，.如表示在t-to的系統(tǒng)矩陣；
[0045] 假定則寸間間隔Ts等間隔采樣，即采樣點(diǎn)為t=to+kTs，k= 0，l，2，...，由式(4)得：
[0048]由于離散時(shí)間序列在一個(gè)采樣間隔內(nèi)采樣值保持不變，由此可得
[0049]
(44)
[0050] 在公式中省略Ts，連續(xù)系統(tǒng)(3)所對(duì)應(yīng)的離散形式為：
[0化4] 當(dāng)系統(tǒng)輸入為單位脈沖時(shí)，即fi(0) = = 1，且fi化）=0化=1,2,...) 時(shí)，由式(7)可得系統(tǒng)各離散時(shí)刻的脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣如下：
[005引h(0)=CB，h(l)=CAB，...
[0化6] (47)
[0057] h(k)=CAkB h(k+l)=CAk"B，...
[0化引其中，
[0059]
(48)
[0060] hij化)為k時(shí)刻激勵(lì)點(diǎn)j和響應(yīng)點(diǎn)i之間的脈沖響應(yīng)函數(shù)值，Mk)稱為Markov參數(shù)矩 陣；
[0061] 步驟5.2:利用各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈沖響應(yīng)信號(hào)構(gòu)造化址el矩陣；
[0062] 化址el矩陣由Markov參數(shù)矩陣按照下列形式構(gòu)成：
[0063]
(49)
[0064] 如果α+1 >r，β+1 >r，r表示系統(tǒng)的階次，則矩陣mk)的秩為r，由式（11)
[00化]可得
[0069]Ρα分別稱為系統(tǒng)的觀測(cè)矩陣，化稱為控制矩陣，若系統(tǒng)的階次為r，則狀態(tài)矩陣的最 小維數(shù)為rXr，若系統(tǒng)可控可觀，則巧，留0的階次為r，因此化nkel分塊矩陣Η化)的階次為 r〇
[0070] 優(yōu)選地，所述步驟6包括：
[0071]假定存在矩陣好叫馬足
[007^
(鏈）
[0073]其中Ir為r階單位陣，根據(jù)式(12)，
[0074]
(53)
[0075]可知礦是化nkel矩陣H(0)的偽逆，對(duì)H(0)進(jìn)行奇異值分解，分解公式如下：
[0076]
[0077] 其中，U，V為正交矩陣，S為如下方陣：
[007引
（巧）
[0079]其中
[0082] 設(shè)Ur，Vr為U，V正交矩陣的前r列，貝IJ
[0083]
(58)
[0093]其中m表示測(cè)點(diǎn)數(shù)目，1表示激勵(lì)點(diǎn)數(shù)目，I表示單位矩陣，0表示零矩陣;根據(jù)公式 (11)，（12)，有
[0109] 矩陣(A，B，C)即為特征系統(tǒng)的最小實(shí)現(xiàn)；
[0110] 利用如下標(biāo)準(zhǔn)特征方程，確定矩陣A的特征值和特征向量：
[0111] ΑΦ=ΦΛ(73)Λ為r階對(duì)角矩陣，其對(duì)角線上的元素為矩陣A的第k階特征值為 ，相應(yīng)特征向量為特征向量矩陣Φ的第k列；
[0112] 設(shè)求得的特征值A(chǔ)k為
[0113]
(74)
[0114]由此可求得系統(tǒng)的模態(tài)頻率Ok和阻尼比Ck，即<