专利名称：大型柔性射电望远镜天线多波束馈源自动切换及驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明属于机械领域，涉及柔性天线结构，具体地说是天线的多波束馈源自动切换装置及驱动装置，可用于大型柔性射电望远镜系统。
背景技术：
业内周知，天线馈源是射电望远镜系统中最重要的部分。射电望远镜工作时，通过抛物面天线反射，将射电信号汇聚于抛物面天线的焦点，由该焦点处的天线馈源接收射电信号，如图1。该图1所示的常规刚性射电望远镜结构示意图，由抛物反射面04、天线馈源02、刚性结构支架03组成，天线馈源02安装在抛物反射面04的焦点上接收抛物反射面04反射汇聚的射电信号。由于抛物反射面04的口径01比较小，观测的射电源频率范围也就相对较窄。
为了获得微弱的射电源的信号以及较宽频率范围的射电源的信号，需要增大反射面的口径以及在焦点处安装的更宽频带范围的接收馈源。但随着射电望远镜反射面的口径的增大与更宽频带范围的接收，使得射电望远镜的结构发生了根本性的改变，馈源的支撑已经不能依靠刚性结构实现；单一频段的接收馈源也不能满足观测的需要。因而，大型射电望远镜要独辟蹊径，必须采用柔性结构支撑馈源和多频段波束馈源来实现更大的反射面口径和更宽频带范围的射电信号接收。图2给出了柔性结构支撑天线馈源结构示意图，该柔性结构支撑馈源就是在天线的反射面05周围，竖立起一组高塔06，再用与支撑塔同样数量的钢索07经过支撑塔顶上的导向滑轮08连接于馈源舱09，钢索07的另一端连接至钢索驱动器010上，而多频段波束馈源可以根据需要安装在馈源舱09上。由于天线的反射面05可以设计为动态调整，所以反射面05的反射焦点也是可变的，因而，可使用钢索07驱动馈源舱运动，调整馈源舱在反射面的焦点上。为了更为精确地调整馈源的位置与姿态，在馈源舱内还可以安装精调平台，并将接收馈源安装在精调平台上。
由于一般天线馈源空间定位定姿运动是在较小范围内进行，其馈源的频率段相对较窄，因而使用单一馈源就可满足要求。这种单一馈源虽然结构简单、可靠，但最大的不足是不能实现较宽频率范围内的应用。目前，进行较宽频率段的接收时，是通过人工更换另一种频段的馈源，或使用不同的射电望远镜实现。但对于在很宽的频率范围内进行的天文观测来说，就必须设计新一代的大射电望远镜。根据天文观测等的要求，这一大射电望远镜的主要技术参数与指标要求如下1.球反射面的曲率半径为300m，球冠张角为120°，开口直径为500m，有效照明口径300m。
2.天空覆盖的最大观测天顶角Ψmax＝60°。
3.工作频率0.2GHz-8.8GHz，共分为九个频段。分别是0.20GHz--0.46GHz，0.46GHz--0.92GHz，0.92GHz--1.72GHz，1.72GHz--2.15GHz，2.15GHz--2.35GHz，2.80GHz--3.30GHz，4.50GHz--5.10GHz，5.70GHz--6.70GHz，8.00GHz--8.80GHz。
4.灵敏度9×GBT，5.4×VLA5.馈源的跟踪精度为4″(4mm)。
6.馈源的快动速度为10°/min。
实现这种新一代大射电望远镜的技术方案是采用大型柔性天线结构，即采用钢索实现馈源的位姿调整，如图3所示。进行天文观测时，由控制计算机按照所进行的观测发出钢索运动指令，钢索的运动指令通过硬件控制器作为指令的载体，控制着1-6#电机驱动器，1-6#电机驱动器则直接控制着1-6#机械驱动器，缠绕于1-6#机械驱动器上的1-6#钢索经过支撑塔顶上导向滑轮驱动馈源舱在空间作扫描运动。
由于这种望远镜的口径大，工作频率高，依靠调整钢索长度难以在大范围实现馈源精确的位置与姿态控制。因而，在馈源舱内安装了六自由度并联机构，且将馈源安装在六自由度并联机构的下平台上，用六自由度并联机构实时补偿馈源的动态跟踪定位误差，实现馈源的精确定位定姿。
同时由于望远镜在工作中会受到多种因素的干扰，馈源的实际位置必然会偏离其理论位置，为此，需要在地面上布置激光目标位姿检测仪，即跟踪式激光全站仪，实时检测并反馈馈源的实际位置与姿态，接收被处理后的馈源的实际位置与姿态信息后，控制计算机按照控制算法通过调整钢索长度，同时，它也控制六自由度并联机构的电气控制器，驱动六自由度并联机构的运动，使馈源的位置与姿态终处在允许的误差范围内。
由于这种大型柔性天线的最高工作频率高达8.8GHz，对馈源的定位精度提出了非常高的要求，仅仅依靠调整钢索长度难以达到定位精度。为此，采用了粗调与精调相结合的两级控制方法，用六自由度并联机构作为馈源的精调平台，实时补偿馈源的动态跟踪定位误差，其天线结构如图4。其中馈源舱6由六根悬索1悬吊于空中，均布于直径约500m的圆周5上，高度约为250m，且该六根悬索1依次交替均匀地布置于半球形馈源舱6的舱顶和舱沿；立柱3上的六个导向滑轮2和地面上的滑轮机构11连至各自的驱动器4上；下拉索7的作用是为了改善钢索馈源舱系统刚度。为了实现馈源的高精度定位，将六自由度并联机构8固定于馈源舱6上，六自由度并联机构8的下平台9上安装着多波束点馈源，以实现较宽频率范围内的应用。因此，在大型柔性天线结构中，由于馈源的多频段，不像单一频段馈源那样简单，需要使用多波束点馈源的专门切换机构及方法，而如何设计多波束点馈源的切换机构及方法，使此频段的馈源调整到天线反射面的反射焦点上，获得最大的信号反射，是现有大型柔性天线急切要解决的问题。
发明的内容本发明的目的是针对天文观测使用大型柔性天线需要较宽频率的要求，提供了一种多波束馈源自动切换及驱动装置，将多频段馈源分时切换调整到天线反射面的反射焦点上，获得各频段馈源的最大射电信号，使得在一个信号焦点，可以进行较宽频率范围内的天文观测，并通过驱动装置解决大型柔性天线悬索的正常驱动问题。
实现本发明目的的技术方案是对传统单一馈源进行改进，在大型或巨型射电望远镜中，根据天文观测的需要采用了多个频段的馈源轮流工作，实现大型柔性天线较宽频率范围内的馈源应用。其技术关键之一是设计专门的多波束馈源自动切换装置与方法；技术关键之二是设计悬索驱动装置，以保证整个大型柔性天线的可靠工作。
本发明的多波束馈源自动切换装置安装在大型柔性天线馈源舱内六自由度并联机构的下平台，即精调平台上，该自动切换装置包括旋转平台、多波段馈源、中空支撑轴承、多波段馈源控制器，该多波段馈源均布于旋转平台上，通过中空支撑轴承支撑，相对精调平台可以转动，通过多波段馈源控制器切换任一个波段的馈源，将其调节到精调平台中心处，可获得最大的射电信号反射，以实现在一个信号焦点上对较宽频率范围内的天文观测。
上述多波段馈源均布于旋转平台上，是在360度范围内，每40度布置一个波段的馈源，这些波段馈源的分布圆心与旋转平台的圆心重合，该分布圆的半径为R。
上述旋转平台的轴上通过中空支撑轴承，固接有被动同步带轮或齿轮，该被动同步带轮或齿轮经主动同步带轮或齿轮连接到伺服电机及减速装置，驱动旋转平台旋转。
本发明利用上述的多波束馈源自动切换装置进行多波束馈源自动切换的方法，按如下过程进行(1)根据天文观测的需要，由大型柔性天线的总控制计算机发出调整馈源波段的指令；(2)波段馈源控制器接收到总控制机的指令后，按照设计好的控制算法，通过电气驱动器，控制机械执行器运动，即电气驱动器中电机的运动经过减速及主动、被动同步带轮或齿轮，带动空心轴承上的旋转平台旋转；(3)在旋转的过程中，同时使用检测装置实时检测馈源的实际置，并将此信息处理传回波段馈源控制器，进行闭环控制，将旋转平台上对应的馈源旋转到六自由度并联机构的下平台的中心；(4)将检测到的馈源的实际位置及波段馈源控制器的执行进度与状态，反馈给大型柔性天线的总控制计算机，重复过程(1)。
上述多波束馈源自动切换的方法，其中所述的将旋转平台上对应的馈源旋转到六自由度并联机构的下平台的中心，是按照40度的旋转控制，将多个频段馈源分时切换调整到天线反射面的反射焦点上，实现在一个信号焦点上可获得较宽频率范围的射电信号反射，满足天文观测的需要。
本发明的驱动装置，是由多个结构相同的驱动器组成，其中每个驱动器均包括伺服电机、弹性联轴器、减速器、二级联轴器、轴承座、卷筒机、底部机架，该伺服电机的输出经弹性联轴器连接至减速器的输入轴，该减速器的输出轴由二级联轴器通过轴承座与卷筒机相连，所有部件通过底部机架连接并固定到地基上。
上述驱动装置，其中所述的减速器输入端加设制动器，以在掉电时自动锁死整个机械系统。
上述驱动装置，其中所述伺服电机的转动经减速器的减速，驱动卷筒旋转。
本发明由于采用多波束馈源自动切换机构，通过控制波段馈源控制器，使多个频段馈源分时切换调整到天线反射面的反射焦点上，即将所需的馈源调整到六自由度并联机构的下平台的中心处，实现了在一个信号焦点上对较宽频率范围内的天文观测；同时由于本发明采用多个结构相同的驱动器，使得在控制、维护保养等方面变得简单可靠，而且由于这些驱动器所采用的伺服电机为数字化的交流伺服电机，因而可以方便计算机实现数字化的控制。
实测表明，本发明实际定位精度达到4mm，实现了馈源在空间大范围内的精确定位与定姿，满足了预定的定位精度要求。
图1是常规刚性的射电望远镜结构示意2是柔性支撑的天线结构示意3是大型柔性射电望远镜天线控制原理方框4是大型柔性射电望远镜天线结构示意5是本发明多波束馈源自动切换机构主视结构示意6是本发明多波束馈源自动切换机构俯视结构示意7是本发明馈源切换控制原理方框8是本发明的驱动器结构示意图具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
本发明用于图4所示的大型柔性射电望远镜天线结构中，该天线布置在直径为500m的圆周上、高度为250m的圆柱范围。本发明主要解决该柔性天线结构中多频段波束馈源自动切换问题和钢索的驱动问题，以实现天文观测使用大型柔性天线需要较宽频率的要求。为此采用了图5、图6、图7所示的多频段波束馈源自动切换装置与方法，并采用了图8所示的驱动器。本发明的多频段波束馈源自动切换装置10安装在图4所示的六自由度并联机构8的下平台上，即精调平台9上。本发明的钢索驱动器4共有六个，分别经图4所示的立柱3上的六个导向滑轮2和地面滑轮机构11驱动馈源舱运动。
参照图5和图6，本发明的多波束馈源自动切换装置10由多波段馈源13、旋转平台14、旋转平台的轴16、馈源信号线17、驱动电机18、被动同步带轮或齿轮19、减速装置20、中空支撑轴承21、主动同步带轮或齿轮22组成。该多波段馈源13采用九个不同频段的多波束点馈源，其工作频率为0.2GHz-8.8GHz，这些不同频段的馈源均布于圆形的旋转平台14上，即在360度范围内，每40度布置一个波段的馈源13，九个波段馈源13的分布圆心与旋转平台14的圆心重合，其分布圆的半径为R。该旋转平台14通过中空支撑轴承21连接到精调平台9上，中空支撑轴承21的中心距精调平台9的中心也为九波段馈源13的分布圆半径R。旋转平台14由于受中空支撑轴承21的支撑，可以相对精调平台9绕旋转平台的轴16沿正反方向12转动。该九频段馈源信号线17通过中空支撑轴承21连接到图4所示的馈源舱6内。该旋转平台14的轴16上固接有被动同步带轮或齿轮19，并经主动同步带轮或齿轮22连接到减速装置20及驱动电机18，受减速装置20及驱动电机18的驱动，旋转平台14旋转。旋转时，根据天文观测的需要，按照40度的旋转控制，切换不同的频段馈源13，将其调整到六自由度并联机构8的下平台9的中心处，即该九频段馈源根据天文观测的需要轮流工作，就可实现宽频范围内的应用。该六自由度并联机构下平台9的平台中心处为大型柔性射电望远镜天线反射面的反射焦点，无论进行哪个频段的天文观测，均需要将此频段的馈源调整到该平台的中心处，即大型柔性天线反射面的反射焦点上，才能获得最大的信号反射，为此，该不同的频段的九个馈源13被分时切换调整到天线反射面的反射焦点上，则可以获得最大的射电信号反射，以实现在一个信号焦点上对较宽频率范围内的天文观测。
参照图7，本发明进行多波束馈源自动切换的方法，是将九个波段馈源13均布于圆形的旋转平台14上，根据天文观测的需要，由控制软硬件实现自动切换。其具体过程如下第一步，由大型柔性射电望远镜天线总控制计算机发出调整馈源波段的指令；第二步，波段馈源控制器接收到总控制机的指令后，按照设计好的控制算法，通过电气驱动器，控制机械执行器运动，即电气驱动器中电机的运动经过减速及主动、被动同步带轮或齿轮，带动空心轴承上的旋转平台旋转；第三步，在旋转平台旋转的过程中，同时使用检测装置实时检测馈源的实际位置；第四步，将检测馈源的实际位置信息处理后，传回波段馈源控制器，实现闭环控制；第五步，将旋转平台上对应的馈源旋转到六自由度并联机构的下平台的中心处，即波段馈源的目标位置；第六步，与此同时，将检测到的馈源的实际位置及波段馈源控制器的执行进度与状态，反馈给大型柔性天线总控制计算机，使主控计算机能够了解其下位机，即波段馈源控制器及波段馈源的实际位置。
参照图8，本发明的在大型柔性射电望远镜天线结构六根悬索1中使用的驱动是由六个驱动器4完成的。该六个驱动器4具有相同的结构，均由伺服电机23、制动器24、弹性联轴器25、减速器26、二级联轴器27、轴承座28、卷筒机29、底部机架30主要部件组成。其中，伺服电机23的输出经弹性联轴器24连接至减速器26的输入轴，而减速器26的输出轴则通过二级联轴器27经轴承座28与卷筒机29相连。由于机器在运行时，突然的掉电有可能造成意外的安全伤害事故，故在减速器的输入端加设制动器24，在掉电时自动锁死整个机械系统，避免意外事故的发生。伺服电机23的转动经减速器26的减速，驱动卷筒29旋转。所有这些部件通过底部机架30连接起来，再固定到地基上。缠绕在卷筒机29上的悬索1经由地面上的滑轮机构11和立柱3上的导向滑轮2拖动馈源舱6在其运动范围内运动，如图4。
本发明的效果可通过如下测试结果说明
使用三台动态激光全站仪，在馈源舱运动中，切换馈源，实时测量安装于多波束馈源自动切换机构的旋转平台14上的三个靶标与对应激光全站仪之间的距离，三组距离值传回到计算机后，经坐标转换，计算出频段馈源的实际空间位置并将其与设定值比较于表1。
表1测试数据
从表1的测试数据可见，本发明实际定位精度达到要求的4mm，满足预定的定位精度要求。
本发明多波束馈源自动切换装置的多波段馈源13不限于实施例中的九个频段，对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容后，都可能在不背离本发明技术方案的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1.一种大型柔性射电望远镜天线的多波束馈源自动切换装置，安装在馈源舱内六自由度并联机构的下平台上，即精调平台(9)上，其特征在于该切换装置包括旋转平台(14)、多波段馈源(13)、中空支撑轴承(21)、波段馈源控制器，该多波段馈源(13)均布于旋转平台(14)上，通过中空支撑轴承(21)支撑，相对精调平台(9)可以转动，通过多波段馈源控制器切换任一个波段的馈源，将其调节到精调平台(9)的中心处，可获得最大的射电信号反射，以实现在一个信号焦点上对更宽频带范围的射电信号接收。
2.根据权利要求1所述的多波束馈源自动切换装置，其特征在于多波段馈源(13)均布于旋转平台(14)上，是在360度范围内，每40度布置一个波段的馈源，这些波段馈源(13)的分布圆心与旋转平台(14)的圆心重合，该分布圆的半径为R，即中空支撑轴承(21)的中心与旋转平台(14)中心之间的距离。
3.根据权利要求1所述的多波束馈源自动切换装置，其特征在于旋转平台(14)的中心轴(16)上，通过中空支撑轴承(21)固接有被动同步带轮或齿轮(19)，该被动同步带轮或齿轮(19)经主动同步带轮或齿轮(22)连接到减速装置(20)及驱动电机(18)上，由驱动电机(18)驱动旋转平台(14)旋转。
4.利用权利要求1进行多波束馈源自动切换装置进行多波束馈源自动切换的方法，按如下过程进行(1)根据天文观测的需要，由大型柔性天线的总控制计算机发出调整馈源波段的指令；(2)波段馈源控制器接收到总控制机的指令后，按照设计好的控制算法，通过电气驱动器，控制机械执行器运动，即电气驱动器中驱动电机的运动经过减速及主动、被动同步带轮或齿轮，带动空心轴承上的旋转平台旋转；(3)在旋转的过程中，同时使用检测装置实时检测馈源的实际位置，并将此信息处理传回波段馈源控制器，实现闭环控制，将旋转平台上对应的馈源旋转到精调平台(9)的中心；(4)将检测到的馈源的实际位置及波段馈源控制器的执行进度与状态，反馈给大型柔性天线的总控制计算机，重复过程(1)。
5.根据权利要求4所述的多波束馈源自动切换的方法，其特征在于将旋转平台上对应的馈源旋转到精调平台(9)的中心，是按照40度的旋转控制，将多个频段馈源分时切换调整到天线反射面的反射焦点上，实现在一个信号焦点上可获得较宽频率范围的射电信号反射，满足天文观测的需要。
6.一种大型柔性天线的驱动装置，是由多个结构相同的驱动器组成，其特征在于每个驱动器均包括伺服电机(23)、弹性联轴器(25)、减速器(26)、二级联轴器(27)、轴承座(28)、卷筒机(29)、底部机架(30)，该伺服电机(23)的输出经弹性联轴器(25)连接至减速器(26)的输入轴，该减速器(26)的输出轴由二级联轴器(27)通过轴承座(28)与卷筒机(29)相连，所有部件通过底部机架(30)连接并固定到地基上。
7.根据权利要求6所述的驱动装置，其特征在于减速器的输入端加设制动器(24)，以在掉电时自动锁死整个机械系统。
8.根据权利要求6所述的驱动装置，其特征在于伺服电机(23)的转动经减速器(26)的减速，驱动卷筒(29)旋转。
全文摘要
本发明公开了一种涉及大型柔性天线结构中的多波束馈源自动切换装置及驱动装置，主要解决天文观测使用大型柔性天线需要较宽频率的问题。该多波束馈源自动切换装置10主要由旋转平台14、多波段馈源13、中空支撑轴承21组成，多波段馈源13均布于旋转平台14上，通过中空支撑轴承21的支撑，相对精调平台9可以转动，切换任一个波段的馈源将其调节到精调平台的中心处，可实现在一个信号焦点上对更宽频带范围的射电信号接收。该驱动装置主要由伺服电机23、弹性联轴器25、减速器26、二级联轴器27、轴承座28、卷筒机29组成，所有部件通过底部机架30连接并固定到地基上。本发明具有频率范围宽的优点，可用于大型柔性天线结构及大型射电望远镜系统。
文档编号G05D3/00GK1909285SQ20061010500
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月14日 优先权日2006年8月14日
发明者段宝岩, 仇原鹰, 赵泽 申请人:西安电子科技大学