一种在轨飞行器机械故障高保真地面模拟试验系统及方法

本发明涉及航天器在轨健康监测与故障诊断试验，特别是涉及一种在轨飞行器机械故障高保真地面模拟试验系统及方法。

背景技术：

1、随着航天任务长期化、复杂化以及在轨服务需求增长，在轨飞行器对自主健康监测与故障诊断的要求日益迫切。动量轮、控制力矩陀螺、太阳翼驱动机构等旋转部件是姿态控制与能源系统的核心执行机构，其轴承等关键零件长期高速运转，一旦发生故障将直接威胁飞行器姿态稳定与任务连续性。基于振动信号的智能故障诊断已成为保障在轨安全的重要手段。

2、然而，在轨机械故障样本极为稀缺，诊断算法的训练与验证高度依赖地面模拟。而地面实验室环境与在轨微振动环境差异显著：在轨噪声源于结构传递扰动、设备耦合振动及姿控机构工作扰动，呈宽频、低幅、非平稳特征；地面信号仅含实验室背景噪声。实验室噪声下训练的算法难以适应真实空间噪声，而在轨直接试验既不现实也难以承受。如何在地面构造与在轨高度一致的含噪故障信号，成为提升诊断算法在轨适应性的关键。

3、现有地面模拟方案主要归纳为三类：

4、（1）常规地面故障试验台：在台架预制典型故障并采集振动信号。例如申请公布号为cn106768768a的发明申请公开了一种旋转机械故障模拟试验装置，但其采集环境为实验室背景噪声，噪声特性与在轨差异显著，据此训练的诊断算法难保证在轨适应性。

5、（2）动力学数值仿真：建立模型生成响应信号，叠加高斯白噪声等人工噪声。例如申请公布号为cn114997046a的发明申请公开了一种基于动力学仿真的故障信号生成方法，但其模型简化限制保真度，难反映真实结构传递路径；且人工噪声难逼近真实空间微振动特性，仿真与在轨信号存在系统性差距。

6、（3）大型空间环境模拟：依托整星振动台、真空热试验等设施复现整器级力学与热环境。例如申请公布号为cn103712759a的发明申请公开了一种航天器地面力学环境模拟试验系统，但其成本高、周期长，面向整器级环境考核与强度验证，不针对旋转部件故障特征信号的精细模拟，难以支撑多批次、多状态、多噪声水平样本构造。

7、综上，现有方法仍存在两个关键不足：其一，缺乏将真实在轨微振动引入地面故障信号的有效手段，现有方案或采用实验室背景噪声、或叠加人工噪声，均与真实空间噪声特性失配，导致地面验证结果难以外推至在轨工况；其二，缺乏数据级与物理级相互印证的模拟框架，单一手段构造的含噪信号未经物理传递路径检验或缺乏真实数据支撑，模拟可信度无法形成闭环，难以作为算法考核的可靠基准。

8、因此，亟需一种在保持故障部件安装边界条件与故障特征频率不变的前提下，能够将真实在轨微振动实测数据同时以数据注入与物理激励两种方式引入地面故障模拟过程，并使两条通道并行互证的高保真地面模拟试验系统及方法，从而在兼顾试验成本与模拟可信度的基础上，为在轨飞行器故障诊断算法提供逼近真实空间环境的训练、测试与验证数据。

技术实现思路

1、为解决现有方案中缺乏将真实在轨微振动引入地面故障信号的有效手段且缺乏数据级与物理级相互印证的模拟框架的问题，本发明提出一种在轨飞行器机械故障高保真地面模拟试验系统及方法，在保持故障部件安装边界条件与故障特征频率不变的前提下，实现含真实空间噪声的机械故障信号高保真构造，为在轨飞行器故障诊断算法的训练、测试与验证提供逼近真实空间环境的数据基础，兼顾模拟保真度与试验可实施性。

2、第一方面，本发明提供了一种在轨飞行器机械故障高保真地面模拟试验系统，包括：

3、故障信号发生子系统，用于驱动含预制故障的故障试验组件运转并产生地面故障振动信号。

4、数据级空间噪声注入通道，用于将在轨飞行器在外层空间运行时的真实在轨微振动实测数据预处理得到真实空间噪声数据，再将真实空间噪声数据按目标信噪比可控叠加至地面故障振动信号中，形成数据级含真实空间噪声故障信号。

5、物理级空间噪声激励通道，用于将真实空间噪声数据转换为模拟电压信号，为故障试验组件提供含真实空间噪声的安装环境激励，使其运转产生的振动信号携带真实空间噪声，形成物理级含真实空间噪声故障信号。

6、信号采集与处理单元，用于同步采集数据级含真实空间噪声故障信号与物理级含真实空间噪声故障信号，对两路信号进行包络谱一致性核验，并输出故障信号数据集，用于在轨飞行器故障诊断算法的训练、测试与验证。

7、优选地，物理级空间噪声激励通道包括信号发生器、功率放大器和激励器件。信号发生器将真实空间噪声数据转换为模拟电压信号。功率放大器将模拟电压信号放大后驱动激励器件。激励器件将真实空间噪声数据以物理激励形式复现于故障试验组件的安装环境中，使故障试验组件的振动信号携带真实空间噪声。

8、优选地，真实在轨微振动实测数据可以采用空间加速度测量系统实测数据，也可以替换为其他真实在轨微振动实测数据。

9、优选地，激励器件可采用微型激振器、压电作动器、电磁作动器等等。

10、优选地，故障信号发生子系统包括驱动电机、传动机构和台架，台架包括基座和安装在基座上的电机支架与传动支架，电机安装在电机支架上。所述传动机构包括传动轴和连接所述传动轴与驱动电机输出轴的联轴器，所述传动轴的另一端设于传动支架上，所述故障试验组件可拆卸地安装在传动轴上，驱动电机通过传动机构带动故障试验组件运转。

11、优选地，激励器件的输出端与台架的基座刚性连接，激励器件发出的激励力通过台架传递至故障试验组件，且激励过程不与该试验组件直接接触，不改变该试验组件的安装边界条件。

12、优选地，故障试验组件为在轨飞行器旋转类机械部件，例如深沟球轴承组件、动量轮轴承组件、控制力矩陀螺轴承组件等其他在轨飞行器旋转部件。

13、故障试验组件可设置正常状态、内圈故障状态、外圈故障状态及滚动体故障状态等等状态，在同一台架构型及同一安装边界条件下，分别产生对应不同故障状态的地面故障振动信号。

14、优选地，信号采集与处理单元包括加速度传感器和信号处理器。加速度传感器安装在故障试验组件上，采集各状态下的故障试验组件的振动信号。信号处理器对加速度传感器采集的物理级含真实空间噪声故障信号和数据级空间噪声注入通道输出的数据级含真实空间噪声故障信号分别求取包络谱，并在故障特征频率处比对两通道谱峰幅值的相对偏差以判定双通道一致性，输出含故障状态标签与信噪比档位的故障信号数据集。

15、第二方面，本发明还提供了一种用于在轨飞行器机械故障高保真地面模拟的试验方法，该方法使用第一方面所述的一种在轨飞行器机械故障高保真地面模拟试验系统，具体包括以下步骤：

16、s1，搭建故障信号发生子系统并采集地面故障信号：搭建故障信号发生子系统，驱动含预制故障的故障试验组件运转，并由加速度传感器采集得到各故障状态下的地面故障振动信号。

17、s2，获取并预处理真实在轨微振动数据：获取在轨飞行器在外层空间运行时的真实在轨微振动实测数据，对其进行重采样以使其采样频率与地面故障振动信号一致、去趋势与去均值以消除低频漂移、带宽匹配以使其频带范围覆盖故障特征频率所在频段，形成真实空间噪声数据。

18、真实空间噪声数据同时作为数据级空间噪声注入通道的噪声源与物理级空间噪声激励通道的回放源，保证两条通道使用同一真实数据基准，步骤s3与步骤s4基于该基准并行执行。

19、s3，数据级信噪比分档注入：按目标信噪比分别计算地面故障振动信号的功率与真实空间噪声的功率，得到噪声缩放系数，将真实空间噪声数据按噪声缩放系数逐点叠加至地面故障振动信号中，形成数据级含真实空间噪声故障信号。

20、s4，物理级基础激励通道搭建与回放校准：搭建物理级空间噪声激励通道，将真实空间噪声数据转换为模拟电压信号并回放，对回放增益进行迭代校准直至故障试验组件安装位置测点实测加速度幅值与目标幅值偏差收敛至允许范围内。计算回放源信号与故障试验组件安装位置实测响应的相干函数，在关注频带内相干函数不低于设定阈值时，判定物理复现合格。校准完成后，在物理激励持续作用下驱动故障试验组件运转并采集振动信号，形成物理级含真实空间噪声故障信号。

21、s5，两个通道输出信号的包络谱分析：分别对数据级含真实空间噪声故障信号和物理级含真实空间噪声故障信号，先进行带通滤波以选取故障冲击响应所在的共振频带，再提取信号包络并计算包络谱，最后输出两路含真实空间噪声故障信号的包络谱及其在故障特征频率处的谱峰幅值。

22、s6，双通道一致性核验与数据集输出：比对两路包络谱在故障特征频率处是否均出现明显谱峰，并计算相对幅值偏差；当两路包络谱在故障特征频率处均出现明显谱峰且相对幅值偏差小于设定阈值时，判定双通道模拟结果相互印证，将含真实空间噪声的机械故障信号连同故障状态标签与信噪比档位一并组合为故障信号数据集输出，该数据集用于在轨飞行器故障诊断算法的训练、测试与验证；否则返回步骤s3或s4检查注入参数与回放校准状态并重新执行。

23、优选地，步骤s3中地面故障振动信号的功率与真实空间噪声的功率的表达式分别为：

24、

25、

26、其中，为地面故障振动信号，为真实空间噪声，为信号长度。

27、噪声缩放系数的表达式为：

28、

29、其中，为目标信噪比。

30、数据级含真实空间噪声故障信号的表达式为：

31、。

32、优选地，步骤s4中的模拟电压信号的表达式为：

33、

34、其中，为回放增益，为真实空间噪声。

35、回放增益的第次回放迭代值的表达式为：

36、

37、其中，为第次回放时故障试验组件安装位置测点的实测加速度幅值，为目标幅值。

38、相干函数的表达式为：

39、

40、其中，为源信号与实测响应的互功率谱密度，与分别为源信号与实测响应的自功率谱密度，相干函数取值范围为[0,1]。

41、优选地，步骤s5中，信号包络的表达式为：

42、

43、其中，为带通滤波后的故障信号，表示希尔伯特变换，为虚数单位。

44、包络谱的表达式为：

45、

46、其中，为包络均值，表示傅里叶变换。

47、步骤s6中，相对幅值偏差的表达式为：

48、

49、其中，与分别为数据级空间噪声注入通道与物理级空间噪声激励通道输出信号包络谱在故障特征频率处的谱峰幅值。

50、本发明的有益效果：

51、（1）构建了数据级注入与物理级激励并行互证的高保真地面模拟框架，解决了单一模拟手段可信度无法闭环的问题。

52、（2）提出了基础激励式空间噪声物理复现方法，在保持故障部件安装边界条件与故障特征频率不变的前提下引入真实空间微振动环境。

53、（3）实现了以真实在轨微振动数据为噪声源的信噪比分档可控注入，保证了含噪故障信号噪声强度的量化可控与可复现。