星载网状天线的多节展开臂构建方法技术

技术编号:27749074 阅读:20 留言:0更新日期:2021-03-19 13:44
本发明专利技术属于卫星天线技术领域,具体是一种星载网状天线的多节展开臂构建方法,该方法根据网状天线的馈源位置和偏置反射面的根部节点C坐标,以展开臂总长度最小为目标,结合网状天线反射面与展开臂的位置约束,构建多节展开臂的数量N、臂长L

【技术实现步骤摘要】
星载网状天线的多节展开臂构建方法
本专利技术属于卫星天线
,具体是一种网状可展开天线展开臂的构建方法。
技术介绍
网状可展开天线因其口径适用范围广、收纳率大、质量轻等优点而得到越来越广泛地应用,但在移动通信卫星、中继卫星及微波遥感卫星等航天器为准确地捕获目标信号,提高通信效率,并减小地面终端的尺寸,对星载网状可展开天线的在轨增益和指向精度等性能有较高的要求。展开臂作为连接网状天线和卫星本体的关键设备,是支撑和固定大型星载网状反射面天线的主要部件,其设计是否合理对天线的火箭运输和太空展开成功与否起到至关重要的作用。而受航天器有效运载的空间的限制,大型星载网状可展开天线固定在整流罩中处于收拢状态,当卫星进入预设轨道时,网状天线和展开臂在指令控制下进行展开,待展开臂展开到位后由锁定机构锁定。随着模块化和在轨组装等技术的发展,网状可展开天线的口径甚至可高达上百米。因此,需将展开臂设计为多关节串联结构,以缩短展开臂收拢后的高度,便于装载进入航天器整流罩内。对星载网状可展开天线而言,在定焦径比一定的情况下,其焦距与口径成正比,为使反射面与馈源位置匹配,天线的口径越大,所需的展开臂关节个数也会越多。但是,展开臂越多,所引入的含间隙展开关节越多,越容易导致反射面和焦点失配。考虑到火箭运载空间的尺寸限制,又不能引入过多的含间隙展开臂关节,因此需根据实际情况合理设计展开臂关节的各项参数,确保展开臂能够装载进入航天器的整流罩。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够符合火箭运载空间的尺寸限制,根据实际情况合理构建展开臂的星载网状天线的多节展开臂构建方法。为实现上述目的,本专利技术采取的技术方案为:一种星载网状天线的多节展开臂构建方法,包括步骤一、在给定网状天线反射面的焦距f和口径D,坐标原点为O的全局坐标系(X,Y,Z)下建立标准反射面,并根据网状天线反射面的偏置距离d′,生成偏置反射面;步骤二、根据所述标准反射面和偏置反射面,在全局坐标系下,确定网状天线上网面的关键节点A和B的坐标,并计算网状天线上网面的高度Hup;步骤三、给定网状天线下网面高度Hdown和上、下网面间距H′,计算网状天线的整体高度H;步骤四、根据计算得到的网状天线的整体高度H,全局坐标系下,计算偏置反射面的根部节点C坐标即为展开臂末端节点;步骤五、根据网状天线的馈源位置和步骤四中得到的偏置反射面的根部节点C坐标,以展开臂总长度最小为目标,结合网状天线反射面与展开臂的位置约束,构建多节展开臂的数量N、臂长Li及在全局坐标系下,展开臂第j个节点与X轴的夹角的优化模型,并得到两节展开臂间的夹角θk;步骤六、根据步骤五构建的多节展开臂,当铰链连接的两连杆呈θk时,锁死展开臂关节。进一步的,所述的步骤一中生成偏置反射面具体为:在坐标原点为点O的全局坐标系(X,Y,Z)下建立标准反射面,在所述的全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面的X轴向,取偏置距离为d′的圆柱轴向Da,在所述的Da处以D/2为半径生成圆柱,圆柱与所述标准反射面相交的相贯线即为所述网状天线的偏置反射面。进一步的,所述的步骤二具体为:所述标准反射面在全局坐标系下可表示为方程:其中所述的天线反射面焦距f即为反射面的焦距;在所述全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面上,所述的偏置反射面与标准反射面的两个交点即为网状天线上网面的关键节点A和B,在全局坐标系下,建立所述网状天线上网面关键节点A的坐标为(XA,YA,ZA)和B的坐标为(XB,YB,ZB):由于上网面关键点坐标处于所述全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面上,故YA和YB为0,而XA和XB可表示为:从而在所述(XOZ)面上,建立直线AB的方程,可表示为:ZAB=KAB(XAB-XA)+ZA,其中KAB为直线AB的斜率,可表示为:在所述的全局坐标系下,偏置反射面上的节点距离线段AB的距离记为HN,由点到直线的距离公式可得:对得到的HN函数求导并求极值点,当X=d′时,HN取得极大值,计算可得:即得到所述上网面的高度Hup。进一步的,所述的步骤二中还包括对计算得到的网状天线上网面的高度Hup的完整性验证步骤:根据网状天线上网面的关键节点A和B,以所述取偏置距离为d′的圆柱轴向Da与线段AB的相交点o,该点的切线方向和法线方向为局部坐标系x和z的轴向方向,建立偏置反射面局部坐标系(x,y,z),并令所述的上网面和下网面在局部坐标系中的(xoy)平面内的投影完全重合,保证网状天线的完整性。进一步的,所述的步骤三具体为:所述网状天线的整体高度H可表示为:H=Hup+Hdown+H′。由于所述的网状天线包括上、下网面和竖向索网,所述网状天线上网面是决定天线的电性能,网状天线下网面只是为了满足结构上的需求是给定的,经过本步骤主要是为了确定所述网状天线上网面与给定的下网面建立的是一个完整的网状天线索网结构,且保证下一步对网状天线的整体高度H的计算准确性,确定网状天线的整体高度H从网状天线的结构角度讲即为网状天线的竖向索网高度。进一步的,所述的步骤四具体为:所述展开臂根部节点C的坐标(XC,YC,ZC),由于C点坐标处于所述全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面上,故YC为0,根据几何关系,XC和ZC可表示为:即为所述全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面上的C点坐标。进一步的,所述的步骤五具体为:根据所述的馈源点坐标F(0,0,f)和所述的展开臂末端节点C坐标,与C点相连的杆长必须大于网状天线的整体高度H,P为所述关键节点A到杆长的距离,为了安装方便,该距离必须介于数值P和之间,以展开臂数量N、臂长Li(i=1,......,N)和所述展开臂第j个节点与X轴的夹角为设计变量,以所有杆长之和最小为目标,建立如下优化模型:findmins.t其中,d为设计变量,L为展开臂长度之和,X1和Z1分别为全局坐标系下F点X坐标和Z坐标,XN+1和ZN+1分别为全局坐标系下C点X坐标和Z坐标,为整流罩最大可装载尺寸,k和分别是第N节点与第N+1节点连线的斜率上限和下限,具体可表示为:两节展开臂间的夹角记为θk(k=1,......,N-1),可表示为:进一步的,所述的多节展开臂通过锁死机构锁死展开臂关节,所述的展开臂关节是指在展开臂的两两单节臂之间设有的铰链,所述的锁死机构包括在所述铰链上设有卡槽,还包括连杆,所述连杆的一端连接在展开臂上,连杆的另一端设有垂直与连杆的横杆,在所述的展开臂铰链自由转动时,连杆与铰链不构成约束关系,当铰链连接的两展开臂呈θk时,所述的横杆落入卡槽,将铰链锁死。本专利技术的有益效果是:本专利技术以展开臂总长度最小为目标,施加相应约束,基于优化设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载网状天线的多节展开臂构建方法,其特征在于,包括/n步骤一、在给定网状天线反射面的焦距f和口径D,坐标原点为O的全局坐标系(X,Y,Z)下建立标准反射面,并根据网状天线反射面的偏置距离d′,生成偏置反射面;/n步骤二、根据所述标准反射面和偏置反射面,在全局坐标系下,确定网状天线上网面的关键节点A和B的坐标,并计算网状天线上网面的高度H

【技术特征摘要】
1.一种星载网状天线的多节展开臂构建方法,其特征在于,包括
步骤一、在给定网状天线反射面的焦距f和口径D,坐标原点为O的全局坐标系(X,Y,Z)下建立标准反射面,并根据网状天线反射面的偏置距离d′,生成偏置反射面;
步骤二、根据所述标准反射面和偏置反射面,在全局坐标系下,确定网状天线上网面的关键节点A和B的坐标,并计算网状天线上网面的高度Hup;
步骤三、给定网状天线下网面高度Hdown和上、下网面间距H′,计算网状天线的整体高度H;
步骤四、根据计算得到的网状天线的整体高度H,全局坐标系下,计算偏置反射面的根部节点C坐标即为展开臂末端节点;
步骤五、根据标准反射面的馈源位置和步骤四中得到的偏置反射面的根部节点C坐标,以展开臂总长度最小为目标,结合网状天线反射面与展开臂的位置约束,构建多节展开臂的数量N、臂长Li及在全局坐标系下,所述展开臂第j个节点与X轴的夹角的优化模型,其中j=1,......,N+1,并得到两节展开臂间的夹角θk;
步骤六、根据步骤五构建的多节展开臂,当铰链连接的两连杆呈θk时,锁死展开臂关节,完成展开臂的构建。


2.如权利要求1所述的星载网状天线的多节展开臂构建方法,其特征在于,所述步骤一中生成偏置反射面具体为:
在所述的全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面的X轴向,取偏置距离为d′的圆柱轴向Da,在所述的Da处以D/2为半径生成圆柱,所述圆柱与所述标准反射面相交的相贯线即为所述网状天线的偏置反射面。


3.如权利要求1所述的星载网状天线的多节展开臂构建方法,其特征在于,所述的步骤二具体为:
所述标准反射面在全局坐标系下可表示为方程:



其中所述的天线反射面焦距f即为反射面的焦距;
在所述全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面上,所述的偏置反射面与标准反射面的两个交点即为网状天线上网面的关键节点A和B,在全局坐标系下,建立所述网状天线上网面关键节点A的坐标为(XA,YA,ZA)和B的坐标为(XB,YB,ZB):



由于上网面关键点坐标处于所述全局坐标系(X,Y,Z)的(XOZ)面上,故YA和YB为0,而XA和XB可表示为:



从而在所述(XOZ)面上,建立直线AB的方程,可表示为:
ZAB=KAB(XAB-XA)+ZA,
其中KAB为直线AB的斜率,可表示为:



在所述的全局坐标系下,偏置反射面上的节点距离线段AB的距离记为HN,由点到直线的距离公式可得:



对得到的HN函数求导并求极值点,当X=d′时,HN取得极大值,计算可得:



即得到所述上网面的高度Hup。


4.如权利要求3所述的星载...

【专利技术属性】
技术研发人员:宗亚雳张铎王杰吕昂
申请(专利权)人:西北工业大学
类型:发明
国别省市:陕西;61

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