大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法、雷达天线技术

本发明专利技术属于雷达天线技术领域，公开了一种大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法、雷达天线；建立三个右手坐标系；根据大型反射面天线结构参数和材料属性建立有限元模型；在坐标系中，根据仿真模型，建立主反射面全工况指向偏差测量模型；建立4对称点加速度计优化布局模型；根据优化出的测量点数量和位置，在主反射面上布置加速度计，进行测量和指向误差重构。本发明专利技术选择加速度传感器作为测量传感器，其具有体积小、无需测量参考点，对于天线结构影响小；精度高，高精度的加速度计得到微米级位移测量精度，满足反射面天线形面精度测量要求等优点。

【技术实现步骤摘要】
大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法、雷达天线
本专利技术属于雷达天线
，尤其涉及一种大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法、雷达天线。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：大型反射面天线具有增益高、波束窄等特点，在卫星通信、深空探测、电子对抗以及导航等领域应用广泛。为了提高探测分辨率，其工作频段逐步提高，这就对其指向精度提出了比较高的要求。德国100米口径反射面天线，当其工作频率达到95GHz时，对指向精度的要求为10角秒；我国拟在新疆奇台县建造110m口径大型射电望远镜，该天线需满足盲扫精度优于5角秒、可重复精度优于2.5角秒的指向精度要求。主反射面具有大尺寸、低刚度的结构特性，这使得天线主反射面在自身重力和环境因素如温度、风扰的影响下容易产生变形，进而产生较大指向偏差。其中，重力可通过结构设计进行补偿；温度是缓变因素，可通过相关查表法进行补偿；而风扰则是时变和随机的，难以进行预测和实时地补偿。且在天线运行过程中，传统的测量方法只能通过编码器获取转轴处的指向偏差，无法捕获由于主反射面振动变形产生的指向偏差。然而国内外先进的反射面形面变形测量方法，例如的激光跟踪仪测量，工业摄影测量，射电全息测量法等，只是在天线处于非工作状态下的校准测量方法，无法实现在天线工作状态下的实时多点测量。除此之外并没有针对指向误差重构的全工况测量模型，也没有针对观测指向误差的传感器优化布局方法。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)传统的测量方法只能通过编码器获取转轴处的指向偏差。风扰一方面在转轴处产生风力矩导致天线整体偏转，这部分的指向偏差可以由编码器测量，然而风扰另一方面产生风压用于主反射面，使其振动变形，这部分的指向偏差是编码器无法捕获的，且随着天线口径的增加，该部分的指向偏差远大于转轴处的指向偏差，导致天线电能严重下降。因此风扰存在使得天线运行条件苛刻，限时、限风速等都成为天文观测等领域的障碍。对于德国Effelsberg100米口径反射面天线，有风扰时只能采取限风速观测，而当风速大于16m/s时，为了保证精度，停止观测。(2)由于主反射面口径巨大，测量点难以选取，且主反射面姿态随着方位和俯仰方向的转动也会不同，现有的反射面形面变形测量方法无法实现在天线工作状态下的实时多点测量，这使得主面振动变形产生的指向偏差无法捕获和补偿。解决上述技术问题的难度：需要建立针对指向误差重构的全工况测量模型，给出主反射面上测量点位置、数量和变形信息与指向偏差的一般关系；为了保证测量精度，需要针对观测指向误差，提出对应的传感器优化布局方法。解决上述技术问题的意义：可以实时测量出主反射面由于振动变形产生的指向误差，为下一步控制补偿和提高天线电性能做准备；进而实现天线在大风条件下的正常工作；还可降低天线结构设计的难度，一定程度上可以降低天线重量，因为即使天线刚度较小产生振动变形较大，也可通过本专利技术测量出指向偏差进而通过一定的技术得到补偿。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法、雷达天线。本专利技术是这样实现的，一种大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法，所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法包括：第一步，建立三个右手坐标系，第一个坐标系建立在天线底座中心，为全局坐标系；第二坐标系建立在反射面的顶点处，描述天线方位运动；第三个坐标系建立在反射面的顶点处，描述反射体变形和俯仰运动；第二步，根据大型反射面天线结构参数和材料属性建立有限元模型；根据风场特性建立大型反射面天线风场分析模型；第三步，在坐标系中，根据仿真模型，建立主反射面全工况指向偏差测量模型，以最佳拟合抛物面理论和频域积分法为基础，建立测量点的加速度，位置，数量与指向偏差的关系；第四步，基于全工况指向偏差测量模型基础上，建立4对称点加速度计优化布局模型；通过遗传算法求解这一多变量、离散、非线性模型，从成千上万的结构节点中选出较少测量点；第五步，根据优化出的测量点数量和位置，在主反射面上布置加速度计，进行测量和指向误差重构。进一步，所述第三步包括以下步骤：(1)引入模态叠加法法建立天线结构振动变形的分析模型：(2)全工况指向偏差分析模型：将RST坐标系中的加速度转换到UVW坐标系：[aUaVaW[1]]＝[aRaSaT[1]]RT(Am)RY(-(90°-Em))；式中，RT,RY分别是绕着T和Y的旋转矩阵；然后根据求出在UVW坐标系中主反射面指向偏差加速度通过FFT转换到频域A(h)：N为采样点数，k为时间步；为了克服积分常量产生的漂移，采取低频截断滤波，接着通过频域积分得到θ(h)：式中，fS为采样率；通过IFFT将θ(h)转换到时域：得到分别通过俯仰轴，方位轴补偿的指向偏差ΔE，ΔA：进一步，所述第四步具体包括：(1)通过U和V轴将反射面分成“1”、“2”、“3”、“4”四个区域，四个传感器为一组，如果知道“1”区的一个传感器位置(us,vs,ws)，s表示第s组传感器；定义一个变量：δ为脉冲函数，当vs＞0时，即传感器不在坐标轴上，δ(vs)＝0，sg＝0；当vs＝0时，即传感器在坐标轴上，δ(vs)＝+∞，sg＝1；然后用us,vsandws得出“2”，“3”,和“4”区传感器位置：Us＝[us(1-sf)(-us)-us(1-sf)us]Vs＝[vsvs+sf×us-vs-vs-sf×us]；Ws＝[wswswsws]上式Us,Vs和Ws表示第s组传感器的1到4区在主反射面上的位置；(2)动态优化模型：findL＝[n1n2...ni...nm/4]T；式中L代表‘1’区测量点的节点编号；ni是第i个测量点的节点编号，对应的传感器位置信息为WE,WA是俯仰和方位方向的权值；D为天线口径。进一步，所述传感器优化过程：m由4个开始递增的，直到满足条件；m＝4g,g≥1，g为迭代轮数，第一轮完毕表示迭代选出的4个传感器不能满足拟合精度，进行第2轮迭代，m此时变为8；依次类推，优化在obj(x)≤e时停止。e为精度约束。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法的雷达天线。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法的卫星通信控制系统。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法的深空探测控制系统。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法的电子对抗控制系统。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法的导航控制系统。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术提出各个测量点的加速度到天线指向偏差的全工况测量模型。可实现天线在各种位姿下的方位俯仰方向指向偏差的测量与补偿。建立的针对观测指向偏差的加速计优化布局算法，该算法能够确保在一定测量精度约束下，优化出较少的，方便布置的测量点。本专利技术选择加速度传感器作为测量传感器，其具有体积小、无需测量参考点，对于天线结构影响小；精度高，高精度的加速度计得到微米级位移测量精度，满足反射面天线形面精度测量要求等优点；采样率高，可以实现实时测量。而理论上位移可以通过各种先进的设备量测，但位移测量的固定参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法，其特征在于，所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法包括：第一步，建立三个右手坐标系，第一个坐标系建立在天线底座中心，为全局坐标系；第二坐标系建立在反射面的顶点处，描述天线方位运动；第三个坐标系建立在反射面的顶点处，描述反射体变形和俯仰运动；第二步，根据大型反射面天线结构参数和材料属性建立有限元模型；根据风场特性建立大型反射面天线风场分析模型；第三步，在坐标系中，根据仿真模型，建立主反射面全工况指向偏差测量模型，以最佳拟合抛物面理论和频域积分法为基础，建立测量点的加速度，位置，数量与指向偏差的关系；第四步，基于全工况指向偏差测量模型基础上，建立4对称点加速度计优化布局模型；通过遗传算法求解这一多变量、离散、非线性模型，从成千上万的结构节点中选出较少测量点；第五步，根据优化出的测量点数量和位置，在主反射面上布置加速度计，进行测量和指向误差重构。

【技术特征摘要】
1.一种大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法，其特征在于，所述大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法包括：第一步，建立三个右手坐标系，第一个坐标系建立在天线底座中心，为全局坐标系；第二坐标系建立在反射面的顶点处，描述天线方位运动；第三个坐标系建立在反射面的顶点处，描述反射体变形和俯仰运动；第二步，根据大型反射面天线结构参数和材料属性建立有限元模型；根据风场特性建立大型反射面天线风场分析模型；第三步，在坐标系中，根据仿真模型，建立主反射面全工况指向偏差测量模型，以最佳拟合抛物面理论和频域积分法为基础，建立测量点的加速度，位置，数量与指向偏差的关系；第四步，基于全工况指向偏差测量模型基础上，建立4对称点加速度计优化布局模型；通过遗传算法求解这一多变量、离散、非线性模型，从成千上万的结构节点中选出较少测量点；第五步，根据优化出的测量点数量和位置，在主反射面上布置加速度计，进行测量和指向误差重构。2.如权利要求1所述的大型反射面天线的风致指向误差实时测量方法，其特征在于，所述第三步包括以下步骤：(1)引入模态叠加法建立天线结构振动变形的分析模型：(2)全工况指向偏差分析模型：将RST坐标系中的加速度转换到UVW坐标系；[aUaVaW[1]]＝[aRaSaT[1]]RT(Am)RY(-(90°-Em))；式中，RT,RY分别是绕着T和Y的旋转矩阵；然后根据求出在UVW坐标系中主反射面指向偏差加速度通过FFT转换到频域A(h)：N为采样点数，k为时间步；为了克服积分常量产生的漂移，采取低频截断滤波，接着通过频域积分得到θ(h)：式中，fS为采样率；通过IFFT将θ(h)转换到时域：得到分别通过俯仰轴，方位轴补偿的指向偏差ΔE，ΔA：3.如权利要求1所述的大型反射面天线的...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁威，黄进，张洁，梁煜，
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