(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111524034.7 (22)申请日 2021.12.14 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 王治易　陈金宝　陈传志　李家琪　 董家宇　宋志成　张迎雪　马子昂　 罗晟　陈茜　余张武　邹凯撒　 刘笑语　杨钟啸　 (74)专利代理 机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 代理人 王峰刚 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/27(2020.01)G06N 3/12(2006.01) H01Q 1/08(2006.01) H01Q 1/12(2006.01) H01Q 1/28(2006.01) (54)发明名称 一种太空高刚度大机动桁架天线及其设计 方法 (57)摘要 本发明属于星 载天线技术领域， 公开了一种 太空高刚度大机动桁架天线及其 设计方法， 基于 国内外可展天线、 可展伸展臂机构的国内外分析 现状， 确定可机动天线背架的结构， 提出确定天 线背架工作面的方法， 确定适合可机动天线背架 的可展开单元构型， 设计天线背架整体构型； 通 过建立天线背架可展单元模块运动模 型的方法， 确定可展单元模块的运动学特性， 以验证可展单 元的可行性； 同时， 通过建立天线背架整体运动 学模型的方法， 分析天线背架整体展开过程， 以 验证天线背架的合理性； 通过分析 天线背架的动 力学特性， 确定了自由模态和约束模态， 分析了 结构材料和几何尺寸对天线背架固有频率的影 响， 确定了提高结构刚度和固有频率的影响。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 114357639 A 2022.04.15 CN 114357639 A 1.一种太空高刚度大机动桁架天线的设计方法， 其特征在于， 所述太空高刚度大机动 桁架天线的设计方法包括以下步骤： 步骤一， 利用最小二乘法确定天线背架最优表面， 利用均分法确定结构尺寸： 采用最小 二乘法以球面拟合抛物面， 确定最优的天线背架的工作表面， 抛物面与圆柱面相交出 的曲 面为天线的工作表面， 此 抛物面与圆柱面中心线重合且圆柱面的直径为展开口径； 步骤二， 获取基于Sarrus机构的三棱柱构型的可展单元， 并对可展单元的折展杆和锁 定机构进 行设计； 其中， 所述锁定机构用于至少三根三棱柱之 间的转动连接与 锁定， 所述三 根三棱柱中具有绕同一 转动中心线转动连接的基座、 第一连接座与第二连接座； 步骤三， 利用可展单 元原理样机并进行 试验， 确定可展单 元的展开可 行性； 步骤四， 获取天线背架完全展开状态以及完全收拢状态的实时状况， 并加装设计双层 剪切链和 加强拉索， 获得 大型抛物面可展天线的整体构型； 步骤五， 对径向肋天线背架 的可展单元进行运动学分析： 获取待分析太空高刚度大机 动桁架天线的运动参数， 并根据所述运动参数得到所述待分析太空高刚度大机动桁架天线 的状态空间运动模型； 对所述状态 空间运动模型进行控制分析处理， 得到所述待分析太空高刚度大机动桁架 天线的控制器参数， 以根据所述控制器参数控制所述待分析太空高刚度大机动桁架天线对 预设的参 考轨迹进行跟踪； 步骤六， 建立天线背架 的有限元模型， 分析天线背架的自由模态和约束模态 的前10阶 固有频率和振型， 确定天线 背架的模态特性； 步骤七， 对天线 背架的机动性能进行分析， 对天线 背架进行 结构优化。 2.如权利要求1所述太空高刚度 大机动桁架天线的设计方法， 其特征在于， 所述步骤一 天线背架工作面的抛物面方程 为： 其中， f为抛物面的焦距。 3.如权利要求1所述太空高刚度 大机动桁架天线的设计方法， 其特征在于， 所述步骤一 抛物面方程 为： x2+y2＝2fz； 抛物面的母线方程 为： x2＝2fz； 球面的标准方程 为： (x‑a)2+(y‑b)2+(z‑c)2＝r2； 球面母线的圆心为(a,b)， 球面母线的方程 为： (x‑a)2+(y‑b)2＝r2； 整理可得： x2+y2+Ax+By+C＝0； 其中， 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114357639 A 2范围内， 将抛物线沿x轴 离散为样本(xi,yi)， 其中i∈(1,2,3)； (xi,yi)距离圆 心(a,b)的距离为 li： li＝(xi‑a)2+(yi‑b)2； li与圆半径 r的拟合误差的平方差 δi为： δi＝li2‑R2； 整理得： δi＝xi2+yi2+Axi+Byi+C； 将离散点(xi,yi)的拟合误差平方和记作L(A,B,C)， 则有： L(A,B,C)＝∑(xi2+yi2+Axi+Byi+C)2； 其中， δi为最小值时最小 二乘法拟合的圆弧为最优圆弧， 故L＝(A,B,C)求极值 即可确定 最优圆弧； 通过下式确定a、 b、 r的拟合 值， 确定拟合圆弧： 运用MATLAB计算得到拟合圆弧的各项参数， 根据得到的拟合圆弧， 结合天线背架的模 块数， 计算天线 背架的尺寸 参数。 4.如权利要求1所述太空高刚度 大机动桁架天线的设计方法， 其特征在于， 所述步骤五 对径向肋 肋天线背架的可展单 元进行运动学分析， 包括： (1)运用D ‑H法分析可展单元正逆位置， 利用螺 旋理论对可展单 元进行正速度分析； (2)借助ADAMS仿真软件建立可展单 元的运动学模型， 验证可展单 元的合理性； (3)根据建立的可展单元运动学模型， 分析可展单元的展开过程以及运动关节和杆件 的运动轨迹； 所述可展 单元的动三角架中心点的运动轨迹只在y轴方向上有变化， 其他方向 的运动分量都为0； (4)基于可展单元运动学建模方法， 建立双可展单元、 单根径向肋和天线背架整体的运 动模型， 运用MATLAB建立空间运动模 型， 分析天线背架的展开过程， 验证天线背架设计的合 理性。 5.如权利要求1所述太空高刚度 大机动桁架天线的设计方法， 其特征在于， 所述步骤五 状态空间运动模型的表达式为： 其中， 表示所述待分析太 空高刚度大机动桁架天线在空间坐标系下的速度， J表示变 换矩阵， 表示所述待分析太空高刚度大机动桁架天线的角速度， r表示所述待分析太空高刚 度大机动 桁架天线的运动半径， L1表示所述待分析太空高刚度大机动桁架天线中心到 空间 坐标系中心在第一方向上的距离， L2表示所述待分析太空高刚度大机动 桁架天线中心到空权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114357639 A 3