飞轮扰动下大口径长焦距光学成像系统的视轴误差的分析与试验

为了分析飞轮产生的微振动对高分辨率卫星成像质量的影响,建立了某高分辨率卫星的结构动力学模型,测量飞轮在轨工作时产生的微振动,并基于整星层次计算卫星在飞轮扰动下视轴误差。计算结果表明该高分辨率卫星光学成像系统的视轴误差的关键模态为第8与9阶模态,主镜与次镜对视轴误差贡献最大,可以优化主镜与次镜相关结构参数提高光学卫星的成像质量。为验证整星结构设计与微振动分析优化的准确性与合理性,针对整星初样开展地面微振动试验,该卫星在轨姿控系统为偏置动量轮设计,通过星上Z/Y轴动量轮模拟在轨实际工作转速,分别在卫星悬吊状态以及固支状态下测量了卫星颤振情况。分析与试验结果表明:整星微振动时角位移的仿真计算结果与试验结果相比,其相对误差α为11.13%,绝对值为0.009 94″,小于0.01″,初步认为在轨遥感图像质量不会受微振动影响而退化,并为光学遥感卫星的微振动设计提供了参考。     

航天器中反作用轮干扰力仿真研究

为了评估航天器上存在的反作用轮产生微振动力学环境对其有效荷载的指向精度和稳定度的影响，提出一种数值模拟航天器振动控制中激励源的新思路。以Ithaco B-wheel测试实验为背景模拟功率谱数据，对航天器飞轮干扰力经典线性稳态模型进行参数识别。在此基础上，推导了飞轮干扰力功率谱函数，并采用修正傅里叶谱法得到飞轮干扰力的时程曲线，作为研究航天器隔减振系统的激励源。结果表明，模拟的时程曲线符合反作用轮干扰力作为微振动力学环境的特征。     

磁悬浮飞轮不平衡振动控制方法与试验研究

针对磁悬浮飞轮不平衡振动会造成飞轮系统的同频扰动,影响卫星姿态控制精度与卫星载荷精度的问题,提出一种开环轴承力补偿的磁悬浮飞轮不平衡振动控制方法。将抑制轴承力中的同频量作为控制目标,通过建立含有不平衡量的磁悬浮飞轮系统动力学模型,分析刚性转子不平衡量的特性,在自适应陷波器基础上,加入位移刚度力补偿机构、开闭环控制和位移刚度力补偿控制两个作用开关,在整个转速范围内对轴承力中的同频量进行抑制。本方法特别适合磁悬浮飞轮输出姿态控制力矩时频繁穿越临界转速的特点,尤其适合磁悬浮反作用飞轮的应用。仿真分析和试验结果表明,本方法在整个转速范围内对飞轮转子的不平衡振动起到很好的抑制效果。     

飞轮组件微振动对高分辨率光学卫星光轴的影响

为了研究高分辨率光学卫星星上飞轮的微振动对卫星成像质量的影响,分别建立了飞轮扰动模型和整星结构动力学模型。首先,对飞轮组件系统进行了地面扰动测试,对实测扰动数据的分析表明,飞轮组件在与转速相关的一阶频率50Hz处产生一次谐波,在190Hz与280Hz左右存在与转速无关的一系列峰值。然后,对整星进行了单位正弦激励,获得了光轴角位移响应,并对其与飞轮实测扰动数据进行了集成分析。分析结果表明:整星在50~80 Hz和230~280Hz的角位移响应有较多的谐振响应频率成分,沿光轴方向和垂直光轴方向整星光轴的角位移最大谐振响应幅值分别为2.718″、2.739″,在245Hz左右存在较多幅值为0.5″量级的谐波。分析显示飞轮组件微振动对高分辨率光学卫星成像质量影响较大,得到的结果可为整星系统的优化设计和隔振补偿措施提供参考依据。     

基于指数窗截取递推最小二乘法的齿轮啮合刚度辨识算法研究

齿轮在机械传动系统中有着广泛应用,由于齿轮啮合过程中参与啮合的轮齿对数周期变化,因此,齿轮啮合刚度为时变参数,在啮合时会产生啮合振动。当齿轮副出现齿根裂纹时,啮合刚度会减小,齿轮啮合产生的系统振动响应也发生改变,通过振动响应辨识齿轮啮合刚度能够监测齿轮副的健康状态。针对齿轮啮合刚度的时变特征,提出了基于指数窗截取递推最小二乘(Exponential window recursive least square,EWRLS)算法和振动信号瞬时频率的齿轮啮合刚度辨识方法。进行啮合刚度辨识时,EWRLS算法将输入、输出齿轮的转速曲线分别作为辨识输入信号和观测信号,使用指数窗函数进行数据截断,使用递推最小二乘算法估计系统参数。为了计算输入、输出齿轮的转速曲线,使用经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)方法将振动信号分解为具有不同变化频率的本征模态函数(Intrinsic mode function,IMF),并根据IMF的平均频率重构输入、输出齿轮的特征信号。通过Hilbert变换计算特征信号的瞬时频率曲线,从而获得各齿轮的转速曲线。使用仿真和实测信号对算法进行验证,结果表明,EWRLS算法能够辨识齿轮副的时变啮合刚度。     

主动补偿式超低干扰力矩气浮转台的设计

由于微纳卫星反作用飞轮的输出力矩与气浮转台的干扰力矩属于同一量级,故无法直接采用气浮转台实现微纳卫星姿态动力学仿真及姿控系统的地面试验验证。为了解决这一问题,设计并研制了主动补偿式超低干扰力矩气浮转台。对气浮转台的干扰力矩进行分析,提出了3种减小干扰力矩的方法:通过优化设计,降低了黏滞阻尼力矩;通过配置斜向节流孔,并单独供气,产生大小可调的主动涡流以抵消气浮轴承的固有涡流,从而降低涡流力矩;利用气浮轴承的摆动特性实现高精度平衡调节,减弱了重力诱导力矩。最后,设计了微小力矩测量装置,测量了剩余干扰力矩并基于测试结果来指导涡流力矩和重力诱导力矩补偿过程。测试结果显示:气浮转台实现的干扰力矩小于5×10-5 Nm,小于反作用飞轮的最小输出1×10-4 Nm,满足微纳卫星姿态动力学及控制的地面验证需求。     

旋转机械转速波动检测及故障诊断

针对旋转机械运行转速波动导致信息获取及诊断决策困难问题,以非平稳信号的瞬时频率估计为切入点,结合快速路径优化算法进行非平稳信号的瞬时频率估计,以实现转速波动信息的准确获取。基于参数化时频分析理论的短时阶比原理,依据估计的振动信号瞬时频率变化函数构造匹配旋转算子,将转速波动信号的时频特征进行旋转,获得各时频窗内的短时阶次谱,进而完整保留转速波动信号的瞬态信息。仿真及实验结果表明,该方法可以准确提取出旋转机械转速波动工况下的状态信息及故障特征,为后续故障精密诊断奠定基础。     

自动化立体仓库巷道堆垛机的振动测试与工作模态分析

在运行条件下对自动化立体仓库巷道堆垛机进行了振动测试。使用频域分解技术(FDD)和时域随机状态子空间辨识技术(SSI)分别从加速度响应数据提取了堆垛机的工作模态参数，包括固有频率、阻尼比和模态振型。在0～87Hz频带内采用两种不同的模态参数辨识方法估计的5个模态相当一致。分析结果表明：两种辨识算法都是有效的，估计的模态参数是可靠的。分析结果对于堆垛机的动力学修改和运行状态监控有重要的应用价值。     

光学遥感卫星信息获取能力指数的评估

提出了一种客观评估遥感卫星获取信息能力的指数模型。分析了影响遥感卫星信息获取能力的主要因素,包括运行轨道、成像分辨率、成像幅面、姿态机动能力等。以目标综合辨识量作为衡量标准,建立了涵盖成像分辨率、目标重访、姿态机动能力等要素的信息获取能力指数评价模型。介绍了模型的实现流程和具体步骤。该模型集成目标获取数量和目标获取精度两个维度信息,可实现遥感卫星信息获取能力的综合评估。以世界观测(Worldview)卫星系列、昴星团(Pleiades)和高景一号(Superview-1)等国内外光学遥感卫星为例进行了验证分析。结果表明,该指数模型能够对性能各异遥感卫星的信息获取能力做出准确评估,如WorldView-3的分辨率不到WorldView-1的分辨率的两倍,但信息获取能力却是其是3倍多;Superview-1分辨率比Pleiades高,但实际信息获取能力还不到后者的一半。得到的结果验证了提出模型的有效性,表明提出的模型可为综合评价光学遥感卫星遥感能力提供量化参考,为光学遥感手段的发展提供评估模型支持。     

移动最小二乘法的时变结构模态参数辨识

研究时变结构模态参数辨识,基于泛函矢量时变自回归模型(Functional series vector time-dependent AR model,FS-VTAR)提出一种改进的移动最小二乘法的时变结构模态参数辨识方法。该方法源于无网格法中构造形函数进行局部近似的思想,引入带权正交基函数对移动最小二乘(Moving least square,MLS)的基函数进行改进,使得在辨识时间域内构造形函数矩阵过程中不再出现数值条件问题,从而提高了计算精度。把时变系数在形函数上线性展开,利用最小二乘法得到形函数的系数,从而得到时变系数。把时变模型特征方程转换为广义特征值问题提取出模态参数。利用时变刚度系统非平稳振动信号验证该方法,结果表明:改进的移动最小二乘法相比于传统的FS-VTAR模型能有效地避免基函数形式的选择和很高的基函数阶数且更加高效,相比于移动最小二乘法能有效地避免辨识过程中的数值问题,具有更高的模态参数辨识精度。     

基于商用现货的高分辨卫星微振动抑制系统设计

提出了通过合理选取和改进商用现货（COTS）的振动参数对振动部件安装位置进行优化的方法,以解决带有高分辨率光学载荷的小卫星微振动抑制问题。与其他隔振系统设计方法不同,所提方法不需对振动机理建模,而是直接通过振动部件微振动特性分析,选取合适的COTS隔振产品并对参数进行微调;利用Newmark法对蜂窝夹层结构进行动力学响应分析,得到了振动部件的合理安装位置,取得了较好的隔振效果。仿真、振动实验和飞行数据表明,振动部件在敏感频段的微振动抑制率达到90%,整星地面测量微振动引起的次镜角位移不超过0.04″,卫星在轨微振动环境能够满足相机使用要求。所提出的微振动抑制系统设计方法为后续工程实践提供了参考。     

基于AVMD与改进能量算子的非稳态谐波分析

针对非稳态谐波分析中时频参数检测精度较低的问题,提出一种基于自适应变分模态分解(AVMD)与改进能量算子的非稳态电力谐波分析方法。首先,采用AVMD对非稳态谐波信号进行分解,其中采用波形特征匹配法对非稳态谐波信号进行延拓以减轻边界效应影响,并提出能量差和相关系数作为AVMD中模态分解个数的判据;结合模态分量,提出改进间隔采样能量算子快速提取谐波的瞬时幅值和频率,根据差分和信号完成其起止时刻的定位,实现非稳态谐波时频参数的快速准确测量。仿真与实测结果表明,本文方法能够在电网工频波动、间谐波以及噪声干扰等情况下有效完成非稳态谐波的准确检测,实现暂态谐波的精确定位,且对非稳态谐波频率、幅值的最大检测误差分别为0.094 9%和0.931 4%。     

可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路

分析了现行光学遥感仪器辐射定标方法的局限性,以满足定量化遥感的精度及多数据融合比对研究的需求。设计了以空间低温辐射计为初级辐射基准,以太阳为光源,包括太阳单色仪、太阳光谱仪、传递辐射计、太阳漫反射板等组件在内的可在轨溯源的光学遥感仪器辐射定标基准传递链路。首先以低温辐射计和太阳光源建立的光谱辐射基准定标传递辐射计和太阳光谱仪;然后利用传递辐射计定标太阳漫反射板,建立对地光谱辐亮度基准;继而将基准传递至地球光谱成像仪作为对地观测标准,从而实现对其它卫星光学遥感器的交叉定标。对光学遥感仪器辐射定标基准传递链路各个环节的分析显示,辐射定标基准传递链路的测量相对不确定度为0.75%。结果表明,以此辐射基准传递链路构建覆盖我国空天一体的遥感定标网络可为建立平行于地面基准体系的空间数据质量保障体系奠定技术基础。     

IDENTIFICATION OF TIME-VARYING MODAL PARAMETERS USING LINEAR TIME-FREQUENCY REPRESENTATION

A new method of parameter identification based on linear time-frequency representation andHilbert transform is proposed to identify modal parameters of linear time-varying systems frommeasured vibration responses. Using Gabor expansion and synthesis theory measured responses arerepresented in the time-frequency domain and modal components are reconstructed by time-frequencyfiltering. The Hilbert transform is applied to obtain time histories of the amplitude and phase angle ofeach modal component, from which time-varying frequencies and damping ratios are identified. The     

遥感器正弦振动试验的有限元法

提出了利用模态分析、谐响应分析以及载荷谱变换来实现遥感器正弦振动试验的有限元方法.简述了模态分析、谐响应分析的功能及其理论基础;说明了常用正弦振动试验载荷谱的形式及其变换方法;研究了结构系统阻尼的实现方法;最后以箱形结构为例,说明该方法的可行性.     

基于电压信号深度特征学习的谐波减速器健康状态识别

目前工业机器人谐波减速器健康状态识别多以振动信号为载体,需要外加测试系统,增加了数据获取难度及成本,且其准确性和有效性受传感器安装位置影响。基于此,提出基于电压信号深度特征学习的谐波减速器健康状态识别方法。利用工业机器人电机电压信号对谐波减速器健康状态进行表征,使用连续小波变换将电压信号转换成时频图以获得谐波减速器不同健康状态下电压信号的时频信息,构建出数据样本集。利用卷积神经网络对电压信号时频信息进行自学习,并有监督调整网络参数,在获得谐波减速器不同健康状态下电压信号深度特征的同时实现对其健康状态的识别。实验结果显示,所提方法识别准确率达到了90%以上,证明了该方法能够有效识别谐波减速器健康状态,并具有较好的泛化能力和稳健性。     

Time-frequency characterization of nonlinear normal modes and challenges in nonlinearity identification of dynamical systems

Presented here is a new time-frequency signal processing methodology based on Hilbert-Huang transform (HHT) and a new conjugate-pair decomposition (CPD) method for characterization of nonlinear normal modes and parametric identification of nonlinear multiple-degree-of-freedom dynamical systems. Different from short-time Fourier transform and wavelet transform, HHT uses the apparent time scales revealed by the signal's local maxima and minima to sequentially sift components of different time scales. Because HHT does not use pre-determined basis functions and function orthogonality for component extraction, it provides more accurate time-varying amplitudes and frequencies of extracted components for accurate estimation of system characteristics and nonlinearities. CPD uses adaptive local harmonics and function orthogonality to extract and track time-localized nonlinearity-distorted harmonics without the end effect that destroys the accuracy of HHT at the two data ends. For parametric identification, the method only needs to process one steady-state response (a free undamped modal vibration or a steady-state response to a harmonic excitation) and uses amplitude-dependent dynamic characteristics derived from perturbation analysis to determine the type and order of nonlinearity and system parameters. A nonlinear two-degree-of-freedom system is used to illustrate the concepts and characterization of nonlinear normal modes, vibration localization, and nonlinear modal coupling. Numerical simulations show that the proposed method can provide accurate time-frequency characterization of nonlinear normal modes and parametric identification of nonlinear dynamical systems. Moreover, results show that nonlinear modal coupling makes it impossible to decompose a general nonlinear response of a highly nonlinear system into nonlinear normal modes even if nonlinear normal modes exist in the system.     

Continuous-time operational modal analysis in the presence of harmonic disturbances—The multivariate case

Recently [R. Pintelon, B. Peeters, P. Guillaume, Continuous-time operational modal analysis in the presence of harmonic disturbances, Mechanical Systems and Signal Processing 22 (5) (2008) 1017–1035] a single-output algorithm for continuous-time operational modal analysis in the presence of harmonic disturbances with time-varying frequency has been developed. This paper extends the results of Pintelon, et al. [Continuous-time operational modal analysis in the presence of harmonic disturbances, Mechanical Systems and Signal Processing 22 (5) (2008) 1017–1035] to multi-output signals. The statistical performance of the proposed maximum likelihood estimator is illustrated on simulations and real helicopter data.     

正则化总体最小二乘用于光学线阵遥感影像定位

针对光学线阵遥感影像几何定位中,系统误差改正参数对应系数矩阵存在误差的问题,提出了一种基于正则化总体最小二乘的光学线阵遥感影像定位方法。首先依据有理函数模型的定义,构建共线条件方程,利用线性化构建光学线阵影像定位方法和系统误差改正方法,然后依据EIV模型的定义和性质构建相应的优化目标函数,并引入正则化项,依据Lagrange条件极值原理推导基于正则化总体最小二乘的系统误差参数迭代估计方法。实验结果表明:与经典的最小二乘平差算法相比,该方法的总体定位精度提高了11.61%,且比Tikhonov正则化法的定位精度平均提高了6.06%。本文提出方法在不增加任何额外控制信息的情况下,是提高光学线阵影像定位精度的有效途径。