空間站大型撓性結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)在軌測(cè)量及辨識(shí)方法標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)研究報(bào)告EnglishTitleResearchReportontheStandardizationofOn-orbitMeasurementandIdentificationMethodsforModalParametersofLargeFlexibleStructuresinSpaceStations摘要隨著我國(guó)空間站工程的深入推進(jìn)，大型撓性結(jié)構(gòu)（如太陽(yáng)翼、機(jī)械臂等）的在軌動(dòng)力學(xué)特性對(duì)整體控制系統(tǒng)的影響日益顯著。本報(bào)告系統(tǒng)闡述了《空間站大型撓性結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)在軌測(cè)量及辨識(shí)方法》標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)的目的意義、適用范圍及主要技術(shù)內(nèi)容。研究表明，由于天地差異難以消除，地面試驗(yàn)無(wú)法完全模擬空間環(huán)境，導(dǎo)致在軌動(dòng)力學(xué)模型存在較大不確定性，可能影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性能。本標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)規(guī)范在軌激勵(lì)、測(cè)量與辨識(shí)流程，旨在提升模態(tài)參數(shù)辨識(shí)的準(zhǔn)確性與可靠性，為模型修正、控制參數(shù)優(yōu)化及在軌健康監(jiān)測(cè)提供技術(shù)依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅服務(wù)于空間站各艙段的定期監(jiān)測(cè)，還將支持新材料試驗(yàn)、國(guó)際合作及未來(lái)大型撓性航天器的研制，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和國(guó)際推廣潛力。關(guān)鍵詞空間站；撓性結(jié)構(gòu)；模態(tài)參數(shù)；在軌測(cè)量；系統(tǒng)辨識(shí)；動(dòng)力學(xué)模型；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范SpaceStation;FlexibleStructure;ModalParameters;On-orbitMeasurement;SystemIdentification;DynamicModel;Standardization正文一、立項(xiàng)目的與意義空間站上的大型太陽(yáng)翼、機(jī)械臂等撓性部件在軌展開(kāi)后，由于其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性與姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)高度耦合，可能對(duì)控制性能與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。受地面試驗(yàn)條件限制及天地差異等因素制約，在地面難以對(duì)這類(lèi)大型空間撓性結(jié)構(gòu)的在軌動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行精確建模，導(dǎo)致空間站入軌后動(dòng)力學(xué)模型存在顯著不確定性，可能引發(fā)控制指標(biāo)下降甚至系統(tǒng)失穩(wěn)。我國(guó)空間站的天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙已在軌對(duì)大型柔性太陽(yáng)翼開(kāi)展撓性振動(dòng)測(cè)量，并基于在軌數(shù)據(jù)成功辨識(shí)獲取高精度結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。這些辨識(shí)結(jié)果為艙段姿軌控系統(tǒng)的控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)估提供了關(guān)鍵依據(jù)，同時(shí)支持了太陽(yáng)翼地面模型的修正，有力保障了我國(guó)首次23噸級(jí)大型航天器快速交會(huì)對(duì)接任務(wù)的順利實(shí)施。本標(biāo)準(zhǔn)旨在規(guī)范空間站撓性結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的在軌辨識(shí)流程，明確在軌激勵(lì)、測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的方法要求，實(shí)現(xiàn)模態(tài)參數(shù)的高精度辨識(shí)，進(jìn)而支持動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化與控制參數(shù)調(diào)整。結(jié)合空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)需求，本標(biāo)準(zhǔn)面向五類(lèi)主要應(yīng)用群體：1.空間站各艙段自帶大型撓性結(jié)構(gòu)的在軌辨識(shí)試驗(yàn)；2.新材料、新結(jié)構(gòu)的在軌科學(xué)試驗(yàn)與驗(yàn)證；3.中國(guó)空間站運(yùn)營(yíng)中的國(guó)際合作；4.國(guó)際技術(shù)交流與經(jīng)驗(yàn)推廣；5.未來(lái)大型撓性航天器的在軌辨識(shí)試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)的制定將系統(tǒng)總結(jié)和規(guī)范大型撓性航天器在軌測(cè)量與辨識(shí)方法，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)空白，為類(lèi)似航天器任務(wù)提供設(shè)計(jì)依據(jù)與技術(shù)支撐。二、適用范圍與主要技術(shù)內(nèi)容1.適用范圍本標(biāo)準(zhǔn)適用于空間站大型撓性結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的在軌測(cè)量與辨識(shí)試驗(yàn)，同時(shí)可供其他具有大型撓性結(jié)構(gòu)的航天器參考使用。2.主要技術(shù)內(nèi)容本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了空間站在軌開(kāi)展模態(tài)參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn)的各項(xiàng)技術(shù)要求，包括：-在軌辨識(shí)目的：獲取撓性結(jié)構(gòu)在微重力環(huán)境下的模態(tài)參數(shù)，為修正有限元模型和動(dòng)力學(xué)模型提供依據(jù)；分析不同激勵(lì)條件下的自由響應(yīng)特性，支持控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化；監(jiān)測(cè)模態(tài)參數(shù)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在軌健康狀態(tài)診斷。-在軌辨識(shí)原理：通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)激勵(lì)激發(fā)撓性結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)，利用振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)，并基于模態(tài)辨識(shí)方法完成參數(shù)識(shí)別。-控制分系統(tǒng)要求：辨識(shí)過(guò)程中需確?？臻g站姿態(tài)可控，姿態(tài)角及角速度誤差需同時(shí)滿(mǎn)足辨識(shí)任務(wù)需求與安全性約束。-激勵(lì)方式要求：可采用姿控/軌控推力器、控制力矩陀螺或太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)施主動(dòng)激勵(lì)，亦可利用外部擾動(dòng)實(shí)施被動(dòng)激勵(lì)。-測(cè)量要求：通常使用陀螺、加速度計(jì)或光學(xué)相機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。傳感器頻率響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋待測(cè)頻率，采樣頻率需大于振動(dòng)頻率上限的2倍，且數(shù)據(jù)信噪比應(yīng)滿(mǎn)足辨識(shí)精度要求。-辨識(shí)方法要求：應(yīng)有效提取模態(tài)頻率、阻尼和振型等參數(shù)，推薦采用成熟方法如FFT（快速傅里葉變換）或ERA（特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法）。同時(shí)需識(shí)別真?zhèn)文B(tài)，推薦基于結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理或穩(wěn)定圖的方法。-辨識(shí)有效性評(píng)價(jià)：需分析并量化測(cè)量數(shù)據(jù)誤差、處理誤差及方法誤差帶來(lái)的影響，通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審確認(rèn)辨識(shí)結(jié)果滿(mǎn)足任務(wù)需求。介紹修訂的企事業(yè)單位或標(biāo)委會(huì)本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位為中國(guó)空間技術(shù)研究院。該院是我國(guó)空間技術(shù)領(lǐng)域的核心研發(fā)機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)期從事航天器總體設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析與在軌試驗(yàn)技術(shù)研究，具備豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。在空間站任務(wù)中，該院承擔(dān)了多個(gè)艙段的研制與在軌測(cè)試工作，積累了大型撓性結(jié)構(gòu)在軌辨識(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與方法。其技術(shù)團(tuán)隊(duì)曾主導(dǎo)完成天和核心艙與問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙太陽(yáng)翼模態(tài)參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn)，為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的科學(xué)性與實(shí)用性提供了堅(jiān)實(shí)保障。結(jié)論《空間站大型撓性結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)在軌測(cè)量及辨識(shí)方法》標(biāo)準(zhǔn)的制定，將系統(tǒng)解決大型撓性結(jié)構(gòu)在軌動(dòng)力學(xué)建模與控制的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，提升空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性。該標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于當(dāng)前空間站任務(wù)，還將支持未來(lái)新材料驗(yàn)證、國(guó)際合作及大型撓性航天器的發(fā)展。通過(guò)規(guī)范技術(shù)流程與方法，本標(biāo)準(zhǔn)有助于推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、國(guó)際化，增強(qiáng)我國(guó)在航天動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際影響力。建議加快標(biāo)準(zhǔn)研制進(jìn)程，盡快應(yīng)用于工程實(shí)踐，并為后續(xù)深空探測(cè)、大型衛(wèi)星等任務(wù)提供技術(shù)支撐。參考文獻(xiàn)[1]中國(guó)空間技術(shù)研究院.空間站動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)綜述[J].航天器工程,202