一种索网天线形面精度计算方法技术

本发明专利技术克服现有索网天线形面精度计算方法的不足，考虑索网天线在轨展开过程对索网天线在轨展开后形面精度的影响，提出的计算流程可有效补充索网天线地面展开试验有地球重力和大气影响的不足，能较准确地预测索网天线在太空在轨工作状态下的形面精度及工作性能。同时提出根据节点与整个抛物面的最小距离计算误差均方根值，该方法能更准确反映天线的索网网面的光滑度；提出了一种指向误差计算方法，该方法能更直观反映天线索网网面的电信号反射精度。

A method for calculating the accuracy of cable mesh antenna surface

The invention overcomes the defects of the existing cable net antenna calculation method of surface accuracy, considering the cable net antenna in orbit deployment process effect on cable net antenna in orbit after the start of surface accuracy, the calculation process proposed can effectively supplement the shortage of cable net antenna ground launched test earth gravity and atmospheric effects, can accurately predict the cable net the antenna in space on orbit working surface accuracy and performance under the state. At the same time the RMS error calculation based on the minimum distance of the node and the paraboloid, the method can more accurately reflect the cable net antenna smoothness; it presents a method of calculating the pointing error, the method can directly reflect the antenna cable net is the signal of anti ejaculation.

【技术实现步骤摘要】
一种索网天线形面精度计算方法
本专利技术属于雷达天线
，尤其涉及一种索网天线形面精度计算方法。
技术介绍
索网天线指采用柔性索网作为反射面(柔性索网反射面在后文简称柔索网面)的雷达天线。索网天线主要由可展开桁架结构和反射网组成。其中反射网一般为抛物面形状，反射网边缘有若干位置与可展开桁架结构连接。以目前国内外应用广泛的周边桁架式索网天线举例，结构组成包括可展开周边桁架、起支撑成形作用的柔性张力索网和反射网，其中柔性张力索网多为三向网格索网，其单元为三角形，金属反射网附着在前索网背部用来实现馈源信号反射。索网天线与常规刚性反射面天线相比具有展收比大、质量轻、折叠性好、展开后主结构刚度高等优点，当前已广泛用于国内外的通信卫星、遥感卫星、侦察卫星等航天领域。例如美国图拉雅(Thuraya-1)卫星重78公斤，收拢发射状态直径为1.3米，入轨展开后直径为12.25米，展收比达到10：1。对于索网天线这类由柔索网面和杆件可展结构组成的机构，由于组成柔索网面的柔索在不受轴向拉力时为松弛状态，只有展开拉紧后在应力作用下才有轴向刚度，而在拉紧前柔索组成的索网反射面的几何外形具有不确定性。因此柔性索网本身的设计和分析是不同可展桁架结构的索网天线的共性问题。索网天线设计与在轨应用的一项关键问题就是保证柔索网面在轨的展开后形面精度。形面精度是指柔索网面在轨展开后的形状和设计形状的一致性，形状和设计形面形状完全一致为精度最高情况。形面精度直接影响柔索网面的电性能。针对索网天线在轨展开后柔索网面的形面建模和精度计算通常称为找形或成形设计。实际工程中，在成形设计时用一系列节点和一定面积的三角单元逼近抛物面，成形结果和理想抛物面之间的形面偏差一般通过网面所有对应节点之间距离的均方根衡量。天线设计时通过求得最小均方根确定所在的最佳拟合抛物面，再得到满足精度指标要求的最少柔索数量或者最简网格划分。传统的索网天线网面精度的计算方法主要是动力松弛法、力密度法以及直接采用基于有限元方法。动力松弛法的基本思想是把结构的找形过程看作一个由动态到静态平衡的过程，在动态的衰减过程中，动能最大值的位置是结构的平衡位置，所以确定结构动能为极大值时的位置，即为找形的结果。力密度法是张力结构找形分析的主要方法，其基本思想是将索结构离散成节点和杆的网络模型，根据结构单元和节点之间的拓扑关系，同时设定力密度值或应力密度值建立关于节点的平衡方程组，从而求得各节点的坐标即相应的曲面形态。有限元法的主要思想是假定索单元的几何形状推导其位移模式，计算变形前后的索长变化，根据平衡方程或者能量原理来推导刚度矩阵，计算索单元端节点力和端节点位移的关系，集成结构整体平衡方程进行迭代计算。这几种方法的共性是直接考虑柔索网面展开状态形面，利用迭代优化的方法找到形面精度最高的各单元(或各节点之间)的张紧力以及对应的柔索网面各节点的几何位置坐标，也就是计算得到一个新的满足设计要求的柔索网面。传统的形面精度误差计算方法主要有两种，第一种是计算新柔索网面采样节点与标称网面对应的采样节点之间的竖向距离，然后求整个网面的均方根值；第二种是计算新柔索网面的采样节点和标称网面的包含该节点的单个反射面单元的距离，然后求整个网面的均方根值。索网天线在实际工程应用中都是以收拢状态发射，航天器入轨后天线在轨完成展开和机构锁定。因此单纯建立柔索网面展开状态模型作为找形和形面精度计算的方法有其局限性，计算结果只是所有平衡状态中的一个特解，不能考虑在轨展开过程的影响。同时，采用前述两种形面精度误差计算方法得到的结果受到柔索网面局部单元变形的影响很大，在评价整个柔索网面的形面精度方面有局限性，并且这两种方法得到的误差与网面的光滑度有较大关系，对于评价索网天线展开后的电性能的能力有限，有进一步改进的必要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种索网天线形面精度计算方法。解决当前索网天线形面精度计算方法不能考虑在轨展开影响、不能全面反映形面平滑度和指向精度的问题。本专利技术所采用的技术方案是：一种索网天线形面精度计算方法，包括步骤如下：步骤一、对柔索网面的形面抛物面划分索网网格，根据静态找形方法计算得到各节点之间的柔索拉力数值、各个柔索段展开后的标称长度，得到静态找形网面；步骤二，采用多体系统动力学的方法建立索网天线的桁架机构动力学模型，桁架机构动力学模型包括杆、铰链、转动关节、展开驱动卷簧动力学模型；步骤三，基于步骤一计算获得的静态找形网面，采用珠式模型建立柔索网面的收拢状态动力学模型，模型包括集中质量点模型和节点之间柔索拉力模型；步骤四，将步骤二和步骤三两个模型通过柔索网面与桁架机构的连节点组装为一个动力学模型，并做一次展开过程动力学计算，计算结果包括展开后柔索网面所有节点的几何位置、各柔索段的拉力值，得到展开计算柔索网面；步骤五，基于步骤四的计算结果，计算展开计算柔索网面的形面精度误差s；步骤六，基于步骤四的计算结果，计算展开计算柔索网面的指向精度误差误差α；步骤七，如果步骤五和步骤六的形面精度误差s和指向精度误差α满足设定的阈值，方法结束；如果形面精度误差s和指向精度误差α不满足设定的阈值，调整柔索网面各单元的初始节点位置和初始拉力，返回步骤一。所述步骤六的具体步骤如下：步骤6.1、设电信号沿柔索网面的馈源照射方向平行入射，计算m个反射面单元中M个采样反射面单元接收到电信号后反射方向矢量与从入射点指向馈源矢量的夹角αξ；其中，ξ＝1,2,3,...,M；M为正整数；步骤6.2、计算柔索网面的指向精度误差所述步骤五中，柔索网面的形面精度误差s的计算公式如下：其中，N为柔索网面的采样节点数，为正整数；δλ为索网天线从收拢状态到展开状态过程中，柔索网面的采样节点与柔索网面的形面抛物面的最短距离，λ＝1,2,3,...,N。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术考虑到了天线在轨展开的影响，可较准确地预测索网天线在太空在轨工作状态下的形面精度及工作性能。(2)本专利技术提出根据节点与整个抛物面的最小距离计算误差均方根值，能更准确反映天线的索网网面的光滑度。(3)本专利技术提出的指向误差计算方法能更直观反映天线索网网面的电信号反射精度。(4)本专利技术提出的计算流程通用性好，可有效补充索网天线地面展开试验有地球重力和大气影响的不足，和地面试验相结合，可提高索网天线在轨形面精度。附图说明图1为本专利技术的索网天线柔索网面构型图。图2为本专利技术的索网天线形面精度计算方法流程图。图3为本专利技术实施例的索网天线坐标系定义和指向精度计算示意图。图4为本专利技术实施例的三向网格索网类型示意图。图5为本专利技术实施例的柔索珠式模型示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步说明。本专利技术实施例为某周边环形桁架式索网天线，展开口径30m，展收比为11.4：1。索网天线的桁架机构由30跨结构相同的平行四边形桁架单元组成。桁架展开到位后，前后索网、竖向张力索在内部拉力的作用下达到平衡位置，构成天线抛物面。其柔索网面构型如图1所示。如图2所示，一种索网天线形面精度计算方法，具体步骤如下：步骤一，依据索网天线在轨工作模式和电性能设计要求得到柔索网面的形面抛物面，创建笛卡尔参考坐标系如图3所示，抛物面方程如下：其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种索网天线形面精度计算方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、对柔索网面的形面抛物面划分索网网格，根据静态找形方法计算得到各节点之间的柔索拉力数值、各个柔索段展开后的标称长度，得到静态找形网面；步骤二，采用多体系统动力学的方法建立索网天线的桁架机构动力学模型，桁架机构动力学模型包括杆、铰链、转动关节、展开驱动卷簧动力学模型；步骤三，基于步骤一计算获得的静态找形网面，采用珠式模型建立柔索网面的收拢状态动力学模型，模型包括集中质量点模型和节点之间柔索拉力模型；步骤四，将步骤二和步骤三两个模型通过柔索网面与桁架机构的连节点组装为一个动力学模型，并做一次展开过程动力学计算，计算结果包括展开后柔索网面所有节点的几何位置、各柔索段的拉力值，得到展开计算柔索网面；步骤五，基于步骤四的计算结果，计算展开计算柔索网面的形面精度误差s；步骤六，基于步骤四的计算结果，计算展开计算柔索网面的指向精度误差误差α；步骤七，如果步骤五和步骤六的形面精度误差s和指向精度误差α满足设定的阈值，方法结束；如果形面精度误差s和指向精度误差α不满足设定的阈值，调整柔索网面各单元的初始节点位置和初始拉力，返回步骤一。

【技术特征摘要】
1.一种索网天线形面精度计算方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、对柔索网面的形面抛物面划分索网网格，根据静态找形方法计算得到各节点之间的柔索拉力数值、各个柔索段展开后的标称长度，得到静态找形网面；步骤二，采用多体系统动力学的方法建立索网天线的桁架机构动力学模型，桁架机构动力学模型包括杆、铰链、转动关节、展开驱动卷簧动力学模型；步骤三，基于步骤一计算获得的静态找形网面，采用珠式模型建立柔索网面的收拢状态动力学模型，模型包括集中质量点模型和节点之间柔索拉力模型；步骤四，将步骤二和步骤三两个模型通过柔索网面与桁架机构的连节点组装为一个动力学模型，并做一次展开过程动力学计算，计算结果包括展开后柔索网面所有节点的几何位置、各柔索段的拉力值，得到展开计算柔索网面；步骤五，基于步骤四的计算结果，计算展开计算柔索网面的形面精度误差s；步骤六，基于步骤四的计算结果，计算展开计算柔索网面的指向精度误差误差α；步骤七，如果步骤五和步骤六的形面精度误差s和指向精度误差α...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志娟，关晓东，邹元杰，苑广智，马炜，宫伟伟，于登云，刘绍奎，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11