大型网状可展开天线的动力学与控制研究进展

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1、２０１４年４月中国空间科学技术１第２期ChineseSpaceScienceandTechnology大型网状可展开天线的动力学与控制研究进展１１２３刘丽坤周志成郑钢铁田强（１中国空间技术研究院，北京１０００９４）（２清华大学航天航空学院，北京１０００８４）（３北京理工大学航天学院，北京１０００８１）摘要随着卫星移动通信技术的迅猛发展，为了提高卫星天线增益，普遍采用大型网状可展开抛物面天线。由于该类天线具有质量惯量大、展开过程耗时长、低刚度等特点，其展开过程和在轨正常工作期间，对卫星的动力学和姿态控制有较大影响。文章首先对大型网状可展开天线的特点及其对卫星动力学与控制的

2、影响进行介绍，然后对大型网状可展开天线带来的动力学与控制相关问题进展进行了综述，包括：大型网状可展开天线展开状态动力学建模、展开状态试验验证、展开过程动力学建模、展开过程姿态控制及在轨天线指向控制等。最后对采用大型网状可展开天线的动力学与控制研究方向进一步需深入开展的工作提出了建议。关键词姿态控制；动力学；大型网状可展开天线；卫星DOI：１０畅３７８０／j畅issn畅１０００‐７５８X畅２０１４畅０２畅００１１引言随着卫星移动通信技术的迅猛发展，为了提高同步轨道卫星天线增益，普遍采用大型可展开抛物面天线。为了支持手持移动通信，天线电口径要求在１０m以上。为了适应发射阶段

3、整流罩的空间约束和在轨的空间环境，大型天线都采用网状可展开结构，具有发射收拢、在轨自主展开功能。大型网状可展开天线利用展开机构支撑预应力作用下的张力索网，形成反射电磁波所需的抛物面型面。该类天线发展已有三十余年，形式多样。如图１所示为采用环形桁架式大型网状可展开天线（简称环形天线）的移动通信卫星，该天线反射器通过伸展臂与卫星本体相连。环形天线是当前大型网状可展开天线应用较为广泛的结构形式。与传统的固面天线和安装该类天线的卫星相比，大型网状可展开天线自身及安装该类天线的卫星有如下特点：１）网状天线展开状态结构依靠自平衡预应力维持结构的稳定，没有施加预应力之前，张力索网处于

4、松弛状态，所以大天线结构是一种非线性结构，这给展开状态的准确建模带来挑战。２）网状天线展开状态尺寸大，反射器的模态试验只能在存在悬吊影响的条件下进行，如何在有约束的条件下，对大天线展开状态的动力学特性进行地面验证是验证天线机械设计、保障卫星在轨安全可靠运行的一个关键问题。３）网状天线机构多，展开过程中索网处于零重力漂浮状态，存在与展开机构钩挂的风险，索网在预应力加载阶段对拉索驱动力和桁架杆件内部应力有较大影响，考虑索网的网状天线展开过程建模是多体动力学建模的一项挑战。装备预研基金重点项目（９１４０A２００２０６１０HT０５０６）资助项目收稿日期：２０１３‐１２‐０４。收

5、修改稿日期：２０１３‐１２‐３０２中国空间科学技术２０１４年４月４）网状天线展开时间长，天线展开过程中整个卫星的质心、转动惯量以及天线的基频都是在连续变化的，卫星整体是一个变结构系统，这给展开过程卫星姿态的稳定控制带来更高要求。５）网状天线反射器与卫星本体是通过柔性的伸展臂连接，在振动载荷和热载荷的作用下天线指向与卫星本体姿态可能存在差异，为了满足天线覆盖区的设计要求，需要利用卫星姿态机动达到网状天线的指向要求。本论文结合大型网状可展开天线自身及安装大型网状可展开天线卫星的特点，对当前国内外大型图１采用环形桁架式网状可展开天线的卫星网状可展开天线的动力学与控制研究进展进

6、行综Fig畅１Satellitewithlargemeshdeployableantenna述，就网状可展开天线展开状态建模问题、展开状态动力学模型试验验证问题、展开过程动力学建模问题、展开过程的姿态控制问题及在轨指向控制问题的研究进展进行系统的梳理，并对进一步需深入开展的工作提出自己的看法。２展开状态建模问题研究现状大型网状可展开天线的展开状态模型一方面指导和验证天线本身的设计，另一方面应用于控制仿真，模型的准确性直接影响整星姿态动力学模型的准确性，进而影响整星姿控性能。大型网状可展开天线展开状态结构是一种非线性结构。天线反射器展开状态的整体刚度受索网结构面内张力的影

7、响，存在应力刚化现象。这种非线性特征，虽然加大了结构分析的难度，但可以使结构能够自动调整其内力的分布，降低局部内力的峰值，提高结构的承载能力，这也是索网结构能［１］够跨越大距离的主要原因。考虑到网状大型可展开天线展开状态结构的复杂性和非线性，需要采用具有拉索单元的有限元方法进行建模。目前典型的网状天线展开状态建模流程见图２。首先建立天线初始模型，初步给定索网结构的预应力，然后对天线结构进行找形优化设计，直至天线的形面精度和拉索的最大拉力比满足要求，取得结构的静力平衡位置，即结构体系的静力终态。完成找形设计后，取结构静力终态时各单元的内力与