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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OXIYIZI286

13.1.2地心轨道坐标系OX0Y0Z0286

13.1.3质心轨道坐标系SX0Y0Z0287

13.1.4中继星星体坐标系SDXbYbZb287

13.1.5中继星天线坐标系SaXaYaZa288

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