莊建樓 何善寶 宋錚 周靜

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

?

基于觀測(cè)幾何方法的星間鏈路天線轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求分析

莊建樓 何善寶 宋錚 周靜

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

星間鏈路機(jī)械可移波束天線的轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求是進(jìn)行天線設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。文章提出了一種基于觀測(cè)幾何的仿真方法，實(shí)現(xiàn)了航天器運(yùn)動(dòng)、航天器姿態(tài)控制、天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合的仿真，同時(shí)避免了復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)仿真，并以某Walker-δ星座星間鏈路機(jī)械可移波束天線為例進(jìn)行了分析，得出了較為準(zhǔn)確的天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求，可用于長(zhǎng)壽命高可靠性設(shè)計(jì)、制定具體的壽命試驗(yàn)方案等。該方法也適用于其他類型星座或其他依靠機(jī)械雙軸實(shí)現(xiàn)指向跟蹤的星間鏈路終端設(shè)備。

觀測(cè)幾何；星間鏈路；機(jī)械可移波束天線；總壽命；雙軸；天線指向機(jī)構(gòu)；萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)組件

1 引言

當(dāng)前，航天器星間鏈路機(jī)械可移波束天線(以下簡(jiǎn)稱天線)已廣泛用于在各類航天器之間建立持久的通信或測(cè)量鏈路，這類天線具有雙軸的天線指向機(jī)構(gòu)(Antenna Positioning Mechanism,APM)或萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)組件(Gimbal Drive Assembly,GDA)，簡(jiǎn)稱雙軸，雙軸由正交的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸(簡(jiǎn)稱A軸和B軸)組成，每個(gè)軸包含空間驅(qū)動(dòng)組件、微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或高頻電纜、低頻電纜等活動(dòng)部件。雙軸在建立鏈路期間處于連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)模式，雙軸的長(zhǎng)壽命高可靠性是確保航天器任務(wù)的關(guān)鍵因素，而其轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求又是重要的設(shè)計(jì)約束條件，可用于雙軸的具體設(shè)計(jì)、控制壽命試驗(yàn)的周期和成本。所謂總壽命，是指在規(guī)定條件下，產(chǎn)品從開(kāi)始使用到報(bào)廢的壽命單位數(shù)[1]。對(duì)于星間鏈路機(jī)械可移波束天線的雙軸，表征其轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命的一個(gè)重要的規(guī)定條件是轉(zhuǎn)動(dòng)速度，壽命單位數(shù)一般是累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)行程(單位為轉(zhuǎn)，1轉(zhuǎn)指累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)360°)和累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)[2-3]。

人們普遍認(rèn)識(shí)到了雙軸長(zhǎng)壽命高可靠性的重要性，但是對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求的分析尚有不足。1996年，意大利阿萊尼亞航天(Alenia Spazio)V Costabile等人對(duì)意大利衛(wèi)星-F2(ITALSAT-F2) L-Ka頻段天線雙軸進(jìn)行了5×106個(gè)循環(huán)的壽命試驗(yàn)[4]；2015年，中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院的田慶國(guó)對(duì)某型號(hào)星載機(jī)構(gòu)類天線低頻電纜進(jìn)行了20萬(wàn)次折彎試驗(yàn)[5]，但都不能說(shuō)明試驗(yàn)量級(jí)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際總壽命需求。2012年，北京控制工程研究所劉繼奎等人提出了星間鏈路天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案[6]，但沒(méi)有涉及與星間鏈路應(yīng)用相關(guān)的總壽命需求；2015年，北華航天工業(yè)學(xué)院任華興進(jìn)行了某型號(hào)星間鏈路天線驅(qū)動(dòng)組件軸系可靠性試驗(yàn)的研究[7]，其中對(duì)于天線輸出軸軸系應(yīng)達(dá)到106轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求缺乏論證。1977年，美國(guó)NASA的J Wu對(duì)陸地衛(wèi)星-D(LANDSAT-D)TDRSS用戶終端星間鏈路天線的諧波減速器進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求的計(jì)算[8]，方法是使用本地衛(wèi)星1軌道周期內(nèi)的天線單軸平均轉(zhuǎn)動(dòng)行程乘以5年內(nèi)的總軌道周期數(shù)，再乘以減速比，得到諧波減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求，其中，平均轉(zhuǎn)動(dòng)行程為1次±90°的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)量(總計(jì)360°)。但經(jīng)簡(jiǎn)單分析可知，該平均轉(zhuǎn)動(dòng)行程恰是天線在目標(biāo)衛(wèi)星處于本地衛(wèi)星軌道面內(nèi)、本地衛(wèi)星無(wú)姿態(tài)變化情況下的典型轉(zhuǎn)動(dòng)行程，而實(shí)際上，目標(biāo)衛(wèi)星所處位置、本地衛(wèi)星姿態(tài)都處在不斷變化中，使用特定情況下的典型值作為平均值，必然造成較大的誤差，使總壽命需求或者偏于保守，或者低于實(shí)際工程需要，甚至降低產(chǎn)品的可靠性或不能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行充分的試驗(yàn)考核。航天器的運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)控制是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，2013年北京航空航天大學(xué)陳蕾等人[9]實(shí)現(xiàn)了STK和Matlab/Simulink等多個(gè)商用軟件相結(jié)合對(duì)航天器姿態(tài)控制的協(xié)同動(dòng)力學(xué)仿真，但方法較為復(fù)雜。

根據(jù)以上問(wèn)題，本文提出一種基于觀測(cè)幾何(即觀測(cè)者、被觀測(cè)目標(biāo)之間的位置和角度關(guān)系)[10-11]的仿真方法，通過(guò)建立航天器和天線的觀測(cè)幾何模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器運(yùn)動(dòng)、航天器姿態(tài)控制、天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合的仿真，既能得出較為準(zhǔn)確的天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求，又能夠避免復(fù)雜的多種軟件協(xié)同的動(dòng)力學(xué)仿真。

2 基于觀測(cè)幾何的仿真方法

航天器和天線的觀測(cè)幾何模型主要反映本地航天器和目標(biāo)航天器之間的位置關(guān)系(一般以太陽(yáng)、地球等天體為參照物來(lái)確定)、本地航天器的姿態(tài)控制所產(chǎn)生的坐標(biāo)變換關(guān)系、天線雙軸和本地航天器之間的坐標(biāo)變換關(guān)系等，根據(jù)這些關(guān)系，可以計(jì)算出天線在指向目標(biāo)航天器時(shí)的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在離散的時(shí)間序列上重復(fù)上述計(jì)算，可以得出天線雙軸的時(shí)間-轉(zhuǎn)動(dòng)角度序列，對(duì)該序列進(jìn)行數(shù)值分析，即可得到關(guān)于天線單軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度、累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)行程、累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)等轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求參數(shù)。

一般地，航天器之間的距離足夠遠(yuǎn)，使得航天器在慣性空間的絕對(duì)位置偏差對(duì)天線指向的影響可以忽略，在此前提下可進(jìn)行以下合理的簡(jiǎn)化：

(1)把地球公轉(zhuǎn)簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期(即軌道周期)定義為質(zhì)點(diǎn)通過(guò)圓周上同一點(diǎn)的時(shí)間間隔，這里的時(shí)間采用國(guó)際單位制秒為基礎(chǔ)單位，地球軌道周期TY為1恒星年，近似為365.256 36個(gè)平太陽(yáng)日，1平太陽(yáng)日為86 400 s。

(2)當(dāng)航天器的軌道近似為圓形時(shí)，其繞地心的運(yùn)動(dòng)也可以簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。一般地，航天器運(yùn)動(dòng)由其軌道根數(shù)決定，即某一歷元時(shí)刻的軌道半長(zhǎng)軸a、偏心率e、傾角i、升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω、近地點(diǎn)輻角ω、平近點(diǎn)角M[12]。把航天器軌道簡(jiǎn)化為圓形，其軌道根數(shù)中：偏心率e=0，半長(zhǎng)軸a等價(jià)于航天器軌道周期T，近地點(diǎn)輻角可取為ω=0，平近點(diǎn)角M就變成了相位角u。

(3)忽略地球和航天器軌道的攝動(dòng)等因素，認(rèn)為軌道面法向在慣性空間中的指向恒定不變。

下文以我國(guó)某型號(hào)Walker-δ星座[13]的星間鏈路機(jī)械可移波束天線為例，來(lái)具體說(shuō)明如何采用基于觀測(cè)幾何的仿真方法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求分析。

3 星座和天線的觀測(cè)幾何模型

3.1 Walker-δ星座的建模

Walker-δ星座是一種全球覆蓋最有效的星座類型，一般采用構(gòu)型參數(shù)N/P/F/i來(lái)描述，其中，N為衛(wèi)星總數(shù)，P為軌道數(shù)，F(xiàn)為相鄰軌道面對(duì)應(yīng)序號(hào)衛(wèi)星之間的相位差因子，i即軌道根數(shù)之一的傾角。我國(guó)某型號(hào)Walker-δ星座的構(gòu)型為24/3/2/55°。建立星座的觀測(cè)幾何模型所需的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation Parameters

隨著地球的周期性運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)光與衛(wèi)星軌道面的夾角也呈現(xiàn)同周期變化，且在1個(gè)周期內(nèi)必定出現(xiàn)1次太陽(yáng)恰好位于衛(wèi)星軌道面上并向軌道面正法向一側(cè)運(yùn)動(dòng)的情況，記這個(gè)時(shí)刻為t0，此時(shí)軌道0的升交點(diǎn)赤經(jīng)為Ω0。因軌道面均布，同一時(shí)刻軌道p(p∈[0,P-1])的升交點(diǎn)赤經(jīng)為

(1)

軌道p第s顆衛(wèi)星(s∈[0,N/P-1])記為衛(wèi)星{p,s}，其相位記為ups。易得出，任一衛(wèi)星在任一時(shí)刻t的相位ups都可以用衛(wèi)星{0,0}在t0時(shí)刻的相位u00(t0)來(lái)推知[13]：

(2)

本文通過(guò)一系列的坐標(biāo)變換來(lái)模擬地球環(huán)繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)、衛(wèi)星環(huán)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)、衛(wèi)星偏航運(yùn)動(dòng)，得到衛(wèi)星相對(duì)位置關(guān)系和姿態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。

日心坐標(biāo)系、軌道面坐標(biāo)系的關(guān)系是恒定的：

(3)

在任一時(shí)刻t，軌道坐標(biāo)系與軌道面坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換關(guān)系為(以下略去了時(shí)間變量t)

(4)

根據(jù)式(3)可得，軌道p和黃道面的夾角為arccos(cosεcosi+cosΩpsinεsini)，該夾角越小，衛(wèi)星可能發(fā)生的偏航角速度就越大，對(duì)天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)的影響就越大，因此取Ω0=0°，軌道0和黃道面具有最小夾角31.5°，代表了影響最大的情況。不失一般性，取u00(t0)=0°。

3.2 衛(wèi)星偏航姿態(tài)控制

本文所述的衛(wèi)星在飛行時(shí)需要進(jìn)行偏航姿態(tài)控制，以確保太陽(yáng)翼始終面向太陽(yáng)。入射到衛(wèi)星{p,s}處的陽(yáng)光單位矢量b，變換到軌道坐標(biāo)系后的坐標(biāo)為

(5)

(6)

(7)

仍以ψ表示限速后的衛(wèi)星實(shí)際偏航角，衛(wèi)星偏航后的衛(wèi)星姿態(tài)為

(8)

3.3 天線雙軸的轉(zhuǎn)動(dòng)

(9)

(10)

設(shè)天線的雙軸布局形式為XY布局，即如圖2所示，A軸沿衛(wèi)星X軸擺放，且當(dāng)天線指向地心時(shí)，B軸沿衛(wèi)星Y軸擺放，此時(shí)天線指向和A軸、B軸都垂直。設(shè)天線A軸和B軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別記為α,β，那么當(dāng)天線指向+Z上半空間的任意方向θ,φ時(shí)，雙軸轉(zhuǎn)角α,β為

(11)

4 總壽命需求的數(shù)值計(jì)算

星間鏈路包括同軌鏈路和異軌鏈路兩種。在建立同軌鏈路時(shí)，目標(biāo)衛(wèi)星的視運(yùn)動(dòng)僅由本地衛(wèi)星的偏航運(yùn)動(dòng)引起，在建立異軌鏈路時(shí)，目標(biāo)衛(wèi)星的視運(yùn)動(dòng)由本地衛(wèi)星的偏航運(yùn)動(dòng)和目標(biāo)衛(wèi)星的相對(duì)位移共同引起，因此在建立異軌鏈路時(shí)，天線的轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求必然大于建立同軌鏈路的情況。因此，本文僅對(duì)建立異軌鏈路的情況進(jìn)行分析，并根據(jù)星間鏈路的拓?fù)湓O(shè)計(jì)[14-15]，選取4條永久可見(jiàn)鏈路，本地衛(wèi)星為衛(wèi)星{0,0}，目標(biāo)衛(wèi)星為{1,0}、{1,3}、{1,4}、{1,7}，天線指向覆蓋了θ接近 最大掃描角度70°的情況。

前述計(jì)算天線雙軸轉(zhuǎn)角的算法，過(guò)程繁瑣，難以進(jìn)行解析計(jì)算。只有借助數(shù)值計(jì)算的方法，每隔一定的時(shí)間計(jì)算雙軸轉(zhuǎn)角α,β，由此得出時(shí)間-雙軸轉(zhuǎn)角序列，采用差分、求和等方法，計(jì)算雙軸的轉(zhuǎn)速、累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)量、轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。

鄉(xiāng)村建設(shè)項(xiàng)目的特點(diǎn)為數(shù)量多且形式復(fù)雜，但總體技術(shù)難度不大，投資主體投資方式多樣化，業(yè)主的需求也更加多樣化。然而，項(xiàng)目總體規(guī)模偏小，管理成本占比反而增加。所以在初期階段不能片面地追求經(jīng)濟(jì)效益，過(guò)分強(qiáng)調(diào)完成各類不合實(shí)際的指標(biāo)。鄉(xiāng)村EPC建造模式現(xiàn)階段仍然是一種嘗試，支出和回報(bào)不能成正比。鄉(xiāng)村EPC建造模式的推進(jìn)還需要進(jìn)行探索實(shí)踐，需要資金投入，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能利用EPC自身優(yōu)勢(shì)在鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮更大的作用。

4.1 雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度分析

天線雙軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可以采用對(duì)時(shí)間的差分來(lái)計(jì)算。數(shù)值計(jì)算時(shí)，設(shè)時(shí)間為tn，雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度為αn,βn，那么雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速為

(12)

在1個(gè)衛(wèi)星軌道周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以目標(biāo)衛(wèi)星{1,7}為例，圖3顯示了在1個(gè)衛(wèi)星軌道周期內(nèi)的天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，圖4顯示了當(dāng)本地衛(wèi)星{0,0}的偏航角速度達(dá)到上限時(shí)，偏航角速度和雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的細(xì)節(jié)。

仿真的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)轉(zhuǎn)速分析精度影響很大，而如果采用秒級(jí)的步長(zhǎng)，會(huì)使運(yùn)算量非常大以至于難以進(jìn)行全任務(wù)周期的分析。因此，本文采取了間接的分析方法，即把轉(zhuǎn)速分解為兩部分的疊加，第一部分是由星座內(nèi)衛(wèi)星之間的相對(duì)位置變化引起的，第二部分是由本地衛(wèi)星的偏航運(yùn)動(dòng)引起的，實(shí)際轉(zhuǎn)速的最大值不大于兩部分轉(zhuǎn)速最大值的算術(shù)和。對(duì)于第一部分，由于星座運(yùn)行的周期性，可以在1個(gè)衛(wèi)星軌道周期內(nèi)進(jìn)行小時(shí)間步長(zhǎng)的精確分析，對(duì)于第二部分，由于本地衛(wèi)星的偏航角速度有上限，可根據(jù)最大偏航角速度來(lái)計(jì)算分解到雙軸上的最大轉(zhuǎn)速。

在不計(jì)入衛(wèi)星偏航的情況下，在1個(gè)衛(wèi)星軌道周期內(nèi)模擬衛(wèi)星{0,0}與衛(wèi)星{1,0}、{1,3}、{1,4}、{1,7}建鏈的情況，統(tǒng)計(jì)天線各軸的轉(zhuǎn)速分布，結(jié)果如圖5所示，可知各軸最大轉(zhuǎn)速為不超過(guò)0.022 (°)/s，0.002 (°)/s的轉(zhuǎn)速占比例最高，約占39%。

(13)

4.2 雙軸累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)行程和累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)分析

雙軸的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)行程為

(14)

雙軸的累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，取決于如何界定“一次轉(zhuǎn)動(dòng)”，本文用簡(jiǎn)單的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)類比，例如單擺的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，一次完整的往復(fù)運(yùn)動(dòng)包含了兩次運(yùn)動(dòng)方向的改變，即一次從正向變?yōu)樨?fù)向，一次從負(fù)向變?yōu)檎?。因此，通過(guò)對(duì)天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的數(shù)值分析，累計(jì)所有轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變次數(shù)即得出了轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。雙軸在12年內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 12年轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求Table 2 Turning total life requirement for 12 years

綜上，通過(guò)對(duì)Walker-δ星座及天線的仿真及數(shù)值分析，得出了在建立永久可見(jiàn)鏈路的情況下，星間鏈路機(jī)械可移波束天線各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求為：轉(zhuǎn)動(dòng)速度不超過(guò)0.42 (°)/s，12年累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)行程不超過(guò) 0.9萬(wàn)轉(zhuǎn)，累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)不超過(guò)2.5萬(wàn)次。該轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求是天線雙軸長(zhǎng)壽命高可靠性設(shè)計(jì)、制定具體的天線雙軸的轉(zhuǎn)動(dòng)壽命考核試驗(yàn)方案的重要輸入條件，實(shí)際的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)還應(yīng)在此基礎(chǔ)上再保留一定的余量。

5 結(jié)論

基于本文上述研究，可得出以下結(jié)論：

(1)所提出的基于觀測(cè)幾何的仿真方法，得出了較為準(zhǔn)確的天線雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)總壽命需求，與文獻(xiàn)[8]方法相比，需求更客觀，更適于指導(dǎo)工程實(shí)踐；

(2)避免了對(duì)航天器運(yùn)動(dòng)和航天器姿態(tài)控制的多種軟件協(xié)同的動(dòng)力學(xué)仿真，更易于實(shí)施；

(3)雖然僅以我國(guó)某型號(hào)Walker-δ星座及天線為例進(jìn)行了分析，但這種基于觀測(cè)幾何的仿真方法是普遍適用的，也適用于其他類型的星座，或其他類型的依靠機(jī)械雙軸實(shí)現(xiàn)指向跟蹤的星間鏈路終端設(shè)備。

References)

[1] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 451A-2005 可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)[S].北京:中國(guó)人民解放軍總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2005:10

PLA General Armament.GJB 451A-2005 Reliability,maintainablility and supportability terms[S].Beijing:PLA General Armament Press,2005:10 (in Chinese)

[2]劉志全,李新立,遇今.長(zhǎng)壽命航天器機(jī)構(gòu)的加速壽命試驗(yàn)方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù),2008,28 (4):65-71

Liu Zhiquan,Li Xinli,Yu Jin.Methods of accelerated life tests for long-life spacecraft mechanisms[J]. Chinese Space Science and Technology,2008,28(4):65-71 (in Chinese)

[3]李新立,劉志全,遇今.航天器機(jī)構(gòu)固體潤(rùn)滑球軸承的加速壽命試驗(yàn)方法[J].航天器工程,2008,17(5):82-87

Li Xinli,Liu Zhiquan,Yu Jin.A method of accelerated life test for solid-lubricated ball bearings of spacecraft mechanisms[J].Spacecraft Engineering,2008,17(5):82-87 (in Chinese)

[4]V Costabile,F Lumaca,P Marsili,et al.New antenna deployment,pointing and supporting mechanism[C]//Hampton VA United States: Langley Research Center,1996:65-76

[5]田慶國(guó).星載機(jī)構(gòu)類天線轉(zhuǎn)動(dòng)部位低頻電纜布線方法研究[J].空間電子技術(shù),2015,12(2):20-36

Tian Qinguo.The research of low-frequncy cables wiring method for the satellite institutional class antenna rotating parts[J].Space Electronic Technology,2015,12(2):20-36 (in Chinese)

[6]劉繼奎,于國(guó)慶,崔赪旻,等.基于諧波傳動(dòng)的星間鏈路天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用,2012,38(4):57-62

Liu Jikui,Yu Guoqing,Cui Chengmin,et al. Design of harmonic drive-based gimbal drive assembly for ILA[J].Aerospace Control and Application,2012,38(4):57-62 (in Chinese)

[7]任華興.導(dǎo)航星間鏈路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸系組件可靠性試驗(yàn)研究[D].廊坊：北華航天工業(yè)學(xué)院,2015:11

Ren Huaxing.The research of reliability test on shafting components of cross-link drive mechanism for navigation satellite[D].Langfang:North China Institute of Aerospace Engineering,2015:11 (in Chinese)

[8]J Wu.Design study of TDRS antenna gimbal system for Landsat-D[M].Redondo Beach CA United States:TRW Defence and Space Systems Group,1977:24

[9]陳蕾,韓潮.基于Matlab/Simulink與STK的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真研究[C]//2013全國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信學(xué)術(shù)會(huì)議.北京:中國(guó)電子學(xué)會(huì),2013:103-108

Chen Lei,Han Chao.The study of co-simulation of satellite attitude control system based on Matlab/Simulink and STK[C]//National Academic Conference on Computer,Networks and Communication,2013. Beijing:The Chinese Institute of Electronics,2013:103-108 (in Chinese)

[10] 褚桂柏,馬世俊.宇航技術(shù)概論[M].1版.北京：航空工業(yè)出版社,2002：111

Chu Guibai,Ma Shijun.An introduction to astronautics technology[M].1st ed.Beijing:Aviation Industry Press,2002:111 (in Chinese)

[11]趙春陽(yáng),趙懷慈,劉海崢.觀測(cè)幾何對(duì)目標(biāo)探測(cè)性能影響的仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2014,31(12):23-28

Zhao Chunyang,Zhao Huaici,Liu Haizheng.Simulation and analysis of effect of observation geometry on target detection performance[J]. Computer Simulation,2014,31(12):23-28 (in Chinese)

[12]Marcel J Sidi.航天器動(dòng)力學(xué)與控制[M].楊保華,譯.1版.北京：航空工業(yè)出版社,2011:20

Marcel J Sidi.Spacecraft dynamics and control[M].Yang Baohua, translated.1st ed.Beijing: Aviation Industry Press,2011:20 (in Chinese)

[13]張育林,范麗,張艷.衛(wèi)星星座理論與設(shè)計(jì)[M].1版.北京：科學(xué)出版社,2008:39

Zhang Yulin,Fan Li,Zhang Yan.Theory and design of satellite constellations[M]. 1st ed.Beijing:Science Press,2008:39 (in Chinese)

[14]何善寶,李振東,劉崇華.星間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩謭D及其關(guān)聯(lián)矩陣表示法[J].航天器工程,2009,18(4):25-29

He Shanbao,Li Zhendong,Liu Chonghua. A method representing inter-satellite network topology with bipartite graph and its incidence martix[J]. Spacecraft Engineering,2009,18(4):25-29 (in Chinese)

[15]李振東,何善寶,劉崇華,等.一種導(dǎo)航星座星間鏈路拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法[J].航天器工程,2011,20(3):32-37

Li Zhendong,He Shanbao,Liu Chonghua,et al. An toplogy design method of navigation satellite constellation inter-satellite links[J]. Spacecraft Engineering,2011,20(3):32-37 (in Chinese)

(編輯：李多)

Analysis of Turning Total Life Requirement for Cross-link Steerable Antenna Based on Observation Geometry Method

ZHUANG Jianlou HE Shanbao SONG Zheng ZHOU Jing

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The turning total life requirement is very important for designing a cross-link steerable antenna. By introducing a simulation method based on observation geometry theory,the evolution of the constellation,the attitude controlling of satellites and the revolution of steerable antennas could be simulated without the complicated dynamical simulation. As an example,the method is applied to a Walker-δ constellation and its cross-link steerable antennas,and then the numerical analysis yields the turning total life requirement for antenna’s tow-axis.The method might be applied in designing for long life and high reliability,and for programming a life test. The method is universal for other types of constellations or other cross-link terminal devices which depend on steerable two-axis for target tracking.

observation geometry; cross-link; steerable antenna; total life; two-axis; APM; GDA

2016-09-09；

2016-11-18

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

莊建樓，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教炱黠w行器總體設(shè)計(jì)。Email：galaxyz@hotmail.com。

V443

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.006