[发明专利]一种考虑多场效应的卫星天线在轨方向图确定方法

说明书

一种考虑多场效应的卫星天线在轨方向图确定方法。包括：卫星结构有限元模型降阶，整星姿态动力学建模、整星在轨热分析建模、太阳辐射力矩和地球引力建模及其耦合仿真分析。本发明解决了单场耦合无法求解姿态连续变化、结构变形与热分析耦合因素作用下卫星电性能预示困难和计算效率低下难题，为带大型柔性载荷卫星在轨电性能精确预示提供了分析方法和实现手段。

技术领域

本发明属于卫星总体设计技术领域，特别是一种考虑多场效应的卫星天线在轨方向图确定方法。

背景技术

高通量通信卫星、大容量移动通信卫星、高分辨率和甚高分辨率天基SAR卫星等航天器天线方向图对整星载荷指标影响巨大，直接决定卫星通信容量、分辨率和几何定位精度等关键指标。准确预示这类卫星的天线方向图，对于验证整星总体设计指标、迭代改进卫星总体设计方案具有重要价值。

高通量通信卫星、大容量移动通信卫星、高分辨率和甚高分辨率天基SAR卫星等航天器多携带大口径高精度天线和大面积柔性太阳翼，其天线在轨方向图极易受到各类因素影响。带柔性天线的卫星受到地球引力、推力器喷气、光压、电磁波辐射等外部作用力和反作用轮或控制力矩陀螺的动不平衡、太阳翼驱动机构转动、进出地影瞬态热冲击、贮箱推进剂晃动等内力因素作用，其大型天线自身振动，天线与馈源相对位置关系将发生变化，引起天线视轴偏离或抖动、天线方向图畸变，造成卫星成像或通信质量下降，甚至卫星结构破坏，严重影响卫星性能。

传统方法普遍采用解耦方法从天线角度解决天线方向图问题，难以适应大容量、更小点波束的甚高通量卫星和移动通信卫星，甚高分辨率雷达卫星对用户指标验证和天线方向图预示的设计迭代需求。传统方法普遍基于解耦方法利用多个商业软件求解卫星力、热、光多场问题，本质上是将多场耦合人为解耦为单场问题，难以适应带大型柔性结构高精度卫星多物理场耦合求解需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对传统解耦方法存在的轨道、姿态控制和热变形与天线方向图预示脱节导致的天线方向图动态预示困难问题，提供了一种考虑多场效应的卫星天线在轨方向图确定方法，解决了单场耦合无法求解姿态连续变化、结构变形与热分析耦合因素作用下卫星电性能预示困难和计算效率低下难题，为带大型柔性载荷卫星在轨电性能精确预示提供了分析方法和实现手段。

本发明的技术解决方案是：

一种考虑多场效应的卫星天线在轨方向图确定方法，包括：

建立卫星结构有限元模型；

对星上柔性结构有限元模型进行模型降阶处理，获得卫星降阶后的动力学模型；

建立卫星在轨热分析模型；

对卫星在轨热分析模型开展分析，获得热分析模型中各个节点的温度，将卫星在轨热分析模型中各个节点的温度映射到卫星降阶后的动力学模型中，获得卫星降阶后的动力学模型中各个节点的温度、热应变和热应力，形成节点温度载荷矩阵，作为内力施加在卫星降阶后的结构动力学模型上；建立卫星太阳辐射力模型，得到作用在星体各部件上的太阳辐射力矩阵，并通过虚功率原理，将太阳辐射力作为外力施加在卫星降阶后的动力学模型的节点上；

计算得到卫星各物体的受到的地球和月球引力，将其作为引力外载荷矩阵施加在卫星降阶后的动力学模型中各部件的质心上；

利用节点温度载荷矩阵、太阳辐射力矩阵和卫星各物体的引力外载荷矩阵，确定卫星柔性动力学方程；

对卫星柔性动力学方程进行数值积分，得到下一时刻的卫星动力学方程广义坐标；

根据新时刻下的卫星动力学方程广义坐标，以及卫星降阶后的动力学模型对应的柔性结构模态振型，确定下一时刻天线有限元模型上各个点的位置；

根据下一时刻天线有限元模型上各个点的位置，拟合天线型面，计算得到该天线型面对应的天线远场方向图。