航天器天线技术的特点和进展

<正> 航天器天线亦称空间飞行器天线,用于卫星、飞船、空间站和深空探测器。天线按功能分类有遥测、指令、跟踪、测速、数据中继、通信广播、科学探测、遥感、测向、交会雷达、着陆导航等等,其型式多种多样,工作频率从甚低频到毫米波段。航天器天线有时比航天器本体大得多(例如ATS—6,TDRS),有时几乎就是航天器大部分表面(例如Transit-1)。     

基于同波束干涉测量的航天器姿态测量研究

基于地基同波束干涉测量,建立了航天器姿态测量数学模型及方程,给出了姿态解算方法,并对方程可解性与解算精度因子进行了分析。通过模拟在轨航天器轨道运行,进行了基于同波束干涉测量的航天器姿态解算数值仿真和误差分析,对解算误差和观测俯仰角的关系进行了分析和验证。结果表明,利用3个地面测站针对航天器上3个下行天线信号开展同波束干涉测量,辅以精度因子约束进行姿态解算,可以获得有效的航天器姿态信息,其精度最高可达0.001°。该方法可以作为在轨航天器姿态测量的备份手段。     

载人航天器与伴随卫星间射频系统电磁兼容性分析方法

对载人航天器与伴随卫星间射频设备的电磁干扰问题进行了研究，根据射频系统的收发参数建立了电磁干扰安全裕度模型，分析了伴随卫星发射天线对载人航天器接收天线的等效干扰。从保证载人航天器与伴随卫星在轨电磁兼容的角度，得到了航天器间能够兼容工作的最小相对距离计算方法。研究结果表明，所提出的分析方法能够对伴飞任务航天器间的电磁干扰风险进行预测，可为飞行任务的顺利完成提供技术支持。     

航天器应急姿态捕获中GPS信号的应用

星载全球定位系统（GPS）卫星接收机在测量接收各GPS卫星信号时,可同时得到接收信号的信号强度测量辅助数据E。理论分析表明,接收信号的强度E与信号入射天线的法向夹角α强相关。如建立E与α稳定的先验模型,E就可以作为测量值,计算入射天线的角度α。在同一时刻,通过三个以上GPS卫星信号入射天线的角度α,可计算星载GPS卫星接收机接收天线的空间姿态。确定姿态的精度取决于E与α相关先验模型的稳定性。利用CHAMP卫星星载接收机在轨实测数据检验,估算的初始姿态精度为2°~3°。该方法可作为航天器故障状态下应急姿态捕获的一种辅助手段,也可为携带星载GPS而无高精度定姿要求的简易航天器提供一种新的无附加成本的定姿途径。     

星载毫米波反射面天线结构

“神舟4号”飞船的多模态微波辐射计天线的工作频率跨到毫米波段．这在我国过去的航天器天线中尚未遇到．采用了计算机机电热一体化设计手段，从材料的选择入手，把最佳的电性及结构设计、先进有效的制造、检测与装配技术有机地融为一体之后，保证了天线最终的高精度指标．本文从高精度反射面天线的要求出发，从设计、分析、实现以及验证多方面说明星载反射面天线形面高精度的控制与实现．     

星载大型反射面天线的刚-柔-姿控一体化在轨振动分析方法

随着大型可展开环形天线在航天器上的应用,口径越来越大,指标更加严格,卫星姿控、轨控、太阳翼驱动等导致的机械运动必然会引起大型反射面天线的振动,从而造成电性能降低,影响任务完成质量。提供了一种获取大型环形天线在轨振动影响的刚–柔–姿控一体化分析方法,建立了集扰动源、整星刚柔耦合动力学模型、姿态控制系统、天线振动影响分析的一体化仿真分析模型,实现了在典型扰动模式下的环形天线的振动响应计算、环形天线整体指向和变形计算。分析结果为天线在轨振动影响分析、性能指标预示、振动传递机理及抑制措施提供支持。     

航天器姿态指向跟踪的一种自适应滑模控制方法

航天器姿态指向跟踪(APT)技术是近年来引起深入研究的关键技术之一,设计一种自适应滑模控制律,通过设计自适应律考虑有界干扰力矩和转动惯量不确定因素的影响,同时使用滑模控制设计方法保证控制算法的鲁棒性,用双曲正切函数代替符号函数来克服滑模控制中存在的抖振问题,实现受控航天器的某个指向(相机或天线)保持对运动目标的跟踪.控制方案采用修正罗德里格斯参数(MRP)描述航天器姿态,用喷气推力器作为航天器的姿态执行机构.仿真结果显示了控制律的有效性.     

基于分形的宽带漏波天线研究

设计了一种新型的具有宽频带特性的微带平面漏波天线.该天线由基片集成波导喇叭、抛物面结构和一组30×10单元的微带贴片阵列组成.分析比较了普通贴片和分形结构贴片天线的带宽和辐射特性,发现具有分形结构单元的天线具有更宽的频带和更好的辐射特性.仿真结果表明,采用Minkowski准分形结构贴片单元的漏波天线在18～22GHz内回波损耗都大于10dB,带内增益可达17dB.实测结果表明,天线在18～22GHz内回波损耗大于10dB,在20GHz增益为14dB,适合于卫星应用.这为将其用作对地观测卫星数传天线提供了新的理论支撑.该新型微带平面漏波天线具有高增益、宽频带、小体积、轻质量和波束扫描等优势,可作为航天器天线的优选.      

空间环境对碳纤维—环氧复合材料影响

以往的天线反射器大都采用钣金和玻璃纤维增强塑料制造的。随着碳纤维(石墨形式的碳纤维)和凯夫拉(kevlar)纤维的发展,这些复合材料对天线的设计者是十分有用的。这类复合材料重量轻、热膨胀系数小、强度大、刚度好,可用于制造航天器的天线反射器。从1973年 Satcom Ⅰ卫星开始,这类新型复合材料已用于通信卫星天线反射器的制造,其中大部分是采用凯夫拉纤维—环氧复合材料。近年来,碳纤维—环氧复合材料有了较大的发展,用于先进的天线反射器,这类天线反射器是准各向同性的,     

形面精度可调节的单层索网空间抛物面天线

大口径高形面精度的空间可展开天线是未来航天器天线的重要发展方向之一。提出了一种新型形面可调节的单层索网空间可展开天线。通过对单层索网进行静力平衡分析,给出了单层索网天线的内力计算方法,并基于能量法,建立了单层索网天线的形状预测理论模型,实现了单层索网天线的三步法找形方法。基于理论分析结果,建立了50m口径的单层索网天线的有限元模型,通过有限元模型对建立的单层索网理论设计分析方法进行了验证,并验证了单层索网天线的形面精度及在轨调整的可行性。理论分析和有限元分析结果表明,单层索网天线拓扑构型简单,可通过改变天线中心轴的长度,实现天线形面的在轨调节。在100℃的均匀温差下,通过在轨形面调节,50m口径单层索网天线的形面误差可降低至5mm以下。     

一种针对金星探测器的姿态指向设计

摘要： 金星探测需要超长距离低码率传输,因而金星探测器需要保持其数传天线指向地球.相对于地球轨道飞行器来说,金星探测器距离太阳更近,需要固定散热面来维持探测器内的温度.提供一种基于在金星探测器偏置安装天线的姿态指向设计,能够保证从金星向地球传输数据并且维持散热面远离太阳.而此设计旨在减少数传天线的数量至一根同时将两个固定平面作为散热面.还提供两种详细方案来控制姿态机动来保证在数传天线始终指向地球的同时在特定节点切换散热面.     

十字交叉振子类型圆极化天线的研究

通过对Ｈａｌｌｅｎ方程进行矩量法求解，讨论了十字交叉振子类型天线产生圆极化辐射时两对振子长度选择的方法；计算了几种情况下天线的远区辐射场；指出十字交叉振子、伞型振子等这类天线由于具有结构紧凑、工作可靠、易于赋形等特点，可广泛应用在空间飞行器上。     

Various methods of calibration of the STEREO/WAVES antennas

On October 25th, 2006, NASA’s two STEREO spacecraft were launched which are designed to increase our knowledge of the physics of the solar system. On board they carry a sophisticated radio experiment, called S/WAVES. The key technology, used by S/WAVES is the direction finding capability in addition to the use of two spacecraft which makes it possible to triangulate radio sources. Direction finding requires the reception properties of the antennas to be known very accurately. We applied several different methods to calibrate the S/WAVES antennas. In this paper the methods are described and compared and the results are presented and discussed with respect to advantages and disadvantages of the different methods.     

深空探测器大口径天线指向在轨标定方案

基于深空探测器配备的大口径天线的指向精度要求,给出了一种深空探测器大口径天线在轨指向的标定方案,以解决深空探测器安装的大口径天线的在轨指向评价问题。通过对飞行器特点和约束条件的分析,结合"嫦娥4号"中继星天线的具体情况,采用星地协同工作的方法,给出了天线指向在轨标定的方案,并明确了标定的实施流程,最后对标定过程中的误差情况进行了分析。本方案可推广应用于其他深空探测器大口径天线指向标定方案的设计。     

航天器大尺度部件折叠展开原理分析及应用

围绕航天器向大尺度、远距离发展所涉及的大尺度部件在轨展开技术中新工艺、新材料、新结构等，对现有航天器大尺度部件的折展机构进行了统计与分析，系统梳理了在轨航天器折展机构的技术参数、结构与组成等。介绍了折纸艺术、自回弹材料与记忆合金等新工艺、新材料在航天器太阳帆板、天线等大尺度部件上的应用。重点分析并梳理了新型结构的特性及其工作原理，包括：充气展开式、单轴旋转式、径向扩展式、单元重构式、延长伸展式等。最后，结合即将开展的载人登月与月球基地建设、太阳系探测等深空探测任务，对在轨航天器大尺度部件的折展结构与机构的发展趋势进行了展望。     

基于非线性模态的航天器铰接结构基频特性研究

将航天器铰接结构简化为具有局部铰链非线性约束的多自由度系统,提出了对该类非线性系统动力学特性进行分析的方法。即首先通过拟合模态方法建立铰接结构系统的非线性动力学模型,然后通过数值方法得到系统的非线性模态,并以之为基础对铰接结构的基频特性进行研究。     

基于RVE模型的空间天线结构热稳定性优化设计与热变形分析

空间环境温度变化会使空间天线支撑结构产生热变形,影响其使用性能,因此进行天线热稳定性设计及热变形分析具有重要的意义.基于代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法对空间天线结构进行热稳定性设计与热变形分析.通过建立纤维随机分布并含有材料孔隙的RVE,得到纤维热膨胀系数.对M40/TDE85单向复合材料的热膨胀性能进行实验测试,计算结果与测试结果吻合良好,验证了RVE模型的正确性与准确性.建立了复合材料圆管参数化模型,根据计算得到的热膨胀系数及优化算法,对天线支撑结构进行热稳定性优化设计,并对优化后的天线结构进行热致变形分析,结果表明优化后的结构具有很高的热稳定性.      

“嫦娥4号”任务有效载荷系统设计与实现

"嫦娥4号"任务将首次实现人类在月球背面软着陆。通过分析任务特点,以多类型有效载荷配置为背景,介绍了以科学目标和探测任务为核心的有效载荷系统设计思路和实现方法。同时针对首次在深空探测领域搭载国际合作有效载荷项目情况进行了说明。"嫦娥4号"任务最重要的科学目标是利用月球背面洁净的电磁环境进行天文低频射电观测,因此分别在着陆器和中继星上新增配置了国内新研制的低频射电频谱仪及荷兰研制的低频探测仪。科学探测的太阳爆发产生的低频电场信号极其微弱,如何消除着陆器和中继星上其他电子设备发射的近场噪声对远场探测信号的干扰就成了本次任务的最大难点。在相关研制单位的多方努力下,通过优化接收天线设计和地面数据处理算法等多种手段,实现了低频探测信号不低于30 d B的噪声抑制性能,具备了实现科学目标的能力。     

Overview of TDRSS

The National Aeronautics and Space Administration (NASA) has developed the Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) System (TDRSS) for operational tracking and communications support of low Earth-orbiting satellites. TDRSS currently consists of five geosynchronous spacecraft and the White Sands Complex (WSC) at White Sands, New Mexico. The Bilateration Ranging Transponder (BRT) System (BRTS) supports range and Doppler measurements for each TDRS using standard user tracking services. These measurements are used to generate well-determined ephemerides for the TDRSs. TDRSS provides S-band and Ku-band services through the single access (SA) antennas and S-band services through the S-band multiple access (SMA) phased array. TDRSS is capable of supporting coherent range and two-way Doppler tracking as well as noncoherent one-way return-link and one-way forward-link Doppler tracking of user spacecraft. Accurate one-way return-link tracking, which can use SMA, the most available TDRSS resource, requires a stable oscillator onboard the user spacecraft as the source of frequency. Two-way and one-way return-link tracking measurements are used for ground orbit determination for navigation and precise positioning; one-way forward-link tracking is used for autonomous onboard navigation with achievable accuracies better than those of the Global Positioning System (GPS) Precise Positioning System (PPS). This overview will discuss the various tracking and navigation capabilities of TDRSS, as well as many of the operational and research applications that have been conducted for missions such as Landsat-4, Ocean Topography Experiment (TOPEX)/Poseidon (T/P), Cosmic Background Explorer (COBE), and Extreme Ultraviolet Explorer (EUVE).