本發(fā)明涉及空間引力波探測(cè)，具體涉及一種非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)方法、系統(tǒng)、終端及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、空間引力波探測(cè)“太極計(jì)劃”利用激光干涉方法，測(cè)量?jī)蓹z驗(yàn)質(zhì)量間皮米級(jí)的光程變化從而反演引力波信息，要求檢驗(yàn)質(zhì)量在敏感軸方向的總殘余加速度小于3×10-15m·s-2·hz-1/2。為保證引力波探測(cè)系統(tǒng)靈敏度，需要通過無拖曳控制技術(shù)盡可能降低衛(wèi)星受到的非保守力的干擾，如太陽(yáng)光壓作用，使得檢驗(yàn)質(zhì)量處于自由懸浮狀態(tài)。檢驗(yàn)質(zhì)量與航天器的耦合剛度相當(dāng)于一彈簧作用，主要由自引力剛度、靜磁剛度和靜電耦合剛度組成。在無拖曳閉環(huán)控制過程中，檢驗(yàn)質(zhì)量位移殘差與航天器動(dòng)態(tài)耦合剛度共同貢獻(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量殘余加速度，該噪聲隨位移及耦合剛度的變化而變化，因此對(duì)于引力波探測(cè)航天器實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量的在軌剛度辨識(shí)是必要的。

2、文獻(xiàn)“ziegler?t,fichter?w.test?mass?stiffness?estimation?for?the?lisapathfinder?drag-free?system[c]//aiaa?guidance,navigation?and?controlconference?and?exhibit.2007:6669.”針對(duì)lisa?pathfinder任務(wù)需求，從航天器和檢驗(yàn)質(zhì)量的差分動(dòng)力學(xué)出發(fā)，利用線性參數(shù)辨識(shí)的方法實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量的在軌剛度辨識(shí)，估計(jì)誤差優(yōu)于3×10-8s-2。lisa?pathfinder是lisa引力波探測(cè)計(jì)劃的技術(shù)驗(yàn)證星，兩檢驗(yàn)質(zhì)量同軸放置驗(yàn)證無拖曳控制相關(guān)技術(shù)性能。而對(duì)于實(shí)際的空間引力波探測(cè)計(jì)劃(如lisa、太極計(jì)劃等)，兩檢驗(yàn)質(zhì)量成v型非同軸擺放。目前國(guó)內(nèi)外主要研究無拖曳控制方法及模型構(gòu)建，對(duì)于其中涉及到的相關(guān)剛度參數(shù)采用預(yù)置或簡(jiǎn)化的方式，非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)方法暫未有公開成果，該問題亟待解決。

3、目前沒有發(fā)現(xiàn)同本發(fā)明類似技術(shù)的說明或報(bào)道，也尚未收集到國(guó)內(nèi)外類似的資料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)方法、系統(tǒng)、終端及介質(zhì)。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)方法，包括：

3、構(gòu)建檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型；

4、基于所述檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，將模型參數(shù)沿雙檢驗(yàn)質(zhì)量敏感軸方向分解，剝離航天器加速度和主要的角加速度擾動(dòng)對(duì)在軌辨識(shí)的影響，得到在軌剛度辨識(shí)動(dòng)力學(xué)模型；

5、向所述檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型中添加激勵(lì)信號(hào)，結(jié)合星上傳感裝置和相關(guān)控制環(huán)路，采樣相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)；

6、基于所述在軌剛度辨識(shí)動(dòng)力學(xué)模型和所述相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，采用最小二乘辨識(shí)算法實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)。

7、優(yōu)選地，所述構(gòu)建檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，包括：

8、航天器構(gòu)型內(nèi)部檢驗(yàn)質(zhì)量tm1和tm2呈v型非同軸擺放，從兩檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)位移出發(fā)，構(gòu)建檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型如下：

9、

10、式中，r1、r2表示tm1和tm2相對(duì)標(biāo)稱位置的位移矢量，r01、r02表示從航天器質(zhì)心到tm1和tm2中心的位置矢量，ωb表示航天器的角速度，f1、f2表示作用在tm1和tm2上的每單位質(zhì)量的力，包括作用到檢驗(yàn)質(zhì)量上的剛度效應(yīng)、靜電力和偏置擾動(dòng)等，fb1、fb2表示在tm1和tm2坐標(biāo)系下航天器本體受到的每單位質(zhì)量的力，包括作用到航天器上的太陽(yáng)光壓等，表示參數(shù)對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)，表示參數(shù)對(duì)時(shí)間求二階導(dǎo)數(shù)；

11、tm1剛度與航天器耦合表示為：

12、

13、式中，fi1、τi1表示tm1剛度在i軸上與航天器耦合的每單位質(zhì)量的力和每單位慣量的力矩，x1、y1、z1、θ1、η1、表示tm1的6軸坐標(biāo)，k1mn表示tm1在其各軸方向上的耦合剛度，其中，i＝x、y、z；

14、tm2剛度與航天器耦合表示與式(2)相似；

15、通過式(1)和式(2)，得到兩檢驗(yàn)質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。

16、優(yōu)選地，所述作用在tm1和tm2上的每單位質(zhì)量的力f1和f2，包括作用到檢驗(yàn)質(zhì)量上的剛度效應(yīng)、靜電力和偏置擾動(dòng)等。

17、優(yōu)選地，所述在tm1和tm2坐標(biāo)系下航天器本體受到的每單位質(zhì)量的力fb1和fb2，包括作用到航天器上的太陽(yáng)光壓等。

18、優(yōu)選地，所述基于所述檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，將模型參數(shù)沿雙檢驗(yàn)質(zhì)量敏感軸方向分解，剝離航天器加速度和主要的角加速度擾動(dòng)對(duì)在軌辨識(shí)的影響，得到在軌剛度辨識(shí)動(dòng)力學(xué)模型，包括：

19、將式(1)沿tm1敏感軸方向分解，忽略剛度交叉耦合項(xiàng)，得到：

20、

21、式中，fm1x1、fm2x2、fm2y2表示作用在tm1x1向、tm2x2向和tm2y2向上每單位質(zhì)量的靜電力，fdx1、fdx2、fdy2表示作用在tm1x1向、tm2x2向和tm2y2向上每單位質(zhì)量的偏置擾動(dòng)，fbx1表示在x1向上航天器本體受到的每單位質(zhì)量的力，α表示移動(dòng)光學(xué)組件的夾角；

22、將式(1)沿tm2敏感軸方向分解，忽略剛度交叉耦合項(xiàng)，得到：

23、

24、式中，fm1y1表示作用在tm1y1向上每單位質(zhì)量的靜電力，fdy1表示作用在tm1y1向上每單位質(zhì)量的偏置擾動(dòng)，fbx2表示在x2向上航天器本體受到的每單位質(zhì)量的力；

25、記r＝r02-r01，表示tm1到tm2中心的位置矢量；

26、由式(3)消去航天器擾動(dòng)fbx1，得到：

27、

28、由式(4)消去航天器擾動(dòng)fbx2，得到：

29、

30、根據(jù)矢量叉乘運(yùn)算，在航天器本體坐標(biāo)系中有：

31、

32、式中，aω表示由航天器轉(zhuǎn)動(dòng)而引入的相關(guān)加速度，rx、ry、rz表示位置矢量r的三軸分量，ωx、ωy、ωz表示航天器角速度ωb的三軸分量，表示參數(shù)對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)；

33、將式(7)分別代入式(5)和式(6)消去主要的角加速度擾動(dòng)得到：

34、

35、式中，φ1表示航天器本體坐標(biāo)系x軸與tm1敏感軸的夾角，φ2表示航天器本體坐標(biāo)系x軸與tm2敏感軸的夾角，aωx表示aω在航天器本體坐標(biāo)系下x軸的分量。

36、優(yōu)選地，所述向所述檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型中添加激勵(lì)信號(hào)，結(jié)合星上傳感裝置和相關(guān)控制環(huán)路，采樣相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，包括：

37、在添加系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)的情況下，結(jié)合航天器實(shí)際構(gòu)型、星上傳感裝置和相關(guān)控制環(huán)路，獲取式(8)中的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，參數(shù)數(shù)據(jù)包括：檢驗(yàn)質(zhì)量位移、靜電力、航天器角速度和角加速度等；由于式(8)中剛度辨識(shí)項(xiàng)k1xx、k1yy、k2xx、k2yy均為一次項(xiàng)，故將式(8)改寫為：

38、

39、式中，as、bs、cs、ds、es對(duì)應(yīng)式(8)中的相關(guān)系數(shù)，下標(biāo)s表示采樣的次數(shù)，s＝1、2、…、n，r對(duì)應(yīng)式(8)中由偏置擾動(dòng)組成的常量。

40、優(yōu)選地，所述基于所述在軌剛度辨識(shí)動(dòng)力學(xué)模型和所述相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，采用最小二乘辨識(shí)算法實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)，包括：

41、記：

42、x＝[k1xx?k1yy?k2xx?k2yy?r]t??(23)

43、

44、y＝[e1?e2?…?en]t??(25)

45、則根據(jù)式(9)得到剛度辨識(shí)項(xiàng)的最小二乘解為：

46、

47、式中，表示由最小二乘辨識(shí)得到的剛度和常量。

48、根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)系統(tǒng)，包括：

49、動(dòng)力學(xué)模塊，該模塊用于構(gòu)建檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型；

50、參數(shù)分解模塊，該模塊基于所述檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，將模型參數(shù)沿雙檢驗(yàn)質(zhì)量敏感軸方向分解，剝離航天器加速度和主要的角加速度擾動(dòng)對(duì)在軌辨識(shí)的影響，得到在軌剛度辨識(shí)動(dòng)力學(xué)模型；

51、數(shù)據(jù)采樣模塊，該模塊用于向所述檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型中添加激勵(lì)信號(hào)，結(jié)合星上傳感裝置和相關(guān)控制環(huán)路，采樣相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)；

52、剛度辨識(shí)模塊，該模塊基于所述在軌剛度辨識(shí)動(dòng)力學(xué)模型和所述相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，采用最小二乘辨識(shí)算法實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)。

53、根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)終端，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，該處理器執(zhí)行該計(jì)算機(jī)程序時(shí)可用于執(zhí)行本發(fā)明上述中任一項(xiàng)所述的方法，或，運(yùn)行本發(fā)明上述中所述的系統(tǒng)。

54、根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)可用于執(zhí)行本發(fā)明上述中任一項(xiàng)所述的方法，或，運(yùn)行本發(fā)明上述中所述的系統(tǒng)。

55、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下至少一項(xiàng)的有益效果：

56、本發(fā)明提供的非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)方法、系統(tǒng)、終端及介質(zhì)，可有效實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)中非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量剛度的在軌辨識(shí)，填補(bǔ)該領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容的缺失。

57、本發(fā)明提供的非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)方法、系統(tǒng)、終端及介質(zhì)，從檢驗(yàn)質(zhì)量的相對(duì)位移出發(fā)構(gòu)建檢驗(yàn)質(zhì)量相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，通過沿雙檢驗(yàn)質(zhì)量敏感軸方向分解，消除航天器加速度和主要的角加速度擾動(dòng)對(duì)在軌辨識(shí)的影響，實(shí)現(xiàn)外擾抑制，提高辨識(shí)精度。

58、本發(fā)明提供的非同軸檢驗(yàn)質(zhì)量在軌剛度辨識(shí)方法、系統(tǒng)、終端及介質(zhì)，依托無拖曳控制、引力波星上高精度傳感等條件，在軌辨識(shí)方法簡(jiǎn)單有效，具有較高的精度且易于實(shí)施。