阅读说明：本技术 一种高精度伞状天线型面评价方法 (High-precision umbrella-shaped antenna profile evaluation method ) 是由 王波 马小飞 李欢笑 师甜 陈国辉 华岳 刘婷婷 张成林 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：一种高精度伞状天线型面评价方法,属于天线技术领域。本发明方法主要分为三步：对高精度伞状天线型面误差进行分配,将型面误差分为设计及制造误差、测量误差、型面展开重复误差和热变形误差；对天线地面误差进行计算评价,分别计算设计及制造误差、型面测量误差、重复展开误差、热变形误差,得到天线最终地面型面精度；对天线在轨型面进行预示,根据地面试验及有限元仿真,对天线在轨型面进行预测。本发明方法是对天线型面精度进行分配计算,得到满足任务指标的天线型面精度,同时,可以指导天线在地面装配调试及在轨型面预测。型面精度是评价天线的重要指标,利用该方法可以对高精度伞状天线型面进行评价,具有重要的应用价值。(A high-precision umbrella-shaped antenna profile evaluation method belongs to the technical field of antennas. The method of the invention is mainly divided into three steps: distributing the profile errors of the high-precision umbrella-shaped antenna, and dividing the profile errors into design and manufacturing errors, measurement errors, profile unfolding repetition errors and thermal deformation errors; calculating and evaluating the ground errors of the antenna, and respectively calculating design and manufacturing errors, profile measurement errors, repeated expansion errors and thermal deformation errors to obtain the final ground profile accuracy of the antenna; and predicting the on-track profile of the antenna according to ground tests and finite element simulation. The method of the invention is to carry out distribution calculation on the antenna profile precision to obtain the antenna profile precision meeting the task index, and can guide the antenna to be assembled and debugged on the ground and the on-track profile prediction. The profile accuracy is an important index for evaluating the antenna, and the method can be used for evaluating the profile of the high-accuracy umbrella-shaped antenna and has important application value.)

一种高精度伞状天线型面评价方法

技术领域

本发明涉及一种高精度伞状天线型面评价方法，属于天线技术领域。

背景技术

由于航天科学技术的不断进步，载人航天、深空探测等航天活动对星载天线反射器提出了更高的要求，如更大口径、高型面精度、高收纳比、质量较轻等。当前，大型星载网状天线的应用越加广泛，型面精度成为了评价天线性能的重要指标之一，但对于网状天线的型面评价方法仅仅考虑了在地面设计及制造误差，对于测量误差、重复展开误差、热变形误差及在轨型面预示并没有统一的评价标准。

根据网状天线的特点，如果能形成一套完整的网状天线型面评价体系，对于评价网状天线型面具有重要意义。结合网状理论设计及制造误差，同时考虑测量误差、重复展开误差、地面热变形误差及在轨型面误差的计算依据，形成一套完整的网状天线型面评价体系，既考虑地面生产制造时网面型面调整值，又兼顾天线在轨时型面误差预示，将对于判断网状天线型面及在轨运行具有重要的指导作用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度伞状天线型面评价方法，结合网状理论设计及制造误差，同时考虑测量误差、重复展开误差、地面热变形误差及在轨型面误差的计算依据，形成一套完整的网状天线型面评价体系，既考虑地面生产制造时网面型面调整值，又兼顾了天线在轨时型面误差预示。

本发明的技术解决方案是：一种高精度伞状天线型面评价方法，包括如下步骤：

确定伞状天线型面评价要素，分别计算各个评价要素的评价值，在伞状天线发射入轨前，在地面进行测试和计算，得到伞状天线型面的地面评价值；

伞状天线在轨运行后，对伞状天线在轨型面热变形误差进行预测，得到伞状天线型面的在轨热变形误差值；

判断所述地面评价值和在轨热变形误差值是否满足预设指标要求；若两者均满足，则伞状天线型面合格；反之，则伞状天线型面不合格。

进一步地，所述伞状天线型面评价要素包括制造误差、测量误差、型面展开重复误差和热变形误差。

进一步地，制造误差的测试方法为：

分别测量口面朝上和口面朝下的伞状天线的网面节点数据，得到由天线地面设计制造误差导致的零重力型面数据；

选取若干个所述零重力型面数据对应的点Z向坐标与对应的理论型面点Z向坐标比较，得到设计制造误差。

进一步地，所述制造误差为

其中，z_ll为理论型面点Z向坐标，z_i为零重力型面数据对应的点Z向坐标，n为选取点Z向坐标的个数。

进一步地，所述测量误差为根据测量设备确定的固定值。

进一步地，型面展开重复误差的测试方法为：

测量伞状天线口面朝上的卸载状态下的天线型面坐标，与天线型面理论坐标比较，得到测量型面误差；

进行N次测量，由N次测量型面误差计算型面展开重复误差。

进一步地，所述型面展开重复误差为

其中，N为测量次数，x_i为测量型面误差，μ为N次测量型面误差平均值。

进一步地，所述热变形误差为σ₄＝δ₂-δ₁；其中，δ₁为常温度工况下天线对应型面形态，δ₂为当天线在给定温度的环境下，对天线进行型面测量得到此时的型面形态。

进一步地，所述地面评价值为其中，σ₁、σ₂、σ₃和σ₄分别为制造误差、测量误差、型面展开重复误差和热变形误差。

进一步地，所述对伞状天线在轨型面热变形误差进行预测的方法为：

建立热变形仿真模型，根据伞状天线发射入轨前在地面进行的热变形测试，对仿真模型进行修正；

对伞状天线运行轨道进行温度场分析，得到伞状天线在轨全工况温度场分布，选取最差的在轨工况，作为仿真温度场进行仿真；

由最差的在轨工况下进行的仿真结果，得到对应温度场下的天线在轨热变形误差σ_zg，作为在轨热变形误差值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明根据网状天线自身的特点，可以实现网状天线在地面设计制造及调试时对其型面指标进行评价；

2、本发明提出的型面评价方法，可以对网状天线在轨工作时的型面进行预示，有效的给出了网状天线在轨工作时的性能指标，为天线长期在轨运行性能提供了判断依据。

附图说明

图1为本发明方法步骤流程示意图；

图2为本发明在轨型面预示流程示意图；

图3为本发明天线型面示意图；

图4为本发明天线网面示意图；

图5是本发明方法中Z向误差示意图。

具体实施方式

一种高精度伞状天线型面评价方法，如图1，包括如下步骤。

一、确定伞状天线型面评价要素，分别计算各个评价要素的评价值，在伞状天线发射入轨前，在地面进行测试和计算，得到伞状天线型面的地面评价值。

包括如下两个步骤

1、对天线型面误差进行分配。

所述伞状天线型面评价要素包括制造误差、测量误差、型面展开重复误差和热变形误差。

(1)设计及制造误差

如图3、4所示，指在进行天线型面设计时通过多个连续微小平面逼近理论曲面的线性近似误差和张力作用下的反枕误差，在天线在制造过程中，网状天线最终的型面成型是通过人工不断进行调整迭代实现的，调整过程中无法保证调整点完全处于理论位置，调整过程中引起的误差会最终引入到天线型面误差，这部分误差为制造误差，天线在地面进行设计及制造，上述两类型误差为天线设计及制造误差。

(2)测量误差：网状天线的型面测量一般采用摄影测量的方法，摄影测量的测量精度与被测物的大小、摄影距离、摄影基线、焦距和像元尺寸等诸多因素有关，由此引起的误差为测量误差。

(3)型面展开重复误差：指天线每次展开后型面精度之间的离散性误差。伞状天线是一种可收展的网状天线，其展开过程是通过展开机构实现的，由于展开机构中的间隙等因素的存在，导致天线每次展开后的状态不可完全重复、相互之间存在一定误差，该误差成为重复展开误差。

(4)热变形误差：天线在轨工作时需要经历空间高低温交变环境，在高低温环境下材料的热胀冷缩会引起零部件尺寸及索网张力发生变化，最终导致天线型面发生变化，该误差为热变形误差。

2、地面误差进行分析计算。

(1)如图5，天线在轨时是在无重力环境下工作的，在进行设计及制造误差评价时需获取无重力环境下的型面精度，而在地面制造及测试过程中是在重力环境下进行的，为了消除重力的影响，一般采用口面朝上和口面朝下两种状态下型面数据平均的方法获取无重力环境下的设计及制造型面误差。图5中，theoretic surface为理论型面，real surface为实际型面，point of measurement为测量点。

制造误差的测试方法为：分别测量口面朝上和口面朝下的伞状天线的网面节点数据，得到由天线地面设计制造误差导致的零重力型面数据；选取若干个所述零重力型面数据对应的点Z向坐标与对应的理论型面点Z向坐标比较，得到设计制造误差。

即测量得到的天线口面朝上和口面朝下的网面节点数据求均值来得到模拟零重力环境来得到设计及制造误差，零重力型面计算方法如下：

其中，x_i、y_i、z_i是消除重力影响后天线型面节点，x_u、x_d分别表示口面朝上和朝下测量的天线型面节点坐标。此时，零重力型面数据即为天线地面设计制造误的型面，其对应的理论型面数据为

其中，f为理论型面焦距。为了得到设计制造误差，将设计制造误差对应的点Z向坐标与理论型面对应点比较，得到设计制造误差计算如下：

其中z_ll为设计制造型面节点x_i、y_i对应的理论型面坐标。

(2)型面展开重复误差评价时在天线口面朝上卸载状态下进行，一般要求展开次数N不小于5次，测量每次展开状态下天线型面坐标，得到每次测量的型面精度，取N组数据的均方差，既得到天线型面展开重复误差，计算方法如下：

其中，σ₃为天线重复展开精度，N为测量次数，x_i为每次测量型面误差，μ为N此型面误差测量结果平均值。

(3)型面展开重复误差的测试方法为：测量伞状天线口面朝上的卸载状态下的天线型面坐标，与天线型面理论坐标比较，得到测量型面误差；进行N次测量，由N次测量型面误差计算型面展开重复误差。

即天线热变形测试是通过测试不同工况下相对型面的变化量来反映对应工况下的型面热变形情况，具体计算方法为：

常温度工况下，天线对应型面形态δ₁，当天线在给定温度的环境下，对天线进行型面测量得到此时的型面形态为δ₂,则天线在给定温度环境下的型面误差计算如下：

σ₄＝δ₂-δ₁ (5)

(4)σ₂为测量误差，当测量设备确定后，该值为一定值。

综上，天线地面评价指标如下：

二、伞状天线在轨运行后，对伞状天线在轨型面热变形误差进行预测，得到伞状天线型面的在轨热变形误差值；

在轨型面预测流程如图2所示：

建立热变形仿真模型，根据伞状天线发射入轨前在地面进行的热变形测试，对仿真模型进行修正；

对伞状天线运行轨道进行温度场分析，得到伞状天线在轨全工况温度场分布，选取最差的在轨工况，作为仿真温度场进行仿真；

由最差的在轨工况下进行的仿真结果，得到对应温度场下的天线在轨热变形误差σ_zg，作为在轨热变形误差值。

三、判断所述地面评价值和在轨热变形误差值是否满足预设指标要求；若满足，则伞状天线型面合格；若不满足，则伞状天线型面不合格。

本发明的适用可衍生为空间可展开网状天线型面评价方法，以及类似形式的网状天线。

本发明的一个具体实施例。

选取焦距f为6m，口径D为4.5m的网状天线，(说明书附图3)天线肋18根，对其进行地面型面评价及在轨型面预测。

根据实际制作出的天线，主网调整点数量为2430个节点，并采用摄影测量的方法对其调整点进行测量，得到了主网口面朝上和口面朝下节点数据，通过上述公式计算的到设计制造误差型面节点数据x_i、y_i、z_i，根据设计制造误差公式

计算，得到σ₁＝0.35；采用选取的测量设备，其自身测量误差为一固定值，本次采用的测量设备误差σ₂＝0.07；在地面设计制造时，需要进行多次收拢展开，因此需要计算展开重复误差，本次测量进行了6次收拢展开，每次展开后测量对应的型面，根据展开重复误差计算公式，得到展开重复误差σ₃＝0.12；天线的试验温度为高温40℃，低温-20℃，既温差为60℃的条件下对天线进行型面计算，根据热变形误差计算公式，得到σ₄＝0.27，因此，天线地面评价值满足不大于0.5的指标要求。

根据在轨温度工况计算及仿真，得到在轨温度最差工况为高温60℃，低温-30℃，根据这一温度工况，对天线建模仿真，得到该工况下的天线变形量，该变形量是相对常温工况下的变形量，根据变形量，计算得到在轨预测型面σ_zg＝0.53，满足不大于0.6的在轨指标要求。

上述计算的地面型面及在轨型面预示值均满足指标要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。