星載天線動態(tài)指向精度動力學(xué)分析與控制.pdf

1、隨著空間偵察技術(shù)的發(fā)展，對星載天線的跟蹤和搜索能力提出了越來越高的要求。針對空間作業(yè)的無根樹系統(tǒng)，衛(wèi)星本體是空間漂浮基，其運動過程有很強的非線性、時變性及耦合性，且天線在指向過程中不可避免受到柔性關(guān)節(jié)動態(tài)誤差、關(guān)節(jié)鉸間隙、反射面撓性及空間熱環(huán)境等因素影響，對星載天線動態(tài)指向精度造成了很大的影響，使得星載天線動態(tài)指向精度研究成為空間偵察領(lǐng)域中的難題之一。本文主要針對星載天線動態(tài)指向精度動力學(xué)分析和控制問題開展研究。
　　星載天線是典

2、型的空間多體系統(tǒng)，在軌工作時，其非線性特性使得動力學(xué)分析與計算較為復(fù)雜。為了提高動力學(xué)計算效率，本文針對鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的星載天線多體系統(tǒng)，描述其運動學(xué)關(guān)系，建立了系統(tǒng)動力學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮反射面為柔性體，通過天線轉(zhuǎn)軸末端與反射面交界面的協(xié)調(diào)關(guān)系，采用固定界面模態(tài)綜合法和Lagrange方程，推導(dǎo)了大范圍運動星載天線剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，實現(xiàn)了星載天線系統(tǒng)動力學(xué)計算程序，并與商業(yè)軟件對比，驗證了所建立模型的正確性。
　　為了

3、研究柔性關(guān)節(jié)動態(tài)誤差的非線性因素對星載天線指向精度的影響，深入了分析柔性關(guān)節(jié)動態(tài)誤差引起的動力學(xué)響應(yīng)行為，并提出應(yīng)用多尺度法求解不同頻率諧波的強迫激勵下動態(tài)誤差的近似方法；仿真分析了柔性關(guān)節(jié)動態(tài)誤差引起的振動響應(yīng)，即可能產(chǎn)生強烈的力矩和速度波動。進(jìn)一步設(shè)計了星載天線定位指向與軌跡跟蹤非線性控制器，并利用Lyapunov理論證明所設(shè)計的控制算法是漸近穩(wěn)定的。通過合理選取控制器參數(shù)可抑制其擾動，較好地補償柔性關(guān)節(jié)動態(tài)誤差，為星載天線指向控制

4、提供有效的參考依據(jù)。
　　關(guān)節(jié)鉸間隙的存在不可避免破壞了星載天線多體系統(tǒng)的理想約束模型，為了研究關(guān)節(jié)鉸間隙對星載天線擾動的影響，本文建立了鉸間隙矢量矩模型，采用非線性彈簧阻尼及修正庫侖摩擦描述了鉸間隙碰撞力和摩擦力模型；進(jìn)一步建立了含間隙鉸變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的星載天線多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過接觸碰撞判別準(zhǔn)則，并采用Newmark法進(jìn)行數(shù)值遞推計算，由計算結(jié)果可知鉸間隙極大增加關(guān)節(jié)的碰撞力，加劇了反射面振動，惡化了天線動態(tài)指向精度。最后引入

5、擠壓油膜潤滑被動控制技術(shù)，消除了鉸間隙運動副碰撞的可能，有效地提高天線的指向精度。
　　針對柔性反射面的彈性振動與星載天線耦合，其動力學(xué)分析與計算較為復(fù)雜的情況，本文采用慣性完備性準(zhǔn)則選取模態(tài)降低模型階數(shù)，保證所建立動力學(xué)模型具有較高的計算效率和足夠的精度。分析了反射面不同安裝布局約束工況時柔性反射面彈性變形對星載天線的擾動。進(jìn)一步利用PD+振動力反饋控制算法抑制系統(tǒng)振動，并基于Lyapunov方法證明了控制系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，通過

6、仿真算例表明該控制策略能快速抑制系統(tǒng)振動。
　　由于經(jīng)受太陽輻射、深冷空間周期性作用，會引起溫度劇烈變化，產(chǎn)生較大的熱變形或熱振動，為了研究空間熱載荷對星載天線剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的擾動，根據(jù)拋物反射面幾何特征，利用殼體單元進(jìn)行有限元離散化，并考慮了殼體厚度方向上的溫度變化，建立了有限元列式熱傳導(dǎo)方程；引入與應(yīng)變能有關(guān)的耦合項，推導(dǎo)了含空間熱效應(yīng)的星載天線系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，通過分析結(jié)果表明空間熱效應(yīng)因素加劇了柔性反射面的彈性振動