星載天線動(dòng)態(tài)指向精度動(dòng)力學(xué)分析與控制.pdf

1、隨著空間偵察技術(shù)的發(fā)展，對(duì)星載天線的跟蹤和搜索能力提出了越來(lái)越高的要求。針對(duì)空間作業(yè)的無(wú)根樹(shù)系統(tǒng)，衛(wèi)星本體是空間漂浮基，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程有很強(qiáng)的非線性、時(shí)變性及耦合性，且天線在指向過(guò)程中不可避免受到柔性關(guān)節(jié)動(dòng)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(duì)星載天線動(dòng)態(tài)指向精度造成了很大的影響，使得星載天線動(dòng)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(duì)星載天線動(dòng)態(tài)指向精度動(dòng)力學(xué)分析和控制問(wèn)題開(kāi)展研究。
　　星載天線是典

2、型的空間多體系統(tǒng)，在軌工作時(shí)，其非線性特性使得動(dòng)力學(xué)分析與計(jì)算較為復(fù)雜。為了提高動(dòng)力學(xué)計(jì)算效率，本文針對(duì)鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的星載天線多體系統(tǒng)，描述其運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，建立了系統(tǒng)動(dòng)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(guò)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(yùn)動(dòng)星載天線剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了星載天線系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序，并與商業(yè)軟件對(duì)比，驗(yàn)證了所建立模型的正確性。
　　為了

3、研究柔性關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)誤差的非線性因素對(duì)星載天線指向精度的影響，深入了分析柔性關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)誤差引起的動(dòng)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(qiáng)迫激勵(lì)下動(dòng)態(tài)誤差的近似方法；仿真分析了柔性關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)誤差引起的振動(dòng)響應(yīng)，即可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的力矩和速度波動(dòng)。進(jìn)一步設(shè)計(jì)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(jì)的控制算法是漸近穩(wěn)定的。通過(guò)合理選取控制器參數(shù)可抑制其擾動(dòng)，較好地補(bǔ)償柔性關(guān)節(jié)動(dòng)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(duì)星載天線擾動(dòng)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(kù)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(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)接觸碰撞判別準(zhǔn)則，并采用Newmark法進(jìn)行數(shù)值遞推計(jì)算，由計(jì)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(dòng)，惡化了天線動(dòng)態(tài)指向精度。最后引入

5、擠壓油膜潤(rùn)滑被動(dòng)控制技術(shù)，消除了鉸間隙運(yùn)動(dòng)副碰撞的可能，有效地提高天線的指向精度。
　　針對(duì)柔性反射面的彈性振動(dòng)與星載天線耦合，其動(dòng)力學(xué)分析與計(jì)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(dòng)力學(xué)模型具有較高的計(jì)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(shí)柔性反射面彈性變形對(duì)星載天線的擾動(dòng)。進(jìn)一步利用PD+振動(dòng)力反饋控制算法抑制系統(tǒng)振動(dòng)，并基于Lyapunov方法證明了控制系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，通過(guò)

6、仿真算例表明該控制策略能快速抑制系統(tǒng)振動(dòng)。
　　由于經(jīng)受太陽(yáng)輻射、深冷空間周期性作用，會(huì)引起溫度劇烈變化，產(chǎn)生較大的熱變形或熱振動(dòng)，為了研究空間熱載荷對(duì)星載天線剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的擾動(dòng)，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(xiàng)，推導(dǎo)了含空間熱效應(yīng)的星載天線系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，通過(guò)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(dòng)