基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法技术

本发明专利技术属于雷达天线技术领域，具体是基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，它利用一套激光测距测角设备即可同时实现反射面天线主反射面和副反射面的位移检测，无需考虑天线形变的形成因素，可适用于静态载荷，如重力载荷、稳态风载荷、雨雪，也适用于缓变载荷，如温度载荷，同时适用于加工安装误差等。实现反射面的闭环实时调整和主动主反射面天线理想形面的实时保持。

【技术实现步骤摘要】
基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法
本专利技术属于雷达天线
，具体是基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，应用于主动主反射面天线在服役过程中理想形面的实时保持。
技术介绍
反射面天线广泛应用于深空探测、射电天文等领域，随着技术的发展，大口径、高频段是其主要发展方向。口径越大，频段越高，反射面天线的性能则越突出。例如，七十年代联邦德国建造的100米全可动射电望远镜，2000年美国建造的格林班克100米射电望远镜，2012年中国建造的65米天马望远镜，工作频段可达毫米波段(30GHz-300GHz)。反射面天线口径的增大使得外载荷(重力载荷、温度载荷、风荷等)的影响不可忽视，其形面不可避免地将偏离理想形面，导致其精度难以满足高频段对反射面形面的精度要求，进而导致电性能显著恶化。为了降低加工难度同时提高天线电性能，目前大型高频段反射面天线多采用主动主反射面结构，即主反射面面板安装促动器，面板在一定范围内可主动调整，通过实时调整促动器来保持天线形面的高精度。例如上海65米望远镜的主反射面由1008块面板组成，整个天线结构重约2640吨，同时受到风荷载、温度变形的影响，要求在1104台促动器作用下，其形面精度达到0.3毫米，指向精度达到3角秒。主动主反射面天线形面调整的关键是形面变形的实时测量，进而实现促动器的实时调整来保证形面精度，但就目前而言，工程上尚未实现反射面理想形面的实时保持。工程上采用的形面测量方法主要包括人工或者无人机摄影测量、激光测距(激光全站仪/激光跟踪仪)和无线电全息法测量。首先，因人工的干预，其实时性难以满足要求，也无法在天线服役状态下实现测量过程。其次，除了主动主反射面的调整之外，副反射面同样在外载荷作用下将偏离理想位置。目前工程上副反射面的调整多采用经验法，通过测量天线远场方向图，根据远场方向图副瓣的对称性能和增益值，根据经验指导副反射面的调整过程，通常调整次数较多且耗时较长。显然，主动主反射面天线的形面调整需同时兼顾主动主反射面的调整和副反射面的调整，目前而言，尚未实现反射面的闭环实时调整。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，以实现反射面的闭环实时调整和主动主反射面天线理想形面的实时保持。实现本专利技术目的的技术方案是：基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：至少包括如下步骤：步骤一，安装激光测量设备及存储副反射面相关数据；步骤二，建立基准坐标系及存储主反射面相关数据。步骤三，粘贴靶标点及存储靶标点相关数据。步骤四，计算基准坐标系下副反射面相关数据；步骤五，计算副反射面坐标系下主反射面促动器靶标点的球坐标；步骤六，计算天线服役过程中促动器靶标点在副面坐标系下的坐标值；步骤七，计算天线服役过程中基准点靶标点在副面坐标系下的坐标值；步骤八，计算天线服役过程中副面坐标系原点在基准坐标系下的坐标值；步骤九，计算天线服役过程中副面坐标系到基准坐标系的旋转矩阵；步骤十，计算天线服役过程中主面促动器的法向调整量；步骤十一，计算天线服役过程中副面位姿调整量；步骤十二，天线服役过程中不断重复步骤五到步骤十一，实现形面的实时保持。所述的步骤一安装激光测量设备及存储副反射面相关数据是在副反射面背面安装激光测距测角仪系统，副反射面顶点位置预留适当尺寸的孔洞，将激光探头移动至副反射面顶点孔洞位置，假定测量坐标系与副面坐标系重合，记为Os-xsyszs，其中Os为坐标原点，位于副反射面顶点位置；在副反射面上标定两个副反射面位姿定位点：Os点和Os-zs轴上一点D，点D在Os-xsyszs坐标系下的坐标为其中，上标s表示Os-xsyszs坐标系下的坐标值。所述的步骤二建立基准坐标系及存储主反射面相关数据是在主反射面顶点位置建立基准坐标系，记为Or-xryrzr，其中Or为坐标原点，位于主反射面顶点位置，基准坐标系的坐标轴分别与副反射面坐标系的坐标轴平行且同向；在基准坐标系下选择三个基准点A、B和C，其在Or-xryrzr坐标系下的坐标分别记为和且在垂直于Or-zr轴的平面上不共面，其中，上标r表示Or-xryrzr坐标系下的坐标值，该基准点可独立于反射体以避免其发生变形位移，或者该基准点位于反射体中心变形位移较小位置。所述的步骤三粘贴靶标点及存储靶标点相关数据是在主反射面促动器与面板连接位置粘贴靶标点，在Or-xryrzr坐标系下记靶标点坐标为确定促动器靶标点法向单位向量其中，下标a表示第a个靶标点；在步骤二所述三个基准点位置粘贴靶标点，忽略靶标点厚度，其坐标同基准点A、B和C的坐标。所述的步骤四计算基准坐标系下副反射面相关数据是根据理想天线设计参数，在基准坐标系Or-xryrzr坐标系下，确定副反射面顶点Os点的坐标确定步骤一中副反射面Os-zs轴上一点D点的坐标其中所述的步骤五计算副反射面坐标系下主反射面促动器靶标点的球坐标包括：(5a)在副反射面坐标系Os-xsyszs坐标系下，确定主反射面促动器靶标点的坐标值其中(5b)在副反射面坐标系Os-xsyszs坐标系下，将主反射面促动器靶标点的坐标值转换为球坐标其中其中cart2sph为MATLAB数值分析软件中的笛卡尔坐标到球坐标的转换函数。所述的步骤六计算天线服役过程中促动器靶标点在副面坐标系下的坐标值包括：。(6a)利用激光测距测角仪测量促动器靶标点到副反射面坐标系坐标原点的距离及仰角其分别为天线变形后促动器靶标点在副反射面坐标系发生刚体位移后的球坐标的第一分量和第二分量，其中，仰角表示激光束与天线变形后Os-zs轴正向的夹角，上标“′”表示天线变形后的数据；(6b)因影响反射面天线电性能的主要因素是反射面的轴向变形，故忽略反射面节点绕轴向的旋转位移，近似认为天线变形后促动器靶标点在副反射面坐标系发生刚体位移后的球坐标的第三分量(6c)计算变形后的促动器靶标点在副反射面坐标系发生刚体位移后的坐标值其中sph2cart为MATLAB数值分析软件中的球坐标到笛卡尔坐标的转换函数。所述的步骤七计算天线服役过程中基准点靶标点在副面坐标系下的坐标值包括：(7a)利用激光测距测角仪测量基准点靶标点到副反射面坐标系坐标原点的距离及仰角其分别为变形后基准点靶标点在副反射面坐标系发生刚体位移后的球坐标的第一分量和第二分量，其中，下标“b”表示基准点A或者B或者C；(7b)近似认为基准点靶标点在副反射面坐标系发生刚体位移后的球坐标的第三分量其中，符号表示取向量的第三分量，当“b”表示基准点A时，当“b”表示基准点B时，当“b”表示基准点C时，(7c)计算基准点靶标点在副反射面坐标系发生刚体位移后的坐标值所述的步骤八计算天线服役过程中副面坐标系原点在基准坐标系下的坐标值包括：(8a)在步骤七中令“b”依次表示基准点A、B和C，则依次得到三个基准点的距离和仰角(8b)求解下述方程组并求解得到天线服役过程中副面坐标系原点在基准坐标系下的坐标值所述的步骤九计算天线服役过程中副面坐标系到基准坐标系的旋转矩阵包括：(9a)在步骤七中令“b”依次表示基准点A、B和C，则依次得到坐标值和(9b)建立如下方程组：其中，T′s2r表示天线服役过程中副面坐标系到基准坐标系的旋转矩阵；(9c)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：至少包括如下步骤：步骤一，安装激光测量设备及存储副反射面相关数据；步骤二，建立基准坐标系及存储主反射面相关数据；步骤三，粘贴靶标点及存储靶标点相关数据；步骤四，计算基准坐标系下副反射面相关数据；步骤五，计算副反射面坐标系下主反射面促动器靶标点的球坐标；步骤六，计算天线服役过程中促动器靶标点在副面坐标系下的坐标值；步骤七，计算天线服役过程中基准点靶标点在副面坐标系下的坐标值；步骤八，计算天线服役过程中副面坐标系原点在基准坐标系下的坐标值；步骤九，计算天线服役过程中副面坐标系到基准坐标系的旋转矩阵；步骤十，计算天线服役过程中主面促动器的法向调整量；步骤十一，计算天线服役过程中副面位姿调整量；步骤十二，天线服役过程中不断重复步骤五到步骤十一，实现形面实时保持。

【技术特征摘要】
1.基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：至少包括如下步骤：步骤一，安装激光测量设备及存储副反射面相关数据；步骤二，建立基准坐标系及存储主反射面相关数据；步骤三，粘贴靶标点及存储靶标点相关数据；步骤四，计算基准坐标系下副反射面相关数据；步骤五，计算副反射面坐标系下主反射面促动器靶标点的球坐标；步骤六，计算天线服役过程中促动器靶标点在副面坐标系下的坐标值；步骤七，计算天线服役过程中基准点靶标点在副面坐标系下的坐标值；步骤八，计算天线服役过程中副面坐标系原点在基准坐标系下的坐标值；步骤九，计算天线服役过程中副面坐标系到基准坐标系的旋转矩阵；步骤十，计算天线服役过程中主面促动器的法向调整量；步骤十一，计算天线服役过程中副面位姿调整量；步骤十二，天线服役过程中不断重复步骤五到步骤十一，实现形面实时保持。2.根据权利要求1所述的基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：所述的步骤一安装激光测量设备及存储副反射面相关数据是在副反射面背面安装激光测距测角仪系统，副反射面顶点位置预留适当尺寸的孔洞，将激光探头移动至副反射面顶点孔洞位置，假定测量坐标系与副面坐标系重合，记为Os-xsyszs，其中Os为坐标原点，位于副反射面顶点位置；在副反射面上标定两个副反射面位姿定位点：Os点和Os-zs轴上一点D，点D在Os-xsyszs坐标系下的坐标为其中，上标s表示Os-xsyszs坐标系下的坐标值。3.根据权利要求1所述的基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：所述的步骤二建立基准坐标系及存储主反射面相关数据是在主反射面顶点位置建立基准坐标系，记为Or-xryrzr，其中Or为坐标原点，位于主反射面顶点位置，基准坐标系的坐标轴分别与副反射面坐标系的坐标轴平行且同向；在基准坐标系下选择三个基准点A、B和C，其在Or-xryrzr坐标系下的坐标分别记为和且在垂直于Or-zr轴的平面上不共面，其中，上标r表示Or-xryrzr坐标系下的坐标值，该基准点可独立于反射体以避免其发生变形位移，或者该基准点位于反射体中心变形位移较小位置。4.根据权利要求1所述的基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：所述的步骤三粘贴靶标点及存储靶标点相关数据是在主反射面促动器与面板连接位置粘贴靶标点，在Or-xryrzr坐标系下记靶标点坐标为确定促动器靶标点法向单位向量其中，下标a表示第a个靶标点；在步骤二所述三个基准点位置粘贴靶标点，忽略靶标点厚度，其坐标同基准点A、B和C的坐标。5.根据权利要求1所述的基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：所述的步骤四计算基准坐标系下副反射面相关数据是根据理想天线设计参数，在基准坐标系Or-xryrzr坐标系下，确定副反射面顶点Os点的坐标确定步骤一中副反射面Os-zs轴上一点D点的坐标其中6.根据权利要求1所述的基于基准点的主动主反射面天线理想形面实时保持方法，其特征是：所述的步骤五计算副反射面坐标系下主反射面促动器靶标点的球坐标包括：(5a)在副反射面坐标系Os-xsyszs坐标系下，确定主反射面促动器靶标点的坐标值其中(5b)在副反射面坐标系Os-xsyszs坐标系下，将主反射面促动器靶标点的坐标值转换为球坐标其中其中cart2sph为MATLAB数值分析软件中的笛卡尔坐标到球坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：连培园，王从思，王娜，杨西惠，杜淑幸，许谦，项斌斌，许万业，王伟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61