图学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 449-458.DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2025020449
收稿日期:
2024-08-01
接受日期:
2024-11-20
出版日期:
2025-04-30
发布日期:
2025-04-24
第一作者:
陈瑞启(1994-),男,工程师,硕士。主要研究方向为数字化制造。E-mail:282299012@qq.com
基金资助:
CHEN Ruiqi(), LIU Xiaofei, WAN Feng, HOU Peng, SHEN Jinyi
Received:
2024-08-01
Accepted:
2024-11-20
Published:
2025-04-30
Online:
2025-04-24
First author:
CHEN Ruiqi (1994-), engineer, master. His main research interest covers digital manufacturing. E-mail:282299012@qq.com
Supported by:
摘要:
卫星太阳翼在线展开成功与否是影响其服役性能的关键影响因素,而卫星太阳翼地面展开测试是验证机构展开锁定性能和展开指标符合性的关键研制步骤。为解决卫星太阳翼地面展开测试过程数据监控少、仿真精度低、结果难预测的难题,提出了一种数字孪生驱动的卫星太阳翼地面展开测试仿真与预测方法和体系架构。在典型卫星太阳翼产品、展开地面测试相关工装设备和展开测试单元数字孪生建模的基础上,开展面向卫星太阳翼地面展开测试的多学科联合仿真并输出仿真数据库,结合仿真数据和历史测试数据构建预测模型训练数据集,在此基础上完成卫星太阳翼展开过程预测模型的训练与优化。通过物联网平台实时采集地面展开测试过程关键参数,输入优化后的关键参数预测模型中,实现卫星太阳翼地面展开测试过程中位姿、受力、速度和展开时间等关键参数的快速、准确预测。最终以孪生模型为基础,融合实采、预测数据,实现机构展开过程实时监控和预测结果可视化,支持卫星太阳翼地面展开测试过程智能管控和决策,指导展开工艺优化和现场调整,有效提高展开成功率和效率。通过在卫星展开单元的部署并在典型卫星型号上开展应用验证,典型太阳翼展开时间、位姿等关键参数在线预测准确率大于90%,验证了该方法的有效性和可行性。
中图分类号:
陈瑞启, 刘晓飞, 万峰, 侯鹏, 沈金屹. 数字孪生驱动的卫星太阳翼展开测试仿真与预测方法[J]. 图学学报, 2025, 46(2): 449-458.
CHEN Ruiqi, LIU Xiaofei, WAN Feng, HOU Peng, SHEN Jinyi. Simulation and prediction method of satellite solar wing deployment test driven by digital twin[J]. Journal of Graphics, 2025, 46(2): 449-458.
图1 数字孪生驱动的卫星太阳翼展开测试仿真与预测体系架构
Fig. 1 Architecture of testing, simulation, and prediction system for satellite solar wing deployment driven by digital twins
输入参数 | 输出参数 | |||
---|---|---|---|---|
参数 | 单位 | 范围 | 参数 | 单位 |
星体姿态(X, Y, Z) | mm | 0~100 | 第一(根部)铰链角度 | ° |
星体姿态(RX, RY, RZ) | ° | 0~5 | 第二(板间)铰链角度 | ° |
水平度 | mm | 0~1 | 关键点位移(X, Y, Z) | mm |
平行度 | mm | 0~1 | ||
拼缝高低差 | mm | 0~0.5 | 关键点速度(X, Y, Z) | mm/s |
摩擦系数 | 0.001~0.010 | |||
卸载力 | % | 50~100 | 关键点加速度(X, Y, Z) | mm/s2 |
支撑高度 | mm | 100~300 | ||
风阻 | N | 0~1 | 展开时间 | s |
…… |
表1 太阳翼地面展开测试过程仿真输入输出参数表
Table 1 Input and output parameter table for simulating the ground deployment test process of solar wings
输入参数 | 输出参数 | |||
---|---|---|---|---|
参数 | 单位 | 范围 | 参数 | 单位 |
星体姿态(X, Y, Z) | mm | 0~100 | 第一(根部)铰链角度 | ° |
星体姿态(RX, RY, RZ) | ° | 0~5 | 第二(板间)铰链角度 | ° |
水平度 | mm | 0~1 | 关键点位移(X, Y, Z) | mm |
平行度 | mm | 0~1 | ||
拼缝高低差 | mm | 0~0.5 | 关键点速度(X, Y, Z) | mm/s |
摩擦系数 | 0.001~0.010 | |||
卸载力 | % | 50~100 | 关键点加速度(X, Y, Z) | mm/s2 |
支撑高度 | mm | 100~300 | ||
风阻 | N | 0~1 | 展开时间 | s |
…… |
仿真数据 | 实测数据 | ||||
---|---|---|---|---|---|
名称 | 参数 | 单位 | 名称 | 参数 | 单位 |
第一铰链角度 | HINGE_FIRST_SANGLE | ° | 第i点位移X,Y,Z轴分量 | RPi_X_S, RPi_Y_S, RPi_Z_S | mm |
第二铰链角度 | HINGE_SECOND_SANGLE | ° | 第i点速度X,Y,Z轴分量 | RPi_X_S, RPi_Y_S, RPi_Z_S | mm/s |
第i点位移X,Y,Z轴分量 | SPi_X_S, SPi_Y_S, SPi_Z_S | mm | 第i点加速度X,Y,Z轴分量 | RPi_X_S, RPi_Y_S, RPi_Z_S | mm/s2 |
第i点速度X,Y,Z轴分量 | SPi_X_S, SPi_Y_S, SPi_Z_S | mm/s | 实测展开时间 | RDEPLOYMENT_TIME | s |
第i点加速度X,Y,Z轴分量 | SPi_X_S, SPi_Y_S, SPi_Z_S | mm/s2 | …… | ||
仿真展开时间 | SDEPLOYMENT_TIME | s | |||
…… |
表2 机构展开过程预测数据集结构
Table 2 Structure of institution deployment process prediction dataset
仿真数据 | 实测数据 | ||||
---|---|---|---|---|---|
名称 | 参数 | 单位 | 名称 | 参数 | 单位 |
第一铰链角度 | HINGE_FIRST_SANGLE | ° | 第i点位移X,Y,Z轴分量 | RPi_X_S, RPi_Y_S, RPi_Z_S | mm |
第二铰链角度 | HINGE_SECOND_SANGLE | ° | 第i点速度X,Y,Z轴分量 | RPi_X_S, RPi_Y_S, RPi_Z_S | mm/s |
第i点位移X,Y,Z轴分量 | SPi_X_S, SPi_Y_S, SPi_Z_S | mm | 第i点加速度X,Y,Z轴分量 | RPi_X_S, RPi_Y_S, RPi_Z_S | mm/s2 |
第i点速度X,Y,Z轴分量 | SPi_X_S, SPi_Y_S, SPi_Z_S | mm/s | 实测展开时间 | RDEPLOYMENT_TIME | s |
第i点加速度X,Y,Z轴分量 | SPi_X_S, SPi_Y_S, SPi_Z_S | mm/s2 | …… | ||
仿真展开时间 | SDEPLOYMENT_TIME | s | |||
…… |
图9 卫星太阳翼展开测试单元数字孪生模型((a)太阳翼孪生模型;(b)工装孪生模型;(c)车间环境建模)
Fig. 9 Satellite solar wing deployment test unit digital twin model ((a) Solar wing twin model; (b) Twin model of tooling; (c) Workshop environment modeling)
图11 太阳翼展开过程预测输入参数预处理((a)展开时间特征分析;(b)第一铰链(根部)特征分析;(c)第二铰链(板间)特征分析)
Fig. 11 Preprocessing of input parameters for predicting the expansion process of solar wings ((a) Expand time feature analysis; (b) Analysis of the characteristics of the first hinge (root); (c) Characteristic analysis of the second hinge (between plates))
图12 太阳翼展开时间预测误差对比((a) LSTM神经网络(预测误差2.076 7);(b) BP神经网络(预测误差1.230 9);(c) RBF神经网络(预测误差1.641 7))
Fig. 12 Comparison of errors in solar wing deployment time prediction models ((a) LSTM neural network (prediction error 2.076 7); (b) BP neural network (prediction error 1.230 9); (c) RBF neural network (prediction error 1.641 7))
序号 | 变化参数名称 | 数值 | 展开锁定情况 | 备注 |
---|---|---|---|---|
1 | 星体姿态 | 水平0.5 mm,俯仰0.5 mm | 告警异常 | 采用控制变量法, 除变化参数外均为最优试验参数 |
2 | 气浮平台姿态 | 平面度0.6 mm,水平度0.6 mm | 告警异常 | |
3 | 气压、气膜厚度(气浮摩擦阻力) | 气压0.5 MPa,气膜厚度0.04 mm | 告警异常 | |
4 | 卸载力 | 各点均70% | 告警异常 |
表3 太阳翼展开关键参数边界试验参数表
Table 3 Key parameter boundary test parameters table for solar wing deployment
序号 | 变化参数名称 | 数值 | 展开锁定情况 | 备注 |
---|---|---|---|---|
1 | 星体姿态 | 水平0.5 mm,俯仰0.5 mm | 告警异常 | 采用控制变量法, 除变化参数外均为最优试验参数 |
2 | 气浮平台姿态 | 平面度0.6 mm,水平度0.6 mm | 告警异常 | |
3 | 气压、气膜厚度(气浮摩擦阻力) | 气压0.5 MPa,气膜厚度0.04 mm | 告警异常 | |
4 | 卸载力 | 各点均70% | 告警异常 |
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