星间链路天线并联精准角跟踪机构设计理论与关键技术研究

The tracking mechanism of the inter orbit link antenna enables the Tracking and Data Relay Satellite (TDRS) to track low/middle earth orbit space vehicles continuously. To meet the requirements of domestic aerospace engineering and focus on the advanced capturing and tracking technology of the inter orbit link, this project will investigate into the optimal design and adaptive control theory of a novel TDRS antenna tracking mechanism. Mainly drawing on the Clifford algebra, a promising solution featuring parallel topology will be proposed to the tracking mechanism. By considering the microgravity working environment and the desired performances of the parallel tracking mechanism, an integrated design methodology will be presented, which includes kinematics design, inertial parameters optimization, accuracy design, kinematic calibration, elasto-dynamics of the electromechanical coupling system, and adaptive control strategy/algorithm for high-accuracy positioning and continuous tracking. Based upon the above-mentioned theoretical research, a physical prototype of the parallel tracking mechanism will be developed. With the help of an experimental platform simulating the microgravity environment, some relevant experiments will be carried out to evaluate practical performances of the prototype. Therefore, this project is of great importance to robotics theory and domestic aerospace engineering, and its expected achievements might guide the development of next generation TDRS antenna tracking system of China.

星间链路天线角跟踪机构是中继卫星连续实时跟踪中低轨道目标航天器的使能部件。面向国家航天工程重大需求及星间链路捕获跟踪技术前沿，本项目拟深入开展新一代星间链路天线角跟踪机构的设计理论与关键技术研究。借助Clifford代数等先进数学工具，发明出可实现过顶连续跟踪且具有工程应用价值的并联构型解决方案，形成自主知识产权。计及微重力服役环境并兼顾静/动态特性、自主定位/跟踪控制精度及实时性等需求，深入研究并联构型角跟踪机构尺度/惯性参数集成优化设计、精度设计与运动学标定、机电耦联系统弹性动力学分析，以及基于弹性动力学的高精度跟踪控制策略/算法。在理论研究基础上，研制并联构型角跟踪机构原型样机，搭建微重力模拟环境实验平台，并开展相关实验研究。本项目聚焦新一代中继卫星星间链路天线跟踪指向系统开发，将丰富/完善机器人机构学基础理论研究，引领我国并联机构原创技术工程应用，因而具有重要的科学意义及实用价值。

星间链路天线角跟踪机构是中继卫星连续实时跟踪中低轨道目标航天器的重要使能部件。本项目密切结合国家航天工程重大需求，系统研究星间链路天线并联精准角跟踪机构的设计理论与关键技术，内容涉及拓扑构型设计、静/动态性能集成优化设计、精度分析与运动学标定、柔性多体系统动力学分析、飞行模式动力学分析与高精度跟踪控制策略、原型样机建造及综合性能实验等。.本项目主要创新性研究成果如下：(1)提出了一种基于几何代数的并联机构参数化构型综合方法，优选出多种可实现“过顶”连续跟踪并具有工程应用价值的并联角跟踪机构解决方案，形成自主知识产权；(2)提出了一种计及参数扰动影响的并联构型装备静/动态性能一体化设计方法，实现了并联角跟踪机构尺度/截面参数集成优化设计；(3)提出一种基于“真实逆解模型”的并联机构运动学标定方法，显著提高了并联角跟踪机构样机的运动精度；(4)建立了并联角跟踪机构的柔性多体系统动力学模型，提出一种融合Udwadia-Kalaba方程、Baumgarte稳定化技术及Gear法的求解策略，可准确预估并联角跟踪机构的动态响应；(5)计及微重力服役环境，开展并联角跟踪机构的飞行模式动力学研究，建立了驱动转矩与动平台姿态的解析映射模型，进而提出了天线指向高精度跟踪控制策略。在理论研究的基础上，研制了并联角跟踪机构原型样机，开发了PC+TwinCAT 3控制系统，并开展了动态性能测试、运动学标定、连续跟踪控制实验研究，验证了上述设计理论与关键技术的有效性。本项目丰富了机构学基础理论研究，并为开发我国新一代中继卫星星间链路天线跟踪指向系统奠定了基础。.在执行期内，项目组发表(含录用)国际期刊论文27篇、国际会议论文3篇、国内期刊论文7篇，已被SCI收录25篇、被EI收录5篇；申请中国发明专利9项，均已授权；培养青年教师2人，其中1人晋升特聘研究员(教授)职称；培养博士研究生5人，已毕业3人；培养硕士研究生7人，均已毕业。