面向天线指向大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线技术领域，具体是一种面向天线指向的大型变形抛物面天线面板 移动拟合调整方法，用于主动调整大型变形抛物面天线的反射面面板位置，使天线综合性 能达到最优。
【背景技术】
[0002] W接收功能为主的大型面天线，必须建造得既大又好，"大"，意味着有大口径和大 聚集面积，可W接收更强信号，从并观测太空微弱源；"好"，意味着有较精确的反射面表面 和较高的指向精度，从而实现射电望远镜"看得远、看得清、看得准"。面对射电望远镜大口 径、高频段的发展趋势，在复杂环境中服役的大型天线受到自重、溫度和风荷等因素影响下 会产生结构变形，并且服役过程中天线进行俯仰方位转动，天线表面形貌时变，另外还存在 制造、安装等随机误差，它们共同导致了天线结构变形，从而引起天线电性能恶化问题，例 如增益降低、副瓣抬高、指向偏转等。此时有必要对天线反射面的空间位置与几何形状进行 调整，即主动反射面调整，运是补偿天线电性能最有效的手段。
[0003] 目前国内外多部大型射电望远镜都已经采用了或即将采用主动反射面调整技术， 例如美国GBT、墨西哥LMT、意大利SRT、智利CCAT和中国天马望远镜。一些早年建造的大型天 线，例如德国1971年的Effelsberg 100米天线和美国1964年的化ys化Ck 37米天线，都于二 十世纪初将其副面升级为可变形副面。目前我国正在建设的FAST 500米天线和计划在新疆 建造的QTT 110米天线也将应用运一技术。可见面对大型抛物面天线的发展趋势，采用主动 反射面调整技术是大势所趋。在已有的一些与大型天线电性能补偿的相关专利中，比如西 安电子科技大学电子装备结构设计教育部重点实验室的专利申请号为201310393511.X，发 明名称为《一种变形大型单反射面天线的馈源位置补偿方法》，专利申请号为 201510114942.7,发明名称为《一种基于机电禪合的大型赋形双反射面天线的副面补偿方 法》，和专利申请号为201510548132.2,发明名称为《一种基于机电禪合的大型赋形双反射 面天线的指向调整方法》，它们都是基于传统的天线结构形式，分别通过移动馈源、副面到 最佳匹配位置，和通过天线整体方位俯仰转动调整的方法，保证天线工作指向，然而天线型 面仍然存在变形，无法弥补天线增益损失和口面效率低的问题，而且运些调整方法过程较 繁琐，在实际应用中已无法满足大型天线的工作性能补偿。
[0004] 因此，有必要基于天线主动反射面的结构设计形式和面板主动调整方法，根据天 线结构和面板的重力变形信息，对其进行分析，进而得到抛物面的变形情况，然后根据天线 指向，确定反射面拟合均方根误差最小的目标曲面，从而计算得到变形抛物面面板的移动 拟合调整量，用于指导天线面板调整，进而提高天线综合性能，运一过程即为面向天线指向 的大型变形抛物面天线面板移动拟合调整方法。
【发明内容】
[0005] 针对W前调整方法存在的不足，本文发明了一种面向天线指向的大型变形抛物面 天线面板移动拟合调整方法，该方法针对大型变形抛物面天线，通过面板移动拟合调整方 法来改善天线综合性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供的调整方法包括如下步骤：
[0007] (1)根据大型抛物面天线的结构参数、工作频率及材料属性，确定天线结构方案及 促动器初始位置，在有限元力学分析软件中建立理想情况下天线结构有限元模型，并确定 促动器支撑面板节点；
[0008] (2)根据建立的理想情况下天线结构有限元模型，在有限元力学分析软件中对未 变形抛物面天线结构有限元模型施加重力载荷，计算天线结构自重变形，并提取天线变形 抛物面的节点信息；
[0009] (3)利用抛物面天线机电禪合模型，计算变形抛物面天线电性能，转至步骤(8);
[0010] (4)根据天线变形抛物面的节点信息，确定变形抛物面与理想设计面的对应节点， 虚拟移动面板；
[0011] (5)根据天线指向，计算反射面拟合均方根误差最小的目标曲面；
[0012] (6)根据得到的目标曲面，确定天线变形抛物面与目标曲面的对应节点，计算促动 器调整量；
[0013] (7)根据促动器调整量，对应调整天线面板至新的位置，更新天线结构有限元模 型，转至步骤(2);
[0014] (8)根据得到的变形抛物面天线电性能，计算变形抛物面天线指向，根据大型抛物 面天线的性能要求，判断天线指向是否满足要求，若不满足，进行步骤(4)，若满足，则输出 促动器调整量，从而得到最优的面板移动拟合调整量。
[0015] 所述大型抛物面天线的结构参数包括反射面口径和焦距;所述大型抛物面天线的 材料属性包括天线背架材料和反射面面板材料的密度、弹性模量。
[0016] 所述步骤(3)利用天线机电禪合模型，计算得到变形抛物面天线的远区电场方向 图，从方向图中可W确定天线指向等电性能参数，机电禪合模型如下：
[0017]
[001引式中，（目，(6)为远区观察方向，foU，4 '）为馈源方向图，例)为反射面表面 变形对口径场相位的影响项，S(P)为天线结构位移，0为天线结构设计变量，包括结构尺寸、 形状、拓扑和类型参数，ro为馈源到反射面一点的距离，k为波常数，A表示天线口径面，P'、 4 '为XOY平面内的极坐标。
[0019] 所述步骤(4)确定变形抛物面与理想设计面的对应节点包括如下过程：
[0020] (4a)根据变形后节点对目标曲面的法线方向余弦等于理想设计面上相应节点的 法线方向余弦，由天线理想设计面上节点P(xi，yi，zi)的法线方向余弦，得到天线变形抛物 面上的节点Pl(x日,y日,z日)的法线方向余弦（li,mi,ni):
[0021]
[00剖得到经过节点Pi(xo，yo，zo)的法线方程：
[0023]
[0024] (4b)求解法线方程，得到过天线变形抛物面上节点的法线方向直线与理想设计面 交点的Z坐标，W及天线变形抛物面上节点PiUo,yo，zo)对应理想设计面的法线方向的交点 Po(xo'，yo'，Z0'）坐标；
[0025] (4c)依据各交点坐标，虚拟移动面板。
[0026] 所述步骤(5)计算反射面拟合均方根误差最小的目标曲面包括如下过程：
[0027] (5a)基于促动器虚拟移动目标点PoiUoi'，y〇i'，z〇i'），确定变形抛物面虚拟移动后 N个采样节点的新位置Pv(Xi，yi，Zi);
[0028] (5b)根据天线工作指向，计算使反射面拟合均方根误差最小的目标曲面方程的焦 距：
[0029] J=I
[0030] (5c)得到目标曲面的方程为：
[0031]
[0032] 所述步骤(6)确定变形抛物面与目标曲面的对应节点，计算促动器调整量包括如 下过程：
[0033] (6a)由天线理想设计面上促动器支撑面板的节点F (考，.v:的法线方向余弦， 得到天线变形抛物面上促动器支撑面板的节点巧b，於,?)的法线方向余弦(Ui，Vi，Wi):
[0034]
[0035] (6b)提取促动器支撑面板节点，由天线理想设计面上促动器支撑面板的节点 F(拆诉皆)的法线方向余弦，得到经过天线变形抛物面上促动器支撑面板的节点 巧(?，乂一,）的法线方程：
[0036]
[0037] (6c)求解上述法线方程，得到过天线变形抛物面上促动器支撑面板的节点的法线 方向直线与目标曲面交点的Z坐标，W及天线变形抛物面上促动器支撑面板的节点 巧（?,?,?)对应目标曲面的法线方向的交点巧(?',?',?')坐标；
[003引（6d)确定调整系数'即当目标曲面的法线方向的交点聲(而'，知,?')位于沿 天线变形抛物面上促动器支撑面板的节点巧户\,，扣，^；)法线方向指向反射面内侧时，贝U 'sg"p^取1，当节点g位于沿巧法线方向指向反射面外侧时，则'"IgHn取-1;
[0039] (6e)计算变形抛物面上节点巧相对于目标曲面上节点巧的法向偏差，式子如下：
[0040]
[004