星载高精度伞状天线展开过程运动及受力分析

伞状天线是目前大型可展开天线的一种主流构型。由于天线口径大，天线在卫星发射阶段处于收拢状态；卫星发射至指定轨道后，天线展开至工作状态。展开机构是伞状天线展开与收拢的执行机构，其展开与收拢过程中关键零部件的运动精度及受力情况直接决定了天线展开到位精度和天线型面在轨热变形，对最终天线在轨型面精度起决定性作用。文章以国内某星载高精度伞状天线展开机构为研究对象，结合天线展开机构各运动部件参数，利用解析的方法获得展开机构运动方程；通过对方程进行分析，得到展开机构各关键部件在天线展开过程中的运动情况、受力情况及天线理论展开时间，为天线最终在轨展开时间的制定及展开过程中关键零部件的受力控制提供理论依据。     

大型网状天线展开指向精度测量方法研究

可展开天线研制过程中需对其进行地面展开指向精度测试以验证天线在轨实际指向性能.为了实现大型网状天线展开指向精度的地面测量,基于天线实际结构特点,从影响天线展开指向精度的因素入手,在建立的统一卫星坐标系分析模型下采用了一种基于展开臂、反射器和馈源阵等多个组成子部件单独展开指向精度直接测量的模式,并在各子部件测量结果的基础上间接分析得到天线的综合指向精度,最终不仅解决了目前对于大型网状天线展开指向精度在地面无法直接测量的难题,实现了其指向精度的间接测量,而且使综合测量精度优于0.01°,满足了高精度测量需求,研究结果对后续相关类型大尺寸天线展开指向的高精度测量和分析具有重要的指导意义.     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

卫星姿轨控制对大型柔性索网天线在轨指向影响分析

文章针对星载天线大尺寸、大柔性，引起卫星姿轨控时卫星本体姿态运动与柔性天线自身弹性变形相互耦合，进而导致天线指向精度下降的问题，提出了一种计算卫星姿轨控制引起的大型柔性天线在轨波束指向偏差的计算方法。首先，结合有限元法和混合坐标法，通过理论推导，建立了卫星与大型柔性索网天线刚柔耦合动力学模型；然后，以某在轨成像卫星东西位保为例，通过有限元法对该柔性索网天线进行模态分析，得到描述天线弹性振动的模态矩阵与质量矩阵，结合天线的模态矩阵、质量矩阵及天线与卫星本体的坐标转换关系，得到天线振动相对于星本体坐标系的平动耦合系数与转动耦合系数，再与星本体的刚体运动参数组合起来，求解卫星天线刚柔耦合动力学模型，即可得到天线实际振动位移。最后，根据天线实际振动位移进行天线型面拟合，并选取其最差型面进行了天线电波束指向仿真。仿真结果表明，天线方位向的波束指向偏差最大为0.0576°，可为天线在轨指向设计提供依据。该算法同样适用于卫星其他姿轨控制工况。     

星载天线指向精度建模与分析

随着天线定位机构运动日趋复杂以及对定位机构任务要求的不断提高,提高指向精度已成为星载天线机构能力提升的核心。综合考虑卫星姿态控制误差、展开机构误差、双轴驱动机构误差和反射面误差等因素,利用齐次变换矩阵得到天线指向运动学误差等式,从而得到天线指向精度分析的一般方法。以某星载点波束定位机构为例,对各误差源的影响进行了分析,...     

高分三号卫星飞行程序设计与在轨验证

高分三号(GF-3)装载有大型合成孔径雷达(SAR)天线及大型太阳翼,因此在其飞行程序设计中要重点考虑太阳翼和SAR天线的展开设计,以及它们的展开对卫星的扰动力矩和姿态的影响。通过分析显示:太阳翼展开对卫星姿态角和姿态角速度影响较大,为此对几种太阳翼展开未锁定的情况作出故障预案;通过分析SAR天线展开的动力学特性,以及SAR天线展开对卫星姿态的影响,进行相应设计,并为实现SAR天线展开可控,采取相应措施。GF-3卫星在轨验证结果表明:太阳翼和SAR天线展开结果良好,飞行程序设计合理有效。     

中继卫星轨道倾角漂移对在轨校相影响分析及策略

针对中继卫星轨道倾角在一个较大范围内变化，在轨校相采用天线精确指向标校站后，方位向、俯仰向十字拉偏标定校相码的方法，校相时间长，校相过程中轨道漂移带来的星上天线指向变化会影响校相准确性等问题，文章对轨道倾角漂移引起的星上天线指向变化进行仿真，并分析该变化对在轨校相的影响。以此为依据，对中继卫星角跟踪系统在轨校相方案进行研究，给出了粗校准与精校准相结合的校相策略，将轨道倾角漂移引起星上天线指向变化带来的校相误差降至最小。中继卫星角跟踪系统采用该方案进行相位校准后，在天线半功率波束宽度范围内，方位和俯仰误差信号的极性正确，交叉耦合小于20%，多次执行捕获跟踪任务，均能成功捕获跟踪目标，并且自动跟踪精度优于指标要求，验证了相位的正确性，表明该方案切实可行。     

MATLAB与STK组合仿真在星载天线伺服系统设计中的应用

利用MATLAB和System Tool Kit(STK)软件搭建组合仿真环境。以某卫星的天线算法为例,将仿真结果与在轨数据进行比对。组合仿真综合考虑了轨道特性和卫星姿态变化对天线指向角度的影响。仿真结果表明,利用MATLAB和STK组合仿真能够提前验证指向算法的准确度和精度,仿真数据与在轨实际应用数据一致性高,对后续天线指向算法设计具有较强的指导意义。     

空间天线弹簧展开机构在轨展开热分析研究

径向肋伞状天线采用缓释弹簧分布式驱动技术实现在轨展开,弹簧展开机构可靠工作成为影响天线功能实现的决定性因素。机构暴露在舱外恶劣的空间热环境中,但其内部结构热变形和润滑特性等需求对工作温度提出了严苛的要求。本文结合伞状天线弹簧展开机构入轨初期的瞬时控温要求和卫星热控资源约束,采用有限元分析软件TMG,建立完整的热数学模型对机构在轨展开时刻温度水平进行了瞬态热分析和主动控温加热器优化设计。飞行遥测温度数据表明,弹簧展开机构热控设计合理可行,满足在轨展开时刻的工作温度要求,为天线成功展开奠定了良好的基础。     

基于蒙特卡洛法的卫星天线板展开精度分析

卫星天线板的展开精度对卫星在轨工作精度有影响显著,展开精度受多种因素影响,其中加工装配误差难以避免且具有不确定性,需利用统计和概率方法进行研究。文章分析了卫星天线板支撑机构锁定铰链锁定位置偏差对天线板展开精度的影响;建立了卫星天线板动力学模型,提取动力学分析结果作用于展开状态的天线板有限元模型进行静力分析,得到结构节点变形;定义了衡量天线板变形程度的精度指标,包括平面度偏差和指向角度偏差;基于给定的铰链锁定误差分布,采用蒙特卡洛法得到了天线板展开状态下精度指标的概率分布,拟合并验证了其满足正态分布,为天线板的可靠性设计和展开精度改进提供了依据。     

星载可动天线安装误差补偿方法

为了提高天线指向精度，本文提出了一种星载可动天线的安装误差补偿方法。该方法根据卫星结构坐标系与立方镜坐标系间的关系及立方镜坐标系与天线结构坐标系间的关系，运用欧拉角坐标转移方式，得到对天线安装误差进行补偿的坐标转移矩阵。并且针对安装误差的特点，对坐标转移矩阵进行简化，只需要在轨上注3个参数即可实现对天线安装误差的补偿。仿真结果表明，在安装误差≯1°的情况下，补偿后的指向误差最大值≤0.05°；在安装误差≯0.5°的情况下，补偿后的指向误差最大值≤0.01°，补偿后的指向误差可接受。星载可动天线安装误差补偿方法可有效补偿安装误差对天线指向的影响，上注参数少易于实现。     

旋转式星载辐射计动平衡影响分析

针对旋转式星载辐射计转动体升降、天线收拢展开后整机动平衡状态不稳定的问题,文章提出了天线展开机构设计改进、转动体升降方式改进及动平衡试验方法优化。经动平衡试验验证,结果表明：改进后旋转式星载辐射计动平衡状态稳定,对卫星干扰力矩小,可以满足卫星的姿态稳定度指标要求,可为类似旋转式星载辐射计结构机构设计、动平衡控制、动平衡试验方法提供参考。     

双轴定位点波束天线波束指向计算

可移点波束天线是卫星系统对目标定位和跟踪的重要组成部件,该天线依靠双轴定位机构来实现在俯仰和方位两个方向上精确运动和定位。由于天线波束反射中心与定位机构转动中心不重合,双轴定位机构偏转角与波束中心指向角间存在复杂的数学关系。针对点波束天线指向计算问题进行了详细的分析,获得了一种基于单变量非线性方程求根的迭代计算方法,并对算法的正确性进行了仿真计算验证。     

星载天线双轴定位机构指向精度分析

以星载天线双轴定位机构为对象,分析了其指向精度的影响因素,从传动误差、测量误差、安装误差以及热变形误差等方面,研究了各项精度影响因素的分析模型和计算方法,建立了指向精度的分析模型,并以某一天线双轴定位机构为例进行指向精度分析。     

大型抛物柱面天线展开动力学分析与展开过程控制

为揭示大型抛物柱面天线在轨展开过程中各部件的动力学特性，保障可展天线在轨展开过程稳定性，提出了一种基于模块组装的大型抛物柱面可展天线支撑机构动力学快速建模方法与非线性展开过程反馈控制策略。首先，基于绝对节点坐标法建立了天线可展支撑机构基本模块的动力学方程集与约束方程集。然后，通过子模块组装的方式实现对超大型支撑机构的动力学快速建模，并进一步提出逐块缩聚与递归的动力学微分方程高效求解算法。最后，基于非线性展开过程反馈控制策略实现了抛物柱面可展支撑机构该类强非线性系统的展开稳定控制。结果表明，该控制方法能显著降低可展支撑机构展开过程中的速度峰值，有效提高了大型抛物柱面天线展开过程中的展开同步性。     

中继卫星在轨自动跟踪精度测试方法研究

针对中继卫星在轨自动跟踪精度测试基准值建立和有效数据获取的难题,根据在天线电轴跟踪零点附近角误差电压灵敏度正比于波束指向角误差灵敏度的特性,提出了采用角误差电压灵敏度作为基准值,天线稳定跟踪目标时的方位角误差电压和俯仰角误差电压作为测试数据,通过数据处理得出在轨自动跟踪误差,然后与差波束零点(天线电轴)与和波束接收信号最大值轴之差相加,得出在轨自动跟踪精度的测试方法。并制定测试方案和测试流程,在轨进行了实施。与地面测试结果进行比较,数据相近,验证了测试方法的可行性和有效性。采用该方法测试难度小,便于实施,测试结果不受天线安装误差、卫星姿态变化等因素的影响,解决了中继卫星在轨自动跟踪精度测试的难题。     

敏捷卫星高刚度太阳翼的设计与验证

基于对国内外敏捷卫星带辅助支撑式太阳翼现状及存在问题的分析，开展了太阳翼的构型设计与布局优化，设计一种基于带簧铰链与自适应锁定式铰链的单臂支撑式高刚度太阳翼。利用支撑臂中部带簧铰链在弯折后形态可变的特性，解决了多连杆闭环机构收拢状态下的杆长匹配问题；利用太阳翼根部自适应锁定式铰链可自动调节锁定状态的特性，解决了展开末了过约束锁定的技术难题，实现了带辅助支撑式太阳翼根部铰链的可靠锁定功能。开展太阳翼展开静力矩裕度分析、模态分析和展开动力学分析，结果表明，太阳翼展开力矩裕度大于1，展开状态下基频大于8 Hz，展开过程顺畅无死点，展开末了冲击力不超过750 N。开展了太阳翼地面试验验证和在轨飞行验证，结果表明，该高刚度太阳翼满足敏捷卫星在轨长时间快速机动的使用要求。     

高分七号卫星控制分系统设计及在轨验证

针对高分七号(GF-7)卫星控制分系统高精度姿态确定、姿态控制和快速机动的需求,文章采用星敏感器相对基准标定,将甚高精度星敏感器与前后视相机进行一体化安装的布局方式,并采用了数传天线轨迹平滑和干扰力矩补偿算法控制天线,采用高刚度高稳定度太阳翼驱动机构(SADA)控制太阳翼,从而实现了卫星的高精度姿态确定和高稳定度姿态控制。经在轨验证,结果表明:姿态稳定度小于0.000 06(°)/s,优于姿态控制分系统的指标要求,可为遥感卫星姿态控制分系统设计提供参考。     

基于VC的微波散射计有源定标试验自动控制系统设计

海洋二号微波散射计是一种用于测量海洋表面风场的仪器，为了提高测量的精度，需要进行精确定标。文章基于VC设计了微波散射计有源定标试验自动控制系统；依据卫星轨道预测，精确计算并自动控制有源定标器的天线指向，自动采集和存储定标信号，实现外场定标试验的自动控制。多次外场定标试验表明：该系统可以实现外场定标试验的自动控制和天线指向的准确计算，根据试验数据拟合得到的天线方向图与实测天线方向图基本吻合，3dB波束宽度内角度测量误差优于0.1°。试验结果表明，通过卫星 地心连线和卫星 有源定标器连线的夹角逼近卫星视角，能够精确计算有源定标器的天线指向。该技术显著提高了试验的效率和有效性，已成功应用于风云三号和演示验证双星有源定标器的设计中。     

面向天线在轨故障处置的RRR指向机构轨迹规划

为解决某星载大型可展开天线在轨故障,本文提出采用投影位移规划法,实现RRR 天线转动指向机构的位移轨迹规划。首先,基于串联机构D-H 法建立RRR 指向机构数学模型,并完成机构自由度、末端构件运动空间和力学特性分析;然后,建立机构反解,针对轨迹要求为二维连续位移轨迹的特点,提出采用投影位移轨迹规划法实现RRR 三自由度转动机构的位移轨迹规划;最后根据规划算法,结合任务各阶段目标要求,获得了以驱动力条件优化初始位置,保证各阶段运动连续的整体运动轨迹规划结果。通过地面在轨故障模拟处置试验,完成了轨迹规划方法的正确性验证,并最终成功指导在轨故障处置测试的实施。本文研究为大型展开天线在轨机械故障处置提供了重要借鉴,也为转动机构实现位移轨迹规划的研究提供了理论方法创新。