运动副间隙对卫星天线双轴机构动态特性影响

卫星天线指向精度要求高,天线驱动机构中有运动副的存在就不可避免地含有间隙,研究间隙等非线性因素对卫星天线驱动机构动态特性影响尤为重要。以某型卫星天线双轴驱动机构为研究对象,基于虚拟样机技术,采用非线性弹簧阻尼模型建立了间隙处的接触碰撞模型,同时采用库伦摩擦模型考虑运动副间隙处的摩擦作用。通过对虚拟样机进行动力学仿真,分析研究了运动副间隙及其大小、不同驱动力矩等因素对双轴驱动机构动态特性的影响规律。结果表明:间隙及过大的驱动力矩将使天线定位精度降低、稳定性变差。综合考虑各因素影响,对卫星天线系统进行结构优化,是提高天线定位精度的有效途径。     

自控同步电动机谐波转矩的抑制

自控同步电动机（无刷直流电动机）谐波转矩的产生是非正弦的定子磁势和转子磁场相互作用的结果。本文采用富氏级数方法对产生谐波转矩的因素进行了分析；针对谐波转矩的主要分量采取了特定型式的补偿电流使其产生的转矩能够抵消该谐波转矩分量；数字仿真结果证实采用此补偿电流对驱动系统（被控对象为自控同步电动机）进行的前馈控制策略可以减少转矩脉动量，且效果明显。     

双轴卫星天线扰动特性建模、仿真及试验

卫星天线微振动是影响卫星姿态控制精度的重要因素,卫星天线扰动建模的目的是掌握其扰动规律,进而采取相应的控制方法和隔离技术.综合考虑卫星天线扰动源步进电机的扰动力以及天线结构固有模态对星体的扰动影响,建立了卫星天线机构机电一体系统对星体扰动力的数学模型.通过仿真计算,设计试验测试卫星天线扰动力,比较仿真结果和试验结果,对所建模型进行验证.比较结果表明:建立的天线扰动模型准确可靠,对卫星指向控制精度和稳定性的影响提供了借鉴和参考.      

基于谐波传动的星间链路天线驱动机构设计研究

星间链路天线驱动机构(GDA)具有长寿命、大驱动力矩、高精度指向和适应复杂空间环境的任务要求.谐波传动具有减速比大、承载能力大、传动精度高等优点,在航天、航空等多个领域广泛应用.分析了主要设计约束,比较了三种双轴构型的优缺点,给出了基于谐波传动的GDA单轴驱动器的结构框图,对电机、谐波减速器、测角传感器的选择以及机电热接口的设计要点进行了分析,论述了紧凑而轻量化的结构布局、长寿命润滑、高精度指向等关键技术,介绍了长寿命和高精度捕获跟踪性能的验证试验方案.     

跟踪与数据中继卫星星间链路天线驱动机构技术综述

跟踪与数据中继卫星星间链路天线驱动机构由于机构负载的特殊性,负载能力、驱动性能、刚度、精度和可靠性等方面均有很高的要求,与其他航天器的双轴驱动机构有很大的区别.介绍了美国第一代中继卫星TDRS、日本试验中继卫星COMETS、欧洲试验中继卫星ARTEMIS、俄罗斯中继卫星LOUTCH的星间链路天线驱动机构的详细设计指标及设计方案,并加以总结和比对,为研制中继卫星天线驱动机构提供参考.     

复杂动力学模型下星载天线跟瞄控制技术研究

针对星载天线动力学复杂这一问题,从天线系统刚柔耦合动力学建模、指向跟踪控制以及振动抑制等方面研究了柔性星载运动部件的指向控制方法。首先,通过描述系统几何拓扑关系建立系统运动学方程,从而简化动力学建模过程;之后,利用假设模态法,对天线反射面挠性进行建模;最后,将拉格朗日方程与挠性关节模型相结合,从而建立了星载天线非线性刚柔耦合动力学模型。在以上复杂动力学建模的基础上,采用分层设计的思路进行了控制策略设计：先运用基于计算力矩法的滑模控制器得到不考虑挠性关节的耦合控制律,从而保证卫星基体的稳定性以及天线挠性反射面的振动抑制;再使用反步法对挠性关节进行控制,实现对天线反射面的指向精度控制。最后,讨论了动力学参数不确定性对系统跟踪指向控制的影响并采用数学仿真的方式验证了相关动力学模型与控制算法。仿真结果表明该方法能较好地实现对星载天线的指向跟踪控制以及振动抑制,提高星载天线的动态指向精度。     

卫星星间捷变型窄波束天线指向的误差分析

针对捷变型窄波束天线建链时间短、指向精度要求高的特点,通过建立星间天线指向误差模型,从理论上分析了卫星位置、姿态、天线安装等偏差因素对天线指向误差的影响。同时,采用STK软件对MEO卫星的天线指向误差进行仿真实验,实验结果与误差模型的理论预期一致。     

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。     

空间惯性定向姿态卫星数传链路设计

对于采用空间惯性定向姿态的卫星,其在数传设备工作期间不能保证固定安装在星体上的发射天线波束准确指向地面站,这给有效载荷高速数传提出更高技术要求. 研究了这类卫星在轨运行时其姿态相对地面站的变化规律,利用STK软件提供的卫星轨道仿真分析结果,寻找数传天线波束中心轴的较好指向,得到不同天线波束宽度能够实现的卫星对地数传时间. 通过研制140°波束范围内0dBi增益天线,在链路设计上保证了传输速率85Mbit·s-1时有足够的余量. 在星载设备小型化约束（质量10kg、功耗80W）条件下,采用小型化宽波束天线以及固态功放解决了空间惯性定向姿态卫星的有效载荷数据传输问题,设计方案满足相关任务要求.      

模块化桁架索网天线找形与展开动力学研究

为了对单模块桁架索网天线展开动力学进行建模,首先,基于力密度法提出一种考虑桁架弹性变形的索网找形方法:渐近迭代力密度法;其次,基于绝对节点坐标法建立桁架刚柔耦合模型,采用等几何分析方法建立索网非线性有限元模型,进而根据第一类拉格朗日方程建立天线刚柔耦合系统动力学方程,并采用广义–α方法对动力学方程进行高效数值积分;最后,对桁架索网天线展开过程的动力学特性进行了研究和分析。研究结果表明:索网找形方案满足天线反射面形面精度要求,得到均匀的索段张力分布;展开过程中桁架竖杆应力最大,在展开末段,驱动滑块对桁架产生较大冲击。     

MEMS陀螺标度因数误差分析及分段插值补偿

动态条件下,标度因数引起的误差是MEMS(Micro Electromechanical System)陀螺主要误差源之一.为了提高陀螺精度,基于内框驱动式硅MEMS陀螺误差机理,分析了标度因数常值误差、非线性误差以及不对称误差的物理起因,构建了标度因数误差数学模型,提出了对陀螺标度因数按照角速度大小分段插值的补偿方法,消除了转速引起的陀螺标度因数误差.试验结果表明:MEMS陀螺标度因数误差高达4053.2(°)/h(1 σ ),采用分段插值法补偿后陀螺误差减小到79.0(°)/h(1 σ ),补偿精度比一次拟合及分段法分别提高了15.4倍和7.5倍,验证了MEMS陀螺标度因数误差模型的正确性,证明了标度因数实时分段插值补偿方法的准确性和适用性.      

含铰链间隙板式卫星天线展开精度分析

板式卫星天线展开机构在航天领域有着广泛的应用,其空间尺寸大,拓扑结构复杂,构件之间多用铰链联结,卫星天线对指向精度要求较高,应考虑铰链间隙对指向精度的影响。含铰链间隙的卫星天线展开机构的指向精度分析建模复杂、求解困难,为此提出了矩阵法分块建模的分析方法,将复杂的整机模型分解成锁定机构计算模型与2个单闭环机构计算模型,分别分析计算铰链间隙对其精度造成的影响,建立整机的计算模型并采用粒子群优化算法进行求解,得到某特定构型的板式卫星天线在极恶劣工况下展开的指向误差为0.067°。研究表明,建立的计算模型精度高,通过智能优化算法求解可以快速得到卫星可展开机构的指向精度极恶劣值,为展开机构的误差补偿设计提供参考。      

控制力矩陀螺框架谐波减速驱动系统建模与仿真

摘要： 控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统的重要执行机构,它具有输出力矩大、速度响应快、功率消耗低、寿命长等优点,可以完成高速率的姿态机动控制.综合考虑谐波减速器的齿隙模型、非线性刚度、减速器效率等因素,对CMG框架驱动组件用谐波减速器进行精细建模.针对低速下谐波减速器的刚度较低、传动误差较大这一缺陷,建立考虑传动误差的减速器模型;与传统的不考虑传动误差的模型相比可更准确地描述谐波减速器在低速下的输出速度曲线.根据建立的CMG框架驱动系统模型,在低速下采用PID闭环控制对输出转速误差进行抑制,使输出转速误差降低了50%以上.最后分析其对谐波减速器刚度和阻尼对框架系统性能的影响.     

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺（CMG,control moment gyro）系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺（SGCMG,single gimbal control moment gyro）各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响：在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

基于FPGA的嵌入式步进电机恒流控制系统设计与实现

长期在轨运行的航天器需具备补加推进剂功能,补加过程通过步进电机驱动浮动连接机构实现。在保证航天器稳定运行在轨补加前提下,从简化软件设计角度出发,本文提出步进电机相电流自适应闭环控制方案,即通过比较器完成电流硬件比较,由FPGA根据比较结果对步进电机相电流进行恒流斩波,以控制步进电机相电流误差不大于10%,从而保证浮动连接机构平稳运行。为验证步进电机相电流控制效果,通过仿真和实验的方法进行测试,测试结果表明,基于FPGA恒流斩波的闭环控制方式可以有效地将步进电机相电流误差限定在10%范围内。     

大方位失准角MIMU空中对准建模及半物理仿真

由于快速性的要求,微小型无人机不经过地面精确初始对准就升空作业,因此MIMU(Micro Inertial Measurement Unit)空中对准在大失准角下进行. 为了提高微小型无人机空中的反应速度和作业精度,把非线性误差部分作为状态变量,建立MIMU在大方位失准角下无需小角度近似的空中对准的线性模型,同时为解决噪声不确定导致滤波器发散的问题,提出将AKF (Adaptive Kalman Filter)应用在GPS(Global Positioning System)辅助MIMU的空中对准中,半物理仿真结果证实其取得了比基于非线性误差模型的EKF(Extended Kalman Filter)精度高且速度快的结果,不仅使MIMU的方位失准角由60° 快速下降到2° 左右,且所需时间仅为EKF的67%.      

星载SAR天线指向稳定度对成像质量的影响

从星载合成孔径雷达(SAR)天线指向不稳定对成像质量影响的角度研究天线指向稳定度.对均匀加权天线,详细推导了天线指向不稳定引起的成对回波的位置和幅度,分析了成对回波对点目标冲激响应的峰值旁瓣比、积分旁瓣比的影响.研究了天线指向不稳定造成的多普勒中心频率误差,根据多普勒中心频率误差与图像位置偏移的关系,给出了图像质量对天线指向稳定度的要求.最后进行了计算机仿真,验证了分析结果.     

采用信标的大型可展开天线指向控制方法

为提高大型可展开天线的指向控制精度,并适应喷气卸载等在轨工况,基于Craig-Bampton法建立了表征柔性天线指向的动力学模型,在此基础上提出了一种采用信标的大天线指向控制方法.该方法先基于卡尔曼滤波,对大天线的振动状态进行检测,若天线未出现明显振动,则通过信标敏感器修正天线指向偏差,同时引入星本体姿态敏感器以保证稳定性;若天线振动超过阈值,则仅引入星本体敏感器以衰减振动,直至天线未出现明显振动.最后利用瑟拉亚(Thuraya)卫星的在轨实测热变形数据进行了仿真验证.结果表明,在未受到喷气扰动时,大天线指向精度优于±0.02°,在受到喷气扰动后,系统可正确检测并切换跟踪输入.这说明,该指向控制方法在保证稳定性的同时,可以有效修正大天线指向偏差,并能适应在轨位保、卸载喷气工况.