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第1章 中继星星间链路天线指向系统概述 1

1.1跟踪与数据中继卫星系统的组成和功能 1

1.1.1跟踪与数据中继卫星系统的发展 1

1.1.2跟踪与数据中继卫星系统的组成 3

1.1.3跟踪与数据中继卫星系统的功能 3

1.2中继星星间链路的组成和功能 4

1.2.1星间链路的定义 4

1.2.2中继星星间链路的组成 4

1.2.3中继星星间链路的功能 5

1.3天线角跟踪系统的组成及工作原理 6

1.3.1角跟踪系统的组成 6

1.3.2分机功能及工作原理 7

1.3.3角跟踪系统工作过程 11

1.3.4角跟踪系统相位校准方法 11

1.4中继星星间链路建立过程中的天线指向控制 11

1.4.1天线程控跟踪指向和自动跟踪指向的定义 11

1.4.2中继星星间链路建立过程中的天线指向控制 12

1.4.3中继星对用户星的天线跟踪指向系统 13

1.4.4中继星S/Ka天线星地大回路跟踪指向方案工作原理 15

1.4.5用户星对中继星的天线跟踪指向系统 16

1.5本章小结 16

第2章 中继星天线指向系统设计 17

2.1中继星天线指向系统的顶层设计 17

2.1.1参考SNIP协议 17

2.1.2中继卫星整星设计 17

2.1.3中继星天线指向系统链路计算 17

2.2中继星APS的特点 23

2.3中继星APS的组成及工作原理 23

2.4中继星APS的工作模式 28

2.5中继星APS的总体指标 29

2.6中继星APS中几个技术难题的解决途径 30

2.7跟踪指向误差和程序跟踪误差 35

2.7.1跟踪指向误差 35

2.7.2程序跟踪误差 36

2.8本章小结 37

第3章 用户星天线跟踪指向系统设计 38

3.1系统任务分析 38

3.2工作体制简介 38

3.2.1射频通道预算 40

3.2.2工作模式及工作流程 40

3.3系统功能仿真结果 42

3.3.1程序跟踪控制仿真结果 42

3.3.2自动跟踪功能仿真 42

第4章 中继星Ka/S天线 46

4.1概述 46

4.1.1中继星Ka/S天线的功能 47

4.1.2中继星Ka/S天线的组成 48

4.1.3 Ka/S天线技术指标要求 50

4.2双反射面正馈多模跟踪天线 54

4.2.1组成及基本原理 55

4.2.2 Ka频段单脉冲和差信号的形成 64

4.2.3主要性能分析 66

4.3单反射面偏馈多模跟踪天线 67

4.4交叉耦合分析 69

4.5天线测试 71

4.5.1端口特性测试 71

4.5.2辐射特性测试 71

第5章 用户星天线电气设计 74

5.1引言 74

5.2 TE21多模跟踪原理 75

5.3天线重要部件 80

5.3.1环焦天线 81

5.3.2 TE21模耦合器 83

5.3.3旋转关节 89

5.3.4 S频段馈电部分 89

5.4天线测试及性能 90

第6章 结构与机构设计 95

6.1概述 95

6.1.1结构及机构设计的任务 95

6.1.2星间链路天线结构与机构的发展情况 95

6.2星间链路天线的机-电接口 98

6.2.1天线的几个基本射频参数 98

6.2.2抛物面天线的主要类型 99

6.2.3结构设计所需的机电接口参数 100

6.2.4回转抛物面的几何特征 101

6.2.5组装误差对天线性能的影响 101

6.2.6抛物面反射器制造误差 102

6.3复合材料结构的一些基本知识 105

6.3.1复合材料结构件的特点 105

6.3.2卫星天线常用复合材料的主要机械性能数据 106

6.3.3常用的基本计算 107

6.4结构设计 110

6.4.1可展开伞形反射器的结构设计 110

6.4.2自回弹反射器天线结构设计 118

6.4.3工作在同步轨道的固面反射器天线结构 120

6.4.4用户终端天线 125

第7章 角跟踪接收机 148

7.1引言 148

7.2单脉冲单通道角跟踪接收机工作原理 149

7.2.1和、差信号单通道合成 150

7.2.2角误差信号解调 151

7.2.3相位调整 152

7.2.4单通道合成对信噪比影响分析 153

7.3单脉冲单通道角跟踪接收机主要功能及组成 153

7.3.1单脉冲单通道角跟踪接收机主要功能 153

7.3.2单脉冲单通道角跟踪接收机组成 154

7.3.3单脉冲单通道角跟踪接收机的主要技术参数 155

7.4单脉冲单通道角跟踪接收机设计 157

7.4.1低噪声放大器 157

7.4.2滤波器 158

7.4.3跟踪调制器 160

7.4.4混频器 162

7.4.5带AGC的中频放大器 163

7.4.6角误差信号解调 166

7.5相位调整方法改进设计 172

第8章 天线控制器设计 173

8.1引言 173

8.1.1星载天线控制器的发展 173

8.1.2星载天线控制器分类 173

8.2天线控制系统的组成 174

8.2.1自动控制系统的分类 174

8.2.2天线控制系统的基本组成 174

8.2.3对控制系统的基本要求 175

8.2.4天线座的结构形式 176

8.2.5天线控制系统常用执行元件 177

8.2.6角度传感器 185

8.3天线控制器设计 188

8.3.1天线控制器的主要功能及组成 188

8.3.2控制模块设计 190

8.3.3驱动模块设计 190

8.3.4角编码模块设计 190

8.4经典控制系统概述 190

8.4.1控制系统的数学模型 190

8.4.2控制系统的分析方法 191

8.4.3控制系统的校正方法 198

8.4.4离散控制系统分析与设计 204

第9章 对宽带数据传输信号的角跟踪理论 213

9.1引言 213

9.2单通道跟踪接收机方案 215

9.3取数传信号频谱主瓣的任意部位小部分带宽内信号实现角跟踪理论的数学推导 216

9.3.1宽带单通道信号通过窄带带通滤波器的求解方法 216

9.3.2宽带单通道信号的指数傅里叶级数表达式 216

9.3.3窄带带通滤波器的频率特性 219

9.3.4宽带数传信号通过窄带带通滤波器的输出表达式 219

9.3.5跟踪接收机中频带宽的选择 221

9.4取数传信号频谱主瓣的任意部位小部分带宽内信号实现角跟踪理论的物理解释 221

9.5实验验证 222

9.5.1实验验证（一） 222

9.5.2实验验证（二） 226

9.6本章小结 229

第10章 大型天线指向控制运动与星体姿态运动的动力耦合分析 230

10.1问题的来源 230

10.2多体动力学分析原理 230

10.2.1多体动力学简介 230

10.2.2 ADAMS软件的数值计算方法 231

10.2.3柔性附件的处理方法 231

10.3多体模型的建立及动力学方程 232

10.3.1卫星的姿态控制简介 232

10.3.2刚体-柔体动力耦合概念 232

10.3.3模型的简化和动力学方程 234

10.3.4柔性附件的有限元模型 236

10.4卫星多体模型的分析结果 239

10.4.1不同天线系统刚度的动力耦合分析结果 239

10.4.2阻尼系数对动力耦合的影响分析 241

10.4.3卫星喷气时间对动力耦合的影响分析 242

10.4.4天线转动速度对动力耦合的影响分析 242

10.4.5计算结果分析 242

10.5动力耦合分析的结论 244

第11章 中继星大型天线指向控制设计分析 245

11.1概述 245

11.1.1天线跟踪指向系统和姿态控制系统的关系 245

11.1.2中继星带有大型挠性附件——太阳能帆板和单址天线 245

11.1.3多体运动产生各种耦合影响和产生参数的不确定性 246

11.1.4中继星大型天线指向控制设计要点 246

11.2天线指向控制系统模型及控制设计 249

11.2.1卫星姿态控制系统和天线指向系统的数学模型 249

11.2.2天线指向控制器设计 251

11.3复合控制 252

11.3.1按输入补偿的复合控制 252

11.3.2按扰动补偿的复合控制 253

11.4双变量系统的解耦方法 255

11.4.1调整控制器参数来改变耦合程度 255

11.4.2前馈补偿解耦法 256

11.4.3对角矩阵解耦法 257

11.4.4单位矩阵解耦法 258

11.5鲁棒稳定性分析 259

11.5.1线性不确定性系统频域模型的类型 259

11.5.2鲁棒稳定性的频域判据 261

11.5.3鲁棒稳定性的μ分析方法 263

11.6本章小结 268

第12章 星间链路角跟踪系统校相技术 270

12.1引言 270

12.2相位校准的指标要求 271

12.3角跟踪系统交叉耦合分析 272

12.3.1 TE11、TM01模跟踪系统的交叉耦合分析 272

12.3.2 TE11、TE21模跟踪系统的交叉耦合分析 274

12.4中继星Ka天线跟踪系统在轨相位校准方法 277

12.4.1功能 277

12.4.2系统组成及校相步骤 277

12.4.3在轨相位校准方案的分析论证 281

12.5用户星Ka天线跟踪系统在轨相位校准方法 281

12.5.1任务分析 281

12.5.2一种在轨校相方案 281

12.5.3第二、第三种在轨校相方案简述 284

第13章 中继星天线程控指向用户星的方位角和俯仰角计算 286

13.1坐标系定义及坐标转换矩阵 286

13.1.1地心惯性坐标系OXIYIZI 286

13.1.2地心轨道坐标系OX0Y0Z0 286

13.1.3质心轨道坐标系SX0Y0Z0 287

13.1.4中继星星体坐标系SDXbYbZb 287

13.1.5中继星天线坐标系SaXaYaZa 288

13.1.6坐标转换矩阵 288

13.2卫星轨道的6个轨道根数 289

13.3中继星到用户星位置矢量在地心惯性坐标系中的表示 290

13.3.1中继星在地心惯性坐标系中的位置矢量 290

13.3.2用户星在地心惯性坐标系中的位置矢量 291

13.3.3中继星到用户星的位置矢量在地心惯性坐标系中的表示 291

13.4中继星到用户星位置矢量在中继星质心轨道坐标系中的表示 292

13.5中继星到用户星位置矢量在中继星本体坐标系中的表示 293

13.6中继星天线指向用户星的方位角和俯仰角计算 293

13.7计算例 294

13.8本章小结 295

第14章 用户终端Ka/S天线程控指向算法 296

14.1卫星轨道知识 296

14.1.1天文基础知识 296

14.1.2时间概念 298

14.1.3六根轨道参数 299

14.1.4几种典型卫星轨道 302

14.1.5二体问题的运动微分方程 302

14.1.6卫星的空间位置和轨道六要素关系 303

14.2卫星轨道的摄动 305

14.2.1地球形状摄动 306

14.2.2太阳引力加速度 306

14.2.3月球引力加速度 306

14.2.4大气阻力加速度 307

14.2.5太阳辐射压力产生的加速度 307

14.3空间坐标系及转换关系 308

14.3.1空间常用地心坐标系 308

14.3.2空间常用坐标系转换关系 309

14.4用户星轨道预报 312

14.5中继星轨道预报 316

14.6指向角度计算 317

14.7用户星GPS数据计算指向角度方法 320

第15章 星间链路天线扫描捕获方法 322

15.1引言 322

15.2中继星天线程控指向用户星的方位角α和俯仰角β表示式 322

15.3阿基米德螺旋线方程 323

15.4中继星天线恒角速度螺旋扫描捕获方法 324

15.5中继星天线恒线速度螺旋扫描捕获方法 325

15.5.1螺线长L的近似表示式 325

15.5.2等线速螺线的极角θ的表示式 325

15.5.3天线方位轴转角α和俯仰轴转角β的数学表示式 325

15.5.4扫描轨迹恒线速度v与天线方位角俯仰角的角速度（α′，β′）的关系 325

15.5.5计入用户星运动参数的恒线速度螺旋扫描天线转角表示式 326

15.5.6扫描参数选择 326

15.5.7信号判决门限设置 328

15.5.8计算例 328

15.6本章小结 329

第16章 中继星单址天线星地大回路指向控制系统分析与仿真 330

16.1引言 330

16.2星-地大回路系统输入信号模型——用户星仿真模型建立 330

16.2.1用户星仿真模型的功能及参数选取 330

16.2.2在中继星坐标系下用户星轨道模型及捕获跟踪角度算法 331

16.2.3用户星轨道仿真数据 331

16.3星-地大回路系统时延分析简化模型 332

16.3.1星-地大回路系统原理框图 332

16.3.2控制回路中的时延分布 333

16.3.3星-地大回路系统时延分析模型参数选取与数学模型建立 333

16.4星-地大回路控制系统的时延分析与仿真 333

16.4.1未校正的星-地大回路系统性能分析与仿真 333

16.4.2经典PID校正后星-地大回路系统跟踪性能分析与仿真 334

16.5星地大回路系统复合控制方案 335

16.5.1星-地大回路系统复合控制方案 335

16.5.2星-地大回路复合控制系统性能仿真 336

参考文献 337