降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的设计方法技术

本发明专利技术公开了降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的设计方法，包括以下内容：S1、采用在展开臂关节节点局部坐标系下间隙对单节展开臂指向误差的数理关系，构建考虑间隙影响时的误差传递矩阵，计算末节展开臂处于指向变换范围的上下边界，在全局坐标系下求出上网面的节点坐标；计算上网面的电性能参数，电性能参数数值，提取电性能参数的上下界，以建立间隙与电性能的区间关系模型；S2、选取展开臂的关键结构参数为设计变量，根据电性能参数，构造目标函数和约束函数，建立优化模型；S3、分析优化模型是否是多极值问题；并求解，得到展开臂的最优参数。解决了现有技术中的展开臂设计方法、无法抑制间隙对天线电性能造成恶化影响的问题。响的问题。响的问题。

【技术实现步骤摘要】
降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的设计方法


[0001]本专利技术属于卫星天线
，具体涉及降低展开臂关节间隙对网状天线电 性能影响的设计方法。

技术介绍

[0002]星载网状天线在朝大口径方向发展的同时，其性能很难满足设计需求，而运 动副间隙是制约其性能的主要因素之一。受整流罩尺寸的限制，天线口径越大， 引入的含间隙运动副个数就越多，这使得天线电性能受运动副间隙的影响也就越 大。由于展开臂的重复展开以及运动副形态的不确定性导致其间隙具有随机性， 间隙误差经展开臂逐级放大并累积至反射器，导致天线反射器的位形也具有随机 性，从而导致天线的指向精度和增益分布发生随机变化。极端情况下易导致天线 电性能发生恶化，甚至导致航天任务失败。
[0003]随着未来星载天线朝着高轻量化、高精度、大口径等方向发展，对于展开机 构的精度要求就越来越高。一方面缩小运动副间隙虽然可以提高天线电性能的稳 定性，但是其带来的摩擦阻力越不利于天线平稳顺利地展开；另一方面，间隙越 小对加工装配的精度要求很高，制造费用也就越高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的设计方 法，以解决现有技术中的展开臂设计方法、无法抑制间隙对天线电性能造成恶化 影响的问题。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的 设计方法，包括以下内容：
[0006]其基于一卫星，所述卫星通过展开臂连接至反射器，所述反射器包括上网 面和下网面，所述展开臂为铰接、串联的多个单节臂；
[0007]S1、建立全局坐标系O
‑
XYZ和展开臂关节节点局部坐标系C
i
‑
xyz；
[0008]采用在展开臂关节节点局部坐标系下间隙对单节展开臂指向误差的数理关 系，构建考虑间隙影响时的误差传递矩阵进而计算末节展开臂处于指向变 换范围的上下边界和C
n
，并在所述全局坐标系下求出上网面的节点坐标 和[X,Y,Z]；以上网面2的节点坐标为基准，计算上网面的电性能参数， 得到所述上网面的天线远区电场的电性能参数数值，并从中提取电性能参数的上 下界，以建立间隙与电性能的区间关系模型；
[0009]S2、选取展开臂的关键结构参数作为设计变量d，根据步骤S1得到的所述 电性能参数，构造目标函数和约束函数，建立优化模型；
[0010]S3、分析步骤S2中得到的优化模型是否是多极值问题；并选取对应算法求 解，得到所述展开臂的最优参数。
[0011]进一步的，步骤S1具体包括如下步骤：
[0012]步骤11：给定天线的焦点F在全局坐标系的坐标为[0,0,f]、口径为D、偏 置距离为d
′
、展开臂节数为n，上网面节点坐标[X,Y,Z]；
[0013]步骤12：依据展开臂关节节点局部坐标系C
i
‑
xyz下间隙对单节展开臂指向 误差的数理关系，其中i＝(0,1,K,n
‑
1)，计算仅考虑间隙情况下单节臂的指向变换 范围、转动误差及平动误差；
[0014]步骤13：将所述转动误差和平动误差带入坐标系之间的齐次坐标变换矩阵通过步骤11中的上网面节点坐标[X,Y,Z]计算出末节单节臂的指向变换范 围上下边界上网面节点坐标和[X,Y,Z]；
[0015]步骤14：通过所述上网面节点坐标和[X,Y,Z]，计算天线远区电 场的电性能参数数值，并从中提取电性能参数的上下界，所述电性能参数的上下 界包括：增益上界增益下界G、指向精度上界和指向精度下界P，并建立 间隙与电性能的区间关系模型，如下：
[0016][0017][0018]其中，G为天线增益，P为天线指向精度。
[0019]进一步的，步骤2中的设计变量包括：多节展开臂关节的间隙c
i
、第i节单 节臂与第i+1节单节臂铰链机构的锁定连杆铰链机构的轴套外径和 铰链机构的销轴圆心C
′
i
与第i+1节单节臂锁定连杆凹槽处M
i+1
的长度以及 每节展开臂的预安装角度误差
[0020]进一步的，步骤2具体包括如下内容：
[0021]步骤21：根据步骤14中得到的间隙与电性能的区间关系模型，采用蒙特卡 洛方法设计出m种展开臂构型，其中k＝(1,K,m)，令P
k
(d)和G
k
(d)表示第k个构 型的电性能指标中增益和指向精度，其总体变化区间表示为：
[0022][0023]其中，P
k
为第k个构型指向精度下限值，为第k个构型指向精度上限值，G
k
为第k个构型增益下限值，为第k个构型增益上限值；
[0024]再得到上述电性能不同参数的变化区间，构建指向精度和增益的目标函数分 别得到Γ1(d)和Γ2(d)，记为公式C1：
[0025][0026]对公式C1的目标函数分别进行处理分别得到和记为公式C2：
[0027][0028]引入权重因子α1和α2，构建归一化的目标函数得到记为公式C3：
[0029][0030]步骤22：将设计变量d的下界和上界分别记为d
L
和d
U
，构建其为约束函数；
[0031]步骤23：以关节间隙c
i
、展开臂关节机构影响单节臂指向误差的杆长和及展开臂预安装角度误差为设计变量，以公式C3为目标函数，对上 述变量增加上下约束，建立如下优化模型PI：
[0032]Find
[0033]Min
[0034]S.T.d
L
≤d≤d
U
。
[0035]本专利技术的有益效果是：本专利技术选取展开臂关键结构参数作为设计变量d，根 据步骤一得到的天线电性能指标，构造目标函数和约束函数，建立优化设计的数 学模型；分析优化模型的特征，并选取对应算法对其进行求解，得到最优设计变 量值，即最优展开臂参数值；从而建立降低随机性间隙对天线电性能影响的优化 设计模型，以确保天线电性能在间隙影响下依然满足工作要求。
附图说明
[0036]图1是本专利技术的流程示意图；
[0037]图2
‑
1是本专利技术的结构示意图；图2
‑
2是对图2
‑
1进行参数标记的示意图；
[0038]图3是本专利技术中展开关节的局部坐标系示意图；
[0039]图4是本专利技术中存在关节间隙时展开臂可达空间在全局坐标系中的示意图。
[0040]其中，1.展开臂，2.上网面，3.下网面，4.反射器，5.卫星。
具体实施方式
[0041]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0042]本专利技术提供了一种降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的设计方法， 如图2
‑
1所示，其基于一卫星5，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的设计方法，其特征在于，包括以下内容：其基于一卫星(5)，所述卫星(5)通过展开臂(1)连接至反射器(4)，所述反射器(4)包括上网面(2)和下网面(3)，所述展开臂(1)为铰接、串联的多个单节臂；S1、建立全局坐标系O
‑
XYZ和展开臂关节节点局部坐标系C
i
‑
xyz；采用在展开臂关节节点局部坐标系下间隙对单节展开臂指向误差的数理关系，构建考虑间隙影响时的误差传递矩阵进而计算末节展开臂处于指向变换范围的上下边界和C
n
，并在所述全局坐标系下求出上网面(2)的节点坐标和[X,Y,Z]；以上网面(2)的节点坐标为基准，计算上网面(2)的电性能参数，得到所述上网面(2)的天线远区电场的电性能参数数值，并从中提取电性能参数的上下界，以建立间隙与电性能的区间关系模型；S2、选取展开臂的关键结构参数作为设计变量d，根据步骤S1得到的所述电性能参数，构造目标函数和约束函数，建立优化模型；S3、分析步骤S2中得到的优化模型是否是多极值问题；并选取对应算法求解，得到所述展开臂的最优参数。2.如权利要求1所述的降低展开臂关节间隙对网状天线电性能影响的设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：步骤11：给定天线的焦点F在全局坐标系的坐标为[0,0,f]、口径为D、偏置距离为d
′
、展开臂节数为n，上网面节点坐标[X,Y,Z]；步骤12：依据展开臂关节节点局部坐标系C
i
‑
xyz下间隙对单节展开臂指向误差的数理关系，其中i＝(0,1,K,n
‑
1)，计算仅考虑间隙情况下单节臂的指向变换范围、转动误差及平动误差；步骤13：将所述转动误差和平动误差带入坐标系之间的齐次坐标变换矩阵通过步骤11中的上网面节点坐标[X,Y,Z]计算出末节单节臂的指向变换范围上下边界上网面节点坐标和[X,Y,Z]；步骤14：通过所述上网面节点坐标和[X,Y,Z]，计算天线远区电场的电性能参数数值，并从...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗亚雳，史文璐，张铎，李帅鹏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：