在轨零重力状态下大型柔性天线形面的确定方法技术

本发明专利技术公开一种在轨零重力状态下大型柔性天线形面的确定方法，首先，通过模拟空间环境热变形测量试验，获取真空低温环境下在各温度场工况的不卸载状态的天线形面靶标点云集相对于真空常温不卸载状态的天线靶标点云集的热变形法向位移量值；再将天线形面测量点云集叠加，获取各温度场工况下卸载状态的天线形面靶标点云集；再采用最小二乘拟合法，通过各温度场工况下天线零重力卸载状态的天线形面的坐标点云集，获取零重力拟合形面。本发明专利技术采用高低温工况天线零重力拟合形面天线的仿真结果能真实体现星载大型柔性天线在轨实际运行电性能指标。

【技术实现步骤摘要】
在轨零重力状态下大型柔性天线形面的确定方法
本专利技术属于大型天线在轨零重力状态下的参数测量
，具体而言，本专利技术涉及真空低温环境下基于摄影测量技术的星载大型柔性天线热变形形面精度确定方法，旨在利用地面模拟空间环境下的热变形测量数据，获取大型柔性天线的在轨高低温工况天线零重力拟合形面，预示天线在轨的真实热变形状态，以确保星载大型柔性天线在轨形面精度满足设计和使用要求。
技术介绍
星载大型柔性天线在轨展开后运行过程中，受空间环境下的瞬态、周期性外热流引起温度变化导致天线热变形，加上其在轨环境下的重力释放，也会给航天器带来微变形。以反射面天线为例，变形导致的表面形面与理想抛物面的随机偏差将引起辐射方向图的畸变，产生天线波束指向误差，影响到天线收发信息的准确性和发射功率，降低天线的可靠性。天线的形面精度是衡量和评价天线质量的重要指标。相比于固面天线、航天器高稳定机械结构，在轨环境重力释放对星载大型柔性天线在轨形面状态影响比重较大。目前能够用于航天器热变形测量的技术有：摄影测量法、经纬仪测量法、波动光栅法、激光跟踪测量法、电子散斑或全息干涉测量法等。但由于真空低温环境使用要求或者视场等的限制，在模拟空间环境下进行航天器热变形测量所采用的方法仅有全息干涉法和摄影测量法。目前，国内外星载大型柔性天线的模拟空间环境下的高精度热致微变形测量均采用摄影测量法进行测量，最高的单点测量精度为50μm/5m。但在模拟空间环境下，采用摄影测量法进行大型柔性天线热变形测量时，无法对天线进行重力卸载测量。只能在常温常压环境下，进行重力卸载状态下的天线形面测量。然而，大型柔性天线是采用天线肋、张力绳等结构进行形面精度保持。在常温常压下的天线零重力卸载形面测量数据是通过在天线上方安装重力卸载装置，然后采用人工摄影测量的择机拍摄方式进行天线形面测量；而在真空低温环境下，若在天线上方安装重力卸载装置，采用移动机构拍摄方式不能实现对天线形面的最优测量。现阶段，国内在大型柔性天线设计和验证过程中，天线在轨零重力状态下的形面精度，只能采用模拟空间环境下热变形测量数据进行天线模型修正后，利用仿真分析软件进行大型柔性天线的在轨形面预示。然而目前国内采用模拟空间环境下热变形测量数据进行天线模型修正后，利用仿真分析软件进行大型柔性天线的在轨形面预示的精度较低，而且若对仿真模型修正不够细化，还会产生预示结果失真。因此，根据地面验证试验可知，大型柔性天线在轨状态下，空间外热流导致的形面热变形和重力释放到导致为形面变形之间，不存在耦合相关性，是独立叠加影响大型柔性天线形面精度；而且真空环境对大型柔性天线形面精度影响可以忽略。因此，本专利技术通过在常温常压下的零重力卸载形面叠加高低温工况的热变形量，获取大型柔性天线在轨高低温工况天线零重力拟合形面。
技术实现思路
本专利技术采用常温常压下的重力卸载状态下的天线形面测量数据和模拟空间环境下的天线热变形测量数据叠加，获取大型柔性天线的在轨高低温工况天线零重力拟合形面，消除重力对大型柔性天线热变形测量的天地一致性差异，确定出在轨零重力状态下天线形面精度。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现：在轨零重力状态下大型柔性天线形面精度的确定方法，包括以下步骤：(1)通过模拟空间环境热变形测量试验，获取真空低温环境下在各温度场工况的不卸载状态的天线形面靶标点云集P3i(X3i,Y3i,Z3i)相对于真空常温不卸载状态的天线靶标点云集P1i(X1i,Y1i,Z1i)的热变形法向位移量值dP3i；(2)将各温度场工况下的dP3i与常压常温零重力卸载状态的天线形面测量点云集P0i(X0i,Y0i,Z0i)叠加，获取各温度场工况下卸载状态的天线形面靶标点云集P4i＝P0i+dP3i；(3)采用最小二乘拟合法，通过各温度场工况下天线零重力卸载状态的天线形面的坐标点云集P4i，获取在轨高低温工况天线零重力拟合形面。进一步地，大型柔性天线热变形法向位移量值dP3i获取流程：通过模拟空间环境下热变形测量获得天线在真空常温下的测量点云坐标为P1i(X1i,Y1i,Z1i)，在温度工况下，天线对应靶标点的坐标变化到P3i(X3i,Y3i,Z3i)，通过天线基准点，将上述两组测量点云统一在同一天线坐标系下；其中，P3i与P1i相比除了轴向(Z向)的位移量，还存在沿反射器切向和径向(X向和Y向)的位移量，计算热变形后测量点P3i相对于真空常温形面测量点P1i的法向热变形量值(dP3i)流程如下：(a)通过测量点P3i作天线的竖直切平面AOB，由于天线的抛物面形面为母线赋型，天线是圆周对称的，作为基准面是允许进行绕Z轴转动的；将测量点P1i绕反射器Z轴转动，测量点P1i与竖直切平面AOB的交点为坐标点P2i，则P2i和P3i位于同一平面内；(b)坐标点P2i与测量点P3i之间的Z向位移量为dPi，dPi由两部分组成，一部分为天线肋单纯Z向变形量dP2i，一部分为由于天线肋沿长度方向变形Δρ引起的Z向变形dP1i，则大型柔性天线热变形法向位移量值dP3i，及其热变形均方根(RMS)按如下公式计算得到：dP1i＝Δρ·tanθ(1)dP2i＝dPi-dP1i(2)dP3i＝dP2i·cosθ(3)其中，坐标点P2i与测量点P1i相对于坐标原点O的投影距离ρ1与ρ2是相同的，表示为(X21+Y21)1/2，测量点P3i相对于坐标原点O的投影距离ρ3表示为(X23+Y23)1/2，求解法向误差的过程中通过Δρ＝ρ1-ρ3，已经考虑到了靶标点X和Y向的位移量。其中，采用最小二乘拟合法，通过各温度场工况下天线零重力卸载状态的天线形面的坐标点云集P4i，获取在轨高低温工况天线零重力拟合形面，其流程如下：用标准方程来表示大型柔性天线的标准抛物面，并根据实际应用需求，以测量点距标准抛物面法向均方根偏差最小拟合求得最佳吻合抛物面，式中F为抛物面焦距，dP4i为测量点距拟合抛物面的法向偏差，P4i(x4i,y4i,z4i)为天线上的实际测量点坐标，c为天线上的实际测量点在拟合抛物面上的投影点坐标。其中公式(5)为标准抛物面方程，用于表征大型柔性天线的在轨零重力形面；公式(6)、公式(7)、公式(8)为采用以测量点距标准抛物面法向均方根偏差最小拟合方法(最小二乘法)，计算最佳吻合抛物面的过程；公式(9)为大型柔性天线的在轨零重力形面均方根值计算过程：4Fz′4i＝x′4i2+y′4i2(5)其中，各温度场工况为空间环境外热流模拟工况。根据大型柔性天线的研制和在轨应用经验，本专利技术获得了在轨高低温工况天线零重力拟合形面能直接地表征天线的在轨形面，而且采用高低温工况天线零重力拟合形面天线的在轨电性能仿真结果能真实体现星载大型柔性天线在轨实际运行电性能指标，具有较大的创新性和实用价值。附图说明图1为在轨零重力状态下大型柔性天线形面精度的确定方法的测量数据处理流程；图中：P0i(X0i,Y0i,Z0i)为常压常温零重力卸载状态的天线形面测量点云集；P1i(X1i,Y1i,Z1i)为真空常温不卸载状态的天线靶标点云集；P3i(X3i,Y3i,Z3i)真空低温环境下在各温度场工况的不卸载状态的天线形面靶标点云集；dP3i为天线热变形法向位移量值；P4i(x4i,y4i,z4i)为各温度场工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在轨零重力状态下大型柔性天线形面精度的确定方法，包括以下步骤：(1)通过模拟空间环境热变形测量试验，获取真空低温环境下在各温度场工况的不卸载状态的天线形面靶标点云集P3i(X3i,Y3i,Z3i)相对于真空常温不卸载状态的天线靶标点云集P1i(X1i,Y1i,Z1i)的热变形法向位移量值dP3i；(2)将各温度场工况下的dP3i与常压常温零重力卸载状态的天线形面测量点云集P0i(X0i,Y0i,Z0i)叠加，获取各温度场工况下卸载状态的天线形面靶标点云集P4i＝P0i+dP3i；(3)采用最小二乘拟合法，通过各温度场工况下天线零重力卸载状态的天线形面的坐标点云集P4i，获取在轨高低温工况天线零重力拟合形面。

【技术特征摘要】
1.在轨零重力状态下大型柔性天线形面精度的确定方法，包括以下步骤：(1)通过模拟空间环境热变形测量试验，获取真空低温环境下在各温度场工况的不卸载状态的天线形面靶标点云集P3i(X3i,Y3i,Z3i)相对于真空常温不卸载状态的天线靶标点云集P1i(X1i,Y1i,Z1i)的热变形法向位移量值dP3i；(2)将各温度场工况下的dP3i与常压常温零重力卸载状态的天线形面测量点云集P0i(X0i,Y0i,Z0i)叠加，获取各温度场工况下卸载状态的天线形面靶标点云集P4i＝P0i+dP3i；(3)采用最小二乘拟合法，通过各温度场工况下天线零重力卸载状态的天线形面的坐标点云集P4i，获取在轨高低温工况天线零重力拟合形面。2.如权利要求1所述的方法，其中，大型柔性天线热变形法向位移量值dP3i获取流程：通过模拟空间环境下热变形测量获得天线在真空常温下的测量点云坐标为P1i(X1i,Y1i,Z1i)，在温度工况下，天线对应靶标点的坐标变化到P3i(X3i,Y3i,Z3i)，通过天线基准点，将上述两组测量点云统一在同一天线坐标系下；其中，P3i与P1i相比除了轴向(Z向)的位移量，还存在沿反射器切向和径向(X向和Y向)的位移量，计算热变形后测量点P3i相对于真空常温形面测量点P1i的法向热变形量值(dP3i)流程如下：(a)通过测量点P3i作天线的竖直切平面AOB，由于天线的抛物面形面为母线赋型，天线是圆周对称的，作为基准面是允许进行绕Z轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏嵩，蒋山平，杨林华，张博伦，王劭溥，王丹艺，张磊，龚洁，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11