专利名称：基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法
技术领域：
本发明涉及一种对天线反射面装调的方法，特别适合由多块反射面拼装而成的大型天线的现场装调。
背景技术：
随着通信技术、先进雷达、深空探测、遥感及隐身技术的发展，各国对大静区、超宽频带、毫米波大型天线的需求越来越大。反射面、背架、中心体和天线底座构成了大型天线的基本结构。天线反射面板调整技术是指利用特定的面板调整机构，改变天线面板的空间位置，使其上的每个靶标点最大限度地趋于理想反射面上的对应点，趋近程度越高表明反射面精度越高。由于制造成本低，维护性好等特点，目前大型反射面天线大多采用多块反射面拼装而成，同时天线反射面整体精度直接影响其最高工作频率，所以反射面检测装调成为保证紧缩场质量的关键。在2005年1月第25卷第1期《海洋测绘》中公开了名为“电子经纬仪交会测量系统在大型天线精密安装测量中的应用”。该系统由两到四台T3000A电子经纬仪组成。控制网由6个9 16m高的测量墩构成。采用T3000A测角、TC2003测边，数据处理后边角网的点位精度在可以达到士0.3mm经内。3台仪器建立系统的尺度精度优于10_5。测量772点用时4h以内，交会精度优于0. 3mm (RMS)。大型反射面天线属于典型的非标单件产品，其装调过程不是个单纯的测量及定位问题，更是一个基于对反射面天线装调各个反射面深刻理解的一套复杂的工艺。为保证反射面最终型面精度，就必须制定合理的装调工艺，尽可能在最短时间使整个反射面的形状与理想反射面相吻合，这样才能保证天线的电气性能指标。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，该方法通过非线性最小二乘法计算反射面调整量，然后依次通过四点-边缘-型面三个阶段将反射面调整到与理想反射面最佳匹配的位置。本发明装调方法提高了天线反射面装调效率，缩短装调工期，保证装调质量，特别适合由多块反射面拼装而成的大型天线的装调。本发明的一种基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，所需一台激光跟踪仪进行标志点坐标测量，计算机控制系统中存储有装调处理单元，该装调处理单元中的装调方法包括有步骤一建立天线安装坐标系步骤；步骤二 四点调节粗定位步骤；步骤三边缘最佳勻缝隙步骤；步骤四单块精调定型面步骤。本发明基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法的优点在于①建立激光跟踪仪装调天线安装坐标系0*-xyv，使得安装坐标系0*-xyv与大
7地坐标系Ow-XwywZw平行、与天线总体结构设计相协调、与反射面设计坐标o-xyz相一致，从而保证测量及装调的精度。②采用四点-边缘-型面三个调整阶段，逐步调高调整精度，将反射面调整到与其设计的最佳匹配位置，保证调整工艺实施的连续性及可行性。③采用单纯形下山优化算法，计算第二阶段及第三阶段调整量，提高调整效率，缩短装调工期。④第三阶段调整过程中，限制了反射面调整的三个自由度，保证反射面位置精度， 并避免了反射面之间的相互干涉，保证了装调过程的安全及稳定性，保证装调质量。⑤采用一台激光跟踪仪作为测量设备，对现场的水平标志点、轴向标志点和反射面的边缘、标志点及型面进行测量，测量量程大，精度高，操作简单，并且能实时监测标志点的坐标值，保证装调质量，提高装调效率。
图1是本发明的一种用一台激光跟踪仪进行天线反射面装调时的结构简示图。图IA是本发明装调处理单元的流程图。图2是本发明装调处理单元中多坐标系的关系图。图2A是本发明装调处理单元中天线安装坐标系转角示意图。图3是NJD2025紧缩场反射面分块及布局。图4是NJD2025-08四点调节型面精度图。图5是NJD2025-08边缘最佳调节型面精度图。图6是NJD2025-08型面最佳调节型面精度图。图7是NJD2025紧缩场整体型面精度图。
具体实施例方式下面将结合附图和应用实例对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，在本发明中，由第一支撑板、第二支撑板、第三支撑板和第四支撑板首尾相接形成四边形的标志点标定模型。该标志点标定模型用于安装多个标志点。四个支撑板的材料可以是玻璃板、木板等。在本发明中，应用电子经纬仪(或水平仪)对设置在四个支撑板上的多个标志点中的部分标志点进行同一水平面(即映射到计算机控制系统中的标定水平面)面内的调整，以保证设置在四个支撑板上的至少四个或四个以上的标志点保持在同一水平面内。在本发明中，应用一台激光跟踪仪(可以选用Leica at901_b)对四个支撑板上的多个标志点的坐标进行测量，测量获得的点号坐标值传输给计算机控制系统中。在本发明中，计算机控制系统包括一台PC机和安装在PC机处理器中的装调处理单元；参见图IA所示，装调处理单元由建立天线安装坐标系c^-xVV模块、四点调节粗定位模块、边缘最佳勻缝隙模块和单块精调定型面模块构成；装调处理单元采用vb 6. 0语言开发。PC机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘40GB ；操作系统为windows 2000/2003/XP。本发明的一种基于激光跟踪仪的大型天线反射面辅助装调方法，是通过逐次逼近、分三个不同调整阶段将反射面调整到与其理想反射面最佳匹配的位置。参见图IA所示，本发明的一种基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，包括有建立天线安装坐标系f-xVV步骤、四点调节粗定位步骤、边缘最佳勻缝隙步骤和单块精调定型面步骤。(一 )天线安装坐标系0*-xVV步骤由于反射面天线的安装一般要考虑到反射面与扫描架、馈源、安装现场、背架、支撑结构、测量目标等安装位置关系，为了保证装调基准的准确性，本发明在调整之前必须建立基于激光跟踪仪的装调天线安装坐标系vv，保证安装坐标系0*-xyv与大地坐标系Ow-XYV1平行、与天线总体结构设计相协调、与反射面设计坐标o-xyz相一致。天线安装坐标系的建立包括有如下实施步骤步骤1-1 (A)在反射面天线安装现场的四周设置四个支撑板，并且四个支撑板的首尾连接形成四边形；然后将激光跟踪仪设置在所述四边形的外部，所述激光跟踪仪的坐标系记为Olt-X1VtZlt ；在本发明中，所述四边形映射到装调处理单元中为标定水平面(参见图2所示)， 四个支撑板为标定水平面的四个边，即AB边和CD边为轴向方向边，AB平行于CD，AC边和 BD边为水平方向边，AC平行于BD ；(B)在四个支撑板上分别设置水平标志点，并在装调处理单元中记下点号；在本发明中，布局在各支撑板上的标志点在安装时，采用水平仪(或电子经纬仪) 进行辅助布局，以保证各个支撑板上设置的水平标志点在同一水平面。(C)根据点号用激光跟踪仪测量得到每个点号在Olt-X1VltZlt下的坐标值；其中，AB边上的标志点的坐标值记为Q(xQi，yQi, zQi) i = 1,2,…，m(简称为第一组轴向坐标值 Q(xQi，yQi，、i)i = 1,2,…，m)；其中，⑶边上的标志点的坐标值记为R(xKj，yEJ, zEJ) j = 1,2,…，s (简称为第二组轴向坐标值RUKj，yKj，％) j = 1,2,…，s)；其中m = s，m表示第一组轴向标志点(AB边上的标志点)的标记号(或者个数)，s表示第二组轴向标志点(CD边上的标志点)的标记号(或者个数)；其中，AC边上的水平标志点的坐标值记为P(xpk，yPk, zPk)k = 1,2,…，n(简称为水平点号坐标值？(％;，71)1;，2 ;作=1,2,…，η)；由于对四个支撑板按照平行四边形进行拟合，故BD边与AC边平行，则这两个边上的水平标志点用激光跟踪仪测量时仅采集一边点号的坐标值。η表示水平标志点(AC边上的标志点)的标记号(或者个数)。参见图2所示，标定水平面的AB边上的P1点号的坐标为Pl(Xl，y1; Zl)，Pn点号的坐标为Pn ( ，yn，zn)，Plri点号的坐标为Plri (Xlri，yn_1 Zn^1) ；AC边上的巧点号的坐标为巧(x2， I2, Z2)，P3点号的坐标为P3 (x3，y3, Z3) ；CD边上的P4点号的坐标为P4(x4，y4, z4)，p5点号的坐标为P5 (X5，Y5, Z5) ；DB边上的Pk点号的坐标为Pk (xk，yk, Zk)。在本发明中，激光跟踪仪调整按照测量误差最小原则，将激光跟踪仪位置震动设置为小于0.01mm。步骤1-2 确定标定坐标系
(A)采用最小二乘法对步骤1-1中获得的坐标值？^^又^^作=1,2,…，η进行拟合，得到标定水平面Ax+By+Cz = 0，该标定水平面平面度需达到00级；其中，A表示标定水平面中χ轴法向矢量，B表示标定水平面中y轴法向矢量，C表示标定水平面中ζ轴法
向量；(B)提取标定水平面Ax+By+Cz = 0中A、B、C的矢量，记为P，瓦；归一化·[足反(5}
即得到大地坐标系Ow-XwywZw的铅垂方向的矢量及，即
权利要求
1.一种基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，所需一台激光跟踪仪进行标志点坐标测量，计算机控制系统中存储有装调处理单元，其特征在于所述装调处理单元中的装调方法包括有步骤一建立天线安装坐标系VV步骤；步骤二 四点调节粗定位步骤；步骤三边缘最佳勻缝隙步骤；步骤四单块精调定型面步骤。
2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，其特征在于建立天线安装坐标系f-xVV步骤包括有下列实施步骤步骤1-1 (A)在反射面天线安装现场的四周设置四个支撑板，并且四个支撑板的首尾连接形成四边形；然后将激光跟踪仪设置在所述四边形的外部，所述激光跟踪仪的坐标系W, It It It It记为O -X y ζ ；(B)在四个支撑板上分别设置水平标志点，并在装调处理单元中记下点号；(C)根据点号用激光跟踪仪测量得到每个点号在Olt-X1VltZlt下的坐标值；其中，第一组轴向坐标值Q(xQi，yQi，zQi) i = 1,2, -,m；其中，第二组轴向坐标值RUKj，yKj，％) j = 1,2,…，s ;其中m = s，m表示第一组轴向标志点的标记号，s表示第二组轴向标志点的标记号；其中，水平标志点的坐标值？^！^又！^乙^^= 1,2,…，η;步骤1-2 确定标定坐标系(A)采用最小二乘法对步骤1-1中获得的坐标值？(％;，7 ;，2 ;作=1,2,…，η进行拟合，得到标定水平面Ax+By+Cy = 0，该标定水平面平面度需达到00级；其中，A表示标定水平面中χ轴法向矢量，B表示标定水平面中y轴法向矢量，C表示标定水平面中ζ轴法向量；(B)提取标定水平面Ax+By+Cz= 0中A、B、C的矢量，记为卩，反；归一化p,反巧即得到大地坐标系Ow-XYV的铅垂方向的矢量及，即(‘ A__B__C 1N = ,=,—==,-；[^lA2+B2+C2 ^JA2+B2+C2 y]A2+B2+C2 J(C)将QUQi，yQi，％)i= 1,2,…，m投影到标定水平面Xx +办+ C^iO上，得到投影后的坐标值记为 q(Xtli，，Ztli) i = 1,2,…，m ；采用最小二乘法对 q(X(li，y(li，Z(li)i = 1,2,…， m进行拟合，得到第一组标记点的直线记为L1, L1的直线方程表达为Cl+nlX+n2y = O ；(D)将R(xKj，yEJ,zEJ) j = 1,2,…，s投影到标定水平面Ax+By+Cz = O上，得到投影后的坐标值记为r(xrj，yrj，zrj) j = 1,2,…，s ；采用最小二乘法对r (xrj，yrj，zrj) j = 1,2,…， s进行拟合，得到第二组标记点的直线记为L2, L2的直线方程表达为c2+n3x+n4y = O ；使得H1 = I^n2 = Ii4,且，故直线L1与直线L2平行(WL2)；提取直线L1的方向矢量记为Z = ，0}；(E)将铅垂方向矢量及作为标定坐标系Oxe-XxWie中疒轴方向矢量、Z= π2，作为标定坐标系Oxe-XxWie中Zxe轴方向矢量，并将P(xpk，yPk，zPk)k = 1,2,…，η中的某一点作为原点，按照右手坐标系法则得到显示在计算机控制系统中显示器上的标定坐标系
3.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，其特征在于激光跟踪仪调整按照测量误差最小原则，将激光跟踪仪位置震动设置为小于0. 01mm。
4.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，其特征在于确定好天线安装坐标系VV后，将全部V块天线反射面挂装到支撑结构上，此时反射面位置误差比较大；四点调节粗定位步骤有调整步骤步骤2-1 在天线安装坐标系f-xVV下，将第1块反射面按照第一调整量{ Δ xDlbl, AyDlbl, AzDlbJ进行调整，其中 = xbl ~xbx
5.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，其特征在于大型天线一般由多块反射面拼装而成，为避免反射面边缘之间的干涉以及减少缝隙对电磁场的干扰，所以必须保证反射面安装到其设计的理论位置，并保证边缘横平竖直及缝隙的均勻；边缘最佳勻缝隙步骤的调整具体实施如下步骤3-1 采用单纯形下山法求解非约束六参数非线性方程NEmin(dO))的空间变换参数(α，β，Υ，Xq，yQ， )，将(α，β，y,e=lX。，y。，z0)记为 τ，τ = (α，β，y , x0, y0, z0) ；^ (χ, y, ζ) = 0 为第 1 块反射面的边缘理论方程，α、β和Y分别为在天线安装坐标系cZ-xVV下绕χ*、/和ζ*三轴的旋转角(参见图2Α所示)，X0, y0和Z0分别为在天线安装坐标系o*-x*y*z*下沿x*、y*和ζ*三轴的平移量，NE表示采用激光跟踪仪在安装坐标系0*-xyv下静态测量边缘点的个数， (<广，乂广,^广)# = 1,2 —表示利用激光跟踪仪在天线安装坐标系下第1块天线反射面边缘测量坐标值，下标e表示第e个边缘测量点，下标1表示第1块反射面；同理NE2第2块反射面可以表示为如《￡(/2，第2块天线反射面边缘测量坐标e=2值表示为(X=", yT ,Om,步骤3-2 在天线安装坐标系f-xVV下，将第1块反射面按照第二调整量{ Δ xD2bl, AyD2bl, Δ zD2bl}进行调整，其中= xM p —X/ji表示第1块天线反射面第b个标志点的边缘最佳拟合优化坐标值，W表示每一块天线反射面标志点的个数，(XaKi2AW = U-I表示利用激光跟踪仪在天线安装坐标系VV下第1块天线反射面第b个标志点测量坐标值，下标b表示第b个标志点，下标1表示第1块反射面；同理第2块天线反射面第b个标志点测量坐标表示为(<22,ytl,^22),δ = 1，2…fT，第2块天线反射面第b个标志点的边缘最佳拟合优化坐标值表示为( 卞，yilp, zf O力=1，2…妒，且有λ/αyirV2Al ,=Rr Rp-KXb\ —又0yt'-yo Zb\ 一 Z0α、β、γ ,x0,y0和、为步骤3-1中计算的空间变换参数，Ra、Re和Ry分别为对应a、 β、Y的旋转矩阵，其中
6.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，其特征在于单块精调定型面步骤的调整具体实施如下步骤4-1 采用单纯形下山法求解带约束参数非线性方程
全文摘要
本发明公开了一种基于激光跟踪仪的天线反射面装调方法，该方法(一)横平竖直找基准，建立以大地水平为基准、以反射面设计坐标为原点、与现场协调的现场装调坐标系；(二)四点调节粗定位，在现场装调坐标系下测量标志点，计算第一调整量调整标志点，保证调整误差小于等于±2mm；(三)边缘最佳匀缝隙，通过边缘最佳拟合计算第二调整量调整边缘，保证标志点误差小于等于±0.5mm，缝隙宽度小于等于(0.1±0.05)λ；(四)单块精调定型面，通过限制三自由度型面最佳拟合，计算第三调整量调整型面，保证调整误差小于等于±0.02mm。本发明能提高天线反射面装调效率，缩短装调工期，保证装调质量，特别适合由多块反射面拼装而成的大型天线的装调。
文档编号H01Q19/10GK102176546SQ201110034428
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者何国瑜, 周国锋, 常和生, 方程, 李东升, 李晓星 申请人:北京航空航天大学