一种测控集成的大型天线自适应抗风扰系统及设计方法与流程

本发明属于雷达天线技术领域，尤其涉及一种测控集成的大型天线自适应抗风扰系统及设计方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：大型反射面天线是广泛应用于探测、通信、导航及射电天文等领域的重要电子装备，具有增益高，探测和通信距离远等特点，但由于其波束窄、工作频段高，指向精度往往要求较高。如我国拟在新疆建造的110米口径超大型全可动反射面天线qtt(qitairadiotelescope)，最高工作频率可达117ghz，其指向精度要求也达到了1.5角秒(0.000416度)。因此大口径、高频段反射面天线对指向精度提出了极为苛刻的要求。然而一方面随着天线口径增大，结构刚度下降，且风扰动由于其随机性与时变性，风致反射面振动变形导致的指向偏差显著增加，例如文献(j.zhang,j.huang,l.qiuandr.song,analysisofreflectorvibration-inducedpointingerrorsforlargeantennassubjecttowinddisturbance,ieeeantennasandpropagationmagazine.57(2015):46-61)在10m/s风扰下对qtt天线进行了仿真，反射面振动变形导致的指向偏差达0.01度，远达不到指向精度要求。另一方面，天线转轴伺服系统只能测量与控制俯仰方位转轴处的转角偏差，但对于反射面振动变形所产生的指向偏差却无法感知与抑制；并且天线转轴伺服系统的带宽要小于天线反射面结构振动的基频，故转轴伺服系统也无对反射面振动变形所产生的指向偏差进行有效的主动补偿。此外还有一些反射面振动变形的被动抑制技术，网状反射面天线的应用，但是存在低频高频透射的缺点，例如澳大利亚64米天线在43ghz工作时，仅能使用17m以内的实体反射面；可通过建造大型天线罩的方式隔绝风对天线的影响，但天线罩会引起增益下降(在高频段尤为突出)，而且对于大型、超大型天线而言，研制相应的天线罩成本高昂、工程上难以实现；也可采用高刚度设计抑制风扰影响，但造成天线重量增加，例如采用高刚度设计的墨西哥50米lmt天线配重比德国100米天线的两倍还多。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)随着天线口径增大，结构刚度下降，风扰对反射面变形产生的指向精度的影响也愈加显著。

(2)天线转轴伺服系统只能测量与控制俯仰方位转轴处的转角偏差，但对于反射面振动变形所产生的指向偏差却无法感知与抑制；并且天线转轴伺服系统的带宽要小于天线反射面结构振动的基频，故转轴伺服系统也无对反射面振动变形所产生的指向偏差进行有效补偿。

(3)当前的反射面面振动抑制技术，网状反射面天线的应用、建造大型天线罩的方式和高刚度设计存在高频透射、增益下降、成本高、总量增加、实施难度大等缺点。

解决上述技术问题的难度：需要建立反射面振动变形监测系统实时感知反射面的振动状态；需要设计一种便于实施且轻巧的机构来抑制反射面振动；需要发展一种控制算法可以根据反射面的振动状态来智能调节执行机构。

解决上述技术问题的意义：建立反射面振动变形监测与控制系统，以实现有效抑制风扰对电性能的影响，进而实现天线在大风条件下的正常工作；还可降低天线结构设计的难度，一定程度上可以降低天线重量，因为即使天线刚度较小产生振动变形较大，也可通过本发明将振动变形抑制。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种测控集成的大型天线自适应抗风扰系统及设计方法。

本发明是这样实现的，一种测控集成的大型天线自适应抗风扰系统，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统设置有：

天线反射面上布置若干加速度计1，在地面设置圆形滑轨2，并在其上安装4个驱动器4，用绳索3连接驱动器4和反射面边缘，工控机5发送控制指令给驱动器4驱动绳索3，在反射面边缘处施加绳索拉力。

进一步，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统在天线反射面上布置若干加速度计，实时获取测量点加速度。

进一步，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统圆形滑轨的圆心位于天线底座为中心，半径为r2；驱动器随着天线方位角和俯仰角变化在滑轨上运动。

进一步，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统的4个绳索力作用于天线口径面边缘处，t1和t3作用点连线垂于俯仰轴，t1和t3位于xz平面内，t2和t4作用点连线平行于俯仰轴，t2和t4所在平面垂直于xy平面。

本发明的另一目的在于提供一种所述的测控集成的大型天线自适应抗风扰系统的设计方法，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统的设计方法包括：

第一步，在反射面上布置加速度计实时获取测量点加速度；

第二步，根据天线的结构尺寸设计并加装带有滑轨的4绳索驱动机构；

第三步，基于测点加速度测量和考虑力等效识别的低阶柔性模型，通过一种类卡尔曼观测器实时观测风力和绳索张力产生的振动状态；

第四步，基于观测的振动状态，通过线性二次调节器控制绳索张力进而抑制反射面振动变形；

第五步，将第一步、第三步的测量系统和第二步、第四步的控制系统集成为自适应抗风扰系统，并将相关程序编写入工控机中用于实际工程中。

进一步，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统的第二步包括以下步骤：

(1)圆形滑轨的圆心位于天线底座为中心，半径为r2；驱动器可以随着天线方位角和俯仰角变化在滑轨上运动，当方位角一定时，1和3驱动器位于x轴与滑轨的交点处；2和4驱动器距xyz坐标系原点为l；

l＝dcosem+l；

其中em是俯仰角，d是俯仰轴与天线口径面的距离，l方位轴与俯仰轴间的距离；

(2)4个绳索力作用于天线口径面半径为r1边缘处，t1和t3作用点连线垂于俯仰轴，t1和t3位于xz平面内，t2和t4作用点连线平行于俯仰轴，t2和t4所在平面垂直于xy平面；

ti作用点高度：i＝{1,2,3,4}；

h1＝h2-r1cosem；h2＝h4＝dsinem+h；h3＝h2+r1cosem；

其中h为俯仰轴高度；ti与z轴负向夹角：

ti沿x，y和z的分量：

t1x＝t1sinα1；t1y＝0；t1z＝-t1cosα1；

t2x＝0；t2y＝t2sinα2；t2z＝-t2cosα2；

t3x＝-t3sinα3；t3y＝0；t3z＝-t3cosα3；

t4x＝0；t4y＝-t4sinα4；t4z＝-t4cosα4。

进一步，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统的设计方法的第三步包括以下步骤：

(1)建立在三维空间的连续时间动力学模型，输入为空间分布的瞬态风力和绳索张力，输出为测量点加速度值，获得天线反射面的振动状态；输出还有所有节点的位移值，评估由于天线反射面振动变形所产生的指向偏差：

(2)引入模态叠加法，将连续动力学模型写成状态空间方程，并离散化，得到天线的低阶柔性模型；

(3)得到xk，先对fk进行识别；等效前后模态力相同：

对于状态观测器设计，新的状态方程为：

xk+1＝axk+bfk+wk＝axk+be1f′k+wk；

be1＝bbf,b＝[bxbybz]；

可以是x，y和z中的任意一个，b＝{bx,by,bz}；bf为q个等效力的位置矩阵；如果第j个等效力作用于第i个节点的x方向，那么bxij＝1，否则bxij＝0；

理论的等效力为：

f′k＝be1⁺bfk；

其中为be1的伪逆；

系统输出公式变为：

ak＝caxk+dfk+vk＝caxk+de1f′k+vk；

de1＝db⁺be1；

然后基于加速度测量点和由a，be1，ca和de1构成的考虑力等效识别的低阶柔性模型，等效力和系统振动状态的估计值xk|k被一种无偏最小方差观测器先后得到。

进一步，所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统的设计方法的第四步包括以下步骤：

对于绳索张力控制器设计，新的状态方程为：

be2＝i；

基于线性二次调节器，能够抑制振动的状态力根据振动状态的估计值xk|k获得：

绳索张力tk产生

然后4个绳索张力通过下式获得：

tk＝-(bbt)⁺klqrxk|k；

将控制量变为绳索变形量，并引入饱和器限制绳索张力：

最终建立绳索张力控制器。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述测控集成的大型天线自适应抗风扰系统的雷达天线。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：为解决天线转轴伺服系统无法测量与控制反射面振动变形的问题，本发明的目的在于：提出一种大型天线的风致反射面振动变形监测与抑制的方法，用以减小瞬态风扰导致的指向误差。相比于天线转轴伺服系统，本发明测量能够出反射面振动状态并能够抑制反射面振动变形；相比使用网状反射面天线、建造大型天线罩和高刚度设计的风振抑制方法，本发明对原有天线结构影响小，不存在高频透射、增益下降、总量增加等问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的测控集成的大型天线自适应抗风扰系统结构示意图；

图中：1、加速度计；2、圆形滑轨；3、绳索；4、驱动器；5、工控机。

图2是本发明实施例提供的各个要素几何关系图。

图3是本发明实施例提供的天线自适应抗风扰系统执行原理图。

图4是本发明实施例提供的加速度计、等效识别力和绳索张力的仿真位置图。

图5是本发明实施例提供的等效力的仿真识别效果图。

图6是本发明实施例提供的仿真的绳索变形量及张力图。

图7是本发明实施例提供的仿真的控制效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的大型天线的风致反射面振动变形监测与抑制的方法，用以减小瞬态风扰导致的天线指向误差，提高大型反射面天线在风扰下的指向精度，

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于测控集成设计大型天线自适应抗风扰系统包括：加速度计1、圆形滑轨2、绳索3、驱动器4、工控机5。

天线反射面上布置若干加速度计1，在地面设置圆形滑轨2，并在其上安装4个驱动器4，用绳索3连接驱动器4和反射面边缘，工控机5发送控制指令给驱动器4驱动绳索3，在反射面边缘处施加绳索拉力。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图1所示，在天线反射面上布置若干加速度计，用以实时获取测量点加速度。对于加速度计数量与位置的确定方法，可以参照模态动能法，有效独立法等传感优化布局方法。

如图1和2所示，根据天线的结构尺寸设计并加装带有滑轨的4绳索驱动机构。圆形滑轨的圆心位于天线底座为中心，半径为r2；驱动器可以随着天线方位角和俯仰角变化在滑轨上运动，当方位角一定时，1和3驱动器位于x轴与滑轨的交点处；2和4驱动器距xyz坐标系原点为l：

l＝dcosem+l(1)

其中em是俯仰角，d是俯仰轴与天线口径面的距离，l方位轴与俯仰轴间的距离。

4个绳索力作用于天线口径面(半径为r1)边缘处，t1和t3作用点连线垂于俯仰轴，t1和t3位于xz平面内，t2和t4作用点连线平行于俯仰轴，t2和t4所在平面垂直于xy平面。

ti作用点高度：(i＝{1,2,3,4})；

h1＝h2-r1cosem；h2＝h4＝dsinem+h；h3＝h2+r1cosem(2)

其中h为俯仰轴高度；

ti与z轴负向夹角：

ti沿x，y和z的分量：

t1x＝t1sinα1；t1y＝0；t1z＝-t1cosα1；

t2x＝0；t2y＝t2sinα2；t2z＝-t2cosα2；

t3x＝-t3sinα3；t3y＝0；t3z＝-t3cosα3；

t4x＝0；t4y＝-t4sinα4；t4z＝-t4cosα4(4)

基于测点加速度测量和考虑力等效识别的低阶柔性模型，通过一种类卡尔曼观测器实时观测风力和绳索张力产生的振动状态。为了描述天线的柔性振动，建立在三维空间的连续时间动力学模型。该模型的输入为空间分布的瞬态风力和绳索张力，如图1所示。输出为测量点加速度值，其用来获得天线反射面的振动状态；输出还有所有节点的位移值，用来评估由于天线反射面振动变形所产生的指向偏差：

天线反射面有t个节点，有m个测量点.分别为在xyz坐标系中的节点位移，速度和加速度向量，它们的维数都为3t×1。fx，fy，fz分别为天线反射面各个结构节点的x，y，z方向的瞬态风力，它们的维数都为t×1。维数为4×1的绳索张力为t＝[t1t2t3t4]^t，btx，bty和btz是绳索张力的分解到x，y，z方向的矩阵。和分别为3m×1维测点加速度输出向量和3t×1维节点位移。维数都为3t×3t的m，d和k分别是结构的质量，阻尼和刚度矩阵。bx，by，bz都为t×t维的输入矩阵。输出矩阵co的维数是3m×3t。

引入模态叠加法，将连续动力学模型写成状态空间方程，并离散化，得到天线的低阶柔性模型：

xk+1＝axk+bfk+wk(7)

ak＝caxk+dfk+vk(8)

dk＝cdxk(9)

其中k为时间步；xk为系统状态；a，b，ca，cd和d为系统矩阵；ak和dk分别为测点加速度和节点位移；fk为动载荷包括风力和绳索张力；wk由于模型缩减产生的模型误差，它的协方差矩阵为vk为测量噪声，它的协方差矩阵为

考虑力等效识别的状态观测器：

然后要得到xk，就需要先对fk进行识别。在满足系统稳定性，能观性，能控性和直接可逆性准则的前提下将复杂的空间分布力识别的问题简化为识别某几个节点在某一个方向力的问题。

等效前后模态力相同：

对于状态观测器设计，(7)式新的状态方程为：

xk+1＝axk+bfk+wk＝axk+be1f′k+wk(11)

be1＝bbf,b＝[bxbybz](12)

可以是x，y和z中的任意一个，b＝{bx,by,bz}。bf为q个等效力的位置矩阵。如果第j个等效力作用于第i个节点的x方向，那么bxij＝1，否则bxij＝0。

理论的等效力为：

f′k＝be1⁺bfk(14)

其中be1⁺为be1的伪逆。伪逆由奇异值分解来实现，不仅为了求解非方阵的逆，还为了避免由于秩缺导致的数值求解的不稳定。

系统输出公式(8)变为：

ak＝caxk+dfk+vk＝caxk+de1f′k+vk(15)

de1＝db⁺be1(16)

然后基于加速度测量点和由a，be1，ca和de1构成的考虑力等效识别的低阶柔性模型，等效力和系统振动状态的估计值xk|k被一种无偏最小方差观测器先后得到。观测器的实现原理见图3。mk和kk的计算公式见以下文献。

e.lourens，c.papadimitriou，s.gillijns，etal，jointinput-responseestimationforstructuralsystemsbasedonreduced-ordermodelsandvibrationdatafromalimitednumberofsensors，mechanicalsystemsandsignalprocessing.29(2012):310-327.

基于观测的振动状态，通过线性二次调节器控制绳索张力进而抑制反射面振动变形。

对于绳索张力控制器设计，新的状态方程为：

be2＝i(18)

基于线性二次调节器，能够抑制振动的状态力根据振动状态的估计值xk|k获得：

绳索张力tk产生

然后4个绳索张力可以通过下式获得：

tk＝-(bbt)⁺klqrxk|k(21)

为了实施方便，将控制量变为绳索变形量，并引入饱和器限制绳索张力：

绳索刚度为e是杨氏模量，ar是绳索截面积，li是第i个绳子长度；tmax不能超过天线结构和绳索的需用应力。最终建立如图3所示的绳索张力控制器。

将相关程序写入工控机，将测量系统和控制系统集成为自适应抗风扰系统，用于反射面振动变形监测与抑制，进而提高大型反射面天线在风扰下的指向精度。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

表1自适应系统仿真参数表

根据表1建立如图1所示的天线自适应抗风扰系，加速度计的布局以及等效识别力和绳索张力的作用点如图4所示。如图3所示，自适应抗风扰系统在瞬态风力下作用下进行工作，仿真时间为4秒，采样率为1000hz，平均风速为10m/s，风从天线正面吹来。图5显示辨识的等效力与理论等效力的一致性好。抑制反射面振动的绳索变形及张力如图6所示。基于最佳拟合抛物面理论(j.zhang，j.huang，l.qiuandr.song，analysisofreflectorvibration-inducedpointingerrorsforlargeantennassubjecttowinddisturbance，ieeeantennasandpropagationmagazine.57(2015):46-61.)，根据反射面振动位移量，可以得到天线的指向偏差：

θ＝[θⅰθⅱ]^t＝f(dw)(24)

其中θⅰ和θⅱ分别是指向偏差在uw和vw平面的投影量，dw为节点在w方向的位移向量，通过坐标变换得到。

从图7可以得到，在绳索张力的控制下的指向偏差相对于无控制情况减少了80.26％，说明本发明能够有效抑制反射面振动变形，提高天线在风扰下的指向精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。