基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，包括：确定大口径反射面天线结构方案，将天线按辐射梁和环梁方向划分为若干个区域；确定边缘传感器主体和靶标的安装位置；实时采集边缘传感器测得的角度值；依次确定传感器靶标安装面板，计算面板实际位姿；得到区域内所有面板的实际位姿；重复上述步骤，计算得到天线所有面板的实际位姿。本发明专利技术能够利用安装在面板边缘的角度传感器读数，来实时计算出大口径天线面板变形后的实际位置姿态，为后续反射面天线面板的主动调整提供依据，进而保障观测服役下天线的电性能和指向精度。

Real-time calculation method of position and attitude of large aperture antenna panel based on edge sensor

The invention discloses a real-time calculation method for position and attitude of large aperture antenna panel based on edge sensor, which includes: determining the structure scheme of large aperture reflector antenna, dividing the antenna into several regions according to the direction of radiation beam and ring beam; determining the installation position of main body and target of edge sensor; real-time acquisition of angle values measured by edge sensor; sequentially determining target of sensor; Install the panel and calculate the actual position and posture of the panel; get the actual position and posture of all the panels in the area; repeat the above steps to calculate the actual position and posture of all antenna panels. The method can calculate the actual position and attitude of the large aperture antenna panel after deformation in real time by using the angle sensor reading installed at the edge of the panel, and provide the basis for the active adjustment of the reflector antenna panel, thereby ensuring the electrical performance and pointing accuracy of the antenna in observation service.

【技术实现步骤摘要】
基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法
本专利技术属于天线
，具体是一种基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法。本专利技术可用于实时计算大口径天线面板的位置姿态，为后续反射面天线面板的主动调整奠定基础，使天线性能达到最优。
技术介绍
随着天线口径越来越大、工作频率越来越高，天线结构也越来越复杂，使得天线口径效率与指向对结构变形越来越敏感，此时传统补偿方法已无法满足天线电性能的要求，必须调整主面面形，即实现主反射面的主动调整来补偿天线电性能。在这一过程中，实时性是主动面调整的重要指标。但是现有的主动面调整技术并不能很好地满足实时性这一要求。比如，当天线表面被施加某些随时间变化的载荷时，对反射面面形的检测不能达到完全的实时，此外面板调整量的计算，控制系统远程操控促动器运动也需要一定的时间，此时，得到的修正量已不是需要的了。因此，如何根据随时间变化的载荷引起的反射面面形的变化，实时计算出面板的修正量是当前主动面调整技术中面临的关键问题。天线反射面面形的实时测量是主动面调整实现过程的第一步，目前常见的大型天线面形检测方法主要有光学方法：如经纬仪、全站仪、激光跟踪仪等；全息方法：如近场全息，远场全息法等。经纬仪等光学方法，主要用于面板安装后投入使用前的整体面板形状检测和标定，缺点是繁琐、需要使用大量辅助用的靶标和后向反射器、不实时，而且不具备对天线反射体在任意姿态下的变形测量能力。全息方法又分为远场全息法和近场全息法。对于大型射电望远镜，国内外已有的远场测量经验是使用天体或人造卫星作为发射源来进行的。天体源的信号强度比较弱，很难达到要求，可能造成测量分辨率不足。而人造卫星信号较强，使用人造卫星作为信号源一般可以得到很高的口径相位分辨率，但是，人造卫星的分布非常有限，只在有限角度下能够实现有效的测量，无法满足大型射电望远镜实现任意姿态的表面形变测量的要求。采用近场全息法需要设置信号塔和参考天线，通过信号塔的方式确实可以从理论上解决多个姿态测量的问题，但是大型射电望远镜尺寸所要求的信号塔的高度目前无法做到，因此近场全息测量也难以满足测量需求。为了克服上述两类天线反射面面形测量方法的不实时、繁重、无法做到任意角度可测等缺点，提出了一种边缘传感器检测方法，以实现批量面板观测过程中的实时拼接检测与调整，以达到波长更短的观测波段，实现更好的天线技术指标。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于边缘传感器的天线面板位置姿态实时计算方法，通过在天线面板边缘安装角度传感器的接触式测量方法，基于传感器测得的角度值实时计算出天线面板位置姿态，为后续天线面板的主动调整提供依据，提高天线电性能。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，包括下述步骤：(1)确定反射面天线结构参数、面板分块方案及桁架结构；确定天线面板分区，包括每个区域内面板数量(M环N列)；取变量m＝n＝2；(2)确定边缘传感器的主体和靶标(平面反射镜)的安装位置；(3)实时采集天线反射面板上边缘传感器测得的角度值；(4)根据边缘传感器的主体和靶标的安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和环梁上的面板为第一块面板，定为面板(1,1)；提取面板(1,1)变形的两个绝对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置和旋转矩阵，计算面板(1,1)的实际位置姿态；(5)根据边缘传感器的靶标的安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和面板(m-1,1)上的面板编号为(m,1)；提取面板(m,1)变形的绝对角度信息和相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(m-1,1)的实际位置姿态和旋转矩阵，计算面板(m,1)的实际位置姿态；(6)根据确定的每个区域内面板环数M，判断m＝M是否成立，即是否该列最后一块面板计算完毕，若满足，则停止计算，并得到该列所有面板的实际位置姿态；若不满足，令m＝m+1转至步骤(5)继续计算；(7)根据边缘传感器的靶标安装位置，确定天线面板上传边缘感器的靶标安装在环梁和面板(1,n-1)上的面板编号为(1,n)；提取面板(1,n)变形的绝对角度信息和相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(1,n-1)的实际位置姿态和旋转矩阵，计算面板(1,n)的实际位置姿态；(8)根据确定的面板列数N，判断n＝N是否成立，即是否该环最后一块面板计算完毕，若满足，则停止计算，并得到该环所有面板的位置姿态；若不满足，令n＝n+1转至步骤(7)继续计算；(9)重新取变量n＝2；(10)重新取变量m＝2；(11)根据边缘传感器的靶标安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在面板(m-1,n)和(m,n-1)上的面板编号为(m,n)；提取面板(m,n)变形的两个相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(m-1,n)和(m,n-1)的实际位置姿态以及旋转矩阵，计算面板(m,n)的实际位置姿态；(12)判断m＝M是否成立，若满足进行下一步骤(13)；若不满足，令m＝m+1转至步骤(11)继续计算；(13)判断n＝N是否成立，若满足进行下一步骤(14)；若不满足，令n＝n+1转至步骤(10)继续计算；(14)由步骤(4)到步骤(13)可得到天线一个区域内所有面板的位姿，进而依照同样的方法得到天线所有面板的位姿。本专利技术的进一步限定方案包括：所述步骤(1)中，确定大口径天线反射面结构参数包括反射面口径及焦距；确定面板分块方案包括天线反射面面板总数量、反射面面板环数和面板列数；确定桁架结构包括天线主辐射梁及环梁的结构；确定天线面板分区包括将天线面板按辐射梁和环梁方向划分为若干个区域。所述步骤(2)中，被测面板上安装有两个边缘传感器；边缘传感器的靶标为平面反射镜，其中两个边缘传感器的主体安装在被测面板相邻两边的边缘，平面反射镜靶标分别安装在与主体相对应的面板边缘上，也就是与被测面板相邻两边所对应的面板边缘上；根据天线面板的分区确定区域内起始环面板上边缘传感器的平面反射镜靶标安装在天线的环梁上，起始列面板上边缘传感器的平面反射镜靶标安装在天线辐射梁上。所述步骤(3)中，实时采集服役载荷作用下天线面板上边缘传感器测得的角度值：{θ}，所述步骤(4)按如下过程进行：(4a)确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和环梁上的面板为第一块面板，定为面板(1,1)；(4b)以反射面天线的顶点为原点，建立大地坐标系，天线面板处于理想位置时，面板上任意一点的坐标满足方程x2+y2＝4fz；式中，f为焦距；(4c)已知在三维空间中，有罗德里格旋转公式：vrot＝cosθv+(1-cosθ)(v·n0)n0+sinθ(n0×v)式中，v是一个三维空间向量，n0是旋转轴的单位方向向量，θ是右手螺旋定则下v绕旋转轴n0旋转的角度，vrot是旋转后的向量；将v和n写为列向量v＝(vxvyvz)T，n0＝(n0xn0yn0z)T，可将罗德里格旋转公式写成矩阵形式，表示为：vrot＝Rv；式中，设在大地坐标系下，面板上任意一点理想坐标为P(x,y,z)，旋转后位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)确定反射面天线结构参数、面板分块方案及桁架结构；确定天线面板分区及每个区域内面板环数M和面板列数N；(2)确定边缘传感器的主体和靶标的安装位置；(3)实时采集天线反射面板上边缘传感器测得的角度值；(4)根据边缘传感器的主体和靶标的安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和环梁上的面板为第一块面板，定为面板(1,1)；提取面板(1,1)变形的两个绝对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置和旋转矩阵，计算面板(1,1)的实际位置姿态；(5)根据边缘传感器的靶标的安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和面板(m‑1,1)上的面板编号为(m,1)；提取面板(m,1)变形的绝对角度信息和相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(m‑1,1)的实际位置姿态和旋转矩阵，计算面板(m,1)的实际位置姿态；(6)根据确定的每个区域内面板环数M，判断m＝M是否成立，即是否该列最后一块面板计算完毕，若满足，则停止计算，并得到该列所有面板的实际位置姿态；若不满足，令m＝m+1转至步骤(5)继续计算；(7)根据边缘传感器的靶标安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在环梁和面板(1,n‑1)上的面板编号为(1,n)；提取面板(1,n)变形的绝对角度信息和相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(1,n‑1)的实际位置姿态和旋转矩阵，计算面板(1,n)的实际位置姿态；(8)根据确定的面板列数N，判断n＝N是否成立，即是否该环最后一块面板计算完毕，若满足，则停止计算，并得到该环所有面板的位置姿态；若不满足，令n＝n+1转至步骤(7)继续计算；(9)重新取变量n＝2；(10)重新取变量m＝2；(11)根据边缘传感器的靶标安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在面板(m‑1,n)和面板(m,n‑1)上的面板编号为(m,n)；提取面板(m,n)变形的两个相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(m‑1,n)和面板(m,n‑1)的实际位置姿态以及旋转矩阵，计算面板(m,n)的实际位置姿态；(12)判断m＝M是否成立，若满足进行下一步骤(13)；若不满足，令m＝m+1转至步骤(11)继续计算；(13)判断n＝N是否成立，若满足进行下一步骤(14)；若不满足，令n＝n+1转至步骤(10)继续计算；(14)由步骤(4)到步骤(13)可得到天线一个区域内所有面板的位姿，进而依照同样的方法得到天线所有面板的位姿。...

【技术特征摘要】
1.基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)确定反射面天线结构参数、面板分块方案及桁架结构；确定天线面板分区及每个区域内面板环数M和面板列数N；(2)确定边缘传感器的主体和靶标的安装位置；(3)实时采集天线反射面板上边缘传感器测得的角度值；(4)根据边缘传感器的主体和靶标的安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和环梁上的面板为第一块面板，定为面板(1,1)；提取面板(1,1)变形的两个绝对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置和旋转矩阵，计算面板(1,1)的实际位置姿态；(5)根据边缘传感器的靶标的安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和面板(m-1,1)上的面板编号为(m,1)；提取面板(m,1)变形的绝对角度信息和相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(m-1,1)的实际位置姿态和旋转矩阵，计算面板(m,1)的实际位置姿态；(6)根据确定的每个区域内面板环数M，判断m＝M是否成立，即是否该列最后一块面板计算完毕，若满足，则停止计算，并得到该列所有面板的实际位置姿态；若不满足，令m＝m+1转至步骤(5)继续计算；(7)根据边缘传感器的靶标安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在环梁和面板(1,n-1)上的面板编号为(1,n)；提取面板(1,n)变形的绝对角度信息和相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(1,n-1)的实际位置姿态和旋转矩阵，计算面板(1,n)的实际位置姿态；(8)根据确定的面板列数N，判断n＝N是否成立，即是否该环最后一块面板计算完毕，若满足，则停止计算，并得到该环所有面板的位置姿态；若不满足，令n＝n+1转至步骤(7)继续计算；(9)重新取变量n＝2；(10)重新取变量m＝2；(11)根据边缘传感器的靶标安装位置，确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在面板(m-1,n)和面板(m,n-1)上的面板编号为(m,n)；提取面板(m,n)变形的两个相对角度信息，基于这两个角度信息，得到两个旋转矩阵；根据面板的理想位置、面板(m-1,n)和面板(m,n-1)的实际位置姿态以及旋转矩阵，计算面板(m,n)的实际位置姿态；(12)判断m＝M是否成立，若满足进行下一步骤(13)；若不满足，令m＝m+1转至步骤(11)继续计算；(13)判断n＝N是否成立，若满足进行下一步骤(14)；若不满足，令n＝n+1转至步骤(10)继续计算；(14)由步骤(4)到步骤(13)可得到天线一个区域内所有面板的位姿，进而依照同样的方法得到天线所有面板的位姿。2.根据权利要求1所述的基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，其特征在于，所述步骤(1)中，确定大口径天线反射面结构参数包括反射面口径及焦距；确定面板分块方案包括天线反射面面板总数量、反射面面板环数和面板列数；确定桁架结构包括天线主辐射梁及环梁的结构；确定天线面板分区包括将天线面板按辐射梁和环梁方向划分为若干个区域。3.根据权利要求1所述的基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中，被测面板上安装有两个边缘传感器；边缘传感器的靶标为平面反射镜，其中两个边缘传感器的主体安装在被测面板相邻两边的边缘，平面反射镜靶标分别安装在与被测面板相邻两边所对应的面板边缘上；根据天线面板的分区确定区域内起始环面板上边缘传感器的平面反射镜靶标安装在天线的环梁上，起始列面板上边缘传感器的平面反射镜靶标安装在天线辐射梁上。4.根据权利要求1所述的基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，其特征在于，所述步骤(3)中，实时采集服役载荷作用下天线面板上边缘传感器测得的角度值：{θ}，5.根据权利要求1所述的基于边缘传感器的大口径天线面板位置姿态实时计算方法，其特征在于，所述步骤(4)按如下过程进行：(4a)确定天线面板上边缘传感器的靶标安装在辐射梁和环梁上的面板为第一块面板，定为面板(1,1)；(4b)以反射面天线的顶点为原点，建立大地坐标系，反射面天线面板处于理想位置时，面板上任意一点的坐标满足方程x2+y2＝4fz；式中，f为焦距；(4c)已知在三维空间中，有罗德里格旋转公式：vrot＝cosθv+(1-cosθ)(v·n0)n0+sinθ(n0×v)式中，v是一个三维空间向量，n0是旋转轴的单位方向向量，θ是右手螺旋定则下v绕旋转轴n0旋转的角度，vrot是旋转后的向量；将v和n写为列向量v＝(vxvyvz)T，n0＝(n0xn0yn0z)T，可将罗德里格旋转公式写成矩阵形式，表示为：vrot＝Rv；设在大地坐标系下，面板上任意一点理想坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：王从思，雷婷，严粤飞，王艳，连培园，薛松，许谦，王娜，张洁，项斌斌，段玉虎，杜彪，
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