采用信标的大型可展开天线指向控制方法.pdf

《采用信标的大型可展开天线指向控制方法.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2012年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology采用信标的大型可展开天线指向控制方法邢志钢1刘丽坤2郑钢铁1周志成2C1清华大学航天航空学院，北京100084)(2中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京100094)摘要为提高大型可展开天线的指向控制精度，并适应喷气卸栽等在轨工况，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

2、，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；若天线振动超过闽值，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士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。关键词信标敏感器天线指向控制姿态动力学指向精度大型可展开天线D01：10．3780／j．i

3、ssn．1000—758X．2012．03．0011引言随着卫星移动通信的迅速发展，为了增加天线增益，普遍采用大型可展开天线。此类天线单个波束宽度较小，因此对天线指向精度提出了更高的要求。然而，受热变形、安装和展开误差等因素的影响。大天线指向与星体姿态存在较大的随机偏差[1]，需要直接测量天线指向并进行修正L2]。利用信标测量的方法，可以直接测量天线指向，这种姿态敏感器称为信标敏感器[3J。信标敏感器与星本体执行机构问相隔柔性伸展臂，形成传感器一执行机构非共位控制[4J。这种情况下的控制系统稳定性对动力学参数的变化非常

4、敏感，微小的参数变化都可能造成失稳。而在地面设计阶段，难以准确获得大天线的在轨动力学参数∞]。因此，对于控制系统而言，动力学参数的变化是不可避免的。要保证指向精度和稳定性，需要对采用信标后的大天线指向控制方法进行研究。文献[6—7]以ETs-Vlll卫星为背景，分别使用鲁棒控制和变增益控制，对大天线的指向控制方法进行了研究，然而都未采用信标敏感器。难以保证在轨运行时各种误差影响下的指向精度。文献[2—3]研究了采用信标后的天线指向问题，然而在这些研究中均未考虑天线及伸展臂柔性的影响。随着口径的不断增加，天线向柔性化方向

5、发展，天线及伸展臂柔性引起的非共位布局是一个必须考虑的问题。本文建立了表征天线指向的柔性模型，并且提出了一种采用信标的大天线指向控制方法，在控制系统中设计了内环星本体反馈回路和外环指向修正回路，通过对信标钡l量信息进行卡尔曼滤波，估计各种误差的综合影响，估计结果处理后作为外环的输入。这样，系统不断进行着阶跃响应调整，装备预研基金(9140A20020610HT0506)重点资助项目收稿日期：2011-10—20。收修改稿日期，2011·12-26；生垦窒囹型堂堇查．一一一．!!!!笙!旦避免了“非共位控制”问题。考虑到

6、卸载喷气等扰动会激起柔性天线的振动，还设计了振动检测环节；当天线明显振动时，信标测量信息不准确，此时系统跟踪振动发生前的输入。仿真结果表明，该控制方法在保证稳定性的基础上，显著提高了大天线指向精度，并且能够适应位保、卸载喷气等在轨扰动。2信标测量方法定义天线固连系(O。X。LZ。)的原点位于天线中心，Z。轴与天线视轴重合，X。、Y。轴分别与天线特征方向重合。可以通过天线俯仰角壬、滚动角口和偏航角缈来描述天线指向。信标敏感器的组成如图1所示。利用大天线在星上产生4个信标波束向地面照射，地面标校站根据比幅单脉冲测量原理，对

7、信标中心(等功率交叠轴)的俯仰和滚动角进行估计，并通过地面运控中心将结果返回星上。若信标中心与天线视轴重合，则估计结果为lI和口。图1信标敏感器组成示意Fig．1Sketchmapofbeaconsensorcomponent3表征柔性天线指向的动力学模型按中心刚体一柔性附件模型，可建立包含柔性天线的姿态动力学方程。设a-为大天线界面自由度，根据Craig—Bampton模态综合法，可以将大天线内部自由度口i表示为口m口h十口wq。，其中瓯为约束模态阵，西。为主模态阵，q。为模态坐标。利用大天线周边桁架各节点转动自由度

8、的平均来表征天线指向，可在有限元模型中建立天线指向自由度。设L。=[z112⋯z。⋯]，Vi≠挖，fi一0且Z。=1(1)设表征天线指向的自由度分别为i、J、k，令L，=[L，，LJ，Lt]，同时考虑有限元分析坐标系为星本体坐标系，可以写出天线指向自由度a，为a。=L。·a，一L。·垂-bab+L。·mN玑=口b0+L。·oNq矗