GBT 47584-2026 空间站大型挠性结构模态参数在轨测量及辨识方法标准立项发展报告

空间站大型挠性结构模态参数在轨测量及辨识方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:On-orbitMeasurementandIdentificationMethodsforModalParametersofLargeFlexibleStructuresonSpaceStations摘要随着我国载人航天工程进入长期有人照料的空间站应用与发展阶段，大型柔性太阳翼、大尺寸机械臂、柔性展开天线等大型挠性结构已成为空间站系统的重要组成部分。此类结构具有大柔度、低阻尼、模态密集等特点，其在轨动力学特性直接关系到空间站姿态稳定控制、结构安全评估与寿命预测的准确性。然而，地面环境与空间微重力环境之间的显著差异，导致地面试验获取的结构动力学参数无法真实反映空间站在轨状态，亟需建立系统的在轨模态参数测量与辨识方法标准。本报告基于国家标准GB/T47584-2026《空间站大型挠性结构模态参数在轨测量及辨识方法》，系统阐述了该标准的立项背景、编制依据、核心技术框架与应用前景。标准规定了空间站大型挠性结构模态参数在轨测量的测量系统要求、激励方式、数据采集、信号处理、参数辨识方法以及结果验证等全流程技术要求，填补了我国在该领域国家标准的空白。本标准的发布实施将为我国空间站运营管理、在轨结构状态评估及后续载人航天工程任务提供重要的技术支撑与标准化依据。关键词：空间站；大型挠性结构；模态参数；在轨测量；参数辨识；国家标准；结构动力学Keywords:SpaceStation;LargeFlexibleStructure;ModalParameters;On-orbitMeasurement;ParameterIdentification;NationalStandard;StructuralDynamics1引言1.1研究背景与意义自2021年天和核心舱发射入轨以来，中国空间站已全面转入长期运营阶段。作为国家级太空实验室平台，空间站配备了大面积柔性太阳电池翼（单翼翼展达数十米）、大型空间机械臂、柔性展开式天线等多类大型挠性结构。这些结构在fulfilling能源供给、对地观测、科学实验等核心功能的同时，也因其低固有频率（通常在0.01~1Hz量级）、小结构阻尼（阻尼比一般在0.1%~1%范围）和高度模态密集的动力学特性，对空间站姿态控制系统构成严峻挑战。工程实践表明，大型挠性结构的在轨真实动力学特性与地面分析预测结果存在不可忽视的偏差。究其原因，一方面，地面重力环境下结构边界条件（如悬挂系统附加刚度与质量）无法完全模拟空间微重力状态；另一方面，在轨温度交变、微振动激励、结构非线性等因素使结构动力学参数呈现时变特征。国际上，美国NASA在“国际空间站”运营中曾多次发现实测模态参数与地面试验预测值之间出现5%~20%的偏差，个别模态甚至出现缺失或次序反转。这一案例充分表明，单纯依赖地面试验和数值仿真无法满足长期在轨运行对结构动力学模型的高精度需求，必须在轨开展模态参数的实测与辨识。然而，在轨模态测试面临激励能量受限、测量通道有限、噪声干扰强、结构低频大幅振动等特殊约束，其测量方案设计与参数辨识方法与地面模态试验存在本质差异。当前，我国尚缺乏统一、规范的空间站大型挠性结构在轨模态测试技术标准，各任务单位多依据各自工程经验开展相关工作，技术流程不一致、数据质量参差不齐、结果可比性差等问题日益突出。在此背景下，制定《空间站大型挠性结构模态参数在轨测量及辨识方法》国家标准（GB/T47584-2026），对于规范我国空间站结构动力学在轨测试活动、保障空间站在轨安全运营、提升载人航天工程标准化水平具有重要的现实意义。1.2国内外标准化现状在国际标准化层面，目前尚无专门针对航天器大型挠性结构在轨模态参数测量的国际标准（ISO标准）。相关技术内容分散于ISO15862（航天器运载复合结构振动试验）等地面试验标准及NASA-STD-5001等机构标准中，在轨模态测试方法多依据各航天机构内部技术文件进行操作。在国内，已发布有GB/T34597-2017《航天器空间环境适应性通用要求》、GB/T38075-2019《航天器结构随机振动试验方法》等航天结构相关国家标准，以及GJB1027A-2005《运载器、上面级和航天器试验要求》和QJ20015-2011《航天器结构模态试验方法》等行业/企业标准，但上述标准均针对地面试验环境。在轨飞行阶段的模态参数测量方法在我国标准体系中长期处于空白状态。GB/T47584-2026作为首部针对空间站在轨结构动力学测试的国家标准，填补了这一关键空白，并与现有地面试验类标准形成互补衔接。2标准编制目的与原则2.1编制目的本标准的编制旨在解决以下关键问题：（1）规范技术流程：建立涵盖测量系统设计、激励实施、数据采集、信号处理、参数辨识、结果验证的全流程技术规范，为从事空间站挠性结构在轨动力学测试的工程技术人员提供统一的操作依据。（2）统一技术要求：明确规定在轨模态测试中测量系统的性能指标、传感器布置原则、激励信号的类型与参数选择、采样策略、辨识精度要求等关键技术参数，确保不同任务、不同单位获取的模态参数具有可比性和可重复性。（3)提升数据质量：通过对环境激励和人工激励两种模式下的数据处理与辨识方法进行规范，提高在恶劣噪声条件下获取高精度模态参数的可靠性。（4）支撑工程应用：为空间站姿态控制模型修正、结构健康监测、疲劳寿命评估以及操作载荷预测等工程应用提供标准化的数据支撑，保障空间站长期安全运营。2.2编制原则本标准的编制遵循以下基本原则：（1）科学性原则：技术内容基于结构动力学理论、现代信号处理技术以及国内外空间站在轨模态测试的工程实践经验，确保各技术环节的方法选择和参数要求具有充分的理论依据和工程验证基础。（2）适用性原则：充分考虑空间站在轨环境的特殊性（微重力、真空、热交变、电磁干扰等）以及遥操作/自主运行模式对测试实施带来的约束，确保标准规定的各项技术要求在实际空间站任务中可行、可操作。（3）协调性原则：与现有航天器结构设计与试验相关标准保持技术内容的协调一致，引用文件均采用现行有效版本。同时，标准框架兼顾未来技术的发展空间，为后续修订预留接口。（4）规范性原则：按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的要求编制，确保标准结构的规范性、要素的完整性和表述的准确性。3主要技术内容3.1术语与定义鉴于在轨模态测试的工程特殊性，本标准对以下关键术语进行了专门定义：（1）大型挠性结构：指在空间站轨道运行状态下，因整体或局部刚度较低而呈现显著弹性变形特性、其一阶固有频率低于姿态控制系统带宽或与控制系统产生耦合的较大尺度结构部件。（2）模态参数：描述结构固有振动特性的特征参数集合，主要包括固有频率、模态阻尼比、模态振型及模态质量（或模态刚度）。（3）在轨测量：指空间站在轨道运行期间，利用布置于结构上的传感系统，在自然或人工激励条件下获取结构振动响应数据的测量活动。（4）环境激励：不依赖专用激励设备，利用空间站姿态控制喷气、机械臂运动、机组活动、热交变等日常运行中自然产生的扰动作为振动激励源的方式。（5）参数辨识：基于测量的输入-输出或仅输出数据，采用适当的数学算法提取结构模态参数的过程。3.2测量系统要求传感器选型与性能指标方面，规定了加速度传感器、速度传感器或位移传感器的最低性能要求，包括灵敏度、频率响应范围（应覆盖0.01~100Hz）、量程、噪声底限等关键技术指标，明确传感器需满足空间环境适应性要求，包括真空释气性能、抗辐照能力和宽温域工作能力（-100℃~+125℃），并应具备在轨校准功能。传感器布置原则方面，要求测点布置应能有效表征结构整体模态形态，需兼顾模态可观测性与工程实施可行性之间的平衡。规定传感器应优先布置于结构变形较大的区域（如翼尖、板面中心区域等），并关注模态密集区域的区分度要求。数据采集系统方面，对采样率（应满足奈奎斯特采样定理且留有裕量）、抗混叠滤波、量化精度（不低于16位）、通道同步精度（通道间时延差不大于采样间隔的1/10）、连续记录能力等提出了要求。3.3激励方式在激励方式上，标准规定了两类技术途径：（1）人工激励方法：包括利用空间站机械臂进行脉冲激励或扫频激励、安装专用压电激励器进行窄带随机或正弦扫频激励等。标准对激励信号的幅值范围、频率覆盖范围、激励持续时间以及激励力测量方式提出了明确要求。（2）环境激励方法：利用空间站正常运行中存在的天然微振动源（如姿态控制推力器喷气、飞轮扰动、机械臂运动、航天员活动等）激励结构振动，通过仅测量输出响应数据进行模态辨识。该部分对激励平稳性检验、数据充分性评估进行了规定。3.4数据采集与信号处理在信号处理环节，标准对数据预处理与频响函数估计提出了明确要求。针对在轨测量数据信噪比低、易混入干扰噪声的特点，给出了去趋势项、异常值剔除、数字滤波等方法的选择原则，并规定了对采集信号进行质量检查的具体判据，包括数据完整性检查、通道异常诊断以及信噪比要求等。同时，为消除空间站多源微振动干扰因素，标准引入了参考通道协同测量的技术要求。3.5模态参数辨识方法参数辨识方法方面，标准对频域法和时域法分别给出了适用条件和推荐算法。在频域方法中，推荐了基于频响函数估计的峰值拾取法（适用于模态稀疏且阻尼较小的结构）和频域最小二乘拟合方法（适用于中等模态密集程度的结构），利用环境激励数据的频域分解方法，以及基于功率谱密度矩阵奇异值分解的增强频域分解方法。在时域方法中，纳入特征系统实现算法、随机子空间识别方法等，并强调多种方法交叉验证的必要性。此外，标准针对密集模态的分离、谐波干扰的识别与剔除两个在轨测量特有的技术难点给出了专门的处理建议，要求在实际数据处理过程中设置严格的质量控制指标。3.6结果验证与报告要求为保证辨识结果的可靠性，标准规定了模态参数辨识结果的验证方法与报告要求，包括模态置信准则（MAC）验证、模态参数与有限元模型预测结果的比对评估，以及辨识结果与地面试验数据的偏差分析等。标准要求模态参数辨识报告中应完整记录测试工况、边界条件、测量参数、数据处理流程与辨识算法选择，确保结果具备可追溯性。3.7典型场景应用标准以资料性附录形式给出了两个典型应用场景的推荐流程。其一，基于机械臂脉冲激励的大型柔性太阳翼模态测试方案，给出测点布置示意图、推荐采样参数和数据处理流程；其二，基于环境激励的整站模态监测方案，给出了长期连续监测数据的处理策略和模态参数时变趋势分析的推荐做法，为工程实施提供更直接的技术指引。4预期效益分析4.1技术效益本标准的发布实施将在技术层面产生以下预期效益：在测试数据一致性方面，统一在轨模态测量的技术流程和数据处理方法，有效提升不同批次、不同工况下测试数据的可比性。借助基准比对数据库的逐步积累，在轨结构动力学模型修正的精度和效率也将同步提升。在技术积累与人才培养方面，标准的实施将系统性地沉淀和固化我国空间站工程实践中积累的挠性结构在轨测试经验，形成可传承的标准化技术资产。在通用技术层面，标准所确立的方法体系对后续其他航天器（如大型可展开天线卫星、空间望远镜、薄膜结构等）的在轨模态测试工作同样具有参考价值和借鉴意义。4.2经济效益通过规范化在轨模态测试与参数辨识技术流程，可有效缩短各任务的技术准备周期，减少重复性试验与测试投入，降低工程研制成本。同时，准确的模态参数有助于优化姿态控制策略，减少控制推进剂消耗，延长空间站推进系统的使用寿命。从全寿命周期来看，良好的结构状态监测与评估能力可以有效支撑空间站延寿运营决策，减少非计划维修的额外支出，具有显著的经济效益。4.3社会与战略效益本标准的制定是我国在航天标准国际化领域的重要布局，将助力提升我国在载人航天国际标准制定中的话语权与影响力。同时，该标准为未来载人月球探测、深空空间站等重大工程中的大型挠性结构动力学问题提供了技术积累，为国家航天强国建设提供了标准化支撑。5主要参编单位本标准由全国航天系统标准化技术委员会归口管理，主要起草单位包括北京空间飞行器总体设计部、中国航天员科研训练中心、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、中国航天标准化研究所等单位。其中，北京空间飞行器总体设计部（以下简称“总体部”）作为标准编制的牵头单位，发挥了核心作用。总体部隶属中国航天科技集团有限公司第五研究院，是我国载人航天器总体设计与研制的核心力量，承担了载人飞船、货运飞船、空间实验室及空间站等型号的总体设计任务，在航天器结构动力学设计与试验领域具有六十余年的深厚技术积淀。在空间站工程实践中，总体部牵头组织完成了天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三大舱段的总体方案设计，负责太阳翼、大型机械臂等关键挠性结构在轨动力学特性的地面验证与在轨评估工作。在此次标准编制过程中，总体部负责标准框架设计、核心技术内容编写和组织协调工作。编制团队由长期从事航天器结构动力学设计与在轨管理的技术专家组成，系统梳理了空间站各舱段从地面模态试验、在轨状态评估到姿态控制模型修正等环节积累的大量工程数据，将多年实践经验凝练为标准技术条款。同时，总体部充分发挥其工程牵引优势，组织开展了多项关键技术的地面验证试验，为标准的科学性和可操作性提供了坚实的工程支撑。6结论与展望GB/T47584-2026《空间站大型挠性结构模态参数在轨测量及辨识方法》是我国首部针对空间站在轨结构动力学测试领域的国家标准，填补了该领域标准体系的空白。标准立足我国空间站工程的实际需求，系统规定了大型挠性结构模态参数在轨测量与辨识的全流程技术要求，充分吸纳了国内外相关领域的最新研究成果和工程实践经验，具有技术先进性、工程适用性和可操作性强等特点。标准将于2026年12月1日正式实施，其实施将为我国空间站在轨运营管理、结构状态评估与控制模型修正提供标准化的技术支撑，有力保障空间站的安全可靠运行。展望未来，随着我国载人航天工程不断向纵深推进，大型挠性结构动力学在轨测试技术将持续发展演进。一方面，随着智能传感技术与数字孪生技术的快速发展，未来在轨模态测试将朝着实时化、智能化、自主化的方向发展，结构动力学状态的连续在线监测与预警将逐步成为现实。另一方面，随着载人月球探测、国际月球科研站等重大工程任务的启动，在轨模态测试的需求将从近地轨道空间站拓展至更远的深空探测场景。本标准的发布实施将为上述技术发展奠定重要的标准化基础，并可为后续制定相关标准提供参考，共同构建覆盖不同航天器平台、不同任务阶段的结构动力学在轨测试标准体系。参考文献[1]GB/T1.1-2020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则[S].[2]GB/T34597-2017航天器空间环境适应性通用要求[S].[3]GB/T38075-2019航天器结构随机振动试验方法[S].[4]QJ20015-2011航天器结构模态试验方法